CN101206544B - 人机互动的触觉感测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种人机互动的触觉感测装置及其方法，触觉感测装置至少包括接触界面、触觉感测模块、控制器以及致动单元。触觉感测模块与接触界面耦接，用于感测与外界的外力触摸，以产生对应外力触摸的一连串时序数据，其中时序数据采用下列三种关系中的一种：受力大小与时间的关系、位置与时间的关系、或受力大小和位置与时间T的关系。控制器与触觉感测模块耦接，用以接收前述一连串时序数据，并根据几何运算，计算并判断出触摸型态，藉以产生控制讯号。致动单元与该控制器耦接，并依据控制讯号，产生对应触摸型态的互动反应。

Description

人机互动的触觉感测装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种人机互动装置及其方法，特别是涉及一种利用触觉感测的人机互动装置及其方法。

背景技术

机器人需要多元化的输入才能与人产生多元化的互动。传统的机器人或娱乐玩具通常都只有ON/OFF开关式的传感器或阵列式的大量传感器检测大面积的触摸，由于系统输入讯号的信息太少或过多而无法运算，因此无法实现多元化的人机互动。

图1为人机互动的一般架构示意图，其显示经由视觉、听觉与触觉等的信息输入，感测融合分析判断外界的情形，输出合成动作以实现人机互动的目的。例如，日本专利早期公开特开2001-038658所披露的人机互动，其利用触觉传感器感测致动单元的阻抗，以实现人机互动的目的。另外，又如日本专利早期公开特开2003-117256所披露的人机互动，其利用电容原理使装置的触须在被人触摸时能做出固定的互动动作。上述两种人机互动均经由触觉传感器来与人互动。但是，前者需要精密的设计才能使致动单元与人的互动有较好的效果，后者只能有固定的感测模式，导致互动单调。上述两件专利均缺乏多元的信息，且具有系统架构复杂以及成本较高的问题。因此，在实用化与多元化方面两者均需要改进。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明提出一种人机互动的触觉感测装置及方法，其利用至少一组触觉感测模块，并藉由运算法运算时序数据以判断触摸方式，即可以感测被触摸的力道、范围与时间等。经由所取得的信息，通过致动单元、发声器或显示器等来输出动作或声响而与人产生互动，进而达到低成本且多元化的互动解决方案。

本发明提出一种人机互动的触觉感测装置，其至少包括接触界面、触觉感测模块、控制器以及致动单元。触觉感测模块与接触界面耦接，用于感测与外界的外力触摸，以产生对应外力触摸的一连串时序数据，其中时序数据采用下列三种关系中的一种：受力大小与时间的关系、位置与时间的关系、或受力大小和位置与时间T的关系。控制器与触觉感测模块耦接，用以接收前述一连串时序数据，并根据几何运算，计算并判断出触摸型态，藉以产生控制讯号。致动单元与该控制器耦接，并依据控制讯号，产生对应触摸型态的互动反应。

此外，本发明还提出一种人机互动的触觉感测方法，其至少包括下述步骤。对接触界面进行外力触摸。以触觉感测的方式，感测上述外力触摸，以产生对应上述外力触摸的一连串时序数据，其中时序数据采用下列三种关系中的一种：受力大小与时间的关系、位置与时间的关系、或受力大小和位置与时间T的关系。接着，根据几何运算与上述一连串时序数据，计算并判断出对应上述外力触摸的触摸型态。依据上述触摸型态，合成互动反应，并输出到外界，以达到人机良好的互动。

在上述装置或方法中，上述一连串时序数据可以例如是外力触摸的受力点的位置与时间的关系，或是受力大小与时间的关系，或是受力大小和位置与时间的关系。

此外，上述与外界的互动反应可为各种肢体动作反应形成不同速度或位置或力量的互动表达或改变肢体结构刚性。或者，利用发声器表达语音、音乐、预录的声音。亦或利用显示装置表达图像、文字、颜色、色彩、明暗、闪烁、图形等影像。

综上所述，本发明利用触觉传感器的时序数据，判断出装置被触摸的方式，藉以合成不同的行为，产生人机互动行为。此外，本发明还以低成本的触觉传感器与控制器，检测面积式的触摸位置变化，即可达到多功能的人机互动。

为使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1绘示人机界面的互动反应与外界的关系示意图。

图2与3绘示本发明的触觉感测模块与外界的关系示意图。

图4A与4B说明受力为线性与非现时的计算方法。

图5绘示被动式触觉模式的例子示意图。

图6绘示被动式触觉模式的另一例子示意图。

图7绘示被动式触觉模式的另一例子示意图。

图8绘示主动式触觉模式的例子示意图。

图9绘示本发明的方法流程示意图。

图10绘示本发明的另一个应用例。

附图符号说明

10：控制器

12：触觉感测模块

12a、12b、12c：触觉传感器

14：致动单元

20：外界环境

30：接触界面

具体实施方式

图2为依据本发明实施例所绘示的人机互动的触觉感测装置的示意图。如图2所示，人机互动的触觉感测装置包括触觉感测模块12、控制器10、致动单元14，其中触觉感测模块12耦接于控制器10。此外，还可以包括模拟数字转换器ADC，耦接于触觉感测模块12与控制器10之间，用以对一连串时序数据进行模拟数字转换。此外，也还可以包括数字模拟转换器DAC，耦接于控制器10与致动单元14之间。

如图3所示，触觉感测模块12可以是应变计(strain gauge)或导电橡胶(conductive rubber)。触觉感测模块12则可以安装在一接触界面30上。此接触界面30提供外界(例如人类)与互动装置(例如机器人)间的触摸界面。此接触界面30可以是软质界面或硬质界面。

此外，上述的触觉感测模块12还可以例如是压力、力量、电容、位移传感器的其中之一，其端视所要检测的触摸物理量为何，而做适当的选择。

触觉感测模块12可根据在接触界面30上的施力点的施压/施力的情形，而得到一组时序数据Fn(f，T)，其中f为触觉感测模块12，亦即受力大小。T为撷取的时间，触觉感测模块12可以每隔一段时间Δt进行数据撷取。此时间Δt可以固定或随机。为了比较精确地在接触界面30感测到面积式(二维)的触摸模式，较佳是使用三个触觉感测模块。当然，实际上使用个数量并不特别限制。

控制器10可以经由模拟数字转换器ADC撷取触觉感测模块12所读取到的数据。接着，例如以图4A、4B所示的几何运算方式的算法，可以计算得知F(f，X，Y，T)。亦即，即可计算出受力大小(f)、位置(X，Y)以及时间(T)。藉此，控制器10可根据连续的Fm(f，X，Y，T)判断与外界的触摸模式。

待控制器10判断出触摸模式后，便依据判断出来的触摸模式，经由数字模拟转换器将控制讯号传送给致动单元14。藉此，使致动单元14对外界的触摸产生对应的互动反应。此互动反应可为各种肢体动作的反应，其可形成不同速度、位置、力量的互动表达；或改变肢体结构刚性或发声器表达语音、音乐、预录的声音；或显示装置表达图像、文字、颜色、色彩、明暗、闪烁、图形等影像。

接着，以图4A与4B来说明受力为线性与非现时的计算方法。亦即，说明上述F(f， X，Y，T)的计算方法。以下说明分成(1)感测模块受力与距离成线性关系、以及(2)感测模块受力与非线性关系，若为非线性关系可用查表方式加速运算。在此用三角定位法来做说明。首先，先说明受力与距离成线性关系的情形。

如图4A所示，假设f₁、f₂、f₃分别为触觉传感器12a、12b、12c分别感测到的受力大小(读值)，而l₁、l₂、l₃为触觉传感器12a、12b、12c到受力点间的距离。外界(例如人)在接触界面30上的碰触位置的施力大小为F，亦即外界的实际接触力。因为受力与距离成线性关系，所以f₁与l₁成反比，各触觉传感器12a、12b、12c的感测到的受力大小可以表示成下面的数式。

f_n∝l/l_n，其中n＝1，2，3            (1)

f_n×l_n/K＝F，其中K为常数            (2)

此例中是以配置三个触觉传感器12a、12b、12c来做说明，其摆放在边长为L的三角形顶点位置。

假设撷取时间T为Δt时，量测三个感测模块12a、12b、12c的读值分别为f₁、f₂、f₃。由前面数式(1)、(2)可以得知以下结果。其中常数a∶b∶c可由读值f₁、f₂、f₂得知，H为比例常数。

f₁∶f₂∶f₃＝1/l₁∶1/l₂∶1/l₃

l₁∶l₂∶l₃＝a∶b∶c

l₁＝aH，l₂＝bH，l₃＝cH            (3)

接着，以触觉传感器12a、12b、12c的位置(a₁，b₁)、(a₂，b₂)、(a₃，b₃)为圆心，且各自与受力点的距离l₁、l₂、l₃为半径，则可知三个圆方程式如下所示。

(X-a₁)²+(Y-b₁)²＝l₁ ²

(X-a₂)²+(Y-b₂)²＝l₂ ²

(X-a₃)²+(Y-b₃)²＝l₃ ²                (4)

由上式(3)与(4)，可以计算出该三个圆的三条交线为如下所示。并且，可由下式，求得未知数X、Y与H。

(2a₂-2a₁)X+(2b₂-2b₁)Y＝l₁ ²-l₂ ²＝(a²-b²)H²

(2a₃-2a₂)X+(2b₃-2b₂)Y＝l₂ ²-l₃ ²＝(b²-c²)H²

(2a₁-2a₃)X+(2b₁-2b₃)Y＝l₃ ²-l₁ ²＝(c²-a²)H²    (5)

接着，便可以在T＝Δt时，且在触摸点的位置为(X，Y)，计算出触摸力大小为F＝f₁×l₁/K。

如此，每隔一段时间Δt，便可以计算出受力大小、受力位置，从而可以判断出在接触界面上被触摸的方式。在此的每隔一段时间Δt可以相等也可以不同。

其次，说明非线性关系的情形，以下以泰勒展开式展开非线性函数来进行说明。在非线性情形下，假设

所以f₁×g(l₁)/K＝F，其中g(l₁)为非线性多项式函数，可经由实验得知。经过泰勒展开式，可展开成下面形式。

$g\left(l\right)=g\left(l\right)+\frac{f^{\′}\left(l\right){(x-l)}^1}{1!}+\frac{f^{\′\′}\left(l\right){(x-l)}^2}{2!}+\frac{f^{\′\′\′}\left(l\right){(x-l)}^3}{3!}+.........\frac{f^m{\left(l\right)(x-l)}^m}{m!}+....$

$=\mathrm{\Σ}\frac{f^m\left(l\right){(x-l)}^m}{m!}$ for    m＝0，1，.....∞.

如上述，与线性情形只差在于

因此，受力点的受力大小与位置便可以依据上述的方式进行，而重复以上步骤可得每个时间点的(X，Y，F)。

图9是绘示本发明人机互动的触觉感测方法的流程示例图。在步骤S100，首先将控制器初始化。接着，在步骤S102，撷取多组触觉传感器的数据，即Fn(f，T)。亦即，撷取在时间T，受力F对于各触觉传感器12a、12b、12c产生的读值。

在步骤S104，依据步骤S102所取得的数据Fn(f，T)，计算出一连串的时序数据。例如，可以上述图4A、4B所示的方式，在数个时间点计算出受力点的受力大小F、位置(X，Y)，而得到一连串的时序数据F(f，X，Y，T)。此时序数据可以采用受力大小F与时间T的关系、位置(X，Y)与时间的关系、或受力大小F、位置(X，Y)与时间T的关系。

接着，在步骤S 106，藉由步骤S104所获得的一连串时序数据，判断出该一连串时序数据所代表的触摸方式。当判断出触摸方式后，便在步骤S108合成出对应的动作输出，以产生互动反应。反之，若无法判断，则继续撷取该些触觉传感器的数据。

例如，当控制器10从各触觉传感器12a、12b、12c撷取数据后，便可以依据例如上面的方式计算出各时间点的时序数据，从而判断出处觉得型态。例如，图5的圆圈式触摸，图6的XY方向来回触摸，或图7的瞬间撞击，其皆为典型的触摸方式。控制器30经由上述时序数据判断出各种的触摸方式，此种触摸为被动触觉，泛指本体不动时被外界触摸时的感测。

另一种为主动触觉，泛指机器人在移动时撞击到外界的物体。例如图8所示，机械手或机械脚撞击到异物，机器人能自主本能地与外界物体互动反应。又例如，平衡四肢动作、肢体反射缩回动作等。

控制器30在判断出触觉方式后，便可据以输出控制讯号给致动单元14，而使致动单元14对外界环境做出适当的互动反应。例如，当此装置应用在如图4一般去抚摸机器人的头部，则机器人可感受到被安抚而情绪区于稳定。这是由控制器去控制致动单元，使机器人内的情绪作用区块安定化。或者，遍布机器人身上的感测模块皆被触发可判断被人类拥抱，进而产生伸出双手拥抱人类的互动反应。此外，当机器人被触摸时，也可以控制机器人做出顺着力道方向行进，产生为导引作用的互动反应。

图10绘示本发明的另一个应用例。当要应用到感测范围更大的区域时，可以在接触界面上配置更多的触觉传感器。只要三个以上的感测信息，其仍能使用图9的算法感测，以实现大面积感测触摸形式的功效。

综上所述，本发明整合控制器与触觉传感器，利用触觉传感器的时序数据，判断出装置被触摸的方式，藉以合成不同的行为，产生人机互动行为。因此，本发明得以低成本的触觉传感器与控制器，检测面积式的触摸位置变化，即可达到多功能的人机互动。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims (19)

1.一种人机互动的触觉感测装置，包括：

一接触界面；

一触觉感测模块，与该接触界面耦接，用于感测外界的一外力触摸，以产生对应该外力触摸的一连串时序数据，其中所述时序数据采用下列三种关系中的一种：受力大小与时间的关系、位置与时间的关系、或受力大小和位置与时间T的关系；

一控制器，与该触觉感测模块耦接，用以接收该一连串时序数据，并根据一几何运算，计算并判断出一触摸型态，藉以产生一控制讯号；以及

一致动单元，与该控制器耦接，并依据该控制讯号，产生对应该触摸型态的一互动反应。

2.如权利要求1所述的人机互动的触觉感测装置，其中该一连串时序数据为该外力触摸的受力点的位置与时间的关系。

3.如权利要求1所述的人机互动的触觉感测装置，其中该一连串时序数据为该外力触摸的受力大小与时间的关系。

4.如权利要求1所述的人机互动的触觉感测装置，其中该一连串时序数据为该外力触摸的受力大小和位置与时间的关系。

5.如权利要求1所述的人机互动的触觉感测装置，还包括：

一模拟数字转换器，耦接于该触觉感测模块与该控制器之间，用以对该一连串时序数据进行模拟数字转换；以及

一数字模拟转换器，耦接于该控制器与致动单元之间。

6.如权利要求1所述的人机互动的触觉感测装置，其中该接触界面为一软质界面或一硬质界面。

7.如权利要求1所述的人机互动的触觉感测装置，其中该触觉感测模块可为压力、力量、电容或位移传感器。

8.如权利要求1所述的人机互动的触觉感测装置，其中该触觉感测模块至少由三个传感器所构成，藉以检测出一二维式触摸型态。

9.如权利要求8所述的人机互动的触觉感测装置，其中所述传感器为应变计或导电橡胶。

10.如权利要求1所述的人机互动的触觉感测装置，其中该接触界面是一移动肢体的末端。

11.如权利要求1所述的人机互动的触觉感测装置，其中与外界的该互动反应包括利用一肢体动作反应出不同速度或位置或力量的互动表达，或改变肢体结构刚性。

12.一种用于人机互动的触觉感测方法，包括：

对一接触界面进行一外力触摸；

以一触觉感测方式，感测该外力触摸，以产生对应该外力触摸的一连串时序数据，其中所述时序数据采用下列三种关系中的一种：受力大小与时间的关系、位置与时间的关系、或受力大小和位置与时间T的关系；

根据一几何运算与该一连串时序数据，计算并判断出对应该外力触摸的一触摸型态；以及

依据该触摸型态，合成一互动反应。

13.如权利要求12所述的人机互动的触觉感测方法，其中该一连串时序数据为该外力触摸的受力点的位置与时间的关系。

14.如权利要求12所述的人机互动的触觉感测方法，其中该一连串时序数据为该外力触摸的受力大小与时间的关系。

15.如权利要求12所述的人机互动的触觉感测方法，其中该一连串时序数据为该外力触摸的受力大小和位置与时间的关系。

16.如权利要求12所述的人机互动的触觉感测方法，其中该触觉感测方式是以压力、力量、电容或位移传感器来进行。

17.如权利要求12所述的人机互动的触觉感测方法，其中该触觉感测方式是以至少三个传感器检测出一二维式触摸型态。

18.如权利要求17所述的人机互动的触觉感测方法，其中所述传感器为应变计或导电橡胶。

19.如权利要求12所述的人机互动的触觉感测方法，其中该互动反应包括利用一肢体动作反应出不同速度或位置或力量的互动表达，或改变肢体结构刚性。

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