新たに発表された設計により、6軸力・トルクセンシングのための複雑なマルチセンサーアセンブリが、単一のモノリシック圧電セラミックシェルに集約され、従来の手法に伴う複雑さ、コスト、故障箇所が排除される。この研究成果は『Nature Communications』に掲載された。
中国の研究者らが開発したこのセンサーは、モノリシック（単一ピース）の圧電セラミックシェルを採用し、加えられた力やトルクによって変形する。変形によりセラミック表面に電荷が生じ、複数の電極における電荷分布パターンを測定することで、システムは加えられた負荷の6成分すべてを個別に解析できる。
鍵となる革新は形状にある。多軸力・トルクセンサーは、実際の物体に任意の荷重が加えられたときに複雑に重なり合う異なる変形モード（圧縮、曲げ、ねじり、せん断など）を区別しなければならない。従来の設計では、それぞれ特定の軸に合わせた個別のセンシング要素を使用し、その出力を計算上で組み合わせることで対応してきた。
モノリシックシェルは同じ問題を逆方向に解決する。多数のセンサーが孤立した変形を測定する代わりに、1つのセンサーが完全な変形場を測定し、シェルの形状と電極の配置によってデカップリングが行われる。圧電効果（機械的応力に応答して電荷を生成する現象）は線形かつ再現可能であり、印加力と測定電荷の関係を一度校正すれば信頼して使用できる。
重要性
6軸力・トルクセンサーはロボット操作に不可欠である。ペグを穴に挿入したり、部品を組み立てたり、人間とインタラクションしたりするロボットアームは、自身が加える力と、その動きに抵抗するトルクの両方を感知する必要がある。現在のセンサーは高価で、大型で、機械的に複雑である。
単一のセラミック片として製造できるモノリシックセンサーは、コスト、サイズ、信頼性の面で利点をもたらす。管理すべき組立公差がなく、時間とともに劣化する接着剤もなく、個別のセンシング要素間の位置合わせの問題もない。センサーは十分に薄く作ることができ、ロボットの関節やエンドエフェクタに直接統合しても、かさばらない。
論文では高い感度とデカップリング精度が報告されており、センサーは最小限のクロストークでX軸に沿った力とY軸に沿った力を区別できる。具体的な数値性能指標は論文全文で確認できる。
圧電センシングの物理
圧電セラミック材料は、機械的なひずみを受けると電荷を生成する。電荷量はひずみの大きさと方向の両方に依存する。シェル表面に複数の電極をパターニングし、各電極の電荷を独立して測定することで、研究者らは電気応答の空間パターンから完全な6成分力・トルクベクトルを再構成する。
課題は、印加負荷と電荷分布の関係が直感的ではないことにある。それはシェルの形状、材料特性、電極配置、境界条件に依存する。研究者らは有限要素モデリングを用いて、デバイスの製造前にシェル形状と電極位置を最適化した。
その結果、ポストプロセッシングやアルゴリズムによる補正ではなく、本質的な機械設計によって性能を達成するセンサーが実現した。デカップリングを行うのは物理構造であって、ソフトウェアではない。
応用
ロボット工学以外にも、モノリシック6軸センサーは、工具力をリアルタイムで監視する必要がある精密製造、仮想現実および拡張現実用の触覚フィードバックシステム、生体組織との相互作用力を測定する必要がある生体医用デバイス、そして重量と信頼性が最優先される航空宇宙分野での応用が期待されている。
『Nature Communications』での実証は実験室レベルの概念実証である。これを商業的に viable なセンサーに転換するには、製造プロセスのスケールアップ、長期的安定性の実証、標準的なロボットインターフェースとの統合が必要となる。しかし、単一の成形セラミック片がマルチコンポーネントアセンブリに代わり得るという原理は、触れる感覚を必要とする次世代の機械に向けて、よりシンプルで安価かつ堅牢な力覚センシングへの道筋を示している。
雅子 訳