▶ ライオス インテリジェント マシーンズ インコーポレイテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-06-06
(54)【発明の名称】ロボットシステム用の触覚知覚装置
(51)【国際特許分類】
B25J 19/02 20060101AFI20220530BHJP
G01L 5/00 20060101ALI20220530BHJP
【ＦＩ】
B25J19/02
G01L5/00 101Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021560187
(86)(22)【出願日】2020-03-27
(85)【翻訳文提出日】2021-10-11
(86)【国際出願番号】 US2020025459
(87)【国際公開番号】W WO2020205620
(87)【国際公開日】2020-10-08
(31)【優先権主張番号】62/826,816
(32)【優先日】2019-03-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/826,312
(32)【優先日】2019-03-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/826,834
(32)【優先日】2019-03-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/832,690
(32)【優先日】2020-03-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521439017
【氏名又は名称】ライオス インテリジェント マシーンズ インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001379
【氏名又は名称】特許業務法人 大島特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ケラリー、クリストファー・ララウ
(72)【発明者】
【氏名】スミス、クリントン・ジェイ
(72)【発明者】
【氏名】ポールソン、クリストファー・エー
(72)【発明者】
【氏名】カッセ、ベルナード・ディー
(72)【発明者】
【氏名】シャファー、マシュー・イー
【テーマコード（参考）】
2F051
3C707
【Ｆターム（参考）】
2F051AA10
2F051AB08
2F051BA05
2F051BA07
3C707BS11
3C707DS01
3C707ES03
3C707JS05
3C707KS31
3C707KS33
3C707KV06
3C707KW01
3C707KX08
(57)【要約】
エンドエフェクタ／グリッパからアーム型ロボットシステムの制御回路に向上した触覚情報（フィードバックデータ）を提供するための人間のような触覚知覚装置。この装置のベース構造体は、グリッパのフィンガに取り付けられ、動作可能な相互作用中に圧力センサアレイを標的物体に押し付ける平坦／平面状の支持プレートを含む。圧力センサアレイは、標的物体の表面特徴が接触しているアレイの部分を示す圧力センサデータを生成する。センサデータ処理回路は、圧力センサデータに応答して触覚情報を生成し、次に触覚情報をロボットシステムの制御回路に伝送する。任意選択のメザニンコネクタが、支持プレートの開口部を通って延び、圧力センサデータを処理回路に渡す。封入層が圧力センサアレイを覆い、滑る物体によって生成された圧力波を伝送して、触覚情報を向上する。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ロボットシステムの制御回路に触覚情報を提供するための装置であって、前記ロボットシステムは、遠位エンドエフェクタを有するロボットアーム機構を含み、
前記制御回路は、前記エンドエフェクタが、対応する動作可能な相互作用中に標的物体に接触するように前記ロボットアーム機構を作動させるように構成され、
前記装置は、
前記エンドエフェクタへの固定接続用に構成された支持プレートを含むベース構造体であって、前記支持プレートは、上面および反対側の下面を有し、前記ベース構造体は、前記動作可能な相互作用中に、前記上面が前記標的物体に面し、前記下面が前記標的物体に背くように構成される、ベース構造体と、
前記支持プレートの前記上面に取り付けられ、各圧力センサが前記支持プレートの対応する上面領域上に配置されるように配置された複数の圧力センサを含む圧力センサアレイであって、前記各圧力センサは、前記動作可能な相互作用中に、前記標的物体によって加えられ、前記支持プレートの前記対応する上面領域に向けられる関連する量の接触力に応答して、関連する圧力データ値を生成するように構成される、圧力センサアレイと、
前記支持プレートに取り付けられ、前記複数の圧力センサによって生成された前記圧力データ値に応答して前記触覚情報を生成するように構成された処理回路と
を備える装置。
【請求項2】
前記支持プレートが、前記上面と前記反対側の下面との間に延びる少なくとも１つの貫通開口部を画定し、前記処理回路が、前記支持プレートの前記下面に取り付けられ、
前記装置は、
前記開口部に少なくとも部分的に配置され、前記複数の圧力センサのデータ値を前記処理回路に伝送するように構成されたメザニンコネクタをさらに備える、
請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記支持プレートが、前記上面が平面であるように構成され、前記圧力センサアレイが、第１のプリント回路基板（ＰＣＢ）構造体上に配置され、
それによって、前記支持プレートの前記平面状の上面によって実質的に完全に支持される平面センサボードを形成する、
請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記センサボードが、前記第１のＰＣＢ構造体に取り付けられたアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）回路であって、前記複数の圧力センサによって生成されたアナログ圧力センサ値を、対応するデジタル圧力センサ値に変換するように構成され、および前記デジタル圧力センサ値を、前記メザニンコネクタを介して前記処理回路に連続的に伝送するように構成された、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）回路をさらに備える、請求項３に記載の装置。
【請求項5】
前記第１のＰＣＢ構造体の上面に配置された封入層をさらに備え、前記封入層は、前記動作可能な相互作用中に前記標的物体によって前記圧力センサアレイに加えられた前記接触力に応答して弾性変形するフレキシブル材料からなる、請求項３に記載の装置。
【請求項6】
前記封入層が、０．５ｍｍ～１０ｍｍの範囲の厚さと、０から３００ミクロンＲＭＳの表面粗さおよび３０Ａ～７０Ａのデュロメータを有することによって特徴付けられる材料配合物とを有するフレキシブル材料層を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項7】
前記複数の圧力センサのそれぞれが、ひずみゲージ、容量性圧力センサ、キャビティベースの圧力センサ、圧電センサおよびピエゾ抵抗センサのうちの１つを含み、前記複数の圧力センサが、前記第１のＰＣＢ構造体上に対称配置、非対称配置、およびランダムパターン配置のうちの１つで配置される、
請求項３に記載の装置。
【請求項8】
前記第１のＰＣＢ構造体が、第１のＰＣＢ積層体および第２のＰＣＢ積層体を含み、前記複数の圧力センサのそれぞれが、前記第１のＰＣＢ積層体および前記第２のＰＣＢ積層体の間に挟まれた圧電材料構造体を含む、
請求項７に記載の装置。
【請求項9】
前記第１のＰＣＢ構造体に取り付けられた少なくとも１つの追加のセンサをさらに含み、前記追加のセンサが、振動センサ、近接センサ、および温度センサのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の装置。
【請求項10】
前記少なくとも１つの追加のセンサが、前記少なくとも１つの追加のセンサおよび前記複数の圧力センサが単一平面内に配置されるように、前記第１のＰＣＢ積層体上に配置される、請求項９に記載の装置。
【請求項11】
前記少なくとも１つの追加のセンサが、前記少なくとも１つの追加のセンサおよび前記複数の圧力センサが２つ以上の平面内に配置されるように、前記第２のＰＣＢ積層体上に配置される、請求項９に記載の装置。
【請求項12】
前記センサボードが、前記第１のＰＣＢ構造体上に配置され、前記少なくとも１つの追加のセンサによって生成されたアナログ信号を変換するように動作可能に構成された第２のＡＤＣ回路、および
前記圧力センサアレイおよび前記少なくとも１つの追加のセンサの少なくとも１つによって実行される動作を制御するように動作可能に構成されたプログラマブルデバイス、
の少なくとも１つをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【請求項13】
前記処理回路が、第２のＰＣＢ構造体と、
前記第２のＰＣＢ構造体に取り付けられ、前記複数の圧力センサのデータ値および前記少なくとも１つの追加のセンサによって生成された追加のセンサ信号の両方に応答して前記触覚情報を生成するように動作可能に構成されたプログラマブルロジックデバイスと、
前記触覚情報をＵＳＢ信号線に伝送するように構成されたユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）回路と
を含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項14】
前記ベース構造体が本質的に金属からなり、前記支持プレートの前記下面が平面であるように構成され、前記処理回路の前記第２のＰＣＢ構造体が、前記下面と同一平面に取り付けられている、請求項１３に記載の装置。
【請求項15】
前記ベース構造体が、支持プレートの後縁に一体的に接続された取り付けフランジをさらに含み、前記取り付けフランジは、ロボットグリッパフィンガへの前記ベース構造体の堅固な接続のために構成された取り付け穴を画定する、請求項１４に記載の装置。
【請求項16】
前記ベース構造体が、前記支持プレートの周縁に沿って配置された周壁をさらに含み、それにより上部および下部ポケット領域を形成し、前記上部および下部ポケット領域は、前記センサボードおよび前記処理回路がそれぞれ前記上部および下部ポケット領域に配置されるとき、前記周壁の内面が前記第１および第２のＰＣＢ構造体の周縁を取り囲むように構成され、
前記装置は、
前記センサボードおよび前記処理回路によって占有されていない前記上部および下部ポケット領域の領域に配置されたポッティング材料をさらに備える、
請求項１４に記載の装置。
【請求項17】
ロボット機構および制御回路を含むロボットシステムであって、前記ロボット機構は、前記制御回路によって生成された制御信号に応答して標的物体に係合して操作するように構成されたエンドエフェクタを含み、
前記ロボットシステムは、前記エンドエフェクタに固定式に接続された１つまたは複数の触覚知覚装置を備え、
前記各触覚知覚装置は、
前記エンドエフェクタへの固定接続用に構成された支持プレートを含むベース構造体であって、前記支持プレートは、上面および反対側の下面を有し、前記ベース構造体は、前記動作可能な相互作用中に、前記上面が前記標的物体に面し、前記下面が前記標的物体に背くように構成される、ベース構造体と、
前記支持プレートの前記上面に取り付けられ、各圧力センサが前記支持プレートの対応する上面領域上に配置されるように配置された複数の圧力センサを含む圧力センサアレイであって、前記圧力センサアレイの各前記圧力センサは、前記動作可能な相互作用中に、前記標的物体によって加えられ、前記支持プレートの前記対応する上面領域に向けられる関連する量の接触力に応答して、関連する圧力データ値を生成するように構成される、圧力センサアレイと、
前記支持プレートに取り付けられ、前記複数の圧力センサによって生成された前記圧力データ値に応答して触覚情報を生成するように構成された処理回路であって、前記触覚情報をシリアルデータ信号として前記制御回路に伝送するようにさらに構成された処理回路と
を含む、ロボットシステム。
【請求項18】
前記ロボット機構が、前記エンドエフェクタに配置されたモータ制御機構を含むアクチュエータをさらに含み、前記処理回路が、前記触覚情報を前記モータ制御機構に伝送するようにさらに構成される、
請求項１７に記載のロボットシステム。
【請求項19】
制御回路と、エンドエフェクタを有するロボット機構とを含むロボットシステムを制御する方法であって、前記エンドエフェクタは、標的物体を把持し、前記エンドエフェクタによって把持されている間に前記標的物体を移動するように前記制御回路によって動作可能に制御され、
前記方法は、前記エンドエフェクタに固定式に接続された１つまたは複数の触覚知覚装置を利用して、前記把持および移動中に前記制御回路にフィードバック情報を提供することを含み、
前記各触覚知覚装置は、
前記エンドエフェクタへの固定接続用に構成された支持プレートを含むベース構造体であって、前記支持プレートは、上面および反対側の下面を有し、前記ベース構造体は、前記動作可能な相互作用中に、前記上面が前記標的物体に面し、前記下面が前記標的物体に背くように構成される、ベース構造体と、
前記支持プレートの前記上面に取り付けられ、各圧力センサが前記支持プレートの対応する上面領域上に配置されるように配置された複数の圧力センサを含む圧力センサアレイであって、前記圧力センサアレイの各前記圧力センサは、前記動作可能な相互作用中に、前記標的物体によって加えられ、前記支持プレートの前記対応する上面領域に向けられる関連する量の接触力に応答して、関連する圧力データ値を生成するように構成される、圧力センサアレイと、
前記支持プレートに取り付けられ、前記複数の圧力センサによって生成された前記圧力データ値に応答して触覚情報を生成するように構成された処理回路であって、前記触覚情報をシリアルデータ信号として前記制御回路に伝送するようにさらに構成された処理回路と
を含む、方法。
【請求項20】
前記エンドエフェクタを制御することが、制御信号を前記制御回路から前記エンドエフェクタに配置されたモータ制御機構に伝送することを含み、前記方法が、前記触覚情報を前記制御回路と前記モータ制御機構の両方に伝送することをさらに含む、
請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０２０年３月２７日に提出された「Ｔａｃｔｉｌｅ Ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｏｒ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ロボットシステムのための触覚知覚装置）」と題された米国特許出願第１６／８３２，６９０号に付与された優先権を主張し、前記特許出願は、２０１９年３月２９日に提出された「Ｈｕｍａｎｌｉｋｅ Ｔａｃｔｉｌｅ Ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｍａｒｔ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｆｉｎｇｅｒｓ（スマートロボットフィンガのための人間のような触覚知覚システム）」と題された米国仮特許出願第６２／８２６，３１２号に付与された優先権、および２０１９年３月２９日に提出された「Ｍｕｌｔｉｍｏｄａｌ，３Ｄ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｆｏｒ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｔａｃｔｉｌｅ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ（ロボット触覚探査のためのマルチモーダル、３Ｄセンシングアーキテクチャ）」と題された米国仮特許出願第６２／８２６，８１６号に基づく優先権、および２０１９年３月２９日に提出された「Ｏｕｔ ｏｆ Ｐｌａｎｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ ｆｏｒ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔａｃｔｉｌｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ（圧電触覚センサ用の面外回路）」と題された米国仮特許出願第６２／８２６，８３４号に基づく優先権を主張する。
【0002】
本発明は概してロボットシステムに関し、より具体的には、アーム型ロボット機構用のエンドエフェクタセンサに関する。
【背景技術】
【0003】
ほとんどの現代のロボットシステムは、機械的、電気的／電子的およびコンピュータ科学技術を統合して、様々なプログラムされた操作（タスク）を実行することができる自律制御型機構を提供する。例えば、多関節ロボットは、制御回路がユーザ提供のソフトウェアベースの命令を、ロボットアーム機構および取り付けられたエンドエフェクタ（例えば、ハンドまたはグリッパ）を制御して、標的物体をある場所から別の場所に移動するなどの反復タスクを実行するモータ制御信号に変換する産業用ロボットシステムの部類である。このようなプログラムされた操作を実行するために、ほとんどの多関節ロボットに提供されるソフトウェアベースの命令は、標的物体がピックアップのために配置される開始位置の３次元（３Ｄ）座標、標的物体を干渉なしに移動できる指定３Ｄ移動経路、および標的物体が配置される最終位置（例えば、容器または支持面）を定める３Ｄ座標を特定する必要がある。適切なソフトウェアベースの命令が提供されると、制御回路は対応する一連のモータ制御信号を生成し、信号はロボットアーム機構がエンドエフェクタを初期／開始位置座標に移動させることを引き起こし、次にエンドエフェクタが標的物体上で閉じる（把持する）ことを引き起こし、次に、ロボットアーム機構が標的物体を指定された移動経路に沿って最終位置座標まで持ち上げ／移動することを引き起こし、次にエンドエフェクタが標的物体を開く／解放することを引き起こす。
【0004】
ほとんどの従来のロボットシステムは、感知アーキテクチャを利用せず、利用するものは、単一モダリティ感知アーキテクチャを利用する。感知アーキテクチャを利用しない従来のロボットシステムは、事前にプログラムされたコマンドに完全に依存しており、通常、予期しない環境変動に対するわずかな位置変動を調整できない。対照的に、単一モダリティ感知アーキテクチャは、ホストロボットシステムの制御回路にフィードバック情報を提供し、それによって制御回路がユーザ提供のプログラム命令を修正して、わずかな位置変動（すなわち、プログラムベースの座標に対する）に対応することを可能にする。すなわち、上記のプログラムされた操作アプローチは、高度に順序付けられた環境でのみ使用できるが、ほとんどの実際の操作環境には、ランダムな位置の変動、および、誤った操作や場合によっては危険な状況を引き起こす可能性のあるその他の予期しないイベントが含まれる。例えば、指定された開始位置座標からの標的物体の不注意な変位は、エンドエフェクタによる正常な把持を妨げる可能性があり、場合によっては、標的物体および／またはエンドエフェクタ／グリッパに損傷を与える可能性がある（例えば、把持操作中のエンドエフェクタと標的物体との中心から外れた接触に起因して）。このような事故を回避するために、現代のロボットシステムは、しばしば、システムの制御回路がプログラムされた操作を認識して調整し、わずかな変動に対応することを可能にするフィードバック情報を提供するように構成された単一モーダル感知アーキテクチャ（例えば、エンドエフェクタに配置された１つまたは複数の力センサ）および／またはカメラシステムを使用する。例えば、エンドエフェクタに配置された単一モーダルセンサは、（例えば、把持操作中の標的物体との予期しない接触による）指定された開始位置座標から離れた標的物体の変位を示すフィードバック情報を提供し得、このフィードバック情報は、変位した標的物体を首尾よく把持することを可能にする方法でエンドエフェクタが再配置されるようにロボットアーム機構を調整するために制御回路によって利用することができる。
【0005】
リッチエンドエフェクタの感覚フィードバックの欠如は、現代のロボットシステムの主な制限の１つである。すなわち、単一モダリティ感知アーキテクチャを使用していくつかの労働災害を防止できるが、従来の単一モダリティセンサは現在、ロボットシステムが複雑な組み立てプロセスを実行することを可能にするのに十分なフィードバック情報を提供できない。例えば、単一モダリティ圧力センサは、エンドエフェクタによって標的物体に所定の把持力が加えられていることを確認するのに十分なデータを提供し得るが、そのような圧力センサには、標的物体がエンドエフェクタの把持から滑り落ちていることを認識するために必要なリッチなセンサフィードバックを欠き、したがって、標的物体への結果として生じる事故による損傷を回避できない。さらに、キャニスタタイプの物体を円筒形物体に取り付けるなどの組み立てタスクを実行する場合、単一モダリティ圧力センサは、キャニスタと円筒形物体の位置がずれている場合のキャニスタと円筒形物体との間の過度の接触に関する不十分なデータを提供する。カメラタイプのフィードバックシステムは、場合によってはそのような発生を識別して調整するのに役立ち得るが、カメラの視野の重要な部分がエンドエフェクタによって遮られることが多く、これによりカメラタイプのフィードバックシステムの機能が制限されることに注意されたい。また、カメラベースの技術に関連する画像処理と推論時間が長すぎて、損傷を与えないように反射的に調整を行うことができない場合がある。単一モダリティセンサとは対照的に、人間の手は比類のないマルチモーダル感覚システム（すなわち、圧力と振動の両方を感知する機械受容器、および温度を感知する熱受容器）からなり、これは前例のない器用な操作に大きく貢献する。具体的には、人間のマルチモーダル感知アーキテクチャは、接触力、テクスチャ、接触点周辺の局所形状、および変形可能性に関するきめ細かい手がかりを提供し、これらはすべて、進行中の把持操作を評価し、不安定な場合に力補正措置をトリガーするために極めて重要である。
【0006】
必要とされているのは、従来の単一モダリティセンサの欠陥を克服するロボットシステムのための感知アーキテクチャである。特に、必要とされているのは、従来のアプローチでは達成できない、向上した人間のような標的物体認識および関連する物体操作制御を容易にする触覚知覚能力をロボットのエンドエフェクタに提供する感知アーキテクチャである。
【発明の概要】
【0007】
本発明は、ロボットシステムの接触構造体（例えば、アーム型ロボット機構のエンドエフェクタ／グリッパフィンガ）上に配置された圧力センサの２次元（２Ｄ）アレイから導出された触覚情報をロボットシステムの制御回路に提供する触覚知覚装置に関する。圧力センサアレイは、動作可能な相互作用（標的物体がエンドエフェクタ／グリッパによって把持されるときなど、通常のロボットシステム操作）中に、圧力センサの少なくとも一部が剛性ベース構造体と標的物体との間に挟まれるように配置され、圧力センサアレイは、離間された各圧力センサが、剛性ベース構造体の対応する表面領域（２Ｄ位置）に加えられる接触力の量に対応する関連するセンサデータ量を生成するように構成される。この配置により、圧力センサアレイを形成するすべての圧力センサによって生成された集合的な圧力センサデータは、圧力センサアレイに対する表面特徴の位置と向きを含む、標的物体の対応する表面特徴によって生成されたすべての圧力点を示す２Ｄパターン（例えば、等高線マップと同様）を効果的に提供する。すなわち、標的物体が把持されると、圧力センサアレイの接触領域部分が標的物体と支持プレートとの間に入れられ（挟まれ）、それにより標的物体の隆起した「圧力点」表面特徴の間に位置する圧力センサはより高い圧力成分を受け取り、したがってより高い圧力データ値を生成し、凹んだ標的物体表面特徴の間に配置された圧力センサはより低いまたはゼロの圧力成分を受け取り、したがってより低い圧力データ値を生成し、それによって高圧および低圧データ値の組み合わせパターンが、標的物体に関連付けられた様々な触覚特性を表す２Ｄ等高線マップタイプのセンサデータパターンを効果的に形成する。そのような等高線マップタイプのセンサデータを提供することにより、本発明は、従来の単一モダリティ感知アーキテクチャから導出されたデータをはるかに超えるほぼ人間の指先タイプの触覚知覚能力をホストロボットシステムに提供する対応する触覚情報の導出を容易にする。例えば、特定の問題のある接触状況（例えば、標的物体がエンドエフェクタ／グリッパフィンガに対して問題のある中心から外れた位置で把持される）を示す圧力データから導出される触覚情報は、ロボットシステムの制御回路によって利用され得、対応する修正動作（例えば、標的物体が中央位置にあるようにエンドエフェクタ／グリッパを再調整する）を実行し、それによって関連する操作エラー（例えば、搬送中に標的物体を落とす）を回避する。したがって、本発明は、従来のアプローチを使用して達成することができない、向上した人間のような標的物体認識および関連する物体操作制御を容易にする触覚知覚能力をロボットエンドエフェクタに提供する。
【0008】
一般化された実施形態によれば、触覚知覚装置は、剛性ベース構造体と、センサボードと、センサデータ処理回路とを含む。剛性ベース構造体は、ロボットシステムの接触構造体に固定式に接続される（例えば、剛性ベース構造体は、ロボットグリッパフィンガに一体的に接続されるか、締結される）。剛性ベース構造体は、通常のロボットシステムの操作中（例えば、標的物体の把持および持ち上げなどの動作可能な相互作用の実行中）、支持プレートの上面が標的物体に面し、支持プレートの反対側（逆側）の下面が標的物体に背くように向けられた片持ち（または別の方法で接続された）支持プレートを含む。いくつかの実施形態では、センサボードは、圧力センサアレイが配置される平面ベース基板（例えば、ＰＣＢ構造体または半導体ウェーハ）を含み（すなわち、複数の圧力センサが２ＤパターンでＰＣＢ構造体上に製造される）、ベース基板は、圧力センサがそれぞれ支持プレートの関連する上面領域によって均一に支持されるように支持プレートに取り付けられる。この配置により、各圧力センサは、関連する上面領域上に配置された標的物体表面特徴に対応する関連する圧力成分量によって、関連する上面領域に押し付けられる（例えば、関連する圧力成分量は、対応する凸状の隆起した標的物体表面特徴が、関連する上面領域に向かって比較的高い圧力を加える場合、高い値を有し、凹状の標的物体表面特徴が関連する上面領域上に配置される場合、関連する圧力成分量は低い値を有する）。センサデータ処理回路はまた、支持プレートに取り付けられ、（ｉ）圧力センサによって生成された圧力データ値を受信するように（すなわち、圧力センサアレイへの動作可能な接続によって）、（ｉｉ）圧力データ値に応答して触覚情報を生成するように、および（ｉｉｉ）触覚情報を（例えば、アーム型ロボット機構の介在部分に沿って延びるデータバス信号線を介して）ホストロボットシステムの制御回路に伝送するように構成される。センサアレイの配備に使用されるのと同じ支持構造体にセンサデータ処理回路を取り付けることは、ホストロボットシステムの制御回路によって支持されるユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）または別の業界標準またはカスタムシリアル伝送方式を使用して触覚情報の伝送を容易にすることにより、既存のロボットシステムへの触覚知覚装置の商業的に実現可能な実装を容易にする。したがって、本発明は、ロボットエンドエフェクタ（および他の接触構造体）に、従来の感知アーキテクチャを使用して達成することができない向上した人間のような標的物体認識および関連する物体操作制御を容易にする触覚知覚能力を提供する。
【0009】
現在好ましい実施形態によれば、センサデータ処理回路は、支持プレートの下面（すなわち、所与の動作可能な相互作用中に標的物体に背く支持プレート表面）に取り付けられ、１つまたは複数の対応するプレート貫通開口部を通過するメザニンコネクタ（ｍｅｚｚａｎｉｎｅ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）を介してセンサアレイに動作可能に結合される。この特定の構成は、圧力センサアレイに伝達される力が支持プレートによって効果的に吸収されるため、動作可能な相互作用中に生成される接触力によって引き起こされる潜在的な損傷からセンサデータ処理回路を保護する（すなわち、接触力は支持プレートに沿って、支持プレートがしっかりと接続される対応するベース構造体に伝達され、それによってセンサデータ処理回路を遮蔽する）。この構成はまた、介在する支持プレートをヒートシンクとして利用することにより、センサボードへの熱エネルギー（例えば、センサデータ処理回路の動作によって生成される熱）の伝達を最小限に抑え、それによって、例えば、正確な物体温度感知動作を可能にする。
【0010】
現在好ましい実施形態の別の特徴によれば、支持プレートは、その上面が平面であり（すなわち、上面が平坦な２Ｄ平面にある）、圧力センサアレイが、同じく平面であり、支持プレートの平面状の上面によって実質的に完全に支持されるプリント回路基板（ＰＣＢ）構造体を含むセンサボード上に配置されるように構成される（すなわち、ＰＣＢ構造体のすべての表面部分は、プレート貫通開口部上に配置された領域を除いて上部支持表面に接触する）。支持プレートとそれぞれのＰＣＢ構造体の平面構成により、低コストの製造および組み立てプロセスが促進される。さらに、センサボードを平坦な上部支持面に取り付けることは、センサアレイ内のすべての圧力センサに均一な支持を提供することによって、一貫した圧力データをさらに促進する。圧力センサおよび支持プレートには平面／平坦構成が現在好ましいが、他の表面構成（例えば、平面／テクスチャ加工、湾曲または凸状）も利用できる。しかしながら、これらの代替案は製造コストを増加させる可能性がある。
【0011】
現在好ましい実施形態の別の特徴によれば、センサボードはまた、センサボード（第１）ＰＣＢ構造体に取り付けられ、圧力センサアレイによって生成されたアナログ圧力センサ値を、対応するデジタル圧力センサ値（これは次にメザニンコネクタを介してセンサデータ処理回路に連続的に伝送される）に変換するように構成されたアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）回路を含む。この実施形態では、各圧力センサは、その受け取った接触力成分によって決定される大きさ（量）を有する対応するアナログ圧力センサデータ値を生成するように動作可能に構成される（例えば、各圧力センサは、接触力が加えられない場合に比較的低電圧の圧力センサデータ値を生成し、比較的高い接触力成分が加えられたことに応答して比較的高電圧の圧力センサデータ値を生成する）。次に、各アナログ圧力センサデータ値は、ＡＤＣ回路によって対応するデジタル圧力センサデータ値に変換され、これは次にメザニンコネクタのシリアル信号ラインを介してセンサデータ処理回路に連続的に伝送される。シリアルデータ伝送を利用してセンサデータをＡＤＣ回路から処理回路に渡すことにより、このアプローチは、任意の数の圧力センサを支持できる少数（例えば、１つまたは２つ）のメザニンコネクタの使用を促すことによって、広範囲の圧力センサ構成（例えば、比較的多数の高密度圧力センサを含む高解像度センサアレイまたは比較的少数の圧力センサを含む低解像度アレイ）を有する触覚知覚装置の効率的な生産に対応する。
【0012】
いくつかの実施形態では、装置は、センサボードＰＣＢ構造体の最上面に配置された皮膚のような封入層で形成される。いくつかの実施形態では、封入層は、本質的に、標的物体を把持および保持するための適切な摩擦を提供し、断熱材および衝撃吸収材として機能することによって（すなわち、動作の相互作用中に標的物体によって加えられる接触力に応答して弾性的に変形することによって）圧力センサアレイを保護する働きをする耐久性のあるフレキシブル材料（例えば、シリコーンゴム）からなる。現在好ましい実施形態では、封入層は、０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲の厚さと、０から３００ミクロンＲＭＳの表面粗さおよび３０Ａ～７０Ａのデュロメータを有することによって特徴付けられる材料配合物とを有するシリコーンゴムの層を使用して実装される。この特定のシリコーン層の配合と構成は、ロボットグリッパによって把持された標的物体の滑り型変位に応答して生成される高圧／低圧波面を、圧力センサアレイ（またはセンサボード上に配置された他の振動検出センサ）に伝達する媒体（すなわち、スピーカのようなメカニズム）として封入層を利用することにより、ロボットグリッパの把持から滑り落ちる物体の検出を容易にする。すなわち、ロボットグリッパによって把持された物体に加えられるグリップ力は、通常、封入層の上面と物体の表面との間に十分な摩擦力を生成して、指定された動作可能な相互作用の間（例えば、物体をある場所から別の場所に移動する間）物体を確実に制御（保持）するレベルに設定される。しかしながら、場合によっては、湿気またはその他の予期しない表面汚染物質により、把持された標的物体と封入層との間の摩擦力が大幅に低下する可能性があり、それによって標的物体が滑り（封入層に対して変位し）始め、結果として、修正動作が取られない限り、物体に損傷をもたらす可能性がある。上記の仕様を有するシリコーンを使用して封入層を形成することにより、封入層に対して横方向の（すなわち、圧力センサアレイに平行な）横方向の滑り変位により、シリコーン層の表面は、圧力センサによって（またはセンサボードに取り付けられた他の振動センサによって）振動力成分として簡単に検出され得る高／低交互圧力波面を生成する。したがって、圧力センサによる振動力成分の検出に応答して滑りプロセスの開始を示す触覚情報を生成するように装置を構成することによって、装置は、ホストロボットシステムの制御回路による即時の修正動作を促し（例えば、加えられるグリップ力を増大する）、それ以上の滑りを防ぎ、標的物体の損傷を回避する。
【0013】
代替の特定の実施形態では、触覚知覚装置のセンサボードは、圧力センサの様々な構成および配置を利用し、任意選択的に、ホストロボットシステムの制御回路に提供される触覚情報を向上する１つまたは複数の追加のセンサタイプを含む。現在好ましい実施形態では、センサボードＰＣＢ構造体は、少なくとも２つのＰＣＢ積層体を含み、圧力センサは、２つのＰＣＢ積層体の対向する表面に形成された電極（接触パッド）間に挟まれた圧電セラミック材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））構造体を含む圧電タイプのセンサである。このサンドイッチタイプの配置は、対向する上部／下部接触パッドとＰＺＴ構造体のｄ３３（縦方向）圧電係数との位置合わせにより、加えられた力からの信号収集を最大化し、これは、電子ノイズからＰＺＴ構造体を遮蔽するファラデーケージを実装することによってさらに向上され得る。他の実施形態では、圧力センサは、ひずみゲージ、容量性圧力センサ、キャビティベースの圧力センサ、ピエゾ抵抗センサまたは圧電センサなどの１つまたは複数の他の圧電材料またはセンサタイプを使用して実装され、ここで圧力センサは対称、非対称またはランダムパターンで配置される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の追加のセンサタイプ（例えば、振動センサおよび／または温度センサ）もセンサボードＰＣＢ構造体上に提供され、センサデータ処理回路に動作可能に結合され、ここで追加のセンサは、圧力センサと同じＰＣＢ積層体上に、または多層センサボードＰＣＢ構造体の異なるＰＣＢ積層体上に作製される／取り付けられる。
【0014】
開示された実際の実施形態では、本発明の有益な態様をさらに向上する様々な追加の特徴が実装されている。例えば、センサボードは、異なるセンサタイプをより効率的に収容するために２つ以上のＡＤＣ回路を含むように拡張され、任意選択のコントローラが、異なる感知モード（例えば、静的対振動測定）を促すために含まれ得る。センサデータ処理回路によって実行される触覚情報生成プロセスは、プログラマブルロジックデバイス（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはプログラマブルシステムオンチップ（ＰＳＯＣ）回路）を利用することによって向上され得、触覚情報の効率的な伝送は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）回路を使用して達成することができる。一実施形態では、ベース構造体は、平面／平坦な上部および下部支持プレート表面と、ベース構造体のロボットグリッパフィンガへの堅固な接続を容易にするように構成された一体型取り付けフランジと、上部および下部ポケット領域を形成するために支持プレートを囲む周壁とを有する一体型金属構造体（例えば、アルミニウムまたは鋼）である。この構成では、センサボードおよびセンサデータ処理回路が、それらがそれぞれ上部および下部支持プレート表面と同じ高さになるようにそれぞれ上部および下部ポケット領域に挿入されると、ベース構造体は、装置を最適な動作温度に維持する効率的なヒートシンク構造体を形成する。一実施形態では、センサボードおよびセンサデータ処理回路は、ポッティング材料によって所定の位置に固定される。
【0015】
本発明の実際の実施形態によれば、ロボットシステムは、対向するエンドエフェクタ（グリッパ）フィンガの関連する接触構造体上に２つ以上の触覚知覚装置を実装する。この場合、各装置のそれぞれの処理回路は、エンドエフェクタと制御回路との間でロボット（アーム）機構に沿って延びる関連するシリアル（例えば、ＵＳＢ）データバスを介してロボットシステムの制御回路に動作可能に結合される。一実施形態では、一方または両方の触覚知覚装置によって生成された触覚情報は、最小遅延操作を促すために（例えば、物体の滑りが検出されると、加えられる把持力を増加する）、グリッパに取り付けられたローカルグリッパ制御回路（アクチュエータ）に提供される。
【0016】
本発明の別の実施形態によれば、ロボットシステムを制御するための方法は、標的物体を把持している（または別の方法でそれと動作可能に相互作用している）間にエンドエフェクタの対応する接触構造体に標的物体によって加えられる接触力に応答して触覚情報を生成するために、上記の１つまたは複数の触覚知覚装置を利用することを含む。触覚知覚装置によって生成された触覚情報は、ロボットシステムの制御回路に提供され、任意選択的に、グリッパに取り付けられたローカルグリッパ制御回路（アクチュエータ）に提供されて、最小遅延操作（例えば、物体の滑りが検出されると、加えられる把持力を増加する）を促す。
【0017】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の記載、添付の特許請求の範囲、および添付の図面に関してより深く理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の実施形態による、アーム型ロボットシステムのエンドエフェクタに実装された触覚知覚装置を示す図である。
【図3A】本発明の第１の特定の実施形態による簡略化された触覚知覚装置を示す断面側面図である。
【図3B】本発明の第１の特定の実施形態による簡略化された触覚知覚装置を示す断面側面図である。
【図5A】本発明の第２の特定の実施形態による簡略化された触覚知覚装置を示す断面側面図である。
【図5B】本発明の第２の特定の実施形態による簡略化された触覚知覚装置を示す断面側面図である。
【図7】別の特定の実施形態による触覚知覚装置の２つのＰＺＴ型圧力センサを示す断面側面図である。
【図8】別の特定の実施形態による触覚知覚装置の簡略化されたセンサボードを示す断面側面図である。
【図9】別の特定の実施形態による触覚知覚装置を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
本発明は、ロボットシステムの能力を大幅に向上させる触覚知覚装置（すなわち、標的物体感知アーキテクチャ）に関する。以下の記載は、当業者が、特定の用途およびその要件の文脈において提供される本発明を作製および使用することを可能にするために提示される。本明細書で使用される場合、「上」、「下」、「下」、「前」および「後」などの方向用語は、記載の目的で相対位置を提供することを意図し、絶対的な基準枠を指定することを意図しない。回路要素間の電気的接続に関して、本明細書で使用される「結合された」および「接続された」という用語は、以下のように定義される。「接続された」という用語は、例えば、通常の集積回路製造技術に従って形成された金属線による、２つの回路要素間の直接接続を記載するために使用される。対照的に、「結合された」という用語は、２つの回路要素間の直接接続または間接接続のどちらかを記載するために使用される。例えば、２つの結合された要素は、金属線によって直接接続され得るか、または介在する回路要素（例えば、コンデンサ、抵抗器、インダクタ、またはトランジスタのソース／ドレイン端子によって）によって間接的に接続され得る。好ましい実施形態への様々な修正は、当業者に明らかであり、本明細書で定義される一般原理は、他の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、示され、記載される特定の実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理および新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【0020】
図１は、本発明の触覚知覚装置の例示的な使用を説明するために提供される例示的なロボットシステム２００を示している。ロボットシステム２００は、ロボットアーム型機構２０１および制御回路（ＣＣ）２０３（例えば、マイクロプロセッサ）を概して含むアーム型ロボットシステムである。
【0021】
ロボット機構２０１は、既知の技術に従って動作可能に構成され、様々なアクチュエータを介して標的物体９０を操作するように制御される様々な機構および構造を含む。例示的な実施形態では、ロボット機構２０１は、固定ベース２１１を介して作業面（図示せず）に固定式に取り付けられるように構成された肩／ベース機構２１０、肩／ベース機構２１０から肘機構２２０まで延びる上腕構造２１５、肘機構２２０から手首機構２３０まで延びる前腕構造２２５、手首機構２３０からハンド／軸回転機構２４０まで延びる手首構造２３５、およびハンド／軸回転機構２４０の末端部分に動作可能に接続されたエンドエフェクタ２５０を含む。エンドエフェクタ２５０は、グリッパ構造内に取り付けられたモータの対応する作動に従って開く（互いに離れる）または閉じる（互いに近づく）２つのグリッパフィンガ２５５－１、２５５－２を有する、ロボットアーム機構２０１の遠位端に配置されたハンド／グリッパタイプの機構である。ロボット機構２０１はまた、複数のアクチュエータを含み、各アクチュエータは、制御回路２０３から受信した制御信号に応答して１つまたは複数の関連する電気モータ（図示せず）をオン／オフするように構成されたモータ制御回路（ＭＣＣ）を含む。例えば、モータ制御回路（ＭＣＣ）２０４－１および関連する第１のモータは、固定ベース２１１に対する上腕構造２１５の選択的回転および旋回を容易にするために肩－ベース機構２１０に配置された第１のアクチュエータを形成し、ＭＭＣ２０４－２を含む第２のアクチュエータは、上腕構造２１５に対する前腕構造２２５の選択的旋回を容易にするために肘機構２２０内に配置され、ＭＭＣ２０４－３を含む第３のアクチュエータは、前腕構造２２５に対する手首構造２３５の選択的旋回を容易にするために手首機構２３０内に配置され、ＭＭＣ２０４－４を含む第４のアクチュエータは、手首構造２３５に対するグリッパ２５０の選択的旋回を容易にするためにハンド軸回転機構２４０内に配置され、ＭＭＣ２０４－５を含む第５のアクチュエータは、グリッパ２５０に対してグリッパフィンガ２５５－１、２５５－２の開／閉を制御するエンドエフェクタ２５０に配置される。上記のように、ロボット機構２０１は、本発明の特徴および利益を説明するための簡略化された文脈を提供するために単に導入され、ロボット機構２０１の特定の構成は、添付の特許請求の範囲を制限することを意図するものではない。例えば、エンドエフェクタ２５０は２本フィンガのグリッパとして描かれているが、エンドエフェクタ２５０はまた、フィンガごとに１つまたは複数の関節／自由度を有する任意の数のフィンガを有するプローブまたはグリッパを使用して実装されてもよい。
【0022】
制御回路２０３は、関連する制御信号シーケンスにおいて選択されたアクチュエータに制御信号を送信することによって、ロボット機構２０１にユーザ指定の動作を実行させる。各制御信号シーケンスは、ユーザ提供の命令２０７に従って制御回路のオペレーティングシステムソフトウェアによって生成される１つまたは複数の一次制御信号と、様々なセンサまたはフィードバック機構から受信したフィードバックデータ１０７によって生成される０または複数の二次制御信号とを含み、本発明の１つまたは複数の触覚知覚装置から受信した触覚情報ＴＩを含む。ユーザ提供の命令２０７は、プログラミング装置８０（例えば、パーソナルコンピュータまたはワークステーション）から制御回路２０３に送信され、ロボット機構２０１によって実行される関連タスクを指定する。背景技術セクション（上記）で記載したように、制御回路２０３は、所望のタスクを指定するユーザ提供の命令２０７に従って一次制御信号を生成し、この一次ロボット制御信号をワイヤ（図示せず）を介してロボット機構２０１に配置された様々なアクチュエータのＭＭＣ２０４－１～２０４－５に送信し、それによりロボット機構２０１は標的物体との操作可能な相互作用を伴って指定されたタスクを実行する。例えば、グリッパ２５０を制御して標的物体９０を把持することを伴う動作可能な相互作用を実行するために、制御回路２０３の制御信号生成器は、対応するユーザ提供の命令２０７を処理し、第１の制御信号を生成し／ＭＣＣ２０４－５に送信し、第１の制御信号は、エンドエフェクタ２５０に配置されたアクチュエータに、「開グリッパ」制御命令に従ってグリッパフィンガ２５５－１、２５５－２の間のギャップを増加させ、次に制御信号生成器は、第２の制御信号を生成し／ＭＣＣ２０４－１～２０４－４に送信し、第２の制御信号は、アーム構造２１５、前腕構造２２５、手首構造２３５、および軸回転機構２４０に配置されたアクチュエータに、エンドエフェクタ２５０を指定されたＸ－Ｙ－Ｚ位置座標に配置させ、その結果、グリッパフィンガ２５５－１、２５５－２が標的物体９０の反対側に配置されるようにし、次に制御信号生成器は、第３の制御信号を生成し／ＭＣＣ２０４－５に送信し、第３の制御信号は、エンドエフェクタ２５０に、グリッパフィンガ２５５－１、２５５－２の間のギャップを減少させ、標的物体９０に把持力を加える（すなわち、その結果、グリッパフィンガ２５５－１、２５５－２は、「閉グリッパ」制御命令に応答して、標的物体９０の両側に対して対向する接触力を加える）。各動作可能な相互作用中に、制御回路２０３は、フィードバックデータ１０７を利用して、関連する一次ロボット制御信号の実行中に発生する可能性のある望ましくない状態に応答して、ユーザ提供の命令２０７によって定められた動作を修正（例えば、調整または終了）する。例えば、フィードバックデータ１０７が、標的物体９０が予想されるＸ－Ｙ－Ｚ位置からオフセットされていることを示す場合、制御回路２０３は、オフセットＸ－Ｙ－Ｚ位置で標的物体９０を把持しやすくするためにグリッパ２５０の位置を調整するように動作を変更し得る。
【0023】
図１および図２を参照すると、触覚知覚装置１００－１、１００－２は、それぞれ、グリッパフィンガ２５５－１、２５５－２の対向接触面に固定式に取り付けられ、その結果、装置１００－１、１００－２は、標的物体９０との動作可能な相互作用中に標的物体９０に面する。各装置１００－１、１００－２は、動作可能な相互作用中に制御回路２０３に提供されるフィードバックデータ（情報）１０７の少なくとも一部を形成する触覚情報ＴＩを提供するように構成され、ここで装置１００－２は、以下に記載される装置１００－１のすべての特徴および詳細を含む。代替の実施形態では、１つの触覚知覚装置のみを使用することができ（すなわち、装置１００－１または装置１００－２のどちらか）、または２つより多い装置を使用することができる（例えば、３本以上のフィンガを含むグリッパの場合）。
【0024】
図１の下部に示される破線の気泡部を参照すると、例示的な実施形態において、触覚知覚装置１００－１は、剛性ベース構造体１１０と、ＰＣＢ構造体１２１に配置された圧力センサアレイ１２４を含む圧力ボード１２０と、センサデータ処理回路１３０とを含む。いくつかの実施形態では、装置１００－１はまた、圧力ボード１２０とセンサデータ処理回路１３０との間で信号を渡すメザニンコネクタ１４０と、センサボードＰＣＢ構造体１２１の最上面１２１Ｕに配置された耐久性のあるフレキシブル材料（例えば、シリコーンゴム）から本質的になる皮膚様封入層１５０とを含む。本発明は、装置１００－１を特に参照して以下に記載されるが、装置１００－２は、知覚装置１００－１を参照して以下に記載する構造および構成を含む。
【0025】
図１の気泡部を参照すると、ベース構造体１１０は、グリッパ（エンドエフェクタ）２５０のフィンガ２５５－１への固定接続のために構成された支持プレート１１１を含む。支持プレート１１１は、上面１１１Ｕと、反対側の下面１１１Ｌと、反対側の側縁１１１Ｓ１、１１１Ｓ２と、反対側の前縁１１１Ｆおよび後縁１１１Ｒとを有する。図１に示される実施形態では、ベース構造体１１０のフィンガ２５５－１への固定接続は、支持プレート１１１の後縁１１１Ｒに沿ったフィンガ２５５－１の端部への一体接続によって達成され、それによって支持プレート１１１はアーム機構２０１の遠位端に配置された片持ち構造を形成する。他の実施形態では（例えば、図１１中の（Ａ）および図１２を参照して以下に記載される）、ベース構造体１１０は、（例えば、ボルトまたは他の留め具による）フィンガ２５５－１への固定接続のために構成することができ、別の（例えば、単に支持された）構成で取り付けることができる。いずれの場合も、ベース構造体１１０は、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、動作可能な相互作用の間、支持プレート１１１の上面１１１Ｕが標的物体９０に面し、下面１１１Ｌが標的物体９０に背くように構成される。いくつかの実施形態では、ベース構造体１１０は、金属（例えば、アルミニウムまたは鋼）を含み、上面１１１Ｕおよび下面１１１Ｌの一方または両方が平面（平坦）であり、支持プレート１１１は、少なくとも１つの貫通開口部１１６が上面１１１Ｕと反対側の下面１１１Ｌとの間に延びる状態で機械加工されるか、または別の方法で形成される。いくつかの実施形態では、ベース構造体１１０はまた、下面１１１Ｌ上に取り付けられる任意選択のキャップ／カバー構造１１２も含む。
【0026】
センサボード１２０は、図２Ｂに示されるように、センサアレイ１２４の少なくとも一部が動作可能な相互作用中に支持プレート１１１と標的物体９０との間に挟まれるように、支持プレート１１１の上面１１１Ｕ上に／を覆って取り付けられる。図１に示すように、センサボードＰＣＢ１２１は、支持プレートの平面状の上面１１１Ｕによって均一に支持されるように平面／平坦であり、センサアレイ１２４は、２Ｄパターンで配置された（例えば、行および列に整列され、支持プレート上面１１１Ｕに平行な平面を形成する）圧力センサ１２５を含む。各圧力センサ１２５は、支持プレート上面１１１Ｕの対応する領域によって支持され、動作可能な相互作用中に標的物体９０によって加えられる接触力の関連する量に応答して関連する圧力データ値を生成するように構成されることに留意されたい。例えば、図２Ｂの気泡部に示されるように、センサ１２５－３、１２５－４は、それぞれ上面部分１１１Ｕ－３、１１１Ｕ－４上に配置され、標的物体９０の対応する部分によってそれぞれ生成され、上面部分１１１Ｕ－３、１１１Ｕ－４に向けられる接触力成分ＰＦＣ－３、ＰＦＣ－４に応答して、それぞれ圧力センサ値ＰＳＤ－３、ＰＳＤ－４を生成する。代替の実施形態（図示せず）では、センサアレイ１２４は、別個の圧力センサのセットとして実装することができ（すなわち、単一のＰＣＢ構造体上に配置されない）、および／または別の対称（すなわち、等間隔配置または非対称もしくはランダムなパターン配置）で配置することができる。
【0027】
図１の気泡部に示されるように、センサデータ処理回路１３０は、支持プレート１１１に取り付けられ、センサアレイ１２４を形成する様々な圧力センサ１２５によって生成される圧力センサデータＰＳＤに応答して触覚情報ＴＩを生成するように構成される。処理回路１３０はさらに、触覚情報ＴＩをシリアルデータストリームで（例えば、標準のシリアルデータプロトコルを使用して伝送されるシリアルデータ信号の一部として）データバス１０８の信号線／コネクタを介して制御回路２０３に伝送するように構成される。現在好ましい実施形態では、センサデータ処理回路１３０は、支持プレート１１１の下面（非接触面）１１１Ｌに取り付けられ、圧力センサ１２５によって生成された圧力センサデータＰＳＤは、貫通開口部１１６に配置された１つまたは複数のメザニンコネクタ１４０を経由して処理回路１３０に伝送される。図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、この配置では、支持プレート１１１は、動作可能な相互作用中、標的物体９０とセンサデータ処理回路１３０との間に配置される（すなわち、標的物体９０によって加えられる圧力成分ＰＦＣ－３、ＰＦＣ－４はセンサボード１２０を支持プレート１１１に対して圧縮するが、支持プレート１１１はフィンガ２５５－１への堅固な接続によってこれらの圧力成分がセンサデータ処理回路１３０を圧縮するのを防ぐ）。
【0028】
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の簡略化された第１の特定の実施形態に従って構成された触覚知覚装置１００Ａによる触覚情報の生成を示す簡略化された断面図である。図３Ａは、標的物体と接触する前の初期期間「ｔ０」中の触覚知覚装置１００Ａの断面部分を示し、図３Ｂは、標的物体９０と接触中のその後の期間「ｔ１」中の触覚知覚装置１００Ａを示す。簡潔さと明確さのために、特定の簡略化を利用して、触覚知覚装置１００Ａの特徴と構造（および以下に提供される実施形態で記載される触覚知覚装置の特徴と構造）を記載する。例えば、装置１００Ａの様々な構造は、図１、図２Ａ、および図２Ｂを参照して上で提供されたものと同じ参照番号を使用して識別され、参照番号の再利用は、識別された特徴／構造が両方の場合において同一であることを必ずしも意味しないことが理解される（例えば、装置１００Ａの圧力センサ１２５－１～１２５－６は上記の実施形態で利用された圧力センサと異なる場合がある）。さらに、標的物体によって加えられる圧力は、比較的高い圧力を示すためにバイナリ「１」を使用して示され、比較的低い圧力を示すためにバイナリ「０」を使用して示されるが、実際の実施形態では、加えられ、圧力センサによって測定される圧力は、向上した触覚情報を提供するために、ある範囲のデジタル値を使用して測定され得る。
【0029】
図３Ａを参照すると、装置１００Ａの断面部分は、封入層１５０Ａの対応する領域１５５－１～１５５－６の隣に配置されたセンサボード１２０Ａの圧力センサ１２５－１～１２５－６の列を含む圧力センサアレイ１２４Ａの一部を示している。この実施形態では、圧力センサ１２５－１～１２５－６は、それぞれ、アナログ圧力センサ値ＰＳＡ－１～ＰＳＡ－６を生成するように構成され、センサボード１２０Ａは、ＰＣＢ１２１Ａに取り付けられ、ローカル信号線１２６を介してアナログ圧力センサ値ＰＳＡ－１～ＰＳＡ－６を受信するように動作可能に構成されたアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）回路１２６を含む。ＡＤＣ回路１２６は、アナログ圧力センサ値ＰＳＡ－１～ＰＳＡ－６を対応するデジタル圧力センサ値ＰＳＤ－１～ＰＳＤ－６に変換し、圧力センサ値ＰＳＤ－１～ＰＳＤ－６をメザニンコネクタ１４０を介して処理回路１３０Ａに伝送するようにも構成される。説明の目的で、デジタル圧力センサ値ＰＳＤ－１～ＰＳＤ－６は、アナログ圧力センサ値ＰＳＡ－１～ＰＳＡ－６との１対１の対応を示すために縦の列で示され、実際の使用においては、メザニンコネクタ１４０の単一コネクタデータ信号線１４５を介してＡＤＣ回路１２６から処理回路１３０Ａに伝送される。
【0030】
図３Ａおよび図３Ｂに示される実施形態では、圧力センサ１２５－１～１２５－６は、加えられる接触力／圧力の対応する量によって決定される大きさ（量）を有する対応するアナログ圧力センサデータ値ＰＳＡ－１～ＰＳＡ－６を生成するように動作可能に構成される。図３Ａを参照すると、時間ｔ０において接触力が加えられていない場合（例えば、図３Ａの圧力成分ＰＳＡ－１、ＰＳＡ－６を示す両頭矢印は、封入層１５０Ａに対して加えられた圧力がゼロであることを示す）、各圧力センサ１２５－１～１２５－６は、比較的低いアナログ（例えば、低電圧）圧力センサデータ値を生成し、これは、各圧力センサ１２５－１～１２５－６に示される文字「Ｌ」によって示される。逆に、図３Ｂに示されるように、加えられた圧力成分を受け取る各圧力センサは、比較的高いアナログ（例えば、高電圧）圧力センサデータ値を生成し、これは、圧力センサ１２５－３～１２５－６に示される文字「Ｈ」によって示される。図３Ｂに示すように、封入層１５０Ａが標的物体９０の表面部分に押し付けられるように装置１００Ａが作動されると、標的物体９０によって加えられる圧力成分が生成されることに留意されたい。アナログ圧力センサのデータ値ＰＳＡ－１～ＰＳＡ－６の大きさは、所与の圧力センサが加えられた接触力／圧力成分を受け取った場合にのみ変化することにも留意されたい。すなわち、動作可能な相互作用は、センサボード１２０Ａの下部のみを伴うため（すなわち、非ゼロ圧力成分ＰＦＣ－３～ＰＦＣ－６が、それぞれ、圧力センサ１２５－３～１２５－６に適用され、ゼロ圧力成分ＰＦＣ－１、ＰＦＣ－２が、それぞれ圧力センサ１２５－１、１２５－２に適用されるため）、大きさの変化は、圧力センサ１２５－３～１２５－６によって生成されたアナログ圧力センサデータ値でのみ発生する。したがって、圧力センサ１２５－１～１２５－６は、それぞれの値「Ｌ」、「Ｌ」、「Ｈ」、「Ｈ」、「Ｈ」および「Ｈ」を有するアナログ圧力センサ値ＰＳＡ－１～ＰＳＡ－６を時間ｔ１の間にＡＤＣ回路１２６にそれぞれ送信する。次に、上記のように、ＡＤＣ回路１２６は、アナログ圧力センサ値ＰＳＡ－１～ＰＳＡ－６を、処理回路１３０Ａに対して、対応するデジタル圧力センサ値ＰＳＤ－１～ＰＳＤ－６（すなわち、対応するバイナリ信号パターン「０」、「０」、「１」、「１」、「１」および「１」を有する）に変換する。
【0031】
再び図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、封入層１５０Ａは、加えられた接触力成分に応答して局所的な弾性変形を受けることによって人間の皮膚のように機能し、それによって圧力センサアレイ１２４Ａを衝撃損傷から保護する一方、動作可能な相互作用中に正確な圧力接触データの生成を可能にする。具体的には、図３Ａは、封入層１５０Ａの６つの封入層領域１５５－１～１５５－６を描写し、これらはそれぞれ、圧力センサ１２５－３～１２５－６上に、弛緩した減圧状態で配置され、この状態は接触力が加えられていない場合に起こる。対照的に、図３Ｂに示されるように、標的物体９０が装置１００Ａの下部に接触すると、封入層領域１５５－３～１５５－６は、標的物体９０の対応する部分によって弾性的に圧縮され、それによって圧力センサ１２５－３～１２５－６に損傷を与える可能性のある機械的衝撃を減衰させる。完全に圧縮されると、封入層領域１５５－３～１５５－６は、加えられた圧力成分ＰＦＣ－３～ＰＦＣ－６を圧力センサ１２５－３～１２５－６に伝達し、それによって高アナログ圧力センサデータ値の生成を可能にする（すなわち、アナログ圧力センサ値ＰＳＡ－３～ＰＳＡ－６は高い「Ｈ」値を有する）。標的物体９０は封入層１５０Ａの上部に接触しないので、接触力成分ＰＦＣ－１、ＰＦＣ－２は、領域１５５－１、１５５－２にゼロの力の大きさを加え（すなわち、領域１５５－１、１５５－２は、図３Ｂに示すように、時間ｔ１の間、弛緩した減圧状態のままである）、これにより、圧力センサ１２５－１、１２５－２は、低いアナログ圧力センサデータ値に維持される（すなわち、アナログ圧力センサ値ＰＳＡ－１とＰＳＡ－２は低い「Ｌ」値を有する）ことに留意されたい。
【0032】
一実施形態では、処理回路１３０Ａは、マイクロプロセッサ１３５または他の論理回路を利用して、デジタル圧力センサ値ＰＳＤ－１～ＰＳＤ－６によって提供される等高線マップタイプの情報に対応する触覚情報ＴＩを生成する。例えば、オールバイナリゼロのデジタル圧力センサ値パターンが、接触力が加えられていない状態で（例えば、図３Ａに示されるように）ＡＤＣ回路１２６によって生成される場合、マイクロプロセッサ１３５は、ホストロボットシステムの制御回路によって「接触なし」を示すと解釈されるデータパターンを有する触覚情報ＴＩを生成／送信するように構成され得る。対照的に、接触力が加えられていることが検出されると（例えば、図３Ｂに示されるように）、マイクロプロセッサ１３５は、接触された標的物体の位置および向きを示すパターンを有する触覚情報ＴＩを生成／伝送するように構成され得（例えば、「列の下３分の２で接触」）、これにより、ホストロボットシステムの制御回路は、予期されるフィードバックデータが提供されたときにプログラムされた動作を継続すること、またはグリッパと標的物体との間の望ましくない接触が示されたときに修正動作を実行することが可能になる。例えば、図４Ａは、標的物体９０が、５列Ｃ１～Ｃ５および６行Ｒ１～Ｒ６に配置された圧力センサＰＳＤ－１１～ＰＳＤ－５６を含む圧力センサアレイ１２４Ａの中央部分に接触したときに圧力ボード１２０Ａ（ｔ１）によって生成される例示的な２Ｄ等高線マップタイプ圧力センサデータパターンＰＳＤ－Ｐ１を示す簡略図であり、上記の方法で生成されたデジタル圧力センサ値は説明のために各圧力センサＰＳＤ－１１～ＰＳＤ－５６に重ね合わせられている。図４Ａは、標的物体９０が中央列Ｃ３に配置された圧力センサ１２５－３３～１２５－３６に（すなわち、接触領域ＣＲ－１および圧力センサデータ値ＰＳＤ－３３～ＰＳＤ－３６によって示されるように）接触するときに生成される例示的な予期されるフィードバックデータパターンＰＳＤ－Ｐ１を示し、これにより、マイクロプロセッサ１３５は、標的物体９０の中心位置および垂直方向を示すパターンを有する触覚情報ＴＩを生成／伝送するように構成され得、それにより、ホストロボットシステムの制御回路はプログラムされた動作を継続すること（すなわち、中断することなく、ユーザ提供の命令２０７によって定められた一次制御信号シーケンスを実行すること）が可能になる。対照的に、図４Ｂは、標的物体９０が予期される中央位置からオフセットされ、エッジ列Ｃ５に配置された圧力センサ１２５－５３～１２５－５６に（すなわち、接触領域ＣＲ－２によって示されるように）接触するときに生成される例示的な予期されないフィードバックデータパターンＰＳＤ－Ｐ２を示す。この場合、マイクロプロセッサ１３５は、標的物体９０の中心から外れた位置および垂直方向を示すパターンを有する触覚情報ＴＩを生成／伝送し、それにより、ホストロボットシステムの制御回路は一次制御信号シーケンス（プログラムされた動作）を中断し、標的物体に対するグリッパの位置を再調整する１つまたは複数の２次制御信号を含むことが可能になる。同様に、図４Ｃは、標的物体９０が、複数の行Ｒ３～Ｒ６および複数の列Ｃ２～Ｃ４に配置された圧力センサに（すなわち、接触領域ＣＲ－３によって示されるように）接触するようにオフセットされたときに圧力センサアレイ１２４Ａによって生成される例示的な予期されないフィードバックデータパターンＰＳＤ－Ｐ３を示す。このオフセット状態に応答して、マイクロプロセッサ１３５は、標的物体９０の中心から外れた位置および／または非垂直方向を示すパターンを有する触覚情報ＴＩを生成／伝送し、それにより、ホストロボットシステムの制御回路は一次制御信号シーケンスを中断し、修正動作を取る（例えば、標的物体を再び把持する前にフィンガを回転させて再配置する）ことが可能になる。
【0033】
図５Ａおよび図５Ｂは、別の特定の実施形態による簡略化された触覚知覚装置１００Ｂを示す。装置１００Ｂは、装置１００Ａ（上記）と同様であるセンサボード１２０Ｂ、センサデータ処理回路１３０Ｂ、メザニンコネクタ１４０、および封入層１５０Ｂを含み、図３Ｂを参照して上に記載したものと同様の動作可能な相互作用を実行するものとして図５Ａに示される。したがって、装置１００Ａを参照して上に記載したものと同じである装置１１０Ｂの詳細は、簡潔にするために省略されている。
【0034】
装置１００Ｂは、封入層１５０Ｂが、上記の保護および把持摩擦機能を実行することを可能にし、さらに、標的物体９０の滑り型変位に応答して高／低圧波面を生成するスピーカのような機構として機能することを可能にする特定の材料パラメータに従って形成されるという点で、装置１００Ａとは異なる。図５Ａを参照すると、この実施形態では、封入層１５０Ｂは、０．５ｍｍ～１０ｍｍの範囲の厚さＴ１を有し、０から３００ミクロンＲＭＳ（ルート平均二乗）の表面粗さおよび３０Ａ～７０Ａのデュロメータを有することによって特徴付けられる材料配合物を有するシリコーンゴムの層を使用して実装される。これらのパラメータを使用して製造される場合、封入層１５０Ｂは、図６Ａおよび図６Ｂを参照して記載されるように、標的物体９０の滑り型変位によって生成される高圧／低圧波面をセンサボード１２０Ｂに伝達する媒体として機能する。
【0035】
同様にセンサボード１２０Ｂおよび処理ボード１３０Ｂは、封入層１５０Ｂによって生成された高圧／低圧波面の検出／測定を容易にするために、装置１００Ａの対応する回路とは幾分異なる。センサボード１２０Ｂは、圧力センサアレイ１２４Ｂの圧力センサ１２５－１～１２５－６が上記のように静的圧力センサデータ値を測定するように構成されるという点でセンサボード１２０Ａと同様であるが、圧力センサ１２５－１～１２５－６が、標的物体９０の滑り型変位に応答した封入層１５０Ｂによる高圧／低圧波面の生成に応じて振動力値を測定するようにも構成されている点で異なる。同様に、処理回路１３０Ｂは、静的圧力値と振動力値（まとめて圧力／振動ＰＶ値と呼ばれる）の両方を使用して触覚情報ＴＩを生成するように構成されている点で処理回路１３０Ａと異なる。簡潔にするため、および以下の記載を簡略化するために、静圧センサデータ値と振動力値の両方を、バイナリ１とバイナリ０の値を使用して記載する。例えば、図５Ａに示すように、圧力センサ１２５－１によって生成された対応するアナログデータ値に基づいてＡＤＣ回路１２６Ｂによって生成された圧力／振動値ＰＶ－１は、「００」で示され、ここで、第１のバイナリ０値は圧力センサデータ値であり、第２のバイナリ０値は振動力値である。当業者は、実際の使用においては、静圧および振動力の値は他の数値スケールで表すことができ、時変であり得ることを認識するであろう。
【0036】
図５Ａおよび図６Ａは、標的物体９０がしっかりと把持されている時間ｔ２における装置１００Ｂを示している（すなわち、標的物体９０の滑りが時間ｔ２で発生していない）。すなわち、図６Ａに示されるように、加えられた力ＡＦ０は、時間ｔ２において、封入層１５０Ｂの表面１５１と標的物体９０の表面９１との間に、装置１００Ｂに対する標的物体９０のＸ軸位置を維持するのに十分な摩擦力ＦＦを生成するのに十分大きい。この状態において、圧力センサアレイ１２４Ｂは、標的物体９０によって加えられる接触力のパターンおよび滑りのない状態に対応する圧力／振動値を生成／伝送する。例えば、図６Ａに示されるように、圧力センサ１２５－５、１２５－６は、それぞれ、圧縮された封入層領域１５５－５、１５５－６から圧力成分ＰＦＣ－５、ＰＦＣ－６を受け取り、したがって、高「Ｈ」アナログ圧力値を生成する。同時に、振動力がないため、圧力センサ１２５－５、１２５－６は低「Ｌ」アナログ振動値を生成する。したがって、圧力成分ＰＦＣ－５、ＰＦＣ－６は、それぞれ、値「ＨＬ」を有するアナログ圧力／振動値を生成し、それにより、ＡＤＣ回路１２６Ｂは、これらの値を、時間ｔ２においてバイナリ「１０」に等しい圧力／振動値ＰＶ－５、ＰＶ－６に変換する。図５Ａを参照すると、同様の方法で、圧力センサ１２５－３、１２５－４も「ＨＬ」圧力／振動値を生成し、これらはＡＤＣ回路１２６Ｂによってバイナリ「１０」値に変換され、次いで処理回路１３０Ｂに送信される。対照的に、圧力センサ１２５－１、１２５－２は、時間ｔ２で圧力成分を受け取らないので、これらのセンサは、ＡＤＣ回路１２６Ｂによってバイナリ「００」として変換／伝送される「ＬＬ」圧力／振動値を生成する。
【0037】
図５Ｂおよび図６Ｂは、標的物体９０が時間ｔ２でその位置から距離－Ｚだけ滑ったときの時間ｔ３における装置１００Ｂを示している。すなわち、図６Ｂに示されるように、時間ｔ３において、封入層１５０Ｂの表面１５１と標的物体９０の表面９１との間の摩擦力ＦＦは、装置１００Ｂに対する標的物体９０のＸ軸位置を維持するのに不十分であり、それにより、標的物体９０は、－Ｚ方向に変位し始める（すなわち、装置１００Ｂに対して下向きに滑り始め、ここで－Ｚ方向は封入層１５０Ｂの表面１５１に対して横方向であり、圧力センサ１２５－５、１２５－６に平行である）。滑りプロセスの間、封入層領域１５５－５、１５５－６は、静圧力成分ＰＦＣ－５、ＰＦＣ－６を圧力センサ１２５－５、１２５－６に伝達し続ける。さらに、封入層領域１５５－５、１５５－６は、圧力センサ１２５－５、１２５－６によって同じく検出される振動力成分ＶＦＣを伝達するように機能し、ここで、振動力成分ＶＦＣは、標的物体９０が封入層１５０Ｂに対して－Ｚ方向に移動している間に物体表面９１と封入層表面１５１との間の滑り型接触によって生成される高／低交互圧力波面を表す。したがって、圧力センサアレイ１２４Ｂは、標的物体９０によって加えられる接触力のパターンおよび振動力成分ＶＦＣによって示される滑り状態に対応する圧力／振動値を生成／伝送する。例えば、図６Ｂに示されるように、圧力センサ１２５－５、１２５－６は、それぞれ、値「ＨＨ」を有するアナログ圧力／振動値を生成し、それにより、ＡＤＣ回路１２６Ｂは、これらの値を、時間ｔ３でバイナリ「１１」に等しい圧力／振動値ＰＶ－５、ＰＶ－６に変換する。図５Ｂを参照すると、同様の方法で、圧力センサ１２５－３、１２５－４も「ＨＨ」圧力／振動値を生成し、これらはＡＤＣ回路１２６Ｂによってバイナリ「１１」値に変換され、次いで処理回路１３０Ｂに送信される。圧力センサ１２５－１、１２５－２は、時間ｔ３で圧力成分を受け取らないが、滑りプロセス中に生成された振動を検出する場合があり、これにより、圧力センサ１２５－１は「ＬＬ」圧力／振動値を生成し、圧力センサ１２５－２は、「ＬＨ」圧力／振動値を生成し、これらは次いで、ＡＤＣ回路１２６Ｂによって、それぞれ「００」および「０１」のバイナリ値を有する圧力／振動値ＰＶ－１、ＰＶ－２に変換／伝送される。
【0038】
図５Ｂに記載の滑り事象の早期検出を促すことにより、装置１００Ｂは、滑りプロセスを阻止するための修正動作を促し、それにより、標的物体９０への損傷を防止する（すなわち、装置１００Ｂによって適用された把持から標的物体９０が完全に滑るときに起こり得るよりも破損による）。すなわち、上記静圧情報と滑り／非滑り情報の両方を含む引張情報ＴＩを生成するように処理回路１３０Ｂを構成することにより、装置１００Ｂは、滑り始めた直後にホストロボットシステムの制御回路に通知することができ、それにより修正動作を促す。例えば、図６Ｃは、時間ｔ４（すなわち、時間ｔ３の直後）における装置１００Ｂの一部を示し、このとき、装置１００Ｂが取り付けられているエンドエフェクタは、標的物体９０に増加した加えられた力ＡＦ１を生成するように作動され、それによって、封入面１５１と物体表面９１との間の摩擦力ＦＦの量を、滑りプロセスを停止するレベルまで増大する。滑りプロセスがうまく終了したことは、例えば、圧力／振動値ＰＦ－５、ＰＦ－６が、図５Ａを参照して上に記載した「１０」バイナリ値に変化することによって確認される。
【0039】
図７は、集合的に多層ＰＣＢ構造体１２１Ｃを形成する２つのＰＣＢ積層体構造体（積層体）１２１Ｃ－１、１２１Ｃ－２の間に挟まれた２つの圧電型圧力センサ１２５Ｃ－１、１２５Ｃ－２を含む例示的なセンサボード１２０Ｃの一部を示す断面側面図である。例示的な実施形態では、圧力センサ１２５Ｃ－１、１２５Ｃ－２は、それぞれ、圧電材料構造体１２５Ｃ－１１、１２５Ｃ－２１（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の小さなブロック／ダイ）を含み、それらは、それぞれ、上部電極１２５Ｃ－１２、１２５Ｃ－２２と、下部電極１２５Ｃ－１３、１２５Ｃ－２３との間に挟まれ、それらは、ＰＣＢ積層体１２１Ｃ－１の下面に形成された上部導電性リード／回路１２２ＣおよびＰＣＢ積層体１２１Ｃ－２の上面に形成された下部リード／回路１２３Ｃ－１、１２３Ｃ－２に動作可能に結合されている。一実施形態では、ＰＺＴ構造体１２５Ｃ－１１、１２５Ｃ－２１は、それらのポーリング方向が、垂直入射で（すなわち、Ｚ軸方向において）下部ＰＣＢ積層体１２１Ｃ－２から離れる方向を向く垂直方向になるように製造される。他の実施形態では、ＰＺＴ構造体１２５Ｃ－１１、１２５Ｃ－２１のポーリング方向は、他の軸に沿って向けることができる。一実施形態では、上部ＰＣＢ積層体１２１Ｃ－１は、圧力センサ１２５Ｃ－１、１２５Ｃ－２への圧力の伝達を容易にするために、フレキシブルＰＣＢ材料（例えば、ポリイミドポリマー）の１つまたは複数の層を含む。例示的な実施形態では、上部回路１２２Ｃは、動作中に接地電位に接続される共有導電性構造体を含み、下部回路１２３Ｃ－１、１２３Ｃ－２のそれぞれは、センサ１２５Ｃ－１、１２５Ｃ－２からＡＤＣ回路１２６Ｃへのアナログセンサデータ信号の伝送を容易にする別個の増幅回路（例えば、図７に示される演算増幅器およびコンデンサ構成など）を含む。装置１００Ｃが図７に示される例示的な構成を使用して実装される場合、動作中に標的物体（図示せず）によって上部ＰＣＢ積層体１２１Ｃ－１に加えられる圧力は、センサ１２５Ｃ－１、１２５Ｃ－２に伝達され（例えば、封入層１５０の対応する領域を圧縮することによって）、それにより、ＰＺＴ構造体１２６Ｃ－１、１２６Ｃ－２に、圧電効果に従って生成され、ＰＺＴ構造体１２６Ｃ－１、１２６Ｃ－２のＺ軸変形（圧縮）の対応する量に関連する対応する大きさを有する電荷の形態で関連するアナログ圧力センサデータ値ＰＳＡ－１、ＰＳＡ－２を生成させる。前述の実施形態と同様に、図７に示される構造は、本発明の注目すべき特徴を強調するために簡略化され、示される構造は、より大きな圧力センサアレイの一部を形成し、より大きな圧力センサアレイが次に、１つまたは複数の追加のＰＣＢ積層体またはＰＣＢ層および追加のセンサタイプを含むセンサボードの一部を形成し得る。
【0040】
図８は、別の例示的な実施形態による触覚知覚装置１００Ｄの一部を形成する簡略化されたセンサボード１２０Ｄを示す断面側面図である。図７に示される実施形態のように、センサボード１２０Ｄは、ＰＣＢ積層体１２１Ｄ－１、１２１Ｄ－２の間に配置された圧力センサ１２５Ｄ－１、１２５Ｄ－２を含み、これらは集合的に多層ＰＣＢ構造体１２１Ｄを形成する。圧力センサ１２５Ｄ－１、１２５Ｄ－２は、図７を参照して上に記載したＰＺＴタイプのセンサ構成を使用して実装することができ、対称（すなわち、等間隔）パターン配置（例えば、図８のセンサ１２５Ｄ－１によって示されるような）または非対称／ランダムパターン配置（例えば、図８のセンサ１２５Ｄ－２によって示されるような）のどちらかで第１のＰＣＢ構造体１２１Ｄに配置することができる。前の実施形態のように、アナログ圧力センサデータ値は、ＰＣＢ積層体１２１Ｄ－２の下面に配置されたＡＤＣ回路１２６Ｄに渡される。代替の実施形態では、圧力センサ１２５Ｄ－１、１２５Ｄ－２は、別のセンサタイプの１つまたは複数のセンサ（例えば、ひずみゲージ、容量性圧力センサ、キャビティベースの圧力センサ、圧電センサ、およびピエゾ抵抗センサのうちの１つ）を使用して実装することができる。
【0041】
センサボード１２０Ｄは、ＰＣＢ構造体１２１Ｄ上に配置され、触覚情報の生成に利用される追加のデータを提供するように構成された１つまたは複数の追加のセンサ１６０Ｄ－１、１６０Ｄ－２を含むという点で、上記の実施形態とは異なる。追加のセンサ１６０Ｄ－１、１６０Ｄ－２は、圧力センサアレイ１２４Ｄの圧力センサとは異なるセンサタイプによって実装される（例えば、追加のセンサ１６０Ｄ－１、１６０Ｄ－２は、図５Ａ～６Ｃを参照して上に記載した方法で振動を検出するように構成された振動／テクスチャセンサ、標的物体とセンサボード１２０Ｄとの間の距離を決定するように構成された近接センサ、またはセンサボード温度センサの対応する部分に適用された局所温度に応答して温度データを生成するように構成された温度センサを含み得る）。いくつかの実施形態では、追加のセンサ１６０Ｄ－１、１６０Ｄ－２の一方または両方は、圧電、ピエゾ抵抗、またはＭＥＭＳベースのセンサ構成のどれかを使用して実装される振動／テクスチャセンサを含む。他の実施形態では、追加のセンサ１６０Ｄ－１、１６０Ｄ－２の一方または両方は、抵抗温度検知器（ＲＴＤ）、熱電、または別の既知の温度センサ構成を使用して実装される温度センサを含む。さらに他の実施形態では、追加のセンサ１６０Ｄ－１、１６０Ｄ－２の一方または両方は、容量結合型感知要素を使用して実装された近接センサを含む。図８に示されるように、追加のセンサ１６０Ｄ－１は、ＰＣＢ積層体１２１Ｄ－２の上面に（すなわち、一点鎖線Ｐ１によって示される圧力センサアレイ１２４Ｄを含む同じ物理層／平面内に）配置され、追加のセンサ１６０Ｄ－２は、ＰＣＢ積層体１２１Ｄ－１の上面に（すなわち、一点鎖線Ｐ２によって示される圧力センサアレイ１２４Ｄによって占められているものとは異なる物理層／平面内に）配置される。いくつかの実施形態では、追加のセンサ１６０Ｄ－１は、層Ｐ１内に自己完結型である回路を含み、追加のセンサ１６０Ｄ－２は、層Ｐ２内に自己完結型である回路を含む。いくつかの実施形態では、追加のセンサ１６０Ｄ－１、１６０Ｄ－２は、ＡＤＣ回路１２６Ｄに動作可能に結合され、ＡＤＣ回路１２６Ｄは、アレイ１２４Ｄから受け取った圧力データおよび追加のセンサ１６０Ｄ－１、１６０Ｄ－２から受け取った追加データの両方を使用して触覚情報を生成するように構成される。
【0042】
図９～図１３を参照すると、別の例示的な実施形態に従って構成された触覚知覚装置１００Ｅを示している。図９を参照すると、触覚知覚装置１００Ｅは、ベース構造体１１０Ｅと、センサボード１２０Ｅと、センサデータ処理回路１３０Ｅと、２つのメザニンコネクタ１４０Ｅ－１、１４０Ｅ－２と、封入層１５０とを含む。以下に記載するように、図１０は、センサボード１２０Ｅに取り付けられた回路および構造に関する詳細を提供し、図１１は、センサデータ処理回路１３０Ｅに関する詳細を提供し、図１２および図１３は、組み立てられた状態の触覚知覚装置１００Ｅの斜視および断面側面図を示す。
【0043】
図９を参照すると、ベース構造体１１０Ｅは、平面状上面１１１Ｅ－Ｕおよび反対側の平面状下面１１１Ｅ－Ｌの間に延びる２つの貫通開口部１１６Ｅを有する支持プレート１１１Ｅと、支持プレート１１１Ｅの後縁１１１Ｅ－Ｒに一体的に接続され、例えば、ボルトまたは他の留め具によってロボットグリッパ（図示せず）にベース構造体１１１Ｅを固く接続するように構成された取り付け穴１１３Ｅを含む取り付けフランジ１１２Ｅとを含む機械加工されたまたは成形された金属（例えば、アルミニウムまたは鋼）構造を含む。一体型周壁１１４Ｅが、支持プレート１１１Ｅおよび取り付けフランジ１１２Ｅを取り囲み、図１２に示されるように、封入層１５０と組み合わせて、センサボード１２０Ｅおよび処理回路１３０Ｅを取り囲み、保護する保護ハウジングを形成する。図９および図１３に示すように、周壁１１４Ｅの上壁部分１１４Ｅ－Ｕは、支持プレート１１１Ｅ－Ｕに垂直に、かつそれから（その上に）上向きに延在し、それにより、上部支持プレート表面１１１Ｅ－Ｕおよび上壁部分１１４Ｅ－Ｕの内面は、センサボード１２０Ｅを受け入れて固定するように構成された上部ポケット領域１１１Ｅ－ＵＰを形成する。同様に、周壁１１４Ｅの下壁部分１１４Ｅ－Ｌは、支持プレート１１１Ｅ－Ｕに垂直に、かつそれから（その下に）下向きに延在し、それにより、下部支持プレート表面１１１Ｅ－Ｌおよび下壁部分１１４Ｅ－Ｌの内面は、処理回路１３０Ｅを受け入れて固定するように構成された下部ポケット領域１１１Ｅ－ＬＰを形成する。封入層１５０は、上記の実施形態のいずれかを使用して実装することができる。
【0044】
図１０は、センサボード１２０Ｅをさらに詳細に示す上面／下面図であり、（Ａ）は、ＰＣＢ構造体１２１Ｅの上面１２１Ｅ－Ｕ上またはその近くに配置された特徴を示し、（Ｂ）は、ＰＣＢ構造体１２１Ｅの下面１２１Ｅ－Ｌ上に配置された特徴を示している。図１０（Ａ）を参照すると、センサボード１２０Ｅは、１６行３２列に配置された５１２個の圧力センサ１２５Ｅを有する圧力センサアレイ１２４Ｅと、ＰＣＢ構造体１２１Ｅの一端に配置された追加のセンサ１６０Ｅ－１、１６０Ｅ－２、１６０Ｅ－３を含む。第１のＡＤＣ回路１２６Ｅ－１は、圧力センサ１２５Ｅの第１の半分から圧力センサデータを受け取り、対応するデジタル圧力センサデータＰＳＤを生成するように構成され、対応するデジタル圧力センサデータＰＳＤは次に、メザニンコネクタ１４０Ｅ－１を介して処理回路１３０Ｅに伝送される。第２のＡＤＣ回路１２６Ｅ－２は、圧力センサ１２５Ｅの他方の（第２の）半分から圧力センサデータを受信し、メザニンコネクタ１４０Ｅ－２を介して処理回路１３０Ｅに伝送される対応するデジタル圧力センサデータを生成するように構成される。プログラム可能なデバイス（例えば、ＰＳＯＣ）１２９Ｅは、追加のセンサ１６０Ｅ－１、１６０Ｅ－２、１６０Ｅ－３によって実行される動作を制御し、メザニンコネクタ１４０Ｅ－２を介して処理回路１３０Ｅに伝送されるデジタルの追加のセンサデータＡＳＤを生成するように動作可能に構成される。ＰＣＢ構造体１２１Ｅに取り付けられた任意選択の追加回路は、様々なセンサに最適な基準電圧を提供するように構成された電源１２８Ｅを含む。
【0045】
図１１は、センサデータ処理回路１３０Ｅをさらに詳細に示す上面／下面図であり、（Ａ）は、ＰＣＢ構造体１３１Ｅの上面１３１Ｅ－Ｕ上またはその近くに配置された特徴を示し、（Ｂ）は、ＰＣＢ構造体１３１Ｅの下面１３１Ｅ－Ｌに配置された特徴を示している。図１１（Ａ）を参照すると、メザニンコネクタ１４０Ｅ－１、１４０Ｅ－２を介してセンサボード１２０Ｅから伝送された圧力センサデータＰＳＤおよび追加のセンサデータＡＳＤは、プログラム可能なデバイス（例えば、ＦＰＧＡまたはＰＳＯＣ）１３５Ｅに提供され、プログラム可能なデバイス１３５Ｅはデータを処理し、触覚情報ＴＩを生成するように構成されている。プログラム可能なデバイス１３５Ｅは、触覚情報ＴＩを適切なトランシーバ回路（好ましくは、既知の技術に従って製造されたＵＳＢ回路）１３７Ｅに伝送し、トランシーバ回路１３７Ｅは触覚情報ＴＩを標準のＵＳＢ信号線（データバス）１０８Ｅ上のシリアルデータストリームとして伝送する。
【0046】
図１２および図１３は、組み立てられた触覚知覚装置１００Ｅをそれぞれ斜視図および簡略化された断面図で示している（明確にするために信号線は省略されていることに留意されたい）。組み立て中、センサボード１２０Ｅおよび処理回路１３０Ｅは、それぞれ、上部ポケット領域１１１－ＵＰおよび下部ポケット領域１１１－ＬＰに取り付けられ、メザニンコネクタ１４０Ｅ－１、１４０Ｅ－２によって接続され、それらはそれぞれの開口部１１６Ｅを通って延びる。封入層１５０は、センサボード１２０Ｅに事前に取り付けられるか、またはセンサボード１２０Ｅがベース構造体１１０Ｅに取り付けられた後に形成され得る。次に、任意選択の下部キャップ１１７Ｅ（図１３に示されている）が、下部ポケット領域１１１－ＬＰ上に固定される。一実施形態では、下部キャップ１１７Ｅは、接続部１３８Ｅ－１、１３８Ｅ－２を介して処理ボード１３０Ｅに動作可能に結合する１つまたは複数の外部ソケット１７０Ｅ－１、１７０Ｅ－２を含む。組み立てられると、ポッティング材料１１８Ｅが、側面開口部１１９Ｅ（図９に示される）を通して、上部ポケット領域１１１Ｅ－ＵＰおよび下部ポケット領域１１１Ｅ－ＬＰの開いた（空いている）部分に注入されて、追加の機械的支持を提供し、センサボード１２０Ｅおよび処理回路１３０Ｅから支持プレート１１１Ｅへの熱伝達を向上する。
【0047】
本発明を特定の特別の実施形態に関して記載してきたが、本発明の発明的特徴は他の実施形態にも適用可能であり、それらのすべてが本発明の範囲内にあることが意図されていることは当業者には明らかであろう。例えば、本発明は、２本フィンガエンドエフェクタを使用する関節式ロボットシステムを特に参照して記載されているが、本明細書に開示される触覚知覚装置は、３、４、または５本フィンガエンドエフェクタ（例えば、人間のようなロボットハンド）を利用する高度なロボットシステムにおいても有益に利用され得る。さらに、本明細書に記載の触覚知覚装置の構成は、参照により完全な形で本明細書に組み込まれる、「ＦＬＥＸ－ＲＩＧＩＤ ＳＥＮＳＯＲ ＡＲＲＡＹ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＦＯＲ ＲＯＢＯＴＩＣ ＳＹＳＴＥＭＳ（ロボットシステム用のフレックスリジッドセンサアレイ構造）」と題された共通所有および共通出願の米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号［代理人整理番号ＲＯＢ－００３］に記載されているフレックスリジッドセンサアレイ構造に関連する１つまたは複数の特徴を含むように修正することができる。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【国際調査報告】