专利名称：触觉传感器和触觉传感器应用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涉及压力位置的输入信息检测及控制，利用简单方法检测接触坐标、接触压力及接触长度的触觉传感器及使用该触觉传感器的触觉传感器应用装置。
背景技术：
现有的压力位置检测传感器大部分可检测压力分布，扫描配置在X、Y矩阵上的传感器或者扫描电极，检测压力分布，算出压力的位置(例如，专利文献1、专利文献2)。但是，因为X、Y扫描施加压力的全部位置，所以算出作为必要信息的压力的重心位置、压力的面积、平均压力需要时间。例如，即使分辨率为1mm的50×50mm的传感器以100MHz扫描，每1个元件也需25μsec。并且，传感器越大，则对这些扫描线(50×50)的布线(2500条)越庞大，妨碍应用。
并且，关于组合压力传感器和XY坐标检测部件、检测更相似的功能的方案，提出了专利文献3～8，但由于利用2个以上功能材料的组合来检测压力位置信息，所以在正确地检测按压的位置信息时，不能正确地检测该位置的压力信息。相反，在可正确地检测压力信息时，存在该位置信息不正确，不能同时正确地检测压力和压力的重心坐标两者的缺点。
并且，还提议组合感压导电性橡胶或压电复合材料和电阻体，求出压力坐标，但由于均无法实现精度，且不能求出压力和接触面积，所以不足以作为压力位置检测传感器或触觉传感器(例如，专利文献9～11)。
专利文献1日本专利特开平10-178688号公报 专利文献2日本专利特公平7-58233号公报 专利文献3日本专利特开昭59-178301号公报 专利文献4日本专利特公昭60-35602号公报 专利文献5日本专利特公昭61-32601号公报 专利文献6日本专利特公昭60-37401号公报 专利文献7日本专利特开昭61-208533号公报 专利文献8日本专利特开平05-61592号公报 专利文献9日本专利特开昭59-110595号公报 专利文献10日本专利特开昭60-71194号公报 专利文献11日本专利特开昭61-47501号公报 近年来，提供以有人的特点的(humanoid)类型为基础的、具有动物形状的各种机器人装置，但在这种机器人装置中，多数因来自外部的接触产生的刺激输入，必须实时地动作。近年为取得双脚步行机器人步行时身体的平衡，在脚底安装压力传感器，事先实时检测微妙的平衡变化，并进行控制。并且，为了检测手指的触觉，需要持物时的压力控制或物体滑动时的压力变动检测等实时的控制。因此，配置多个压力传感器，在并列处理中同时处理传感器信息等，但多个压力传感器的布线成为装置的麻烦。
并且，人体的压力若过度偏离，则护理用椅子或床等使人体产生不适，但对于需要护理的人而言，有时自身不能避免该状况，成为床偏移等的原因。并且，坐在要求安全性的汽车座椅上的人的位置如果偏移，则事故发生时，难以在人的中心正确地打开气囊。
在这些用途中，要求即使未正确地了解压力分布，也可实时地检测所需最低限度的信息(压力的重心位置、压力接触面积、平均压力量)，可以以少量布线进行压力位置检测的触觉传感器或压力位置检测传感器。
发明内容
本发明鉴于上述问题作出，是要实时地检测按压变化。并且，结构简单，且以少量布线可检测按压的变化，可谋求可靠性的提高和成本的降低，可正确地得到信息。
为了解决该技术问题，本发明的技术方案具备压敏电阻板，该压敏电阻板是在沿板面的X方向及Y方向具有电阻的板，在与板的厚度方向一致的Z方向具有电阻，同时Z方向的电阻对应厚度方向的按压变化而变化，在该压敏电阻板的周围部，至少设置一对使电流流过所述X方向的电阻或Y方向的电阻中的至少一者的电极部，在压敏电阻板的表面，至少设置一对使电流流过所述Z方向的电阻的导电体。
并且，本发明的另一技术方案在于，从所述电极部及导电体之一流出电流，从剩下的电极部或导电体取出电流时，根据所述至少一对电极部的电压和所述至少一对导电体的电压的组合，求出接触压和X方向的接触位置或Y方向的接触位置中的至少一者的接触位置。
并且，本发明的另一技术方案在从所述电极部及导电体之一流出电流、从剩下的电极部或导电体中取出电流时，将所述至少一对电极部的电压在与触觉传感器接触前和与触觉传感器接触时的电压差修正成对应于所述求出的接触压和接触位置的值，求出X方向的接触长度或Y方向的接触长度中的至少一者的接触长度。
另外，作为另一技术方案，在所述压敏电阻板上具备使电流沿X方向流的一对第1电极部、和使电流沿Y方向流的一对第2电极部，在压敏电阻板的4个角部分别设置第1电极、第2电极、第3电极和第4电极，所述一对第1电极部中的一个第1电极部由第1电极和第3电极构成，另一个第1电极部由第2电极和第4电极构成，所述一对第2电极部中的一个第2电极部由第1电极和第2电极构成，另一个第2电极部由第3电极和第4电极构成，所述各电极也可用规定压力以上压接安装在所述压敏电阻板上，且在压敏电阻板的表面上利用间隔物(spacer)以规定间隔保持使电流流过所述Z方向的电阻的导电体。
并且，本发明的另一技术方案具备压敏电阻板，该压敏电阻板是在沿板面的方向具有电阻的板，沿板的厚度方向具有电阻，同时厚度方向的电阻对应厚度方向的按压变化而变化，为了求出对压敏电阻板的接触压、接触位置、接触长度中的至少两个，使电流流过压敏电阻板，所述压敏电阻板由具有几千欧姆至几十兆欧姆的表面电阻的膜构成。在这种情况下，可以使电流向例如沿压敏电阻板的板面的方向和/或厚度方向流动。
并且，本发明的另一技术方案在于，所述压敏电阻板由具有几千欧姆至几十兆欧姆的表面电阻的膜构成。
并且，本发明的另一技术方案具备安装了触觉传感器的被控制装置；使所述压敏电阻板产生电位梯度的电源；和将所述电极部及所述一对导电体的输出电压转换成数字值的A/D转换器，并且具备控制部，输入来自所述A/D转换器的数字信号，求出对所述触觉传感器的接触压、接触位置、X方向及/或Y方向的接触长度中的至少两个，根据该求出的接触压、接触位置、接触长度，控制所述被控制装置1。
根据本发明，不是检测对按压的压力分布，而是可通过仅检测按压的重心坐标和压力值、及其接触长度，实时地检测按压的变化。
并且，由于在同一平面内利用模拟式坐标检测装置和模拟接触压检测传感器来实现，所以与现有的数字的X、Y矩阵传感器相比，结构简单，且可用少量布线进行检测，可提高可靠性和降低成本。并且，即使与现有的模拟式装置相比，由于可在同一平面内检测，所以可正确地得到信息。
图1是表示本发明一实施方式的机器人的下肢部分的斜视图。
图2是同一机器人的手的部分的斜视图。
图3是同一触觉传感器的分解斜视图。
图4是表示同一触觉传感器的接触面积检测之一实例的原理图。
图5是对同一触觉传感器点接触时的压敏电阻板的等效电路。
图6是对同一触觉传感器面接触时的压敏电阻板的等效电路。
图7是对同一触觉传感器面接触时的压敏电阻板的X方向的等效电路。
图8是对同一触觉传感器面接触时的压敏电阻板的Y方向的等效电路。
图9是对同一触觉传感器的接触位置为中心附近时的等效电路。
图10是对同一触觉传感器的接触位置为周围附近时的等效电路。
图11是同一触觉传感器应用装置的电路图。
图12是表示另一实施方式的触觉传感器应用装置的电路图。
图13是表示同一切换开关的切换顺序图。
图14是用于表示压力检测等其他方法的压敏电阻板的等效电路。
符号说明 1、机器人(被控制装置) 3、触觉传感器 4、压敏电阻板 5、导电性膜(导电体) 6、导电性膜(导电体) 9、第1电极部 10、第1电极部 11、第2电极部 12、第2电极部 27、控制部 30、外部的控制器
具体实施例方式 下面，参照
本发明的实施方式。
图1及图2表示将本发明应用于机器人(被控制装置)1的脚底或手的一实施方式，对应于作为机器人1骨骼的脚底和手指或手掌的关节安装单元化的触觉传感器3。在本实施方式中，如图1所示，在机器人1的脚底安装2个触觉传感器3，如图2所示，在手指上安装14个触觉传感器3，同时分别在手掌和手心各安装1个。由于与手或脚底的关节相符地配置这些触觉传感器3，所以关节可自由动作，可以毫米以下的精度实时地求出其压力的大小、及其面积和压力的重心位置。如果在脚底安装触觉传感器3，则容易检测步行时的压力变化，如果在手指安装，则容易检测抓取物体时的压力变化、滑动等。并且，如后所述，从触觉传感器3取出的信号线2对1个触觉传感器3减少为4～6根，取出的布线产生麻烦、妨碍机器人手掌的握、触等手指的微妙动作的情况减少。
下面，详细说明触觉传感器3的结构。图3展开配置在图1及图2中示出的脚底和手指或手掌之一的触觉传感器3(在图2中，使用使其与手指一致弯曲的触觉传感器)。图4利用俯视图和侧面图模式地表示触觉传感器3。在图3及图4中，所述触觉传感器3具备压敏电阻板4、配置成从其厚度方向的两侧夹持压敏电阻板4的一对导电性膜(导电体)5、6。
压敏电阻板4是在沿板面的X方向及Y方向具有电阻的板，在与板的厚度方向一致的Z方向具有电阻，同时在厚度方向具有感压性，Z方向的电阻对应厚度方向的按压变化而变化。在本实施方式中，例如由在聚乙烯中混入碳而具有10的4次方～10的8次方左右的表面电阻的板构成压敏电阻板4。
具有10的4次方～10的8次方左右的表面电阻的板经常使用于利用通常市场销售的加碳的100μm厚度的聚乙烯膜保护搭载了半导体IC或电子部件的基板不受静电影响用的导电袋等，一般可得到。在实施例中，虽然使用具有10的4次方～10的8次方左右的表面电阻，但由于各种用途中使用的压敏电阻板的形状不同，所以电极间的电阻也大不相同。在实际的控制电路中，电极间的电阻和压敏电阻作为控制部件或开关部件的输入，希望不影响电路输入阻抗地最佳设定电阻。因此，与各种用途相匹配，可使用几千欧姆至几十兆欧姆的表面电阻。但是，存在如下情况即利用其以上的表面电阻值，X方向或Y方向的电阻值变大，难以检测接触坐标，并且利用其以下的表面电阻，感压特性不充分，检测时产生故障。
在压敏电阻板4的周围设置使电流沿X方向流动的一对第1电极部9、10，和使电流沿Y方向流动的一对第2电极部11、12，例如，将一对第1电极部9、10设为使电流流过压敏电阻板4的X方向电阻的电极部，将一对第2电极部9、10设为使电流流过压敏电阻板4的Y方向电阻的电极部。
而且，压敏电阻板4形成为方形形状，在该压敏电阻板4的4个角部分别设置第1电极A、第2电极B、第3电极C和第4电极D，所述一个第1电极部9由第1电极A和第3电极C构成，另一个第1电极部10由第2电极B和第4电极D构成，所述一个第2电极部11由第1电极A和第2电极B构成，另一个第2电极部12由第3电极C和第4电极D构成。所述第1电极A、第2电极B、第3电极C及第4电极D例如通过在压敏电阻板4上安装铜箔构成。
所述一对导电性膜5、6分别设置在对应于压敏电阻板4之厚度方向的一对的各表面上，例如，设为用于使电流流过压敏电阻板4的Z方向电阻的导电体(第3电极部)。导电性膜5、6是面向压敏电阻板4的面具有导电性的膜，也可由在PET(聚对苯二甲酸乙二酯)表面蒸镀了铝的铝PET构成，也可由在PI(聚酰亚胺)上铺上了导电膜的FPC(挠性印刷基板)等构成。该一对导电性膜5、6对应于压敏电阻膜4分别形成为方形状，导电性膜5、6被设为用于使电流沿Z方向流过压敏电阻板4的一对第3电极部。另外，在将一对导电性膜5、6设为一对第3电极部时，也可将来自电源等的布线直接连接于一对导电性膜5、6，也可在一对导电性膜5、6上例如设置安装了铜箔的电极，将来自电源等的布线连接于该电极。
接着，说明利用压敏电阻板4，进行接触压(感压)检测和接触位置(位置坐标)检测的原理。
压敏电阻板4示出电阻相对厚度方向的压力的变化，例如，若在直径4mm的面积上对压敏电阻板4施加1N(牛顿)的负载，则具有几几欧姆的电阻，但在100N的负载下，变为几十欧姆的电阻。在具有与其同等功能的部件中，具有周知的感压导电性橡胶。感压导电性橡胶是组合了硅橡胶和金属或碳粒子的复合材料，是表示对应于压力的刺激、电阻从绝缘状态变化至导电状态的加压导电性橡胶，通过加压，由于内部的金属粒子接触，所以具有导电性，关于厚度方向的功能，与上述混入了碳的、本发明中使用的压敏电阻板4相同。但是，感压导电性橡胶为了连接液晶玻璃面板上的电极和连接于外部的FFC电缆，由绝缘性能高的橡胶和导电性高的金属粒子构成，使其也用作在硅橡胶膜的厚度方向排列了金属粒子的各向异性导电性连接器，所以对于对厚度方向的加压，具有导电性，但对加压周围以外的X、Y平面，具有高绝缘性能，以前如上所述，为检测XY坐标位置，与其他部件组合实施。
另外，本发明中使用的、混入了碳的聚乙烯膜制的压敏电阻板4与现有的感压导电性橡胶相比，即使是X、Y平面也具有规定的电阻特性。因此，如果即使是X、Y平面也得到规定的电阻值，则作为压敏电阻板4，在基材中使用橡胶或使用其他的感压材料也没有问题。
压敏电阻板4连接2个导电性膜5、6的导电面并被夹住，但在其之间，希望设计成在经间隔物未施加按压时，2个导电膜5、6间绝缘，或者，与压敏电阻板4的厚度方向(Z方向)的电阻值相比，具有大于2倍以上的电阻。
作为间隔物，也可在左右两端放入几毫米至几十毫米厚的膜间隔物，形成间隙，也可使用触摸面板或液晶面板中使用的几毫米至几十毫米的球状树脂珠的微小间隔物来形成间隙。通过按压导电性膜5、6，形成为在该按压位置导电性膜5、6的导电面和压敏电阻板4接触。在利用微间隔物确保间隙时，因微小间隔物的分布密度不同，对按压的压力检测开始灵敏度变化。若密度大，则只要按压未变大，就不与压敏电阻板4接触。并且，由于若密度小，则可通过稍微按压来检测，所以可对应于用途选择微小间隔物的密度。当然，由于它们受导电性膜5、6的厚度、刚性影响，所以压力检测开始灵敏度必需由该导电性膜5、6和微小间隔物的条件来决定。
并且，使用这样构成的触觉传感器3来说明检测输入信息的基本动作，作为检测接触压的接触压检测部件，使用导电性膜5、压敏电阻板4、导电膜6。设导电性膜6的导电面和压敏电阻板4连接的面为触觉传感器区域，导电性膜5和导电性膜6对峙的导电面与压敏电阻板4连接的面为触觉压力传感器区域。因此，导电性膜6的导电面积与导电性膜5的导电面积不一定相同也可。在该一对导电性膜5、6(一对第3电极部)间流过恒电流。如上所述，通过加压导电性膜6，对压敏电阻板4施加压力，Z方向的电阻值变化。因此，如果使流过一对导电性膜5、6的电流成为恒定，则可根据导电性膜5、6(第3电极部)间的电压Vz求出加压力(接触压)。即，在使电流从导电性膜5流过，从导电性膜6中取出电流时，可根据导电性膜5的电压V5和导电性膜6的电压V6的差(组合)求出接触压。
下面，说明检测接触位置(接触形成的X、Y坐标)的检测部件。对压敏电阻板4的第1电极A及第3电极C(第1电极部9)施加电压Vx0，设第2电极B及第4电极D(第1电极部10)为GND。图5表示点接触时的压敏电阻板4的等效电路，如图5所示，若按压导电性膜6的某个坐标位置，则导电性膜6的导电面与压敏电阻板4接触。如果在接触位置接触沿X方向距第2电极B及第4电极D(第1电极部10)的位置X1距离的点S1，则导电性膜6(第3电极部)的电压Vzx为 Vzx＝X1/(X1+X2)＊Vx0。
这里，X2是从第1电极A及第3电极C(第1电极部9)的位置至接触点S的X方向的距离。
因此，在一对第1电极部9、10间施加电压Vx0、使X方向的电流流过压敏电阻板4时，可检测一个第1电极部9和一个导电性膜6之间的电压Vzx，根据该检测出的电压Vzx和所述施加电压Vx0的关系，求出X方向的接触位置。即，在从第1电极部9中流过电流，从第1电极部10中取出电流时，可根据第1电极部9的电压V9与第1电极部10的电压V10的差(组合)、和一个第1电极部9的电压V9与一个导电性膜6的电压V6的差(组合)，求出X方向的接触位置。
同样地，对第1电极A及第2电极B(第2电极部11)施加电压Vy0，设第3电极C及第4电极D(第2电极部12)为GND，则为 Vzy＝Y1/(Y1+Y2)＊Vy0。
这里，Y1是从第3电极C及第2电极D(第2电极部12)的位置至接触点S的Y方向的距离，Y2是从第1电极A及第2电极B(第2电极部11)的位置至接触点S的Y方向的距离。
因此，在一对第2电极部11、12间施加电压Vy0、使Y方向的电流流过压敏电阻板4时，可检测一个第2电极部11和一个导电性膜6之间的电压Vzy，根据该检测出的电压Vzy和所述施加电压Vy0的关系，求出Y方向的接触位置。即，在电流从第2电极部11中流过，从第2电极部12取出电流时，可根据第2电极部11的电压V11与第2电极部12的电压V12的差(组合)、和一个第2电极部11的电压V11与一个导电性膜6的电压V6的差(组合)，求出Y方向的接触位置。
并且，也可使电流从接触位置的导电膜6流至压敏电阻板4的电极部，利用配置于压敏电阻板4的各电极部中流动的电流进行检测，求出位置坐标检测。此时，流过4个角流出的电流值与和接触点的距离成反比的电流。
图6～图8是面接触时的等效电路，图6表示面接触时X方向及Y方向的电阻的等效电路，图7表示在面接触时省略Y方向的电阻，仅取出X方向的电阻时的等效电路，图8表示在面接触时省略X方向的电阻，仅取出Y方向的电阻时的等效电路。如图6～图8所示，与图5的情况相同，接触坐标可由Vzx/Vx0之比、Vzy/Vy0之比求出。由于电压Vzx是对应于压敏电阻Rx4与压敏电阻Rx5之比率的电压，电压Vzy是对应于压敏电阻Ry4与压敏电阻Ry5之比率的电压，所以导电膜6检测的电压V6输出与按压的压力分布成正比的位置、而非接触面积的中心的电压。尤其是在本发明中，由于可取入同一平面内的位置坐标和压力信息，所以可正确地检测。
通常，在接触面具有面积时，在不是接触压力信息的接触坐标位置的检测中产生误差。以前(例如，日本专利第3055448号)，为了解决该问题，根据接触面的大小引起的变化，求出正确的接触坐标，但由于不取入接触压的分布信息，所以若例如在接触面的一端的接触压大的情况等，由未取入压力信息的接触面积进行修正，则接触中心位置的误差相反有可能变大。在本发明中，由于利用1个压敏电阻板4，通过在同一平面内对应于按压分布的比率求出接触位置的X、Y坐标，所以具有可更正确地求出X、Y坐标的优点。
下面，作为从接触周围压检测接触长度的部件，使用压敏电阻板4、导电性膜6。首先，在接触加压前，在压敏电阻板4的第1电极A及第3电极C(一个第1电极部9)、和第2电极B及第4电极D(另一个第1电极部10)之间施加恒电流，检测一对第1电极部9、10间的电压Vx0，接着，在压敏电阻板4的第1电极A及第2电极B(一个第2电极部11)、和第3电极C及第4电极D(另一个第2电极部12)之间施加恒电流，检测一对第2电极部11、12间的电压Vy0。若经隔着导电膜6，在压敏电阻板4的某个位置的一定面积上接触加压，则一对第1电极部9、10及一对第2电极部11、12间流过的恒电流在接触面从压敏电阻板4流至导电性膜5、6，一对第1电极部9、10间及一对第2电极部11、12间的电压Vx、Vy下降。可将该X方向的变化量Vx0-Vx和Y方向的变化量Vy0-Vy定义为对应于接触压的接触面积。若接触面变大，则通过导电性膜5、6的电流增加，第1电极部9、10间的电压Vx及第2电极部11、12间的电压Vy下降。
用图5～图8的等效电路来对其进行说明，图5～图8表示对导电性膜6及压敏电阻板4加压时的各部分电阻。图5是点接触时的等效电路，无接触引起的一对第1电极部9、10间或一对第2电极部11、12间的电阻的变化。
图6～图8是面接触时的等效电路，实际上用接触面的各位置和该位置的压敏电阻板4的电阻分布来表示，但图6～图8是将其简单模块化的等效电路。一对第1电极部9、10间的电流如图6及图7所示，在接触面以外的位置流过压敏电阻板4的电阻Rx1，在接触面，在加压力大的接触面之边缘部的位置坐标通过压敏电阻Rx4流至导电膜6，通过压敏电阻Rx40流至导电膜5，经加压力大的接触面之另一边缘部的位置坐标的压敏电阻Rx5及压敏电阻Rx50流动的电流和在压敏电阻板4的压敏电阻Rx3中流动的电流之总和在压敏电阻板4的压敏电阻Rx2中流动。这些电流由于在接触面边缘部的位置坐标，通过压敏电阻Rx4、压敏电阻Rx40、压敏电阻Rx5、压敏电阻Rx50流至导电膜5、6，所以检测的电压变化量V0x-Vx不是单纯地与接触面积成正比，而是还受接触压接触的外周边的压力影响。这决定检测接触面积时的阈值，通过流过电流以使电极间电阻最小来确定该值。
并且，图9表示接触位置在触觉传感器3的中心附近时电极A、C与接触位置之间的等效电阻，图10表示接触位置在触觉传感器3的周围附近时电极A、C与接触位置之间的等效电阻，但由于流过电流以使电极间电阻最小，所以如图9及图10所示，若接触位置离开连结电极的最短距离，则即使接触面积相同，由于电极间的电阻变化减少，也必需根据接触坐标来修正。
并且，上述的接触长度使电流在电极部9、10、11、12中流过，检测其变化，但也可使电流从导电体5或导电体6中流出，在电极部9、10、11、12中检测该电压的变化，根据已检测出的接触压、求接触坐标的电压的组合，算出接触长度。
在本发明中，由于在同一平面内可取入接触周围的压力，所以检测的接触面积可得到精度高的值。另外，在接触面积小时，图6～图8示出的压敏电阻Rx3、压敏电阻Ry3小，所以返回导电膜5、6的电流变少，接触面积检测得更小，但这也可单纯地进行修正后利用，也可与先检测出的压力值组合，修正接触面的负载。
在上述中，形成压力检测和坐标检测时的电极结构相同，且控制方法也相同的方式，共同使用控制部27，由开关部件16切换，进行压力检测，并分别在X方向和Y方向上坐标检测，求出接触长度，但是通过使电流从接触位置的导电膜6流至压敏电阻板4的电极部9、10、11、12(电极A、B、C、D)，从导电体5中取出电流，用配置在压敏电阻板4上的各电极部9、10、11、12(电极A、B、C、D)中流动的电流检测压力检测的控制方法，也可一次检测X方向、Y方向的位置坐标。
并且，在所述实施方式中，求出XY坐标位置，但也可是根据用途，简化传感器的电极结构，仅求X坐标、Y坐标的结构。总之，具备压敏电阻板4，该压敏电阻板是在沿板面的方向具有电阻的板，在板的厚度方向具有电阻的同时，厚度方向的电阻对应厚度方向的按压变化而变化，为了求出对压敏电阻板4的接触压、接触位置、接触长度中至少2个，只要使电流在沿该板面的方向及/或厚度方向流过压敏电阻板4即可。
下面，详细地说明本发明的触觉传感器的动作和使用了触觉传感器的机器人1的控制。
在图11中，15是恒流电源，16是利用模拟多路复用器构成的开关部件，具备切换开关SW1和切换开关SW2，如图1或图2所示，开关部件16介于触觉传感器3和后述的控制部件24之间。切换开关SW1具有互相联动动作的一对可动触点18、19，切换将恒流电源15连接于导电性膜5、6侧或电极A、D侧。切换开关SW2具有将电极B连接于电极D或电极A的可动触点21、和将电极C连接于电极A或电极D的可动触点22，切换使电流从电极A、C(第1电极部9)流至电极B、D(第1电极部10)，或使电流从电极A、B(第2电极部11)流向电极C、D(第1电极部12)。
23是开关切换电路，使切换开关SW1、SW2联动切换动作。24是控制部件，具有A/D转换器25、具有CPU和存储器的控制部27和马达驱动电路28。30是由CPU等构成的外部控制器，31是机器人1的驱动马达，如图1所示，安装在机器人1的腿的膝盖部分或脚踝部分，通过驱动马达31的驱动，或使机器人1的下肢部前后摇动，或使脚在脚踝部分前后摇动。并且，驱动马达31如图2所示，对应安装在所述手指上的各触觉传感器3，组装在手指的关节部分，通过驱动马达31的驱动，可在关节部分转动手指，可握紧或张开手。
触觉传感器3的控制首先设定成将切换开关SW1的可动触点18、19倒向导电性膜5、6侧，使电流从恒流电源15流至导电性膜5、6。通常，由于在未接触触觉传感器3时，由间隔物等绝缘导电性膜5、6间，所以若使电流流过导电性膜5、6间，则在导电性膜5、6间产生由恒流电源15设定的最大电压Vmax。而且，通过与触觉传感器3接触，导电性膜5、6经压敏电阻板4连接，在导电性膜5、6间产生电压Vz。从该电压Vz为规定电压以下时起，开始下述的检测。
〔接触压的检测〕 由于对应于接触触觉传感器3产生的按压增加，压敏电阻板4的电阻减少，导电性膜5、6间的电压Vz变化，所以从电压Vz为规定电压Vz0以下时起，规定时间后，在从导电性膜6取出电流时，根据导电性膜5的电压V5和导电性膜6的电V6的差(组合)，检测表示接触压的电压Vz，将由控制部件24的A/D转换器25转换后的数据存储在控制部27中。
〔接触坐标检测〕 接着，将切换开关SW1的可动触点18、19倒向电极A、D侧，将恒流电源15连接于电极A、D侧。这时，切换开关SW2变成在将该可动触点21倒向电极D侧而连接电极B和电极D的同时，将可动触点22倒向电极A侧而连接电极A、电极C的状态，以使恒电流从恒流电源15流过电极A、C(第1电极部9)和电极B、D(第1电极部10)之间，在使电流从第1电极部9流过、从第1电极部10取出电流时，将作为第1电极部9的电压V9和第1电极部10的电压V10的差(组合)的、第1电极部9、10间的电压V0x输入控制部件24，由AD转换器25转换，将该数据存储在控制部27中。
这时，电流沿X方向流过压敏电阻板4，根据一个第1电极部9的电压V10和一个导电性膜6的电压V6的差(组合)，检测导电性膜5和电极B、D(第1电极部10)之间的电压Vzx，同样地，由控制部件24的AD转换器25转换，将该数据存储在控制部27中。由于表示X方向接触位置的接触位置的X坐标为Vzx/V0x，所以由控制部27计算，求出X坐标。
接着，如果在将切换开关SW2的可动触点21倒向电极A侧、连接电极A和电极B的同时，将可动触点22倒向电极D侧、连接电极C和电极D，并使电流流过电极A、B(第2电极部11)和电极C、D(第2电极部12)之间，电流沿Y方向流过压敏电阻板4，同样地，接触位置的Y坐标也在使电流从第2电极部11流过、从第2电极部12取出电流时，根据第2电极部11的电压V11与第2电极部12的电压V12的差(组合)、和一个第2电极部11的电压V11与一个导电性膜6的电压V6的差(组合)，由控制部27计算求Y方向接触位置的Vzy/V0y，将该数据存储在存储器中。
〔检测对接触压的接触面积〕 预先设未接触触觉传感器3时的电极A、C(第1电极部9)和电极B、D(第1电极部10)之间电压为V0max，由控制部件24的A/D转换器25AD转换电极A、B(第2电极部11)和电极C、D(第2电极部12)之间的电压V0max，并将该数据存储在控制部27中。而且，由于可分别用V0max-V0x、V0ymax-V0y表示对X方向、Y方向接触压的接触面积，所以由控制部27计算这些数据，将该数据存储在存储器中。
〔至外部CPU的传输和马达控制〕 接着，存储在控制部27的存储器中的数据在传输到外部控制器30的同时，在从外部控制器30指示马达驱动之前，控制部27再次实施触觉传感器3的接触压检测、接触坐标检测、对接触压的接触长度(面积)检测的控制，同时，驱动控制各驱动马达31以使其变动最小。而且，在一对第1电极部9、10间及一对第2电极部11、12间的电压为规定值以上，且一对导电体5、6间的电压为规定值以上时，停止所述控制部27执行的保持求出的数据之值的控制。
根据上述实施方式，可正确且迅速地检测在触觉传感器3的XY坐标的位置施加有多少接触压，可对应于该输入信息，使机器人1各手指的驱动马达31动作，精密且正确地对应状况进行反馈。例如，在与机器人1握手时，与孩子则弱且柔和，并且，在必需强烈进行意思表示时则强，并且还可控制到指尖部分以正确传达意志。之外，如果还将其应用于脚底的压力检测，则由于在双脚步行时使平衡破坏的情况下，可检测脚的一部分的接触压的变化，所以还可利用于通过细微控制保持机器人1的平衡的用途。
图12及图13表示另一实施方式，在开关电路16中设置第1开关SW11、第2开关SW12、第3开关SW13和第4开关SW14，替代所述实施方式中的开关部件16的切换开关SW1、SW2。第1开关SW11构成为具有可动触点35，对恒压电源15的高压侧连接或切断导电性膜5。第2开关SW12构成为具有可动触点36，对恒压电源15的GND侧连接或切断压敏电阻板4的第1电极A。第3开关SW13构成为具有可动触点37，对恒压电源15的GND侧连接或切断导电性膜6。第4开关SW14与所述切换开关SW2相同，具有将电极B连接于电极D或电极A的可动触点21、和将电极C连接于电极A或电极D的可动触点22，切换使电流从电极A、C(第1电极部9)流至电极B、D(第1电极部10)，或使电流从电极A、B(第2电极部11)流向电极C、D(第1电极部12)。并且，将导电性膜5、6、压敏电阻板4的电极A、B、C、D连接于控制部件24的A/D转换器25，将来自导电性膜5、6、压敏电阻板4的电极A、B、C、D的信号(电压)输入A/D转换器25。其他的方面是与所述实施方式的情况相同的结构。
本实施方式的情况下，如图13所示，利用控制部件24的控制部27，经开关切换电路23切换第1开关SW11～第4开关SW14。。即，在图13中，在左端部记载切换第1开关SW11～第4开关SW14的顺序，从下侧至上侧依次按1、2、3、4、5的顺序切换。第1开关SW11列的“1”表示对恒压电源15的高压侧连接导电性膜5的状态，“0”表示对恒压电源15的高压侧切断导电性膜5的状态。第2开关SW12列的“1”表示对恒压电源15的GND侧连接感压板4的第1电极A的状态，“0”表示对恒压电源的GND侧切断感压板4的第1电极A的状态。第3开关SW13列的“1”表示对恒压电源15的GND侧连接导电性膜6的状态，“0”表示对恒压电源15的GND侧切断导电性膜6的状态。第4开关SW14列的“1”表示切换成使电流从电极A、C(第1电极部9)流至电极B、D(第1电极部10)的状态，“0”表示切换成使电流从电极A、B(第2电极部11)流向电极C、D(第2电极部12的状态。
通过控制部27的控制，经开关切换电路23切换动作第1开关SW11～第4开关SW14。首先，第1开关SW11～第4开关SW14为“1，1，1，1”的状态，与所述实施方式相同，执行Z坐标的按压检测，接着，将第1开关SW11～第4开关SW14切换成“1，1，0，1”的状态，与所述实施方式的情况相同，执行接触面积的检测。接着，在将第1开关SW11～第4开关SW14切换成“1，0，0，1”的状态后，还切换成“1，0，0，1”的状态，与所述实施方式的情况相同，执行Y坐标检测，最后，将第1开关SW11～第4开关SW14切换成“0，0，0，0”的状态，与所述实施方式的情况相同，执行X坐标检测。
因此，该实施方式的情况也与所述实施方式的情况相同，可正确且迅速地检测在触觉传感器3的XY坐标的位置施加有多少接触压，可对应于该输入信息，使机器人1的各手指的驱动马达31动作，精密且正确地对应情况进行反馈。
另外，在所述实施方式中，利用开关部件16，可以在使电流流过导电膜5、6执行压力检测的情况和使电流流至电极部9、10、11、12求出接触坐标的情况下切换控制，但求压力检测及接触坐标的方法不限于所述实施方式的情况，例如，也可以将电源15连接于导电膜6，如图14所示，通过使电流从导电膜6中流过，从压敏电阻板4的电极部9、10、11、12和接触位置的导电膜5同时取出电流，根据导电膜5的电压V5和导电膜6的电压V6进行压力检测，根据导电膜6的电压V6及电极A、C的电压VA、VC，使用公式〔(V6～VA)/(V6～VC)〕，求出X方向的接触位置，同时，根据导电膜6的电压V6及电极B、D的电压VB、VD，使用公式〔(V6～VB)/(V6～VD)〕，求出Y方向的接触位置。因此，通过组合各电极部9、10、11、12(各电极A、B、C、D)的电压和导电膜5、6的电压，不需要开关部件，也可进行压力检测、位置坐标检测、求出接触长度。
并且，在所述实施方式中，为了容易理解地说明原理，施加直流的恒流源，但也可利用恒压源和电阻实现简易的恒流源。并且，通过仅取出规定频率分量的信号来减少噪声分量的方法，也可使用交流电源。
另外，在所述实施方式中，压敏电阻板4形成为方形形状，但压敏电阻板4的形状不限于此，也可成为圆形等形状。并且，对应于压敏电阻板4的形状，也可使一对导电性膜5、6成为圆形等形状。并且，在压敏电阻板4的4个角部，分别设置第1电极A、第2电极B、第3电极C和第4电极D，即使在由这些电极A、B、C、D构成第1电极部9、第1电极部10、第2电极部11和第2电极部12时，压敏电阻板4也不限于方形状，例如，也可是压敏电阻板4的4边凹陷成弓形的四边形状、或4边膨胀成弓形的形状等其他形状。
并且，在所述实施方式中，作为用于使电流流过设置在压敏电阻板4表面的Z方向电阻的导电体，使用配置成从厚度方向的两侧夹持压敏电阻板4的一对导电性膜5、6，但替代其，也可用薄铜板等构成从两侧夹持压敏电阻板4的一对导电体。并且，也可在压敏电阻板4的厚度方向两侧的表面上设置3个以上用于使电流流过压敏电阻板4的Z方向电阻的导电体。
并且，在所述实施方式中，在使电流从导电性膜5流过、从导电性膜6取出电流时，根据导电性膜5的电压V5和导电性膜6的电压V6的差(组合)求出接触压，在使电流从第1电极部9流过，从第1电极部10取出电流时，根据第1电极部9的电压V9与第1电极部10的电压V10的差(组合)、和一个第1电极部9的电压V9与一个导电性膜6的电压V6的差(组合)，求出X方向的接触位置，并且，在使电流从第2电极部11流过，从第2电极部12取出电流时，根据第2电极部11的电压V11与第2电极部12的电压V12的差(组合)、和一个第2电极部11的电压V11与一个导电性膜6的电压V6的差(组合)，求出Y方向的接触位置，但接触压、X方向的接触位置、Y方向的接触位置的求出方法不限于此，例如，与所述实施情况相反，在使电流从导电性膜6流过、从导电性膜5取出电流时，不用说也可根据导电性膜6的电压V6与导电性膜5的电压V5的差(组合)求出接触压，并且，在使电流从第1电极部10流过、从第1电极部9取出电流时，不用说也可根据第1电极部10的电压V10与第1电极部9的电压V9的差(组合)、和第1电极部10的电压V10与导电性膜5的电压V5的差(组合)，求出X方向的接触位置，并且，在使电流从第2电极部12流过、从第2电极部11取出电流时，不用说也可根据第2电极部12的电压V12与第2电极部11的电压V11的差(组合)、和第2电极部12的电压V12与导电性膜5的电压V5的差(组合)，求出Y方向的接触位置。并且，在图14的实施方式的情况下，通过使电流流过导电膜6，从压敏电阻板4的电极部9、10、11、12和接触位置的导电膜5同时取出电流，进行压力检测，求出接触坐标位置，但替代其，也可通过使电流从导电膜5流过，从压敏电阻板4的电极部9、10、11、12和导电膜6同时取出电流，进行压力检测，求出接触坐标位置。并且，由于不一定必需检测X方向的接触位置和Y方向的接触位置两者的接触位置，只要检测任一个接触位置即可，所以接触压、接触位置的求出方法总之只要在使电流从电极部9、10、11、12及导电体5、6中的任一个流过，从剩下的电极部9、10、11、12或导电体5、6取出电流时，根据所述至少一对电极部9、10、11、12的电压V9、V10、V11、V12和所述至少一对导电体5、6的电压V5、V6的组合，求出接触压、X方向的接触位置或Y方向的接触位置中至少一个接触位置即可。
并且，在所述实施方式中，执行求接触压的接触压检测，执行求X方向接触位置的接触位置检测，执行求Y方向接触位置的接触位置检测，执行求X方向接触长度的接触长度(面积)检测，执行求Y方向接触长度的接触长度(面积)检测，但不一定必需全部执行该5种检测，必要时，可省略一种或多种检测，例如，也可执行求接触压的接触压检测和求X方向接触位置的接触位置检测2种，也可执行求接触压的接触压检测和求Y方向接触位置的接触位置检测2种，也可执行求接触压的接触压检测和求X方向接触长度的接触长度(面积)检测2种，也可执行求接触压的接触压检测和求Y方向接触长度的接触长度(面积)检测2种。并且，也可执行求X方向接触位置的接触位置检测和求X方向接触长度的接触长度(面积)检测2种，也可执行求X方向接触位置的接触位置检测和求Y方向接触长度的接触长度(面积)检测2种，也可执行求Y方向接触位置的接触位置检测和求X方向接触长度的接触长度(面积)检测2种，或求Y方向接触位置的接触位置检测和求Y方向接触长度的接触长度(面积)检测2种。
并且，在所述实施方式中，在压敏电阻板4的4个角部分别设置第1电极A、第2电极B、第3电极C和第4电极D，利用这些电极A、B、C、D，构成用于使电流沿X方向流过压敏电阻板4的一对第1电极部9、10和用于使电流沿Y方向流过压敏电阻板4的一对第2电极部11、12，但用于使电流沿X方向流过压敏电阻板4的一对第1电极部9、10和用于使电流沿Y方向流过压敏电阻板4的一对第2电极部11、12不限于这种结构，例如，也可分别利用1个或3个以上的点电极构成一对第1电极部9、10或一对第2电极部11、12。并且，在所述实施方式中，作为第1电极部9、10及第2电极部11、12的结构，与用于现有触摸面板检测方法中的5线式控制方法相同，但也可通过改变电极结构，采取5线式以上的7线式、8线式的控制方法。
并且，在所述实施方式中的图11或图12示出的触觉传感器应用装置中，为了简化说明，根据安装在机器人(被控制装置)1上的多个触觉传感器3中1个触觉传感器3的检测输出，驱动控制机器人1的马达驱动电路28，但替代其，也可根据多个触觉传感器3的检测输出，驱动控制机器人1或多个马达驱动电路28等，由此，也可根据多个触觉传感器3合成后的检测输出来控制机器人1。并且，相反，也可在机器人(被控制装置)1上仅安装1个触觉传感器3，根据该1个触觉传感器3的检测输出，驱动控制机器人1的马达驱动电路28。
并且，在所述实施方式中，作为使用了触觉传感器3的触觉传感器应用装置，驱动控制机器人1，但作为使用了触觉传感器3的触觉传感器应用装置，不限于机器人1的驱动控制，例如，也可设护理用椅子或床或者气囊装置等为被控制装置，根据触觉传感器3的检测输出来控制。
产业上的可利用性 可用作机器人用触觉传感器装置、或检测并控制施加于椅子或床上的压力的装置。
权利要求
1、一种触觉传感器，其特征在于具备压敏电阻板(4)，该压敏电阻板是在沿板面的X方向及Y方向具有电阻的板，在与板的厚度方向一致的Z方向具有电阻，同时Z方向的电阻对应厚度方向的按压变化而变化，
在该压敏电阻板(4)的周围部，至少设有一对使电流流过所述X方向的电阻或Y方向的电阻中的至少一者用的电极部(9、10、11、12)，在压敏电阻板(4)的表面，至少设有一对使电流流过所述Z方向的电阻用的导电体(5、6)。
2、根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于
在使电流从所述电极部(9、10、11、12)及导电体(5、6)中的任一个中流过，从剩下的电极部(9、10、11、12)或导电体(5、6)中取出电流时，根据所述至少一对电极部(9、10、11、12)的电压(V9、V10、V11、V12)、和所述至少一对导电体(5、6)的电压(V5、V6)的组合，求出接触压和X方向的接触位置或Y方向的接触位置中的至少一个接触位置。
3、根据权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于
在使电流从所述电极部(9、10、11、12)及导电体(5、6)中的任一个中流过，从剩下的电极部(9、10、11、12)或导电体(5、6)中取出电流时，将所述至少一对电极部(9、10、11、12)的电压(V9、V10、V11、V12)与触觉传感器接触前和与触觉传感器接触时的电压差修正成对应于所述求出的接触压和接触位置的值，求出X方向的接触长度或Y方向的接触长度中的至少一个接触长度。
4、一种触觉传感器，其特征在于，具备压敏电阻板(4)，该压敏电阻板是在沿板面的方向具有电阻的板，在板的厚度方向具有电阻，同时厚度方向的电阻对应厚度方向的按压变化而变化，
为了求出对压敏电阻板(4)的接触压、接触位置、接触长度中的至少两个，使电流流过压敏电阻板(4)，
所述压敏电阻板(4)由具有几千欧姆至几十兆欧姆的表面电阻的膜构成。
5、根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于
所述压敏电阻板(4)由具有几千欧姆至几十兆欧姆的表面电阻的膜构成。
6、一种触觉传感器应用装置，其特征在于
具备安装了权利要求1所述的触觉传感器(3)的被控制装置(1)；使所述压敏电阻板(4)产生电位梯度的电源(15)；以及将所述电极部(9、10、11、12)及所述一对导电体(5、6)的输出电压转换成数字值的A/D转换器(25)，
具备控制部(27)，输入来自所述A/D转换器(25)的数字信号，求出对所述触觉传感器(3)的接触压、接触位置、X方向及/或Y方向的接触长度中的至少两个，根据该求出的接触压、接触位置、接触长度，控制所述被控制装置(1)。
全文摘要
提供一种触觉传感器和触觉传感器应用装置，要实时地检测按压的变化。并且，结构简单，且用少量布线可检测按压的变化，可谋求可靠性的提高和成本的降低，可正确地得到信息。具备压敏电阻板(4)，是在沿板面的X方向及Y方向具有电阻的板，在与板的厚度方向一致的Z方向具有电阻，同时Z方向的电阻对应于厚度方向的按压变化而变化，在该压敏电阻板(4)的周围部，至少设置一对用于使电流流过所述X方向的电阻或Y方向的电阻中的至少一者的电极部(9、10、11、12)，在压敏电阻板4的表面，至少设置一对用于使电流流过所述Z方向的电阻的导电体(5、6)。
文档编号G01L1/20GK101258389SQ200580051489
公开日2008年9月3日 申请日期2005年9月5日 优先权日2005年9月5日
发明者森元贤一 申请人:Ew系统有限公司