JPH04112425A - 触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明は主にロボットのような高機能機械装置に使用
されるセンナに係り、とくに機械部分と対象物との接触
状態を検知する触覚センサに関する。

（ロ）従来の技術 ロボットのような機械装置が対象物に作用力を及ぼし対
象物を物理的に操作するためには対象物の物理的状態を
的確に感知して、機械装置を制御しなければならない。

この物理的状態は機械か対象物から離れた位置から次第
に接近し、さらに接触していく過程を検知する必要があ
るか、それには、機械装置の一部が対象物と接触した状
態を検知する接触センサ（あるいは圧覚センサ）と呼ば
れるものが用０られる。

接触センサとしては２値接触センサとアナログ接触セッ
サが知られている。２値接触センサは基本的にスイッチ
であり、対象物がそのスイッチの検知点に存在するかし
ないかを検出するもので、マイクロスイッチのような機
械式センサや、フォトトランジスタやフォトダイオード
を応用した光学式センサが知られている。

また、アナログ接触センサとしては接触部分に加えられ
る力に比例する出力を与えるもので、ばね圧により復元
力のある基本要素環の往復運動を回転運動に変換し、ポ
テンショメータやエンコーダにより検出するようにした
ものが知られている。

さらに、人間の皮膚のように高密度多点接触情報を得る
ために人口皮膚と呼ばれる種々の面検知接触センサが知
られている。これらには、導電性シートに電極を配置し
、シートの一部に力を受けて変化して抵抗値の電流値で
検出するものや、圧電高分子材料等の圧電性材料を用い
て圧電作用によって出力する電圧を検出するものがある
［例えば、Ｋ、Ｓ、Ｆｕ他著「ロポティクス」（日刊工
業新聞社、１９８９年）参照コ。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、機械式センサはばね圧で０Ｎ１０ＦＦの
閾値を調整するため、接触時に必ず比較的大きな変位を
伴い、また、感度をあげるには０Ｎ１０ＦＦ閾値を低く
とればよいが、その場合振動により判別が不安定になり
やすい。また、光学式センサは対象物に光を照射して反
射光の強度で対象物の接近度を検知するために接触時に
変位を伴わないが、環境照明条件が対象物の光学的条件
に影響を与える欠点がある。さらに、この方法は本質的
に近接センンングであり、本当の接触を検知していない
。アナログ接触センサは形状が大きくなり、高密度多点
接触情報を検出する装置を構成することが難しい。また
、導電性ソートを用いたセンサは現段階では感度が不十
分で微細な接触圧を検知することが難しく、また導電シ
ートは通常弾性体であるが変形後の回復速度が遅いこと
から応答性に問題がある。さらに、大きな荷重に対して
は塑性変形をし再現性が得られなくおそれかある。圧電
高分子材料を用いたセンサは高感度で微小な出力も検知
できる反面、圧電セラミックス同様ヒステリンスが大き
く即応性に欠けるという問題がある。また圧電材料は基
本的に出力変化に応じて電荷が生成されるので、速度の
遅い出力変化を検出することができない。

また、従来のセンサでは触覚の扱いを圧覚の延長上と考
え、ある出力の閾値以上をＯＮそれ以下をＯＦＦとして
触覚検知を行っている。これは静的な接触では問題ない
が動的な接触、即ち対象物とセンサか離れた状態から接
触状態へ至る過渡状態では衝突による振動で不安定なセ
ンナ出力となりやすい。

この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、
従来の触覚センサの問題点を克服しｒこ能動的な触覚セ
ンサを提供するものである。

（ニ）課題を解決するための手段 この発明は、対象物との接触を感知する触覚センサにお
いて、複数の圧電振動子と、前記圧電振動子を振動可能
にそれぞれ支持して面状に配列する支持体と、交流電源
を断続可能に前記圧電振動子に印加するための開閉器と
、前記圧電振動子の出力電圧を検出するための検出回路
を備え、前記開閉器を閉じて前記圧電振動子を交流電圧
で一定期間励振し、前記開閉器を開いた直後に得られる
前記圧電振動子出力電圧から、各振動子と対象物との接
触状態を検出することを特徴とする触覚センサである。

圧電振動子には、高分子圧電材料フィルム（たとえば、
圧電性ＰＶＤＦフィルム）を振動板に取付けた公知の構
造のものを用いることができる。

（ホ）作用 開閉器を閉じて圧電振動子に交流電圧を印加すると、こ
の圧電振動子は振動をはじめる。この振動子の振幅域に
対象物の一部が侵入すると振動状態が変化する。次に、
開閉器を開いてもしばらく圧電振動子は振動を持続する
。従って、開閉器を開いた直後の圧電振動子の出力電圧
を検出することにより対象物の接触状態を知ることがで
きる。

振動子の振幅域は一定の幅をもっているので過渡的な接
触状態を検知することができる。

（へ）実施例 以下、図面に示す実施例に基づいて、この発明を詳述す
る。これによってこの発明が限定されるものではない。

第１図は本発明の一実施例を示す触覚センサの圧電振動
子、つまり、振動体モジュールを示す構成説明図であり
、■は振動板、２は圧電性ＰＶＤＦフィルムからなる圧
電素子、３は振動板支持部、４は支持部３を収納する母
体構造である。５は可撓性を有する樹脂フィルム、６は
対象物、７．８は圧電素子２の電極、９．１０は配線、
１１は交流電源、１２は電圧検出部、Ｓは電極７．８の
電圧印加回路を開閉するスイッチである。

このような構成において、圧電素子２は矢印ｙ方向つま
り圧電素子２の厚み方向に電圧が印加されると、矢印Ｘ
方向つまり横方向に歪む横方向の圧電効果を有する。圧
電素子２は振動板１に密着しているので、交流電圧を電
極７．８に加えると振動板ｌは上下に曲げられ振動をは
しめ、振動板！の固有振動数と一致する周波数の交流電
圧を印加することにより大きな振幅が得られる。

電圧検出部１２は圧電素子２が発生する電圧を検出する
。即ち振動板ｌが励振されスイッチＳが開かれたのち貯
えられたエネルギーで振動し続けるとき圧電素子２が発
生する電圧が検出される。

第２図はこの電圧出力波形の例を示す。（ａ）は励振の
ための印加交流電圧、（ｂ）〜（ｄ）は対象物６と接触
センサの検知面の接触状態によって変わる励振後の圧電
素子２の電圧出力波形を示す。（ｂ）は対象物６かセン
サに接触していない状態で、振動はすぐには減衰しない
ため振動に応した電圧振動がしばらく紋測される。（ｃ
）は対象物６が少し接触している状態で、振動の振幅は
小さくすぐに減衰してしまう。（ｄ）は完全に接触して
いる状態で電圧出力の振動成分はなくなり、接触圧に応
した直流成分が得られる。

以上の現象を利用し、出力波形の有無、振幅の大小、直
流成分の大きさを検出することにより接触検知を行うこ
とができる。

第３図は上記振動体モジュールを平面上に多数配置して
構成した接触センサの例であり、各振動体モジュールに
はマイクロ処理回路が配されている。各振動体モジュー
ルを同時に励振した後各電圧出力波形を各マイクロ処理
回路により接触状態が識別できる物理量に変換し、記憶
させることにより広域の接触情報を得ることができる。

（ト）発明の効果 この発明によれば、従来の触覚センサでは得られなかっ
た動的な接触における微妙な接触状態の変化が検出でき
、また非接触から接触状態に至る過渡状態においても安
定に出力する触覚センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す振動体モジュールの構
成説明図、第２図は第１図に示す振動体モジュールの電
圧波形図、第３図は第１図に示す振動体モジュールを用
いた触覚センサの構成を示す斜視図である。 ｆＪｌｌ　　図 振動板、２　・・・圧電素子、 ・・・・振動板支持部、４・・・・母体構造、樹脂フィ
ルム、６・・・・・対象物、 ８・・・・・・電極、１１・・・・・・交流電源、２・
・・・・・電圧検出部、Ｓ・・・・・・スイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、対象物との接触を感知する触覚センサにおいて、複
   数の圧電振動子と、前記圧電振動子を振動可能にそれぞ
   れ支持して面状に配列する支持体と、交流電源を断続可
   能に前記圧電振動子に印加するための開閉器と、前記圧
   電振動子の出力電圧を検出するための検出回路を備え、
   前記開閉器を閉じて前記圧電振動子を交流電圧で一定期
   間励振し、前記開閉器を開いた直後に得られる前記圧電
   振動子出力電圧から、各振動子と対象物との接触状態を
   検出することを特徴とする触覚センサ。