Force-Sensitive Resistor

• 別名: FSR, force-sensing resistor, force sensing resistor, pressure-sensitive resistor
• カテゴリ: Sensing › Contact & force
• タグ: force-sensing, tactile-sensing, sensors, electronics, grippers

表面に力が加わると電気抵抗が下がる薄く柔軟なセンサで、触れたことを検出し接触力を推定するための簡単で低コストな手段となる。

定義

感圧抵抗器（Force-sensitive resistors、FSR）は、押されると電気抵抗が小さくなる薄いポリマーセンサである。典型的な FSR は層を重ねたサンドイッチ構造で、くし形の導電パターンを印刷した柔軟な基材、スペーサ、そして導電性または半導電性のポリマーインクの層からなる。荷重がないとき抵抗は非常に高い。力が増すにつれてインクがパターンに触れる部分が増えて接触面積が大きくなり、抵抗が下がる。

FSR は簡単な電子回路で読み取れる。最も一般的な回路は固定抵抗と組み合わせた分圧回路で、マイコンの A/D 変換器に接続する。オペアンプによる電流-電圧変換段を使うと、より線形な出力が得られる。応答は強い非線形性を持ち、範囲の大部分で抵抗はおおよそ力に反比例するため、読み値を力の値に変換するには既知の荷重による校正が必要である。

ロードセルや力覚センサ（力/トルクセンサ）と比べると、FSR は安価で非常に薄く、指先や足裏のような曲面や小さな面にも容易に配置できる。その代わり精度は限られる。ヒステリシス、一定荷重下でのドリフト（クリープ）、有効領域上での力の分布のしかたへの敏感さ、個体ごとのばらつきがある。測れるのは表面に垂直な力だけで、せん断については何の情報も得られない。

こうした理由から、FSR は精密な力の計測よりも、接触の検出、把持や接地が起きたかどうかの検知、相対的な力の読み取りに最も適している。FSR のアレイや関連するピエゾ抵抗フィルムは、簡易な圧力分布計測用の触覚スキンとしても使われる。

重要な理由

FSR はごく低いコストで、場所も配線の負担もほとんど増やさずにロボットに触覚を与えるため、ホビー用ロボット、試作グリッパー、ウェアラブル機器で接触センシングを実用的にする。何かが触れられているかどうか、そしておおよそどれくらいの強さかを知る必要があるとき、チームが最初に追加する触覚センサであることが多い。

主な用途

• ロボットのグリッパーやハンドでの指先の接触検出
• 脚ロボットの足の接地検知と歩容解析
• 把持力を記録するデータグローブやウェアラブル機器
• 簡易な圧力分布計測用の触覚アレイ
• ホビー用・教育用ロボットのタッチ入力

実際の使われ方

グリッパーに接触センシングを加えるチームは、通常、FSR を指先に取り付け、その上に有効領域全体へ荷重を均等に分散させる薄いゴムやシリコーンのパッドをかぶせる。各センサは分圧回路としてアナログ入力に配線し、固定抵抗は想定される力の範囲でよい分解能が得られるように選ぶ。チームは既知の重りで各センサを校正して曲線を当てはめ、読み値に閾値を設けて接触を検出したり、目標の把持レベルに達した時点でグリッパーを閉じるのを止めたりする。脚ロボットや歩行研究では、足部や靴の中敷きに入れた FSR が接地のタイミングを与える。ドリフトとヒステリシスがあるため、エンジニアは力の絶対値を FSR に頼ることを避け、定期的にゼロ点を取り直す。

よくある誤解

• FSR は精密な力センサである — 適しているのは接触検出と相対的な力であり、正確な計測にはロードセルや力覚センサ（力/トルクセンサ）が必要である
• FSR の出力は力に対して線形である — 抵抗は力に対して非線形に下がるため、読み値は校正または線形化しなければならない
• FSR はあらゆる方向の力を検知する — 反応するのは表面に垂直な力であり、せん断は測れない

知っておくべき人

• グリッパーやロボットハンドを設計するハードウェアエンジニア
• 低コストのロボットを作るメイカーや学生
• ウェアラブル機器やデータグローブの開発者
• 脚ロボットや歩容解析の研究者

関連技術

• ロードセル（Load Cell）
• 触覚センサ（Tactile Sensor）
• 力覚センサ（Force/Torque Sensor）
• 分圧回路（Voltage Divider）
• ピエゾ抵抗センサ（Piezoresistive Sensor）
• 静電容量式タッチセンサ（Capacitive Touch Sensor）

関連用語

• Tactile Sensor
• Force/Torque Sensor

関連プロジェクト

• Gazebo: Industry-standard open-source robotics simulator with multi-physics and ROS integration
• ORCA Hand: Open-source tendon-driven robotic hands with tactile sensing from ETH Zurich
• Carbon Aeronautics Quadcopter: From-scratch quadcopter build that teaches aeronautics, electronics and programming
• Robotic Origami Challenge: Fold Plane Demonstrations: Bimanual paper-folding dataset: 682 LeRobot episodes with vision and touch

動画

• How to use Force Sensitive Resistors (FSR) with Arduino - Simple Force Sensing Arduino Tutorial: Science Fun