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(In Japanese)触覚センサユニット、当該触覚センサユニットを備えたロボット、及び荷重算出方法

Patent code P140010336
Posted date Feb 25, 2014
Application number P2011-500587
Patent number P5544352
Date of filing Feb 12, 2010
Date of registration May 16, 2014
International application number JP2010052100
International publication number WO2010095573
Date of international filing Feb 12, 2010
Date of international publication Aug 26, 2010
Priority data
  • P2009-035903 (Feb 18, 2009) JP
Inventor
  • (In Japanese)山下 馨
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人京都工芸繊維大学
Title (In Japanese)触覚センサユニット、当該触覚センサユニットを備えたロボット、及び荷重算出方法
Abstract (In Japanese)基板と、前記基板の上に形成された被膜と、一端が前記基板に固定され、当該一端から他端に向かって前記基板から離れる方向に反り上がった片持ち梁構造体とを備え、前記被膜に加えられた荷重を検出する触覚センサユニットであって、前記片持ち梁構造体は、第1の共振周波数及び前記第1の共振周波数とは異なる第2の共振周波数で共振可能であり、前記第1の共振周波数の荷重変化に対応した変化率と前記第2の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分を算出する演算部を備えた、触覚センサユニットを提供する。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

高齢化社会の進展に伴い、人間に代わって介護を行う介護ロボットのニーズが高まっている。このような介護ロボットには、人間に危害を及ぼさないよう人間の皮膚に劣らない触覚が要求され、介護ロボットの手に設けられるセンサは圧感と同時にすべり感覚を検知する必要がある。

従来より、荷重を検知する触覚センサとして、ピエゾ抵抗型の素子が用いられている。例えば、特許文献1には、基板に固定された片持ち梁構造体を柔軟なエラストマーで覆い、片持ち梁構造体の変形具合からエラストマーにかかる荷重を検知する技術が開示されている。この技術では、片持ち梁構造体の根元部に備えたピエゾ抵抗素子により、当該根元部の歪みを計測することによって、エラストマーに印加された荷重を検知している。

しかしながら、この技術では、ピエゾ抵抗型素子が単純に片持ち梁構造体にかかる応力を静的に検知するだけなので、一本の片持ち梁構造体だけでは、荷重の大きさは検知できるが、荷重の印加方向を正確に検知することはできない。そこで、特許文献1および非特許文献1では、片持ち梁構造体を複数本組み合わせることにより、異なる方向の荷重を検知可能な技術が提案されている。

図7(a)は、非特許文献1に開示のカンチレバー型触覚センサユニット101の構成を示す斜視図であり、図7(b)は、カンチレバー型触覚センサユニット101の構成を示す断面図である。図7(a)に示すように、カンチレバー型触覚センサユニット101は、基板104上に4本の片持ち梁構造体102を形成し、エラストマー103で覆う構成である。4本の片持ち梁構造体102のうち、向かい合わせに位置する2つの片持ち梁構造体102は、互いに向かい合っている。図7(b)に示すように、片持ち梁構造体102は、Si層102aとポリマー層102bとをポリマー層102b側に湾曲させることによって形成されている。

図8(a)は、エラストマー103に垂直荷重を印加した状態を示す断面図であり、図8(b)は、エラストマー103に剪断荷重を印加した状態を示す断面図である。図8(a)に示すように、エラストマー103に垂直荷重を加えた場合、2つの片持ち梁構造体102は、どちらもSi層102aが基板104側に近づく方向に変形する。一方、図8(b)に示すように、エラストマー103に右方向への剪断荷重を加えた場合は、左側の片持ち梁構造体102は、Si層102aが基板104側に近づく方向に変形するのに対し、右側の片持ち梁構造体102は、Si層102aが基板104から離れる方向に変形する。片持ち梁構造体102は、変形に応じてその抵抗が変化するので、変形時の片持ち梁構造体102の各々の抵抗変化に基づいて、エラストマー103にかかる垂直方向の荷重成分と剪断方向の荷重成分とを分離して検知することができる。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、印加荷重を検出する触覚センサユニット、当該触覚センサユニットを備えたロボット、及び荷重算出方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
基板と、
前記基板の上に形成された被膜と、
一端が前記基板に固定され、当該一端から他端に向かって前記基板から離れる方向に反り上がった片持ち梁構造体とを備え、
前記被膜に加えられた荷重を検出する触覚センサユニットであって、
前記片持ち梁構造体は、第1の共振モードにおける周波数である第1の共振周波数及び前記第1の共振モードとは異なる第2の共振モードにおける周波数であって、前記第1の共振周波数とは異なる第2の共振周波数で共振可能であり、
前記第1の共振周波数の荷重変化に対応した変化率と前記第2の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分を算出する演算部を備え
前記演算部は、
前記片持ち梁構造体に含まれる圧電体層に異なる周波数の交流電圧を印加して、前記第1の共振モードおよび前記第2の共振モードで前記片持ち梁構造体を共振させる電圧印加手段と、
前記第1の共振周波数と前記第2の共振周波数とを検出する共振周波数検出手段と、
前記被膜に荷重が加えられていない時を無荷重時として、前記第1の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率である無荷重時に対する第1の変化率と、前記第2の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率である無荷重時に対する第2の変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分である前記被膜に対する垂直方向の成分と剪断方向の成分とを算出する荷重算出手段とを備えることを特徴とする、触覚センサユニット。

【請求項2】
 
前記電圧印加手段は、前記圧電体層に異なる周波数の交流電圧を印加して、第3の共振モードで前記片持ち梁構造体をさらに共振させ、
前記共振周波数検出手段は、前記第3の共振モードにおける前記片持ち梁構造体の第3の共振周波数をさらに検出し、
前記荷重算出手段は、前記第3の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率である無荷重時に対する第3の変化率に基づいて、前記荷重の前記被膜に対する垂直方向の成分と2つの剪断方向の成分とを算出し、当該2つの剪断方向の成分は互いに直交する、請求項1に記載の触覚センサユニット。

【請求項3】
 
前記片持ち梁構造体は前記荷重の方向に対し非対称であり、
前記片持ち梁構造体には、互いに絶縁された複数の電極が設けられている、請求項1又は2に記載の触覚センサユニット。

【請求項4】
 
請求項1~請求項3の何れか一項に記載の触覚センサユニットを備えたロボットであって、
前記基板、前記被膜および前記片持ち梁構造体が、前記ロボットの接触対象物との接触部分に設けられていることを特徴とするロボット。

【請求項5】
 
基板と、前記基板の上に形成された被膜と、片持ち梁構造体とを備えた触覚センサユニットにおいて、前記被膜に加えられた荷重を算出する荷重算出方法であって、
前記片持ち梁構造体は、その一端が前記基板に固定され、当該一端から他端に向かって前記基板から離れる方向に反り上がっており、第1の共振周波数及び前記第1の共振周波数とは異なる第2の共振周波数で共振可能であり、
前記第1の共振周波数の荷重変化に対応した変化率と前記第2の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とを算出する変化率算出ステップと、
前記第1の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率と前記第2の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分を算出する方向成分算出ステップと
前記被膜に加えられた荷重のうち、垂直荷重と剪断荷重との正負により算出領域を複数象現に分けるステップと、
前記複数象現の各々の象現内の点のうち、前記垂直荷重と前記剪断荷重との双方の絶対値が最大となる点における荷重誤差を補正する補正ステップと
を包含する荷重算出方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2011500587thum.jpg
State of application right Registered
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