JP2014092963A - 接触状態検出装置、方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 対象の接触状態をより細かく判定できる接触状態装置を提供する。
【解決手段】 インタラクション装置１は静電タッチセンサ１０、判定処理部１６、動作装置２０を備える。静電タッチセンサ１０は、インタラクション装置１の表面である接触面とギャップ部１３で隔離されかつ距離が相違する部分を持つように成形された電極部１２及び電極部１２が計測したセンサ値を出力するセンサ値取得部１１を備える。判定処理部１６は、センサ値が第１の閾値を超える場合に人の接触があると判定し、接触時以降のセンサ値の変化量から接触が「たたく」であるかを判定し、一定時間のセンサ値の平均及び標準偏差を計算し、平均をもとに接触する部位（手のひら／指）を判定し、標準偏差をもとに接触面上で人の移動の有無（撫でる／触る）を判定する。動作装置２０は、判定された接触状態に対応する動作を実行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対象物の接触状態を検出する技術に関し、特に、静電タッチセンサを用いて対象の接触状態を検出する技術に関する。

人を対象として人の部位の接触によって情報の出力や特定動作の実行等を行うインタラクションを目的とした機器では、接触時の状態に応じて異なる処理を実行する装置が知られている。

従来装置として、接触センサ、温度センサ等の複数種のセンサを使用して接触した対象が人であるかを判定し、複数の位置に設けた接触センサにより接触位置の変化や接触時の圧力変化を検出して、接触が「撫でられた」状態であるのか「たたかれた」状態であるのかを判別する接触状態判別装置が知られている。

特開２００２−０５２４８９号公報

人の触り方は、手のひら又は指先で触れる、手のひら又は指先で撫でる、たたく等様々であるが、接触したときの人の意図を触り方から推定することができる。例えば、人とのインタラクションを目的とした装置の一例である「ぬいぐるみ型ソーシャルロボット」の場合について検討する。人がロボットを手のひらで触るときは、ロボットと仲良くなりたい、抱きかかえたい等の意図であると推測し、ロボットには、喜ぶ、安心する等の反応をすることが求められている。また、人がロボットを手のひらで撫でるときは、落ち着かせたい、褒めたい等の意図であると推測し、ロボットには、静かになる、嬉しそうにする等の反応をすることが、たたくときは、意地悪したい、静かにさせたい等の意図であると推測し、ロボットには、怒る、黙る等の反応をすることが、それぞれ求められている。

以上のように、人と装置とのインタラクションをより細やかにするためには、単に人の接触の有無ではなく、人の接触状態を検出する必要がある。しかし、従来の接触状態判別装置では、接触を検出する接触センサは接触の有無のみを検出するため、人がどのように触れたかを検出することができなかった。

また、上述した従来の接触状態判別装置は、装置表面に局所的に配置された接触センサによって接触位置と圧力変化を検出し、人が「撫でた」のか「たたいた」のかを判別するだけであった。

本発明の目的は、静電タッチセンサにより検出した対象の接触の状態をより細かく判定することができる装置、方法、及びプログラムを提供することである。

本発明の一態様として開示する接触状態検出装置は、静電容量を用いて対象の接触を検出する静電タッチセンサと、前記静電タッチセンサが出力するセンサ値をもとに前記対象の接触状態を判定する判定処理部とを備える。

さらに、前記静電タッチセンサは、前記対象が接触する接触面からの距離が異なる部分を配置した構造を有する検出面を有しかつ該検出面と前記接触面との間にギャップ部を有して、前記検出面により前記対象の静電容量を検出する電極部と、前記電極部が検出した静電容量に対応する電圧をセンサ値として出力するセンサ値取得部とを備える。

また、前記判定処理部は、前記静電タッチセンサから出力されたセンサ値を取得し、取得したセンサ値が予め設定した第１の閾値を超える場合に前記対象の接触があると判定する第１の判定処理と、前記対象の接触時から予め設定した時間に取得したセンサ値の変化量をもとに前記電極部の検出面の法線方向での前記対象の移動速度を計算し、計算した移動速度をもとに前記対象の接触がたたく状態であるかを判定する第２の判定処理と、前記対象の接触時から予め設定した時間に取得したセンサ値の平均及び標準偏差を計算し、計算した平均をもとに前記対象の接触部位を判定する第３の判定処理と、計算した標準偏差をもとに前記電極部の接触面の接線方向での前記対象の移動の有無を判定する第４の判定処理とを実行する。

上記の接触状態検出装置によれば、静電タッチセンサによって対象の接触状態を従来に比べてより詳細に検出することができるため、接触状態に応じて細やかな反応を行うインタラクションを提供することが可能となる。

開示する接触状態検出装置が実施されるインタラクション装置の一実施形態におけるブロック構成例を示す図である。 一実施形態における静電タッチセンサの構成例を示す図である。 一実施形態における電極部の構造例を示す図である。 対象の接触位置とセンサ値の変化との関係例を示す図である。 静電タッチセンサの別の構造例を示す図である。 接触状態が「手のひらで触れる」場合のセンサ値の出力変化例を示す図である。 接触状態が「指先で触れる」場合のセンサ値の出力変化例を示す図である。 接触状態が「手のひらで撫でる」場合のセンサ値の出力変化例を示す図である。 接触状態が「指先で撫でる」場合のセンサ値の出力変化例を示す図である。 接触状態が「たたく」場合のセンサ値の出力変化例を示す図である。 インタラクション装置の判定処理を説明するための図である。 インタラクション装置の判定処理を説明するための図である。 人の手の非接触時及び各接触状態でのセンサ値Ｖ_ｏｕｔとその出力頻度の関係を示すグラフ例を示す図である。 人の手の接触前後のセンサ値の変化を示す波形例及び各接触状態の立ち上がり速度の分布を示すグラフ例を示す図である。 各接触状態のセンサ値の平均と標準偏差との関係に基づく分布を示すグラフ例を示す図である。 一実施形態におけるインタラクション装置の処理フロー例を示す図である。 一実施形態におけるインタラクション装置の処理フロー例を示す図である。 一実施例におけるインタラクション装置の例を示す図である。

以下に、本発明の一態様として開示する接触状態検出装置の実施の形態を図を用いて説明する。

図１は、開示する接触状態検出装置が実施されるインタラクション装置１の一実施形態におけるブロック構成例を示す図である。

インタラクション装置１は、静電容量を測定して検出対象である人の手の接触状態を検出する静電タッチセンサ１０、対象の接触状態を判定する判定処理部１６、接触状態に応じた所定の動作を行う動作装置２０、及び前記処理部に電源を供給する電源部２５を備える。

静電タッチセンサ１０は、非接触で物体の接近を検出する装置であり、センサ値取得部１１、電極部１２及びギャップ部１３を備える。センサ値取得部１１は、電極部１２が検出した静電容量の変化をセンサ値（電圧）として出力する。電極部１２は、対象である人の手との距離に応じた静電容量の変化を捉える。ギャップ部１３は、インタラクション装置１の表面であって対象が接触する接触面と電極部１２との間に隙間を設けるための部材である。

判定処理部１６は、予め接触状態の判定条件となる閾値を保持し、センサ値取得部１１が出力したセンサ値変化（電圧変化）から対象の接触状態を判定する。

動作装置２０は、判定された接触状態に対応して予め設定された動作を生成する動作生成部２１、生成された動作を制御する動作制御部２２、制御に基づいて動作を実行する動作部２３を備える。なお、動作装置２０は、既知のインタラクション装置の動作実行機能を実現する装置であるので、詳細な説明を省略する。

電源部２５は、静電タッチセンサ１０、判定処理部１６、及び動作装置２０に電源を供給する。

次に、静電タッチセンサ１０の構成をより詳細に説明する。

静電タッチセンサ１０は、電極部１２が同一形状である場合に、対象に対する距離ｄが近くなるほど（接近するほど）出力する電圧を増加し、対象に対する電極部１２の距離が同一に保持される場合に、電極部１２での接触面積が増加するほど出力する電力を増加するように動作して、対象に対する法線方向の距離変化及び対象の接触面積を検出する機能を備える。

より詳しくは、静電タッチセンサ１０は、起動後に電極部１２の静電容量を測定して基準値［Ｖ］を設定し、電極部１２で予め設定されたサンプリング期間毎に静電容量を測定し、設定した基準値に対する静電容量の変化に対応した電圧をセンサ値Ｖ_ｏｕｔ［Ｖ］として出力する。なお、静電タッチセンサ１０が出力するセンサ値（電圧）の上限は電源部２５の電圧となる。

図２は、一実施形態における静電タッチセンサ１０の構成例を示す図である。

図２に示す構成例において、静電タッチセンサ１０のセンサ値取得部１１は、電極部１２が検出した距離ｄの静電容量に対応する電圧Ｖをセンサ値Ｖ_ｏｕｔとして出力する等価回路で実施される。

電極部１２は、対象に対する距離ｄでの静電容量を検出する。インタラクション装置１の外面である対象が接触する接触面と電極部１２との間にはギャップ部１３ａ（図２に図示しない）が設けられる。ギャップ部１３は、外装部材を兼用することができ、帯電防止性を有する素材で実施することが好ましい。

また、電極部１２は、広範囲な接触面での手の移動を電圧変化として検出できるように、金属箔（ここでは、銅箔を使用する）で実施し、インタラクション装置１の表面にある接触面からの距離が異なる位置となる部分が交互に配置されるように形成されている。例えば、電極部１２である銅箔が、波状、蛇腹状等のように凹凸状が連続する形状に形成されている。

図３は、一実施形態における電極部１２の構造例を示す図である。図３（Ａ）は、接触面（上面）からみた場合の電極部１２の構造例を表した図である。図３（Ｂ）は、電極部１２の側面からみた断面における構造例を表した図である。

図３に示す静電タッチセンサ１０の電極部１２は、幅が約２センチメートル［ｃｍ］で厚みが０．０３ミリメートル［ｍｍ］の帯状の銅箔を約２ｃｍの間隔で矩形の凹凸状に折り曲げ、ギャップ部１３ｂにより形状が保持された構造で実施されている。

ギャップ部１３ｂは、帯電防止性を有する発泡プラスチック等（例えばポリエチレン）で実施される。ギャップ部１３ｂは、インタラクション装置１の外部骨格部材を兼用することができる。この場合に、図３（Ｂ）に示す形状に成型された電極部１２が、ギャップ部１３ｂによりインタラクション装置１の外部骨格部材に組み込まれ、外装部材であるギャップ部１３ａにより対象が接触する接触面と直接しないように設置される。

図３（Ａ）に示すように、インタラクション装置１の接触面方向からみると、電極部１２である約２ｃｍの銅箔が外装部材であるギャップ部１３ａに接している部分とギャップ部１３ｂで被われている部分とが交互に配置される構造となる。この構造により、電極部１２の銅箔に、インタラクション装置１の表面である接触面からの位置が近い部分と離れた部分とが生ずる。図３（Ａ）に示す電極部１２の部分ａ、ｃ、ｅ、ｇ、ｉは、銅箔がギャップ部１３ｂに被われ、対象の接触面からの位置がより遠い部分（深部範囲）であり、電極部１２の部分ｂ、ｄ、ｆ、ｈは、銅箔が直接外装部材のギャップ部１３ａに接し、接触面からの位置がより近い部分（浅部範囲）である。

静電タッチセンサ１０は、電極部１２の深部範囲と浅部範囲の部分を有することによって、接触面からみれば同一距離にある対象に対して異なる距離ｄに相当する静電容量を計測し、さらに、接触面上の接線方向の移動により同一の接触面積での深部範囲と浅部範囲との割合が変化することによって、広い範囲での対象の接線方向での移動を出力変化（電圧変化）として捉えることができる。

次に、対象の接触位置と静電タッチセンサ１０の出力変化について説明する。

図４は、対象の接触位置とセンサ値の変化との関係例を示す図である。

静電タッチセンサ１０の電極部１２が図３に示す構造を有し、電極部１２の上面を左から右の方向へ（位置ｐ_１からｐ_３へ）対象が移動すると仮定する。

静電タッチセンサ１０は、対象（人の手）の位置ｐ_１を電極部１２の範囲ｂ〜ｄで検出してセンサ値Ｖｏｕｔ−ｐ_１を出力し、位置ｐ_２を電極部１２の範囲ｃ〜ｅで検出してセンサ値Ｖｏｕｔ−ｐ_２を出力し、位置ｐ_３を電極部１２の範囲ｄ〜ｆで検出して電圧Ｖｏｕｔ−ｐ_３を出力する。対象が接触する面積はどの位置であってもほぼ同じであるが、対象の移動につれて接触している部分での深部範囲と浅部範囲との割合が変化する。例えば、位置ｐ_２での接触面積に対応する範囲ｃ〜ｅは、位置ｐ_１、ｐ_３での接触面積に対応する範囲ｂ〜ｄ、範囲ｄ〜ｆに比べて深部範囲ｃ、ｅの割合が多い。そのため、位置ｐ_１〜ｐ_３が接触面上であるとしても、位置ｐ_２では距離ｄをより長い距離として検出する深部範囲の割合が多くなり、出力されるセンサ値（電圧）が低くなる。このように、電極部１２に、対象の実際の位置に対し異なる距離ｄを測定する部分を設けることによって、静電タッチセンサ１０は、接触面の接線方向での対象の移動をセンサ値の変化（電圧変化）として出力することができる。

図５は、静電タッチセンサ１０の別の構造例を示す図である。

図５は、１つの電極部（銅箔）において同一の接触面積を検出しても測定する静電容量が異なるように、形状又は構造が相違する部分を設けて成形した電極部１２の構造例を表している。

図５（Ａ）に示すように、静電タッチセンサ１０の電極部１２を、同一の形状の突起状又は陥没状の部分が連続して配列される形状に成形した銅箔で実施してもよい。又は、図５（Ｂ）に示すように、電極部１２を、同一形状の銅箔片を格子状に連結して成形して銅箔で実施してもよい。又は、図５（Ｃ）に示すように、電極部１２を、誘電率が異なる２種の素材でなる同一形状のギャップ部１３を接触面側に交互に敷設して成形した銅箔で実施してもよい。又は、図５（Ｄ）に示すように、電極部１２を、矩形や円形等の同一形状の開口部が連続する形状に成形した銅箔で実施してもよい。

静電タッチセンサ１０は、図３及び図５に例示する構造を有する電極部１２を備えることにより、少なくとも１つの静電タッチセンサ１０であっても、対象の接触状態を広範囲で検出することができる。すなわち、インタラクション装置１は、１つの静電タッチセンサ１０により、接触の勢い（表面の法線方向の移動速度）、どの部位での接触か（接触面積）、接触中の動静（接触時の平行方向の移動）をもとに、対象が装置にどのように接触しているかを検出することができる。

以下、図６〜図１０を用いて、対象である人の手の接触状態の種類について説明する。インタラクション装置１では、対象である人の手の接触の状態を「手のひらで触れる」、「指先で触れる」、「手のひらで撫でる」、「指先で撫でる」、「たたく」の５つの状態に分類し、各接触状態に対して所定の動作を行うものとする。

図６は、「手のひらで触れる」場合のセンサ値の出力変化例を示す図である。図６（Ａ）に示すように、人がインタラクション装置１に手のひらで触れる場合に、電極部１２（銅箔）が広い範囲で手の接触を検出する。図６（Ｂ）に示すように、センサ値取得部１１は、手のひらの接近につれて電圧が上昇し、接触後から高い値で一定となる電圧（約３Ｖ）を示すセンサ値を出力する。

図７は、「指先で触れる」場合のセンサ値の出力変化例を示す図である。人がインタラクション装置１に指先で触れる場合には、電極部１２（銅箔）のどの部分に指先が接触しているかによってセンサ値（電圧）が異なる。

図７（Ａ）に示すように、インタラクション装置１の表面（接触面）と電極部１２との位置が近い銅箔の範囲に指先が接触している場合には、図７（Ｂ）に示すように、センサ値取得部１１が、指先の接近につれて上昇し、接触後から一定となる電圧（約０．８Ｖ）を示すセンサ値を出力する。また、図７（Ｃ）に示すように、インタラクション装置１の表面（接触面）と電極部１２との位置がより遠い銅箔の範囲に指先が接触している場合には、図７（Ｄ）に示すように、センサ値取得部１１が、指先の接近につれて上昇し、接触後から一定となるやや弱い電圧（約０．３Ｖ）を示すセンサ値を出力する。

図８は、「手のひらで撫でる」場合のセンサ値の出力変化例を示す図である。図８（Ａ）に示すように、人がインタラクション装置１を手のひらで撫でる場合に、電極部１２（銅箔）の広い範囲に手のひらが接触し、さらに手のひらの接触位置の移動にともなって、接触を検出している銅箔の部分が移動していく。この場合に、センサ値取得部１１が、手のひらの接近につれて上昇し、手のひらの接触位置の移動にともなって、接触を検出している範囲における深部範囲と浅部範囲との割合が変化することから、図８（Ｂ）に示すような電力の変化（約１．８Ｖ前後）を示すセンサ値を出力する。

図９は、「指先で撫でる」場合のセンサ値の出力変化例を示す図である。図９（Ａ）に示すように、人がインタラクション装置１を指先で撫でる場合に、電極部１２（銅箔）の狭い範囲で指先が接触し、指先の接触位置の移動にともなって、接触を検出する銅箔の範囲が移動していく。センサ値取得部１１が、指先の接近につれて上昇し、指先の接触位置の移動にともなって、接触を検出している範囲における深部範囲と浅部範囲との割合が変化することから、図９（Ｂ）に示すような電圧の変化（約０．５Ｖ前後）を示すセンサ値を出力する。

図１０は、「たたく」場合のセンサ値の出力変化例を示す図である。図１０（Ａ）に示すように、インタラクション装置１を人が３回たたいた場合に、電極部１２（銅箔）の広い範囲で手のひらの急な接触が生じる。センサ値取得部１１が、手のひらの急な接近と後退に対応して電圧の急な上昇及び降下を検出することから、図１０（Ｂ）に示すような電圧変化（約０．５Ｖ前後）を示すセンサ値を出力する。

以下に、インタラクション装置１の判定処理部１６の接触状態判定処理を説明する。

判定処理部１６は、人の手の接触が、「手のひらで触れる」、「指先で触れる」、「手のひらで撫でる」、「指先で撫でる」、「たたく」の５つの状態のうちどの状態に該当するかを判定する。

ステップＳ１： 判定処理部１６は、一定の間隔でセンサ値取得部１１が出力するセンサ値（電圧）Ｖ_ｏｕｔを受け付け、図１１（Ａ）に示すように、受け付けたセンサ値Ｖ_ｏｕｔが予め定めた閾値Ｖ_ｔｒｇを超過するかを判定する。判定処理部１６は、センサ値Ｖ_ｏｕｔが閾値Ｖ_ｔｒｇを超過した場合に、人の手が接触したと判定する。

ステップＳ２： 判定処理部１６は、センサ値取得部１１が出力するセンサ値Ｖ_ｏｕｔの出力変化を示す波形の立ち上がりの勾配から接触状態のうち「たたく」とそれ以外の接触状態とを判別する。判定処理部１６は、図１１（Ｂ）に示すように、センサ値Ｖ_１が閾値Ｖ_ｔｒｇを超過したと判定した時刻ｔ_１のセンサ値Ｖ_１と、予め設定した時間経過後の時刻ｔ_２又はセンサ値Ｖ_ｏｕｔの変化を示す波形の勾配が最も高くなった時刻ｔ_２に取得したセンサ値Ｖ_２とを用いて、立ち上がり速度（Ｖ_２−Ｖ_１）／（ｔ_２−ｔ_１）を計算する。判定処理部１６は、立ち上がり速度［Ｖ／ｓ］が所定の閾値ｔｈ_１より大きい場合に接触状態が「たたく」であると判定する。

ステップＳ３： 判定処理部１６は、ステップＳ２の処理後から一定の時間でセンサ値Ｖ_ｏｕｔを取得して記録し、記録したセンサ値Ｖ_ｏｕｔの平均Ｖ_ａｖｅ［Ｖ］と変動（標準偏差σ［Ｖ］）とを計算する。

ステップＳ４： 判定処理部１６は、図１２（Ａ）に示すように、センサ値Ｖ_ｏｕｔの変動を示す標準偏差σ［Ｖ］と所定の閾値ｔｈ_２とを比較し、標準偏差σ［Ｖ］が所定の閾値ｔｈ_２より大きい場合に接触状態が「撫でる」（「手のひらで撫でる」又は「指先で撫でる」）であると判定し、標準偏差σ［Ｖ］が閾値ｔｈ_２以下である場合に「触る」（「手のひらで触る」又は「指先で触る」）であると判定する。

ステップＳ５： 判定処理部１６は、図１２（Ｂ）に示すように、接触状態が「撫でる」と判定した場合に、センサ値Ｖ_ｏｕｔの平均Ｖ_ａｖｅと所定の閾値ｔｈ_３とを比較し、平均Ｖ_ａｖｅが閾値ｔｈ_３より大きいときは接触状態が「手のひらで撫でる」であると、平均Ｖ_ａｖｅが閾値ｔｈ_３以下であるときは接触状態が「指先で撫でる」であると判定する。また、判定処理部１６は、接触状態が「触る」と判定した場合に、センサ値Ｖ_ｏｕｔの平均Ｖ_ａｖｅと所定の閾値ｔｈ_４とを比較し、平均Ｖ_ａｖｅが閾値ｔｈ_４より大きいときは接触状態が「手のひらで触る」であると、平均Ｖ_ａｖｅが閾値ｔｈ_４以下であるときは接触状態が「指先で触る」であると判定する。

上述の判定処理で判定条件となる閾値は、実際の計測値に基づいて設定されるようにしてもよい。本実施形態では、対象の各接触状態を複数ずつ実行して静電タッチセンサ１０のセンサ値Ｖ_ｏｕｔの出力変化を計測し、その計測結果をもとに閾値を設定している。

対象が接触しているかを判定するための閾値Ｖ_ｔｒｇは、各接触状態及び非接触状態でのセンサ値Ｖ_ｏｕｔの出力頻度をもとに設定している。図１３は、人の手の非接触時及び各接触状態でのセンサ値Ｖ_ｏｕｔとその出力頻度の関係を示すグラフ例を示す図である。図１３に示す非接触時のセンサ値Ｖ_ｏｕｔの出力頻度と接触時のセンサ値Ｖ_ｏｕｔの出力頻度を最も高い確率で判別できる値０．１９［Ｖ］を閾値Ｖ_ｔｒｇとして設定している。

接触状態が「たたく」であるかを判定するための閾値ｔｈ_１は、人の手が静電タッチセンサ１０に接近する速度をもとに設定している。図１４（Ａ）は、人の手の接触前後のセンサ値Ｖ_ｏｕｔの変化を示す波形例を示す図である。図１４（Ａ）に示すように、人の手がインタラクション装置１の接触面すなわち電極部１２の上面に対して垂直方向に等速に接近する場合には、センサ値Ｖ_ｏｕｔの変化を示す波形の勾配は、接触直後に最も高くなることが分かる。

そこで、接触を判定する閾値Ｖ_ｔｒｇを超過したセンサ値Ｖ_ｏｕｔの検出時刻ｔ_１から、センサ値Ｖ_ｏｕｔの波形の勾配が最も高くなった時刻ｔ_２までの時間［ｓ］における変化量αを示す立ち上がり速度［Ｖ／ｓ］を算出し、５回の実行分について算出した変化量αの分布に基づいて閾値ｔｈ_１を設定した。図１４（Ｂ）は、各接触状態の立ち上がり速度α［Ｖ／ｓ］の分布を示すグラフ例を示す図である。図１４（Ｂ）に示すように、「たたく」と他の接触状態との間で立ち上がり速度αの分布が明確に分かれていることが分かるため、各接触状態の分布から最も距離が遠くなるような値（α）６．５［Ｖ／ｓ］を閾値ｔｈ_１として設定している。なお、接触の実行回数を増やして各接触状態の分布関数を求めて最も高い確率で判別する値を閾値ｔｈ_１として設定してもよい。

接触状態が「触る」であるか「撫でる」であるかを判定するための閾値ｔｈ_２は、一定期間のセンサ値Ｖ_ｏｕｔの変動をもとに設定している。また、接触状態が「撫でる」である場合の部位を判定するための閾値ｔｈ_３は、一定期間のセンサ値Ｖ_ｏｕｔの平均をもとに設定している。図１５は、各接触状態のセンサ値Ｖ_ｏｕｔの平均［Ｖ］と標準偏差σ［Ｖ］との関係に基づく分布を示すグラフ例を示す図である。

閾値ｔｈ_２は、各接触状態の標準偏差σの分布から最も距離が遠くなる値０．９［Ｖ］を設定している。

接触の部位（手のひら、指先）を判定する閾値は、「触る」か「撫でる」かの接触状態毎にセンサ値Ｖ_ｏｕｔの大きさをもとに設定している。接触状態が「撫でる」場合の閾値ｔｈ_３は、「手のひらで撫でる」と「指先で撫でる」でのセンサ値Ｖ_ｏｕｔの大きさの分布から最も距離が遠くなる値１．２［Ｖ］を設定している。また、接触状態が「触る」場合の閾値ｔｈ_４は、「手のひらで触る」と「指先で触る」でのセンサ値Ｖ_ｏｕｔの大きさの分布から最も距離が遠くなる値２．０［Ｖ］を設定している。なお、閾値ｔｈ_２、ｔｈ_３、ｔｈ_４についても、閾値ｔｈ_１と同様に、接触の実行回数を増やして各接触状態の分布関数を求め最も高い確率で判別する値を設定してもよい。

図１６〜図１７は、一実施形態におけるインタラクション装置１の処理フロー例を示す図である。

インタラクション装置１では、電源部２５による電源投入の開始後に静電タッチセンサ１０がキャリブレーションを経て常時接触を検出する状態となり、ステップＳ１１〜Ｓ５１０の処理が実行される。

判定処理部１６は、所定時間（例えば５０ミリ秒［ｍｓ］）毎に静電タッチセンサ１０のセンサ値取得部１１が出力したセンサ値Ｖ_ｏｕｔを読み取り（ステップＳ１１）、センサ値Ｖ_ｏｕｔが閾値Ｖ_ｔｒｇより大きいかを判定する（ステップＳ１２）。判定処理部１６は、センサ値Ｖ_ｏｕｔが閾値Ｖ_ｔｒｇより大きい場合は（ステップＳ１２のＹ）、読み取った時刻ｔを時刻ｔ_１に、読み取ったセンサ値Ｖ_ｏｕｔを出力値Ｖ_１にそれぞれ設定し（ステップＳ１３）、センサ値Ｖ_ｏｕｔが閾値Ｖ_ｔｒｇ以下である場合は（ステップＳ１２のＮ）、ステップＳ１１の処理へ戻る。

判定処理部１６は、センサ値取得部１１が時刻ｔ_１以降に出力したセンサ値Ｖ_ｏｕｔを読み取り（ステップＳ２１）、読み取った時刻ｔを時刻ｔ_２に、読み取ったセンサ値Ｖ_ｏｕｔを出力値Ｖ_２にそれぞれ設定する（ステップＳ２２）。判定処理部１６は、時刻ｔ_１からｔ_２までの時間［ｓ］の出力の変動量として立ち上がり速度（Ｖ_２−Ｖ_１）／（ｔ_２−ｔ_１）を計算し、立ち上がり速度α［Ｖ／ｓ］が閾値ｔｈ_１より大きいかを判定する（ステップＳ２３）。立ち上がり速度α［Ｖ／ｓ］が閾値ｔｈ_１より大きい場合は（ステップＳ２３のＹ）、判定処理部１６は、接触状態が「たたく」であると判定する（ステップＳ２４）。動作生成部２１は、判定処理部１６の判定結果（たたく）に対応づけられた所定の動作を生成する（ステップＳ２５）。

立ち上がり速度α［Ｖ／ｓ］が閾値ｔｈ_１以下である場合は（ステップＳ２３のＮ）、さらにセンサ値Ｖ_ｏｕｔを取得してカウンタ値（ｉ）を付与して記録し（ステップＳ３１）、カウンタ値ｉに１を加算する（ステップＳ３２）。判定処理部１６は、カウンタ値ｉが所定数ｎを超えたかを判定し（ステップＳ３３）、カウンタ値ｉが所定数ｎを超えるまで（ステップＳ３３のＮ）、ステップＳ３１〜Ｓ３３の処理を繰り返し、カウンタ値ｉが所定数ｎを超えていれば（ステップＳ３３のＹ）、記録したセンサ値Ｖ_ｏｕｔの平均Ｖ_ａｖｅ［Ｖ］と標準偏差σ［Ｖ］とを計算する（ステップＳ３４）。

次に、判定処理部１６は、標準偏差σが閾値ｔｈ_２より大きいかを判定し（ステップＳ４１）、標準偏差σが閾値ｔｈ_２より大きい場合は（ステップＳ４１のＹ）、ステップＳ５１の処理へ進み、標準偏差σが閾値ｔｈ_２以下である場合は（ステップＳ４１のＮ）、ステップＳ５６の処理へ進む。

ステップＳ５１の処理で、判定処理部１６は、平均Ｖ_ａｖｅが閾値ｔｈ_３より大きいかを判定する。判定処理部１６は、平均Ｖ_ａｖｅが閾値ｔｈ_３より大きい場合は（ステップＳ５１のＹ）、接触状態が「手のひらで撫でる」であると判定する（ステップＳ５２）。動作生成部２１は、判定処理部１６の判定結果（手のひらで撫でる）に対応づけられた所定の動作を生成する（ステップＳ５３）。判定処理部１６は、平均Ｖ_ａｖｅが閾値ｔｈ_３以下である場合は（ステップＳ５１のＮ）、接触状態が「指で撫でる」であると判定する（ステップＳ５４）。動作生成部２１は、判定処理部１６の判定結果（指で撫でる）に対応づけられた所定の動作を生成する（ステップＳ５５）。

ステップＳ５６の処理で、判定処理部１６は、平均Ｖ_ａｖｅが閾値ｔｈ_４より大きいかを判定する。判定処理部１６は、平均Ｖ_ａｖｅが閾値ｔｈ_４より大きい場合は（ステップＳ５６のＹ）、接触状態が「手のひらで触る」であると判定する（ステップＳ５７）。動作生成部２１は、判定処理部１６の判定結果（手のひらで触る）に対応づけられた所定の動作を生成する（ステップＳ５８）。判定処理部１６は、平均Ｖ_ａｖｅが閾値ｔｈ_４以下である場合は（ステップＳ５６のＮ）、接触状態が「指で触る」であると判定する（ステップＳ５９）。動作生成部２１は、判定処理部１６の判定結果（指で触る）に対応づけられた所定の動作を生成する（ステップＳ５１０）。

以下に、開示するインタラクション装置１のより具体的な実施例を説明する。

図１８は、一実施例におけるインタラクション装置１の例を示す図である。

図１８は、インタラクション装置１をくまのぬいぐるみ型のソーシャルロボット（以下、単にロボットとよぶ）として実施した場合の外部骨格部材の外観例であり、ロボットの構造が把握できるように、静電タッチセンサ１０を組み込んだ箇所（腹部）を切り離して図示している。

図１８に示すロボットは、外部形状を形成する外部骨格部材に帯電防止性を有する発泡ポリプロピレン（ＥＰＰ：Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）を適用した。外部骨格部材は、約２ｃｍの厚みを有してロボットの腹部に該当する箇所に静電タッチセンサ１０の電極部１２を組み込んで形成されている。外部骨格部材に組み込まれる電極部１２は、図３に例示する構造を有している。外部骨格部材（発泡ポリプロピレン）は、電極部１２である銅箔の形状を保持するギャップ部１３ｂを兼用している（図３参照）。発泡ポリプロピレンは、緩衝性により内部構造を保護することができるとともに、成型容易性により電極部１２である銅箔を容易に組み込むことができ、ギャップ部１３として好ましい素材である。なお、ギャップ部１３を他の発泡プラスチック材を用いて実施することも可能である。さらに、図１８には図示しないが、ロボットの外部骨格部材は、ぬいぐるみの外観に適した素材の外皮部材で被われる。外皮部材は、電極部１２である銅箔をロボットの表面の接触面と隔離するためのギャップ部１３ａを兼用している（図３参照）。

また、図１８に示すロボットは、内部にプロセッサ及びメモリを備えた小型コンピュータを備え、図１の構成例に示す判定処理部１６、動作生成部２１、動作制御部２２として機能するプログラムがメモリに記憶されている。さらに、ロボットは、上記の静電タッチセンサ１０の他、動作部２３に相当するモータ、電源部２５に相当するバッテリ等を備えている。

以上説明した静電タッチセンサ１０の電極部１２及びギャップ部１３（１３ａ、１３ｂ）の構造から、開示するインタラクション装置１は、以下の接触状態を判定することができる。

（１）電極部１２の検出面に垂直方向の対象（人の手）の動きの勢い（法線方向の移動速度）を接触直後のセンサ値Ｖ_ｏｕｔの変動量（立ち上がり速度）として検出し、「たたく」状態であるか他の接触状態であるかを判定することができる。

（２）電極部１２の検出面に対象が接触している面積の大きさをセンサ値Ｖ_ｏｕｔの大きさとして検出し、接触する部位（手のひらであるか指先であるか）を判定することができる。

従来の静電タッチセンサでは、電極部に対象が直に接触するため、接触面積に関わらず出力値（電圧）が同じであったため、接触している部位（手のひら、指先）を判別することができなかった。開示するインタラクション装置１は、装置表面の接触面と電極部１２の検出面との間に帯電防止材のギャップ部１３を設けて両者を隔離し、電極部１２と対象とを非接触とすることにより、接触面積に応じてセンサ値Ｖ_ｏｕｔが変化するようにしている。そして、対象が直に接触していない状態でのセンサ値Ｖ_ｏｕｔの変化を一定時間で記録し、その平均を用いて接触している部位を判定している。

（３）電極部１２の検出面での対象の水平方向の動き（接線方向の移動速度）をセンサ値Ｖ_ｏｕｔの変動として検出し、状態が「撫でる（部位が移動）」であるのか「触る（部位が静止）」であるのかを判定することができる。

従来の静電タッチセンサ１０では、電極部に対象が直に接触するため、１つの電極上で接触する位置が移動しても出力値（電圧）が同じであったため、接触している位置の動きの有無を判別することができなかった。開示するインタラクション装置１は、装置表面の接触面と電極部１２の検出面との間に帯電防止材のギャップ部１３を設けて両者を隔離し、さらに、電極部１２に接触面と電極部１２との距離が異なる部分を設けることにより、接触している位置によってセンサ値Ｖ_ｏｕｔが変化するようにしている。そして、対象が直に接触していない状態でのセンサ値Ｖ_ｏｕｔの変化を一定時間で記録し、その変動の大きさを示す標準偏差を用いて接触している位置の移動の有無を判定している。

以上説明したように、開示するインタラクション装置１によれば、人の手がどのような状態で装置に触れたかを従来に比べてより細かく判別することができ、種々の接触状態に応じたインタラクションを実行することができる。よって、触り方に現れる人の意図や感情により細やかに対応したインタラクションを実現することが可能となる。

また、従来の接触センサでは、１つの電極上での接線方向への接触位置の移動の有無を判別することができず、複数のセンサを設ける必要があった。開示するインタラクション装置１によれば、上記説明した静電タッチセンサ１０を１つ備えるだけで、対象の接触面積及び接線方向の接触位置の移動の有無を判別することができる。

なお、開示するインタラクション装置１は、複数の静電タッチセンサ１０を備えることも可能である。その場合に、判定処理部１６を静電タッチセンサ１０毎に対応させて設け、動作生成部２１が静電タッチセンサ１０に対応する判定処理部１６を識別して、どの静電タッチセンサ１０でのどのような接触状態であるかに対応して動作を生成する。

１ インタラクション装置
１０ 静電タッチセンサ
１１ センサ値取得部
１２ 電極部
１３ ギャップ部
１６ 判定処理部
２０ 動作装置
２１ 動作生成部
２２ 動作制御部
２３ 動作部

Claims (7)

1. 対象の接触状態を検出する接触状態検出装置であって、
   静電容量を用いて対象の接触を検出する静電タッチセンサと、前記静電タッチセンサが出力するセンサ値をもとに前記対象の接触状態を判定する判定処理部とを備え、
   前記静電タッチセンサが、
   前記対象が接触する接触面からの距離が異なる部分を配置した構造を有する検出面を有しかつ該検出面と前記接触面との間にギャップ部を有して、前記検出面により前記対象の静電容量を検出する電極部と、
   前記電極部が検出した静電容量に対応する電圧をセンサ値として出力するセンサ値取得部とを備え、
   前記判定処理部が、
   前記静電タッチセンサから出力されたセンサ値を取得し、取得したセンサ値が予め設定した第１の閾値を超える場合に前記対象の接触があると判定する第１の判定処理と、
   前記対象の接触時から予め設定した時間に取得したセンサ値の変化量をもとに前記電極部の検出面の法線方向での前記対象の移動速度を計算し、計算した移動速度をもとに前記対象の接触がたたく状態であるかを判定する第２の判定処理と、
   前記対象の接触時から予め設定した時間に取得したセンサ値の平均及び標準偏差を計算し、計算した平均をもとに前記対象の接触部位を判定する第３の判定処理と、
   計算した標準偏差をもとに前記電極部の接触面の接線方向での前記対象の移動の有無を判定する第４の判定処理とを実行する
   ことを特徴とする接触状態検出装置。
2. 前記電極部の検出面は、前記接触面からの距離が異なる位置となる部分を交互かつ連続して設けた形状を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の接触状態検出装置。
3. 前記電極部の検出面は、突起状又は陥没状に成形した部分を交互かつ連続して設けた形状を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の接触状態検出装置。
4. 前記電極部の検出面は、開口部を交互かつ連続して設けた形状を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の接触状態検出装置。
5. 前記ギャップ部として異なる誘電率を有する複数種類の帯電防止材を交互かつ連続して配列する
   ことを特徴とする請求項１に記載の接触状態検出装置。
6. 対象の接触状態を検出するために、プロセッサとメモリとを備えた装置が実行する方法であって、
   前記装置が、
   対象が接触する接触面からの距離が異なる部分を配置した構造を有する検出面を有しかつ該検出面と前記接触面との間にギャップ部を有して、前記検出面により前記対象の静電容量を検出する電極部と、前記電極部が検出した静電容量に対応する電圧をセンサ値として出力するセンサ値取得部とを備えて、静電容量を用いて前記対象の接触を検出する静電タッチセンサから出力されたセンサ値を取得し、
   前記取得したセンサ値が予め設定した第１の閾値を超える場合に前記対象の接触があると判定し、
   前記対象の接触時から予め設定した時間に取得したセンサ値の変化量をもとに前記電極部の検出面の法線方向での前記対象の移動速度を計算し、計算した移動速度をもとに前記対象の接触がたたく状態であるかを判定し、
   前記対象の接触時から予め設定した時間に取得したセンサ値の平均及び標準偏差を計算し、計算した平均をもとに前記対象の接触部位を判定し、
   前記計算した標準偏差をもとに前記電極部の接触面の接線方向での前記対象の移動の有無を判定する処理を、実行する
   ことを特徴とする接触状態検出方法。
7. 対象の接触状態を検出するために、プロセッサとメモリとを備えた装置に、
   対象が接触する接触面からの距離が異なる部分を配置した構造を有する検出面を有しかつ該検出面と前記接触面との間にギャップ部を有して、前記検出面により前記対象の静電容量を検出する電極部と、前記電極部が検出した静電容量に対応する電圧をセンサ値として出力するセンサ値取得部とを備えて、静電容量を用いて前記対象の接触を検出する静電タッチセンサから出力されたセンサ値を取得し、
   前記取得したセンサ値が予め設定した第１の閾値を超える場合に前記対象の接触があると判定し、
   前記対象の接触時から予め設定した時間に取得したセンサ値の変化量をもとに前記電極部の検出面の法線方向での前記対象の移動速度を計算し、計算した移動速度をもとに前記対象の接触がたたく状態であるかを判定し、
   前記対象の接触時から予め設定した時間に取得したセンサ値の平均及び標準偏差を計算し、計算した平均をもとに前記対象の接触部位を判定し、
   前記計算した標準偏差をもとに前記電極部の接触面の接線方向での前記対象の移動の有無を判定する処理を、
   実行させるための接触状態検出プログラム。

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