近接覚センサアレイの研究開発

抵抗ネットワーク型

近接覚センサアレイの研究開発

長 谷 川 浩 章

電 気 通 信 大 学 大 学 院 情 報 理 工 学 研 究 科 博 士（ 工 学 ）の 学 位 申 請 論 文

2013 年 3 月

近接覚センサアレイの研究開発

博士論文審査委員会

主査 ： 下条 誠 教授

委員 : ^{木田 隆 教授}

委員 : ^{金子 正秀 教授}

委員 ： 明 愛国 准教授

委員 : ^{長井 隆行 准教授}

著作権所有者

長谷川 浩章

2013

Hiroaki Hasegawa Abstract

In this dissertation, a net-structured, high-speed proximity sensor array designed to facilitate safe and rapid robot activity is presented. For robots, high-speed detection of nearby and non-contact objects is important because of the reduced time-to-contact periods.

In order to achieve an appropriate sensing speed, we propose a net-structure proximity sensor system (NSPS) that is capable of covering a large sensing area and which achieves a 1-millisecond response time. The NSPS system consists of an array of infrared reflec- tive proximity sensors that have been efficiently integrated by resistor network circuitry.

These sensors require only six external wires and three output signals to detect the cen- ter position of, and the approximate distance to, an object regardless of the number of detecting elements.

The dissertation consists of five parts and nine chapters. The first part addressed the problems of sensing system for autonomous robots. The common combination of vision, force and tactile sensors sometimes misses the object close to but noncontact of the robot, and shorter time-to-contact makes the high-speed detection of the existence of the nearby objects important. The second part, we introduced the structure and principle of Network- Structured Proximity Sensor Array (NSPS). Next we verified the response characteristics of the system was verified by testing a 5×5 NSPS prototype and demonstrated the applications for human interface and robotics utilizing its response speed. The third part, we proposed several improvements for NSPS; the relative measurement between two total current outputs that enables distance measurement method independent of the reflectance and shape of the objects, PIN photodiode based sensor array for microsecond response and spread-spectrum based multi-sensor coexistence. The fourth part, the application for

multifingered robot hand. In this part, we fabricated the NSPS to cover the fingertips and the palm of three-fingered robot hand, and then implemented simple proportional- integral control law using distance and x-y position output of the NSPS that runs every millisecond. The robot hand achieved the tracking and capturing motion of the objects in translational motion at 500 mm/s velocity. The last part we present the conclusion and future works.

長 谷 川 浩 章

概 要

本 研 究 で は ，赤 外 線 反 射 型 近 接 覚 セ ン サ の 効 率 的 な 出 力 統 合 を 実 現 す る 抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ を 提 案 し ，実 用 的 な セ ン サ シ ス テ ム の た め の 要 素 技 術 開 発 と ，セ ン サ フィー ド バック に 基 づ い た 実 ロ ボット シ ス テ ム の 応 答 向 上 に よ り，そ の 有 効 性 の 確 認 に 取 組 ん だ ．

本 論 文 は 全9章 か ら 構 成 さ れ ，そ の 内 容 の 要 旨 は 以 下 の 通 り で あ る ． 第1章 序 論

  第1章 で は ，自 律 ロ ボット の 制 御 に お け る 近 接 覚 セ ン サ の 重 要 性 に つ い て 論 じ る ．ま た ，関 連 す る 先 行 研 究 に つ い て 紹 介 し ，そ れ ら の 問 題 点 に つ い て 整 理 し た 後 ，提 案 す る セ ン サ シ ス テ ム の 位 置 づ け と 研 究 目 的 を 述 べ る ．

第2章 抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ の 動 作 原 理

  第2章 で は ，近 接 覚 セ ン シ ン グ に お け る 大 面 積 化・多 数 検 出 点 の 統 合 に お け る 既 存 手 法 の 問 題 点 で あ る 配 線 数 と 計 測 時 間 の 増 大 を 踏 ま え ， 抵 抗 ネッ ト ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ を 提 案 し た ．本 セ ン サ は 赤 外 線 反 射 量 を 電 流 と し て 出 力 す る フォト リ フ レ ク タ を ア レ イ 化 し ，そ の 出 力 電 流 か ら 格 子 状 の 抵 抗 素 子 ネット ワ ー ク を 用 い て ，総 和 お よ び 一 次 モ ー メ ン ト を 演 算 す る 事 が 可 能 で あ る ．そ の 基 礎 と な る 抵 抗 回 路 網 の 動 作 に つ い て モ デ ル 化 を 行 い ，フォト リ フ レ ク タ の 特 性 と 回 路 方 程 式 を も と に ，物 体 の3次 元 位 置 を 回 路4端 の 電 圧 か ら 求 め る こ と が 可 能 で あ る こ と を 示 し た ．

第3章 抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ の 基 礎 特 性 の 確 認

  第3章 で は ，前 章 で 論 じ た 動 作 原 理 に 基 づ く5×5セ ン サ ア レ イ を 試 作 し ， そ の 設 計 上 の 留 意 点 に つ い て 述 べ た ．さ ら に 試 作 し た セ ン サ ア レ イ の 基 礎 的 な 性 能 評 価 と し て ，位 置 出 力 ，距 離 出 力 特 性 ，お よ び 過 渡 応 答 特 性 と 移 動 物 体 へ の 追 従 性 能 を 確 認 し た ．そ の 結 果 ，セ ン サ 面 か ら50[mm]以 内 で は

実 用 的 な 出 力 が 得 ら れ る こ と ，1[ms]以 内 の 高 速 な 応 答 速 度 が 実 現 で き て い る こ と を 確 認 し た ．こ れ ら の 評 価 を 通 じ ，ロ ボット 制 御 に お い て 十 分 な 応 答 特 性 が 達 成 で き た こ と を 確 認 し た ．

第4章 抵 抗 ネット ワ ー ク の 派 生 形 態

  第4章 で は ，応 用 上 の 要 求 に 基 づ く 抵 抗 ネット ワ ー ク の 変 形 例 を と り あ げ た ．第2章 の 基 本 回 路 網 を 基 礎 と し て ，後 述 す る2種 類 の 変 形 を 行 い そ の 動 作 に つ い て 解 析 し た ．（ １ ）抵 抗 ネット ワ ー ク 内 の 部 品 数 削 減 を 目 的 と し た 簡 易 型 抵 抗 ネット ワ ー ク：基 本 型 回 路 網 で 大 規 模 な セ ン サ ア レ イ を 校 正 し た 場 合 に 生 じ る ，素 子 数 に 比 例 し た 抵 抗 素 子 数 の 増 加 を 緩 和 で き る 回 路 構 成 を 考 案 し た ． （ ２ ）柱 状 物 体 側 面 を 継 ぎ 目 な く 覆 い ，360度 全 周 の 検 出 を 実 現 す る 全 方 位 近 接 覚 セ ン サ：移 動 ロ ボット の 全 周 を 覆 い ，全 方 向 か ら の 物 体 接 近 を 検 知 で き る リ ン グ 状 セ ン サ を 考 案 し た ．こ れ は ，円 筒 側 面 を 覆 う 検 出 素 子 を ，抵 抗 回 路 網 の4辺 に 割 り 当 て ，xy軸 の 位 置 出 力 で 物 体 位 置 を 表 す る こ と に よ り，360度 全 方 位 か ら の 物 体 接 近 の 検 知 が 可 能 と なった ．

第5章 物 体 反 射 率・寸 法 に 依 存 し な い 距 離 計 測 法

  第5章 で は ，光 電 流 総 和 の 相 対 値 計 測 に よ り 検 出 物 形 状・反 射 特 性 の セ ン サ 距 離 出 力 へ の 影 響 を 軽 減 す る 補 償 手 法 を 提 案 し た ．本 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ は 検 出 素 子 群 の 光 電 流 に つ い て 総 和 を 出 力 す る こ と か ら ，単 体 で は 距 離 検 出 特 性 の 物 体 依 存 性 が 大 き い と い う 問 題 を 抱 え て い た ．こ の 問 題 に 対 し ， 検 出 素 子 の 光 軸 方 向 に 光 路 差 を 付 け た 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ を 設 け，両 者 の 検 出 電 流 比 に 着 目 す る こ と で ，検 出 対 象 物 の サ イ ズ と 反 射 率 の 影 響 を 軽 減 で き る こ と を 実 験 に よ り 示 し た ．

第6章 フォト ダ イ オ ー ド 受 光 型 へ の 拡 張

  第6章 で は ，さ ら な る 高 速 化 と フォト ト ラ ン ジ ス タ 以 外 の 検 出 素 子 へ の 応 用 性 を 確 認 す る た め ，受 光 素 子 と し てPIN型 フォト ダ イ オ ー ド を 用 い た 検 出 回 路 を 開 発 し た ．こ こ ま で 使 用 し た 抵 抗 回 路 網 を 基 礎 と し て ，マ イ ク ロ ア ン ペ ア オ ー ダ ー の 微 少 電 流 増 幅 を 行 う た め ，ト ラ ン ス イ ン ピ ー ダ ン ス 回 路 を 応 用 す る ．ト ラ ン ス イ ン ピ ー ダ ン ス 回 路 の 動 作 を 想 定 し 回 路 端 末 条 件 を 変 更 し た 変 形 例 に つ い て 解 析 を 行った ．ま たAC特 性 に つ い て も モ デ ル 化 を 行った 上 で 検 出 回 路 を 設 計 し ，そ の 応 答 特 性 と ，高 速 な 移 動 物 体（HDDス ピ

第7章 多 セ ン サ 共 存 を 考 慮 し た 変 調 方 式

  第7章 で は ，複 数 ロ ボット で の 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ 使 用 を 考 慮 し た 変 調 方 式 の 検 討 を 行った ．フォト ダ イ オ ー ド 受 光 型 セ ン サ ア レ イ に よ り 得 ら れ た 帯 域 幅 を 活 用 し ，ス ペ ク ト ラ ム 拡 散 変 調 を 応 用 し た 駆 動 ／ 信 号 処 理 方 式 を 用 い る こ と で ，セ ン サ シ ス テ ム 間 で の 協 調 が 不 要 な 複 数 セ ン サ 共 存 が 可 能 で あ る こ と を シ ミュレ ー ション お よ び 実 機 信 号 の 処 理 に よ り 示 し た ．

第8章 ロ ボット ハ ン ド へ の 応 用

  第8章 で は ，抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ の 持 つ 応 答 性 能 を 活 用 し た ロ ボット ハ ン ド シ ス テ ム に つ い て 述 べ た ．視 覚 セ ン サ に お い て オ ク ル ー ジョン が 顕 著 と な る 物 体 表 面 か ら 数 十mmの 至 近 距 離 で ，リ ア ル タ イ ム に 物 体 位 置 情 報 を 得 る こ と の で き る 当 セ ン サ を 利 用 し た ハ ン ド シ ス テ ム を 構 築 し た ．手 掌 お よ び 三 指 の 指 先 部 を 覆 う 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ に よ り，リ ア ル タ イ ム で の 手 先 位 置 お よ び 指 先 距 離 の 制 御 に よ る ア プ ロ ー チ・把 持 動 作 を 実 装 し ，500[mm/s]の 直 線 移 動 物 体 に 対 す る 追 従・捕 獲 を 達 成 し た ．

第9章 結 論

  第9章 で は ，当 研 究 の 成 果・結 論 を ま と め た 上 で ，今 後 の 課 題 と 展 望 に つ い て 述 べ る ．

i

目 次

1 序 論 1

1.1 ロ ボット に お け る 外 界 セ ン シ ン グ . . . . 1

1.2 従 来 研 究 . . . . 1

1.3 当 研 究 の 目 的 . . . . 7

1.4 本 論 文 の 構 成 . . . . 8

2 抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ の 動 作 原 理 11 2.1 概 要 . . . . 11

2.2 セ ン サ の 構 造 と 動 作 原 理 . . . . 12

2.2.1 検 出 素 子 の 座 標 系 . . . . 14

2.2.2 検 出 素 子 周 辺 の 回 路 と 基 礎 方 程 式 . . . . 15

2.2.3 抵 抗 ネット ワ ー ク の 境 界 条 件 . . . . 16

2.2.4 光 電 流 の １ 次 モ ー メ ン ト . . . . 16

2.2.5 総 電 流 と 重 心 位 置 . . . . 18

2.3 セ ン サ 出 力 の 解 釈 . . . . 19

2.3.1 光 電 流 分 布 と １ 次 モ ー メ ン ト の 関 係 . . . . 19

2.3.2 例 １：平 坦 な 円 盤 . . . . 20

2.3.3 例 ２：球 体 . . . . 21

2.3.4 例 ３：傾 斜 し た 平 板 . . . . 22

2.4 ま と め . . . . 23

3 抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ の 基 礎 特 性 25 3.1 概 要 . . . . 25

3.2 試 作 セ ン サ の 設 計 . . . . 25

3.2.1 フォト リ フ レ ク タ の 検 出 特 性 . . . . 25

3.2.2 検 出 素 子 の 配 置 . . . . 26

3.2.3 抵 抗 ネット ワ ー ク の 定 数 設 計 . . . . 28

3.2.4 演 算 回 路 . . . . 28

3.3 検 出 性 能 の 評 価 . . . . 30

3.3.1 1次 モ ー メ ン ト 出 力 の 確 認. . . . 30

3.3.2 位 置 検 出 特 性 . . . . 31

3.3.3 距 離 検 出 特 性 . . . . 32

3.3.4 過 渡 応 答 特 性 . . . . 33

3.4 考 察 . . . . 34

3.5 ま と め . . . . 40

4 抵 抗 ネット ワ ー ク の 派 生 形 態 41 4.1 概 要 . . . . 41

4.2 簡 略 型 回 路 網 . . . . 41

4.2.1 簡 略 型 ネット 状 近 接 覚 セ ン サ の 構 造 . . . . 41

4.2.2 簡 略 型 回 路 の 測 定 原 理 . . . . 42

4.3 中 空・全 方 位 セ ン サ . . . . 48

4.3.1 方 位 角 の 導 出 方 法 . . . . 50

4.3.2 回 路 構 造 . . . . 52

4.3.3 モ ジュー ル 化 . . . . 54

4.3.4 電 流 分 布 の 中 心 位 置 と 総 電 流 の 導 出 . . . . 55

4.4 ま と め . . . . 62

5 物 体 反 射 率・寸 法 に 依 存 し な い 距 離 計 測 法 65 5.1 概 要 . . . . 65

5.2 提 案 セ ン サ の 構 成 . . . . 67

5.3 検 出 特 性 評 価 . . . . 68

5.4 ま と め . . . . 71

6 フォト ダ イ オ ー ド 受 光 型 へ の 拡 張 73 6.1 概 要 . . . . 73

iii

6.2 フォト ダ イ オ ー ド 受 光 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ. . . . 73

6.2.1 動 作 原 理 . . . . 74

6.2.2 実 装 を 考 慮 し た 抵 抗 回 路 ト ポ ロ ジ の 選 択 . . . . 77

6.3 設 計 検 討 . . . . 78

6.3.1 初 段 用OPア ン プ の 選 定 . . . . 78

6.3.2 LED点 灯 制 御 部. . . . 78

6.3.3 SPICEシ ミュレ ー ション . . . . 79

6.3.4 試 作 セ ン サ . . . . 79

6.4 評 価 試 験 . . . . 85

6.4.1 位 置・距 離 応 答 特 性 . . . . 85

6.4.2 立 ち 上 が り 特 性 . . . . 86

6.4.3 移 動 物 体 追 従 特 性 . . . . 87

6.5 ま と め . . . . 89

7 多 セ ン サ 共 存 を 考 慮 し た 変 調 方 式 91 7.1 概 要 . . . . 91

7.2 ス ペ ク ト ラ ム 拡 散 の 原 理 . . . . 92

7.2.1 直 接 拡 散 . . . . 93

7.2.2 拡 散 符 号 . . . . 94

7.3 近 接 覚 セ ン サ へ の 適 用 検 討 . . . . 97

7.3.1 シ ミュレ ー ション に よ る 動 作 検 討 . . . . 98

7.4 実 機 信 号 を 使 用 し た 信 号 処 理 系 の 構 築. . . . 98

7.4.1 セ ン サ ハ ー ド ウェア . . . . 98

7.4.2 計 測・信 号 処 理 プ ロ グ ラ ム . . . . 102

7.5 外 乱 光 へ の 耐 性 . . . . 103

7.5.1 低 周 波 外 乱 光 . . . . 103

7.5.2 変 調 光 . . . . 103

7.6 複 数 セ ン サ の 共 存 . . . . 105

7.7 ま と め . . . . 106

8 ロ ボット ハ ン ド へ の 応 用 111

8.1 背 景 . . . . 111

8.2 セ ン サ 搭 載 指 先 の 設 計 と 試 作 . . . . 113

8.2.1 指 先 用 セ ン サ の 設 計 . . . . 113

8.2.2 触 覚・近 接 覚 セ ン サ 搭 載 指 . . . . 114

8.2.3 指 先 セ ン サ の 基 礎 検 出 特 性 . . . . 115

8.3 ロ ボット ハ ン ド シ ス テ ム . . . . 117

8.4 移 動 物 体 捕 獲 動 作 . . . . 118

8.4.1 手 首 位 置 の 調 整 . . . . 120

8.4.2 指 先 距 離 の 調 整 . . . . 121

8.4.3 3指 で の ア プ ロ ー チ 動 作 . . . . 123

8.4.4 接 触 相 で の 制 御 . . . . 123

8.5 実 験 結 果 . . . . 126

8.6 考 察 . . . . 126

8.6.1 手 首 位 置 制 御 . . . . 126

8.6.2 指 先 距 離 制 御 . . . . 127

8.6.3 ア プ ロ ー チ 動 作 . . . . 130

8.6.4 接 触 相 . . . . 131

8.7 ま と め . . . . 131

9 結 論 133 9.1 本 研 究 の ま と め . . . . 133

9.2 今 後 の 課 題 . . . . 135

9.2.1 各 種 要 素 技 術 を 統 合 し た 実 機 シ ス テ ム の 開 発 . . . . 135

9.2.2 視 覚 セ ン サ と の セ ン サ フュー ジョン . . . . 136

9.2.3 動 作 計 画 ア ル ゴ リ ズ ム と の 統 合 . . . . 136

謝 辞 137

参 考 文 献 139

v

A 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ へ の レ イ ト レ ー シ ン グ 法 の 適 用 145

A.1 ネット 状 近 接 覚 セ ン サ の 設 計 . . . . 145

A.2 レ イ ト レ ー シ ン グ 法 . . . . 148

A.2.1 光 線 追 跡 法 の 画 像 合 成 分 野 で の 利 用 . . . . 149

A.3 フォト セ ン サ ア レ ー 構 造 に 対 す る レ イ ト レ ー シ ン グ 法 の 適 用 . . 150

A.3.1 光 線 の 追 跡 方 向 に 関 し て . . . . 150

A.3.2 ネット 状 近 接 覚 セ ン サ 出 力 の 算 出 方 法 . . . . 151

A.3.3 レ イ ト レ ー シ ン グ の 流 れ . . . . 151

A.4 シ ミュレ ー ション モ デ ル . . . . 151

A.4.1 投 受 光 部 の シ ミュレ ー ション モ デ ル . . . . 157

A.4.2 反 射 の シ ミュレ ー ション モ デ ル . . . . 161

A.4.3 シ ミュレ ー ション 精 度 に 関 し て . . . . 165

B 対 象 物 面 姿 勢 検 出 に 適 し た ロ ボット ハ ン ド 指 先 セ ン サ の 設 計 167 B.1 ロ ボット ハ ン ド 指 先 の ネット 状 近 接 覚 セ ン サ . . . . 167

B.1.1 対 象 物 面 の 傾 き と 光 電 流 分 布 の 中 心 位 置 の 関 係 . . . . 167

B.1.2 姿 勢 出 力 を 利 用 し た ハ ン ド 指 先 姿 勢 制 御 . . . . 169

B.2 指 先 セ ン サ の 設 計 検 討 課 題 . . . . 169

B.3 設 計 検 討 の 流 れ . . . . 171

B.4 光 学 素 子 配 置・指 向 性 に 関 す る 検 討 . . . . 171

B.4.1 素 子 指 向 性 が セ ン サ 姿 勢 出 力 特 性 に 与 え る 影 響 の 検 討 . . 171

B.4.2 フォト リ フ レ ク タ 単 素 子 の 距 離 出 力 特 性 シ ミュレ ー ション 175 B.4.3 素 子 数 と 姿 勢 出 力 特 性 に 関 す る 検 討 . . . . 178

B.4.4 ま と め . . . . 179

B.5 新 規 ハ ン ド 指 先 セ ン サ の 設 計 . . . . 180

B.5.1 素 子 傾 斜 角 度δの 検 討. . . . 181

B.5.2 ハ ン ド 指 先 長 軸 方 向 素 子 数 の 検 討 . . . . 185

B.5.3 フォト リ フ レ ク タ 並 列 接 続 に 関 す る 検 討 . . . . 186

B.6 製 作 し た 指 先 . . . . 186

B.7 シ ミュレ ー ション 検 証 実 験 . . . . 187

B.7.1 実 験 方 法 . . . . 187

B.7.2 実 験 結 果 . . . . 192

B.7.3 従 来 の 指 先 セ ン サ と の 比 較 . . . . 194

B.8 ま と め . . . . 196

vii

図 目 次

1.1 近 接 覚 セ ン サ ベ ー ス ト 制 御 の 概 念 図 . . . . 2

1.2 Johnstonに よ る 光 学 式 近 接 覚 セ ン サ ^[1] . . . . 3

1.3 Bonenに よ る 光 学 式 近 接 覚 セ ン サ^[2] . . . . 3

1.4 Balek ら に よ る グ リッパ 搭 載 型 近 接 覚 セ ン サ^[3] . . . . 3

1.5 “RI-MAN”に 搭 載 さ れ た 8x8 マ ト リ ク ス 型 近 接 覚 セ ン サ ^{[4, 5]} . . . . 4

1.6 Leeら に よ る 近 接・触 覚 複 合 型 セ ン サ ^[6] . . . . 5

1.7 Kimら に よ るµ-ILED arrays ^[7] . . . . 6

1.8 大 村 ら の“切 り 貼 り 触 覚 セ ン サ” ^[8] . . . . 6

1.9 高 速 多 指 ロ ボット ハ ン ド を 用 い た す べ り 検 出 に 基 づ く 把 持 力 調 節 ^[9] . . . . 8

1.10 本 論 文 の 構 成 と 研 究 課 題 と の 関 連 . . . . 9

2.1 抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ の 構 造 . . . . 12

2.2 検 出 素 子 の 座 標 と 抵 抗 ネット ワ ー ク の 境 界 条 件 . . . . 13

2.3 検 出 素 子（ フォト ト ラ ン ジ ス タ ）近 傍 の 等 価 回 路 . . . . 14

2.4 セ ン サ 位 置 出 力 と 物 体 位 置 の 関 係 . . . . 19

2.5 位 置 出 力 x_o と 平 面 の 傾 き の 関 係 . . . . 22

3.1 試 作 し た 5×5素 子 抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ . . . 27

3.2 RPR-220に お け る ピ ー ク コ レ ク タ 電 流 の 個 体 差 分 布（1000素 子, LED順 電 流I_f = 40 [mA] ） . . . . 27

3.3 演 算 回 路 の 構 成 . . . . 29

3.4 基 礎 検 出 特 性 評 価 に も ち い た 試 験 装 置. . . . 29

3.5 対 角2素 子 反 応 に よ る 電 流 一 次 モ ー メ ン ト 出 力 機 能 の 確 認 . . . . 31

3.6 各 検 出 点 直 上 で の 位 置 出 力 応 答 特 性 . . . . 32

3.7 距 離 出 力 特 性 . . . . 33

3.8 LED点 灯・消 灯 時 に お け るI_all 過 渡 応 答 特 性 . . . . 35

3.9 ヒュー マ ン イ ン タ ー フェー ス と し て の 使 用 例 と 三 次 元 軌 道 の 出 力 36 3.10 移 動 物 体 追 従 実 験 の 様 子 . . . . 37

3.11 1000 mm/sで 移 動 す る 物 体 の 軌 跡x_c(t)と セ ン サ 位 置 出 力x_o(t)の 比 較 . . . . 38

4.1 簡 略 型 ネット 状 近 接 覚 セ ン サ の 構 造 . . . . 42

4.2 簡 略 型 近 接 覚 セ ン サ 座 標 系 . . . . 43

4.3 セ ン サ を 円 筒 に 巻 き 付 け る よ う に 実 装 し た 場 合 に 発 生 す る 継 ぎ 目 . . . . 49

4.4 物 体 に よ る 位 置 出 力(a) 特 異 点 以 外 / (b) 特 異 点 付 近 . . . . 49

4.5 全 方 位 ネット 状 近 接 覚 セ ン サ . . . . 51

4.6 セ ン サ の 実 装 方 法 . . . . 51

4.7 検 出 素 子 の 円 筒 配 置 と 位 置 出 力 の 関 係. . . . 53

4.8 位 置 出 力 (x_c, y_c)か ら 方 位 角 出 力ϕへ の 変 換 . . . . 53

4.9 中 心 部 の 内 部 配 線 を 省 略 し た セ ン サ 回 路 . . . . 55

4.10 回 路 の モ ジュー ル 化 . . . . 56

4.11 セ ン サ 座 標 系 . . . . 57

4.12 移 動 ロ ボット 用 全 方 位 近 接 覚 セ ン サ の 外 観 . . . . 63

5.1 距 離 オ フ セット を 使 用 し た 反 射 率 補 償 の 原 理. . . . 66

5.2 距 離 出 力 の 物 体 反 射 率 依 存 性 . . . . 66

5.3 提 案 す る 二 層 化 近 接 覚 セ ン サ の 外 観 . . . . 67

5.4 提 案 手 法 に よ る 処 理 前 の 総 電 流 出 力 . . . . 69

5.5 距 離 に よ る 電 流 比 の 変 化（ 反 射 率 が 異 な る 場 合 ） . . . . 69

5.6 距 離 に よ る 電 流 比 の 変 化（ 物 体 形 状・寸 法 が 異 な る 場 合 ） . . . . 70

5.7 各 種 対 象 物 に 対 す る 距 離 推 定 結 果 の 比 較 . . . . 70

6.1 フォト ダ イ オ ー ド 型 ネット 状 近 接 覚 セ ン サ. . . . 74

6.2 ト ラ ン ス イ ン ピ ー ダ ン ス 回 路 に よ る 電 流 ／ 電 圧 変 換. . . . 75

ix

6.3 応 答 特 性 シ ミュレ ー ション モ デ ル (Sheet 1/2) . . . . 80

6.4 応 答 特 性 シ ミュレ ー ション モ デ ル (Sheet 2/2) . . . . 81

6.5 ス テップ 応 答 シ ミュレ ー ション . . . . 82

6.6 試 作 セ ン サ 外 観 . . . . 82

6.7 フォト ダ イ オ ー ド 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ の 回 路 図 (1/2) . . . . 83

6.8 フォト ダ イ オ ー ド 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ の 回 路 図 (2/2) . . . . 84

6.9 距 離・位 置 出 力 特 性 . . . . 85

6.10 位 置 出 力 特 性 . . . . 86

6.11 試 作 セ ン サ ア レ イ に お け るLED駆 動 パ ル ス 入 力 応 答 . . . . 87

6.12 移 動 物 体 追 従 特 性（ 各 出 力 の 時 間 変 化 ） . . . . 88

6.13 移 動 物 体 追 従 特 性（ 物 体 軌 道 ） . . . . 88

7.1 直 接 拡 散 型 通 信 機 の 構 成 . . . . 93

7.2 n次 のM系 列 発 生 回 路. . . . 94

7.3 Gold符 号 発 生 器. . . . 97

7.4 セ ン サ 二 系 統 共 存 時 の シ ミュレ ー ション モ デ ル. . . . 99

7.5 シ ミュレ ー ション 結 果：2セ ン サ 共 存 時・直 接 光 の 入 射 を 想 定 . . . 100

7.6 フォト ダ イ オ ー ド 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ（ ス ペ ク ト ラ ム 拡 散 変 調 対 応 化 改 造 後 ） . . . . 102

7.7 直 接 ス ペ ク ト ラ ム 拡 散 実 験 用VIの 全 体 図 . . . . 104

7.8 外 乱 光 耐 性 の 確 認（20W白 熱 電 球 外 乱 ） . . . . 105

7.9 動 作 波 形（20W白 熱 電 球 外 乱 ） . . . . 106

7.10 TOF式 距 離 画 像 セ ン サ に よ る 外 乱 光 耐 性 の 確 認. . . . 107

7.11 TOFセ ン サ 外 乱 下 で の 近 接 覚 セ ン サ の 動 作 波 形. . . . 107

7.12 外 乱 光 源（TOFセ ン サ 変 調 光 ）の 距 離 に よ る 近 接 覚 セ ン サ 出 力 に お け るSNRの 変 化 . . . . 108

7.13 近 接 覚 セ ン サ2系 統 同 時 動 作 の 様 子 . . . . 108

7.14 セ ン サ 間 距 離50mm時 の セ ン サ 動 作 波 形 . . . . 109

8.1 把 持 動 作 に お け る 近 接 覚 セ ン シ ン グ の 位 置 づ け. . . . 112

8.2 試 作 し た 触 覚・近 接 覚 セ ン サ 搭 載 指 の 外 観 . . . . 114

8.3 距 離 検 出 特 性 . . . . 116

8.4 位 置 検 出 特 性 . . . . 116

8.5 多 指 ロ ボット ハ ン ド シ ス テ ム の 構 成 . . . . 118

8.6 3指8自 由 度 ロ ボット ハ ン ド と 各 セ ン サ の 搭 載 位 置 . . . . 119

8.7 補 正 後 の 総 電 流–距 離 特 性 . . . . 122

8.8 指 先–物 体 表 面 間 距 離 制 御 動 作 の 様 子 . . . . 124

8.9 セ ン サ 出 力 と 指 先 水 平 方 向 変 位 の 変 化. . . . 125

8.10 追 従・捕 獲 動 作 中 の 指 先 近 接 覚 セ ン サ の 出 力 変 化（ 各 指 に お け る 距 離 推 定 値 ） . . . . 127

8.11 追 従・捕 獲 動 作 中 に お け る 触 覚 セ ン サ 出 力 の 時 間 変 化. . . . 128

8.12 追 従・捕 獲 動 作 の 流 れ . . . . 129

A.1 反 射 光 分 布 の 中 心 位 置 の 解 釈 . . . . 146

A.2 反 射 光 分 布-対 象 物 距 離 . . . . 146

A.3 ネット 状 近 接 覚 セ ン サ の 設 計 パ ラ メ ー タ. . . . 147

A.4 画 像 合 成 に お け る レ イ ト レ ー シ ン グ . . . . 149

A.5 光 線 追 跡 シ ミュレ ー ション の 概 要 . . . . 152

A.6 簡 易 フ ロ ー チャー ト1 . . . . 153

A.7 簡 易 フ ロ ー チャー ト2 . . . . 154

A.8 ファー フィー ル ド と ニ ア フィー ル ド . . . . 157

A.9 LED点 光 源 モ デ ル . . . . 158

A.10球 受 光 部・円 板 受 光 部 モ デ ル . . . . 159

A.11θ_inの 計 算 . . . . 160

A.12コ サ イ ン コ レ ク タ の 外 観 . . . . 160

A.13二 次 光 線 追 跡 . . . . 161

A.14反 射 点Bか ら 出 射 さ れ る 光 線 . . . . 162

A.15拡 散 反 射 モ デ ル . . . . 163

A.16乱 数 に よ る 完 全 拡 散 反 射 の モ デ ル . . . . 165

B.1 指 先 セ ン サ . . . . 168

B.2 対 象 物 の 傾 き と 反 射 光 分 布 中 心 位 置 の 関 係. . . . 168

xi

B.3 ロ ボット ハ ン ド へ の ネット 状 近 接 覚 セ ン サ の 実 装 . . . . 169

B.4 ピッチ 方 向 の 姿 勢 出 力 情 報 . . . . 170

B.5 ヨ ー 方 向 の 姿 勢 出 力 情 報 . . . . 170

B.6 光 学 素 子 指 向 性-姿 勢 出 力 特 性 シ ミュレ ー ション 条 件 . . . . 172

B.7 半 値 角（Half Value Angle，HVA）：光 学 素 子 の 指 向 性 . . . . 172

B.8 指 向 性-姿 勢 出 力 特 性 の 変 化 . . . . 173

B.9 対 象 物-セ ン サ の 距 離・姿 勢 の 関 係 . . . . 174

B.10 焦 点 距 離（OMRON社 製 フォト リ フ レ ク タEESY-1200） . . . . 175

B.11 フォト リ フ レ ク タ 焦 点 距 離 シ ミュレ ー ション 条 件. . . . 176

B.12 フォト リ フ レ ク タ 単 素 子 焦 点 距 離 シ ミュレ ー ション 結 果 . . . . 176

B.13 セ ン サ 検 出 素 子 の 配 置 と 呼 称 の 対 応 . . . . 178

B.14 分 割 数 が 増 加 す る 行 方 向 の 姿 勢 出 力 . . . . 178

B.15 分 割 数 が 変 化 し な い 列 方 向 の 姿 勢 出 力. . . . 179

B.16 新 規 に 製 作 す る ハ ン ド 指 先 形 状 . . . . 180

B.17 提 案 す る 指 先 素 子 配 置 案 . . . . 181

B.18 傾 斜 角 度δの 検 討. . . . 182

B.19 素 子 傾 斜 角 度δ-姿 勢 出 力 特 性 . . . . 182

B.20 各 距 離dに お け る 素 子 傾 斜 角 度δ-姿 勢 出 力 特 性. . . . 183

B.21 傾 斜 角 度δと 距 離 出 力 特 性 の 検 討 . . . . 184

B.22 素 子 傾 斜 角 度δ-距 離 出 力 特 性 . . . . 184

B.23 ハ ン ド 指 先 セ ン サ シ ミュレ ー ション 条 件 . . . . 185

B.24 素 子 数 と 指 先 姿 勢 に 対 す る 距 離 出 力 特 性 . . . . 186

B.25 フォト リ フ レ ク タ 並 列 接 続 . . . . 187

B.26 距 離 出 力 変 動 係 数-指 腹 部 素 子 間 隔ψ . . . . 188

B.27 新 規 製 作 し た ハ ン ド 指 先 セ ン サ . . . . 188

B.28 距 離 出 力 特 性 実 験 装 置 . . . . 189

B.29 ロ ー ル 角 姿 勢 出 力 特 性 実 験 装 置 . . . . 190

B.30 距 離 出 力 特 性 実 験 装 置 . . . . 191

B.31 距 離 出 力 特 性 実 験 結 果-シ ミュレ ー ション 結 果 比 較 . . . . 192

B.32 ロ ー ル 角 姿 勢 出 力 特 性 実 験 結 果-シ ミュレ ー ション 結 果 比 較 . . . . 192

B.33 ピッチ 角 姿 勢 出 力 特 性 実 験 結 果-シ ミュレ ー ション 結 果 比 較 . . . . 193 B.34 ピッチ 角 回 転 距 離 出 力 特 性-シ ミュレ ー ション 結 果 比 較 . . . . 193 B.35 セ ン サ 回 転 中 心 の 差 異 . . . . 195 B.36 ロ ー ル 方 向 姿 勢 出 力 比 較 . . . . 195

xiii

表 目 次

3.1 ROHM RPR-220の 代 表 特 性 . . . . 26

4.1 8パ タ ー ン の モ ジュー ル. . . . 56

7.1 Gold符 号 生 成 の た め のPreferred Pair (n= 5· · ·13)^[10] . . . . 96

7.2 シ ミュレ ー ション モ デ ル に お け る 設 計 パ ラ メ ー タ . . . . 101

8.1 制 御 装 置 の 構 成 . . . . 120

B.1 d= 5mmに お け る 姿 勢 出 力 の 反 転 (反 転 し な い：○ 反 転：×) . . . 173

B.2 変 動 係 数 . . . . 185

第 1 章 序論

1.1 ロ ボット に お け る 外 界 セ ン シ ン グ

ロ ボット と 人 間 の 共 存 を 実 現 す る 上 で ，多 様 で 変 化 す る 環 境 で ，安 全 か つ 実 用 的 な 速 度 で 作 業 を 行 え る こ と は 必 須 の 機 能 で あ る ．そ の た め に ，外 界 セ ン サ に よ る 環 境 の 検 出 と 認 識 が 行 わ れ る が ，大 別 す る と 非 接 触（ 視 覚・距 離・測 域 ）セ ン サ と 接 触（ 力 覚・触 覚 ）セ ン サ が 使 用 さ れ る ．し か し ，ロ ボッ ト の 至 近 距 離 に 物 体 が 存 在 し ，か つ 非 接 触 の 場 合 こ の2種 類 の 組 み 合 わ せ で は 物 体 の 見 落 と し が 生 じ て し ま う．カ メ ラ 等 の 視 覚 セ ン サ は 視 野 の 制 限 や オ ク ル ー ジョン の 発 生 に よ る 視 覚 情 報 の 欠 落 を 生 じ ，ま た 検 出 原 理 上 ，力 覚・触 覚 セ ン サ で は 接 触 力 の 働 か な い 状 態 で は 一 切 情 報 が 得 ら れ な い た め で あ る ．こ う いった 情 報 の 欠 落 の た め ，複 雑 な 環 境 下 で ロ ボット が 安 全 か つ 素 早 く 動 作 す る こ と は 困 難 で あ る ．

さ ら に ，ロ ボット 近 傍 に 存 在 す る 物 体 が 運 動 す る 場 合 ，そ のTime to Contact が 短 い こ と か ら ，行 動 を 決 定 し 実 行 す る（ 例 え ば 回 避 す る ，一 定 距 離 を 保 ち 追 従 す る ，柔 ら か く 接 触 す る ，衝 撃 力 を 与 え る な ど ）う え で の 時 間 的 余 裕 が 短 い と い う 問 題 が あ る ．こ の た め と く に 把 持 や マ ニ ピュレ ー ション に お い て は 物 体 と ロ ボット の 相 対 位 置 を 素 早 く 得 る こ と が 重 要 と な る ．

1.2 ^{従 来 研 究}

こ の 接 触–非 接 触 の 中 間 領 域 で の 物 体 検 出 の た め ，近 接 覚 セ ン サ が 一 般 に 用 い ら れ て い る ．近 接 覚 セ ン サ と は 数 セ ン チ メ ー ト ル 内 の 至 近 距 離 へ の 物 体 接 近 を 検 知 す る セ ン サ で あ り，赤 外 線 ，超 音 波 ，渦 電 流 ，静 電 容 量 な ど 各 種 の 検 出 方 式 が 提 案 さ れ て い る ．マ ニ ピュレ ー タ に お け る 近 接 覚 セ ン サ

2

contactNon-

Contact

(a)Past System (b)Proposed System

Occlusion Shadow Vision

Tactile

?

Vision

Proximity

Tactile Slip

図1.1 近 接 覚 セ ン サ ベ ー ス ト 制 御 の 概 念 図

フィー ド バック の 先 行 研 究 は ，古 く は1970年 代 よ り 報 告 さ れ て い る ．Johnston^[1]

やBonenら^[2]ら に よ る グ リッパ 先 端 へ の 取 付 を 目 指 し た 光 学 式 セ ン サ ヘッド，

Schoenwald^[11]ら に よ る 超 音 波 セ ン サ を 備 え た マ ニ ピュレ ー タ や ，Balek^[3]ら に よ る セ ン サ ベ ー ス ト 制 御 が 提 案 さ れ た ．

ま た 近 年 で は ，な ぞ り 動 作 に 基 づ く 物 体 形 状 の 認 識^{[12, 13]}，電 界 検 出 に よ る pre-touchセ ン シ ン グ を 用 い た 多 指 ハ ン ド に よ る 物 体 追 従^{[14, 15]}や ，光 学 式 近 接 覚 セ ン サ と 確 率 論 的 セ ン サ モ デ ル を 組 み 合 わ せ た 反 射 的 把 持 制 御^[16]が 報 告 さ れ て い る ．

こ れ ら の 方 式 に 加 え ，Volpeら が 宇 宙 用 マ ニ ピュレ ー タ へ の 応 用 を 想 定 し た 比 較 検 討^[17]の 中 で 挙 げ た よ う に ，赤 外 光（ 照 度 ，time-of-flight^[18]，三 角 測 量

[19]），超 音 波 ，静 電 容 量^[6]な ど が 使 用 さ れ て い る ．

し か し な が ら こ れ ら の セ ン サ の ほ と ん ど は ，単 一 の 検 出 部 に 正 対 す る 限 ら れ た 領 域 内 で の 物 体 検 知 の み を 行 う こ と が で き る ．そ れ ゆ え ，た と え ば ロ ボット ハ ン ド の 指 先 ，マ ニ ピュレ ー タ，さ ら に は ロ ボット 全 身 に 検 出 範 囲 を 広 げ る 場 合 ，多 数 の 検 出 点 を 効 率 的 に 統 合 す る こ と が 必 要 と な る ．こ の よ う

図1.2 Johnston に よ る 光 学 式 近 接 覚 セ ン サ ^[1]

図1.3 Bonenに よ る 光 学 式 近 接 覚 セ ン サ^[2]

図1.4 Balek ら に よ る グ リッパ 搭 載 型 近 接 覚 セ ン サ ^[3]

4

図1.5 “RI-MAN”に 搭 載 さ れ た8x8 マ ト リ ク ス 型 近 接 覚 セ ン サ ^{[4, 5]}

な 課 題 は 触 覚 セ ン サ と 共 通 す る も の で あ り，一 般 に は マ ト リ ク ス ス キャン ， 組 み 込 み コ ン ト ロ ー ラ，フィー ル ド ネット ワ ー ク の 組 み 合 わ せ に よ り 実 現 さ れ る ．多 数 の タ ク セ ル(Taxel:触 覚 に お け る 単 一 の 検 出 点 の こ と)を 統 合 し た ロ ボット 皮 膚 の シ ス テ ム 化 と し て は 以 下 の も の が 報 告 さ れ て い る ．^[20],^[21].

向 井・小 田 島 ら は 介 護 支 援 ロ ボット“RI–MAN”の 開 発 に お い て ，人 と 直 接 接 す る 抱 え 上 げ 動 作 と い う 高 い 安 全 性 を 実 現 す る た め ，柔 軟 な 表 面 に 内 蔵 で き る 面 状 触 覚 セ ン サ シ ー ト を 開 発 し た^{[4, 5]}．64個 の 圧 力 セ ン サ 素 子（ フ ジ ク ラ FPBS-04A）を ア レ イ 状 に 配 置 し ，分 散 配 置 さ れ た コ ン ト ロ ー ラ に よ り 計 測 が 行 わ れ る ．RI-MANで は ，こ の セ ン サ シ ー ト を5カ 所（ 上 腕・前 腕・胸 前 面 ）に 備 え ，各 セ ン サ よ り0次 ，1次,2次 の 接 触 力 モ ー メ ン ト を 得 て 運 動 を 制 御 し て い る ．

一 方 で ，近 接 覚 セ ン サ に お け る 同 様 の 取 り 組 み は 少 な い ．Leeら は ， PDMS(Polydimethylsiloxane)上 に16×16個 の 電 極 マ ト リ ク ス を 形 成 し た 静 電 容 量 型 触 覚・近 接 覚 複 合 セ ン サ を 開 発 し た^[6]．22mm角 の 検 出 部 に ，直 交 す る 16列 の 電 極 群 を 形 成 す る こ と で ，接 触 力 に よ る 変 形 か ら 生 じ た 静 電 容 量 の

図1.6 Lee ら に よ る 近 接・触 覚 複 合 型 セ ン サ ^[6]

変 化 に よ る 触 覚 セ ン シ ン グ と ，電 極-物 体 間 に 生 じ る 静 電 結 合 に よ り 近 接 覚 セ ン シ ン グ を 実 現 し て い る ．文 献^[12]でWalkerら が 使 用 し た 指 先 が ，複 数 本 の 光 ファイ バ に つ い て 一 端 を 指 の 周 囲 に 並 べ た 検 出 部 を 構 成 し ，他 端 をCMOS イ メ ー ジ セ ン サ に 結 合 す る こ と で ，36点 の 分 布 型 近 接 覚 セ ン サ を 構 成 し て い る ．

ま た ，Kimら は ，S字 型 の 銅 箔 にLED・フォト ダ イ オ ー ド を フ リップ チップ 実 装 し ，PDMSに 封 入 す る こ と で ，防 水 か つ 伸 縮 可 能 なLEDア レ イ 光 学 式 近 接 覚 セ ン サ を 構 成 す る こ と に 成 功 し て い る^[7]．

以 上 に 加 え て ，触 覚 セ ン サ シ ス テ ム の 中 に も ，原 理 上 近 接 覚 セ ン サ へ の 展 開 が 容 易 な も の も 存 在 す る ．特 に 大 村 ら の ，“切 り 貼 り 触 覚 セ ン サ”（ 図 1.8）^[8]は ，等 身 大 ヒュー マ ノ イ ド ロ ボット の 全 身 に1800ヶを 超 え る 触 覚 セ ン サ

6

2 mm

1.0 Flat Inflated

Strain (%)

Meridional Circumferential 0.8

0.6

Current (mA)

0.4 0.2 Initial 0

Horizontal: ~48%

Diagonal: ~46%

Released

1.0 40

3035 25 2 0 0.8

0.6

Current (mA) V at I = 20 µA (V)

0.4 0.2 0

10 20 30 40

0 Voltage (V) 50 1 10 10² 10³ 10⁴ Cycle 10⁵

0 10 20 30

Voltage (V)40 0 10 20 30 40

50 60

a d e

f g

b

c

5 mm Flat

Ag paste

Inflated

Flat

Inflated

500 µm l

a n o g a i D l

a t n o zi r o H

Stretched, ~48% Stretched, ~46%

200 µm

1 mm

n p

図1.7 Kimら に よ るµ-ILED arrays ^[7]

Urethane

An urethane foam

A flexible Substrate Photo reflectors

Analog Signal1

LED Switch 1

LED Switch 2

Analog Signal2 Analog

Signal3 Analog Signal4 Vcc

(a) Tactile sensor element.

(b) Scanning control. (c) Installed tactile sensor sheet consisting of 120 sensing elements.

図1.8 大 村 ら の“切 り 貼 り 触 覚 セ ン サ”^[8]

を 実 装 す る た め ，モ ジュー ル 性 の 高 い シ ス テ ム 構 成 と ，櫛 形 形 状 の フ レ キ シ ブ ル 基 板 に よ り 装 着 部 位 の 曲 面 に 合 わ せ て セ ン サ エ レ メ ン ト の 配 置 を 調 節 で き る 形 状 を 備 え て い る ．検 出 原 理 と し て 光 反 射 に よ る 変 形 検 出 を 行 う 事 か ら ，検 出 エ レ メ ン ト 内 の フォト リ フ レ ク タ を 外 部 に 開 放 す る こ と で ，近 接 覚 セ ン サ へ の 応 用 が 可 能 と 考 え ら れ る ．

し か し な が ら ，変 化 す る 環 境 中 で の 高 速 な 動 作 を 実 現 す る 観 点 か ら は ，こ れ ら の 一 般 的 な 手 法 は 最 適 と は い え な い ．な ぜ な ら ，こ れ ら の 方 式 で は 分 布 情 報 の 空 間 的 な 密 度・分 解 能 に は 優 れ る 一 方 で ，測 定 点 数 に 応 じ て 膨 大 な 配 線 数 ，デ ー タ 取 得・処 理 時 間 ，転 送 の た め の 通 信 帯 域 な ど 多 く の 技 術 的 課 題 を 抱 え て い る た め で あ る ．こ の 問 題 点 に よ り，フィー ド バック を 伴った 高 速 な 動 作 を 実 現 す る 上 で 重 要 と な る ，近 接 領 域 で の 環 境 情 報 を 低 遅 延 で 取 得 す る こ と は 困 難 で あ る ．

こ れ ま で ，著 者 ら の グ ル ー プ で は ，1000フ レ ー ム 毎 秒 の 高 速 ア ク ティブ ビ ジョン セ ン サ とCenter-of-Pressure (CoP) 触 覚 セ ン サ に よ る セ ン サ フィー ド バッ ク を 組 み 合 わ せ た 超 高 速 マ ニ ピュレ ー ション シ ス テ ム の 研 究 を 行って き た ．こ の シ ス テ ム で は ，視 覚・触 覚 セ ン サ ー フィー ド バック に よ る1ミ リ 秒 周 期 で の 制 御 サ イ ク ル を 実 現 し ，こ れ ま で に 高 速 ペ ン 回 し^[22]や す べ り 検 出 に 基 づ く 把 持 力 調 節^[9]と いった タ ス ク を 達 成 し て き た ．し か し な が ら ，視 触 覚 フィー ド バック に よ る マ ニ ピュレ ー ション で は ，近 接 領 域 で の 情 報 欠 落 が 致 命 的 で あ り，と く に 把 持 動 作 に お け る 非 接 触–接 触 状 態 間 の 移 行 に 課 題 を 残 し て い た ．

こ の よ う な 速 度 領 域 で 実 用 的 な 面 状 近 接 覚 セ ン サ と そ の 計 測 シ ス テ ム は ， こ こ ま で 挙 げ た 既 存 の 各 種 ア プ ロ ー チ の み で は 実 現 困 難 と い え る ．

1.3 当 研 究 の 目 的

当 研 究 で は 以 上 の 問 題 点 を 踏 ま え ，高 速 動 作 す る ロ ボット に 適 し た 高 速 応 答 を 実 現 す る 近 接 覚 セ ン サ の 構 成 方 式 と し て ，“抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ”を 提 案 す る ．抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ は ア レ イ 状 に 配 置 し た 反 射 型 赤 外 線 セ ン サ（ フォト リ フ レ ク タ ）と そ れ ら を 結 合 す る 抵 抗 回 路 網 に よ り 構 成 さ れ ，光 電 流 分 布 の1次 モ ー メ ン ト を 算 出 す る こ

8

Finger1

Plastic Bottle Laser Displacement Sensor

Finger2

Finger2 Finger1

Laser Displacement Sensor

CoP Sensor

Plastic Bottle (weight:100[g],150[g],200[g])

図1.9 高 速 多 指 ロ ボット ハ ン ド を 用 い た す べ り 検 出 に 基 づ く 把 持 力 調 節 ^[9]

と で 近 接 領 域 で の 物 体 位 置 に つ い て ，素 子 個 数 に 依 存 せ ず1ミ リ 秒 以 内 の 応 答 時 間 を 達 成 す る ．本 論 文 で は そ の 基 礎 的 な 検 出 原 理 と ，実 環 境 で 動 作 す る ロ ボット 実 機 に 応 用 す る 上 で の 各 種 問 題 に つ い て 解 決 策 を 提 案 し ，高 速 か つ 実 用 的 な 近 接 覚 セ ン サ の 構 成 方 法 を 提 供 す る ．

1.4 本 論 文 の 構 成

本 論 文 は 全9章 で 構 成 さ れ ，各 章 の 概 要 は 下 記 の 通 り で あ る ．

第1章 で は ，自 律 ロ ボット の 制 御 に お け る 近 接 覚 セ ン サ の 重 要 性 に つ い て 論 じ る ．ま た ，関 連 す る 先 行 研 究 に つ い て 紹 介 し ，そ れ ら の 問 題 点 に つ い て 整 理 し た 後 ，提 案 す る セ ン サ シ ス テ ム の 位 置 づ け と 研 究 目 的 に つ い て 述 べ る ．

第2章 で は ，当 研 究 の 基 礎 と な る“抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ”方 式 の 構 造 と 動 作 原 理 を 示 す．

第3章 で は ，動 作 原 理 を 確 認 す る た め ，5×5素 子 の セ ン サ を 設 計・試 作 し ， そ の 基 礎 的 検 出 特 性 の 確 認 を 行った ．

第２章 抵抗ネットワーク型 近接覚センサアレイの

動作原理

第３章 抵抗ネットワーク型 近接覚センサアレイの

基礎特性の確認 第４章

抵抗ネットワークの 派生形態

第５章 物体反射率・寸法に 依存しない距離計測法

第６章 フォトダイオード

受光型への拡張

第７章 多センサ共存を 考慮した変調方式

Appendix A 近接覚センサアレイへの

レイトレーシング法の 適用

Appendix B 対象物面姿勢検出に 適したロボットハンド

指先センサの設計 第８章 ロボットハンド

への応用

・外乱耐性

・多チャンネル共存

・応答速度向上

・異なる物理量

・大面積化

・３６０°継ぎ目なし

・特性の事前予測

・多様な物体への対応

・作業に適した検出特性 の実現

・センサ出力を活用する 制御システム

図1.10 本 論 文 の 構 成 と 研 究 課 題 と の 関 連

第4章 で は ，近 接 素 子 の 出 力 統 合 に 用 い る 抵 抗 ネット ワ ー ク に つ い て 変 形 を 行 い ，種々の 応 用 に 適 し た 派 生 形 態 を 示 す．

第5章 で は ，赤 外 線 反 射 に 基 礎 を と す る 当 セ ン サ に お け る ，相 対 値 計 測 に よ る 反 射 特 性 の 補 償 手 法 に つ い て 述 べ る ．

第6章 で は ，さ ら な る 高 速 化 を 目 指 し ，受 光 素 子 と し てPIN型 フォト ダ イ オ ー ド を 使 用 可 能 と し た 応 用 形 態 の 設 計 と そ の 検 出 性 能 に つ い て 示 す．

第7章 で は ，高 速・広 帯 域 を 実 現 し た フォト ダ イ オ ー ド 受 光 方 式 を 使 用 し ， 複 数 チャン ネ ル ，他 方 式 セ ン サ，外 乱 光 源 と の 共 存 を 実 現 す る 実 用 的 な 信 号 処 理 手 法 に つ い て 検 討 を 行 う．

第8章 で は ，開 発 し た 近 接 覚 セ ン サ の 高 速 性 を 活 用 し た ロ ボット シ ス テ ム の 構 築 と そ の 制 御 ア ー キ テ ク チャに つ い て 論 じ る ．

第9章 で は ，当 研 究 の 成 果・結 論 を ま と め た 上 で ，今 後 の 課 題 と 展 望 に つ い て 述 べ る ．

な お ，図1.10に ，本 論 文 各 章 の 内 容 と 研 究 課 題 と の 関 連 を 図 示 す る ．図 中

10

で 四 角 で 囲 ま れ て い る 内 容 は 第2章 以 後 の 各 章 に 対 応 し ，丸 く 囲 ま れ て い る 内 容 が 解 決 す べ き 研 究 課 題 に 対 応 し て い る ．

第 2 章

抵抗ネットワーク型近接覚センサアレ イの動作原理

2.1 ^{概 要}

本 章 で は ，“抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ”の 基 礎 と な る 動 作 原 理 の 導 出 と ，そ の 出 力 情 報 の 持 つ 意 味 に つ い て 議 論 を 行 う．当 セ ン サ は ，多 数 の 計 測 点（ 検 出 素 子 ）か ら 得 ら れ た 光 電 流 を ，抵 抗 ネット ワ ー ク を 用 い て 統 合 す る こ と に よ り，素 子 面 積 に か か わ ら ず 定 数 オ ー ダ ー の 計 測 回 数 で 物 体 の3次 元 位 置 を 実 現 す る ．ア ナ ロ グ 演 算 に よ る 多 数 の フォト リ フ レ ク タ の 統 合 と い う ア プ ロ ー チ を 採 用 す る こ と で ，当 セ ン サ は 以 下 の よ う な 特 長 を 備 え て い る ．

1. 素 子 数 に よ ら ず セ ン サ 外 へ の 配 線 は4本 の み 2. 単 純 な 繰 り 返 し 構 造 に よ り 小 型 化 が 容 易 3. 大 検 出 面 積 を 低 コ ス ト で 実 現 可 能

本 章 前 半 で は ，そ の 動 作 原 理 に つ い て 回 路 方 程 式 か ら の 導 出 を 行 い ，物 体 位 置 を 代 表 す る 量 で あ る 光 電 流 分 布 の1次 モ ー メ ン ト と 出 力 電 圧 の 関 係 を 明 ら か に す る ．後 半 で は ，検 出 素 子 と し て 採 用 し た フォト リ フ レ ク タ の 特 性 を 踏 ま え ，物 体 の 状 態（ 形 状・位 置・姿 勢 ）と セ ン サ 出 力 の 対 応 に つ い て 議 論 す る ．

12

photo reflector

r

r

r r

r r

E1

E2

E4

E3

r

r ^{Led driver}

Led driver

resistor network layers

r

図2.1 抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ の 構 造

2.2 セ ン サ の 構 造 と 動 作 原 理

抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ ア レ イ の 構 造 を 図2.1 に 示 す．こ の セ ン サ は3層 構 造 か ら な り，m×n個 の 格 子 状 に 配 置 さ れ た フォト リ フ レ ク タ と ， そ れ ら の エ ミッタ 端 子・コ レ ク タ 端 子 同 士 を 接 続 す る 抵 抗 ネット ワ ー ク2層 (Layer Aお よ び B)で 構 成 さ れ る ．

検 出 素 子 に は 赤 外 線 の 反 射 に よ る フォト リ フ レ ク タ を 使 用 し た ．こ の 素 子 は 近 赤 外 線 用 発 光 ダ イ オ ー ド と フォト ト ラ ン ジ ス タ を1パッケ ー ジ に 集 積 し た 素 子 で あ り，LEDが 発 し た 赤 外 線 は 検 出 対 象 物 体 の 表 面 で 反 射 し ，フォト ト ラ ン ジ ス タ に よ り 光 電 流 と し て 検 出 さ れ る ．こ の 過 程 で の 受 光 量 の 減 衰 に 基 づ い て 物 体 距 離 を 測 定 す る こ と が 可 能 で あ る ．ア レ イ 状 に 配 置 す る こ と に よ り，検 出 物 体 の 形 状・寸 法・位 置・姿 勢・距 離 に 応 じ た 高 電 流 分 布 が 得 ら れ る ．

次 に ，2層 の 抵 抗 ネット ワ ー ク，Layer A とB は ，そ れ ぞ れx軸 方 向 ，y軸 方 向 に つ い て 光 電 流 の1次 モ ー メ ン ト を 計 算 す る た め に 用 い ら れ る ．図2.1に 示 し た よ う に ，Layer A は ，4近 傍 の フォト ト ラ ン ジ ス タ の コ レ ク タ 端 子 同 士 を 抵 抗 値r [Ω] で 格 子 状 に 接 続 し て い る ．さ ら に ，x軸 方 向 の 電 流1次 モ ー メ ン ト を 求 め る た め ，電 極E₁とE₃が 抵 抗 回 路 網 の 両 端 に 設 け ら れ て お り，外 部

b¹ b2

b³ b⁴

S2

S⁴

a¹ a²

a³ +V0

S

R0 R0

1 S3

j=n

j=2

j=1

i=1 i=2 i=m

i=0 i=m+1

j=n+1

j=0

࣭࣭࣭࣭࣭࣭

x y r

r

r

r

a1

a²

a³ a⁴

b¹

b²

b³ b⁴

Layer A

Layer B single element

a⁴

R0

R0

+V0

-V0

Vd GND LED photo transistor

࣭࣭࣭࣭࣭࣭

r r r

r

図2.2 検 出 素 子 の 座 標 と 抵 抗 ネット ワ ー ク の 境 界 条 件

抵 抗R₀[Ω]を 介 し て 正 の 電 圧 源+V₀に 接 続 さ れ る ．Layer B も 同 様 に ，エ ミッ タ 端 子 同 士 を 抵 抗r [Ω]で 接 続 す る ．Layer A と 異 な り，y軸 方 向 の1次 モ ー メ ン ト を 得 る た め ，電 極E₂お よ びE₄が 設 け ら れ て お り，Layer A と は 直 交 す る 配 置 と なって い る ．Layer A同 様 ，E₂とE₄は 外 部 抵 抗R₀[Ω]を 介 し て 負 電 圧 源

−V₀に 接 続 さ れ て い る ．

こ の 回 路 構 造 に よ り，赤 外 線 を フォト ト ラ ン ジ ス タ が 受 光 す る と ，正 電 源 +V₀か ら の 電 流 は 回 路 両 端 の 電 極E₁とE₃を 通 じ てLayer A に 流 入 す る ．そ の 後 受 光 量 に 応 じ て 各 フォト ト ラ ン ジ ス タ を 流 れ た 後 ，Layer Bを 通 り 電 極E₂ とE₄か ら 負 電 源−V₀に 流 入 す る ．抵 抗 ネット ワ ー ク 型 近 接 覚 セ ン サ で は ，こ の4つ の 電 極 の 電 圧V_S1, V_S2, V_S3, V_S4か ら ，電 流 分 布 の1次 モ ー メ ン ト を 算 出 し て い る ．さ ら に 電 流 分 布 を 検 出 対 象 物 体 と の 距 離 に 応 じ て 生 成 す る こ と で ， 検 出 面 上 で の 物 体 位 置 を1次 モ ー メ ン ト を 元 に 検 出 す る こ と が 可 能 と な る ． そ の 詳 細 な 原 理 に つ い て 以 下 に 述 べ る ．

14

Layer A

Layer B

Va

r

r r r

r r

r r

r r

I(i,j)

Va

Va

Va

Va

V

V

V

V

V

y x

図2.3 検 出 素 子（ フォト ト ラ ン ジ ス タ ）近 傍 の 等 価 回 路

2.2.1 検 出 素 子 の 座 標 系

ま ず，図2.2に 示 す よ う に ，x-y座 標 系 上 に4頂 点 の 座 標 が ，(1, 1), (-1, 1),(-1, -1), (1, -1)と な る よ うm×nの マ ト リック ス 状 に 配 置 さ れ た 近 接 覚 セ ン サ 素 子 及 び 電 極 の イ ン デック ス を(i, j)(i = 1,2,3,・・・, m, j = 1,2,3,・・・, n)と す る ．位 置 (x, y) = (−1,−1)上 の 素 子 を(i, j) = (1,1)と し ，x軸 方 向 にi= 1,2, . . . , m,y軸 方 向 にj = 1,2, . . . , nと 付 番 す る ．検 出 素 子 を 等 間 隔 に 配 置 す る と ，素 子(i, j)の 位 置 座 標(x_e, y_e)は 次 式 で 表 さ れ る ．

x_e(i, j) = 2i−m−1

m−1 y_e(i, j) = 2j −n−1

n−1 (2.1)

等 差 数 列 と な る こ と か ら ， (x_e, y_e)は ，a，b，c，dを 定 数 と し ，次 式 の よ う に お く こ と が で き る ．

x_e(i, j) =ai+b y_e(i, j) =cj+d (2.2)

こ の 関 係 か ら ，式(2.3)，(2.4)の よ う にx_e, y_eの ラ プ ラ ス 演 算 子 は ゼ ロ と な る ．

∇²x_e(i, j) = x_e(i−1, j) +x_e(i+ 1, j) +x_e(i, j−1) +x_e(i, j+ 1)−4x_e(i, j)

={a(i−1) +b}+{a(i+ 1) +b}+{ai+b}+{ai+b} −4{ai+b}

= 0 (2.3)

∇²y_e(i, j) = y_e(i−1, j) +y_e(i+ 1, j) +y_e(i, j−1) +y_e(i, j+ 1)−4y_e(i, j)

={cj+d}+{cj+d}+{c(j−1) +d}+{c(j+ 1) +d} −4{cj+d}

= 0 (2.4)

こ の 関 係 は2.2.4節 で 使 用 す る ．

2.2.2 検 出 素 子 周 辺 の 回 路 と 基 礎 方 程 式

図2.3に は セ ン サ 素 子(i, j)近 傍 回 路 を 示 す．フォト ト ラ ン ジ ス タ の コ レ ク タ 電 流 をI(i, j)，抵 抗 ネット ワ ー ク の 抵 抗 値 をrと す る ．ま た ，格 子 点 のA層 ， B層 の 電 圧 を そ れ ぞ れV_a(i, j)，V_b(i, j)と す る ．こ の と き ，Kirchhoffの 電 流 則 よ り，A層 に つ い て フォト ト ラ ン ジ ス タ(i, j)の 電 流I(i, j)に 対 し て 以 下 の 式 が 成 り 立 つ ．

1

r{V_a(i−1, j) +V_a(i+ 1, j) +V_a(i, j−1) +V_a(i, j+ 1)−4V_a(i, j)}=I(i, j) (2.5) こ こ で ，式(2.5)の 左 辺 を 式(2.6)で 挙 げ た 離 散 系 の ラ プ ラ ス 演 算 子∇²を も ち い て 置 き 換 え る と ，式(2.7)を 得 る ．

∇²V_a(i, j) = V_a(i− 1, j) + V_a(i + 1, j) +V_a(i, j −1) +V_a(i, j + 1)−4V_a(i, j) (2.6)

1

r∇²V_a(i, j) =I(i, j) (2.7) B層 に つ い て も 同 様 の 式 が 成 り 立 つ ．

1

r∇²V_b(i, j) = −I(i, j) (2.8)

16

2.2.3 抵 抗 ネット ワ ー ク の 境 界 条 件

次 に ，回 路 の 境 界 条 件 に つ い て 考 え る ．ま ずA層 に つ い て ，境 界S₂，S₄は ど こ に も 接 続 が な く，V_a(i,0)とV_a(i, n+ 1)は オ ー プ ン 端 末 で あ る ．こ の た め 電 流 の 出 入 り は な く，電 圧 は 変 化 し な い ．よって 境 界 条 件 は 次 式 の 通 り．

V_a(i,0) =V_a(i,1) V_a(i, n+ 1) =V_a(i, n) (2.9) 次 に ，境 界S₁，S₃は 電 極E₁とE₃に 各々接 続 さ れ て い る た め ，外 部 抵 抗R₀を 通 し て 電 流 の 流 入 が 生 じ る ．オ ー ム の 法 則 よ り，こ の 電 流 はR₀両 端 の 電 圧 降 下 を 生 じ る た め ，検 出 素 子 に 流 れ る 電 流 の 総 和 はR₀を 流 れ る 電 流 に 等 し い ．よって 式(2.10)（ 電 極E₁側 ），式(2.11)（ 電 極E₃側 ）が 成 り 立 つ ．

1 R₀

(

V₀ −V_S1 )

= 1 r

∑n j=1

(

V_S1−V_a(1, j) )

(2.10) 1

R₀ (

V0 −VS3

)

= 1 r

∑n j=1

(

VS3−Va(m, j) )

(2.11) ま た ，S₁及 びS₃ で は そ れ ぞ れ 電 極 に 接 続 し て い る こ と か ら 次 式 の よ う に な る ．

V_a(0, j) = V_S1 V_a(m+ 1, j) = V_S3 (2.12) 同 様 にB層 の 境 界 条 件 は 式(2.13)-(2.16)の よ う に な る ．

V_b(0, j) = V_b(1, j) V_b(m+ 1, j) = V_b(m, j) (2.13) V_b(i,0) =V_S2 V_b(i, n+ 1) =V_S4 (2.14)

1 R₀

(−V0−VS2

)

= 1 r

∑m i=1

(

VS2−Vb(i,1) )

(2.15) 1

R₀

(−V₀−V_S4 )

= 1 r

∑m i=1

(

V_S4−V_b(i, n) )

(2.16)

2.2.4 光 電 流 の １ 次 モ ー メ ン ト

近 接 覚 セ ン サ に 物 体 が 接 近 し た 場 合 ，フォト ト ラ ン ジ ス タ を 流 れ る 電 流 I(i, j)が 前 節 の よ う に 変 化 す る こ と に な る ．即 ち ，ネット 状 近 接 覚 セ ン サ に