JPS63238502A - 近接覚・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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、障害物など他物体が接近したことを感知する
近接覚と、該他物体と接触したことを感知する触覚とを
備えたセンサに関するものである。

〔従来技術〕

ロボットは、各種の産業分野で複雑な作業や、精密な作
業を迅速に処理をすることができ、品質を高い水準に維
持することを可能にするので急速に産業界に普及すると
共に、マニピュレータの動作に高い性能が要求されるに
至っている。

それに伴い作業内容が複雑化しワーク、周辺装置、同一
作業環境内で稼働する他のロボット等の障害物との干渉
し支障を生ずる機会が多くなっていることは周知のとお
りである。

そこで従来から、かかる障害物との干渉を回避する手段
の検討がなされている。例えば、マニピュレータの作業
空間内に存在する障害物を単純な形状に近似させてオフ
ラインシミュレータによって処理させたり、マニピュレ
ータの関節角をパラメータとして状態空間内の障害物空
間を表現する手法を用いる手段などが提案されている。

これらの手法は、いずれも障害物を前もって計測し、そ
の定量的モデルを作る作業を必要とするために、干渉が
予想される障害物の形状を適確に捕えることが困難な場
合や、作業毎に障害物の位置が一定しない場合、更に障
害物の位置・形状が刻々と変化する場合などでは、障害
物をモデル化する作業が困難になる。まして予想されな
い障害物に対しては、これらの従来技゛　　術の手段で
は対応することができない。

そこで、他の手段としては、光、超音波を媒介手段とし
て用いることを検討したが、これらの媒介手段は、障害
物の形状、姿勢、表面材質等の影響を受は易く、センサ
が複雑な形状となり、又検出方向に死角が生じる等の欠
点の外、現段階では頑丈且つ耐久性の晶いセンサを得る
ことが困難であるなど、ロボットのような対象に適用す
る近接覚センサとしては信頼性に限界があり、更に有効
な手段の提供が求められている。

〔発明の目的〕

本発明は、以上の問題を解決するために成されたもので
あり、例えば、ロボットのマニピュレータの表面に配設
することにより、該マニピュレータが障害物など他の物
体の極く近く、例えばほぼ２０ｃｎａ以内に接近（以下
「近接」という）したり接触したりしたことを、それが
どの部分であるかを含め検出することのできるセンサを
提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

以上の目的を達成するための本発明の近接覚・触覚セン
サの構成は、シート状の感圧導電ゴムの両面に電極を配
設し、該電極を静電容量測定装置及び抵抗測定装置に接
続し、前記電極の一方を接地し、該接地側電極側を被取
付対象物表面に取付ける固定部を設けたことを特徴とす
るものである。

本発明近接覚・触覚センサは、表面側電極の対地静電容
量を測定することによって、当該センサ部分に近接する
他の物体を検出し、又、前記電極間の電気抵抗を測定す
ることによって、当該センサ部分に接触している物体が
存在するか否かを検出するものである。したがって、該
センサを物体の表面に貼付けることにより、物体表面の
どの部分に近接して他の物体が在り、又、接触する物体
があるかを検出することができる。

前記総対地静電容量Ｃは、周囲に他の物体の無い場合の
静電容量Ｃｏと、他の物体がｎ個あるとして、ｉ番の物
体との間の静電容ＭＣＩ　との総和、即ち、 Ｃ＝ｃｏ＋ΣＣｉ　　　　　　　　ｆｌ）で表すことが
できる。このＣｉ　の値は、当該センサの位置とｉ番の
物体の位置との相対的距離の外に、該１番の物体が接地
された導電体、又は木材、合成樹脂などの誘電体かで相
異する。

したがって当該センサの対地静電容量ｃを測定すること
により、物体が当該センサを取付けた部位に近接したこ
とを検出することができる。

例えばロボットのマニュピレータ表面全体に本発明のセ
ンサを取付けておき、各センサ毎の対地静電容量及び電
気抵抗を測定することにより、マニュピレータのどの部
位に他の物体が接近ないし接触したかを検出することが
できる。

この際の検出精度は、前記から明らかなとおり、近接す
る物体の形状、材質、接地の有無などで変化するが、変
化量を、例えばオン・オフによる２値情報として出力す
ることにより他物体の近接ないし接触状態を把握するこ
とができる。なお、産業用ロボットのように作業空間が
限定されており、又その中に干渉を起す可能性のある物
体の詳細が予め分っているときには、当然、検出精度を
向上させることができる。

前記静電容量の変化は、通常１μＦ以下の微少変化であ
り、かかる変化量を検出する手段として共振法、交流ブ
リッジ法、充放電法、発振法など既知の手段を適宜選定
することができる。

本発明に使用する感圧導電ゴムシートは、例えば持持開
閉４９−１１４７９８号公報、開閉５３−７９９３７号
公報等に記載されているように、例えばシリコーンゴム
等のゴムに炭素、全屈などのような導電体粒子を分散さ
せ、シート状に成形したものである。該ゴムに押圧力を
加えるとその力に応じて電気抵抗が変化するものであり
、数ｇ／ｃ＋Ａ程度の小さい力を検出することができ、
既に触覚センサとして実用されているものである。

該感圧導電ゴムシートの形状、寸法は任怠であるが、通
常は厚さ０．５〜１１程度、単位感圧而の大きさは１０
ｍ１程度以上の適宜の大きさとすることができる。

本発明に使用する電極は、金箔、その他必要に応じ表面
を防錆処理した金属フィルム、これらと可撓性剛性樹脂
との複合シート、導電ゴムシート等を使用することがで
きる。他物体との接触が、衝突状態で起る可能性がある
場合の近接覚・触覚センサとして使用するときには、該
センサの耐変形特性を向上させるために導電ゴムシート
を電極に使用することが好ましい。その場合、電極内に
電位勾配が生じないように感圧導電ゴム内に金属細線を
埋設するなどの手段を併用することが好ましい。

本発明の前記固定部は、通常は感圧接着剤を塗布した接
着面とするが、他の接着剤による固定手段、ねじ止めに
よる接着手段などの既知手段を適宜選定して使用するこ
とができる。なお、該接着面と接地側電極面との間には
、ゴム弾性体、可撓性合成樹脂発泡体などの層からなる
援ｉ！ｉＦｅ、例えばシリコーン・ゲル等のゲル状衝撃
吸収体を設けることができる。この暖ｆＪｉ　Ｆｊｘは
、他物体との衝突、強い力での接触の際の緩衝、被接着
面とのなじみ性の改善に役立つ。

本発明センサの表面には、表面側電極に作用す力を分散
させるだめの弾性体層、電極面の保護、化粧などを目的
として表面層を設けることができる。

本発明の近接覚・触覚センサは、ロボットと障害物との
干渉回避の目的の外、監視ロボット用など各種の用途に
使用することができる。

〔実施例〕

以下添付の図面と対照して、一実施例により本発明を具
体的に説明する。

第１図は、本実施例の近接覚・触覚センサの検出部を斜
視図で示したものである。図において、近接覚・触覚セ
ンサの検出部１は、厚さ０゜５１１のシートとしたもの
を１０５銅ｌ×８５亀璽の大きさにとした感圧導電ゴム
２の両面に、同様に厚さ０．５１のシート状の導電ゴム
を前記寸法とした電極３，４をサンドイッチ状に重ね合
せたものである。

図の緩衝部材７は、軟質塩化ビニルでシリコーン・ゲル
を座蒲団様に梱包したものであり、８は感圧接着剤層か
ら成る固定部、９は剥離紙である。そして感圧導電ゴム
２と導電ゴム電極３．４とは導電性接着剤又は加硫で接
着し、シリコーンゲル層７とは両面接着剤による組付手
段によって一体として全体の厚さが１１１１の本実施例
の検出部１を得た。

次に第２図によって検出部１をロボットハンドに取付け
た様子を説明する。図はロボットハンド】０の金属体か
らなる外郭１１のみ示し、内部の装置部分を省略して記
載している。なお本実施例のロボットハンド１０は、断
面形状を四辺形としたが本質的意味はなく他の形状とす
ることができる。

接地したロボットハンド１０の各面に４個づつ前記検出
部１を図のように貼付け、ロボットハンドのいずれの部
分に障害物が近接ないし接触しても検知できるようにし
た。

第３図のグラフは、第１図に示す検出部１に障害物が近
接したときの静電容量の変化を既知障害物についてＱメ
ータによって測定したものである。なお実験は、検出部
１と障害物との距離を種々変化させて測定した。測定に
使用した障害物は、接地した１辺１８０龍のアルミ箱と
、はぼ同じ大きさの乾燥木片とを用い、前記検出部１の
正面から接近させて静電容量の変化を測定した結果を示
したものである。

第３図から明らかなとおり、はぼ２００１ｍ以上の距離
では接地障害物、誘電体障害物ともに低い静電容量変化
を示すが、障害物までの距離がほぼ１５０〜２００１ｍ
程度となると近くに障害物があることが検出され、１０
０龍以内となると接地障害物と誘電体障害物とで検出精
度及び確度に相異はあるが、高い感度で検出できること
を示している。

第４図は、本実施例に使用した検出回路を示すものであ
る。この回路は、本実施例の検出部１の抵抗変化と静電
容量変化とを同時に検出するものであり、回路図の、Ｒ
は検出部１の抵抗を、又、Ｃは検出部１の電極３の対地
静電容量を示している。本回路は、検出部ｌ毎に設ける
必要はなく、無接点シーケンス等の切換えスイッチによ
り各検出部１に切換えるようにし、例えばロボットを操
縦するコンピータによって１つのヰ仝出回路によって１
．ｅての検出部１について検出することが可能である。

〈近接覚検出回路の説明〉 第４図の前記静電容量Ｃの測定は、図のＢ偵ＩＩを近接
覚・触覚センサ１の電極３に接続し、Ｇはアース側であ
り、複数の障害物に対して前記対地静電容量を測定する
ことにより近接する他の物体の検出することができる。

対地静電容量Ｃは、コンデンサＣ及びＣｏ（但しＣ（＜
Ｃｏ）、コイルＬ１及びＬ２　　（両者の相互インダク
タンス二Ｍ）、及びトランジスタ１５によって構成され
るＬＣハートレー発振回路の発振周波数ｆｏは、次に式
（１）式によって近似される。

本実施例では前記式の各値を実測したところ、Ｌ　　＋
　　　＋　　Ｌ　２　　＋　　２　　Ｍ　＝　　１　２
　６　１１　　＋−（Ｃ＝１１２μＦ であった。したがって理論値は、 ｆｏ＝１．３４ＭＨｚ であり、実測値は、 ｆｏ’−１，２９Ｍ　Ｈｚ であった。

第４図の回路は、前記ハートレー発振回路によって得た
発振周波数ｆｏ′を、Ｃ′及びＦ′によって構成するＬ
Ｃ型同調フィルタを通して周波数の選択性を上げている
。このＬＣ型同調フィルタの中心周波数が該ｆｏ　′よ
り少し高い同調周波数、 ｆ　ｈ＝１．２９８ＭＨｚ となるように回路定数を設定し周波数の選択性を向上さ
せている。

前記発振周波数ｆｏ　′は、ダイ゛オード１５、抵抗ｒ
７及びｃｌからなるＡＭ検波回路によって直流に変換し
、更に４０ｄｂのゲインを有する増幅器１６によって増
幅した後、力、トオフ周波数が０．０６　Ｈｚの高域通
過フィルタ１７を通すことにより、後に説明する外乱の
影響を取り除き、コンパレータ１８によって、標準値と
比較し、障害物の有無をオン・オフの２値として端子１
９から出力する。

なお、前記標準値としては、例えば当該検出部１に対し
ロボットアーム１０の反対側の対称位置にある検出部１
を用いることができる。即ち、ロボットアーム１０が移
動するときは、障害物は、移動方向前方に現れ、しかも
環境条件は反対側の検出部も同じであり、又、障害物の
方から接近するときには、通常、両方から同じ状態で障
害物が接近することはないと考えられるからである。

対地静電容量の検出値は、特に空中の湿度による環境変
化による影響を無視することができない。そこで本実施
例近接覚・触覚センサの湿度の影響を測定した結果を第
５図に示す。第５図は、第４図の回路の発振周波数と湿
度との関係をプロットしたものであり、図から湿度が一
ヒ昇すると僅かに発振周波数が低下し、湿度７５％以上
で急激に低下することが観測された。したがって、この
変化による補正をしないと検出誤差を生ずる危険がある
が、かかる環境変化はゆっくり起ることに着目して、前
記のカットオフ周波数値として検出エラーを防止するよ
うにした。

第６図は、前記第３図の測定に使用した前記アルミ箱を
接地障害物として用いたときの検出限界距離を実測した
結果のグラフ図である。測定は、検出部１の正面をＯｏ
とし、真横を９０゜として１０°おきに角度を変化させ
、又、障害物の姿勢は、測定方向に対し正面を向いたと
きを０°とし、４５°まで１５°間隔で角度を変化させ
て測定した。図から、検出感度は障害物がいずれの姿勢
のときも正面が最もか高く、正面からずれるほど低下し
、姿勢に対するハラッキが大きくなる傾向にある。しか
し一般的には障害物との距離が１６鳳■程度まで近付く
と検出できることを示している。以上の結果から、検出
部１は、ロボットハンド１１の全面に配置する必要がな
く、近接覚に関してはある程度の間隔を開けて配置して
も検出能力を維持することが可能である。

く触覚測定回路の説明〉 第４図の触覚測定回路は、前記抵抗Ｒと固定抵抗Ｒｏと
で構成ず分圧回路と、ダイオード２０、抵抗ｒ９及びコ
ンデンサＣ２とで構成されるＡＭ検波回路とによって構
成し、図のＢ及びＧ間に加わる発振波電圧の分圧値を直
流に変換して端子２１から出力する。

即ち、近接覚・触覚センサ１に障害物が接触して感圧導
電ゴム２を押圧することにより変化した抵抗Ｒによる出
力電圧Ｖｔは、次式によって求めることができる。

（以下余白） Ｒ＋Ｒ。

第７図によって本実施例の近接覚・触覚センサ１に使用
した感圧導電ゴム２の押圧力による抵抗特性を示す。図
から明らかなとおり、１０ｇ−ｍ／ｃＡの以下の小さな
荷重を検出できることを示している。

前記感圧導電ゴムを使用して得た検出部１について第４
図の検出回路により押圧力と前記Ｖｔとの関係を求めた
結果を第８図に示す。この結果は、飽和押圧力が第７図
より遥かに高い値となり、３０ｇ−重／　ｃｎｌあたり
までほぼ直線となる結果を得た。これは衝撃吸収用緩衝
層７によって、加圧による感圧導電ゴム２の歪が一様で
なく、ゴム全体が飽和値に達するまでに大きな力を要す
るためと考えられる。

本実施例に使用した近接覚・触覚センサ１に使用した前
記電極３，４は、電極内部の電気抵抗により中心部と周
辺部とで感度に最大７５％の差があり、又、感圧導電ゴ
ム２に加わった圧力を取り去り無負荷状態となってから
電圧が元の状態に復帰するまでの所要時間は、第９図に
示すとおり、押圧力が増加するにしたがい増加する傾向
にあり、最大所要時間はほぼ１．３秒であった・ 以上のとおり、検出部１を接地したロボットハンド１１
の表面に取付けた本実施例の分布型近接覚・触覚センサ
は、接地障害物及び誘電体障害物のいずれについても、
はぼ２０■ｌまでの近接障害物の存在する方向を検出し
、数ｇ−重／Ｃイという障害物の接触による僅かな接触
荷重を感知してその接触部位を検出することができるの
で、ロボットハンド１１のいずれの方向から近接する障
害物に対しても干渉を事前に回避する動作を過早（実効
することができ、又、障害物が接触した状態で動いたり
することによる事故を防止することができる。

〔発明の効果〕

以−に説明したように、本発明の近接覚・触覚センサは
、シート状の感圧導電ゴムの両面に電極を配設し、該電
極を静電容量測定装置及び抵抗測定装置に接続し、前記
電極の一方を接地し、該接地側電極を被取付対象物表面
に取付ける固定部を設ける構成としたので、以下のよう
な効果が得られる。

（１）２つの感覚、即ち近接覚と触覚とを１つの検出部
によって実現することができる。

（２）単純な構造で大量生産が容易であるから、安価に
提供することができる。

（３）検出部の大きさが手頃であり、被取付は体の表面
を覆って取付けることができるので、丁度皮膚の感覚器
官のように物体の表面全面を分布型近接覚・触覚センサ
とすることが可能であり、きめの細かい近接覚・触覚を
実現することができるで。

（４）干渉し合う他の物体についての情報を予め知らな
いでも、被取付は対象に近接覚・触覚を持たせることが
できる。予め情報が得られていれば、干渉回避制御をよ
り有効に行うことができることは当然である。

（５）シたがって、例えばロボットのマニュピレータ等
の表面に取付けることによって、プログラムされていな
いか、又は厳密にプログラムできない障害物との干渉に
よる事故を防止することに役立たせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例による本発明近接覚・触覚センサ（以
下単に該センサという）の構成を説明する斜視図、第２
図は該センサをロボットハンドに取付けた状態を一部破
断して示した斜視図、第３図は該センサの静電容量に与
える障害物の影響を示すグラフ図、第４図は本実施例に
使用した静電容量及び抵抗を検出する回路図、第５図は
第４図に示す回路による発振周波数の湿度特性を示すグ
ラフ図、第６図は該センサによる接地障害物の検出特性
を示すグラフ図、第７図は該センサに使用する感圧導電
ゴムの抵抗特性を示すグラフ図、第８図は第４図に示す
回路の触覚特性、第９図は該センサの荷重取除き後の検
出値回復時間特性を示すグラフ図である。 ■・・・近接覚・触覚センサの検出部、２・・・感圧導
電ゴム、３，４・・・電極、８・・・固定部、１４・・
・静電容量及び抵抗測定の検測定回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シート状の感圧導電ゴムの両面に電極を配設し、該電極
   を静電容量測定装置及び抵抗測定装置に接続し、前記電
   極の一方を接地し、該接地側電極側を被取付対象物表面
   に取付ける固定部を設けたことを特徴とする近接覚・触
   覚センサ。