深部多軸変形感覚のための埋込型柔軟触覚センサシステムの開発と柔軟肉質外装への実装

○　門脇　明日香林　摩梨花吉海　智晃稲葉　雅幸( 東京大学 )

発表の概要

3次元変形検出センサの特性検証実験実験 -1 　 3 次元柔軟触覚センサ単体の　　　　　 　　　　　　　　　　　変形検出精度確認実験実験 -2　機械的強度計測実験実験 -3 　フォースゲージを用いた力特性確認実験実験 -4 　柔軟触覚センサシートプロトタイプの動作　　　結論と今後の展望

深部多軸変形感覚のための埋込型 3次元変形検出センサの原理

研究の背景と目的・関連研究との比較●

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背景従来の接触インタラクションは，

タッチパネル，ボタン，薄い感圧

シートなどの平面的な接触を想

定するものがほとんど

柔軟な表面を介した人との接触

インタラクション⇒安全さ，愛着感

視触覚フィードバックによる日常生活支援動作

より安全で自然な密着インタラクションの必要性を感じた

研究の背景と目的柔軟な表面を介した人との接触インタラクションは，ロボット等の人工物が人にとって，安全で，愛着感のあるものになるために重要

そこで本研究では，柔軟外装の立体的な変形を感じる分布センサの開発とそれを利用したロボット等の人工物と人との新たな接触インタラクションの実現を目的とした．

従来の接触インタラクションは，タッチパネル，ボタンなどとの平面的な接触を想定するものがほとんど

これは真に柔軟な表面を介した接触インタラクションとはいいがたい．

従来の分布触覚センサ部分的分布触覚センサ指先 立

体的

指腹部 平面的

腕など 平面的

全身型分布触覚センサ平面的

立体的

IROS2008Kojima

IROS2007Ishikawa

RSJ2005AsadaU-Osaka

IROS2006Ohmura,Kuniyoshi

RSJ2008Ishiguro

IROS2008,Inaba

サーボ ONで静置 20分後

赤矢印はセンサ出力電圧に対応

問題点部分的分布触覚センサ指先 立

体的

先行研究の多くは平面的先行研究の多くは平面的もしくは局所的利用に特化局所的利用に特化

全身型分布触覚センサ立体的

近いものでも，温度変化によ近いものでも，温度変化による出力のドリフトが問題．る出力のドリフトが問題．温度上昇し易い温度上昇し易い

RSJ2005AsadaU-Osaka

IROS2008,Inaba

課題整理

先行研究の多くは平面的もしくは局所的利用

温度によるセンサ出力への影響

問題点：

アプローチ：

全身に立体配置可能な全身に立体配置可能な軟質フォーム外装軟質フォーム外装の応用の応用

温度がセンサ出力に温度がセンサ出力に影響しにくい影響しにくい受光・発光素受光・発光素子子の利用の利用

深部多軸変形感覚のための埋込型 3 次元変形検出センサの原理

センサ単体の変形の様子 埋込型柔軟触覚センサシートの変形の様子

センサの概観

押し

なで

つねり

発光素子ウレタン

受光部分

柔軟外装部分3次元触覚センサ

深部多軸変形感覚のための埋込型柔軟触覚センサの構成

・　多軸の変形を認識可能である・　柔軟であるので環境になじむ･　柔軟外装に埋め込んだときの　　自然な手触り・　熱の影響を受けにくい・　衝撃に強い・壊れにくい・　補間性がある

3次元変形検出のために柔軟につくる必要がある

フレキシブル基板ウレタンフォーム一体成型

特徴

多軸変形感覚センサのための基板設計

赤外線 LEDC8051F411マイコンと周辺回路と赤外線LED

受光部分

マイコンオペアンプ

受光素子

3次元樹脂成型

●　フレキシブル基板・センサ 1 個に 1 マイコン●　軟質ウレタンによる一体成型が可能な形状

設計ポイント

フレキシブル基板

受光ボックスと赤外線 LEDの位置関係

省電流・各面側への変形時の赤外線 LEDと受光素子の関係から3つを斜めに配置することに決定

断面からみた幾何的な関係

受光・発光素子の半値角の範囲の領域の変化で検出する

【位置選定理由】

触覚センサの全身への分布を考えると約200個以上を使うことになるので省電流必

要

3 次元変形検出センサの特性検証実験目的：本研究で開発したセンサで 3次元変形が

検出可能なことを確認する実験 -1 　 3 次元柔軟触覚センサ単体の変形検出精度確認実

験

実験 -2　機械的強度計測実験

実験 -3 　フォースゲージを用いた力特性確認実験

実験 -4 　柔軟触覚センサシートプロトタイプの動作

埋込型柔軟触覚センサの変形検出特性①

垂直方向の変形を検出していることを確認．再現性があることも確認．

垂直方向に 5[mm] ずつ押し込んでゆく

ポイント

垂直方向の押しを認識可能

埋込型柔軟触覚センサの変形検出特性②

A方向に変形させたとき

B方向に変形させたとき

プレートを 5°ずつ傾けて変形させる .底面方向のアナログ値に関しては考慮せず，側面のアナログ値に関して傾ける方向を区別可能であると確認した．

ポイント

埋込型柔軟触覚センサの変形検出特性③

C方向に変形させたとき

D方向に変形させたとき

A・ B方向の変形と同様に確認できた

フォースゲージを用いた力特性計測

・　 1.3 ｋｇまでの加重に対して線形的な変化の領域を確認・　電圧値からかかっている力を推測できる　・　ヒステリシスがあまり見られない

ポイント

線形的な変化の領域

機械的強度計測実験

等身大ヒューマノイドの体重が約 65[kg]

大腿部の裏側へセンサを配置する際静的に座った場合片側の大腿部へ32.5[kg]の荷重がかかる

６５ｋｇの錘をのせ，錘を移動した後も，センサの動作を確認することができた．

→等身大ヒューマノイドの体重に　 耐えることが確認できた

おもり

センサ

65kg

肉質外装センサシートプロトタイプへの埋込実装

SMBus プロトコル通信のよる省配線 柔軟肉質シートのプロトタイプ

Sensor Sensor

USB

省配線(SMBus)

肉質外装センサシートプロトタイプの 3 次元変形

押し

つねり

なで柔軟触覚センサシートプロトタイプの動作の様子

棒の傾き ：変形方向に変形した分だけ傾く円の半径：変形の大きさに比例して半径が　　　　　　 大きくなる

結論と今後の展開 柔軟外装の立体的な変形を感じる分布触覚センサ実現

実現のポイント：軟質フォーム一体成型＋立体配置された受光・発光素子 受光BOXは7mm立方程度，成型法，耐久性の確認，フレキ形状の基礎⇒小型化，キューブ状以外への広がり

今後の展開として， 等身大ヒューマノイドを用いた3次元変形感覚による動作誘導 等身大ヒューマノイドロボットで従来なかった，　　直感的接触インタラクションの実現を目指す（→ロボメック2009 ）

以上

ご清聴ありがとうございました