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JP2006017671A - Shear force detection method and slip detection method - Google Patents

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JP2006017671A
JP2006017671A JP2004198255A JP2004198255A JP2006017671A JP 2006017671 A JP2006017671 A JP 2006017671A JP 2004198255 A JP2004198255 A JP 2004198255A JP 2004198255 A JP2004198255 A JP 2004198255A JP 2006017671 A JP2006017671 A JP 2006017671A
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Japan
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pressure
shear force
sensitive elements
detection method
distributed
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JP2004198255A
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Toru Kuga
融 空閑
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

【課題】せん断力検出構造を持たない簡単な構造の分布型センサを用いてせん断力を検出できるようにする。
【解決手段】複数の感圧素子1が分布された分布型感圧センサSを物体に接触させ、その接触物体Tとの間に圧力のみが働く状態で複数の感圧素子1の全ての出力状態を記録しておき、外界の幾何学的拘束などにより実際の接触位置が動いていないことを確認しつつ、複数の感圧素子1の全ての出力を周期的に観測し、その周期的に観測している感圧素子1の出力と先に記録している出力状態とを比較して出力領域の変化を調べ、その出力領域が移動または一方向に広がっている場合にせん断力τが発生していると判定すると同時に、そのせん断力τの方向を判定する。
【選択図】図3
A shearing force can be detected using a distributed sensor having a simple structure without a shearing force detection structure.
A distributed pressure-sensitive sensor S in which a plurality of pressure-sensitive elements 1 are distributed is brought into contact with an object, and all the outputs of the plurality of pressure-sensitive elements 1 are applied in a state where only pressure acts between the objects. The state is recorded and all the outputs of the plurality of pressure sensitive elements 1 are periodically observed while confirming that the actual contact position is not moved due to the geometric constraints of the outside world. By comparing the output of the pressure-sensitive element 1 being observed with the previously recorded output state, the change in the output region is examined, and when the output region moves or expands in one direction, a shearing force τ is generated. At the same time, it is determined that the direction of the shearing force τ is determined.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、分布型感圧センサを用いてせん断力を検出するせん断力検出方法及びそのせん断力の検出情報に基づいてすべりを検出するすべり検出方法に関する。   The present invention relates to a shear force detection method for detecting a shear force using a distributed pressure sensor and a slip detection method for detecting a slip based on detection information of the shear force.

分布型感圧センサの1つとして、圧力分布と摩擦力分布とを一度に測るセンサが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   As one of distributed pressure sensors, a sensor that measures a pressure distribution and a frictional force distribution at a time has been proposed (for example, see Patent Document 1).

この特許文献1に記載の分布型感圧センサは、相互に嵌合する形状の多数の凹凸を対向面に有する一対の圧板と、それらの圧板の対向面間に挟まれたシート状の感圧導電性素材とを備えており、上記圧板の対向面の凹凸の頂面、底面及びそれらの中間平面にそれぞれ対向する電極を配設して検出部を構成し、その各検出部における電極間の導電性を検出する検出手段を設けている。そして、検出した導電性に基づいて圧板の外側面であるセンサ面に垂直方向に作用する圧力分布及びセンサ面と平行に作用する摩擦力(せん断力)分布を測定する構造となっている。
特開2003−98022号公報
The distributed pressure-sensitive sensor described in Patent Document 1 includes a pair of pressure plates having a large number of concavities and convexities that are fitted to each other on opposite surfaces, and a sheet-like pressure sensor sandwiched between the opposite surfaces of the pressure plates. A detecting portion is formed by disposing electrodes facing the top and bottom surfaces of the concavity and convexity of the opposing surface of the pressure plate, and an intermediate plane therebetween, and between the electrodes in each detecting portion Detection means for detecting conductivity is provided. Based on the detected conductivity, the pressure distribution acting in the direction perpendicular to the sensor surface, which is the outer surface of the pressure plate, and the frictional force (shearing force) distribution acting in parallel with the sensor surface are measured.
JP 2003-98022 A

ところで、上記した特許文献1に記載の分布型感圧センサによれば、センサを曲げて小径の略円筒面に当てはめた場合、上下の傾斜面同士の平行性が半径の差によってずれたり、曲げによる内部応力が傾斜面のセンサ出力に現れたりして、そのままでは使えない可能性がある。また、特許文献1に記載の分布型感圧センサを含む従来の触覚センサにおいて、せん断力やすべりを検出する場合、同一センサ内にせん断力検出用の素子を追加するという方法が採られており、センサ構造が複雑になっている。さらに、検出素子数が多くなるため、信号処理負荷の増大、センサやセンサを搭載するロボットフィンガやハンドの大型化が問題となってきている。   By the way, according to the distributed pressure sensor described in Patent Document 1 described above, when the sensor is bent and applied to a substantially cylindrical surface having a small diameter, the parallelism between the upper and lower inclined surfaces is shifted due to a difference in radius, or bent. The internal stress due to may appear in the sensor output of the inclined surface and may not be used as it is. Further, in the conventional tactile sensor including the distributed pressure sensor described in Patent Document 1, when detecting a shearing force or slip, a method of adding an element for detecting a shearing force in the same sensor is employed. The sensor structure is complicated. Furthermore, since the number of detection elements increases, the increase in signal processing load and the increase in the size of sensors and robot fingers or hands mounting the sensors have become problems.

本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、せん断力検出構造を持たない簡単な構造の分布型感圧センサを用いてせん断力を容易に検出することが可能なせん断力検出方法を提供すること、及び、そのようなせん断力検出方法の検出情報に基づいてすべりを検出するすべり検出方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a shear force detection method capable of easily detecting a shear force using a distributed pressure sensor having a simple structure without a shear force detection structure. It is an object of the present invention to provide a slip detection method that detects a slip based on detection information of such a shear force detection method.

本発明のせん断力検出方法は、円筒面などの凸曲面上に複数の感圧素子が分布され、それら感圧素子の全体が表面層で覆われてなる分布型感圧センサを用いてせん断力を検出する方法であって、前記分布型感圧センサを物体に接触させ、その接触物体との間に圧力のみが働く状態で前記複数の感圧素子の全ての出力状態を記録しておき、前記接触物体との接触位置が変化しない条件のもとで前記複数の感圧素子の全ての出力を周期的に観測し、その周期的に観測している感圧素子の出力と先に記録している出力状態とを比較して出力領域の変化を調べ、その出力領域が移動または一方向に広がっている場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向(向き)を判定することを特徴としている。   The shear force detection method of the present invention uses a distributed pressure sensor in which a plurality of pressure sensitive elements are distributed on a convex curved surface such as a cylindrical surface, and the pressure sensitive elements are entirely covered with a surface layer. The distributed pressure sensor is brought into contact with an object, and all output states of the plurality of pressure sensitive elements are recorded in a state where only pressure acts between the contact object and the contact object, Under the condition that the position of contact with the contact object does not change, all the outputs of the plurality of pressure sensitive elements are periodically observed, and the output of the pressure sensitive element being periodically observed is recorded first. The change of the output area is compared with the current output state, and when the output area moves or spreads in one direction, it is determined that shear force is generated, and at the same time, the direction (direction) of the shear force It is characterized by determining.

本発明の検出方法をより具体的に説明する。   The detection method of the present invention will be described more specifically.

まず、円筒面などの凸曲面上に複数の感圧素子が分布され、それら感圧素子の全体が表面層で覆われてなる分布型感圧センサを用い、その分布型感圧センサを物体に押し付けたとき、接触位置の感圧素子に出力が現れる。さらに、物体から剪断力を受けると、表面層が剪断力方向に微動し、物体と非接触な位置にある非接触領域の感圧素子にも圧力が加わって出力が現れる。従って、接触時点で全感圧素子の出力を記憶装置に記録しておき、その後、外界の幾何学的拘束などにより実際の接触位置が動いていないことを確認しつつ、周期的に全感圧素子の出力を観測して先に記録した記録値と比較し、出力領域が変化した場合に剪断力が発生したと判定し、同時に剪断力の方向(向き)を判定する。さらに、剪断力の方向が一定で強度(非接触領域の感圧素子の出力)が時間とともに振動変化をしている場合、すべりが起きていると判定する。   First, a distributed pressure sensor is used in which a plurality of pressure sensitive elements are distributed on a convex curved surface such as a cylindrical surface, and the pressure sensitive elements are entirely covered with a surface layer. When pressed, an output appears on the pressure sensitive element at the contact position. Further, when receiving a shearing force from the object, the surface layer finely moves in the direction of the shearing force, and pressure is also applied to the pressure-sensitive element in the non-contact region located in a non-contact position with the object, and an output appears. Therefore, the output of all pressure-sensitive elements is recorded in the storage device at the time of contact, and then all pressure-sensitive elements are periodically checked while confirming that the actual contact position does not move due to external geometric constraints. The output of the element is observed and compared with the recorded value recorded earlier. When the output region changes, it is determined that shear force has occurred, and at the same time, the direction (direction) of the shear force is determined. Furthermore, when the direction of the shearing force is constant and the strength (output of the pressure-sensitive element in the non-contact region) is oscillating with time, it is determined that slip has occurred.

本発明のせん断力検出方法において、接触物体との間に圧力のみが働く状態での複数の感圧素子を多段階のデジタル値に変換して記録しておき、周期的に観測している複数の感圧素子の出力を多段階のデジタル値に変換して重心を求め、その重心位置と前記記録のデジタル値の重心位置とを比較して、重心の位置ずれがある場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向(向き)を判定するようにしてもよい。   In the shear force detection method of the present invention, a plurality of pressure-sensitive elements in a state where only pressure acts between the contact objects are converted into multi-stage digital values, recorded, and periodically observed. The output of the pressure sensitive element is converted into a multi-stage digital value to obtain the center of gravity, and the center of gravity is compared with the position of the center of gravity of the digital value of the recording. At the same time as determining that the shearing force is being applied, the direction (orientation) of the shearing force may be determined.

また、接触物体との間に圧力のみが働く状態での複数の感圧素子を2段階のデジタル値に変換して記録しておき、周期的に観測している複数の感圧素子の出力を2段階のデジタル値に変換して図心を求め、その図心位置と前記記録のデジタル値の図心位置とを比較して、図心の位置ずれがある場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向(向き)を判定するようにしてもよい。   In addition, a plurality of pressure-sensitive elements in a state where only pressure is applied to the contact object are converted into two-stage digital values and recorded, and outputs of the plurality of pressure-sensitive elements observed periodically are recorded. A centroid is obtained by converting into a two-stage digital value, the centroid position is compared with the centroid position of the digital value of the recording, and shear force is generated when there is a misalignment of the centroid. At the same time, the direction (orientation) of the shear force may be determined.

本発明のすべり検出方法は、上記した特徴を有するせん断力検出方法によって判定されたせん断力の方向が一定でそのせん断力の強度が時間とともに振動変化している場合にすべりが発生していると判定することを特徴としている。   In the slip detection method of the present invention, the slip occurs when the direction of the shear force determined by the shear force detection method having the above characteristics is constant and the strength of the shear force changes with time. It is characterized by judging.

本発明によれば、分布型感圧センサを物体に接触させ、その接触物体との間に圧力のみが働く状態で複数の感圧素子の全ての出力状態を記録しておき、接触物体との接触位置が変化しない条件のもとで複数の感圧素子の全ての出力を周期的に観測し、その周期的に観測している感圧素子の出力と先に記録している出力状態とを比較して出力領域の変化を調べ、その出力領域が移動または一方向に広がっている場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向を判定するようにしているので、せん断力検出構造を持たない分布型感圧センサを用いてせん断力を検出することができる。また、せん断力の検出情報に基づいてすべりの発生も検出することできる。   According to the present invention, a distributed pressure-sensitive sensor is brought into contact with an object, and all output states of a plurality of pressure-sensitive elements are recorded in a state where only pressure acts between the object and the contact object. Under the condition that the contact position does not change, all the outputs of the plurality of pressure sensitive elements are periodically observed, and the output of the pressure sensitive elements that are periodically observed and the output state that has been previously recorded are determined. In comparison, the change in the output area is examined, and when the output area moves or spreads in one direction, it is determined that shear force is generated, and at the same time, the direction of the shear force is determined. The shear force can be detected using a distributed pressure sensor that does not have a shear force detection structure. Further, the occurrence of slip can be detected based on the detection information of the shear force.

このように、法線方向の力のみを検出する感圧素子配置を用いた分布型感圧センサでせん断力及びすべりを検出することができるので、小径の略円筒面上に複数の感圧素子を分布した分布型センサであっても、せん断力及びすべりの検出が可能となり、ロボットの指先などの小型略円筒部分での検出に有効に利用することができる。また、全ての感圧素子を圧力検出専用の素子として使用するので、せん断力検出構造を有するものに比べて、圧力検出の位置分解能を高めることができる。   As described above, since a shearing force and slip can be detected by a distributed pressure sensor using a pressure-sensitive element arrangement that detects only a force in the normal direction, a plurality of pressure-sensitive elements are formed on a substantially cylindrical surface having a small diameter. Even a distributed sensor that distributes can detect shearing force and slip, and can be effectively used for detection in a small, substantially cylindrical portion such as a fingertip of a robot. In addition, since all the pressure sensitive elements are used as elements exclusively for pressure detection, the position resolution of pressure detection can be increased as compared with those having a shear force detection structure.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

−分布型感圧センサ−
図1は本発明のせん断力検出方法に用いる分布型感圧センサの構造を模式的に示す図である。
-Distributed pressure sensor-
FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a distributed pressure sensor used in the shearing force detection method of the present invention.

図1に示す分布型感圧センサSは、円筒面分布型感圧センサであって、複数の感圧素子1・・1と、外周面が円筒面であるコア2とを有し、そのコア2の外周面に感圧素子1・・1が配列されている。感圧素子1・・1の全体は表面層3にて覆われており、その表面層3はコア2に結合部4を介して結合されている。なお、この例の分布型感圧センサSには、図1の紙面と直交する方向(奥行き方向)にも複数の感圧素子1が配列されている。   The distributed pressure sensor S shown in FIG. 1 is a cylindrical surface distributed pressure sensor, and includes a plurality of pressure sensitive elements 1... 1 and a core 2 whose outer peripheral surface is a cylindrical surface. The pressure sensitive elements 1... 1 are arranged on the outer peripheral surface of 2. The entire pressure-sensitive elements 1... 1 are covered with a surface layer 3, and the surface layer 3 is coupled to the core 2 via a coupling portion 4. In the distributed pressure sensor S of this example, a plurality of pressure sensitive elements 1 are also arranged in a direction (depth direction) orthogonal to the paper surface of FIG.

感圧素子1は、コア2の法線方向に作用する力を検出して出力する。感圧素子1の具体的な例としては、例えば、導電性ゴムや導電性インクなどの感圧導電性材料に、マトリクス配置の電極または個別ペアの正負電極を組み合わせた構造のもの、あるいは、圧電素子が利用可能である。   The pressure sensitive element 1 detects and outputs a force acting in the normal direction of the core 2. Specific examples of the pressure-sensitive element 1 include, for example, a structure in which a pressure-sensitive conductive material such as conductive rubber or conductive ink is combined with a matrix-arranged electrode or individual pairs of positive and negative electrodes, or a piezoelectric element. The device is available.

コア2は、円柱形状の部材であって、その外周面が円筒面となっている。なお、コア2の外周面は円筒面に限られることなく、円筒面(真円)に近い曲率の略円筒面であってもよいし、他の曲率の凸曲面であってもよい。   The core 2 is a columnar member, and the outer peripheral surface thereof is a cylindrical surface. The outer peripheral surface of the core 2 is not limited to a cylindrical surface, and may be a substantially cylindrical surface having a curvature close to a cylindrical surface (perfect circle) or a convex curved surface having another curvature.

表面層3は複数の感圧素子1・・1の全体を覆うように配置されている。表面層3を構成する材料は、感圧素子1の検出領域を分散・均一化すること、及び、対象物体Tとの摩擦を大きくする等の観点から、柔軟性のある材料が適している。なお、せん断力検出の観点からは硬い材質でも構わない。   The surface layer 3 is disposed so as to cover the whole of the plurality of pressure sensitive elements 1. The material constituting the surface layer 3 is suitably a flexible material from the viewpoints of dispersing and uniformizing the detection region of the pressure-sensitive element 1 and increasing the friction with the target object T. Note that a hard material may be used from the viewpoint of shear force detection.

結合部4は、表面層3がコア2から離れること、及び、コア2に対して際限なくすべり移動することを防ぐために設けられている。なお、感圧素子1と表面層3とは結合されておらず、表面層3が感圧素子1に対してすべり移動が可能である。また、表面層3は、感圧素子1が配置されていない領域で結合部4を介してコア2に結合されている。   The coupling portion 4 is provided to prevent the surface layer 3 from moving away from the core 2 and sliding indefinitely with respect to the core 2. Note that the pressure-sensitive element 1 and the surface layer 3 are not coupled, and the surface layer 3 can slide relative to the pressure-sensitive element 1. Further, the surface layer 3 is coupled to the core 2 via the coupling portion 4 in a region where the pressure sensitive element 1 is not disposed.

以上の分布型感圧センサSの各感圧素子1の出力は、図2に示すように、検出処理装置10に入力される。検出処理装置10は、CPU等の計算装置11と半導体メモリ等の記憶装置12とを備えている。   The outputs of the pressure sensitive elements 1 of the distributed pressure sensor S are input to the detection processing device 10 as shown in FIG. The detection processing device 10 includes a calculation device 11 such as a CPU and a storage device 12 such as a semiconductor memory.

<実施例1>
次に、以上の分布型感圧センサSを用いてせん断力及びすべりを検出する方法の実施例を説明する。
<Example 1>
Next, an embodiment of a method for detecting shearing force and slip using the above distributed pressure sensor S will be described.

まず、図3(a)に示すように、分布型感圧センサSに対象物体Tから圧力Pだけが加えられた状態(基準状態)で、分布型感圧センサSの全ての感圧素子1・・1の出力を計算装置11にて多段階のデジタル値に変換して記憶装置12に基準出力状態として記録する。   First, as shown in FIG. 3A, all the pressure sensitive elements 1 of the distributed pressure sensor S in a state where only the pressure P is applied from the target object T to the distributed pressure sensor S (reference state). .. 1 is converted into a multi-stage digital value by the calculation device 11 and recorded in the storage device 12 as a reference output state.

このような基準出力状態の記録が完了した後、検出処理装置10の計算装置11によって分布型感圧センサSの全ての感圧素子1・・1の出力を周期的に観測する。このとき、実際の接触位置が動いていないことを、周囲の幾何学的拘束条件などで確認しておく。例えば、この例の分布型感圧センサSをロボットの指に使用する場合、対象物体Tを複数の指で保持し物体位置を拘束して、接触位置が固定された条件とする。   After the recording of the reference output state is completed, the outputs of all the pressure sensitive elements 1... 1 of the distributed pressure sensor S are periodically observed by the calculation device 11 of the detection processing device 10. At this time, it is confirmed by surrounding geometric constraint conditions that the actual contact position is not moving. For example, when the distributed pressure sensor S of this example is used for a robot finger, the target object T is held by a plurality of fingers, the object position is constrained, and the contact position is fixed.

次に、周期的に観測している感圧素子1・・1の出力を多段階のデジタル値に順次変換し、そのデジタル変換後の圧力データの重心を求めるとともに、その重心位置と記憶装置12に記録しているデジタル値(圧力データ)の重心位置とを順次比較して、重心の位置ずれがある場合にせん断力が発生していると判定する。   Next, the outputs of the pressure-sensitive elements 1,... 1 that are periodically observed are sequentially converted into multi-stage digital values, the center of gravity of the pressure data after the digital conversion is obtained, and the position of the center of gravity and the storage device 12 Are sequentially compared with the position of the center of gravity of the digital value (pressure data) recorded in the table, and it is determined that a shear force is generated when there is a position shift of the center of gravity.

具体的には、例えば図3(b)に示すように、図中下方向へのせん断力τが加わると、分布型感圧センサSの表面層3が下向きに引っ張られ、分布型感圧センサSの上側の非接触領域Bの感圧素子1にも力が加わって出力が現れるので、観測しているセンサ出力の出力領域が基準出力状態に対して上側に広がって重心位置が上方向にずれる。このような重心位置のずれが生じた場合、せん断力τが発生していると判定する。さらに、重心位置のずれが上向きであるので、せん断力τが下向きにかかったものと判定する。また、このような検出処理にて判定されたせん断力τの方向が一定であり、そのせん断力τの強度つまり非接触領域Bの感圧素子1の出力が時間とともに振動変化している場合にすべりが発生していると判定する。   Specifically, for example, as shown in FIG. 3B, when a downward shearing force τ is applied, the surface layer 3 of the distributed pressure sensor S is pulled downward, and the distributed pressure sensor Since a force is also applied to the pressure sensitive element 1 in the non-contact area B on the upper side of S and an output appears, the output area of the observed sensor output spreads upward with respect to the reference output state, and the center of gravity position is in the upward direction. Shift. When such a shift of the center of gravity occurs, it is determined that the shearing force τ is generated. Furthermore, since the shift of the center of gravity position is upward, it is determined that the shearing force τ is applied downward. Further, when the direction of the shearing force τ determined by such a detection process is constant, and the strength of the shearing force τ, that is, the output of the pressure-sensitive element 1 in the non-contact region B changes with time. It is determined that a slip has occurred.

以上のように、この実施例によれば、感圧素子1のみを用いた分布型感圧センサ(円筒面分布型感圧センサ)Sを使用してせん断力及びすべりを検出することができるので、ロボットの指先などの小型略円筒部分での検出に有効に利用することができる。   As described above, according to this embodiment, it is possible to detect shear force and slip using a distributed pressure sensor (cylindrical surface distributed pressure sensor) S using only the pressure sensitive element 1. It can be effectively used for detection at a small, substantially cylindrical portion such as a fingertip of a robot.

ここで、以上の例では、分布型感圧センサSの全ての感圧素子1・・1の出力を多段階のデジタル値に変換して重心を求めているが、感圧素子1・・1の出力を2段階のデジタル値に変換して図心を求め、その図心の位置ずれに基づいてせん断力及びすべりを検出するようにしてもよい。この場合のせん断力・すべりの検出処理も重心の場合と同様な手法で行うことができる。   In the above example, the center of gravity is obtained by converting the outputs of all the pressure sensitive elements 1... 1 of the distributed pressure sensor S into multistage digital values, but the pressure sensitive elements 1. May be converted into a two-stage digital value to obtain a centroid, and the shear force and slip may be detected based on the misalignment of the centroid. In this case, the shearing force / slip detection process can be performed in the same manner as in the case of the center of gravity.

また、2段階のデジタル変換を行って判定を行う場合(2値観測)、基本検出状態(図3(a))で出力領域Aに存在する感圧素子1の上端及び下端の位置(素子端部位置)を記録しておき、出力を発生する感圧素子1が、記録している素子端部位置から移動した場合にせん断力が発生していると判定し、さらにその移動の向きが上側である(図3(b))、せん断力が下向きにかかったものと判定するようにしてもよい。   Further, when the determination is performed by performing two-stage digital conversion (binary observation), the positions of the upper and lower ends (element end) of the pressure-sensitive element 1 existing in the output region A in the basic detection state (FIG. 3A). Part) is recorded, and it is determined that the shearing force is generated when the pressure-sensitive element 1 generating the output moves from the end position of the recorded element, and the direction of the movement is further upward. (FIG. 3B), it may be determined that the shearing force is applied downward.

ここで、この例に用いる分布型感圧センサSにおいては、表面層3の材質により、せん断力の伝わり方が異なる。その具体的な例を以下に説明する。   Here, in the distributed pressure sensor S used in this example, how the shearing force is transmitted differs depending on the material of the surface layer 3. A specific example will be described below.

まず、表面層3の材質として、比較的曲げやすいが伸びにくい材質を用いた場合、図4に示すように、対象物体Tとの接触位置でのせん断力τにより、表面層3が下方向へ引っ張られ、コア2に対してすべり移動することにより上側の隙間が狭まり、非接触領域Bの感圧素子1に圧力が加わる構造となる(実施例2−1)。   First, when a material that is relatively easy to bend but hardly stretches is used as the material of the surface layer 3, the surface layer 3 is moved downward by a shearing force τ at the contact position with the target object T as shown in FIG. By pulling and sliding with respect to the core 2, the upper gap is narrowed, and a pressure is applied to the pressure-sensitive element 1 in the non-contact region B (Example 2-1).

また、表面層3の材質を硬い材質とした場合、表面層3は剛体と見なせるので、図3(b)に示すように、対象物体Tとの接触位置での圧力とせん断力の合力によって表面層3の全体が微小移動して、非接触領域Bの感圧素子1に圧力が加わる構造となる(実施例2−2)。   Further, when the material of the surface layer 3 is a hard material, the surface layer 3 can be regarded as a rigid body. Therefore, as shown in FIG. 3 (b), the surface is formed by the combined force of the pressure and the shearing force at the contact position with the target object T. The entire layer 3 is moved slightly so that pressure is applied to the pressure-sensitive element 1 in the non-contact region B (Example 2-2).

さらに、図1の分布型感圧センサSにおいて、感圧素子1の外面と表面層3との間に柔軟材料を挟んで感圧素子1と表面層3とを結合した構造とした場合、感圧素子1と表面層3はすべり移動が不可能となるので、表面層3には硬い材質を用いた上記実施例2−2と同様の原理で、非接触領域Bの感圧素子1に圧力が加わる構造となる(実施例2−3)。   Further, in the distributed pressure sensor S of FIG. 1, when the pressure sensitive element 1 and the surface layer 3 are combined with a flexible material sandwiched between the outer surface of the pressure sensitive element 1 and the surface layer 3, Since the pressure element 1 and the surface layer 3 cannot slide, the pressure is applied to the pressure sensitive element 1 in the non-contact region B according to the same principle as in Example 2-2 in which a hard material is used for the surface layer 3. (Example 2-3).

<実施例3>
図5は本発明の他の実施例の説明図である。
<Example 3>
FIG. 5 is an explanatory diagram of another embodiment of the present invention.

この例では、2つの分布型感圧センサS,Sを用いてせん断力を検出する点に特徴がある。具体的には、2つの分布型感圧センサS,Sによって柱状の物体T1を両側から挟んでせん断力を検出する。このとき、2つの分布型感圧センサS,Sによる幾何学的拘束から、接触位置が変化しないことが分かっているので、2つの分布型感圧センサS,Sで物体T1を挟んだ時点で接触位置の感圧素子1の出力を記録しておき、その後、感圧素子1の出力が変化したときには、2つの分布型感圧センサS,Sに加わったせん断力の方向を総合することで、並進力F1(図5(a))、あるいは、ねじり力F2(図5(b))が加わったことを判定することができる。この例において、各分布型感圧センサS,Sによるせん断力の検出は前記した<実施例1>と同じ処理にて判定する。   This example is characterized in that shear force is detected using two distributed pressure sensors S, S. Specifically, the shear force is detected by sandwiching the columnar object T1 from both sides by the two distributed pressure sensors S, S. At this time, it is known from the geometrical constraint by the two distributed pressure sensors S, S that the contact position does not change, and therefore, when the object T1 is sandwiched between the two distributed pressure sensors S, S. The output of the pressure sensitive element 1 at the contact position is recorded, and when the output of the pressure sensitive element 1 changes thereafter, the direction of the shear force applied to the two distributed pressure sensors S and S is integrated. It can be determined that the translational force F1 (FIG. 5A) or the torsional force F2 (FIG. 5B) is applied. In this example, the detection of the shearing force by each distributed pressure sensor S, S is determined by the same processing as in the above-described <Example 1>.

なお、複数の分布型感圧センサS,Sを用いて物体を挟んだ場合、各センサ同士の内力によるせん断力が発生する可能性があるが、その発生したせん断力は本発明の方法では検出することができないので、このような場合は、物体を挟んだ際に外力が無い状態での感圧素子1の出力を記録して基準とすることで、物体への外力によるせん断力を検出することが可能になる。   Note that, when an object is sandwiched using a plurality of distributed pressure sensors S, S, there is a possibility that a shearing force is generated due to an internal force between the sensors. The generated shearing force is detected by the method of the present invention. In such a case, the shearing force due to the external force applied to the object is detected by recording the output of the pressure-sensitive element 1 in the absence of external force when the object is sandwiched. It becomes possible.

ここで、本発明の検出方法によれば、せん断力検出構造を持たない簡単な構造の分布型感圧センサを用いてせん断力及びすべりを検出することができるので、複数の指機構部で物体の把持を行うロボットハンドの指先などの小型略円筒部分での検出に有効に利用することができる。本発明の検出方法を適用するロボットハンドについて以下に説明する。   Here, according to the detection method of the present invention, it is possible to detect shear force and slip using a distributed pressure sensor having a simple structure that does not have a shear force detection structure. It can be effectively used for detection at a small, substantially cylindrical portion such as a fingertip of a robot hand that grips. A robot hand to which the detection method of the present invention is applied will be described below.

まず、人の手と同様の構造を有するロボットハンドは、手のひらに相当するベースに複数の指機構部が装着され、その各指機構部は複数の関節部を介して複数のフレーム部を順次連結させて構成されている。そして、各関節部を作動させるアクチュエータが、適宜の箇所に設けられている。このようなロボットハンドは、複数の指機構部で物体の把持を行うだけでなく、上記した実施例の分布型感圧センサ(円筒面分布型センサ)Sを搭載し、上記検出処理によりせん断力やすべりを判定することで、硬度・材質・形状・表面状態等の異なる多種多様な物体の把持を実現することができる。   First, a robot hand having a structure similar to that of a human hand has a plurality of finger mechanism portions mounted on a base corresponding to the palm, and each finger mechanism portion sequentially connects a plurality of frame portions via a plurality of joint portions. Is configured. And the actuator which act | operates each joint part is provided in the appropriate location. Such a robot hand not only grips an object with a plurality of finger mechanisms, but also includes the distributed pressure sensor (cylindrical surface distribution type sensor) S of the above-described embodiment, and a shear force by the above detection process. By determining the slippage, it is possible to realize gripping of a wide variety of objects having different hardness, material, shape, surface condition, and the like.

図6〜図9は、ロボットハンドの一例を示しており、図6はロボットハンドを手の甲側から見た平面図(上面図)、図7は親指側から見た側面図、図8は小指側から見た側面図、図9は手のひら側から見た平面図(下面図)である。   6 to 9 show an example of the robot hand. FIG. 6 is a plan view (top view) of the robot hand seen from the back side of the hand, FIG. 7 is a side view seen from the thumb side, and FIG. 8 is the little finger side. FIG. 9 is a plan view (bottom view) viewed from the palm side.

ロボットハンドは、手のひらに相当するベース101と、ベース101に装着されている複数本(この例では人間の指と同じ5本)の指機構部102,103,104,105,106と、各指機構部102,103,104,105,106を駆動する駆動部とを備えている。駆動部は、アクチュエータとしての複数のモータと、各モータの駆動力を指機構部102,103,104,105,106に伝達する動力伝達部としてワイヤー(図示せず)とを備えている。   The robot hand includes a base 101 corresponding to a palm, a plurality of finger mechanisms 102, 103, 104, 105, 106 (same as human fingers in this example) mounted on the base 101, and each finger. And a drive unit that drives the mechanism units 102, 103, 104, 105, and 106. The drive unit includes a plurality of motors as actuators, and a wire (not shown) as a power transmission unit that transmits the driving force of each motor to the finger mechanism units 102, 103, 104, 105, and 106.

駆動部であるモータは、ベース101部分において3平面に納められている。第1の平面上に親指用指機構部102を駆動する親指用モータ112,113,114が配置されており、第2の平面上に人差指用指機構部103を駆動する人差指用モータ116,117,118と、薬指用指機構部104及び小指用指機構部105を駆動する薬指・小指用モータ121とが配置されている。また、第3平面上に、親指用指機構部102を手のひらと平行に駆動するモータ111と、人差指用指機構部103を手のひらと平行に駆動するモータ115とが配置されているとともに、中指用指機構部104を駆動する中指用モータ119,120が配置されている。   The motor which is a drive part is stored in 3 planes in the base 101 part. Thumb motors 112, 113, 114 for driving the thumb finger mechanism 102 are arranged on the first plane, and index finger motors 116, 117 for driving the index finger mechanism 103 on the second plane. , 118 and a ring finger / little finger motor 121 that drives the ring finger mechanism 104 and the pinky finger mechanism 105. In addition, a motor 111 for driving the thumb finger mechanism 102 in parallel with the palm and a motor 115 for driving the index finger mechanism 103 in parallel with the palm are arranged on the third plane. Middle finger motors 119 and 120 for driving the finger mechanism 104 are disposed.

各指機構部102,103,104,105,106は、3つの関節部123,124,125と、この関節部123,124,125によって連結された2つのフレーム部126,127及び1つの指先部128とからなり、各関節部123,124,125はそれぞれ上記の対応するモータで駆動される。   Each finger mechanism 102, 103, 104, 105, 106 includes three joints 123, 124, 125, two frame parts 126, 127 connected by the joints 123, 124, 125, and one fingertip part. 128, each joint 123, 124, 125 is driven by the corresponding motor.

このような構造のロボットハンドにおいて、上記した実施例の分布型感圧センサ(円筒面分布型センサ)Sを指先部128などに装着し、上記検出処理によりせん断力やすべりを検出することで、硬度・材質・形状・表面状態などが異なる多種多様な物体のスムーズな把持が可能となる。   In the robot hand having such a structure, the distributed pressure sensor (cylindrical surface distribution type sensor) S of the above-described embodiment is attached to the fingertip portion 128 and the like, and by detecting the shearing force and slip by the detection process, Smooth gripping of a wide variety of objects with different hardness, material, shape, surface condition, etc. is possible.

本発明は、せん断力検出構造を持たない分布型感圧センサを用いてせん断力及びすべりを検出することができるので、例えば、複数の指機構部で物体の把持を行うロボットハンドの指などの小型略円筒部分での検出に有効に利用することができる。   Since the present invention can detect shear force and slip using a distributed pressure sensor without a shear force detection structure, for example, a finger of a robot hand that grips an object with a plurality of finger mechanisms. It can be effectively used for detection in a small, substantially cylindrical portion.

本発明に用いる分布型感圧センサの構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the distributed pressure sensor used for this invention. 本発明のせん断力検出方法を実施する装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the apparatus which implements the shearing force detection method of this invention. 図1の分布型感圧センサに圧力を負荷したときの状態(a)と圧力とせん断力を負荷したときの状態(b)を併記して示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a state (a) when pressure is applied to the distributed pressure sensor of FIG. 1 and a state (b) when pressure and shear force are applied. 図1の分布型感圧センサの結合部の説明図である。It is explanatory drawing of the coupling | bond part of the distributed pressure sensor of FIG. 2つの分布型感圧センサを用いて並進力を検出する場合の例(a)とねじり力を検出する場合の例(b)を併記して示す図である。It is a figure which shows together and shows the example (a) in the case of detecting a translational force using two distributed pressure sensors, and the example (b) in the case of detecting a torsional force. ロボットハンドを手の甲側から見た上面図である。It is the top view which looked at the robot hand from the back side of the hand. ロボットハンドを親指側から見た側面図である。It is the side view which looked at the robot hand from the thumb side. ロボットハンドを小指側から見た側面図である。It is the side view which looked at the robot hand from the little finger side. ロボットハンドを手のひら側からみた下面図である。It is the bottom view which looked at the robot hand from the palm side.

符号の説明Explanation of symbols

S 分布型感圧センサ
1 感圧素子
2 コア
3 表面層
4 結合部
10 検出処理装置
11 計算装置
12 記憶装置
T 対象物体
T1 柱状の物体
P 圧力
τ せん断力
F1 並進力
F2 ねじり力
DESCRIPTION OF SYMBOLS S Distributed pressure sensor 1 Pressure sensitive element 2 Core 3 Surface layer 4 Coupling part 10 Detection processing apparatus 11 Calculation apparatus 12 Memory | storage device T Target object T1 Columnar object P Pressure (tau) Shear force F1 Translation force F2 Torsional force

Claims (4)

凸曲面上に複数の感圧素子が分布され、それら感圧素子の全体が表面層で覆われてなる分布型感圧センサを用いてせん断力を検出する方法であって、
前記分布型感圧センサを物体に接触させ、その接触物体との間に圧力のみが働く状態で前記複数の感圧素子の全ての出力状態を記録しておき、前記接触物体との接触位置が変化しない条件のもとで前記複数の感圧素子の全ての出力を周期的に観測し、その周期的に観測している感圧素子の出力と先に記録している出力状態とを比較して出力領域の変化を調べ、その出力領域が移動または一方向に広がっている場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向を判定することを特徴とするせん断力検出方法。
A method of detecting a shear force using a distributed pressure sensor in which a plurality of pressure sensitive elements are distributed on a convex curved surface and the whole of the pressure sensitive elements is covered with a surface layer,
The distributed pressure sensor is brought into contact with an object, and all output states of the plurality of pressure sensitive elements are recorded in a state where only pressure acts between the distributed pressure sensor and the contact position with the contact object is determined. Under the conditions that do not change, all outputs of the plurality of pressure sensitive elements are periodically observed, and the outputs of the pressure sensitive elements that are periodically observed are compared with the previously recorded output state. The shear force detection is characterized by examining the change in the output area and determining that the shear force is generated when the output area moves or spreads in one direction and at the same time determines the direction of the shear force. Method.
請求項1記載のせん断力検出方法において、接触物体との間に圧力のみが働く状態での複数の感圧素子を多段階のデジタル値に変換して記録しておき、周期的に観測している複数の感圧素子の出力を多段階のデジタル値に変換して重心を求め、その重心位置と前記記録のデジタル値の重心位置とを比較して、重心の位置ずれがある場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向を判定することを特徴とするせん断力検出方法。   The shear force detection method according to claim 1, wherein a plurality of pressure sensitive elements in a state where only pressure acts with a contact object are converted into multi-stage digital values, recorded, and periodically observed. The output of multiple pressure-sensitive elements is converted into multi-stage digital values to obtain the center of gravity, and the center of gravity is compared with the center of gravity of the digital value of the recording. A shear force detection method characterized by determining the direction of the shear force at the same time that it is determined that the phenomenon has occurred. 請求項1記載のせん断力検出方法において、接触物体との間に圧力のみが働く状態での複数の感圧素子を2段階のデジタル値に変換して記録しておき、周期的に観測している複数の感圧素子の出力を2段階のデジタル値に変換して図心を求め、その図心位置と前記記録のデジタル値の図心位置とを比較して、図心の位置ずれがある場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向を判定することを特徴とするせん断力検出方法。   The shear force detection method according to claim 1, wherein a plurality of pressure sensitive elements in a state in which only pressure acts with a contact object are converted into two-stage digital values, recorded, and periodically observed. The output of a plurality of pressure-sensitive elements is converted into a two-stage digital value to obtain a centroid, and the centroid position is compared with the centroid position of the digital value of the recording, and there is a misalignment of the centroid A method for detecting a shearing force, characterized in that a shearing force is generated and at the same time the direction of the shearing force is determined. 請求項1〜3のいずれかに記載のせん断力検出方法によって得られたせん断力の情報に基づいてすべりを検出する方法であって、前記せん断力検出方法によって判定されたせん断力の方向が一定でそのせん断力の強度が時間とともに振動変化している場合にすべりが発生していると判定することを特徴とするすべり検出方法。

A method for detecting slip on the basis of information on the shear force obtained by the shear force detection method according to claim 1, wherein the direction of the shear force determined by the shear force detection method is constant. A slip detection method characterized in that it is determined that slip occurs when the strength of the shear force changes with time.

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