触覚センサ
【課題】磁石を内包した柔軟層を用いて簡便な構成を用いることにより、単純な構造の接触センサを開発する。
【解決手段】磁石を内包した柔軟層と、磁気抵抗素子とインダクタを配置した基板層とを積層した構造有する触覚センサであり、柔軟層の変位に伴い変位する磁石の磁束密度に関し、静的磁束密度情報を磁気抵抗素子にて感知し、動的磁束密度の変化をインダクタにて感知する触覚センサであって、磁気抵抗素子は、３個以上が配置されており、インダクタは、１個以上配置されている触覚センサ。
【解決手段】磁石を内包した柔軟層と、磁気抵抗素子とインダクタを配置した基板層とを積層した構造有する触覚センサであり、柔軟層の変位に伴い変位する磁石の磁束密度に関し、静的磁束密度情報を磁気抵抗素子にて感知し、動的磁束密度の変化をインダクタにて感知する触覚センサであって、磁気抵抗素子は、３個以上が配置されており、インダクタは、１個以上配置されている触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気式触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで，多様な作業が可能なエンドエフェクタを実現するために、多指多関節ハンドの研究が多くなされている。対象物の安定した把持と操作を実現するためには、把持力の計測と滑りの検出ができる触覚センサが備わることが重要とされている。
これまで把持力の計測には、指先に備えられた６軸力覚センサが用いられることが多く小型化も進められてきた。この力覚センサは市販されているものの、構造の複雑さから高価であり、滑りの検出までは難しい。垂直力と二次元のせん断力を精度よく計測できる半球形状の光学式３軸触覚センサも提案されている。このセンサは繰り返し特性も良好で多指ハンドの指先に適している反面、構成部材が多く光源装置が必要である。音響共鳴を利用して接触の瞬間に摩擦係数を見積もることができる触覚センシングデバイスも検討されている。このデバイスはロボットフィンガに搭載した場合、対象を落とさない程度の最小に近い把持力の制御に応用できるが、単体では力の大きさと方向の計測は難しい。ピエゾ抵抗素子と圧電素子を積層した触覚センサも検討されており、接触力とその位置、滑りの方向が計測できることを実験により検証している。この触覚センサはマトリックスを構成し位置の取得を行っているが、マルチプレクサが必要であり複雑な計測システムとなる。このように、把持力の計測と滑りの検出に関する触覚センサの研究は盛んになされており、優れた機能も実現されている。しかしながら、構造やシステムが複雑なものが多いことから実用化まで至っていないのが現状である。
【０００３】
例えば、特許文献１（特開２００３−２９４５５２号公報）には、パッドベース４上に円錐台形状になるゲル製のパッド６を固着し、該ゲル製パッド６の上面に永久磁石７を固着すると共に、パッドベース４の下側には４個のホール素子３１ 〜３４ を対向配置し、上部側に位置する永久磁石７の上面側を荷重の作用面とし、４個のホール素子３１ 〜３４ の出力電圧を用いて、作用する荷重を作用面に平行な方向のずれ力と作用面に垂直な方向の圧力に分解して計測する三軸荷重計測センサが開示されている。なお、従来例として特許文献１〜５に開示された図を図１７〜２１に引用する。これらの説明に用いた用語及び符号は、それぞれの引用文献の記載を用いている。
特許文献２（特開２００３−３３７０７１号公報）には、磁場３０を生起する励磁コイル３と、Ｘ方向に間隔を隔てて配置されたコイル５ａ、５ｂ、５ｃと、Ｙ方向に間隔を隔てて配置されたコイル６ａ、６ｂ、６ｃと、触覚センサ１の表面に作用する圧縮力及び剪断力の変化に相応して圧縮変形及び剪断変形可能な弾性体４とを備え、弾性体を励磁コイルと誘導コイルとの間に介装した構成を有する、触覚センサ１が開示されている。触覚センサ１の表面に作用する圧縮力及び剪断力は、弾性体の圧縮変形及び／又は剪断変形により生じる誘導コイルの誘導電圧値の変化によって検出される。
特許文献３（特開２００４−３２５３２８号公報）には、弾性体１と、弾性体１の内部に設けられた永久磁石２と、弾性体１とは非接触に設けられた複数のホール素子６ａ〜６ｄと、ホール素子６ａ〜６ｄの出力に基づいて弾性体１への作用力Ｆを算出するＭＰＵシステムとを備える多分力検出器が開示されている。
特許文献４（特開２００４−３５８６３４号公報）には、シリコンゲルが充填されている被覆体７の内部には、曲げモーメント検知用のひずみゲージおよびねじりモーメント検知用のひずみゲージを貼着したコイルバネ９からなる触覚センサー１９，１９・・が、被覆体７の表面に対して略垂直となるように設置されている把持する物体の摩擦係数を正確に把握することが可能であり、医療分野等のロボットハンドへの適用が可能な触覚センサー内蔵フィンガーが開示されている。
特許文献５（特開２００８−１２８９４０号公報）には、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の一側面に配置され、前記感圧導電性部材７のインピーダンスを検出する複数の電極セル１４が所定方向に配列された電極シート８と、前記感圧導電性部材７を挟んで隣接する電極セル１４間に跨るように対向配置され、前記感圧導電性部材７を加圧する複数の圧力伝達部材３０と、前記圧力伝達部材３０を被覆する弾性被覆層９とを備え、前記弾性被覆層９により前記圧力伝達部材３０が感圧導電性部材７の法線方向及び接線方向に変位自在に支持されている法線方向及び接線方向の圧力も検出できる触覚センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９４５５２号公報
【特許文献２】特開２００３−３３７０７１号公報
【特許文献３】特開２００４−３２５３２８号公報
【特許文献４】特開２００４−３５８６３４号公報
【特許文献５】特開２００８−１２８９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、磁石を内包した柔軟層を用いて簡便な構成を用いることにより、単純な構造の接触センサを開発することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明の主な構成は、次のとおりである。
１． 磁石を内包した柔軟層と、磁気抵抗素子とインダクタを配置した基板層とを積層した構造を有する触覚センサであり、柔軟層の変位に伴い変位する磁石の磁束密度に関し、磁束密度の静的情報を磁気抵抗素子にて感知し、磁束密度の動的変化をインダクタにて感知する触覚センサであって、
磁気抵抗素子は、３個以上が配置されており、
インダクタは、１個以上配置されていることを特徴とする触覚センサ。
２． 磁石は、永久磁石であって、１個であることを特徴とする１記載の触覚センサ。
３．基板層には、柔軟層を積層する面とは反対側の基板面に磁気抵抗素子とインダクタを配置されていることを特徴とする１又は２記載の触覚センサ。
４．柔軟層は、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、天然ゴム、合成ゴムのいずれかあるいは、複数を積層したことを特徴とする１〜３のいずれかに記載の触覚センサ。
５．柔軟層は、人体の触覚部位の形状に整形したことを特徴とする１〜４のいずれかに記載の触覚センサ。
６．柔軟層は、山形であって、中央部に凹みを形成したことを特徴とする１〜４のいずれかに記載の触覚センサ。
７．柔軟層の表面には微小突起を多数設けたことを特徴とする１〜６のいずれかに記載の触覚センサ。
８．柔軟層に硬質部材を設けたことを特徴とする１〜７のいずれかに記載の触覚センサ。
９．硬質部材が歯形であることを特徴とする８記載の触覚センサ。
１０．基板層の基板は、フレキシブル基板であることを特徴とする１〜９のいずれかに記載の触覚センサ。
１１．フレキシブル基板に１つの触覚センサを構成する磁気抵抗素子とインダクタのセットを格子状に配置し、該格子状配置に合わせて柔軟層を配置して分布型触覚センサを形成したことを特徴とする１０記載の触覚センサ。
１２．磁束密度の静的情報によって、柔軟層の変位あるいは力ベクトルが計測され、
磁束密度の動的変化によって、すべりあるいは振動の動的情報が計測することを特徴とする１〜１１のいずれかに記載の触覚センサ。
１３．コントローラ用入力端子であることを特徴とする１〜１２のいずれかに記載の触覚センサ
【発明の効果】
【０００７】
本発明の触覚センサは、基板層を形成する基板の一面に柔軟層を設け、他面に感知素子を配置した２層構造を基本構成とする。感知素子に影響されずに柔軟層の交換を自由に行うことができる。ウレタンゴムやシリコーンゴム製の柔軟層の弾性を調整することで、軟弱な対象の変形の様子を計測することが可能である。柔軟層と基板層との間に配線が無く、素子には直接接触していないことから、摩耗等の損傷した柔軟層の交換や別形状の柔軟層に交換することが容易である。
本発明は、柔軟層の外形が変化することに伴い磁石が変位して、変化する磁束密度を、磁気抵抗素子とインダクタによって、静的触覚情報と動的触覚情報として感知し、その量を計測する触覚センサである。
２種類の素子の出力を用いることで，すべりや振動の有無を検出しつつ，その瞬間の応力を高精度に計測することができる。センサを押す方向のみならず引く方向における計測も可能である。
素子を半導体製作技術で基板上に格子状に実装し，その格子と同じ間隔で柔軟層アレイを基板上に貼り付けることで，分布型触覚センサを構成可能。
柔軟層を形成する弾性材料の柔軟性をコントロールすることによって、人体の触覚各部位などに適した変形状態を設計することが容易である。また、柔軟層にさらに歯型や爪などの硬質部材を取り付けることにより、歯などの触感を計測することができる。柔軟層の表面には微小突起や凹部を設けることにより、すべり情報を的確に計測することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】触覚センサの模式図、（ａ）触覚センサ構成例、（ｂ）柔軟層と基板層、（ｃ）磁気抵抗素子（GMR）とインダクタ配置例
【図２】触覚センサの概念図
【図３】触覚センサに配置された磁石とＧＭＲ素子の間隔の模式例
【図４】磁石とＧＭＲの距離変化に伴う出力電圧の関係を示すグラフ
【図５】基板層下面に配置されたＧＭＲ素子とインダクタの配置図
【図６】実施例１に用いた磁石を配置した柔軟層の断面図
【図７】実施例１に用いた触覚センサの例
【図８】実施例１の触覚センサを用いた負荷試験装置の模式図
【図９】（ａ）ｚ方向に−２ｍｍ変位時のｘｙ方向変位検出図、 (b)ｚ方向に−４ｍｍ変位時のｘｙ方向変位検出図
【図１０】(a)ｚ方向に−５Ｎ負荷した時のｘｙ方向検出図、(b)ｚ方向に−１２Ｎ負荷した時のｘｙ方向検出図
【図１１】与えた変位と算出した変位を表した３次元グラフ
【図１２】与えた力と算出した力を表した３次元グラフ
【図１３】インダクタンスによるすべり検出タイミングを示す図
【図１４】工業用ロボットハンド適用例
【図１５】ロボットハンド例
【図１６】ゲームパッド例（ａ）十字ボタンを触覚センサに変えた例、（ｂ）従来例
【図１７】特許文献１に記載された三軸荷重計測センサの例
【図１８】特許文献２に記載された励磁コイルを用いた触覚センサの例
【図１９】特許文献３に記載された永久磁石を内包した弾性体とホール素子を利用した多分力検出器の例
【図２０】特許文献４に記載されたシリコンゲルが充填されている被覆体の内部にひずみゲージおよびコイルバネ配置した触覚センサの例
【図２１】特許文献５に記載された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を用いた触覚センサの例
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、弾性素材で永久磁石を内包した構造の柔軟層と、磁気抵抗素子とインダクタを配置した基板層から成る触覚センサである。柔軟層に対象が接触すると弾性素材とともに永久磁石も変位する。このときの静的な磁束密度を磁気抵抗素子、動的な磁束密度の変化をインダクタで計測し、それぞれを柔軟層に加えられた変位・力ベクトルとすべりや振動の有無に変換して、柔軟層が接触する触感を感知する。
単純な２層構造であるので安価に製造可能である。柔軟層は弾性調整可であるので、柔軟・軟弱な対象の変形や応力の計測が可能である。柔軟層と基板層間に配線が無いので断線によるトラブルは発生せず、柔軟層の交換も自由となる。
【００１０】
基本構成は、図１に示される。柔軟層１と基板層２を積層する。柔軟層１の内部には磁石３が内包されている。基板層２の基板４の両面は、柔軟層２と接触する柔軟層配置面４ａと反対面を素子配置面４ｂとして、磁気抵抗素子（ＧＭＲ）５とインダクタ６を配置する。基板の素子配置面４ｂには、回路を形成して回路基板７の機能をも有する。磁気抵抗素子５は３個以上、インダクタは１個以上用いられる。
【００１１】
１． 構造と原理
提案する触覚センサの基本構成は図２に示されたとおりである。触覚センサは大きく分けて柔軟層と基板層の２つの層からなる。柔軟層はシリコンゴムやウレタンゴムなど柔軟な素材を材料とし、永久磁石を内包する。基板層はガラスエポキシを材料とするプリント基板を主とする。柔軟層と接触する面（基板層上面とする）には半導体を載せずに平板な面とし、反対の面（基板層下面とする）にGMR素子とチップインダクタを各４個配置する。柔軟層と基板層とは接着し固定する。柔軟層と基板層間に配線がないことから断線がなく、柔軟層が対象との繰り返しの接触によって摩耗したとしても容易に交換できることが利点である。
柔軟層に対象が接触し上面が変位すると、その変位に応じて内包されている永久磁石も変位する。このとき、基板層下面に配置されたGMR素子に加わる磁束密度が変化し、GMR素子の出力も変化する。ここで、図３に示すように永久磁石とGMR素子を配置し、ｘを−５mmから５mm、zを０から３mmに１mm刻みに変化させた場合のGMR素子の出力と永久磁石間の３次元距離の関係を図４に示す。
GMR素子は、例えば、NVE社のAA003-02等を使用することができる。永久磁石は、ネオジム磁石などを用いることができ、例えば、直径1５mm、厚さ１．５mm、表面の磁束密度が１１５mTのネオジム磁石である。大きさは、任意であり、小さくすることが可能である。図４にGMR素子と永久磁石間の距離とGMR素子の出力電圧の関係を示す。この基礎実験のようにGMR素子と永久磁石間の距離の変化が小さい場合、その距離に応じてGMR素子の出力が決定することがわかる。このことから、反対にGMR素子の出力から素子と磁石間の距離が求められ、GMR素子を３つ以上配置し、それらGMR素子の出力を計測し計算した複数の素子と磁石間の距離から、磁石の３軸変位やそれを決定する柔軟層上面の３軸変位を求めることができる。さらに、力覚センサなどを用いて校正値を取ることによってその変位が加えられる際の力の大きさと方向の算出も可能である。このように、本発明の触覚センサにおいて、GMR素子は柔軟層に対する変位・力算出の役割を担う。
インダクタは、永久磁石の変位時に起こる磁束密度の変化に応じて、電磁誘導現象に基づく誘導起電力を発生する。誘導起電力の大きさは、磁束密度の変化量よりもその速度に依存する，すなわち柔軟層上面の変位が高速なほど大きくなる。柔軟層上面において、微小で高速な変位が発生する例の1つとして、固着と滑りを繰り返すスティックスリップ現象があり、インダクタによる誘導起電力が、初期滑り時に大きな出力変化をする。提案する本発明の触覚センサでは、インダクタはスティックスリップ現象を伴う滑りを検出する役割を担う。
【００１２】
柔軟層は、指先などの柔らかい組織に類似した組織である。触感の存在する部位に適した弾性を再現することができ、対象物に接触して、外形が変化する。触覚は、押された圧力だけではなく、すべり性やざらつきなどの表面性能等も触覚に含まれる。すべりやざらつきなどに適した形状として、柔軟層の表面に微小凹凸を多数設けることや、丘状に形成した柔軟層の先端に凹部を設けるとすべりなどの動的触覚情報の入手に適している。
柔軟層の大きさは、自由に設計することができる。指先の大きさや手の平、歯などモデルの形状に合わせて設計することができる、面状に分布した触感を態様とする場合は、多数の触覚センサを配置することにより情報を収集することができる。多数の触覚センサを配置する場合は、基板共通化により、個別の単位の柔軟層と素子からなる触覚センサのセットを配置することができる。この場合は、基板はフレキシブル基板を用いることができる。
柔軟層を介して歯形や爪形の硬質部材を設けることができる。歯形の部材を設けた場合は、歯に加わる触覚を検出することができる。
柔軟層内部に磁石を内包する。磁石は柔軟層が対象物と接触して変形することに伴い、磁石も変位するように配置する。磁石と素子との関係は平面視において、ほぼ均等距離になるように配置することが一般的である。
【００１３】
柔軟層を形成する素材は、エラストマであるゴム材料であり、天然ゴム、合成ゴム、熱可塑性エラストマなどのエラストマであるゴム材料を採用することができる。
例えば、１．合成ゴムとして、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)、イソプレンゴム(IR)、ブチルゴム(IIR)、エチレン・プロピレンゴム(EPM，EPDM)、アクリロニトリル・ブタジエンゴム(NBR)、水素化ニトリルゴム(HNBR)、クロロプレンゴム(CR)、アクリルゴム(ACM)、シリコーンゴム(Q)、フッ素ゴム(FKM)、ウレタンゴム(U)、エピクロロヒドリンゴム(ECO)、クロロスルホン化ポリエチレン(CSM)、塩素化ポリエチレン(CM)、多硫化ゴム(T)、ノルボルネンゴム(NOR)、フォスファゼンゴム、ラテックス、NR ラテックス、合成ゴムラテックス、ラテックスの加硫(架橋) 等があげられ。2．熱可塑性エラストマー(TPE)として、スチレン系 TPE(TPS)、SBS，SIS、水添 TPS、オレフィン系 TPE(TPO)、塩ビ系 TPE(T−PVC)、ウレタン系 TPE(TPU)、ポリエステル系 TPE(TPEE)、ポリアミド系TPE(TPAE)、ポリブタジエン系 TPE(RB)、水素添加 TPE(SEBC，CEBC)、フッ素系 TPE、イソブチレン系 TPE、トランス 1,4−ポリイソプレン等があげられる。
特に、ウレタンゴムやシリコーンゴムが、弾性や柔らかさを調整することが容易であり、適している。手指や肉及び皮膚等の近接した柔軟性を構築することに適している。
【００１４】
触覚センサは、次のような部位に適用することができる。
（１）人体の各部位、例えば、歯、指、手、足、その他の部位。
（２）ロボットハンド用触覚センサ。
工業用ロボットハンドの把持部に適用し、把持力計測や滑り検出による対象の安 定把持。把持力をしきい値処理したオンオフ出力センサ。多指多関節ロボットハ ンド指先。
（３）触感評価計測装置
３軸ステージに取り付け、対象の触感（例えば布であれば手触りなど）を変形・ 力ベクトルや振動で評価。
（４）食感評価計測装置
３軸ステージに取り付け、対象の食感（歯触り，舌触り，歯ごたえなど）を変 形・力ベクトルや振動で評価。引っ張り方向の評価も行うことでガムのような粘 りのある対象も評価。
（５）分布型触覚センサ
基板層をフレキシブル基板で構成し、触覚センサを格子状に分布させることで接 触に関する分布情報を得る．多指多関節ロボットハンド上の分布型触覚センサや ヒューマノイドロボットやペットロボットなどの全身触覚センサ。
（６）３軸アナログ入力装置
３軸の入力を必要とするゲームや３次元テレビ、ズーム機能と方向指定の可能な カメラの入力装置。産業機械、土木・建築機械の遠隔操作用コントローラ。
（７）収穫や収穫時期判定用の農業用センサ
【００１５】
２． ３軸変位・力の算出方法
図５に示す４つのGMR素子の出力電圧から柔軟層表面の３軸変位と力の算出を次の手順を例に行う。ただし，この方法では事前に柔軟層の変位の範囲を格子状に網羅したJ個の基準点pj(j=1..J)のGMR素子の出力、３軸変位と力に関する校正値の取得が必要である。
Ｉ．４つのGMR素子の出力電圧を計測し，それぞれVGMRi(i=1..4)とする．
II．すべてのjに関して
を求める。
ただし，
は基準点pjにおけるGMRiの出力電圧である。
III．Sjの最小値から３番目までを計測点と近傍にある基準点とし、それぞれ候補点
(k=1..3)とする．
IV．候補点
の３軸変位に関する出力電圧の勾配をx, y, z軸で
とし、計測点の候補点
に対する相対的な３軸変位を
とすると次式が成り立つ。
V．式（２）は各GMR素子について成り立つことから4つの式から成る連立方程式とし、ピボット選択とガウスの消去法により
を求める。そして、求めた
と候補点
の３軸変位を加算し原点からの３軸変位Δx,Δy,Δzを算出する。
VI．IVとVを３つの候補点
に対して行い、求められたΔx,Δy,Δzの平均値を柔軟層表面の３軸変位
とする。
【００１６】
３軸力は前述で求めた柔軟層表面の３軸変位
を用いて算出する。この変位とユークリッド距離の最も小さい基準点
を選択し、この基準点に対する柔軟層表面の相対的な３軸変位を
とする。このとき、基準点の３軸力
と、基準点の変位に関する3軸力の勾配を用いて次の３つの式が成り立つ。
式（３）〜（５）の各右辺は先に求めた柔軟層表面の３軸変位と基準点
の校正値から求められることから、計測したGMR素子の出力電圧から３軸力が算出できる。
【００１７】
３． 滑りの検出方法
インダクタの発生する誘導起電力は、磁束密度の変化が速い場合に大きくなる。スティックスリップの滑りの際は、変形した柔軟層が元の形状に戻ろうとした瞬間に柔軟層表面の急激な変位が起こり、特に大きな誘導起電力が発生する。この滑り発生時の誘導起電力の急激な変化を、3σ管理を用いて検出する。すべり開始時の微小かつ急激な変形を検出可能である。
3σ管理は、N個の出力電圧の平均値Ａ、標準偏差σとした場合、現在の出力電圧VnowがA−3σ≦Vnow≦A＋3σであれば検出なし、そうでなければ検出ありとする方法である。提案する触覚センサには4つのインダクタがあることから、滑りの検出条件として4つのインダクタすべての出力が3σ管理で検出ありとなった場合に滑り検出とする。
【実施例１】
【００１８】
１．触覚センサの構造
試作した触覚センサの基板層下面のGMR素子とインダクタの配置図を図５に示す。基板の大きさは100×100mmであり、図５上の数値の単位はmmで，基板の中心を原点とした(x,y,z)の座標で示す。GMR素子とインダクタは各座標の示す位置に配置した。GMR3とGMR4はそれぞれ高さ１mmと２mmの基板を挟み、−z軸方向に関してGMR1とGMR2とは異なる配置とした。また、GMR素子には磁束密度の感度に異方性があるため、図５に示すように、中心に対してGMR素子が同じ方向となるよう配置した。GMR素子はNVE社のAA003-02を使用した。インダクタについては素子の方向の影響は小さいと考え同じ方向に配置し、Panasonic社のELJFB102JFを使用した。
柔軟層は、永久磁石を内包することから平面を柔軟層表面に押しつけた場合、接触力分布が不均一になり接触の安定が悪くなる可能性がある。そこで有限要素法解析を用いて、平面の剛体で10Nの力を加えたときの接触力分布がほぼ均一になるような柔軟層の形状を設計した。ただし、永久磁石は図３で示した予備実験で用いた直径１５mm、厚み１．５mm、表面の磁束密度が１１５mTのネオジム磁石を用いた。柔軟層内の永久磁石の位置は、図４の結果からGMR素子の出力電圧の変化が大きくなる、すなわちセンサの感度が高くなるようなGMR素子と磁石間の距離に基づいて初期条件とした。また、柔軟層の物理パラメータはエクシールコーポレーション社製のウレタンゲル（人肌ゲル）に基づいて決定した。設計した柔軟層の断面図を図６に示す。この柔軟層の上部は緩やかな曲線で凹形状をしている。もしこの凹形状が無ければ平面で力を加えた場合、磁石上部の接触力が他の部位よりも大きくなるが、凹形状によって平面で力を加えても接触力がほぼ一定になる効果が得られる。設計した柔軟層で型を作り、ウレタンゲルを２度に分けて硬化させ柔軟層を製作した。磁石は１度目の硬化の後に配置し、２度目の硬化を行った。
試作した触覚センサを図７に示す。上部の白い部分が柔軟層であり、その下に基板層がある。基板層の厚さは１mmである。力を加えても基板層がたわまないよう、８本のスペーサを周囲に取り付けた。また、各出力電圧はA/D変換器を通じてPCに取り込む。ただし、GMR素子の出力は差動増幅回路で１５倍に、インダクタの出力は２段の反転増幅回路で10000倍にしてA/D変換器へ入力した。
【００１９】
２． 3軸変位・力の算出
試作センサに加えた柔軟層表面の３軸変位・力と、４つのGMR素子の出力から算出した３軸変位・力を比較する実験を行った。実験装置の模式図を図８に示す。固定した触覚センサに対して、柔軟層の直径よりも大きな面積のアルミブロックで変位・力を加える。アルミブロックは６軸力覚センサ（ビー・エル・オートテック社製）と固定されており、６軸力覚センサはアルミブロックを介して触覚センサに加えた３軸力を計測する。また、６軸力覚センサは３軸ステージと固定されており、３軸ステージで触覚センサに３軸変位を加える。ただし、図８に示すように座標の原点を柔軟層表面の中心とし、xy軸の±方向とz軸の−方向とに関して７７の基準点をあらかじめ設定した。
触覚センサに対してアルミブロックを−z方向に２mmだけ押しこみ、さらにxyの＋方向もしくは−方向に２mmの変位を加えたときの加えた変位と算出した変位を図９(a)に示す。同様に−z方向に４mmだけ押しこんだ場合の結果を図９(b)に示す。図９の横軸と縦軸はそれぞれx軸とy軸の座標を示す。各図において、３軸ステージの目盛すなわち柔軟層表面の３軸変位と触覚センサの出力電圧から求めた３軸変位が近い値となっていることがわかる。図9(b)のy＝−２mmの結果の誤差が比較的大きいが、この原因としては３軸ステージを手動で操作したため基準点の設定誤差や加えた変位の誤差が影響したものと考えられる。しかしながら、それら以外の点については誤差の小さい結果が得られており、柔軟層表面の３軸変位が約５%の誤差で算出できていることが分かる。
次に、これら算出した３軸変位から前述〔００１５〕「２．3軸変位・力の算出方法」で述べた方法で求めた３軸力と力覚センサで計測した３軸力を図１０(a)と図１０(b)に示す。
算出した変位で誤差が大きかった図９(b)のy=−２mmの３点から図１０(b)のy=−１．５N近くの３点を算出していることから、これらの３軸力の誤差も比較的大きい。その以外の点においては計測値と算出値がほぼ一致した結果も得られており、多少ばらつきはあるものの約１０%の誤差で３軸力の算出ができた。
与えた変位と算出した変位を二次元グラフで表現した図９(a)(b)を３次元グラフに表現した例を図１１に示し、与えた力と算出した力を二次元グラフで表現した図１０(a)(b)を３次元グラフに表現した例を図１２に示す。
【００２０】
３． 滑り検出
触覚センサに対して、断面が１５mm角のアクリルの棒材を一定の力で垂直に押下し、水平に３回の滑りを発生させたときの4つのインダクタの出力と3σ管理で求めた滑りの検出結果を図１３に示す。図１３の横軸は時間、左の縦軸はインダクタの出力電圧、右の縦軸は滑り検出の有無を示す。各インダクタの出力電圧が大きく変化しているタイミングが、滑りが発生したタイミングと一致し、そのタイミングで滑り検出ができていることがわかる。個々のインダクタの出力電圧を確認すると滑りのタイミング以外でも3σの範囲を超えている場合があるが、滑りの判定はすべてのインダクタの出力電圧が3σの範囲を超えた時のみ行っており、このことから部分的な振動などを滑りと検出しない頑強な滑り検出ができていると考えられる。
【００２１】
４．まとめ
GMR素子とインダクタを用いた磁気式触覚センサのモデル例を説明した。柔軟層と基板層からなる単純な構造や柔軟層表面での３軸変位・力の算出方法、滑りの検出方法について述べ、それぞれの実験結果について検討した。提案した磁気式触覚センサは、構成部材が安価であり、継続した使用によって摩耗するであろう柔軟層も安価に交換できることから、産業用と民生用に係る様々な分野での応用できる。さらに、小型化したものや柔軟層の硬度を極端に変化させたものなどに応用することが可能である。
また、 GMR素子とインダクタを、それぞれを３軸変位・力と滑りと異なる情報を得るために個別に使用しているが、人間の触覚受容器で考えると、GMR素子が低周波数の刺激に応答する受容器、インダクタが高周波数の刺激に応答する受容器に相当すると考えられることから、これらの信号を複合的に処理することで人間が認識しているような高度な触覚情報（例えば、摩擦係数と表面性状と形状）を同時に得られる。
【実施例２】
【００２２】
［ロボットハンド用触覚センサの例］
産業用ロボットハンドの把持部に適用し、把持力計測や滑り検出による対象の安定把持、把持力をしきい値処理したオンオフ出力センサ、多指多関節ロボットハンド指先。
【実施例３】
【００２３】
［分布型触覚センサ］
基板層をフレキシブル基板で構成し、触覚センサを格子状に分布させることで接触に関する分布情報を得る。多指多関節ロボットハンド上の分布型触覚センサやヒューマノイドロボットやペットロボットなどの全身触覚センサ。
【実施例４】
【００２４】
［３軸アナログ入力装置］
３軸の入力を必要とするゲームや３次元テレビ、ズーム機能と方向指定の可能なカメラの入力装置。
方向キーを触覚センサにすることにより、十字形にする必要は無い。また、押し込み強さによって、力の大きさ、横へずらすことによって、方向性と動かす早さを調整することが可能である。
このコントローラ用の入力装置は、ブルドーザやクレーンなどの土木機械、建設機械、産業機械の遠隔操作用にも利用することができる。
【実施例５】
【００２５】
［食感評価計測装置］
３軸ステージに取り付け、対象の食感（歯触り，舌触り，歯ごたえなど）あるいは触感（例えば、布であれば手触りなど）を変形・力ベクトルや振動で評価する。引っ張り方向の評価も行うことでガムのような粘りのある対象も評価可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気式触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで，多様な作業が可能なエンドエフェクタを実現するために、多指多関節ハンドの研究が多くなされている。対象物の安定した把持と操作を実現するためには、把持力の計測と滑りの検出ができる触覚センサが備わることが重要とされている。
これまで把持力の計測には、指先に備えられた６軸力覚センサが用いられることが多く小型化も進められてきた。この力覚センサは市販されているものの、構造の複雑さから高価であり、滑りの検出までは難しい。垂直力と二次元のせん断力を精度よく計測できる半球形状の光学式３軸触覚センサも提案されている。このセンサは繰り返し特性も良好で多指ハンドの指先に適している反面、構成部材が多く光源装置が必要である。音響共鳴を利用して接触の瞬間に摩擦係数を見積もることができる触覚センシングデバイスも検討されている。このデバイスはロボットフィンガに搭載した場合、対象を落とさない程度の最小に近い把持力の制御に応用できるが、単体では力の大きさと方向の計測は難しい。ピエゾ抵抗素子と圧電素子を積層した触覚センサも検討されており、接触力とその位置、滑りの方向が計測できることを実験により検証している。この触覚センサはマトリックスを構成し位置の取得を行っているが、マルチプレクサが必要であり複雑な計測システムとなる。このように、把持力の計測と滑りの検出に関する触覚センサの研究は盛んになされており、優れた機能も実現されている。しかしながら、構造やシステムが複雑なものが多いことから実用化まで至っていないのが現状である。
【０００３】
例えば、特許文献１（特開２００３−２９４５５２号公報）には、パッドベース４上に円錐台形状になるゲル製のパッド６を固着し、該ゲル製パッド６の上面に永久磁石７を固着すると共に、パッドベース４の下側には４個のホール素子３１ 〜３４ を対向配置し、上部側に位置する永久磁石７の上面側を荷重の作用面とし、４個のホール素子３１ 〜３４ の出力電圧を用いて、作用する荷重を作用面に平行な方向のずれ力と作用面に垂直な方向の圧力に分解して計測する三軸荷重計測センサが開示されている。なお、従来例として特許文献１〜５に開示された図を図１７〜２１に引用する。これらの説明に用いた用語及び符号は、それぞれの引用文献の記載を用いている。
特許文献２（特開２００３−３３７０７１号公報）には、磁場３０を生起する励磁コイル３と、Ｘ方向に間隔を隔てて配置されたコイル５ａ、５ｂ、５ｃと、Ｙ方向に間隔を隔てて配置されたコイル６ａ、６ｂ、６ｃと、触覚センサ１の表面に作用する圧縮力及び剪断力の変化に相応して圧縮変形及び剪断変形可能な弾性体４とを備え、弾性体を励磁コイルと誘導コイルとの間に介装した構成を有する、触覚センサ１が開示されている。触覚センサ１の表面に作用する圧縮力及び剪断力は、弾性体の圧縮変形及び／又は剪断変形により生じる誘導コイルの誘導電圧値の変化によって検出される。
特許文献３（特開２００４−３２５３２８号公報）には、弾性体１と、弾性体１の内部に設けられた永久磁石２と、弾性体１とは非接触に設けられた複数のホール素子６ａ〜６ｄと、ホール素子６ａ〜６ｄの出力に基づいて弾性体１への作用力Ｆを算出するＭＰＵシステムとを備える多分力検出器が開示されている。
特許文献４（特開２００４−３５８６３４号公報）には、シリコンゲルが充填されている被覆体７の内部には、曲げモーメント検知用のひずみゲージおよびねじりモーメント検知用のひずみゲージを貼着したコイルバネ９からなる触覚センサー１９，１９・・が、被覆体７の表面に対して略垂直となるように設置されている把持する物体の摩擦係数を正確に把握することが可能であり、医療分野等のロボットハンドへの適用が可能な触覚センサー内蔵フィンガーが開示されている。
特許文献５（特開２００８−１２８９４０号公報）には、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の一側面に配置され、前記感圧導電性部材７のインピーダンスを検出する複数の電極セル１４が所定方向に配列された電極シート８と、前記感圧導電性部材７を挟んで隣接する電極セル１４間に跨るように対向配置され、前記感圧導電性部材７を加圧する複数の圧力伝達部材３０と、前記圧力伝達部材３０を被覆する弾性被覆層９とを備え、前記弾性被覆層９により前記圧力伝達部材３０が感圧導電性部材７の法線方向及び接線方向に変位自在に支持されている法線方向及び接線方向の圧力も検出できる触覚センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９４５５２号公報
【特許文献２】特開２００３−３３７０７１号公報
【特許文献３】特開２００４−３２５３２８号公報
【特許文献４】特開２００４−３５８６３４号公報
【特許文献５】特開２００８−１２８９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、磁石を内包した柔軟層を用いて簡便な構成を用いることにより、単純な構造の接触センサを開発することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明の主な構成は、次のとおりである。
１． 磁石を内包した柔軟層と、磁気抵抗素子とインダクタを配置した基板層とを積層した構造を有する触覚センサであり、柔軟層の変位に伴い変位する磁石の磁束密度に関し、磁束密度の静的情報を磁気抵抗素子にて感知し、磁束密度の動的変化をインダクタにて感知する触覚センサであって、
磁気抵抗素子は、３個以上が配置されており、
インダクタは、１個以上配置されていることを特徴とする触覚センサ。
２． 磁石は、永久磁石であって、１個であることを特徴とする１記載の触覚センサ。
３．基板層には、柔軟層を積層する面とは反対側の基板面に磁気抵抗素子とインダクタを配置されていることを特徴とする１又は２記載の触覚センサ。
４．柔軟層は、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、天然ゴム、合成ゴムのいずれかあるいは、複数を積層したことを特徴とする１〜３のいずれかに記載の触覚センサ。
５．柔軟層は、人体の触覚部位の形状に整形したことを特徴とする１〜４のいずれかに記載の触覚センサ。
６．柔軟層は、山形であって、中央部に凹みを形成したことを特徴とする１〜４のいずれかに記載の触覚センサ。
７．柔軟層の表面には微小突起を多数設けたことを特徴とする１〜６のいずれかに記載の触覚センサ。
８．柔軟層に硬質部材を設けたことを特徴とする１〜７のいずれかに記載の触覚センサ。
９．硬質部材が歯形であることを特徴とする８記載の触覚センサ。
１０．基板層の基板は、フレキシブル基板であることを特徴とする１〜９のいずれかに記載の触覚センサ。
１１．フレキシブル基板に１つの触覚センサを構成する磁気抵抗素子とインダクタのセットを格子状に配置し、該格子状配置に合わせて柔軟層を配置して分布型触覚センサを形成したことを特徴とする１０記載の触覚センサ。
１２．磁束密度の静的情報によって、柔軟層の変位あるいは力ベクトルが計測され、
磁束密度の動的変化によって、すべりあるいは振動の動的情報が計測することを特徴とする１〜１１のいずれかに記載の触覚センサ。
１３．コントローラ用入力端子であることを特徴とする１〜１２のいずれかに記載の触覚センサ
【発明の効果】
【０００７】
本発明の触覚センサは、基板層を形成する基板の一面に柔軟層を設け、他面に感知素子を配置した２層構造を基本構成とする。感知素子に影響されずに柔軟層の交換を自由に行うことができる。ウレタンゴムやシリコーンゴム製の柔軟層の弾性を調整することで、軟弱な対象の変形の様子を計測することが可能である。柔軟層と基板層との間に配線が無く、素子には直接接触していないことから、摩耗等の損傷した柔軟層の交換や別形状の柔軟層に交換することが容易である。
本発明は、柔軟層の外形が変化することに伴い磁石が変位して、変化する磁束密度を、磁気抵抗素子とインダクタによって、静的触覚情報と動的触覚情報として感知し、その量を計測する触覚センサである。
２種類の素子の出力を用いることで，すべりや振動の有無を検出しつつ，その瞬間の応力を高精度に計測することができる。センサを押す方向のみならず引く方向における計測も可能である。
素子を半導体製作技術で基板上に格子状に実装し，その格子と同じ間隔で柔軟層アレイを基板上に貼り付けることで，分布型触覚センサを構成可能。
柔軟層を形成する弾性材料の柔軟性をコントロールすることによって、人体の触覚各部位などに適した変形状態を設計することが容易である。また、柔軟層にさらに歯型や爪などの硬質部材を取り付けることにより、歯などの触感を計測することができる。柔軟層の表面には微小突起や凹部を設けることにより、すべり情報を的確に計測することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】触覚センサの模式図、（ａ）触覚センサ構成例、（ｂ）柔軟層と基板層、（ｃ）磁気抵抗素子（GMR）とインダクタ配置例
【図２】触覚センサの概念図
【図３】触覚センサに配置された磁石とＧＭＲ素子の間隔の模式例
【図４】磁石とＧＭＲの距離変化に伴う出力電圧の関係を示すグラフ
【図５】基板層下面に配置されたＧＭＲ素子とインダクタの配置図
【図６】実施例１に用いた磁石を配置した柔軟層の断面図
【図７】実施例１に用いた触覚センサの例
【図８】実施例１の触覚センサを用いた負荷試験装置の模式図
【図９】（ａ）ｚ方向に−２ｍｍ変位時のｘｙ方向変位検出図、 (b)ｚ方向に−４ｍｍ変位時のｘｙ方向変位検出図
【図１０】(a)ｚ方向に−５Ｎ負荷した時のｘｙ方向検出図、(b)ｚ方向に−１２Ｎ負荷した時のｘｙ方向検出図
【図１１】与えた変位と算出した変位を表した３次元グラフ
【図１２】与えた力と算出した力を表した３次元グラフ
【図１３】インダクタンスによるすべり検出タイミングを示す図
【図１４】工業用ロボットハンド適用例
【図１５】ロボットハンド例
【図１６】ゲームパッド例（ａ）十字ボタンを触覚センサに変えた例、（ｂ）従来例
【図１７】特許文献１に記載された三軸荷重計測センサの例
【図１８】特許文献２に記載された励磁コイルを用いた触覚センサの例
【図１９】特許文献３に記載された永久磁石を内包した弾性体とホール素子を利用した多分力検出器の例
【図２０】特許文献４に記載されたシリコンゲルが充填されている被覆体の内部にひずみゲージおよびコイルバネ配置した触覚センサの例
【図２１】特許文献５に記載された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を用いた触覚センサの例
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、弾性素材で永久磁石を内包した構造の柔軟層と、磁気抵抗素子とインダクタを配置した基板層から成る触覚センサである。柔軟層に対象が接触すると弾性素材とともに永久磁石も変位する。このときの静的な磁束密度を磁気抵抗素子、動的な磁束密度の変化をインダクタで計測し、それぞれを柔軟層に加えられた変位・力ベクトルとすべりや振動の有無に変換して、柔軟層が接触する触感を感知する。
単純な２層構造であるので安価に製造可能である。柔軟層は弾性調整可であるので、柔軟・軟弱な対象の変形や応力の計測が可能である。柔軟層と基板層間に配線が無いので断線によるトラブルは発生せず、柔軟層の交換も自由となる。
【００１０】
基本構成は、図１に示される。柔軟層１と基板層２を積層する。柔軟層１の内部には磁石３が内包されている。基板層２の基板４の両面は、柔軟層２と接触する柔軟層配置面４ａと反対面を素子配置面４ｂとして、磁気抵抗素子（ＧＭＲ）５とインダクタ６を配置する。基板の素子配置面４ｂには、回路を形成して回路基板７の機能をも有する。磁気抵抗素子５は３個以上、インダクタは１個以上用いられる。
【００１１】
１． 構造と原理
提案する触覚センサの基本構成は図２に示されたとおりである。触覚センサは大きく分けて柔軟層と基板層の２つの層からなる。柔軟層はシリコンゴムやウレタンゴムなど柔軟な素材を材料とし、永久磁石を内包する。基板層はガラスエポキシを材料とするプリント基板を主とする。柔軟層と接触する面（基板層上面とする）には半導体を載せずに平板な面とし、反対の面（基板層下面とする）にGMR素子とチップインダクタを各４個配置する。柔軟層と基板層とは接着し固定する。柔軟層と基板層間に配線がないことから断線がなく、柔軟層が対象との繰り返しの接触によって摩耗したとしても容易に交換できることが利点である。
柔軟層に対象が接触し上面が変位すると、その変位に応じて内包されている永久磁石も変位する。このとき、基板層下面に配置されたGMR素子に加わる磁束密度が変化し、GMR素子の出力も変化する。ここで、図３に示すように永久磁石とGMR素子を配置し、ｘを−５mmから５mm、zを０から３mmに１mm刻みに変化させた場合のGMR素子の出力と永久磁石間の３次元距離の関係を図４に示す。
GMR素子は、例えば、NVE社のAA003-02等を使用することができる。永久磁石は、ネオジム磁石などを用いることができ、例えば、直径1５mm、厚さ１．５mm、表面の磁束密度が１１５mTのネオジム磁石である。大きさは、任意であり、小さくすることが可能である。図４にGMR素子と永久磁石間の距離とGMR素子の出力電圧の関係を示す。この基礎実験のようにGMR素子と永久磁石間の距離の変化が小さい場合、その距離に応じてGMR素子の出力が決定することがわかる。このことから、反対にGMR素子の出力から素子と磁石間の距離が求められ、GMR素子を３つ以上配置し、それらGMR素子の出力を計測し計算した複数の素子と磁石間の距離から、磁石の３軸変位やそれを決定する柔軟層上面の３軸変位を求めることができる。さらに、力覚センサなどを用いて校正値を取ることによってその変位が加えられる際の力の大きさと方向の算出も可能である。このように、本発明の触覚センサにおいて、GMR素子は柔軟層に対する変位・力算出の役割を担う。
インダクタは、永久磁石の変位時に起こる磁束密度の変化に応じて、電磁誘導現象に基づく誘導起電力を発生する。誘導起電力の大きさは、磁束密度の変化量よりもその速度に依存する，すなわち柔軟層上面の変位が高速なほど大きくなる。柔軟層上面において、微小で高速な変位が発生する例の1つとして、固着と滑りを繰り返すスティックスリップ現象があり、インダクタによる誘導起電力が、初期滑り時に大きな出力変化をする。提案する本発明の触覚センサでは、インダクタはスティックスリップ現象を伴う滑りを検出する役割を担う。
【００１２】
柔軟層は、指先などの柔らかい組織に類似した組織である。触感の存在する部位に適した弾性を再現することができ、対象物に接触して、外形が変化する。触覚は、押された圧力だけではなく、すべり性やざらつきなどの表面性能等も触覚に含まれる。すべりやざらつきなどに適した形状として、柔軟層の表面に微小凹凸を多数設けることや、丘状に形成した柔軟層の先端に凹部を設けるとすべりなどの動的触覚情報の入手に適している。
柔軟層の大きさは、自由に設計することができる。指先の大きさや手の平、歯などモデルの形状に合わせて設計することができる、面状に分布した触感を態様とする場合は、多数の触覚センサを配置することにより情報を収集することができる。多数の触覚センサを配置する場合は、基板共通化により、個別の単位の柔軟層と素子からなる触覚センサのセットを配置することができる。この場合は、基板はフレキシブル基板を用いることができる。
柔軟層を介して歯形や爪形の硬質部材を設けることができる。歯形の部材を設けた場合は、歯に加わる触覚を検出することができる。
柔軟層内部に磁石を内包する。磁石は柔軟層が対象物と接触して変形することに伴い、磁石も変位するように配置する。磁石と素子との関係は平面視において、ほぼ均等距離になるように配置することが一般的である。
【００１３】
柔軟層を形成する素材は、エラストマであるゴム材料であり、天然ゴム、合成ゴム、熱可塑性エラストマなどのエラストマであるゴム材料を採用することができる。
例えば、１．合成ゴムとして、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)、イソプレンゴム(IR)、ブチルゴム(IIR)、エチレン・プロピレンゴム(EPM，EPDM)、アクリロニトリル・ブタジエンゴム(NBR)、水素化ニトリルゴム(HNBR)、クロロプレンゴム(CR)、アクリルゴム(ACM)、シリコーンゴム(Q)、フッ素ゴム(FKM)、ウレタンゴム(U)、エピクロロヒドリンゴム(ECO)、クロロスルホン化ポリエチレン(CSM)、塩素化ポリエチレン(CM)、多硫化ゴム(T)、ノルボルネンゴム(NOR)、フォスファゼンゴム、ラテックス、NR ラテックス、合成ゴムラテックス、ラテックスの加硫(架橋) 等があげられ。2．熱可塑性エラストマー(TPE)として、スチレン系 TPE(TPS)、SBS，SIS、水添 TPS、オレフィン系 TPE(TPO)、塩ビ系 TPE(T−PVC)、ウレタン系 TPE(TPU)、ポリエステル系 TPE(TPEE)、ポリアミド系TPE(TPAE)、ポリブタジエン系 TPE(RB)、水素添加 TPE(SEBC，CEBC)、フッ素系 TPE、イソブチレン系 TPE、トランス 1,4−ポリイソプレン等があげられる。
特に、ウレタンゴムやシリコーンゴムが、弾性や柔らかさを調整することが容易であり、適している。手指や肉及び皮膚等の近接した柔軟性を構築することに適している。
【００１４】
触覚センサは、次のような部位に適用することができる。
（１）人体の各部位、例えば、歯、指、手、足、その他の部位。
（２）ロボットハンド用触覚センサ。
工業用ロボットハンドの把持部に適用し、把持力計測や滑り検出による対象の安 定把持。把持力をしきい値処理したオンオフ出力センサ。多指多関節ロボットハ ンド指先。
（３）触感評価計測装置
３軸ステージに取り付け、対象の触感（例えば布であれば手触りなど）を変形・ 力ベクトルや振動で評価。
（４）食感評価計測装置
３軸ステージに取り付け、対象の食感（歯触り，舌触り，歯ごたえなど）を変 形・力ベクトルや振動で評価。引っ張り方向の評価も行うことでガムのような粘 りのある対象も評価。
（５）分布型触覚センサ
基板層をフレキシブル基板で構成し、触覚センサを格子状に分布させることで接 触に関する分布情報を得る．多指多関節ロボットハンド上の分布型触覚センサや ヒューマノイドロボットやペットロボットなどの全身触覚センサ。
（６）３軸アナログ入力装置
３軸の入力を必要とするゲームや３次元テレビ、ズーム機能と方向指定の可能な カメラの入力装置。産業機械、土木・建築機械の遠隔操作用コントローラ。
（７）収穫や収穫時期判定用の農業用センサ
【００１５】
２． ３軸変位・力の算出方法
図５に示す４つのGMR素子の出力電圧から柔軟層表面の３軸変位と力の算出を次の手順を例に行う。ただし，この方法では事前に柔軟層の変位の範囲を格子状に網羅したJ個の基準点pj(j=1..J)のGMR素子の出力、３軸変位と力に関する校正値の取得が必要である。
Ｉ．４つのGMR素子の出力電圧を計測し，それぞれVGMRi(i=1..4)とする．
II．すべてのjに関して
を求める。
ただし，
は基準点pjにおけるGMRiの出力電圧である。
III．Sjの最小値から３番目までを計測点と近傍にある基準点とし、それぞれ候補点
(k=1..3)とする．
IV．候補点
の３軸変位に関する出力電圧の勾配をx, y, z軸で
とし、計測点の候補点
に対する相対的な３軸変位を
とすると次式が成り立つ。
V．式（２）は各GMR素子について成り立つことから4つの式から成る連立方程式とし、ピボット選択とガウスの消去法により
を求める。そして、求めた
と候補点
の３軸変位を加算し原点からの３軸変位Δx,Δy,Δzを算出する。
VI．IVとVを３つの候補点
に対して行い、求められたΔx,Δy,Δzの平均値を柔軟層表面の３軸変位
とする。
【００１６】
３軸力は前述で求めた柔軟層表面の３軸変位
を用いて算出する。この変位とユークリッド距離の最も小さい基準点
を選択し、この基準点に対する柔軟層表面の相対的な３軸変位を
とする。このとき、基準点の３軸力
と、基準点の変位に関する3軸力の勾配を用いて次の３つの式が成り立つ。
式（３）〜（５）の各右辺は先に求めた柔軟層表面の３軸変位と基準点
の校正値から求められることから、計測したGMR素子の出力電圧から３軸力が算出できる。
【００１７】
３． 滑りの検出方法
インダクタの発生する誘導起電力は、磁束密度の変化が速い場合に大きくなる。スティックスリップの滑りの際は、変形した柔軟層が元の形状に戻ろうとした瞬間に柔軟層表面の急激な変位が起こり、特に大きな誘導起電力が発生する。この滑り発生時の誘導起電力の急激な変化を、3σ管理を用いて検出する。すべり開始時の微小かつ急激な変形を検出可能である。
3σ管理は、N個の出力電圧の平均値Ａ、標準偏差σとした場合、現在の出力電圧VnowがA−3σ≦Vnow≦A＋3σであれば検出なし、そうでなければ検出ありとする方法である。提案する触覚センサには4つのインダクタがあることから、滑りの検出条件として4つのインダクタすべての出力が3σ管理で検出ありとなった場合に滑り検出とする。
【実施例１】
【００１８】
１．触覚センサの構造
試作した触覚センサの基板層下面のGMR素子とインダクタの配置図を図５に示す。基板の大きさは100×100mmであり、図５上の数値の単位はmmで，基板の中心を原点とした(x,y,z)の座標で示す。GMR素子とインダクタは各座標の示す位置に配置した。GMR3とGMR4はそれぞれ高さ１mmと２mmの基板を挟み、−z軸方向に関してGMR1とGMR2とは異なる配置とした。また、GMR素子には磁束密度の感度に異方性があるため、図５に示すように、中心に対してGMR素子が同じ方向となるよう配置した。GMR素子はNVE社のAA003-02を使用した。インダクタについては素子の方向の影響は小さいと考え同じ方向に配置し、Panasonic社のELJFB102JFを使用した。
柔軟層は、永久磁石を内包することから平面を柔軟層表面に押しつけた場合、接触力分布が不均一になり接触の安定が悪くなる可能性がある。そこで有限要素法解析を用いて、平面の剛体で10Nの力を加えたときの接触力分布がほぼ均一になるような柔軟層の形状を設計した。ただし、永久磁石は図３で示した予備実験で用いた直径１５mm、厚み１．５mm、表面の磁束密度が１１５mTのネオジム磁石を用いた。柔軟層内の永久磁石の位置は、図４の結果からGMR素子の出力電圧の変化が大きくなる、すなわちセンサの感度が高くなるようなGMR素子と磁石間の距離に基づいて初期条件とした。また、柔軟層の物理パラメータはエクシールコーポレーション社製のウレタンゲル（人肌ゲル）に基づいて決定した。設計した柔軟層の断面図を図６に示す。この柔軟層の上部は緩やかな曲線で凹形状をしている。もしこの凹形状が無ければ平面で力を加えた場合、磁石上部の接触力が他の部位よりも大きくなるが、凹形状によって平面で力を加えても接触力がほぼ一定になる効果が得られる。設計した柔軟層で型を作り、ウレタンゲルを２度に分けて硬化させ柔軟層を製作した。磁石は１度目の硬化の後に配置し、２度目の硬化を行った。
試作した触覚センサを図７に示す。上部の白い部分が柔軟層であり、その下に基板層がある。基板層の厚さは１mmである。力を加えても基板層がたわまないよう、８本のスペーサを周囲に取り付けた。また、各出力電圧はA/D変換器を通じてPCに取り込む。ただし、GMR素子の出力は差動増幅回路で１５倍に、インダクタの出力は２段の反転増幅回路で10000倍にしてA/D変換器へ入力した。
【００１９】
２． 3軸変位・力の算出
試作センサに加えた柔軟層表面の３軸変位・力と、４つのGMR素子の出力から算出した３軸変位・力を比較する実験を行った。実験装置の模式図を図８に示す。固定した触覚センサに対して、柔軟層の直径よりも大きな面積のアルミブロックで変位・力を加える。アルミブロックは６軸力覚センサ（ビー・エル・オートテック社製）と固定されており、６軸力覚センサはアルミブロックを介して触覚センサに加えた３軸力を計測する。また、６軸力覚センサは３軸ステージと固定されており、３軸ステージで触覚センサに３軸変位を加える。ただし、図８に示すように座標の原点を柔軟層表面の中心とし、xy軸の±方向とz軸の−方向とに関して７７の基準点をあらかじめ設定した。
触覚センサに対してアルミブロックを−z方向に２mmだけ押しこみ、さらにxyの＋方向もしくは−方向に２mmの変位を加えたときの加えた変位と算出した変位を図９(a)に示す。同様に−z方向に４mmだけ押しこんだ場合の結果を図９(b)に示す。図９の横軸と縦軸はそれぞれx軸とy軸の座標を示す。各図において、３軸ステージの目盛すなわち柔軟層表面の３軸変位と触覚センサの出力電圧から求めた３軸変位が近い値となっていることがわかる。図9(b)のy＝−２mmの結果の誤差が比較的大きいが、この原因としては３軸ステージを手動で操作したため基準点の設定誤差や加えた変位の誤差が影響したものと考えられる。しかしながら、それら以外の点については誤差の小さい結果が得られており、柔軟層表面の３軸変位が約５%の誤差で算出できていることが分かる。
次に、これら算出した３軸変位から前述〔００１５〕「２．3軸変位・力の算出方法」で述べた方法で求めた３軸力と力覚センサで計測した３軸力を図１０(a)と図１０(b)に示す。
算出した変位で誤差が大きかった図９(b)のy=−２mmの３点から図１０(b)のy=−１．５N近くの３点を算出していることから、これらの３軸力の誤差も比較的大きい。その以外の点においては計測値と算出値がほぼ一致した結果も得られており、多少ばらつきはあるものの約１０%の誤差で３軸力の算出ができた。
与えた変位と算出した変位を二次元グラフで表現した図９(a)(b)を３次元グラフに表現した例を図１１に示し、与えた力と算出した力を二次元グラフで表現した図１０(a)(b)を３次元グラフに表現した例を図１２に示す。
【００２０】
３． 滑り検出
触覚センサに対して、断面が１５mm角のアクリルの棒材を一定の力で垂直に押下し、水平に３回の滑りを発生させたときの4つのインダクタの出力と3σ管理で求めた滑りの検出結果を図１３に示す。図１３の横軸は時間、左の縦軸はインダクタの出力電圧、右の縦軸は滑り検出の有無を示す。各インダクタの出力電圧が大きく変化しているタイミングが、滑りが発生したタイミングと一致し、そのタイミングで滑り検出ができていることがわかる。個々のインダクタの出力電圧を確認すると滑りのタイミング以外でも3σの範囲を超えている場合があるが、滑りの判定はすべてのインダクタの出力電圧が3σの範囲を超えた時のみ行っており、このことから部分的な振動などを滑りと検出しない頑強な滑り検出ができていると考えられる。
【００２１】
４．まとめ
GMR素子とインダクタを用いた磁気式触覚センサのモデル例を説明した。柔軟層と基板層からなる単純な構造や柔軟層表面での３軸変位・力の算出方法、滑りの検出方法について述べ、それぞれの実験結果について検討した。提案した磁気式触覚センサは、構成部材が安価であり、継続した使用によって摩耗するであろう柔軟層も安価に交換できることから、産業用と民生用に係る様々な分野での応用できる。さらに、小型化したものや柔軟層の硬度を極端に変化させたものなどに応用することが可能である。
また、 GMR素子とインダクタを、それぞれを３軸変位・力と滑りと異なる情報を得るために個別に使用しているが、人間の触覚受容器で考えると、GMR素子が低周波数の刺激に応答する受容器、インダクタが高周波数の刺激に応答する受容器に相当すると考えられることから、これらの信号を複合的に処理することで人間が認識しているような高度な触覚情報（例えば、摩擦係数と表面性状と形状）を同時に得られる。
【実施例２】
【００２２】
［ロボットハンド用触覚センサの例］
産業用ロボットハンドの把持部に適用し、把持力計測や滑り検出による対象の安定把持、把持力をしきい値処理したオンオフ出力センサ、多指多関節ロボットハンド指先。
【実施例３】
【００２３】
［分布型触覚センサ］
基板層をフレキシブル基板で構成し、触覚センサを格子状に分布させることで接触に関する分布情報を得る。多指多関節ロボットハンド上の分布型触覚センサやヒューマノイドロボットやペットロボットなどの全身触覚センサ。
【実施例４】
【００２４】
［３軸アナログ入力装置］
３軸の入力を必要とするゲームや３次元テレビ、ズーム機能と方向指定の可能なカメラの入力装置。
方向キーを触覚センサにすることにより、十字形にする必要は無い。また、押し込み強さによって、力の大きさ、横へずらすことによって、方向性と動かす早さを調整することが可能である。
このコントローラ用の入力装置は、ブルドーザやクレーンなどの土木機械、建設機械、産業機械の遠隔操作用にも利用することができる。
【実施例５】
【００２５】
［食感評価計測装置］
３軸ステージに取り付け、対象の食感（歯触り，舌触り，歯ごたえなど）あるいは触感（例えば、布であれば手触りなど）を変形・力ベクトルや振動で評価する。引っ張り方向の評価も行うことでガムのような粘りのある対象も評価可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石を内包した柔軟層と、磁気抵抗素子とインダクタを配置した基板層とを積層した構造有する触覚センサであり、柔軟層の変位に伴い変位する磁石の磁束密度に関し、磁束密度の静的情報を磁気抵抗素子にて感知し、磁束密度の動的変化をインダクタにて感知する触覚センサであって、
磁気抵抗素子は、３個以上が配置されており、
インダクタは、１個以上配置されていることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
磁石は、永久磁石であって、１個であることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【請求項３】
基板層には、柔軟層を積層する面とは反対側の基板面に磁気抵抗素子とインダクタを配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の触覚センサ。
【請求項４】
柔軟層は、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、天然ゴム、合成ゴムのいずれかあるいは、複数を積層したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項５】
柔軟層は、人体の触覚部位の形状に整形したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項６】
柔軟層は、山形であって、中央部に凹みを形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項７】
柔軟層の表面には微小突起を多数設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項８】
柔軟層に硬質部材を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項９】
硬質部材が歯形であることを特徴とする請求項８記載の触覚センサ。
【請求項１０】
基板層の基板は、フレキシブル基板であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項１１】
フレキシブル基板に１つの触覚センサを構成する磁気抵抗素子とインダクタのセットを格子状に配置し、該格子状配置に合わせて柔軟層を配置して分布型触覚センサを形成したことを特徴とする請求項１０記載の触覚センサ。
【請求項１２】
磁束密度の静的情報によって、柔軟層の変位あるいは力ベクトルが計測され、
磁束密度の動的変化によって、すべりあるいは振動の動的情報が計測することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項１３】
コントローラ用入力端子であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の触覚センサ
【請求項１】
磁石を内包した柔軟層と、磁気抵抗素子とインダクタを配置した基板層とを積層した構造有する触覚センサであり、柔軟層の変位に伴い変位する磁石の磁束密度に関し、磁束密度の静的情報を磁気抵抗素子にて感知し、磁束密度の動的変化をインダクタにて感知する触覚センサであって、
磁気抵抗素子は、３個以上が配置されており、
インダクタは、１個以上配置されていることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
磁石は、永久磁石であって、１個であることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【請求項３】
基板層には、柔軟層を積層する面とは反対側の基板面に磁気抵抗素子とインダクタを配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の触覚センサ。
【請求項４】
柔軟層は、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、天然ゴム、合成ゴムのいずれかあるいは、複数を積層したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項５】
柔軟層は、人体の触覚部位の形状に整形したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項６】
柔軟層は、山形であって、中央部に凹みを形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項７】
柔軟層の表面には微小突起を多数設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項８】
柔軟層に硬質部材を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項９】
硬質部材が歯形であることを特徴とする請求項８記載の触覚センサ。
【請求項１０】
基板層の基板は、フレキシブル基板であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項１１】
フレキシブル基板に１つの触覚センサを構成する磁気抵抗素子とインダクタのセットを格子状に配置し、該格子状配置に合わせて柔軟層を配置して分布型触覚センサを形成したことを特徴とする請求項１０記載の触覚センサ。
【請求項１２】
磁束密度の静的情報によって、柔軟層の変位あるいは力ベクトルが計測され、
磁束密度の動的変化によって、すべりあるいは振動の動的情報が計測することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項１３】
コントローラ用入力端子であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の触覚センサ
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１１−１５３８２６（Ｐ２０１１−１５３８２６Ａ）
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６５０５３（Ｐ２００９−２６５０５３）
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（５９１０５６５４７）ビー・エル・オートテック株式会社 (20)
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（５９１０５６５４７）ビー・エル・オートテック株式会社 (20)
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
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