触覚センサをもった発泡体成型による 柔軟な自由形状 - JSK

2P1-N-105
触覚センサをもった発泡体成型による
柔軟な自由形状センサ皮層の開発
○ 林 摩梨花（東京大学）
岡田 慧（東京大学）
正 稲葉 雅幸（東京大学）
杉山 悠（東京大学）
正 稲邑 哲也
! " # ! # $ % $ !
& $$
'( (
!$ ) ! ! !$ ! !
! ! # $ $ ! !$ *+((
$ $ はじめに
ロボットが柔らかい皮膚と触覚を持つことは，家庭や教
育施設などの日常的な生活空間でロボットと人間とが触れ
合う際に必要となってくる．また一方で人間にとって親し
みやすい外形状を設計者の意図どおりに造形することも重
要である．そこで本研究では，柔軟で，触覚を持ち，表面
に 次元曲面を自由に作ることの出来る，ロボット外装の
構成法を示すことを目的とした．
*
自由形状センサ皮層の設計方針
本研究では安全性を確保できる柔軟さと，触覚センサ，お
よび表面形状の造形の自由さを持つロボット外装を自由形
状センサ皮層と呼ぶ．この外装を構成するには以下のよう
な問題を考慮する必要がある．
, * 次元曲面上へのセンサの配置方法
- 柔らかさと形状の自由さを持った被服の素材
* 配線方法
次元曲面上へのセンサの配置
これまで，ロボット用の柔軟な触覚センサに関する研究
は，触覚センサスーツ
や，音響共鳴テンソルセル触覚セ
や，感圧導電性ゴムと導線を縫いこんだ触覚センサ
ンサ
有機トランジスタを大面積に配置したもの
ゲル中に
色の異なる点を描いてカメラでその位置変化を見る触覚セ
，がある．商品としては，
ンサである
社製の
や，タッチパネルなどに用いられている静電
容量タッチセンサ，光ファイバをスポンジ中に埋め込んだ
等がある．
ニッタ社製
.*/
.,/
1$(.2/
(3.4/
567.8/
*
*
567
柔らかさと形状の自由さを持った被服の素材
柔らかさという言葉の意味ををここでは，圧縮されやす
く，曲げやすいという性質を持ち，表面がなめらかもしく
は毛のようなもので覆われていて，人間や動物に近い触感
を持つことと定義した．また，形状の自由さという言葉に
ついては，設計者が意図したとおりの 次元的な形状にす
る事ができて，ロボットが関節を動かすなどして外装が伸
縮した場合にも，その変形を設計者がある程度設計できる
という意味で用いる．
このような柔らかさと形状の自由さをロボットの表面に
持たせるための素材としては，ゴムやゲル，布のような柔
軟さを持ったシート，綿，ウレタンフォーム等の発泡体が
考えられる．布のように平面的な素材を裁断して張り合わ
せて内側に詰め物をするように外装を構成した場合は表面
にしわやたるみが出るために，細かい形状を保たせる事が
∼
程度で
出来ない場合がある．ゴムやゲルは比重が
あり厚みを持たせると重くなる．圧縮率はスポンジや綿に
比べると低い．
本研究ではセンサ原理に，ウレタンフォームといった発
*
以下ではこれらの問題について述べる．
.-/
このうち平面状に配置されたセンサシートを，ロボット
の外骨格に貼り付けたり，服のように袋状にしてロボット
を入れたりするという方法は，平面や円筒面へ沿わせるに
は十分であるが 次元曲面にしわやたるみが無いように沿
わせる事は出来ない．このために，表面形状の自由さは減
少する．また，しわやたるみがあると，ロボットが体を動
かした際にセンサの反応がしわによる影響を受けてしまう
ため，センサ処理が困難になる．
本研究では安全性を確保できる柔軟さと，触覚センサ，お
よび表面形状の造形の自由さを持つロボット外装を目指し
ているので， 次元的にセンサ素子を配置できるという点と
スポンジの持つ柔軟さに着目して，ニッタ社製
に用いられているセンサ原理を採用した．
.0/
$
9: -9
[No.05-4] Proceedings of the 2005 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Kobe, Japan, June 9-11, 2005
2P1-N-105(1)
Ԙ
泡体中に光ファイバを埋め込んだものをを選択したが，こ
れはセンサ素子の一部となっている発泡体が，柔らかさと
形状の自由さにおいて利点を持っている．また，硬さを調
節して成型することが出来るので，ロボットの身体各部で
センサ感度を調節することも出来ると考えられる．
ԙ
配線方法
ᄖᒻߩဳࠍ↪ᗧߔࠆ
触覚センサをロボットに実装する際は配線が問題となる．
触覚はロボットの表面に分布させる必要があるので，セン
サのための配線に体積がかさむことと，ロボットのメンテ
ナンスのために触覚センサを取り外す際にこの配線を取り
外したりつけたりすることに難しい点がある．
皮層の成型と同時に配線もすることが出来，皮膚そのも
のをつけたりはずしたりすることが出来れば配線の手間が
省ける．そこでロボット骨格側に光ファイバを配線し，そ
の上からウレタンフォームの発泡前の薬剤を混合して流し
込んでモールド成型するという手順で作成することにした．
Inner
Model
ᄖᒻߩဳࠍߣࠆ
(,
+;"+
(-
<
ౝဳߩ⴫㕙ߦశࡈࠔࠗࡃࠍ
㈩✢ߒ㧘ဳߩ㑆ߦࠬࡐࡦࠫ
ࠍᵹߒߡᚑဳߔࠆ
శࡈࠔࠗࡃ߇ၒ߼ㄟ߹ࠇߚ
ࠬࡐࡦࠫ߇಴᧪ࠆ
( ,> ! ! ! !$ $ !
Free form
skinfold structure
センサ特性と成型の自由度の評価
Photo devices
Commercial
USB Camera
スポンジを成型するに当たっては日新レジン 発泡ウレ
タンソフト（主成分：変性ポリオール（主剤），４ ４ ジ
フェニルメタンジイソシアネート（硬化剤）），を用いた．主
剤と硬化剤の配合比率によって硬度が異なってくるが，今回
程度で配合した．
は人肌程度の柔らかさを持つように
のように直径
，高さ
の円筒形の中に，
の深さにファイバを埋め込んだ状態
底面の中心から
をモールド成型した．この試
でポリウレタンスポンジ
験片に外光を遮断するように覆いをかけ，上から圧力をか
けた．図にあるように，一方のファイバの端から赤色
からの光を入力して
カメラでもう一方のファイバの端
値の赤色成分の値を記録した．実験結果
面を録画し，
に示す．約２０秒間だけステップ的に，それぞれ
を
の荷重をかけて，時間的な変化を観察し
たところ，ややクリープは残るものの荷重の変化を検出で
下は１分間かけて押し付けて
きることが確認できた．
離した際の荷重とセンサ出力の関係である．ヒステリシス
のあることがわかる．
=
2
31<
(0
9-94,8
Ԝ
ᄖశࠍㆤᢿߔࠆߚ߼ߩႣⵝࠍ
ߒߡ⚵ߺ┙ߡࠆ
センサ特性
(*
Optic
fiber
ԛ
発泡体成型によるセンサ皮層の成型法
本節では発泡体の成型手順について説明する．
に成
型手順を示した．まず外形とロボット骨格の型を作成する．
などを用いて最終形状のモデルを作ってからそれ
３
を反転した型をラピッドプロトタイプ装置などを用いて作
成すれば，簡単に作成することが出来ると考えられる．次
に，ロボット骨格の型の表面に光ファイバを配線する．そ
して光ファイバを埋め込んだ状態でウレタンフォームの発
泡前の薬剤を流しいれてモールド成型する．型からはずし
て外光を遮断するために塗装して，光ファイバの端を撮像
素子へ組み立てる．
のとおりである．撮像デバ
全体のシステム構成は
カメラを用いて，小型のデバイスで多点
イスは市販の
を簡単に観測出来るように図った．
Ԛ
*9
,-
<
(0
USB cable
Optic fiber
,99>*9
,2
?6+
PC
LED
( -> ! !$ このセンサは光を使用しているのでスポンジ内部に外光
が入ると出力される輝度値が上昇する．先ほどと同じ図の
試験片を用いて，錘を載せずに光量の違なる状況でのカメ
のよ
ラの出力を 分間測定し平均をとったところ，
うな結果が得られた．カバーをつけなければ外光の影響を
受けることを確認した．よってセンサ皮層を成型した場合
にスポンジの外部を塗装したりすることでつけることで遮
光することが必要である．塗料には伸縮性が必要であるの
2P1-N-105(2)
,
$,
Force
Gauge
$ ,> " ! $
CMOS camera
条件
USB camera MU2-48(Aplux Co.)
センサ出力
4A0:
8-90
,-4A-
ゴムシートカバーにより遮光
PC
室内（消灯時）
室内（点灯時）
25mm
Red LED
FR3863X(Stanley Electric Co.,LTD.)
80mm
B
paraboloid
load 6.0kg
load 0.2kg
load 1.7kg
78
77.5
77
76.5
( 2> !
76
75.5
Red component output of CMOS camera
Red component output of CMOS camera
10mm (A)
5mm (B)
A
78.5
75
74.5
0
20
40
60 80 100 120 140 160
time[sec]
80
79
78
85
80
75
70
65
60
55
50
under concave
under projection
45
40
0
77
5
10
15
20
Load [kg]
76
( 4> !
!
75
0
1
2
3
4
5
6
7
8
(2
Load [kg]
( 0> # # 36167
で，ラテックスゴム（
社製
絵の具を適量混合したものを用いた．
80mm
height
5mm
Red component output of CMOS camera
( *> ; ! $ @
299）にアクリル
成型の自由度および外形状の内部のセンサに与える
影響の確認
*
本研究の自由形状センサ皮層は 次元的な曲面を成型す
ることが出来るが，どの程度まで自由な外形状を実現でき
るかを実際に成型することで確認した．また，表面に凹凸
ができることで，光ファイバ端点の位置と凹凸の位置関係
によって，センサ出力が異なってくることが予測されるが，
これについても実験によって確かめた．
-
左のように，表面に放物面の凹みを持つような 種
右に
類の型を用意し，スポンジをモールド成型した．
突起の寸法を示した．パターン はほぼ型どおりのものが
出来たが，パターン は離型する際にスポンジがちぎれた
り，型の凹み部分に大きな気泡が出来てしまい，うまく成
型出来なかった．
<
"
(2
表面に凹凸が出来ることによって内部のセンサに影響が
のパターン のへこ
出る事が予測される．よって，
みの部分と突起の直下にそれぞれ光ファイバを端面が裏面
になるように埋め込んで，上から均等
の底面から約
の薄い線はへこみの直下濃い線は突
に荷重をかけた．
起の直下におけるセンサ出力である．突起の大きさがこの
程度であれば，突起の有無についてのセンサ出力の変化は
見られない．現段階では，表面形状がセンサ出力の変化に
与える影響よりも，各センサ素子間の恒常的なセンサ出力
のレベルに差があることのほうが問題である．
2P1-N-105(3)
(2
2
(4
"
( 8> # ! ! !$ 小型ロボットへの実装
(8 のように実際のロボットのための自由形状センサ皮
( A> ! ! !$
層を作成した．このように小型のロボットの外面を３次元
的な曲面に設計することが出来る事，押したときに圧縮さ
れて柔らかいさわり心地になっていることを確認した．
このロボットの内部のアクチュエータおよび骨格は
に示したとおりであり，岡田ら
により開発されたものを
に示したように，２つのパーツからなる
用いている．
の骨格にかぶせて，継ぎ目を
自由形状センサ皮層を
接着することで組み立てた．
(A
.A/
(:
(:
おわりに
本研究では，柔軟で，触覚を持ち，表面に３次元曲面を
自由に作ることの出来るロボット外装の構成法を示すこと
を目的とした．三次元曲面上にセンサを配置するため，発
泡体中に光ファイバを埋め込み，発泡体が圧縮されること
によるセンシングする方法を選択した．この発泡体を三次
元的にモールド成型することで，実際に設計者の意図した
ような自由形状を保つことが出来て柔軟な外装を構成する
ことが出来ることを確認した．
現在の問題点には，外部からの衝撃等によって光ファイ
バが内側で折れた際，折れた箇所のみを交換する事が出来
によって提案され
ないという点がある．既に篠田ら
ているように，センサ素子を含むモジュールが超小型であ
り，配線が不必要であれば，製作の簡単さと部分的な交換
とが出来る．今後は送受光素子の小型化，センサ素子とプ
ロセッサのモジュール化に取り組んでメンテナンス性の向
上を図りたい．
( :> (
! 6$$& B$ 0 5 2 2A:C2:4 -990
.0/ # ;D ;
E
! (6 ; "$
6$ "%$ B$ 09 5 , ,88C,A2 -992
.2/ E 5
.:/.,9/
#
6 $ ! B $ ! " #
&DC4 -99-
.4/ (3 $ % .8/ 5 @ &'(()))*'('(#&
文献
(($+ '&#
岡田慧 冬野明 木野泰之 小倉崇 稲葉雅幸 井上博允
.A/
.,/ 稲葉雅幸 星野由紀子 井上博允 導電性ファブリック
超小型プロセッサを用いたサーボユニットによる小型
を用いた全身被服型触覚センサスーツ 日本ロボット
ヒューマノイドの実現 日本機械学会ロボティクス・メ
学会誌 B$ ,4 5 , A9CA4 ,::A
カトロニクス講演会=9* 講演論文集 ,D,C*(C1-
.-/ 吉海智晃 但馬竜介 加賀美聡 篠田裕之 稲葉雅幸 井
-99*
上博允 音響共鳴型テンソルセル触覚センサによる滑り
.:/ 篠田裕之 柔らかい機会の人工皮膚 日本ロボット学会
予知と把持動作への応用 日本ロボット学会誌 B$ -9
誌 B$ ,: 5 8 A,0CA,8 -99,
5 A A4ACA82 -99-
.,9/ E $
.*/ " 5
#
3 ,--- 3 " $ " # :28C:4, ,:::
D ; 3 &
2P1-N-105(4)