本発明は、対象物からの加圧により電気特性値が変化する複数のセンサユニットがマトリックス状に配列された触覚センサの圧力分布情報検出装置及び圧力分布情報検出方法に関し、例えば、産業用ロボットや次世代ロボットのハンド等に設けられ、対象物との接触圧及び接触位置を検出し、或いは、分布型圧力を検出する触覚センサの圧力分布情報検出装置及び圧力分布情報検出方法に関する。 The present invention relates to a pressure distribution information detection device and a pressure distribution information detection method for a tactile sensor in which a plurality of sensor units whose electric characteristic values change due to pressurization from an object are arranged in a matrix, for example, an industrial robot, The present invention relates to a pressure distribution information detection device and a pressure distribution information detection method of a tactile sensor that is provided in a hand of a next-generation robot or the like and detects a contact pressure and a contact position with an object or detects a distributed pressure.
従来の触覚センサの一例として、特許文献１に示されるように、互いに平行な複数本の電極パターンが形成された一対の電極シートを、その電極パターンが直交するように配置し、加えられる圧力により電気抵抗値が変化するシート状の感圧導電性部材を両電極シートの間に挿入してそれぞれ接着することにより構成されたものがある。 As an example of a conventional tactile sensor, as shown in Patent Document 1, a pair of electrode sheets formed with a plurality of parallel electrode patterns are arranged so that the electrode patterns are orthogonal to each other, and depending on the applied pressure There is one constituted by inserting a sheet-like pressure-sensitive conductive member whose electric resistance value varies between the electrode sheets and bonding them.
上述の触覚センサは、一方の電極シートの一本の電極パターンつまり電圧印加電極に電圧を印加し、他方の電極シートの一本の電極パターンつまり電圧検出電極から出力される電流値を計測して、両電極パターンの対向部位の感圧導電性部材の電気抵抗値を検出することにより、両電極間部位に加えられる圧力を算出するものである。 The tactile sensor described above applies a voltage to one electrode pattern of one electrode sheet, that is, a voltage application electrode, and measures a current value output from one electrode pattern of the other electrode sheet, that is, a voltage detection electrode. The pressure applied to the part between the two electrodes is calculated by detecting the electric resistance value of the pressure-sensitive conductive member at the part facing the two electrode patterns.
上述した従来の触覚センサは、マトリクス状に配置された電圧印加電極の行方向と電圧検出電極の列方向の交点で一つのセンサユニットが構成され、複数の電圧印加電極の夫々に順番に電圧を印加したときの各電圧検出電極から出力される電流値により各交点の電気測定値が把握され、これらの値により前記触覚センサの圧力分布情報を検出することができる。 In the conventional tactile sensor described above, one sensor unit is configured at the intersection of the row direction of the voltage application electrodes arranged in a matrix and the column direction of the voltage detection electrodes, and a voltage is sequentially applied to each of the plurality of voltage application electrodes. The electric measurement value at each intersection is grasped by the current value output from each voltage detection electrode when applied, and the pressure distribution information of the tactile sensor can be detected from these values.
しかし、高密度且つ高感度に設定するために、電極パターンを幅狭に構成し、前記触覚センサに配置されるセンサユニットの数を増やすと、測定点が増加し、触覚センサ上の全てのセンサユニットの電気特性値を検出し、前記電気特性値を基に圧力分布情報を計測するために極めて長い計測時間を要する。このため、加えられた圧力点が移動する場合や、加圧時間が短い場合等に、各センサユニット全てから正確な電気測定値を検出することができず、圧力分布情報を正確に把握することができないという問題があった。 However, in order to set high density and high sensitivity, if the electrode pattern is made narrow and the number of sensor units arranged on the tactile sensor is increased, the number of measurement points increases, and all the sensors on the tactile sensor An extremely long measurement time is required to detect the electrical characteristic value of the unit and measure the pressure distribution information based on the electrical characteristic value. For this reason, when the applied pressure point moves or when the pressurization time is short, accurate electrical measurement values cannot be detected from all sensor units, and pressure distribution information can be accurately grasped. There was a problem that could not.
また、人間の手が様々な高度な作業を行ない得るのは、圧力分布を敏感に検出できる感度のよい触覚によるところが大であるため、ロボットハンドに使用される触覚センサとしても、高分解能を実現するためにセンサユニットを高密度に配置すると、短い時間で圧力分布情報の正確な測定を行なうことが困難となり、検出精度が低下するという問題が顕著に現われるという不都合があった。 In addition, human hands can perform a variety of advanced tasks mainly because of the high sensitivity of the tactile sensor that can detect pressure distribution sensitively, realizing high resolution as a tactile sensor used in robot hands. Therefore, if the sensor units are arranged at a high density, it is difficult to accurately measure the pressure distribution information in a short time, and there is a disadvantage that the problem that the detection accuracy is lowered appears remarkably.
本発明の目的は、上述の従来の問題点に鑑み、センサユニットを高密度に配置した触覚センサであっても、短時間に正確な圧力分布情報を計測することができる圧力分布情報検出装置及び圧力分布情報検出方法を提供する点にある。 In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide a pressure distribution information detection device capable of measuring accurate pressure distribution information in a short time even with a tactile sensor in which sensor units are arranged at high density. It is in providing a pressure distribution information detection method.
上述の目的を達成するため、本発明による圧力分布情報検出装置の第一の特徴構成は、請求項１に記載した通り、対象物からの加圧により電気特性値が変化する複数のセンサユニットがマトリックス状に配列された触覚センサに対して、予め設定された所定のセンサユニットに対して配列順に走査して各電気特性値を検出する広域走査手段と、前記広域走査手段により検出された何れかのセンサユニットの電気特性値が所定の閾値以上となるときに、当該センサユニットを中心として、当該センサユニット及びその周囲のセンサユニットに対してのみ走査して各電気特性値を検出する局部走査手段を備えて構成される点にある。 In order to achieve the above-mentioned object, the first characteristic configuration of the pressure distribution information detecting device according to the present invention is that, as described in claim 1, a plurality of sensor units whose electrical characteristic values change due to pressurization from an object are provided. Wide area scanning means for detecting each electrical characteristic value by scanning a predetermined sensor unit set in advance in the arrangement order with respect to the tactile sensors arranged in a matrix, and any one detected by the wide area scanning means Local scanning means for detecting each electrical characteristic value by scanning only the sensor unit and its surrounding sensor units around the sensor unit when the electrical characteristic value of the sensor unit is equal to or greater than a predetermined threshold value It is in the point comprised with.
上述の構成によれば、前記広域走査手段により電気特性値が所定の閾値以上の前記センサユニットが検出された場合、前記局部走査手段により当該センサユニット及び当該センサユニットを中心としたその周囲のセンサユニットに操作範囲を絞込んで電気特性値を検出する。所定の閾値未満のセンサユニットを走査しないことで、全てのセンサユニットを走査しなくても圧力分布情報を検出することができるため、検出に要する時間を短縮することができる。 According to the above configuration, when the sensor unit having an electrical characteristic value equal to or greater than a predetermined threshold is detected by the wide area scanning unit, the sensor unit and its surrounding sensors centered on the sensor unit are detected by the local scanning unit. The electrical range is detected by narrowing the operating range to the unit. Since the pressure distribution information can be detected without scanning all the sensor units by not scanning the sensor units less than the predetermined threshold, the time required for detection can be shortened.
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記局部走査手段は、前回の走査により検出された電気特性値が所定の閾値以上となるセンサユニットに基づいて次回の走査対象となるセンサユニットを決定する走査対象更新手段を備えている点にある。 In the second feature configuration, as described in claim 2, in addition to the first feature configuration described above, the local scanning unit has an electrical characteristic value detected by the previous scan equal to or greater than a predetermined threshold value. A scanning object update means for determining a sensor unit to be scanned next time based on the sensor unit is provided.
前記局部走査手段が走査し検出した、所定の閾値以上のセンサユニット及び当該センサユニットの周囲のセンサユニットの電気特性値に基づき、次回の走査する範囲を決定することにより、圧力分布情報の変動に追従して新たな操作対象に絞り込んで電気特性値を検出することができるようになるので、変動する圧力分布情報を短時間で確実に検出することができる。 By determining the next scanning range based on the electrical characteristic values of the sensor unit that is scanned and detected by the local scanning unit and having a predetermined threshold value or more and the sensor units around the sensor unit, the pressure distribution information can be changed. Accordingly, it becomes possible to detect the electric characteristic value by narrowing down to a new operation target, and thus it is possible to reliably detect the fluctuating pressure distribution information in a short time.
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記局部走査手段により走査対象となるセンサユニットの何れからも前記所定の閾値以上の電気特性値が検出されないときに、前記広域走査手段が作動する点にある。 According to the third feature configuration, in addition to the first or second feature configuration described above, the predetermined threshold value can be obtained from any of the sensor units to be scanned by the local scanning unit. When the above electric characteristic value is not detected, the wide-area scanning unit operates.
前記局部走査手段が走査した範囲において電気特性値が所定の閾値以上となるセンサユニットが検出されない場合には、加圧点が他の領域に移動した可能性があり、前記広域走査手段が作動するように切り替えて、再度全てのセンサユニットにおける電気特性値に基づいて圧力分布情報を検出することにより、加圧点の変動に迅速に対処することができるようになる。 If a sensor unit whose electrical characteristic value is equal to or greater than a predetermined threshold is not detected in the range scanned by the local scanning means, the pressurization point may have moved to another area, and the wide area scanning means is activated. Thus, the pressure distribution information is detected again based on the electric characteristic values in all the sensor units, so that the change in the pressurizing point can be quickly dealt with.
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記局部走査手段の走査により検出された電気特性値が所定の閾値以上となるセンサユニットの位置が複数回にわたり等しいときに、検出された電気特性値に基づいて対象物の形状を特定する形状判別手段を備えている点にある。 In the fourth feature configuration, as described in claim 4, in addition to any of the first to third feature configurations described above, an electrical characteristic value detected by scanning of the local scanning means is a predetermined value. When the position of the sensor unit that is equal to or greater than the threshold value is the same for a plurality of times, a shape discriminating unit that identifies the shape of the object based on the detected electrical characteristic value is provided.
前記局部走査手段により走査されたセンサユニットにおいて電気特性値が所定の閾値以上となるセンサユニットが同じとなる場合に加圧状態が安定したと判断することができ、前記形状判別手段がこのとき検出される圧力分布情報に基づいて対象物の形状を特定することで、対象物の特定に要する時間を短縮しながらも、正確に形状を特定することができる。 When the sensor units scanned by the local scanning unit have the same sensor unit whose electrical characteristic value is equal to or greater than a predetermined threshold, it can be determined that the pressurization state is stable, and the shape determination unit detects at this time By specifying the shape of the object based on the pressure distribution information, the shape can be accurately specified while reducing the time required for specifying the object.
同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記触覚センサが多肢関節ロボットの指の腹部に夫々配置されている点にある。 In the fifth feature configuration, as described in claim 5, in addition to any of the first to fourth feature configurations described above, the tactile sensors are respectively disposed on the abdomen of the fingers of the multi-limb joint robot. There is in point.
前記触覚センサを多肢関節ロボットの指の腹部に配置することにより、把持される対象物の形状を短時間で正確に特定することができる前記多肢関節ロボットを提供することができるようになる。 By arranging the tactile sensor on the abdomen of the finger of the multi-limb joint robot, the multi-limb joint robot capable of accurately specifying the shape of the object to be grasped in a short time can be provided. .
同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記触覚センサは、シート状の感圧導電性部材と、前記感圧導電性部材の一側面に配置され、前記感圧導電性部材のインピーダンスを検出する電圧印加電極と電圧検出電極でなる電極セルの複数がマトリクス状に配列された電極シートを備え、各電極セル単位でセンサユニットが構成される点にある。 In the sixth feature configuration, as described in claim 6, in addition to any of the first to fifth feature configurations described above, the tactile sensor includes a sheet-like pressure-sensitive conductive member, An electrode sheet is provided on one side surface of the pressure-sensitive conductive member and includes a voltage application electrode for detecting the impedance of the pressure-sensitive conductive member and a plurality of electrode cells composed of the voltage detection electrodes. The sensor unit is configured in cell units.
電圧印加電極と電圧検出電極でなる複数の電極セルが配列された電極シートを感圧導電性部材への加圧面とは反対側の面に配置すれば、当該電極シートそのものに撓むような力が掛けられるようなことがないために剥離やずれが発生することは極めて少なく、長期に亘り使用しても検出精度を良好に保つことができるようになるのである。さらには、電極セルを微細に構成しても同一の電極シート上に電圧印加電極と電圧検出電極が配置されているので、感圧導電性部材に対する両電極の相対位置が常に一定に確保され、検出精度を良好に保ちながら分解能の高いセンサユニットを構成することができる。 If an electrode sheet in which a plurality of electrode cells composed of a voltage application electrode and a voltage detection electrode are arranged on the surface opposite to the pressure surface to the pressure-sensitive conductive member, a force that can bend to the electrode sheet itself is obtained. Since it is not applied, it is extremely unlikely that peeling or misalignment will occur, and the detection accuracy can be kept good even when used for a long time. Furthermore, since the voltage application electrode and the voltage detection electrode are arranged on the same electrode sheet even if the electrode cell is finely configured, the relative position of both electrodes with respect to the pressure-sensitive conductive member is always secured constantly, A sensor unit with high resolution can be configured while maintaining good detection accuracy.
本発明による圧力分布情報検出方法の第一の特徴構成は、請求項７に記載した通り、対象物からの加圧により電気特性値が変化する複数のセンサユニットがマトリックス状に配列された触覚センサに対して、予め設定された所定のセンサユニットに対して配列順に走査して各電気特性値を検出する広域走査ステップと、前記広域走査ステップにより検出された何れかのセンサユニットの電気特性値が所定の閾値以上となるときに、当該センサユニットを中心として、その周囲のセンサユニットに対してのみ走査して各電気特性値を検出する局部走査ステップを備えて構成される点にある。 A first characteristic configuration of the pressure distribution information detection method according to the present invention is a tactile sensor in which a plurality of sensor units whose electric characteristic values change by pressurization from an object are arranged in a matrix as described in claim 7. In contrast, a wide-area scanning step of scanning predetermined sensor units set in advance in the order of arrangement to detect each electrical characteristic value, and an electrical characteristic value of any sensor unit detected by the wide-area scanning step A local scanning step of detecting each electrical characteristic value by scanning only the surrounding sensor unit with the sensor unit as the center when the threshold value is equal to or greater than a predetermined threshold value is provided.
同第二の特徴構成は、請求項８に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記局部走査ステップは、前回の走査により検出された電気特性値が所定の閾値以上となるセンサユニットに基づいて次回の走査対象となるセンサユニットを決定する走査対象更新ステップを備えている点にある。 According to the second characteristic configuration described in claim 8, in addition to the first characteristic configuration described above, the local scanning step includes a sensor in which an electrical characteristic value detected by the previous scanning is equal to or greater than a predetermined threshold value. A scanning object update step for determining a sensor unit to be scanned next time based on the unit is provided.
以上説明した通り、本発明によれば、センサユニットを高密度に配置した触覚センサであっても、短時間に正確な圧力分布情報を計測することができる圧力分布情報検出装置及び圧力分布情報検出方法を提供することができるようになった。 As described above, according to the present invention, a pressure distribution information detection apparatus and pressure distribution information detection capable of measuring accurate pressure distribution information in a short time even with a tactile sensor having sensor units arranged at high density. It became possible to provide a method.
以下に本発明による圧力分布情報検出装置を用いたロボットハンド２０の実施の形態を説明する。ロボットハンド２０は、図１及び図２に示すように、掌となる基体１０と、前記基体１０に支持された五本のフィンガーユニット（以下、「指体」と記す。）１，２，３，４，５とから構成されている。 An embodiment of the robot hand 20 using the pressure distribution information detection apparatus according to the present invention will be described below. As shown in FIGS. 1 and 2, the robot hand 20 includes a base body 10 serving as a palm and five finger units (hereinafter referred to as “finger bodies”) 1, 2, and 3 supported by the base body 10. , 4 and 5.
前記指体１，２，３，４，５は、夫々人間の手の母指（第一指）、示指（第二指）、中指（第三指）、薬指（第四指）、小指（第五指）に対応し、各指体は、第一、第二、第三、第四の四本のリンク部材Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４をその軸心Ｐ方向と直交する方向の軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４周りに回転する四つの関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を介して連結した関節装置で構成される。 The finger bodies 1, 2, 3, 4, and 5 are a thumb (first finger), an indicating finger (second finger), a middle finger (third finger), a ring finger (fourth finger), and a little finger (human finger), respectively. Corresponding to the fifth finger), each finger body has four first, second, third, and fourth link members L1, L2, L3, and L4 in the direction perpendicular to the axis P direction. It is composed of joint devices connected via four joint members J1, J2, J3, and J4 that rotate around P1, P2, P3, and P4.
前記指体２，３，４，５は、互いに平行配置され、基端側から順に第一軸心Ｐ１周りに回転可能な第一関節部材Ｊ１と、前記第一軸心Ｐ１と直交する第二軸心Ｐ２周りに回転可能な第二関節部材Ｊ２と、前記第二軸心Ｐ２に平行な第三軸心Ｐ３周りに回転可能な第三関節部材Ｊ３と、前記第二軸心Ｐ２に平行な第四軸心Ｐ４周りに回転可能な第四関節部材Ｊ４を備え、前記第一関節部材Ｊ１の回転により互いの指体の間隔が広がりまたは狭まるように変位し、前記第二関節部材Ｊ２から前記第四関節部材Ｊ４の回転により対象物を把持しまたは開放するように変位可能に構成されている。 The fingers 2, 3, 4, and 5 are arranged in parallel to each other, and a first joint member J1 that is rotatable around the first axis P1 in order from the base end side, and a second that is orthogonal to the first axis P1. A second joint member J2 rotatable about the axis P2, a third joint member J3 rotatable about the third axis P3 parallel to the second axis P2, and parallel to the second axis P2. A fourth joint member J4 that is rotatable about the fourth axis P4, and the first joint member J1 is displaced so that the distance between the fingers is widened or narrowed by the rotation of the first joint member J1; The fourth joint member J4 is configured to be displaceable so as to grip or release the object by the rotation of the fourth joint member J4.
各指体１，２，３，４，５は基本的に同一構造であるので、以下、代表として指体２について説明する。図２及び図３に示すように、前記指体２の各関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４には、ハーモニックドライブ減速機構が組み込まれ、前記基体１０、及び、前記リンク部材Ｌ１，Ｌ２の中空部に前記軸心Ｐと直交する方向に回転軸を有するエンコーダ内蔵のモータが内装され、前記モータを一方向に回転駆動することにより、前記関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の夫々が前記軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３周りで対象物に対して把持方向に揺動駆動され、前記モータを逆方向に回転駆動することにより、前記関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の夫々が前記軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３周りで開放方向に揺動駆動されるように構成され、各関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４の近傍には夫々力覚センサ（図示せず）が設けられている。 Since each finger 1, 2, 3, 4, 5 has basically the same structure, the finger 2 will be described below as a representative. As shown in FIGS. 2 and 3, each of the joint members J1, J2, J3, and J4 of the finger body 2 incorporates a harmonic drive speed reduction mechanism, and the base 10 and the hollow members of the link members L1 and L2 are hollow. A motor with a built-in encoder having a rotation shaft in a direction orthogonal to the axis P is built in the section, and the joint members J1, J2, J3 are respectively rotated by the axis P1 by rotationally driving the motor in one direction. , P2, and P3 are driven to swing in the gripping direction with respect to the object, and the motors are driven to rotate in the reverse direction, whereby the joint members J1, J2, and J3 are rotated to the shaft centers P1, P2, and P3, respectively. A force sensor (not shown) is provided in the vicinity of each joint member J1, J2, J3, J4.
図１から図３に示すように、前記リンク部材Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の腹部には夫々触覚センサＡが配置されている。前記触覚センサＡは、図４（ａ）に示すように、押圧により抵抗値が変化するシート状の感圧導電性部材７と、前記感圧導電性部材７の一側面に接着された電極シート８と、前記感圧導電性部材７の他側面に接着された超軟質のウレタンゲルシートでなる被加圧層９を備えて構成される。 As shown in FIGS. 1 to 3, tactile sensors A are arranged on the abdomen of the link members L2, L3, and L4, respectively. As shown in FIG. 4A, the tactile sensor A includes a sheet-like pressure-sensitive conductive member 7 whose resistance value changes when pressed, and an electrode sheet bonded to one side surface of the pressure-sensitive conductive member 7. 8 and a pressurized layer 9 made of an ultra-soft urethane gel sheet bonded to the other side surface of the pressure-sensitive conductive member 7.
前記感圧導電性部材７は、シリコーン樹脂等の絶縁性のゴム材料中に金属や炭素等の導電性粒子を均等に分散させてシート状に成形したもので、無加圧時には導電性粒子は互いに接触せず、体積抵抗、表面抵抗ともに１０７Ω以上の高い電気抵抗値を示すが、加圧時には導電性粒子が次第に接触し始めて電気抵抗値が滑らかに変化する。即ち、ゴムの弾性を生かして圧力変化によるゴムの歪みに伴って電気抵抗値が変化することから、加圧時にはその圧力に対応する低電気抵抗値を示すが無加圧時には元に戻り高電気抵抗値を示す。The pressure-sensitive conductive member 7 is formed by uniformly dispersing conductive particles such as metal and carbon in an insulating rubber material such as a silicone resin, and forming the sheet in a non-pressurized state. Although they are not in contact with each other, both the volume resistance and the surface resistance exhibit a high electric resistance value of 107 Ω or more, but the conductive particles gradually come into contact with each other during pressurization and the electric resistance value changes smoothly. That is, since the electrical resistance value changes with the distortion of the rubber due to the pressure change by utilizing the elasticity of the rubber, it shows a low electrical resistance value corresponding to the pressure at the time of pressurization. Indicates the resistance value.
前記電極シート８は、図５（ａ）に示すように、前記感圧導電性部材７のインピーダンスを検出する二層フレキシブル基板で構成され、前記感圧導電性部材７に対向配置される第一基板１１ａに、電圧印加電極１２と電圧検出電極１３でなる電極セル１４の複数がマトリクス状に配列されるとともに、列方向に配列された複数の電圧印加電極１２が列毎に相互に接続され、外部からの電圧を同時に印加する複数のリードパターン１５ａが形成されている。 As shown in FIG. 5 (a), the electrode sheet 8 is composed of a two-layer flexible substrate that detects the impedance of the pressure-sensitive conductive member 7, and is arranged to face the pressure-sensitive conductive member 7. A plurality of electrode cells 14 including voltage application electrodes 12 and voltage detection electrodes 13 are arranged in a matrix on the substrate 11a, and a plurality of voltage application electrodes 12 arranged in the column direction are connected to each other in each column. A plurality of lead patterns 15a for applying external voltages simultaneously are formed.
前記電極シート８を構成する他方の第二基板１１ｂは、図５（ｂ）に示すように、前記第一基板１１ａに行方向に配列形成された複数の電圧検出電極１３を行毎に相互に接続するスルーホール１６ｂと、前記スルーホール１６ｂを介して接続された電圧検出電極１３からの検出電圧を出力する複数のリードパターン１６ａが形成されている。 As shown in FIG. 5B, the other second substrate 11b constituting the electrode sheet 8 has a plurality of voltage detection electrodes 13 arranged in the row direction on the first substrate 11a. A through hole 16b to be connected and a plurality of lead patterns 16a for outputting a detection voltage from the voltage detection electrode 13 connected through the through hole 16b are formed.
つまり、前記電極セル１４は、図６に示すように、前記電圧印加電極１２とその電圧印加電極１２の内部で電圧印加電極１２と一定の距離だけ離間するように配置された前記電圧検出電極１３で構成され、電極セル単位でセンサユニット６が構成される。従って、両電極パターンの間隙である電気的絶縁部分に対向する感圧導電性部材７が電気抵抗の計測対象部分となる。加圧された感圧導電性部材７の変形によって両電極５、６の間隙に対向する部分には前記導電性粒子の接触による導電経路ができ、この経路に沿って両電極間に流れる電流値に基づいて算出される抵抗値により圧力が検出される。 In other words, as shown in FIG. 6, the electrode cell 14 includes the voltage application electrode 12 and the voltage detection electrode 13 disposed so as to be separated from the voltage application electrode 12 by a certain distance inside the voltage application electrode 12. The sensor unit 6 is configured in units of electrode cells. Therefore, the pressure-sensitive conductive member 7 that faces the electrically insulating portion that is the gap between the two electrode patterns is the portion to be measured for electrical resistance. Due to the deformation of the pressurized pressure-sensitive conductive member 7, a conductive path is formed by contact of the conductive particles in a portion facing the gap between the electrodes 5, 6, and the current value flowing between the electrodes along this path The pressure is detected by the resistance value calculated based on the above.
図７に示すように、前記電極シート８には、１０２個の電極セル１４（センサユニット６）がマトリクス状に配列され、前記電圧印加電極１２の任意の列に電圧を印加したときに前記電圧検出電極１３の任意の行から検出される電流により求められる抵抗値に基づいて対応する電極セル１４における圧力が算出され、図４（ｂ）に示すような圧力分布が得られるのである。尚、図４（ｂ）では、触覚センサＡを構成する各電極セル１４に対応して分割された区画毎に検出される圧力が、濃度が濃いほど高圧力となる濃度パターンで示されている。 As shown in FIG. 7, 102 electrode cells 14 (sensor units 6) are arranged in a matrix on the electrode sheet 8, and the voltage is applied when a voltage is applied to an arbitrary column of the voltage application electrodes 12. The pressure in the corresponding electrode cell 14 is calculated based on the resistance value obtained from the current detected from an arbitrary row of the detection electrodes 13, and a pressure distribution as shown in FIG. 4B is obtained. In FIG. 4B, the pressure detected for each section divided corresponding to each electrode cell 14 constituting the tactile sensor A is shown as a concentration pattern in which the pressure increases as the concentration increases. .
図１（ｂ）に示すように、上述のユニバーサルロボットハンド２０に設けられた各触覚センサＡの出力が圧力分布情報検出装置Ｃ１に入力されるとともに、各エンコーダの出力及び各力覚センサの出力が行動制御装置Ｃ２に入力され、前記行動制御装置Ｃ２から各関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を駆動するためのモータ駆動信号が出力されるように構成されている。 As shown in FIG. 1B, the output of each tactile sensor A provided in the universal robot hand 20 is input to the pressure distribution information detecting device C1, and the output of each encoder and the output of each force sensor. Is input to the behavior control device C2, and motor drive signals for driving the joint members J1, J2, J3, and J4 are output from the behavior control device C2.
前記圧力分布情報検出装置Ｃ１及び行動制御装置Ｃ２はネットワークＮを介して統合制御装置Ｃ３に接続され、前記統合制御装置Ｃ３は前記圧力分布情報検出装置Ｃ１により解析された各フィンガーユニットの腹部に付与される対象物からの圧力情報、及び前記行動制御装置Ｃ２により解析された各関節の姿勢情報と各リンク部材に掛かる力覚情報に基づいて前記行動制御装置Ｃ２に各モータに対する駆動情報を出力するように構成されている。 The pressure distribution information detection device C1 and the behavior control device C2 are connected to an integrated control device C3 via a network N, and the integrated control device C3 is applied to the abdomen of each finger unit analyzed by the pressure distribution information detection device C1. Drive information for each motor is output to the behavior control device C2 based on the pressure information from the target object, the posture information of each joint analyzed by the behavior control device C2, and the force information applied to each link member. It is configured as follows.
前記圧力分布情報検出装置Ｃ１は、複数の触覚センサＡからの出力値に基づいて各指体の各腹部に加わる圧力分布を高速に演算処理して前記統合制御装置Ｃ３に出力する。 The pressure distribution information detection device C1 performs high-speed calculation processing on the pressure distribution applied to each abdomen of each finger based on output values from the plurality of tactile sensors A, and outputs the pressure distribution to the integrated control device C3.
前記行動制御装置Ｃ２は、各力覚センサＳ１０からの出力及びエンコーダ出力に基づいて、現在の各リンク部材の姿勢とそれに掛かる力を演算導出して前記統合制御装置Ｃ３に出力する。 Based on the output from each force sensor S10 and the encoder output, the behavior control device C2 calculates and derives the current posture of each link member and the force applied to it, and outputs it to the integrated control device C3.
前記統合制御装置Ｃ３は、前記行動制御装置Ｃ２から入力された現在の各リンク部材の姿勢とそれに掛かる力と、前記圧力分布情報検出装置Ｃ１から入力された各腹部に加わる圧力分布等に基づいて把持対象物の形状や硬度等の特性を把握し、目的とする動作が遂行されるように前記行動制御装置Ｃ２に対して各モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３に対する駆動情報を出力する。 The integrated control device C3 is based on the current posture of each link member input from the behavior control device C2 and the force applied thereto, the pressure distribution applied to each abdomen input from the pressure distribution information detection device C1, and the like. The characteristics of the object to be grasped, such as the shape and hardness, are grasped, and driving information for the motors M1, M2, M3 is output to the behavior control device C2 so that the intended operation is performed.
前記圧力分布情報検出装置Ｃ１は、図１（ａ）及び図７に示すように、夫々の触覚センサＡに対して、全てのセンサユニットに対して配列順に走査して各電気特性値を検出する広域走査手段Ｂ１と、所定の狭い領域のセンサユニットに対して配列順に走査して各電気特性値を検出する局部走査手段Ｂ２と、前記広域走査手段Ｂ１と前記局部走査手段Ｂ２の何れを作動させるかを制御する制御手段Ｂ３を備えて構成されている。 As shown in FIGS. 1A and 7, the pressure distribution information detection device C1 detects each electrical characteristic value by scanning all sensor units in the arrangement order with respect to each tactile sensor A. The wide-area scanning means B1, the local scanning means B2 that scans the sensor units in a predetermined narrow area in the order of arrangement and detects the respective electric characteristic values, and the wide-area scanning means B1 and the local scanning means B2 are activated. Control means B3 for controlling this is provided.
前記制御手段Ｂ３は、前記行動制御装置Ｃ２により対象物が把持される初期に前記広域走査手段Ｂ１を作動させて全域の圧力変動を所定の時間間隔で検出し、把持動作が進むにつれて前記広域走査手段Ｂ１により検出された何れかのセンサユニット６の電気特性値が所定の閾値以上となるときに、前記局部走査手段Ｂ２を切替作動させて、前記所定の時間間隔よりも短い時間間隔で検出できるように、当該センサユニット６及び当該センサユニット６周辺のセンサユニット６のみ行方向から列方向への配列順に走査して各電気特性値を検出するように制御する。 The control means B3 activates the wide-area scanning means B1 at an initial stage when the object is gripped by the behavior control device C2 to detect pressure fluctuations in the entire area at predetermined time intervals, and the wide-area scanning as the gripping operation proceeds. When the electrical characteristic value of any one of the sensor units 6 detected by the means B1 exceeds a predetermined threshold value, the local scanning means B2 can be switched and detected at a time interval shorter than the predetermined time interval. Thus, only the sensor unit 6 and the sensor units 6 around the sensor unit 6 are controlled to detect each electrical characteristic value by scanning in the arrangement order from the row direction to the column direction.
さらに、前記制御手段Ｂ３は、局部走査対象となるセンサユニット６ａ，６ｂの何れからも前記所定の閾値以上の電気特性値が検出されないときには、前記広域走査手段Ｂ１を切替作動させて検出領域を広げる動作を繰り返すように制御する。 Further, the control means B3 widens the detection area by switching the wide area scanning means B1 when no electrical characteristic value equal to or greater than the predetermined threshold is detected from any of the sensor units 6a and 6b to be locally scanned. Control to repeat the operation.
尚、前記広域走査手段Ｂ１は、全てのセンサユニットに対して配列順に走査して各電気特性値を検出する以外に、触覚センサＡの全体における圧力分布を検出すべく、予め設定された所定のセンサユニット、例えば奇数列と奇数行の全センサユニットに対して配列順に走査して各電気特性値を検出する等により全てのセンサユニットを検出する場合に比べて高速に圧力を検出するように構成することも可能である。 The wide-area scanning unit B1 scans all sensor units in the order of arrangement and detects each electrical characteristic value. In addition, the wide-area scanning unit B1 detects a pressure distribution in the entire tactile sensor A. The sensor unit is configured to detect pressure at a higher speed than when all sensor units are detected by scanning all the sensor units in the odd-numbered columns and odd-numbered rows in the order of arrangement and detecting each electrical characteristic value. It is also possible to do.
前記局部走査手段Ｂ２には、把持動作に伴なって変動する圧力分布を正確に検出するべく、前回の局部走査により検出された電気特性値が所定の閾値以上となるセンサユニット６に基づいて次回の走査対象となるセンサユニット６を決定する走査対象更新手段Ｂ４をさらに備えている。 In the local scanning means B2, the next time based on the sensor unit 6 in which the electrical characteristic value detected by the previous local scanning is equal to or greater than a predetermined threshold value, in order to accurately detect the pressure distribution that fluctuates with the gripping operation. Scanning object updating means B4 for determining the sensor unit 6 to be scanned.
図７に示すように、前記広域走査手段Ｂ１により何れかのセンサユニット６ａが前記所定の閾値以上であると検出されると、前記局部走査手段Ｂ２は、当該センサユニット６ａを中心として、当該センサユニット６ａ及び当該センサユニット６ａの上下左右斜め方向の８近傍のセンサユニット６ｂに対してのみ走査するように検出対象となるセンサユニットを制限して各電気特性値を検出することにより、当該触覚センサＡの検出時間間隔を短縮する。図では、単一のセンサユニット６ａのみが前記所定の閾値以上であると検出された場合を示しているが、隣接または離隔したセンサユニットの複数が所定の閾値以上であると検出された場合には、それらのセンサユニットの８近傍のセンサユニットに検出対象が絞り込まれる。尚、絞り込まれるセンサユニットの数は８近傍に限定されるものではなく、そのサイズは適宜設定することができる。 As shown in FIG. 7, when the wide-area scanning unit B1 detects that any one of the sensor units 6a is equal to or greater than the predetermined threshold, the local scanning unit B2 uses the sensor unit 6a as a center to detect the sensor. By detecting each electrical characteristic value by limiting the sensor unit to be detected so as to scan only the unit 6a and the sensor unit 6b in the vicinity of 8 in the vertical and horizontal diagonal directions of the sensor unit 6a, the tactile sensor A detection time interval of A is shortened. Although the figure shows a case where only a single sensor unit 6a is detected to be greater than or equal to the predetermined threshold, when a plurality of adjacent or separated sensor units are detected to be greater than or equal to the predetermined threshold, The detection target is narrowed down to sensor units in the vicinity of 8 of those sensor units. Note that the number of sensor units to be narrowed down is not limited to the vicinity of 8, and the size can be set as appropriate.
具体的には、前記触覚センサＡに対象物から圧力が加えられた場合、図８に示すように、Ｐ（ｉ，ｊ）（ｉ＝１，２，・・・，９；ｊ＝１，２，・・・，１２）に配置された各センサユニット６に対して、広域走査手段Ｂ１によってＰ（１，１）、Ｐ（１，２）、Ｐ（１，３）と配列順に走査して各電気特性値を検出する。前記広域走査手段Ｂ１により電気特性値が所定の閾値以上（２００[ 単位]以上）となるセンサユニット６ａが検出されると、前記局部走査手段Ｂ２は当該センサユニット６ａ及び当該センサユニット６ａ周辺の８近傍のセンサユニット６ｂのみ走査して各電気特性値を検出するのである。 Specifically, when pressure is applied from the object to the tactile sensor A, as shown in FIG. 8, P (i, j) (i = 1, 2,..., 9; j = 1, 2,.., 12) is scanned in the order of arrangement with P (1,1), P (1,2), P (1,3) by the wide-area scanning means B1. To detect each electrical characteristic value. When the sensor unit 6a whose electric characteristic value is equal to or greater than a predetermined threshold (200 [units] or more) is detected by the wide-area scanning unit B1, the local scanning unit B2 detects the sensor unit 6a and 8 around the sensor unit 6a. Only the nearby sensor unit 6b is scanned to detect each electrical characteristic value.
前記統合制御装置Ｃ３は、前記圧力分布情報検出装置Ｃ１から入力された各触覚センサＡの出力値に基づいて、前記行動制御装置Ｃ２に対して各モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３に対する駆動情報を出力して把持動作を制御する。 The integrated control device C3 outputs drive information for the motors M1, M2, M3 to the behavior control device C2 based on the output value of each tactile sensor A input from the pressure distribution information detection device C1. To control the gripping motion.
前記統合制御装置Ｃ３には、前記局部走査手段Ｂ２の走査により検出された電気特性値が所定の閾値以上となるセンサユニット６ａの位置が複数回にわたり等しいときに、検出された電気特性値に基づいて対象物の形状を特定する形状判別手段Ｂ３を備えている。 The integrated control device C3 is based on the detected electrical property value when the position of the sensor unit 6a where the electrical property value detected by the scanning of the local scanning means B2 is equal to or more than a predetermined threshold is equal multiple times. And shape determining means B3 for specifying the shape of the object.
前記形状判別手段は、検出された電気特性値から、図９に示すように、検出結果に対して座標軸（ｘ，ｙ，ｚ）を設定し，（ｘ，ｙ）、（ｘ，ｚ）（ｙ，ｚ）の平面画像情報を切り出し、各画像情報よりｘ−ｙ平面，ｘ−ｚ平面，ｙ−ｚ平面の各平面における面積と周囲長に基づいて（数１）に示す円形度でなる特徴量を抽出する。 As shown in FIG. 9, the shape discriminating unit sets coordinate axes (x, y, z) for the detection result from the detected electrical characteristic values, and (x, y), (x, z) ( The plane image information of y, z) is cut out, and based on the area and the perimeter of each plane of the xy plane, the xz plane, and the yz plane, the circularity shown in (Expression 1) is obtained from each image information. Extract features.
（数１）より得られた特徴量と予め算出されている既知物体の特徴量の二乗誤差の和を適合度とし、値が最も小さなものを接触物体の形状として認識する。前記適合度を（数２）に示す。 The sum of the square error of the feature quantity obtained from (Equation 1) and the feature quantity of the known object calculated in advance is used as the fitness, and the smallest value is recognized as the shape of the contact object. The fitness is shown in (Expression 2).
ここでは、前記統合制御装置Ｃ３が、前記圧力分布情報検出装置Ｃ１から入力された複数の触覚センサＡの夫々に対して上述のアルゴリズムに基づいて形状を判別する場合を説明しているが、夫々の触覚センサＡに基づき判別された形状と、前記行動制御装置Ｃ２から入力されたそのときの各リンク部材の姿勢とそれに掛かる力を統合解析することにより、把持対象物の全体形状や硬度等の特性を把握することができるようになる。 Here, a case has been described in which the integrated control device C3 determines the shape based on the above algorithm for each of the plurality of tactile sensors A input from the pressure distribution information detection device C1. By integrating and analyzing the shape determined based on the tactile sensor A, the posture of each link member input from the behavior control device C2 and the force applied thereto, the overall shape, hardness, etc. of the object to be grasped are analyzed. It becomes possible to grasp the characteristics.
本構成では、情報量が多くその処理に多くの時間を要する触覚情報と高速なサーボ制御に必要な角度並びに力の情報を、それぞれ専用の圧力分布情報検出装置と行動制御装置によって分散制御することにより、全体の処理速度を向上させているが、圧力分布情報検出装置と行動制御装置と統合制御装置とを一体で構成することも可能である。 In this configuration, the tactile information, which has a large amount of information and requires a lot of time for processing, and the angle and force information necessary for high-speed servo control are distributedly controlled by dedicated pressure distribution information detection devices and behavior control devices, respectively. Thus, although the overall processing speed is improved, the pressure distribution information detection device, the behavior control device, and the integrated control device can be configured integrally.
上述の構成の圧力分布情報検出装置Ｃ１を備えたセンサユニット６に対して局部走査を行うロボットハンドとセンサユニット６に対して局部走査を行わないロボットハンドにおいて、各ロボットハンドに配置された触覚センサＡに圧力を加え、前記センサユニット６の電気特性値が所定の閾値以上となるセンサユニット６が１セルである場合（図７の場合）の対象物を認識するために要した時間を表１に示す。 A tactile sensor disposed in each robot hand in a robot hand that performs local scanning on the sensor unit 6 including the pressure distribution information detection device C1 having the above-described configuration and a robot hand that does not perform local scanning on the sensor unit 6. Table 1 shows the time required to recognize an object when pressure is applied to A and the sensor unit 6 whose electric characteristic value of the sensor unit 6 is equal to or greater than a predetermined threshold is one cell (in the case of FIG. 7). Shown in
表１より、局部走査を行なわない場合は、広域走査手段により繰り返し走査が実行されるため、第一走査時間と第二走査時間の合計時間８０．８ｍｓｅｃ．が二回の広域走査に費やされるのに対して、局部走査手段を作動させると、広域走査手段の次に局部走査手段による走査が実行されるために、第一走査時間と第二走査時間の合計時間４２．２ｍｓｅｃ．と約１／２に短縮される。 According to Table 1, when local scanning is not performed, since the wide scanning means repeatedly performs scanning, the total time of the first scanning time and the second scanning time is 80.8 msec. However, when the local scanning means is operated, scanning by the local scanning means is executed next to the wide scanning means, the first scanning time and the second scanning time are Total time 42.2 msec. And reduced to about ½.
以下、別実施形態を説明する。上述の実施形態で説明した触覚センサのセンサユニットを構成する電極セルのサイズや形状、電極パターンの幅、さらにはセンサユニットの数や配置等はこれに限定されるものではなく、対象物の検出精度に応じて適宜構成されるものである。例えば、触覚センサの中央部でセンサユニットが密になるように配列され、周辺部で疎になるように配列されるものであってもよい。 Hereinafter, another embodiment will be described. The size and shape of the electrode cells constituting the sensor unit of the tactile sensor described in the above embodiment, the width of the electrode pattern, and the number and arrangement of the sensor units are not limited to this. It is appropriately configured according to the accuracy. For example, the sensor units may be arranged so as to be dense at the center of the tactile sensor and arranged so as to be sparse at the periphery.
上述の触覚センサＡは、極限作業から家庭内での家事まで人間の作業を補完可能なヒューマノイドロボットのハンドに好適なもので、多関節を備えたロボットハンドに対して、その腹部の形状等に合わせて触覚センサＡの形状を適宜変えることも可能である。 The tactile sensor A described above is suitable for a humanoid robot hand capable of complementing human work from extreme work to household chores. The robot hand having a multi-joint has an abdominal shape and the like. In addition, the shape of the touch sensor A can be changed as appropriate.
上述した実施形態では、触覚センサが感圧導電性部材を用いて構成されたものを説明したが、複数のセンサユニットがマトリックス状に配列されるものであれば、感圧導電性部材以外に歪ゲージや圧電素子を配列して触覚センサを構成することができることはいうまでもない。 In the above-described embodiment, the tactile sensor is configured using a pressure-sensitive conductive member. However, if a plurality of sensor units are arranged in a matrix, a strain other than the pressure-sensitive conductive member is used. Needless to say, a tactile sensor can be configured by arranging gauges and piezoelectric elements.
上述した実施形態では、圧力分布情報検出装置が、ロボットハンドの指の腹部に設けられた触覚センサを対象とするものに適用される場合について説明したが、圧力分布情報検出装置の適用対象はこれに制限されるものではなく、足型を検出する触覚センサやベッド上での人の横臥姿勢を検出する触覚センサ等多方面に適用されるものである。 In the above-described embodiment, the case where the pressure distribution information detection device is applied to a touch sensor provided on the abdomen of the finger of the robot hand has been described, but the application target of the pressure distribution information detection device is this. However, the present invention is not limited to the above, and can be applied to various fields such as a tactile sensor that detects a foot shape and a tactile sensor that detects a person's lying posture on a bed.
上述の実施形態で説明した圧力分布情報検出装置は、圧力分布情報検出プログラムがインストールされたパーソナルコンピュータで構成されるものに限らず、特定の用途に特化した専用のマイクロコンピュータで構成することも可能であり、各部の具体的構成は、本発明の作用効果を奏する範囲において適宜変更設計することが可能である。 The pressure distribution information detection device described in the above embodiment is not limited to a personal computer in which a pressure distribution information detection program is installed, but may also be a dedicated microcomputer specialized for a specific application. It is possible, and the specific configuration of each part can be appropriately changed and designed within the scope of the effects of the present invention.
１，２，３，４，５：指体
６：センサユニット
７：感圧導電性部材
８：電極シート
９：被加圧層
１０：基体
１１：第一基板
１２：電圧印加電極
１３：電圧検出電極
１４：電極セル
１５：リードパターン
１６：リードパターン
Ａ：触覚センサ
Ｂ１：広域走査手段
Ｂ２：局部走査手段
Ｂ３：制御手段
Ｂ４：走査対象更新手段
Ｃ１：圧力分布情報検出装置
Ｃ２：行動制御装置
Ｃ３：総合制御手段（形状判別手段）
Ｎ：ネットワーク1, 2, 3, 4, 5: Finger 6: Sensor unit 7: Pressure-sensitive conductive member 8: Electrode sheet 9: Pressurized layer 10: Substrate 11: First substrate 12: Voltage application electrode 13: Voltage detection Electrode 14: Electrode cell 15: Lead pattern 16: Lead pattern A: Tactile sensor B1: Wide area scanning means B2: Local scanning means B3: Control means B4: Scanning object update means C1: Pressure distribution information detection device C2: Behavior control device C3 : Total control means (shape discrimination means)
N: Network
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