JP2008126399A - ヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触覚検知モジュールを利用して、接触パターンを判断し、低コストかつ多元化された人とのインタラクション反応を発生させる触覚検知装置および方法を提供する。
【解決手段】ヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置は、接触インターフェースと、前記接触インターフェースに接続され、外界との外力接触を検知して、前記外力接触に対応する一連のタイミングデータを発生させる触覚検知モジュールと、前記触覚検知モジュールに接続され、前記した一連のタイミングデータを受信するとともに、幾何演算に基づいて、接触パターンを計算かつ判断し、制御信号を発生させるコントローラーと、前記コントローラーに接続されるとともに、前記制御信号に基づいて、前記接触パターンに対応するインタラクション反応を発生させるアクチュエーターとを含む。
【選択図】図２

Description

この発明は、ヒューマンロボットインタラクション（human robot interaction）用の装置および方法に関し、特に、触覚検知（tactile sensing）を利用したヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置および方法に関する。

ロボットは、多元化された入力があって初めて人との多元化されたインタラクションを発生させることができる。従来のロボットまたは玩具は、通常、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ式の検知器（センサー）またはアレイ式の大量の検知器が大面積の接触を検知するだけであり、システム入力信号の情報が少なすぎる又は多すぎるために演算することができないので、多元化されたヒューマンロボットインタラクションを達成することができない。

図１は、ヒューマンロボットインタラクションの一般的な構成説明図であり、それは、視覚・聴覚および触覚などの情報入力・検知融合分析を経て外界の状況を判断して、合成動作を出力しヒューマンロボットインタラクションの目的を達成することを示す。例えば、日本特許公開2000-038658に開示されたヒューマンロボットインタラクションは、触覚検知器を利用してアクチュエーターの抵抗を検知して、ヒューマンロボットインタラクションの目的を達成する。また、日本特許公開2003-117256に開示されたヒューマンロボットインタラクションは、キャパシターの原理を利用して装置の髭が人により接触された時に固定されたインタラクション動作を行うことができるものである。
しかし、前者は、精密な設計があって初めてアクチュエーターと人とのインタラクションが比較的良好な効果を有し、後者は、固定された検知モードを有することができるだけで、インタラクションが単調なものとなる。上記した２案件は、いずれも多元化された情報が欠けており、かつシステム構成が複雑でコストが比較的高いという問題がある。従って、実用化ならびに多元化の方面で両者は、いずれも改善が必要である。

上記問題に鑑みて、この発明は、ヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置および方法を提供するものであり、それらは、少なくとも１つの触覚検知モジュールを利用するとともに、演算法によりタイミングデータを演算して接触パターンを判断して、接触される力量・範囲および時間など検知することができ、得られた情報により、アクチュエーター・スピーカーまたはディスプレイを介して動作または音声等を出力して人とのインタラクションを発生させ、低コストかつ多元化されたインタラクション解決方法を達成する。

この発明は、ヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置を提供し、それは、少なくとも接触インターフェースと触覚検知モジュールとコントローラーとアクチュエーターとを含む。触覚検知モジュールが接触インターフェースに接続され、外界との外力接触を検知して、前記外力接触に対応する一連のタイミングデータを発生させる。コントローラーが触覚検知モジュールに接続され、前記した一連のタイミングデータを受信するとともに、幾何演算に基づいて、接触パターンを計算かつ判断し、制御信号を発生させる。アクチュエーターがコントローラーに接続されるとともに、前記制御信号に基づいて、前記接触パターンに対応するインタラクション反応を発生させる。

また、この発明は、ヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知方法を提供するものであり、それは、少なくとも下記のステップを含むものである。即ち、先ず、接触インターフェースに対する外力接触を行う。触覚検知方式で、前記外力接触を検知し、前記外力接触に対する一連のタイミングデータを発生させる。次に、幾何演算に基づき前記一連のタイミングデータに対して前記外力接触の接触パターンを計算するとともに判断する。次に、接触パターンに基づいてインタラクション反応を合成するとともに、外界へ出力して、ヒューマンロボットの良好なインタラクションを達成する。

上述の装置または方法において、上記一連のタイミングデータは、例えば、外力接触の受力点の位置と時間との関係、または受力の大きさと時間との関係、あるいは受力の大きさと位置と時間との関係をとることができる。

さらに、上記した外界とのインタラクション反応は、各種肢体動作が反応して形成する異なる速度・位置・力量のインタラクション表現あるいは肢体構造の剛性を変更することができる。または、スピーカーを利用して言語音・音楽・録音した音声である。あるいは、ディスプレイを利用して画像・文字・彩色・色彩・明暗・点滅・図形などの映像を表現することである。

＜作用＞
つまり、この発明は、触覚検知器のタイミングデータを利用して装置の被接触方式を判断し、異なる行為を合成することによって、ヒューマンロボットインタラクション行為を発生させる。また、この発明は、低コストの触覚検知器およびコントローラーにより、面積式の接触位置変化を検知することで、多機能なヒューマンロボットインタラクションを達成することができる。

従って、この発明は、コントローラーと触覚検知器とを整合し、触覚検知器のタイミングデータを利用して装置の被接触方式を判断し、異なる行為を合成することによって、ヒューマンロボットインタラクション行為を発生させる。これにより、この発明は、低コストの触覚検知器およびコントローラーによって、面積式の接触位置変化を検知することで、多機能なヒューマンロボットインタラクションを達成することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
＜実施例＞
図２は、この発明の一実施例に基づくヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置を示す説明図である。図２において、ヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置は、触覚検知モジュール１２と、コントローラー１０と、アクチュエーター１４とを含み、そのうち、触覚検知モジュール１２がコントローラー１０に接続される。また、さらに、アナログ／デジタル変換器ＡＤＣを含むことができ、触覚検知モジュール１２およびコントローラー１０間に接続されて、一連のタイミングデータに対するアナログ／デジタル変換を行う。また、さらに、デジタル／アナログ変換器ＤＡＣを含むことができ、コントローラー１０およびアクチュエーター１４間に接続される。

図３において、触覚検知モジュール１２は、歪（ひず）み計（strain gauge）または導電ラバー（conductive rubber）とすることができる。触覚検知モジュール１２は、接触インターフェース３０上に取り付けることができる。この接触インターフェース３０は、外界（例えば、人類）およびインタラクション装置（例えば、ロボット）間の接触界面を提供する。この接触インターフェース３０は、軟質インターフェースまたは硬質インターフェースにすることができる。

また、上記した触覚検知モジュール１２は、さらに、例えば、圧力・力量・電気容量・位置移動の検知器（センサー）のうちの１つとすることができ、それは、検知すべき接触物理量が何であるかによって、適切に選択する。

触覚検知モジュール１２は、接触インターフェース３０上の力点の加圧／加力の状況に基づいて、１組のタイミングデータＦｎ（ｆ，Ｔ）を得ることができ、そのうち、ｆを触覚検知モジュール１２、すなわち受力の大きさとする。Ｔを選び取った時間とし、触覚検知モジュール１２は、一定時間△ｔごとにデータを選び取ることができる。この時間△ｔは、固定またはランダムとすることができる。比較的精確に接触インターフェース３０において面積式（２次元）の接触モードを検知するために、３個の触覚検知モジュール（例えば１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）を使用することが好ましい。もちろん、実際上、使用する数量は、特に制限されるものではない。

コントローラー１０は、アナログ／デジタル変換器ＡＤＣを経て触覚検知モジュール１２の読み取ったデータを選び取ることができる。次に、例えば、図４Ａ、図４Ｂに示した幾何演算方式の演算法によって、Ｆ（ｆ，Ｘ，Ｙ，Ｔ）を計算により知ることができる。すなわち、受力の大きさ（ｆ）・位置（Ｘ，Ｙ）および時間（Ｔ）を計算することができる。これによって、コントローラー１０が連続するＦｍ（ｆ，Ｘ，Ｙ，Ｔ）に基づいて外界との接触パターンを判断することができる。

コントローラー１０が接触パターンを判断するのを待って、判断した接触パターンに依拠して、デジタル／アナログ変換器ＤＡＣを経て制御信号をアクチュエーター１４へ伝送する。これにより、アクチュエーター１４が外界の接触に対して対応するインタラクション反応を発生させる。このインタラクション反応は、各種の肢体動作の反応とすることができ、異なる速度・位置・力量のインタラクション表現；または肢体構造の剛性を変更あるいはスピーカーの表現する言語音・音楽・予め録音した音声；もしくはディスプレイの表現する画像・文字・色彩・彩色・明暗・点滅・図形などの映像を形成することができる。

次に、図４Ａおよび図４Ｂにより受力が線形ならびに非線形時の計算方法を説明する。即ち、上記したＦ（ｆ，Ｘ，Ｙ，Ｔ）の計算方法を説明する。以下、（１）検知モジュールの受力と距離とが線形関係および（２）検知モジュールの受力と非線形関係に分けて説明し、もしも非線形関係であればテーブルルックアップ方式で計算を加速することができる。ここでは、三角定位法を用いて説明する。先ず、受力と距離とが線形関係である状況を説明する。

図４Ａにおいて、ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３が触覚検知器１２ａ，１２ｂ，１２ｃのそれぞれ検知する受力の大きさ（読み取り値）、ｌ_１，ｌ_２，ｌ_３が触覚検知器１２ａ，１２ｂ，１２ｃの受力点間の距離であると仮定する。外界（例えば人）が接触インターフェース３０上における接触位置の力の大きさをＦ、即ち外界の実際の接触力とする。受力と距離とが線形関係であるから、ｆ_１とｌ_１とは反比例となり、各触覚検知器１２ａ，１２ｂ，１２ｃの検知する受力の大きさは、下記の数式で表示することができる。

この例では、３個の触覚検知器１２ａ，１２ｂ，１２ｃを配置することにより説明しており、それが辺の長さＬの三角形の頂点に置かれる。

選び取る時間Ｔを△ｔと仮定する時、３個の触覚検知器１２ａ，１２ｂ，１２ｃを計測する読み取り値は、それぞれｆ_１，ｆ_２，ｆ_３とし、先の数１・数２から下記の結果を知ることができる。そのうち、定数ａ：ｂ：ｃは、ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３から知ることができ、Ｈを比例定数とする。

次に、触覚検知器１２ａ，１２ｂ，１２ｃの位置（ａ_１，ｂ_１）（ａ_２，ｂ_２）（ａ_３，ｂ_３）を円心とし、かつ各自の受力点との距離をｌ_１、ｌ_２、ｌ_３を半径とすれば、３個の円方程式を下記の通り知ることができる。

数３および数４から、３個の円の３本の交線を下記の通り計算することができるとともに、下記する数５から未知数Ｘ，Ｙ，Ｈを求めることができる。

次のように、Ｔ＝△ｔの時、かつ接触点の位置が（Ｘ，Ｙ）であれば、接触力の大きさをＦ＝ｆ_１×ｌ_１／Ｋと計算することができる。

このようにして、各時間△ｔごとに受力の大きさ・受力位置を計算することができ、それから接触インターフェース上の被接触方式を判断することができる。ここでの各時間△ｔは、等しいものとも異なるものともすることができる。

次に、非線形関係の状況を説明するが、以下、テイラー展開式により非線形関数を展開して説明する。非線形関係の状況において、ｆ_１∝１／ｇ（ｌ_１）と仮定すれば、ｆ_１×ｇ（ｌ_１）／Ｋ＝Ｆとなり、そのうち、ｇ（ｌ_１）が非線形多項式関数であることは、実験により知ることができる。テイラー展開式を経て、下記の形式に展開することができる。

上記のように、線形状況との差は、
ｆ_１：ｆ_２：ｆ_３＝１／ｇ（ｌ_１）：１／ｇ（ｌ_２）：１／ｇ（ｌ_３）にあるだけである。従って、受力点の受力の大きさと位置とは、上記した方式に基づいて進行することができ、以上のステップを繰り返して各時点の（Ｘ，Ｙ，Ｆ）を得ることができる。

図９は、この発明のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知方法を示すフローチャートである。ステップＳ１００において、先ず、コントローラーを初期化する。次に、ステップＳ１０２において、多数セットの触覚検知器のデータＦｎ（ｆ，Ｔ）を選び取る。即ち、時間Ｔ、受力Ｆにおける触覚検知器１２ａ，１２ｂ，１２ｃ（図３を参照）に対する読み取り値を選び取る。

ステップＳ１０４において、ステップＳ１０２で得たデータＦｎ（ｆ，Ｔ）に基づいて一連のタイミングデータを計算する。例えば、上述した図４Ａ、図４Ｂに示した方式で、数個の時間点で受力点の大きさＦ・位置（Ｘ，Ｙ）を計算して、一連のタイミングデータＦ（ｆ，Ｘ，Ｙ，Ｔ）を得ることができる。このタイミングデータは、受力の大きさＦと時間Ｔとの関係・位置（Ｘ，Ｙ）と時間Ｔとの関係、または受力の大きさＦと位置（Ｘ，Ｙ）と時間Ｔとの関係を採用することができる。

次に、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０４で獲得した一連のタイミングデータにより、その一連のタイミングデータが表す接触方式を判断する。接触方式を判断した後、ステップＳ１０８において、対応する動作を合成して出力し、インタラクション反応を発生させる。反対に、判断できなければ、触覚検知器のデータを継続して選び取る。

例えば、コントローラー１０が各触覚検知器１２ａ，１２ｂ，１２ｃからデータを選び取った後、例えば上記した方式に基づいて各時間点のタイミングデータを計算して、そこから触覚パターンを判断する。例えば、図５の円を描く接触であり、図６のＸＹ方向の接触であり、または、図７の瞬間的な衝撃であり、いずれも典型的な接触方式である。コントローラー１０は、上記したタイミングデータを経て各種の接触方式を判断するが、いずれも本体が動かない時の外界から接触される場合の検知である。

別な種類の接触は、主動接触であり、いずれもロボットが移動する時に外界の物体に接触するものを指している。例えば、図８に示したように、ロボットの手またはロボットの足が異物にぶつかった時に、ロボットが自主的に外界の物体とインタラクション反応できるものである。例えば、肢体動作のバランスを取る・肢体を反射的に引っ込める動作などである。

図２において、コントローラー１０が接触方式を判断した後、それに基づいて制御信号をアクチュエーター１４へ出力し、アクチュエーター１４が外界環境に対する適切なインタラクション反応を行う。例えば、この装置を図５のようなロボットの頭部を撫でることに応用すれば、ロボットは撫でられて安定状態に入るものである。これは、コントローラー１０がロボット内部の情緒安定ブロックを安定させるものである。あるいは、ロボットの身体に広く配置された触覚検知器が接触を検知すれば、人に抱擁されたと判断することができ、両手を伸ばして人を抱擁するインタラクション反応を発生させる。また、ロボットが触られた時、ロボットを力の方向へ進むように制御すれば、誘導作用としてのインタラクション反応を発生させることもできる。

図１０は、この発明の別な応用例を示す説明図である。検知範囲が更に大きなエリアに応用したい時、接触インターフェース上に更に多くの触覚検知器を配置することができる。３つ以上の検知データが有りさえすれば、図９に示した演算法（フローチャート）を使用して検知することができ、大面積の接触検知形式の効果を達成することができる。

以上のごとく、この発明を最良の実施形態について説明してきたが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

ヒューマンロボットインターフェースのインタラクション反応と外界との関係を示す一般的な構成説明図である。 この発明にかかる触覚検知モジュールと外界環境との関係を示す説明図である。 この発明にかかる触覚検知モジュールと外界環境との関係を示す説明図である。 線形および非線形時の一つの計算方法を説明する説明図である。 線形および非線形時の他の計算方法を説明する説明図である。 受動式接触パターンの一例を示す説明図である。 受動式接触パターンの別な一例を示す説明図である。 受動式接触パターンの別な一例を示す説明図である。 主動式接触パターンの一例を示す説明図である。 この発明にかかる方法を示すフローチャートである。 この発明にかかる別な応用例を示す説明図である。

符号の説明

１０ コントローラー
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 触覚検知器
１４ アクチュエーター
２０ 外界環境
３０ 接触インターフェース

Claims (19)

1. 接触インターフェースと；
   前記接触インターフェースに接続され、外界との外力接触を検知して、前記外力接触に対応する一連のタイミングデータを発生させる触覚検知モジュールと；
   前記触覚検知モジュールに接続され、前記一連のタイミングデータを受信するとともに、幾何演算に基づいて、接触パターンを計算かつ判断し、制御信号を発生させるコントローラーと；
   前記コントローラーに接続されるとともに、前記制御信号に基づいて、前記接触パターンに対応するインタラクション反応を発生させるアクチュエーターと
   を含むヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
2. 前記一連のタイミングデータが、前記外力接触の受力点の位置と時間との関係である請求項１記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
3. 前記一連のタイミングデータが、前記外力接触の受力の大きさと時間との関係である請求項１記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
4. 前記一連のタイミングデータが、前記外力接触の受力の大きさと位置と時間との関係である請求項１記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
5. 前記ヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置が、さらに、前記触覚検知モジュールおよび前記コントローラー間に接続され、前記一連のタイミングデータに対するアナログ／デジタル変換を行うアナログ／デジタル変換器と；
   前記コントローラーおよび前記アクチュエーター間に接続されるデジタル／アナログ変換器と
   を含む請求項１記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
6. 前記接触インターフェースが、軟質インターフェースまたは硬質インターフェースである請求項１記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
7. 前記触覚検知モジュールは、圧力・力量・電気容量・位置移動検知器である請求項１記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
8. 前記触覚検知モジュールが、少なくとも３個の検知器から構成され、２次元式接触パターンを検出する請求項１記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
9. 前記複数の検知器が、歪み計または導電ラバーである請求項８記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
10. 前記接触インターフェースが、移動肢体の末端である請求項１記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
11. 外界との前記インタラクション反応が、肢体動作を利用して異なる速度・位置・力量のインタラクション表現を反映、または肢体構造の剛性を変更する請求項１記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知装置。
12. 接触インターフェースに対する外力接触を行うことと；
    触覚検知方式で、前記外力接触を検知し、前記外力接触に対する一連のタイミングデータを発生させることと；
    幾何演算に基づき前記一連のタイミングデータに対して前記外力接触の接触パターンを計算するとともに判断することと；
    前記接触パターンに基づいてインタラクション反応を合成することと
    を含むヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知方法。
13. 前記一連のタイミングデータが、前記外力接触の受力点の位置と時間との関係である請求項１２記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知方法。
14. 前記一連のタイミングデータが、前記外力接触の受力の大きさと時間との関係である請求項１２記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知方法。
15. 前記一連のタイミングデータが、前記外力接触の受力の大きさと位置と時間との関係である請求項１２記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知方法。
16. 前記触覚検知方式が、圧力・力量・電気容量・位置移動検知器により行う請求項１２記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知方法。
17. 前記触覚検知方式が、少なくとも３個の検知器から構成され、２次元式接触パターンを検出する請求項１２記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知方法。
18. 前記した複数の検知器が、歪み計または導電ラバーである請求項１７記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知方法。
19. 外界との前記インタラクション反応が、肢体動作を利用して異なる速度・位置・力量のインタラクション表現を反映、または肢体構造の剛性を変更する請求項１２記載のヒューマンロボットインタラクション用の触覚検知方法。

Images