ロボットで使われる接触と動きを測るセンサ
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October 14, 22
スライド概要
精密工学会主催 講演会 2022.10.18
ロボットで使われるセンサとして、今回は触覚、近接覚、加速度、ジャイロセンサについて、その原理と使い方、応用事例について紹介します
これまでに主に，ロボティクス・メカトロニクス研究，特にロボットハンドと触覚センシングの研究を行ってきました。現在は、機械系の学部生向けのメカトロニクス講義資料、そしてロボティクス研究者向けの触覚技術のサーベイ資料の作成などをしております。最近自作センサの解説を動画で始めました。https://www.youtube.com/user/shimojoster 電気通信大学 名誉教授
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精密工学会主催 講演会 2022.10.18 ロボットで使われる接触と 動きを測るセンサ ロボットで使われるセンサとして、今回は 触覚、近接覚、加速度、ジャイロセンサに ついて、その原理と使い方、応用事例につ いて紹介します 下 条 誠 電気通信大学名誉教授 https://researchmap.jp/read0072509/ The University of Electro-Communications Department of Mechanical Engineering and Intelligent System
ロボットで使われる接触と動きを測るセンサ 今回のテーマ 触 覚 ⚫ 触覚センサ ロボット用各種センサ 視 覚 皮膚 ⚫ 視覚センサ ✓ ロータリーエンコーダ ⚫ 近接覚センサ 聴 覚 動き・姿勢 ⚫ 加速度センサ ⚫ 変位センサ ✓ ポテンショメータ ✓ 差動変圧器 ⚫ 近接センサ ✓ 光学式距離センサ ✓ 静電容量方式 ⚫ 角度センサ ✓ レゾルバ ⚫ 聴覚センサ 三半規管 ⚫ ジャイロセンサ この解説＆詳細： https://www.docswell.com/user/m_shimojo ⚫ 加速度センサ ✓ ひずみゲージ式 ✓ 静電容量式 ✓ ピエゾ抵抗式 ⚫ ジャイロセンサ ✓ 振動式ジャイロ • 静電容量式 • 圧電素子式 ✓ 慣性センサ ⚫ 力の計測 ✓ ひずみゲージ式 ✓ 圧電式 ✓ 力覚センサ ⚫ 温度センサ ✓ 熱電対 ✓ 測温抵抗体 （RTD） ✓ サーミスタ 2
内容：ロボットで使われる接触と動きを測るセンサ ロボットで使われるセンサは数多くあります。その中から今回 は接触と動作を測るセンサとして、触覚、近接覚、加速度、 ジャイロセンサなどについて、その原理と使い方、応用事例に ついて紹介します。 1. 触覚センサ(Tactile sensor) 2. 近接覚センサ(Proximity sensor) 3. 慣性センサ（IMU sensor) メカトロニクスで利用される数多くのセンサに関しては、参考資料１を、そして 触覚・近接覚センサに関しては参考資料２をご参照ください。より多くのセンサ をより詳しく解説しております。 1. メカトロニクス「センサ」 https://www.docswell.com/s/m_shimojo/Z8RPP5-2022-04-16-134500 2. 触覚・近接覚センサ解説 V3 https://www.docswell.com/s/m_shimojo/5YGXD5-2022-04-16-143915#p18 3
触覚センサ 皮膚 4
触覚に求められる検出機能 近接覚センサ 距離/方向 触覚センサ 物体面までの ⚫ 距離/方向 ⚫ 接触位置 ⚫ 力/トルク 力/トルク ⚫ 衝突回避 ⚫ 柔らかな接触 ⚫ 倣い，追尾 ⚫ 適切な物体操作 ⚫ 安全性の向上 ⚫ すべり ⚫ 初期すべり 振 動 5 ⚫ すべり方向 ⚫ 把持力制御 ⚫ 柔らかさ識別 ⚫ 静摩擦/動摩擦 ⚫ 力/トルク分布 接触パターン ⚫ 接触面３D変形 ⚫ 接触状態 ⚫ テクスチャー ⚫ 材質判別 情報処理
触覚センサに求められる特性 ◆ 薄く柔らかい ✓ 物理・化学的耐久性 ◆ 伸縮性 ✓ 関節部覆える ◆ 広い曲面を覆える ◆ 多種類のセンサ ✓ 触圧，振動，伸展，温冷， 痛覚 ◆ そのほか ✓ 情報処理（局所的） ✓ データ転送（高速通信） ✓ 省配線（←重要） ロボットが組立作業などで用いる触覚機能は， ここに記した機能すべては必要なく，目的に 応じて機能設計を行うべきと考える。 6
触覚センサは，何が難しいのか 1. 接触型である ⚫ 伸び，縮み，擦り，打撃などに対する物理的耐久性 ⚫ 水，油などの化学的汚染に対する化学的耐久性 ⚫ キチンと接触させるのが難しい（片当たりなどによって変わる検出量） 2. 分布型である ⚫ 柔軟性があり，薄く，広い自由曲面を覆えることが必要 ⚫ 多数分布する検出素子への配線が必要 3. マルチモダリティである ⚫ 力／トルク，滑り，振動，熱効果，接触面積，伸縮など多感覚の検出が必要 4. 能動型である ⚫ 触覚は手・指でなぞる等の何らかの意図に基づいた探索的動作が必要な 感覚である． ⚫ アクティブタッチに関わる機構＆検出アルゴリズムが必要 7
触覚センサの構成 電気量 物 理 量 - 8 電気量 + （力） 変換器 物理 量 電気 量 検出回路 狭義の センサ 信号処理・伝送 広義の センサ
変換器：力を電気量に変える 変換器 力 例） 9 変位 電気量 Δｄ ΔＣ Δｄ 電極 弾性体 弾性体 𝐴 𝐶=𝜖 𝑑 𝐴：電極面積 𝜖 ：誘電率(弾性体) 電極 ΔＣ： 静電容量変化
触覚センサの検出原理 10 次の2つの過程 1. 力により変形する機械的構造体 力→変形量ε →電気量 2. 変形量εを計測する方式 ① 電気抵抗方式 ② 静電容量方式 ③ 光方式 ④ 電荷方式 ⑤ 磁気方式 ⑥ 超音波方式 ε 弾性体 f
電気抵抗方式触覚センサ 1. 2. 3. 4. 電気抵抗方式（感圧導電ゴム） 電気抵抗方式（接触抵抗値変化） 電気抵抗方式（ひずみゲージ） 電気抵抗方式（圧抵抗効果方式） などの方式がある 触覚・近接覚センサ解説 V3 https://www.docswell.com/s/m_shimojo/Z8RPP5-2022-04-16-134500 11
1.電気抵抗方式（感圧導電ゴム） 12 多孔質シリコンゴム中に炭素粒 子等の導電粒子を均一に拡散さ せたものである 荷重 抵抗値 利点： ➢ 薄く柔軟で加工が容易 ➢ 大面積化が容易 ➢ 衝撃などによっても破損しない ➢ 検出回路は簡単 ➢ 安価 欠点： ➢ ヒステリシス特性があり， ➢ 定量的な計測に不向き
1.電気抵抗方式（感圧導電ゴム） 感圧原理 13 パーコレション：感圧導電ゴムの導電機構を説明する一つの理論 導体密度上昇→相互接触増加→導電性発現 力→導電体を含む柔軟物の圧縮→導体密度上昇→電気抵抗値減少 導体：カーボン粒子，導体糸，カーボンナノチューブ（CNT)，グラフェン (graphene)等
1.電気抵抗方式（感圧導電ゴム） 縦方向に電流が流れる 14 横方向に電流が流れる ©shimojo （１）縦方向電流パス方式 ©shimojo （２）横方向電流パス方式
ビデオ出力型触覚センサ（感圧導電ゴム） Tactile sensor(64x64, 1mm pitch) 15 Video signal output(1991) scan time: 1/30/4096=8μs/cell
ビデオ出力型触覚センサ（感圧導電ゴム） https://www.youtube.com/watch?v=E4NBZfc5Ic4 16 ビデオ 64×64＝4096点 （1mm pitch） •石川正俊，下条誠，ビデオ信号出力を持つ圧力分布センサと触覚パターン処理, 計測自動制御学会論文集, Vol.24, No.7, pp.662-669, 1988 走査回路 •M. Shimojo, M. Ishikawa, K. Kanaya: A Flexible High Resolution Tactile Imager with Video Signal Output, IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, Sacramento, pp.384-391 (1991)
縫込み電極型（感圧導電ゴム） 17 感圧導電ゴムに金メッキ線 を網目状に縫い込んだ構造 ✓ 薄型柔軟 ✓ 接線方向力にも頑健 M. Shimojo, A. Namiki, M. Ishikawa, R. Makino and K. Mabuchi: A tactile sensor sheet using pressure conductive rubber with electrical-wires stitched method, IEEE Trans. Sensors,vol.4, no.5, pp.589-596 (2004)
縫込み電極型（感圧導電ゴム） M. Shimojo, T. Suzuki, A. Namiki, T.Saito, M. Kunimoto, R. Makino, H. Ogawa, M. Ishikawa, K..Mabuchi, Development of a System for Experiencing Tactile Sensation from a Robot Hand by Electrically Stimulating Sensory Nerve Fiber, IEEE ICRA pp.1264-1270,2003 18 https://www.youtube.com/watch?v=Lffe73bZdlc&t=26s
荷重分布中心位置と総荷重検出センサ(COP) 19 （COP：Center of Pressure） 面状抵抗体 感圧導電ゴム 面状抵抗体 感圧機構：感圧導電ゴムを面状抵抗体で挟む 特徴： ✓ 荷重分布の中心位置（COP）と総和を検出，すべり検出 ✓ 高速応答（1ms以内），薄型シート状，省配線型（配線は4本のみ） 備考： ✓ 大面積，正則関数を用いた変換座標系可能 石川正俊,下条誠:感圧導電性ゴムを用いた２次元分布荷重の中心位置の測定方法,計測自動制御学会論文集, 18, 7, 730-735, 1982
Ishikawa lab. U.Tokyo https://www.youtube.com/watch?v=qqhL7zOLKo8 https://www.youtube.com/watch?v=xCCYxYgTTYk Grasp force 20 https://www.youtube.com/watch?v=-tTN2SPeEoY https://www.youtube.com/watch?v=OByVNFBiZNY
2.電気抵抗方式（接触抵抗値変化） 感圧原理 接触面積の増減による接触抵抗値の変化 荷重負荷 弾性のある 導体変形 接触面積の 増加 抵抗値の減少 https://www.nitta.co.jp/product/sensor/ 21
Tekscan （例） 22 FlexiForce™ Standard Model A201 Thickness ：0.203 mm Sensing Area: 9.53 mm diameter CoV; Components of Variance https://www.tekscan.com/products-solutions/force-sensors/a201
静電容量方式触覚センサ 誘電体変形による静電容量変化から力を計測 https://pressureprofile.com/ http://wiki.icub.org/wiki/Tactile_sensors_(aka_Skin) 利点： 欠点： ➢ 薄型で構造がシンプル ➢ 空間分解能を上げると容量が 小さくなりS/N比が低下 ➢ 誘電体により検出感度などの特 性を変更可能 ➢ 静電容量変化検出用IC市販 ➢ 電磁ノイズ，温度の影響を受 けやすい 23
静電容量方式触覚センサ C = A d : 誘電率，A：面積，d：電極間距離 24 荷重負荷 弾性のある 誘電体変形 電極間距離 の減少 AD7147 A Tactile Sensor for the Fingertips of the Humanoid Robot iCub,A.Schmitz, IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robots Syst., 2010 静電容量Cの 増加
静電容量方式触覚センサ（iCub skin） 感圧機構：静電容量型 特徴： ✓三角形のパッチで大面積を覆う ✓三角形のパッチ内に静電容量計測ICがあ り，I2Cでデータ転送 備考： ✓ iCub，KASPER，NAO などのロボット に利用 25
静電容量方式触覚センサ（iCub skin） ０か月 （シリコン商品名） 6か月 圧力と静電容量変化および素材経年変化 TH Le, P Maiolino, F Mastrogiovanni, G Cannata,,kinning a Robot: Design Methodologies for Large-Scale Robot Skin,IEEE Robotics & Automation Magazine, 23, 4, 2016 センサ：48個/掌，12個/指 https://www.youtube.com/watch?v=yQGXYGS0Ojo 26
光学方式触覚センサ 1. 光量変化: 発光／受光素子などを対にして光量の変化から荷重を 検出する方法 2. 弾性体の変形画像計測: 光透過性弾性体中のマーカの荷重による位置変化をカ メラ等で計測し，荷重を計測する方式 3. 光遮断方式: 発光／受光素子間の光路を遮断する光量変化から荷重 を検出する方法 4. 光導波板方式: 荷重による白色弾性体と光導波板の接触面積の変化を カメラ等で計測し，荷重を計測する方式 触覚・近接覚センサ解説 V3 https://www.docswell.com/s/m_shimojo/Z8RPP5-2022-04-16-134500 27
1.光学方式触覚センサ（光量変化） 1. 発光·受光素子などを対にして配置し,力による柔軟体の変形に よる受光量の変化から力を検出する 2. 力の変形による発砲材内の散乱光量変化による光透過性の変化 を計測することで，力を計測する 28
1.光学方式触覚センサ（光量変化）例 29 ビデオ 測定点 スポンジ圧縮時の透過/ 反射率変動による光量の 変化から力を検出する https://www.youtube.com/watch?v=b68S0d_qZpY https://www.slideshare.net/Touchence/ss-52242522
2.光学方式触覚センサ（弾性体の変形画像計測） 30 ⚫ 光透過性弾性体中に入れた赤, 青 などのマーカの外力による位置 変化を，カメラなどで計測し， 外力を計測する方式。 ⚫ 荷重方向・トルクにより弾性体 変形が異なることから，外力の 方向成分，回転成分などが計測 できる 利点： ➢ 外力の方向成分，回転成分が計 測できる ➢ 光源とカメラの配線のみでよい 欠点： ➢ カメラ等の撮像系のため薄型 が困難 K.Kamiyama, K. Vlack,T. Mizota, H. Kajimoto, K. Kawakami,S. Tachi, S.:Vision-based sensor for real-time measuring of surface traction fields, IEEE Computer Graphics and Applications, 25, 1, 68-75, 2005
2.光学方式触覚センサ（弾性体の画像計測）例 31 ビデオ https://www.youtube.com/watch?v=VWtUSoBqdVo K.Kamiyama, K. Vlack,T. Mizota, H. Kajimoto, K. Kawakami,S. Tachi, S.:Vision-based sensor for realtime measuring of surface traction fields, IEEE Computer Graphics and Applications, 25, 1, 68-75, 2005
32 2.光学方式触覚センサ（ゲルの変形を用いた方式） GelSight 光透過性柔軟ゲルの接触変形の計測。ゲル周囲からRGB各色LED 照明を照 射しカメラで撮影，ゲル表面の３D変形を推定，接触状態を計測する 特徴： ⚫ 荷重分布のカメラ画像からの高解像計測が可能。動画像から動的 接触状態を計測 備考： ⚫ カメラを搭載するため指先形状寸法に制限はある ⚫ 柔軟ゲルの耐久性が問題 http://www.gelsight.com/
33 2.光学方式触覚センサ（ゲルの変形を用いた方式） ビデオ https://www.youtube.com/watch?v=4DSilbo2B24 Localization and Manipulation of Small Parts Using GelSight Tactile Sensing, R Li; R Platt; W Yuan; A Pas; N Roscup; MA Srinivasan; E Adelson,IROS 2014
そのほか数多くの触覚センサがあります DIGIT DIGIT elastomer 磁気変化方式(Uskin) 光導波板方式（3軸力） 柔軟ゲルの変形をカメラ計測（low cost版） 導電性流体を用いたもの(BioTac) 力・近接覚複合 HEX-O-SKIN 光量変化 触覚センサの切り貼り実装 Electrical Impedance Tomography方式 感圧導電素材 3D-shaped tactile 透明な弾性層 34 FingerVision https://www.docswell.com/s/m_shimojo/Z8RPP5-2022-04-16-134500
近接覚センサ 皮膚の拡張 35
近接覚とは何か 触覚 36 近接覚 触感覚を空間的に数十cm拡張したもの （Super Tactile）
近接覚とは何か 近接領域 37 センサの例 光をあて，反射光を 検出する LED 光 i 非接触での検知 触覚が空間的に 拡張したイメージ Phototransistor EE-SY1200 検出素子：フォトリフレクタ
視覚，触覚の問題点 問題： 38 物体近傍での情報の欠落 ➢ 視覚は計測誤差があり， また隠蔽や死角がある。 ➢ 触覚は接触するまで検出 できない 対策： ➢ 近接覚で，近くの物体 (近接領域）を検知する ✓ 視覚や触覚だと，安全のた め，衝突しないように物体 近傍では低速な動作となる ✓ 高速な動作が可能 ✓ 衝突回避が可能 ✓ ソフトな接触が可能 ✓ 非接触操作が可能
近接覚センサの計測例 近接覚センサ出力 39 近接覚センサ出力 近接覚センサ 16×16アレイ 近接覚センサとしてフォトリフレクタを使用して16×16に配置した。センサ出力をカラー で表示した。この例では，距離に応じて出力像が変化する https://www.youtube.com/watch?v=ILmK0DinkYM 国府田 直人, 鈴木 陽介, 明 愛国, 石川 正俊, 下条 誠, 分布型近接覚センサからの情報処理, ロボティクス・メカトロニクス講演会講演概要集巻,2A2-P05 (2011)
近接覚センサの検出原理 1. 2. 3. 4. 光学式（三角測量，TOF、光反射光量) 静電容量型 超音波 渦電流型 触覚・近接覚センサ解説 V3 https://www.docswell.com/s/m_shimojo/Z8RPP5-2022-04-16-134500 40
光学式近接覚センサ（三角測距方式） 41 三角測量にて距離を計測する。受光素子とし てPSD等の位置検出素子を用いる。 sharp 型番 GP2Y0A710 範囲 100〜550cm GP2Y0A02 20〜150cm GP2Y0A710 100〜550cm https://jp.sharp/products/device/lineup/selection/opto/haca/diagram.html 利点： ➢ 反射率等の影響を受けない ➢ 信号処理回路を一体化 ➢ 種類豊富 欠点： ➢ 最小検出距離数センチ ➢ 応答性十数ms程度(I2C接 続）
光学式近接覚センサ（TOF方式） 42 光の往復時間TOF(Time of Flight) から対象物までの距離を測る方式 Δｔ＝往復時間 L=10mmならば， → Δｔ＝67ｐｓ 計測Timerの周波数 f は SPAD(Single-Photon Avalanche Diode) 𝒇= 𝟏 ∆𝒕 𝒇 = 𝟏𝟓𝟎𝑮𝑯𝒛 C: 光速 利点： ➢ 対象物の反射率，表面粗さ，色 等の影響が無い ➢ 集積化可能，小型，軽量 欠点： ➢ 計測精度？ →数ミリの誤差がある ➢ 高速応答性？
光学式近接覚センサ（TOF方式）例 43 STMicroelectronics VL6180X ✓ レンジ：0mm-100mm, ✓ 誤差：2～３mm程度 I2C接続 ✓ 応答：15ms（67Hz） 4.8 x 2.8 x 1.0 mm STMicroelectronics Vl6180X 距離計測特性 Δｔは多数試行からの統計処理 →応答速度と精度はトレードオフ https://www.st.com/content/st_com/en/products/imaging-andphotonics-solutions/proximity-sensors/vl6180x.html
光反射光量方式近接覚(フォトリフレクタ) 44 反射光強度は物体の距離に応じて変化 することから，近接距離情報を検出する EE-SY1200 3.2mmx1.9mm 利点： ➢ 応答速度速い ➢ 空間分解能高くできる ➢ 小型軽量廉価，種類豊富 欠点： ➢ 対象物の反射率，表面粗さ， 色等の影響を受ける ➢ 外乱光の影響がある
近接覚（フォトリフレクタ）例 45 ビデオ https://www.youtube.com/watch?v=fn9T9toOn_c https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0278364919875811 K. Koyama, M. Shimojo, A. Ming, M. Ishikawa,"Integrated control of a multiple-degree-of-freedom hand and arm using a reactive architecture based on high-speed proximity sensing,"The International Journal of Robotics Research, 38(14). 1717 - 1750, 2019
フォトリフレクタとTOFの複合型 例 46 ビデオ 指先（フォトリフレクタ） 爪先（フォトリフレクタ+ToF） K. Sasaki, K. Koyama, A. Ming, M. Shimojo, et.al. "Robotic Grasping Using Proximity Sensors for Detecting both Target Object and Support Surface," ,IROS 2018, pp. 2925-2932
静電容量(電界）方式 47 ① 自己容量方式：電極 間の電界内に誘電体 の侵入による静電容 量変化から検出 ② 相互容量方式：送受 信電極間の電界への 物体の侵入による電 流変化から検出 利点： ➢ 光方式と比べ汚れ等に強い ➢ 形状の自由度大（大小軽薄型など） ➢ 広範囲の検出が可能 欠点： ➢ 物体の形状，材質などで特性 が異なる ➢ 空間分解能が低い ➢ 指向性低い
近接覚（静電容量型）例 48 ビデオ https://spectrum.ieee.org/skin-flexible-proximity-sensor-robots T. D. Nguyen, T. Kim, J. Noh, H. Phung, G. Kang and H. R. Choi, "Skin-Type Proximity Sensor by Using the Change of Electromagnetic Field," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 3, pp. 2379-2388, 2021, doi: 10.1109/TIE.2020.2975503
触・近接センサ(Univ.Colorado) VNCL40101 proximity sensors PDMS 透明度の高いPDMS層の下にフォトリフ レクタ(VNCL40101)を配置する VNCL40101: proximity sensor detecting objects a distance up to 20 cm. reliable detection: distance up to 6–7 cm 1. 近接： 対象物の接近は，反射光 強度より検出 2. 力： 接触後の力は，PDMSの変 形量を反射光強度から検出，力を 推定する Dana Hughes, John Lammie,and Nikolaus Correll，A Robotic Skin for Collision Avoidance and Affective Touch Recognition, IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS, VOL.3, NO.3, pp.1386-1393, 2018 49
触・近接覚 (Univ. Tokyo) 50 対象物面までの距離と傾きを，反射率の影 響を受けず，高速・高精度に計測する ⚫ フォトリフレクタの配置間隔，点滅位相を工 夫することで，対象物表面の反射率の影響を 受けない ⚫ 応答時間：1ms以下，計測精度：50mm以下 ⚫ 対象物までの距離ゼロを接触と見なすことで 高感度な接触検知可能 1)近接覚 ⚫ 高精度位置計測が可能たため，指先柔軟体に 接触後の変位計測より接触力を計測可能 elastomer LEDs Phot.Diode 2)触覚 elastomer K. Koyama, K. Murakami, T. Senoo, M. Shimojo and M. Ishikawa, "High-Speed, SmallDeformation Catching of Soft Objects Based on Active Vision and Proximity Sensing," in IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 4, no. 2, pp. 578-585, April 2019,
触・近接覚 (Univ. Tokyo) 51 ビデオ https://www.youtube.com/watch?v=v0jTcjZWz88 K. Koyama, K. Murakami, T. Senoo, M. Shimojo and M. Ishikawa, "High-Speed, Small-Deformation Catching of Soft Objects Based on Active Vision and Proximity Sensing," in IEEE Robotics and Automation Letters, doi: 10.1109/LRA.2019.2891091.
ワンチップ型の高速・高精度近接覚センサ https://www.youtube.com/watch?v=KMmkcUkTC5w 52
近接覚センサとRCCを用いた手探り把持 https://www.youtube.com/watch?v=J71rABGvAYs 53
そのほか数多くの近接覚センサがあります アレイ状近接覚 光導波板と複眼カメラ 触・近接センサ 27x27mm/ cell 光遮断型 リング状配置した近接モジュール VL6180X 計 6個配置 Four beams of IR light 静電（電界）型 ToF+静電容量型 ToF型 静電（電界）型 54 https://www.docswell.com/s/m_shimojo/Z8RPP5-2022-04-16-134500
動きと姿勢を測るセンサ（慣性センサ） 55 （IMU：inertial measurement unit） 三半規管
慣性センサ（IMU：inertial measurement unit） 加速度センサとジャイロセンサを組み合わせることで 慣性センサが実現する。計測対象の姿勢検知や、計測 値を積分することで速度や位置を計測する。 z 加速度a y x 加速度センサ z 56 +Z +Y +X 角速度ω y ＋ x -X ジャイロセンサ -Y -Z MPU6050 MotionTracking™ device ⚫ 3軸加速度センサ ax, ay, az [g] ⚫ 3軸角速度センサ gx, gy, gz [degree/s] 4mm x 4mm x 0.9mm 注）位置などを計測するには高精度のセンサが必要
ビデオ https://youtu.be/esXm_ZsbzWM 開発者：下条誠 57
IMUセンサを用いた姿勢推定 58 加速度とジャイロ（角速度）の情報統合で姿勢推定を行う ⚫ 加速度情報は、加速 動作中は誤差となる ⚫ ジャイロ情報は、角 度の算出には積分す るため誤差がでる 加速度 ax,ay,az 角速度 gx,gy,gz 注）カルマンフィルタを 用いる方法もある Madgwick Filter 姿勢角 （quaternion）Roll,Pitch,Yaw (0 ≤ 𝛾𝑡 ≤ 1) 加速度センサ による姿勢 注）論文： https://x-io.co.uk/open-source-imu-and-ahrs-algorithms/ 重み付き 平均 角速度センサ による姿勢 注）
加速度成分（ax, ay, az）から姿勢は求まる？ +Y 59 +Z +X 重力場方向 重力場方向 Z +X ax +Y Z +Z az ay 加速度成分（ax, ay, az）から重力場方向 との姿勢は計算可能 画像処理プログラム Processing を用いて描画した 注1）重力場方向は、重力加速度g (9.8ms-2) の計測でわかる 注2）加速動作してないと仮定 https://youtu.be/esXm_ZsbzWM
姿勢は3軸加速度センサから求まる？ 60 重力場軸での回転 Z Z Z-z軸が 一致している場合 画像処理プログラム Processing を用いて描画した Z-z軸が 傾いている場合 重力場軸回転に対して変化なし 姿勢は分かるが、方向が分からない https://youtu.be/esXm_ZsbzWM
IMUセンサを用いた姿勢推定 1. 加速度センサとジャイロセンサを組み合わせること で慣性センサが実現できます。 2. 加速度成分（ax, ay, az）だけでも重力場方向との 姿勢は計算可能です 3. ただし、加速度成分だけでは、どちらを向いている かの方向が分かりません 4. この方向を求めるにはジャイロセンサが必要です。 Video： https://www.youtube.com/watch?v=esXm_ZsbzWM Programs： https://github.com/m4881shimojo/MPU-6050 61
慣性（IMU）センサ 加速度センサ z 62 ジャイロセンサ 加速度a y z y ＋ x 角速度ω x 4mm x 4mm x 0.9mm MEMS; Micro Electro Mechanical Systems 次からは以下について説明する ⚫ 加速度センサ ⚫ ジャイロセンサ
加速度センサ(accelerometer) 加速度センサは、傾きや動き、振動や衝撃などを検出でき、ゲーム機、携帯電話、デジタ ルカメラ、プロジェクター、PC、自動車、航空機など様々な分野で利用されている。 現在加速度センサは，MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術の発達により，小 型軽量なセンサが大量かつ安定的に生産出来るようになった。 計測原理 𝐹 = 𝑚𝑎 バネー質量系 y k m 加速度 （バネ質量粘性系は後述） m a k a y 機械的変位” y ”の測定方式 a=F/m=ky/m ｋ：バネ定数 ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ 静電容量方式 ピエゾ抵抗方式 ひずみゲージ方式 圧電方式 63
加速度センサの構造例 64 筐体 バ ネ バ ネ Mass Mass （可動構造） バ ネ 加速度 静電容量 バ ネ C1=C2 加速度 バ ネ バ ネ 静電容量 C1>C2 変位yの検出 𝐹 = 𝑚𝑎 ① MEMSで質量mの可動部 とそれを支えるバネ構造 を作る ② そして可動部の変位を櫛 形状の電極を用いて、静 電容量の変化として検出 する https://www.analog.com/jp/analog-dialogue/articles/mems-accelerometers-as-acoustic-pickups.html
加速度センサの構造例 65 spring ADXL202 ±2g加速度センサ spring mass (moveable plate) C1 C2 可動ビーム 構造 静電容量 Fixed 10μm ADXL50 MEMS加速度センサの構造 MEMS構造：超高精度のシリコン・ フォトリソグラフィやエッチング・ プロセス技術を用いて制作する。 https://www.analog.com/jp/analog-dialogue/articles/mems-accelerometers-as-acoustic-pickups.html
加速度センサ原理（変位から計測） 質量・バネ・ダンパ（サイズモ系） の運動方程式 𝒎 𝒙ሷ + 𝒚ሷ + 𝒄𝒚ሶ + 𝒌𝒚 = 𝟎 y 伝達関数をもとめる x Grand 質量・バネ・ダンパの構造を有す るサイズモ系を加速度センサと して利用する。 𝒀(𝒔) 𝒔𝟐 − = 𝑿(𝒔) 𝒔𝟐 + 𝟐𝝇𝝎𝟎 𝒔 + 𝝎𝟎 𝟐 𝟐 𝝎𝟎 = 𝒌 𝒄 , 𝝇= 𝒎 𝒎𝒌 𝜔0 2 : センサの固有振動数, 𝜍：ダンピング比 66
加速度センサ原理（変位から計測） 𝒀(𝒔) 𝒔𝟐 − = 𝑿(𝒔) 𝒔𝟐 + 𝟐𝝇𝝎𝟎 𝒔 + 𝝎𝟎 𝟐 ：伝達関数 y x 𝒀(𝒔) 𝒀(𝒔) 𝟏 − =− 𝟐 = 𝟐 𝑨(𝒔) 𝒔 𝑿(𝒔) 𝒔 + 𝟐𝝇𝝎𝟎 𝒔 + 𝝎𝟎 𝟐 ：加速度A=s2X 𝒀(𝒋𝝎) 𝟏 = 𝝎𝟐 𝑿(𝒋𝝎) 𝝎𝟎 𝟐 − 𝝎𝟐 + 𝒋𝟐𝝇𝝎𝟎 𝝎 ：s=jω：周波数領域へ変換 𝒀(𝒋𝝎) = 𝝎𝟐 𝑿(𝒋𝝎) センサ内部で のｍの変位 センサが受け た加速度 と変換 𝟏 𝝎𝟎 𝟐 − 𝝎𝟐 𝟐 + 𝟐𝝇𝝎𝟎 𝝎 𝟐 ：加速度Aと変位Yの比 𝑌(𝑗𝜔) 1 ≅ 𝜔 2 𝑋(𝑗𝜔) 𝜔0 2 （一定） ω0>>ωの場合 Grand ✓ センサ内部での質量ｍの変位とセン サが受けた加速度の比は一定となる ✓ 質量ｍの変位ｙを計測することで加 速度Aが計測できる 67
加速度センサ (ピエゾ抵抗式） 変位の計測にピエゾ抵抗効果を利用する ピエゾ抵抗効果（ piezoresistive effect ）とは、半導体などに機械的なひずみを加えたときに その電気抵抗が変化する効果である。圧抵抗効果とも言う。 (+) (+) (-) m ダイアフラム Fz (+) (-) Fx (+) 引張ひずみ (-) (-) m 圧縮ひずみ m 3軸加速度センサ ✓ 加速度が錘mに作用したときに発生するダイアフラム上の歪をピエゾ抵抗効果を利 用して検出する。 ✓ ダイアフラムは半導体Siで作成，梁上にピエゾ抵抗ゲージが形成されている。加速 度により錘が変位することで梁が変形すると、ゲージの応力も変化する。 岡田和廣，慣性センサへの応用,計測と制御, ,42,1,2003. 68
ジャイロセンサ（Gyro sensor） 69 ジャイロセンサは角速度ωを検出する。ジャイロセンサは、カーナビゲーションシステム や自動運転システム、慣性航法装置、ロボット、スマートフォンなどで利用されている。 近年ではMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術により小型化が進み、応用分 野が広がっている。 計測原理 ⚫ 振動式ジャイロ：コリオリ(coriolis)力を 用いて計測する 𝐹ശ = 2𝑚𝑣ശ × 𝜔 角速度 ⚫ 回転式機械ジャイロ：「こま」、フライホ イールを用いた方式である。回転する物体 はその回転状態を維持する（慣性の法則、 角運動量保存の法則）ため、回転軸の向き は空間に対して一定である ω y m x v 既知速度 𝑭 coriolis力 ⚫ 光学式ジャイロ：サニャック効果を利用 する https://ja.wikipedia.org/wiki/ジャイロスコープ
Gyroセンサの構成例1(振動式) z 𝐹ശ = 2𝑚𝑣ശ × 𝜔 ① 横方向に振動vする音叉がある 角速度ω ② そこに角速度ωが加わると coriolis力 y x z ω v 𝐹ശ 𝑭 m v m 70 ③ coriolis力Fが発生し変位が生ずる ④ この変位を測り、力を推定して、 角速度ωを求める v ① 角速度が加わると、互い違い方向に力 が発生する ω 𝑭 y 𝑭 x m m 𝑭 ② 加速度では、同じ方向に力が発生する y 音叉型 構造体 x m m
Gyroセンサの構成例2 MEMSセンサ 𝑣ശ 振動方向 ② そこに角速度ωが加わると ④ その力による格子の変位を静電容量変化 で検出、力を計測する 71 𝜔 ① 縦方向に振動vする格子(m)がある ③ 横方向にCoriolis力が生じる (振動式) ⑤ するとωが計算できる 𝑭 Coriolis力 𝐹ശ = 2𝑚𝑣ശ × 𝜔 z 角速度ω y v x https://www.analog.com/jp/analog-dialogue/articles/mems-accelerometers-as-acoustic-pickups.html 𝑭
ジャイロセンサ原理（振動式） y 検 出 𝒌𝒚 x X 𝑭𝒄 𝒌𝒙 駆動： 𝜴 𝒌𝒙 m 𝑥 = 𝐷𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 駆動 𝒌𝒚 検 出 駆動 𝑭𝒄 𝜴 X v 𝐹𝑐 = −2𝑚Ω × 𝑣Ԧ https://ja.wikipedia.org/wiki/振動型ジャイロスコープ 72 X軸方向に周波数ωで振動駆動させる 𝑥 = 𝐷𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 𝑣 = 𝑥ሶ = 𝜔𝐷𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡 速度ｖ Z軸回り角速度Ωで回転，発生するコリオリ力は 𝐹𝑐 = 2𝑚Ω𝑥ሶ = 2𝑚DΩ𝜔𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡 検出：コリオリ力により発生する変位yは 𝐹𝑐 2𝑚DΩ𝜔𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡 𝑦= = 𝑘𝑦 𝑘𝑦 質量ｍを振動駆動させる方式，コリオリ力による 変位を計測する方式は種々ある。 駆動方式 ✓ 静電引力 ✓ 逆圧電効果 ✓ 電磁力 検出方式 ✓ 静電容量型 ✓ 圧電型 ✓ 電磁型 ✓ 光学式
ジャイロセンサ（振動式） ① 73 静電容量利用 𝜴𝒛 1. 駆動質量（M1, M2, M3, M4）が矢印の方向に振動 している 2. 角速度が加わると， ② ③ 𝜴𝒚 𝜴𝒙 ① Yaw mode: M2,M2が同一平 面内で逆方向にコリオリ力を 受ける ② Roll mode: M1,M3が面垂直 な上下逆方向にコリオリ力を 受ける ③ Pitch mode: M2,M2が面垂 直な上下逆方向にコリオリ力 を受ける 3. それぞれの駆動質量の動 きにより、周囲の静止し たプレートに対する静電 容量の変化が生じる 4. この変化を検出して測定 信号に変換する STMicroelectronics 3-axis gyros MEMS structure die of 3-axis digital gyroscopes Everything about STMicroelectronics’ 3-axis digital MEMS gyroscopes
74 ジャイロセンサ（振動式） X方向 振動 圧電素子利用 z 音叉型圧電素子を y ① ｘ方向に振動させ ② ｚ軸回りに回転すると x コリオリ力 ③ コリオリ力により ④ ｙ方向の振動が生ずる ⑤ ｙ方向の振動変位から角 速度ωを検出する Y方向 振動 ω 音叉型圧電素子 動画像 駆動モード 検出モード https://industrial.panasonic.com/jp/products/sensors/sensors/angular-rate-sensors
ジャイロセンサ（振動式） 75 水晶振動方式センシング ダブルT型（ジャイロセンサ） 双音叉型（加速度センサ） 検出運動 垂 直 方 向 の 振 動 固定部 アームが一定方向に振動 本体が回転すると，駆動 アームにコリオリ力が発生 垂直方向の振動が生じる https://www5.epsondevice.com/ja/information/technical_info/gyro/ 垂直方向の振動により固定部が屈 曲，2つの検出アームの運動によ る電位差から角速度を検出する
加速度センサ (ひずみゲージ式） 変位の計測にひずみゲージを利用する 76 Ex) AS-GB ひずみゲージ y m x オイルダンパ ひずみゲージ式でオイルダンピング タイプの小型低容量加速度変換 定格容量：±9.807～±196.1m/s2 寸法：14×20×14mm 定格出力：0.5mV/V以上 応答周波数範囲：DC～（40～250）Hz https://www.kyowa-ei.com/jpn/product/category/sensors/as-gb/index.html
demo IMU https://www.youtube.com/watch?v=B6RLdr-zSfw Khalil Najafi,The Coming Revolution in MEMS Gyroscopes and MEMS Inertial Sensors 77
加速度，ジャイロ，IMU（利用例） 自動車 産業機器 • 慣性ナビゲーション • ヘッドライト光軸調整 • 電子レベルおよび回転レーザー (ともに測量用器 具) 向け傾斜計測 • アンチバイブレーション • ひずみ計および測高計向け傾斜計測 • 電動パーキングブレーキ(EPB) • 電子天秤の傾斜補正用の傾斜計測 • 横滑り防止装置(ESC) • 航空計器の姿勢指示器 • ヒルスタートアシスト(HSA) • ホイールアライメントシステム用傾斜計測 • ロールオーバー検知(ROV) • MEMS慣性計測ユニット (IMU) 用ならびに誘導 システム • トランスミッションコントロールモジュール 建設機械 78 • ナビゲーションシステム用の角速度計測 • 動的環境における傾斜計測 • 大型農業機械のオートステアリング • 林業機械や建設機械の荷台水平維持装置 • 掘削機のブームやバケットの傾斜計測 医療機器 • 自動車の変速制御装置における路面傾斜測定 • 患者のモニタリング用途: 心弾動による生体信号検 知、患者の動きや位置をモニタリング • 様々な車両向けIMU (慣性計測ユニット) • プラットフォームの動的レベリング 航空機器 • 姿勢指示器 • 診断や施術機器の位置決め: 手術台、人工義肢、医 用画像診断装置等の高精度の位置決めに • 心調律管理 (CRM) 向け: 適応型ペースメーカーに 組み込み人の動作をモニタリング • 自動操縦装置 • 姿勢方位基準装置 (AHRS) https://www.murata.com/ja-jp/products/sensor/accel/selectionguide?intcid5=com_xxx_xxx_cmn_bc_xxx
ジャイロセンサ（利用例） ジャイロの用途 ⚫ 角速度の検出 ⚫ 角度の検出（角速度を積分） ⚫ 制震メカニズム用途（振動を検知，制御） https://www5.epsondevice.com/ja/information/technical_info/gyro/ 79 角速度例 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ カーナビゲーションシステム 約10 deg/s 車体制御 約30 deg/s カメラの手ぶれ補正 約100 deg/s ゲームコントローラ 約300 deg/s ゴルフのトッププレーヤーのスイング検知 約3000 deg/s
まとめ 80 1. 触覚の欠点は接触しないと情報が取れないことである。同様に，接触から 離れると検出できない。たとえば把持操作中に接触が僅かでもなくなると 制御が格段に難しくなる。これは把持操作では大きな欠点である。この点， 接触が離れても連続して計測できる触・近接覚センサを利用する方が合理 的であろう 2. 触覚センサは高感度に接触を検出できればよいと思う。また時間・空間的 に高分解能で計測できれば素晴らしい。時間分解能として1[ms]程度，空間 分解能としてカメラを利用するGelSightのような高空間分解能触覚が興味 深い。なお圧力強度の分解能は，せいぜい3bit，あるいはそれ以下でもよ いのではないかと思う 3. カメラモジュールを用いた高空間分解能型の触覚センサは視覚情報処理技 術との相性もよく，各種制御などへの利用が進むであろう 4. Printed Electronics，３D-printなどの技術の進歩は，従来にないセンサ 性能を安価に提供する可能性がある 5. これから柔軟性，大面積，伸縮性を備えた印刷技術などで製造したセンサ の利用が進むであろう。また3D印刷技術によるセンサと構造体と一体に なった作成も興味深い 6. 慣性センサは小型軽量安価で使い易い。ただし、ジャイロセンサは安価な ものはドリフトが大きく、注意が必要でしょう
おわり 81