JP2001116635A - 人工触覚器およびこの触覚器を用いた人工皮膚ならびにロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人工皮膚に接触した際の触感を確保し、かつ
その接触の状態を高精度で検知する。 【解決手段】 クッション材２の上面に直接的または間
接的な接触に感応するセンサ１が配置されて成る人工触
覚器である。クッション材２は、ベースとなる第１のク
ッション層３の上に第２のクッション層４を接合して成
るもので、第２のクッション層４には、同じ加圧力に対
する変形度合が第１のクッション層３よりも小さいもの
が用いられる。この人工触覚器に上方より圧力を作用す
ると、第１のクッション層３は加圧力に応じて変形し、
センサ１は変形量の少ない第２のクッション層４上に支
持された状態で下方に変位する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、動物の皮膚における
触覚細胞の役割を果たす人工触覚器、ならびにこの人工
触覚器を用いた人工皮膚、ロボットに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の人工触覚器を生成するには、接
触の有無や接触部位に作用する圧力を検知するためのセ
ンサが必要である。たとえば、センサとしてオン・オフ
スイッチを用いれば、センサに対する直接的な圧力の作
用のある、なしを簡単に検知できる。また圧力の有無と
ともに、センサに加えられた圧力の大きさを検知するも
のとして、圧力センサ，静電容量センサなどのセンサが
存在する。またセンサのみならず、センサの周囲に対す
る圧力をも検知することが可能なものとして、加速度セ
ンサが知られている。さらにこれらのセンサを複数個配
列すれば、接触する物体の大きさや、接触位置の時間的
な変化を認識することも可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】出願人は、「たた
く」、「なでる」などの接触行為に対し、生きた動物と
同じような反応を示すペットロボットの開発を進めてい
る。この種のロボットでは、人工毛皮の下に前記した人
工触覚器を構成する複数個のセンサが設置されており、
ロボット内部に組み込まれたマイクロコンピュータが、
各センサからの検知出力を用いて接触部位の面積や接触
により作用した力の程度などを認識し、その認識結果に
応じた動作パターンを判断することになる。

【０００４】このペットロボットにおいて精密な動きを
実現するには、前記センサの検知出力を安定化して接触
の程度を精度良く認識する必要がある。一般にセンサの
検知出力を安定させるには、加圧力に対しても沈み込み
まない堅固な土台の上にセンサを設置する必要がある。
しかしながらこのような状態でセンサを設置すると、ロ
ボットに触れたときに、生きた動物や普通のぬいぐるみ
に触れたときのような弾力感や柔らかさを感じられなく
なったり、センサの存在に気づいて違和感を覚えるとい
った不具合が生じてしまう。

【０００５】この発明は上記問題点に着目してなされた
もので、ロボットなどの人工皮膚に接触した際の触感を
確保し、かつその接触の状態を高精度で検知する人工触
覚器を提供することを、第１の目的とする。

【０００６】またこの発明は、上記の人工触覚器を組み
込むことにより、接触した人に対し、生きた動物の皮膚
に匹敵する触感を与えることが可能な人工皮膚を提供す
ることを第２の目的とする。加えてこの発明は、上記の
人工触覚器により、接触した人に生きた動物に触れたの
に匹敵する触感を与え、かつその接触の状態を高精度で
認識するロボットを提供することを、第３の目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明にかかる
人工触覚器は、クッション材の上面に直接的または間接
的な圧力の作用を検知するセンサが保持されて成る。前
記クッション材は、上下に重なる２以上のクッション層
を有し、ベースとなるクッション層上に重ねられる各ク
ッション層は、同じ加圧力に対する変形度合が下側に接
するクッション層より小さく設定される。

【０００８】請求項２の発明にかかる人工触覚器は、ク
ッション材の上面に直接的または間接的な圧力の作用を
検知する複数個のセンサが保持されて成る。前記クッシ
ョン材は、ベースとなるクッション層上の複数箇所にそ
れぞれ単一または上下に重なる２以上のクッション層が
重ねられ、前記重ねられる各クッション層は、同じ加圧
力に対する変形度合が下側に接するクッション層より小
さく設定されるとともに、最上層のクッション層の上に
前記センサが保持される。

【０００９】請求項３の発明にかかる人工触覚器は、直
接的または間接的な圧力の作用を検知する複数個のセン
サがそれぞれ個別のクッション材上に保持されて成る。
各クッション材は、それぞれ請求項１と同様の構成のも
ので、各クッション材のベースは緩衝材を介して相互に
連結される。

【００１０】請求項４の発明にかかる人工触覚器は、請
求項１〜３のいずれかの構成において、センサの上方
に、センサ全体を被覆し、センサの直下のクッション層
よりも同じ加圧力に対する変形度合が大きい第２のクッ
ション材が配備されて成る。

【００１１】請求項５の発明にかかる人工触覚器は、請
求項１〜３のいずれかの構成において、センサの上方
に、センサ全体を被覆する第２のクッション材が配備さ
れる。この第２のクッション材は、表層となるクッショ
ン層の下に各センサに対応させてそれぞれ単一または上
下に重なる２以上のクッション層が重ねられ、前記重ね
られる各クッション層は、同じ加圧力に対する変形度合
が上側に接するクッション層より小さく設定される。

【００１２】請求項６の発明にかかる人工皮膚は、請求
項１〜３のいずれかの構成による人工触覚器と、この人
工触覚器を被覆する被覆材とを具備する。この被覆材
は、前記人工触覚器のセンサの直下のクッション層より
も、同じ加圧力に対する変形度合が大きいクッション層
を具備する。

【００１３】請求項７の発明にかかる人工皮膚は、請求
項４または５の構成による人工触覚器と、この人工触覚
器を被覆する被覆材とを具備する。

【００１４】請求項８の発明にかかるロボットは、請求
項１〜３のいずれかの構成による人工触覚器と、この人
工触覚器を被覆し、前記人工触覚器のセンサの直下のク
ッション層よりも同じ加圧力に対する変形度合が大きい
クッション層を具備する被覆材と、前記人工触覚器のセ
ンサの検知出力を認識するコンピュータとを具備する。

【００１５】請求項９の発明にかかるロボットは、請求
項４または５に記載された人工触覚器と、この人工触覚
器を被覆する被覆材と、前記人工触覚器のセンサの検知
出力を認識するコンピュータとを具備して成る。

【００１６】

【作用】請求項１の発明によれば、センサまたはその周
辺部に圧力が加えられると、センサの直下のクッション
層は、大きく変形せずに下方のクッション層側に変位す
るのに対し、以下の各クッション層は、下の層になるほ
ど大きく変形するようになる。したがってセンサは、直
下に接するクッション層上に支持された状態で、加圧力
に応じた量だけ下方に変位するようになるので、誤検知
がおこりにくい。

【００１７】請求項２、３の発明によれば、請求項１と
同様の状態で支持された複数個のセンサが一体化された
人工触覚器が構成される。特に請求項３の発明では、セ
ンサおよびその下のクッション層の分割状態を維持しつ
つ、各ベース間を緩衝材を介して連結するので、隣接す
るセンサ間における干渉が防止される。また緩衝材の存
在により、圧を加えても、ベース間の間隙に気づかれる
虞がない。

【００１８】請求項４の発明によれば、センサを上方か
ら被覆するクッション材に圧力が加えられると、このク
ッション材が変形し、圧力が下方に伝えられる。またこ
のクッション材を十分な変形度合を有するものにすれ
ば、接触時にセンサの存在が感じとられることがなくな
り、柔らかい触感を確保することが可能である。

【００１９】請求項５の発明によれば、センサを上方か
ら被覆するクッション材に圧力が加えられると、表層部
が大きく変形するが、センサ毎に対応するクッション層
では、下のクッション層にいくほど変形度合は小さくな
る。したがってセンサは上下に接するクッション層に支
持された状態で下方に変位するようになり、センサの検
知出力がより一層安定化する。

【００２０】請求項６，８の発明によれば、被覆材とし
て十分な変形度合を有するクッション材を用いることに
より、人工皮膚に触れたり、たたいたりしても、センサ
の存在を意識せずに、違和感のない触感を得ることがで
きる。またセンサは、直下のクッション層上に安定して
支持される。

【００２１】請求項７，９の発明によれば、人工触覚器
側にセンサを被覆するクッション材が配備されているの
で、被覆材として、薄く、弾力性のない材質のものを用
いても、表面に触れたときに柔らかみを感じさせること
が可能である。

【００２２】請求項８，９の発明によれば、人工皮膚へ
の接触により人工触覚器のセンサが感応すると、その検
知出力がコンピュータに入力され、接触部位の位置や広
さ、加えられた圧力の大きさなどが認識される。

【００２３】

【実施例】図１は、この発明の一実施例にかかる人工触
覚器を、正面および上方から見た構成を示す。この人工
触覚器は、犬や猫を模したペットロボットの人工毛皮
（合成樹脂などにより人工的に作成されたものを言う）
の下に配置されて、「たたく」「なでる」「さわる」な
どの接触行為を感知するためのもので、クッション材２
の上面にセンサ１が支持された構成のものである。

【００２４】前記センサ１には、直接的な圧力の作用を
検知するオン・オフスイッチ，圧力センサ，静電容量セ
ンサや、間接的な圧力の作用も検知可能な加速度センサ
が採用される。

【００２５】クッション材２は、ベースとなる第１のク
ッション層３の上に第２のクッション層４を接着剤によ
り接合して成り、第２のクッション層４の上面に前記セ
ンサ１が設置される。各クッション層３，４とも、樹脂
製のスポンジより成るもので、第１のクッション層３に
は、加圧力に対する変形度合が大きいスポンジが用いら
れる。他方、センサ１が設置される第２のクッション層
４には、同じ加圧力に対する変形度合が、第１のクッシ
ョン層３よりもはるかに小さい材質のスポンジが用いら
れる。

【００２６】この実施例では、前記センサ１は、直径が
０．８mm程度の円形状に形成されており、第２のクッシ
ョン層４の上面、下面も、センサ１に合わせて円形状に
形成されている。なおこの実施例では、ロボットの膝
部、首部などの屈曲部において、屈曲により表面の毛皮
が第２のクッション材４の縁部に触れながら引っ張られ
てセンサ１を圧迫するのを防止するために、第２のクッ
ション材４を、下面に対し上面の径が小さい円錐台状に
形成している。ただし屈曲部以外の部位については、こ
のような形状をとる必要はなく、上下面が同じ大きさの
円筒状に形成したり、第１のクッション層３と同型状の
直方体状に形成してもよい。

【００２７】上記構成の人工触覚器に上方から圧力をか
けると、第１，第２の各クッション層３，４とも弾性に
より変形するが、第１のクッション層３が大きく変形す
るのに対し、第２のクッション層４の変形量はわずかで
あり、第２のクッション層４は、上面にセンサ１を支持
した状態で第１のクッション層３に沈み込むことにな
る。

【００２８】第１のクッション層３の変形度合は、作用
する圧力が強いほど大きくなるので、人工皮膚に軽く触
れるなど比較的弱い圧力をかける接触行為を行った場合
には、大きな抵抗感はなく、表面の毛皮に対する手触り
のみが感じられる。他方、たたく、押さえるなど、毛皮
に強い圧力をかける接触行為を行った場合は、表面に対
する手触りのほかに、第１のクッション層３の変形や復
元力に伴う弾力感や柔らかみが感じられるようになり、
生きた動物に触れた場合と同様の触感を得ることができ
る。また圧力の強度に関わらず、センサ１は、クッショ
ン材２内に沈み込まずに、第２のクッション材４の上面
に安定して支持されるから、検知出力を安定して、ロボ
ット側のコンピュータに接触の状態を精度良く認識させ
ることができる。

【００２９】なお上記実施例では、個別に生成された２
つのクッション層３，４を接合して重ね合わせてクッシ
ョン材２を形成しているが、これに限らず、大きな変形
度合を有するクッション材の上部を硬化処理して変形度
合を小さくし、その上にセンサ１を設置するようにして
もよい。また上記実施例のクッション材２は２層構造に
なっているが、３層以上のクッション層を上下に重ね合
わせ、同じ加圧力に対する各クッション層の変形度合
を、下から上に向けてしだいに小さくするようにしても
よい。またクッション材２を構成する各クッション層は
スポンジに限らず、ゴムのような弾性材を用いてもよ
い。

【００３０】図２は、人工触覚器の第２の構成例を示
す。この実施例は、ベースとなる第１のクッション層３
上の複数箇所にそれぞれ第２のクッション層４を接合
し、これらクッション層４の上面にそれぞれセンサ１を
設置した構成をとる。なお図２は、図１よりもスケール
を小さくして図示したもので、センサ１や第２のクッシ
ョン層４の大きさは、図１と同様である。

【００３１】この実施例でも、第１，第２のクッション
層３，４は前記第１の実施例と同様に形成されているの
で、第２の各クッション層４が、上方からの圧力に対
し、センサ１を支持した状態で第１のクッション層に沈
み込むことにより、接触行為を行った人に自然な触感を
与えるとともに、センサ１の検知出力を安定させること
が可能となる。

【００３２】また後記するように、複数個のセンサ１か
らの出力を用いて接触状態を認識する場合は、この実施
例のように複数個のセンサ１が一体化されていれば、取
付けが簡単になるというメリットもある。ただしこの構
成では、加圧力センサのような振動に感応するセンサを
用いた場合に、隣接するセンサ１，１間で第１のクッシ
ョン層３を介して干渉がおこる虞がある。したがって特
にセンサ１の検知精度を重視する場合は、図３に示すよ
うに、各センサ１をそれぞれ個別のクッション材２上に
設置するとともに、各クッション材２を所定の間隔をあ
けて配置するのが望ましい。

【００３３】図４は、複数個のセンサ１が一体化された
人工触覚器の他の例を示す。この実施例も、図３の実施
例と同様に、各センサ１はそれぞれ個別のクッション材
２上に設置されるが、隣合うクッション材の第１のクッ
ション層３を、緩衝材５を介して相互に連結することに
より、クッション材２およびセンサ１の一体化を実現し
ている。

【００３４】前記緩衝材５には、各クッション層と同様
の樹脂製のスポンジなど、振動の伝搬を吸収し、かつ加
圧力に対して第１のクッション層と同程度の変形度合を
有する材質のものが用いられる。このような緩衝材５を
設けることにより、センサ１間での干渉が防止できると
ともに、複数のセンサ１を一体化することができ、取付
けが簡単になる。

【００３５】また図３の実施例のように、クッション材
２をセンサ１毎に分離してしまうと、センサ１間の隙間
位置に圧が加えられた場合、表面の毛皮がセンサ１，１
間の隙間に沈み込んだり、弾力感が得られなくなって、
接触した人が違和感を覚えたり、センサ１の存在に気づ
く虞がある。これに対しこの実施例では、緩衝材５の存
在により、毛皮の沈み込み度合が押さえられ、緩衝材５
の変形による弾力感や柔らかみが得られるので、接触し
た人に違和感を与えずに済む。

【００３６】図５（１）〜（４）は、この発明にかかる
人工触覚器の他の態様を示す。各実施例は、それぞれ前
記図１〜図４の構成に、各センサ１を上方から被覆する
第２のクッション材６を加えたものである。この第２の
クッション材６は、前記第１のクッション材２の第１の
クッション層３と同程度の弾力性を有するもので、この
クッション材２の存在により、接触時にセンサ１の存在
に気づかせることなく、柔らかい触感を確保することが
できる。またこれらの構成によれば、センサ１の真上か
ら若干ずれた位置に圧力が作用しても、第２のクッショ
ン材６の変形により、センサ１にも圧力がかかって感応
するようになるので、接触に対する感度は、図１〜４の
構成に比べて向上する。

【００３７】図６（１）〜（４）は、触感を確保すると
ともに、センサ１をより安定して支持するようにした人
工触覚器の例を示す。各実施例は、それぞれ前記図１〜
図４の構成に、各センサ１を上方から被覆する第２のク
ッション材６Ａを加えたものである。このクッション材
６Ａは、表層となる第１のクッション層７の下に各セン
サ１に対応させて円錐台状の第２のクッション層８が接
合されて成る。また第１のクッション層７は、前記第１
のクッション材のベースとなるクッション層３と同程度
の弾力性を有し、第２のクッション層８は、第１のクッ
ション層７に比べ、同じ加圧力に対する変形度合が小さ
くなるように構成されている。

【００３８】上記の構成によれば、上方からの圧力によ
り第１のクッション層が変形しても、第２のクッション
層８は大きく変形しないので、センサ１は、上下のクッ
ション層４，８に挟まれた状態で支持されつつ、下方に
変位するようになり、検知出力がより安定化する。また
第１のクッション層の存在により、接触時の柔らかい触
感を確保することができる。なお図６（１）〜（４）の
構成においても、センサ１の真上位置から若干ずれた位
置に圧力が作用した場合、その圧力を第１、第２の各ク
ッション層７，８を介してセンサ１に伝えることが可能
であり、接触に対する感度が向上する。

【００３９】上記図１〜６に示した各構成による人工触
覚器を上方から毛皮で被覆することにより、触覚機能を
具備する人工皮膚を形成することができる。特に、図５
（１）〜（４）および図６（１）〜（４）のいずれかの
構成を用いた場合、人工触覚器の第２のクッション材
６，６Ａにより、表面に触れたときの弾力感や柔らかさ
を確保することができるので、毛皮自体は、厚みのない
材質のものを用いることができる。これに対し、前記図
１〜４の構成による人工触覚器を用いる場合は、毛皮の
下面に、前記第２のクッション材６，６Ａの機能を具備
するクッション層を設ける必要がある。なお人工皮膚の
表面は必ずしも毛皮である必要はなく、布や合成樹脂な
どによる人工皮により人工触覚器を被うようにしてもよ
い。

【００４０】上記各実施例による人工触覚器は、通常、
複数個のセンサ１がマトリクス状に配列された状態、ま
たは取付部位に応じた面状に配列された状態で、毛皮や
人工皮の下に設置される。各センサ１のコード線は、前
記クッション材２の各クッション層３，４に形成された
孔（図示せず）を通ってクッション材２の下方に導かれ
た後、ロボット内部の配線基板（図示せず）まで導かれ
る。

【００４１】図７，８は、上記いずれかの実施例による
人工触覚器を組み込んだペットロボットの電気構成を示
す。図７は、前記センサ１として、オン・オフスイッチ
を用いた場合の構成である。図中、１０は前記マイクロ
コンピュータの制御主体であるＣＰＵを、１１は各スイ
ッチの入力端子を示す。各入力端子１１からの出力信号
は、マイクロコンピュータのデジタルインターフェイス
１２に直接入力された後、ＣＰＵ１０に伝送される。

【００４２】図８は、加速度センサ，静電容量センサ，
圧力センサなどのアナログ式のセンサを用いた場合の構
成を示す。この場合、各センサ１からの出力信号は、ノ
イズカット用のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３を介し
てＡ／Ｄ変換回路（ＡＤＣ）１４でディジタル変換さ
れ、しかる後にデジタルインターフェイス（ここでは図
示せず）を介してＣＰＵ１０に伝送される。

【００４３】以下、センサ種毎に、前記ＣＰＵ１０によ
る触感認識処理の具体例を説明する。なおオン・オフス
イッチを用いる場合の処理は、各センサ１は、図９に示
すようなｍ行×ｌ列のマトリクス状に配置されているこ
とを前提とする。他のアナログ式のセンサを用いる場合
は、単独のセンサ１を対象とすることもできるが、複数
のセンサ１を用いる場合は、各センサの検知出力の中か
ら、最大振幅などの信号レベルを表すパラメータが最大
となる検知出力が採用される。なお以下の認識処理例
は、いずれもセンサ１より得た検知出力を用いてファジ
ー推論による認識処理を行っているが、認識処理はファ
ジー推論に限定されるものではない。

【００４４】 オン・オフスイッチに対する認識処理
例 前記センサ１として、オン・オフスイッチが用いられた
場合、各センサ１から得る信号は「１」または「０」の
いずれかとなる。この実施例では、各センサ１からの信
号を一定間隔でサンプリングするものとし、ｔ回目のサ
ンプリングにおいてｉ行ｊ列の位置に配置されたセンサ
１からの信号をｓｗ(t)(i)(j)とおく。そして、このセ
ンサ１がオンのときの信号をｓｗ(t)(i)(j)＝１、オフ
のときの信号をｓｗ(t)(i)(j)＝０と定義する。

【００４５】ＣＰＵ１０は、サンプリング毎に、各セン
サ１からの信号ｓｗ(t)(i)(j)から、過去ｎ回のサンプ
リングにおける接触動作の継続量Ｃ，および圧力の作用
している領域の重心位置の移動量Ｍを求め、ファジー推
論を実行する。

【００４６】まず継続量Ｔの算出方法について説明す
る。ＣＰＵ１０は、各センサ１につき、つぎの（１）式
を実行して、過去ｎ回分のサンプリングにおいて、その
センサ１がオン動作した回数ＳＷ(i)(j)を算出する。

【００４７】

【数１】

【００４８】上記のオン動作回数ＳＷ(i)(j)は、センサ
１に接触している時間長さに相当するものとなる。ＣＰ
Ｕ１０は、各センサ１について得られたオン動作回数Ｓ
Ｗ(i)(j)の中から最大値となるものを抽出し、これを前
記継続量Ｃとして特定する。

【００４９】なおオン・オフスイッチは、故障や接触不
良により、オン状態が持続する場合があるので、前記継
続量Ｃを特定するにあたっては、各ＳＷ(i)(j)の値を所
定のしきい値と比較し、このしきい値以下のデータの中
で最大となるものを継続量Ｃとするのが望ましい。

【００５０】つぎに圧力の作用する領域は、オン状態に
ある各センサ１により表されるので、ＣＰＵ１０はこれ
らセンサ１の座標位置から領域内の重心位置を算出す
る。いまオン状態にあるセンサ１がＰ個存在し、これら
センサ１の列方向の座標位置を、ａ₁，ａ₂，・・・
ａ_P，行方向の座標位置をｂ₁，ｂ₂，・・・ｂ_Pと表すも
のとすると、これらのセンサ１が分布する領域内の重心
Ｇ（ｔ）の位置（ａ_g（ｔ），ｂ_g（ｔ））は、つぎの
（２）（３）式により求められる。さらにこの重心Ｇ
（ｔ）と１サンプリング前の重心Ｇ（ｔ−１）との各座
標を（４）式にあてはめることにより、移動量Ｍが求め
られる。

【００５１】

【数２】

【００５２】

【数３】

【００５３】

【数４】

【００５４】この実施例では、継続量Ｃ，移動量Ｍの各
パラメータについて、図１０（１）（２）に示すよう
に、それぞれ「大」「中」「小」の各程度を「ラベル」
とするメンバーシップ関数を設定している。また触覚
（ここでは接触状態に対する感じ方をさす）を表すため
に、「たたく」「なでる」「さわる」の３種類の「ラベ
ル」を設定するとともに、前記継続量Ｃ，移動量Ｍの各
ラベルの組合せを前件部とする下記のファジイルール
（Ａ）〜（Ｆ）を設定している。

【００５５】（Ａ） 継続量＝「小」＆移動量「小」の
とき、触覚＝「たたく」 （Ｂ） 継続量＝「小」＆移動量「大」のとき、触覚＝
「なでる」 （Ｃ） 継続量＝「中」＆移動量「小」のとき、触覚＝
「たたく」 （Ｄ） 継続量＝「中」＆移動量「大」のとき、触覚＝
「なでる」 （Ｅ） 継続量＝「大」＆移動量「小」のとき、触覚＝
「さわる」 （Ｆ） 継続量＝「大」＆移動量「大」のとき、触覚＝
「なでる」

【００５６】ＣＰＵ１０は、前記（１）〜（４）式によ
り求められた継続量Ｃと移動量Ｍとを、前記図１０
（１）（２）の各メンバーシップ関数にあてはめて、各
ラベル毎の適合度を抽出する。そしてこれらの適合度
を、前記ファジイルール（Ａ）〜（Ｆ）にあてはめて、
ルール毎に後件部におけるラベルの適合度を求めた後、
同じラベルにかかる適合度を、たとえばＭＩＮ演算によ
り統合して、最終の認識結果とする。

【００５７】 加速度センサに対する認識処理 図１１は、加速度センサによる検知信号の具体例を、認
識処理にかかる各パラメータとともに示す。この実施例
では、この検知信号にｎ回のサンプリングを実行し、そ
のサンプリング期間における信号の最大振幅Ｄ，信号波
形の重心における電圧レベル値ｇ（以下これを「重心値
ｇ」という），および接触状態の継続時間Ｔの３つのパ
ラメータを算出し、これらパラメータにつき、それぞれ
「大」「中」「小」のラベル毎に適合度を算出する。

【００５８】前記最大振幅Ｄは、サンプリング期間内に
おける最大電圧と最小電圧との差である。継続時間Ｔ
は、各サンプリング値の中からノイズ範囲外にあるサン
プリング値が得られる合計時間Ｔに相当する。なおこの
実施例では、ノイズ範囲外のサンプリング値の間にノイ
ズ範囲内に入るサンプリング値がある場合、そのノイズ
も継続期間Ｔの算出対象として採用している。

【００５９】また重心値ｇは、サンプリング期間内の各
サンプリング値Ｖ（ｔ）をつぎの（５）式にあてはめる
ことにより求められる。ただし、前記継続期間Ｔが０の
場合の重心値ｇは、「０」に設定される。

【００６０】

【数５】

【００６１】この実施例では、前記最大振幅Ｄ，継続時
間Ｔ，重心値ｇの各パラメータについて、それぞれ図１
２（１）（２）（３）に示すようなメンバーシップ関数
を設定している。ＣＰＵ１０は、サンプリング毎に、各
パラメータＤ，Ｔ，ｇの算出値をこれらメンバーシップ
関数にあてはめて、程度毎の適合度を算出した後、各適
合度をつぎのファジイルール（ａ）〜（ｆ）にあては
め、以下、の実施例と同様にして、触覚を表すラベル
毎の適合度を特定する。

【００６２】（ａ） 最大振幅＝「小」＆継続時間＝
「小」＆重心値＝「中」のとき、触覚＝「さわる」
（ｂ） 最大振幅＝「小」＆継続時間＝「小」＆重心値
＝「大」のとき、触覚＝「さわる」（ｃ） 最大振幅＝
「中」＆継続時間＝「大」＆重心値＝「中」のとき、触
覚＝「なでる」（ｄ） 最大振幅＝「中」＆継続時間＝
「大」＆重心値＝「大」のとき、触覚＝「なでる」
（ｅ） 最大振幅＝「大」＆継続時間＝「小」＆重心値
＝「中」のとき、触覚＝「たたく」（ｆ） 最大振幅＝
「大」＆継続時間＝「小」＆重心値＝「大」のとき、触
覚＝「たたく」

【００６３】 圧力センサに対する認識処理例 図１３は、圧力センサによる検知信号の具体例を、認識
処理のためのパラメータとともに示す。この実施例も、
前記加速度センサと同様に、ｎ回のサンプリング期間内
における最大振幅Ｄ，継続時間Ｔ，重心値ｇを求め、得
られた値を用いてファジイ推論を行うものである。各パ
ラメータの抽出方法については、加速度センサと同様で
あるが、波形信号の特性を考慮して、継続時間Ｔについ
ては、ノイズ範囲外にあるデータのみを処理対象として
いる。なおファジイ推論に用いるメンバーシップ関数や
ルールについては、加速度センサの場合と同様であり、
詳細な説明は省略する。

【００６４】 静電容量センサに対する認識処理例 図１４は、静電容量センサによる検知信号の具体例を、
認識処理のためのパラメータとともに示す。この実施例
も、前記加速度センサや圧力センサと同様に、ｎ回のサ
ンプリング期間内における最大振幅Ｄ，継続時間Ｔ，重
心値ｇを求めてファジイ推論を行う。なお各パラメータ
の算出方法ならびにファジイ推論の方法やルールについ
ては、前記各センサと同様であり、詳細な説明は省略す
る。

【００６５】このようにいずれのセンサを用いた場合
も、ファジイ推論により、単なる「触れたか」「触れて
いないか」の２値判定ではなく、複数とおりの感覚につ
いて、その「確からしさ」が求められるので、種々の接
触状態をそれぞれ個別の状態として認識することがで
き、ペットロボットに、接触状態に応じた細かい動作を
実行させることができる。

【００６６】なお複数のセンサ１による人工触覚器を用
いる場合、センサ１は１種類に限らず、２種類以上のセ
ンサ１を組み合わせてもよい。この場合、ＣＰＵ１０
は、センサ種毎に、そのセンサに応じたパラメータの抽
出処理やファジイ推論処理を行って、触覚を表すラベル
毎の適合度を求めた後、それぞれの結果につき、ＭＩＮ
演算などによる統合処理を行って、最終的な認識結果を
取得する。

【００６７】

【発明の効果】請求項１の発明では、上下に重なる２以
上のクッション層を有するクッション材の上面にセンサ
を保持するとともに、各クッション層をそれぞれ同じ加
圧力に対する変形度合が下側に接するクッション層より
小さく設定したので、センサが直下のクッション層上に
安定して支持された状態を保つことができ、接触の状態
を認識するための検知信号を確実に得ることができる。
またベースやその近傍の変形度合の大きいクッション層
により、センサは、上からの圧力に対して抵抗なく変位
するので、この人工触覚器を人工毛皮や人工皮の下に配
置した場合、表面に触れた人に、加えた圧力に応じた弾
力感や柔らかみを感じさせることができる。

【００６８】請求項２、３の発明によれば、各センサが
一体化された人工触覚器が提供されるので、複数個のセ
ンサを用いて触覚を認識する場合に、センサの取付けが
簡単になる。加えて請求項３の発明では、センサおよび
その下のクッション層の分割状態を維持しつつ、各ベー
ス間を緩衝材を介して連結するので、隣接するセンサ間
における干渉が防止できる。また緩衝材の存在により、
人工毛皮や人工皮に対し、ベース間の間隙に対応する位
置を接触しても、その間隙を意識せずに自然な触感を得
ることができる。

【００６９】請求項４，５の発明によれば、第２のクッ
ション層の存在により、接触時にセンサの存在が感じと
られることがなくなり、柔らかい触感を確保することが
できる。さらに請求項５の発明では、センサは上下に接
するクッション層に支持された状態で下方に変位するの
で、センサの検知出力をより一層安定化することができ
る。

【００７０】請求項６の発明では、請求項１〜３のいず
れかの構成による人工触覚器を用いることにより、また
請求項７の発明では、請求項４または５の構成による人
工触覚器を用いることにより、生きた動物の皮膚に匹敵
する触感を得られ、かつその接触の状態を感度良く検知
可能な人工皮膚を提供することができる。さらに請求項
７の発明では、請求項４，５の発明によるセンサの上方
にクッション材が配備された人工触覚器が用いられるの
で、人工触覚器を被覆する被覆材に、弾力性のない厚み
の薄いものを用いることが可能となる。

【００７１】請求項８の発明では、請求項１〜３のいず
れかの構成による人工触覚器を用いることにより、また
請求項９の発明では、請求項４または５の構成による人
工触覚器を用いることにより、生きた動物に匹敵する触
感を得られ、かつその接触状態が精度良く認識するロボ
ットを提供することができる。さらにこのロボットにお
いて、認識結果に応じて多彩な行動パターンを用意すれ
ば、接触行為に対し、生きた動物に匹敵する反応を示す
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例にかかる人工触覚器の構成
を示す正面図および上面図である。

【図２】人工触覚器の他の構成を示す正面図および上面
図である。

【図３】人工触覚器の他の構成を示す正面図および上面
図である。

【図４】人工触覚器の他の構成を示す正面図および上面
図である。

【図５】人工触覚器の他の構成を示す正面図である。

【図６】人工触覚器の他の構成を示す正面図である。

【図７】オン・オフスイッチをセンサとする人工触覚器
が組み込まれたロボットの構成を示すブロック図であ
る。

【図８】アナログ式のセンサによる人工触覚器が組み込
まれたロボットの構成を示すブロック図である。

【図９】センサの配置例を示す説明図である。

【図１０】継続量，移動量の各メンバーシップ関数を示
す説明図である。

【図１１】加速度センサの検知信号の一例を、認識処理
用のパラメータとともに示した説明図である。

【図１２】最大振幅，継続時間，重心値の各メンバーシ
ップ関数を示す説明図である。

【図１３】圧力センサの検知信号の一例を、認識処理用
のパラメータとともに示した説明図である。

【図１４】静電容量センサの検知信号の一例を、認識処
理用のパラメータとともに示した説明図である。

【符号の説明】

１ センサ ２ クッション材 ３ 第１のクッション層 ４ 第２のクッション層 ５ 緩衝材 ６，６Ａ 第２のクッション材 ７ 第１のクッション層 ８ 第２のクッション層 １０ ＣＰＵ

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１０月２７日（２０００．１０．
２７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、動物の皮膚における
触覚細胞の役割を果たす人工触覚器と、この人工触覚器
を用いた人工皮膚ならびに、ロボットとに関する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】このペットロボットにおいて精密な動きを
実現するには、前記センサの検知出力を安定化して接触
の程度を精度良く認識する必要がある。一般にセンサの
検知出力を安定させるには、加圧力に対しても沈み込ま
ない堅固な土台の上にセンサを設置する必要がある。し
かしながらこのような状態でセンサを設置すると、ロボ
ットに触れたときに、生きた動物や普通のぬいぐるみに
触れたときのような弾力感や柔らかさを感じられなくな
ったり、センサの存在に気づいて違和感を覚えるといっ
た不具合が生じてしまう。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明にかかる
人工触覚器は、クッション材の上面に直接的または間接
的な圧力の作用を検知するセンサが保持されて成る。前
記クッション材は、上下に重なる２以上のクッション層
を有し、ベースとなるクッション層上に重ねられる各ク
ッション層は、そのクッション層の下側に接するクッシ
ョン層より同じ加圧力に対する変形度合が小さく設定さ
れる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】請求項２の発明にかかる人工触覚器は、ク
ッション材の上面に直接的または間接的な圧力の作用を
検知する複数個のセンサが保持されて成る。前記クッシ
ョン材は、ベースとなるクッション層上の複数箇所にそ
れぞれ単一または上下に重なる２以上のクッション層が
重ねられ、前記重ねられる各クッション層は、そのクッ
ション層の下側に接するクッション層より同じ加圧力に
対する変形度合が小さく設定されるとともに、最上層の
クッション層の上に前記センサが保持される。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】請求項３の発明にかかる人工触覚器は、直
接的または間接的な圧力の作用を検知する複数個のセン
サがそれぞれ個別のクッション材上に保持されて成る。
各クッション材は、それぞれ請求項１と同様の構成のも
ので、ベースとなるクッション層は緩衝材を介して相互
に連結される。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】請求項５の発明にかかる人工触覚器は、請
求項１〜３のいずれかの構成において、センサの上方
に、センサ全体を被覆する第２のクッション材が配備さ
れる。この第２のクッション材は、表層となるクッショ
ン層の下に各センサに対応させてそれぞれ単一または上
下に重なる２以上のクッション層が重ねられ、前記重ね
られる各クッション層は、そのクッション層の上側に接
するクッション層より同じ加圧力に対する変形度合が小
さく設定される。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】請求項２、３の発明によれば、請求項１と
同様の状態で支持された複数個のセンサが一体化された
人工触覚器が構成される。特に請求項３の発明では、セ
ンサおよびその下のクッション層の分割状態を維持しつ
つ、ベースとなるクッション層間を緩衝材を介して連結
するので、隣接するセンサ間における干渉が防止され
る。また緩衝材の存在により、圧を加えても、ベースと
なるクッション層間の間隙が気づかれる虞がない。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】この実施例では、前記センサ１は、直径が
０．８mm程度の円形状に形成されており、第２のクッシ
ョン層４の上面、下面も、センサ１に合わせて円形状に
形成されている。なお、この実施例では、ロボットの膝
部、首部などの屈曲部において、屈曲により表面の毛皮
が第２のクッション層４の縁部に触れながら引っ張られ
てセンサ１を圧迫するのを防止するために、第２のクッ
ション層４を、下面に対し上面の径が小さい円錐台状に
形成している。ただし屈曲部以外の部位については、こ
のような形状をとる必要はなく、上下面が同じ大きさの
円柱状に形成したり、第１のクッション層３と同型状の
直方体状に形成してもよい。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２８】第１のクッション層３の変形度合は、作用
する圧力が強いほど大きくなるので、人工皮膚に軽く触
れるなど比較的弱い圧力をかける接触行為を行った場合
には、大きな抵抗感はなく、表面の毛皮に対する手触り
のみが感じられる。他方、たたく、押さえるなど、毛皮
に強い圧力をかける接触行為を行った場合は、表面に対
する手触りのほかに、第１のクッション層３の変形や復
元力に伴う弾力感や柔らかみが感じられるようになり、
生きた動物に触れた場合と同様の触感を得ることができ
る。また圧力の強度に関わらず、センサ１は、クッショ
ン材２内に沈み込まずに、第２のクッション層４の上面
に安定して支持されるから、検知出力を安定して、ロボ
ット側のコンピュータに接触の状態を精度良く認識させ
ることができる。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】この実施例でも、第１，第２のクッション
層３，４は前記第１の実施例と同様に形成されているの
で、第２の各クッション層４が、上方からの圧力に対
し、センサ１を支持した状態で第１のクッション層３に
沈み込むことにより、接触行為を行った人に自然な触感
を与えるとともに、センサ１の検知出力を安定させるこ
とが可能となる。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】前記緩衝材５には、各クッション層３，４
と同様の樹脂製のスポンジなど、振動の伝搬を吸収し、
かつ加圧力に対して第１のクッション層３と同程度の変
形度合を有する材質のものが用いられる。このような緩
衝材５を設けることにより、センサ１間での干渉が防止
できるとともに、複数のセンサ１を一体化することがで
き、取付けが簡単になる。

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】図５（１）〜（４）は、この発明にかかる
人工触覚器の他の態様を示す。各実施例は、それぞれ前
記図１〜図４の構成に、各センサ１を上方から被覆する
第２のクッション材６を加えたものである。この第２の
クッション材６は、前記第１のクッション材２の第１の
クッション層３と同程度の弾力性を有するもので、この
第２のクッション材６の存在により、接触時にセンサ１
の存在に気づかせることなく、柔らかい触感を確保する
ことができる。またこれらの構成によれば、センサ１の
真上から若干ずれた位置に圧力が作用しても、第２のク
ッション材６の変形により、センサ１にも圧力がかかっ
て感応するようになるので、接触に対する感度は、図１
〜４の構成に比べて向上する。

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３７】図６（１）〜（４）は、触感を確保すると
ともに、センサ１をより安定して支持するようにした人
工触覚器の例を示す。各実施例は、それぞれ前記図１〜
図４の構成に、各センサ１を上方から被覆する第２のク
ッション材６Ａを加えたものである。このクッション材
６Ａは、表層となる第１のクッション層７の下に各セン
サ１に対応させて逆円錐台状の第２のクッション層８が
接合されて成る。また第１のクッション層７は、前記第
１のクッション材２のベースとなる第１のクッション層
３と同程度の弾力性を有し、第２のクッション層８は、
第１のクッション層７に比べ、同じ加圧力に対する変形
度合が小さくなるように構成されている。

【手続補正１５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】上記の構成によれば、上方からの圧力によ
り第２のクッション材６Ａの第１のクッション層７が変
形しても、第２のクッション層８は大きく変形しないの
で、センサ１は、上下のクッション層４，８に挟まれた
状態で支持されつつ、下方に変位するようになり、検知
出力がより安定化する。また第１のクッション層７の存
在により、接触時の柔らかい触感を確保することができ
る。なお図６（１）〜（４）の構成においても、センサ
１の真上位置から若干ずれた位置に圧力が作用した場
合、その圧力を第１、第２の各クッション層７，８を介
してセンサ１に伝えることが可能であり、接触に対する
感度が向上する。

【手続補正１６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６７】

【発明の効果】請求項１の発明では、上下に重なる２以
上のクッション層を有するクッション材の上面にセンサ
を保持するとともに、各クッション層はそのクッション
層の下側に接するクッション層より同じ加圧力に対する
変形度合を小さく設定したので、センサが直下のクッシ
ョン層上に安定して支持された状態を保つことができ、
接触の状態を認識するための検知信号を確実に得ること
ができる。また、センサは、ベースとなるクッション層
やその近傍の変形度合の大きいクッション層により、上
からの圧力に対して抵抗なく変位するので、この人工触
覚器を人工毛皮や人工皮の下に配置した場合、表面に触
れた人に、加えた圧力に応じた弾力感や柔らかみを感じ
させることができる。

【手続補正１７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６８】請求項２、３の発明によれば、請求項１と
同様の状態で支持された複数個のセンサが一体化された
人工触覚器が構成されるので、複数個のセンサを用いて
触覚を認識する場合に、センサの取付けが簡単になる。
加えて請求項３の発明では、センサおよびその下のクッ
ション層の分割状態を維持しつつ、ベースとなるクッシ
ョン層間を緩衝材を介して連結するので、隣接するセン
サ間における干渉が防止できる。また緩衝材の存在によ
り、人工毛皮や人工皮に対し、ベースとなるクッション
層間の間隙に対応する位置を接触しても、その間隙を意
識せずに自然な触感を得ることができる。

【手続補正１８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６９】請求項４，５の発明によれば、第２のクッ
ション材の存在により、接触時にセンサの存在が感じと
られることがなくなり、柔らかい触感を確保することが
できる。さらに請求項５の発明では、センサは上下に接
するクッション層に支持された状態で下方に変位するの
で、センサの検知出力をより一層安定化することができ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F051 AA10 AA17 AB06 AB07 AC01 BA07 3F059 AA00 BA00 DA05 DC02 DE08

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クッション材の上面に直接的または間接
   的な圧力の作用を検知するセンサが保持され、 前記クッション材は、上下に重なる２以上のクッション
   層を有し、ベースとなるクッション層上に重ねられる各
   クッション層は、同じ加圧力に対する変形度合が下側に
   接するクッション層より小さく設定されて成る人工触覚
   器。
2. 【請求項２】 クッション材の上面に直接的または間接
   的な圧力の作用を検知する複数個のセンサが保持され、 前記クッション材は、ベースとなるクッション層上の複
   数箇所にそれぞれ単一または上下に重なる２以上のクッ
   ション層が重ねられ、前記重ねられる各クッション層
   は、同じ加圧力に対する変形度合が下側に接するクッシ
   ョン層より小さく設定されるとともに、最上層のクッシ
   ョン層の上に前記センサが保持されて成る人工触覚器。
3. 【請求項３】 直接的または間接的な圧力の作用を検知
   する複数個のセンサがそれぞれ個別のクッション材上に
   保持されており、 各クッション材は、それぞれ上下に重なる２以上のクッ
   ション層を有し、ベースとなるクッション層上に重ねら
   れる各クッション層は、同じ加圧力に対する変形度合が
   下側に接するクッション層より小さく設定されるととも
   に、各クッション材のベースは緩衝材を介して相互に連
   結されて成る人工触覚器。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載された人
   工触覚器であって、 前記センサの上方には、センサ全体を被覆し、センサの
   直下のクッション層よりも同じ加圧力に対する変形度合
   が大きい第２のクッション材が配備されて成る人工触覚
   器。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載された人
   工触覚器であって、 前記センサの上方には、センサ全体を被覆する第２のク
   ッション材が配備されており、 前記第２のクッション材は、表層となるクッション層の
   下に各センサに対応させてそれぞれ単一または上下に重
   なる２以上のクッション層が重ねられ、前記重ねられる
   各クッション層は、同じ加圧力に対する変形度合が上側
   に接するクッション層より小さく設定されて成る人工触
   覚器。
6. 【請求項６】 請求項１〜３のいずれかに記載された人
   工触覚器と、この人工触覚器を被覆する被覆材とを有
   し、 前記被覆材は、前記人工触覚器のセンサの直下のクッシ
   ョン層よりも、同じ加圧力に対する変形度合が大きいク
   ッション層を具備して成る人工皮膚。
7. 【請求項７】 請求項４または５に記載された人工触覚
   器と、この人工触覚器を被覆する被覆材とを具備して成
   る人工皮膚。
8. 【請求項８】 請求項１〜３のいずれかに記載された人
   工触覚器と、この人工触覚器を被覆する被覆材と、前記
   人工触覚器のセンサの検知出力を認識するコンピュータ
   とを具備し、 前記被覆材は、前記人工触覚器のセンサの直下のクッシ
   ョン層よりも、同じ加圧力に対する変形度合が大きいク
   ッション層を具備して成るロボット。
9. 【請求項９】 請求項４または５に記載された人工触覚
   器と、この人工触覚器を被覆する被覆材と、前記人工触
   覚器のセンサの検知出力を認識するコンピュータとを具
   備して成るロボット。