JP2016510419A - エアクッション動作感知装置および方法 - Google Patents

Abstract

エアクッション動作感知装置を提供する。本発明のエアクッション動作感知装置は、内部に空気が充填されており、内側面に複数のパターンが配列されているエアクッションと、前記エアクッションの内部の空気圧を感知し、該当する空気圧感知信号を出力する空気圧感知部と、前記エアクッションの内部の温度を感知し、該当する温度感知信号を出力する温度感知部と、前記エアクッションの下部に位置して前記複数のパターンを撮影し、撮影された各パターンに対するパターン映像を出力する撮影部と、前記空気圧感知部、前記温度感知部および前記撮影部に接続されており、前記空気圧感知信号を用いて前記エアクッションの内部の空気圧を判定し、前記温度感知信号を用いて前記エアクッションの内部の温度を判定し、撮影された前記パターン映像と初期パターン映像とを比較して、前記エアクッションと前記エアクッションの外部に圧力を印加する圧力印加部との接触面の面積、および前記接触面に対するＸ方向とＹ方向への移動量を判定し、判定された前記温度、前記空気圧および前記接触面の面積を用いて、前記エアクッションにＹ方向に印加される力の大きさを判定し、判定された前記接触面の移動量を用いて、前記エアクッションにＸ方向に印加される力の大きさを判定する制御部とを含む。

Description

本発明は、エアクッション動作感知装置および方法に関する。

一般に、外部から印加される圧力を測定するために、フォースセンサー（ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）が使用される。

フォースセンサーは、外部から印加される力を、直ちに対応する大きさの電気的信号に変換して出力する。

このようなフォースセンサーにおいて、ユーザーと接触する部分は、金属などの堅固な物質から構成されているので、ユーザーの使用感が減少する。よって、従来は、フォースセンサーの使用感を向上させるために、ユーザーとの接触部分をポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）などの柔らかい材料で被覆した。

しかしながら、このような柔らかい材料の軟性度（ｓｏｆｔｎｅｓｓ）およびフォースセンサーの厚さの増加により、フォースセンサーの感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）が減少してフォースセンサーの性能が低下するという問題が生じた。

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題は、エアクッションの動作状態を正確に感知し、ユーザーの便利性を向上させることにある。

本発明の一特徴によるエアクッション動作感知装置は、内部に空気が充填されており、内側面に複数のパターンが配列されているエアクッションと、前記エアクッションの内部の空気圧を感知し、該当する空気圧感知信号を出力する空気圧感知部と、前記エアクッションの内部の温度を感知し、該当する温度感知信号を出力する温度感知部と、前記エアクッションの下部に位置して前記複数のパターンを撮影し、撮影された各パターンに対するパターン映像を出力する撮影部と、前記空気圧感知部、前記温度感知部および前記撮影部に接続されており、前記空気圧感知信号を用いて前記エアクッションの内部の空気圧を判定し、前記温度感知信号を用いて前記エアクッションの内部の温度を判定し、撮影された前記パターン映像と初期パターン映像とを比較して、前記エアクッションと前記エアクッションの外部に圧力を印加する圧力印加部との接触面の面積、および前記接触面に対するＸ方向とＹ方向への移動量を判定し、判定された前記温度、前記空気圧および前記接触面の面積を用いて、前記エアクッションにＹ方向に印加される力の大きさを判定し、判定された前記接触面の移動量を用いて、前記エアクッションにＸ方向に印加される力の大きさを判定する制御部とを含んでなる。

前記Ｙ方向に印加される力の大きさＦｖ（ｔ）は、次の数式により算出されることが好ましい。

式中、Ｐａ（ｔ）は判定されたエアクッションの空気圧であり、Ｐ_０はエアクッションの初期空気圧であり、Ｓａはエアクッションの下部面積であり、Ｋａはシリンダーピストンモデルでの仮想弾性係数であり、Ｓｈ（ｔ）はエアクッションの接触面の面積であり、Ｔａ（ｔ）は判定されたエアクッションの温度である。

上記の特徴によるエアクッション動作感知装置は、前記エアクッションに位置する熱感知部または接触感知部をさらに含むことができ、前記制御部は、前記熱感知部または前記接触感知部から出力される信号を用いて接触面の面積を算出することができる。

前記Ｘ方向に印加される力の大きさＦｈ（ｔ）は、次の数式により算出できる。

式中、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４およびａ５はエアクッションを構成する材料の弾性を決定する係数としての定数であり、Δｘは水平方向への移動量であり、Δｙは垂直方向への移動量である。

前記制御部は、次の数式を用いて、各パターンのＸ座標の位置Ｘ（ｔ）とＹ座標の位置Ｙ（ｔ）を算出し、前記複数のパターンに対するＸ座標の位置の平均値と複数のパターンに対するＹ座標の位置の平均値を、現在の接触面に対する現在の座標値として算出し、現在の座標値と以前の段階で算出された接触面に対する以前の座標値との差を算出し、接触面に対するＸ方向とＹ方向への移動量（ΔＸ、ΔＹ）を算出することが好ましい。

ｄは各パターンの初期直径であり、ａ（ｔ）は得られた各パターンに対するパターン映像における長軸の大きさであり、Ｌは焦点距離である。

本発明の他の特徴によるエアクッション動作感知方法は、エアクッションの内部の空気圧を測定する段階と、前記クッションの内部の温度を測定する段階と、前記エアクッションの内部に配列されている複数のパターンのそれぞれに対するパターン映像を獲得する段階と、撮影された前記パターン映像と初期パターン映像とを比較して、前記エアクッションと前記エアクッションの外部に圧力を印加する圧力印加部との接触面の面積、および前記接触面に対するＸ方向とＹ方向への移動量を判定する段階と、判定された前記温度、前記空気圧および前記接触面の面積を用いて、前記エアクッションにＹ方向に印加される力の大きさを判定する段階と、判定された前記接触面の移動量を用いて、前記エアクッションにＸ方向に印加される力の大きさを判定する段階とを含む。

前記Ｙ方向に印加される力の大きさ判定段階は、次の数式を用いて、前記Ｙ方向に印加される力の大きさＦｖ（ｔ）を算出することが好ましい。

式中、Ｐａ（ｔ）は判定されたエアクッションの空気圧であり、Ｐ_０はエアクッションの初期空気圧であり、Ｓａはエアクッションの下部面積であり、Ｋａはシリンダーピストンモデルでの仮想弾性係数であり、Ｓｈ（ｔ）はエアクッションの接触面の面積であり、Ｔａ（ｔ）は判定されたエアクッションの温度である。

前記Ｘ方向に印加される力の大きさ判定段階は、次の数式を用いて、前記Ｙ方向に印加される力の大きさＦｈ（ｔ）を算出することが好ましい。

式中、ａ_１、ａ_２、ａ_３、ａ_４およびａ_５はエアクッションを構成する材料の弾性を決定する係数としての定数であり、Δｘは水平方向への移動量であり、Δｙは垂直方向への移動量である。

前記Ｘ方向に印加される力の大きさ判定段階は、次の数式を用いて、各パターンのＸ座標の位置Ｘ（ｔ）とＹ座標の位置Ｙ（ｔ）を算出する段階と、前記複数のパターンに対するＸ座標の位置の平均値と複数のパターンに対するＹ座標の位置の平均値を、現在の接触面に対する現在の座標値として算出する段階と、現在の座標値と、以前の段階で算出された接触面に対する以前の座標値との差を算出し、接触面に対するＸ方向とＹ方向への移動量（ΔＸ、ΔＹ）を算出する段階とをさらに含むことができる。

式中、ｄは各パターンの初期直径であり、ａ（ｔ）は得られた各パターンに対するパターン映像における長軸の大きさであり、Ｌは焦点距離である。

このような特徴によれば、空気が充填されているエアクッションに力が印加される方向と大きさを正確に判定する。これにより、エアクッションの動作状態が正確に判定されるので、エアクッションを用いて、所望の対象物の動作を正確かつ迅速に判定してユーザーの便利性を向上させる。

本発明の一実施形態に係るエアクッション動作感知装置のブロック図である。 本発明の一実施形態に係るエアクッション装置を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るエアクッション動作感知装置の動作順序図である。 本発明の一実施形態に係るエアクッションに垂直方向の力が印加されるときにエアクッションの状態変化を示す図であって、（ａ）はエアクッション装置の状態変化を概略的に示す図、（ｂ）はエアクッションの内側面に位置した複数のパターンの変化を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るエアクッションに水平方向の力が印加されるときにエアクッションの状態変化を示す図であって、（ａ）はエアクッション装置の状態変化を概略的に示す図、（ｂ）はエアクッションの内側面に位置した複数のパターンの変化を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態によってエアクッションの内側面の実際位置におけるパターンの位置と表示部に表示されたパターン映像の長軸長との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係るエアクッションに圧力印加部が位置するときにエアクッションの形状変化とパターンの位置変化を示すものであって、（ａ）はエアクッションの形状変化を示し、（ｂ）はエアクッションの形状変化によるパターンの位置変化を示す。 （ａ）は本発明の一実施形態に係るエアクッションに圧力印加部が位置しないときに内側面に位置したパターンの初期形状であり、（ｂ）はエアクッションの圧力印加部が位置するときにパターンの変わるパターンの形状を示す図である。 本発明の一実施形態に係るエアクッションに垂直方向の力が印加されるときにエアクッションの状態変化を示す図であって、（ａ）はエアクッションの状態変化を概略的に示す図、（ｂ）は（ａ）をピストンシリンダーモデルで表示した図である。 本発明の一実施形態に係るエアクッションに水平方向の力が印加されるときにエアクッションの状態変化を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。ところが、本発明は、様々な異なる形態で実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。図面において、本発明を明確に説明するために、説明と関係のない部分は省略し、明細書全体にわたって、類似の部分については類似の図面符号を付した。

次に、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係るエアクッション動作感知装置および方法について説明する。

まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係るエアクッション動作感知装置について詳細に説明する。

図１および図２を参照すると、本発明の一実施形態に係るエアクッション動作感知装置は、エアクッション（ａｉｒ ｃｕｓｈｉｏｎ）１１０を備えたエアクッション装置１００と、エアクッション１１０内の空気圧力（すなわち、空気圧）を感知し、該当する状態の信号を出力する空気圧感知部（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ）１１と、エアクッション１１０内の温度を感知し、該当する状態の信号を出力する温度感知部（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ）１３と、エアクッション１１０の内部に形成されたパターン１１１を撮影し、撮影された映像を出力する撮影部１５と、空気圧感知部１１、温度感知部１３および撮影部１５に接続されている制御部２０とを備える。

図２を参照すると、エアクッション装置１００は、既に説明したように、エアクッション１１０を持っており、エアクッション１１０の下部に位置する透明基板１２０と、透明基板１２０の下部に位置し、透明基板１２０を支持している受け台１３０とを備える。

エアクッション１１０は、空気で充填されている密閉空間１１０を持っており、外部から印加される圧力の大きさに応じて、外部に露出しているエアクッション１１０の外側面が押圧される度合いが定められる弾性を持つ材質で構成されている。

エアクッション１１０は、図２に示すように、上部は該当材質に覆われており、下部は開放されている。

エアクッション１１０は、外部から印加される圧力に応じて伸びたり縮んだりする伸縮性を有する材質で構成されており、例えば、ゴム材質でからなることができる。

このようなエアクッション１１０の内側面（すなわち、外側面の反対側に位置する上部の内側面）には、定められた間隔で縦方向と横方向に離隔して配列されている複数のパターン１１１を備える。本例では、３×３行列構造で配列されている９つのパターン１１１を備えるが、エアクッション１１０の内側面に位置するパターン１１１の数および間隔は必要に応じて調整される。

このとき、各パターン１１１は、エアクッション１１０の色と対比される色で構成され、撮影部１５によって撮影された映像における各パターン１１１の形状および大きさの変化をより容易に区分できるようにする。一例として、各パターン１１１は白色で構成されてもよい。

また、各パターン１１１の形状を円形にして、外部から印加される圧力の変化に応じて、変形した大きさを容易に判定することができるようにする。

透明基板１２０は、エアクッション１１０の下部に接しており、開放された下部を完全に覆っている。これにより、エアクッション１１０は透明基板１２０によって密閉された構造を持っている。

したがって、透明基板１２０を介して、エアクッション１１０の内側面に位置した複数のパターン１１１は外部に露出する。

透明基板１２０は、プラスチック（ｐｌａｓｔｉｃ）やガラスなどの透明な材質で構成されている。

受け台１３０は、透明基板１２０のすぐ下に位置し、エアクッション１１０が配置されている透明基板１２０を支持する。

このような受け台１３０の内部には空のスペースが位置し、この空間内に撮影部１５が位置する。

このとき、撮影部１５は、複数のパターン１１１に対応して位置し、外部からエアクッション１１０に加わる圧力に応じて変わり、透明基板１２０を介して外部に映るパターン１１１を撮影する。

空気圧感知部１１は、空気で充填されているエアクッション１１０の内部に接続され、エアクッション１１０の内部の空気圧を感知し、感知された空気圧に該当する空気圧感知信号を出力する。

温度感知部１３は、エアクッション１１０の内部に位置し、エアクッション１１０の内部の温度を感知し、感知された温度に該当する温度感知信号を出力する。

撮影部１５は、既に説明したように、受け台１３０の中に装着され、外部からの圧力に応じて変わる複数のパターン１１１を撮影した後、撮影して得られた映像を制御部２０へ出力する。

制御部２０は、空気圧感知部１１、温度感知部１３および撮影部１５から出力される信号と映像を用いて、エアクッション１１０に加わる水平方向への力と垂直方向への力を判定する。

これにより、高価なフォースセンサー（ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）を用いることなく、エアクッション１１０に印加される力の方向（水平方向および垂直方向）と力の大きさが判定される。

次に、図３を参照して、エアクッション動作感知装置の動作について説明する。

まず、動作を開始すると（Ｓ１０）、制御部２０は、空気圧感知部１１から出力される空気圧感知信号を読み取り（Ｓ１１）、エアクッション１１０の内部の空気圧を判定する（Ｓ１３）。

その後、制御部２０は、温度感知部１３から出力される温度感知信号を読み取り（Ｓ１５）、エアクッション１１０内の温度を判定する（Ｓ１７）。

また、制御部２０は、撮影部１５から出力される映像を読み取り（Ｓ１９）、取得した映像に対するパターン映像処理動作を行う（Ｓ２１）。このとき、ユニバーサルシリアルバス（ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｓｅｒｉａｌ ｂｕｓ）を介して、撮影部１５から制御部２０へ撮影された映像に該当する映像信号が伝送できる。

したがって、パターン映像処理動作によって、制御部２０は、撮影部１５を介して伝送された映像に含まれているノイズ成分を除去し、取得されたカラー映像を黒白（例えば、黒地に白色のパターンが位置する映像）映像（ｂｉｎａｒｙ ｉｍａｇｅ）として処理する二値化処理（ｂｉｎａｒｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を施し、取得された白黒映像信号を用いて、各パターン１１１を撮影した各パターン映像に対する輪郭処理を施してパターン映像の形状を判定する。このとき、各パターン映像に対する輪郭処理はオープン−ＣＶ［Ｏｐｅｎ−ＣＶ（ｏｐｅｎ ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｖｉｓｉｏｎ ｌｉｂｒａｒｙ］のＡＰＩ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を用いて行われることができる。

次に、制御部２０は、各パターン映像に対する中心点を判定し、各パターン映像に対する中心点の座標を取得し、中心点の座標と各パターン映像の形状を用いて各パターンの長軸（ｍａｊｏｒ ａｘｉｓ）の長さと短軸（ｍｉｎｏｒ ａｘｉｓ）の長さを判定するパターン映像処理を行う。

その後、制御部２０は、以前の段階で算出された接触面のデータを用いてＸ方向（すなわち、平面方向）への移動量ΔＸとＹ方向（すなわち、深さ方向）への移動量ΔＹを算出し、エアクッション１１０を押圧するためにエアクッション１１０の上部の外側面に接する指などの圧力印加部との接触面の面積を算出する（Ｓ２３）。

次に、Ｘ方向への移動量ΔＸと垂直方向たるＹ方向への移動量ΔＹを算出する方法を説明する。

図４の（ａ）に示すように、エアクッション１１０に力が垂直方向たるＹ方向に印加されると、エアクッション１１０の表面が押圧され、エアクッション１１０の上部の内側面に位置したパターン１１１の移動が発生する。

これにより、エアクッション１１０の上部の内側面に付着している複数のパターン１１１は、垂直方向に下降して、エアクッション１１０の上部の内側面が受け台１３０の中に位置している撮影部１５側へ移動することになる。

また、エアクッション１１０が伸縮性のゴム材質で構成されているので、印加される圧力によって上部の内側面が伸び、各パターン１１１の位置もエアクッション１１０の縁部側、すなわち、図４の（ｂ）に矢印で示すように四方に移動する。

したがって、エアクッション１１０が押圧される前である初期状態のときに撮影された各パターン１１１の初期映像、すなわち初期パターン映像ＯＩと比較すると、エアクッション１１０が押圧されたときに撮影部１５によって撮影されて表示部３０に表示されるパターン映像ＭＩの大きさは増加し、隣接したパターン映像ＭＩ間の距離も増加する。

また、図５の（ａ）に示すように、エアクッション１１０に印加される力の方向が垂直方向と交差する方向である側面に力が印加されると、エアクッション１１０の上部の内側面に付着している各パターン１１０は、図５の（ｂ）に示した矢印のように力が印加される方向、例えば、左方向、右方向、前進方向および後進方向のうち少なくとも一つの方向に動くとともに垂直方向にも下降する。この場合、やはりエアクッション１１０の表面が伸びるので、各パターン１１１の大きさと隣接パターン１１１間の間隔は初期状態のパターン１１１間の間隔と異なる。

本例において、平面上で、各パターン１１１の位置が左方向、右方向、前進方向および後進方向のいずれかに動くことをＸ方向に移動することとし、このとき、加えられる力の方向と力の大きさはそれぞれ、水平方向に印加される力の方向と力の大きさとする。

これにより、エアクッション１１０の側面に力が加わると、各パターン１１１はＸ方向に移動する。

したがって、初期状態のときに撮影された各初期パターン映像ＯＩと比較すると、側面に力が加わるときに撮影部１５によって取得されて表示部３０に表示されるパターン映像ＭＩの平面上での位置は該当方向に移動し、各パターン映像ＭＩの大きさも増加する。

したがって、制御部２０は、撮影部１５で撮影されたパターン映像を初期パターン映像と比較して、各パターン１１０の移動方向および移動量を判定する。

図６はエアクッション１１０の内側面の実際位置でのパターン１１０の位置と表示部３０（すなわち、映像表示面）に表示されるパターン映像の長軸長との関係を示す。

図６に示したグラフに基づくと、下記数式１のような関係式が得られ、数式１を用いた数式２と数式３に基づいて実際空間（すなわち、エアクッション１１０の内側面）に位置した各パターンのＸ座標の位置Ｘ（ｔ）とＹ座標の位置Ｙ（ｔ）が算出される。

式中、ｄは各パターンの初期直径（すなわち、圧力印加部によってエアクッション１１１の上部面に圧力が加えられていない初期状態のとき、各パターン１１０の直径）であり、ａ（ｔ）は得られた各パターン映像における長軸の大きさであり、Ｌは焦点距離である。

このように、現在の段階で複数のパターン１１１のそれぞれに対するＸ座標の位置Ｘ（ｔ）とＹ座標の位置Ｙ（ｔ）を算出すると、複数のパターン１１１に対するＸ座標の位置Ｘ（ｔ）の平均値と複数のパターン１１１に対するＹ座標の位置Ｘ（ｔ）の平均値を、現在の接触面に対する現在の座標値［Ｘ（ｔ）、Ｙ（ｔ）］として算出する。

その後、現在の座標値［Ｘ（ｔ）、Ｙ（ｔ）］と、以前の段階で算出された接触面に対する以前の座標値［Ｘ（ｔ）’、Ｙ（ｔ）’］との差を算出し、接触面に対するＸ方向とＹ方向への現在移動量ΔＸ、ΔＹ、すなわち、Ｘ座標における座標値の変化量ΔＸとＹ座標における座標値の変化量ΔＹを算出する。

このように、制御部２０は、空気圧感知部１１、温度感知部１３および撮影部１５から出力される信号と映像を用いて現在のエアクッション１１０の状態を判定する。

制御部２０は、格納部（図示せず）を備えており、格納部に、以前の段階で算出された接触面の位置、接触面に対する以前の位置［Ｘ（ｔ）’、Ｙ（ｔ）’］、接触面に対する以前の移動量ΔＸ’、ΔＹ’を格納する。

その後、制御部２０は、各パターン１１１の移動量ΔＸ、ΔＹと各パターン１１１の長軸長および短軸長を用いて、エアクッション１１０の外側面と圧力印加部が接している接触面の面積を算出する。

つまり、エアクッション１１０に圧力印加部５００によってエアクッション１１０が押圧される場合、図７の（ａ）に示すように、圧力印加部５００に位置するエアクッション１１０の部分は撮影部１５と最も隣接して位置する最低部分になり、この最低部分の周辺はバルーン効果によって上方向に上がり、撮影部１５から最も遠くに位置する最高部分になる。

したがって、図７の（ｂ）とエアクッション１１０の内側面に配列されている複数のパターン１１１を側面からみたとき、図７の（ｂ）に示すように、圧力印加部５００の位置した部分が最も低く、圧力印加部５００の周辺部分は山の峰のように立ち上がっている。

また、圧力印加部５００の位置した部分、すなわち、基準位置に存在するパターン１１１の形状は、初期の姿である円形、または円形に近い形状を持っているが、圧力印加部５００の周辺に位置したパターン１１１は、バルーン効果によって円形の形状が楕円形に変わる。

ところが、山の峰状を有する部分は、再度、初期形状である円形に近いパターン１１１の形状を持つようになる。

したがって、基準位置から峰状の部分に行くほど、各楕円比率（すなわち、各パターンにおける短軸長／長軸長）が減少して、峰状の部分に位置したパターンの直前に位置したパターンの楕円比率が最小となれる。

これを基礎として、圧力印加部５００の接触面積は、圧力印加部５００が位置した部分たる基準位置を中心に峰部分に囲まれた部分と概略的に推定することができる。

これにより、本例の場合、圧力印加部５００の接触面積は、基準パターン、すなわち基準位置から最も深く押圧されたパターンを中心に、楕円比率の値［すなわち、各パターンにおける短軸長（ｄ２）／長軸長（ｄ１）］が最も小さい値を持つパターンで形成される部分の面積と推定する。

例えば、図８の（ａ）のような形状にエアクッション１１０の内側面に円形の複数のパターン１１１が位置すると仮定しよう。

このとき、図８の（ａ）のようなパターン形状を有するエアクッション１１０に圧力印加部によってエアクッション１１０が押圧されるとき、撮影部１５で撮影したパターン形状［図８の（ｂ）］において、圧力印加部の位置に基づいて複数のパターン映像のうち基準パターン映像１１１ａが形成されると、この基準パターン映像１１１ａを中心に周辺に位置した複数のパターン映像は楕円形のパターン映像１１１ｂに変わり、このパターン映像１１１ｂの楕円比率値が初期状態（すなわち、円形のパターン映像）より減少することになる。しかしながら、基準パターン映像１１１ａからある程度離間している部分、すなわち峰部分に位置するパターン映像は再び円形に近いパターン映像１１１ｃになるので、これらのパターン映像１１１ｃの楕円比率値はさらに増加することになる。

したがって、制御部２０は、撮影部１５によって撮影された各パターン映像を用いて基準パターン映像１１１ａを定め、この基準パターン映像１１１ａを中心にして最小の楕円比率値を持つ楕円形のパターン映像１１１ｂを定める。このとき、最小の楕円比率値に有効値αを認めて、測定された楕円形のパターン映像１１１ｂの楕円比率値が［最小の楕円比率値±有効値α］で定められた範囲内に存在すると、同じ最小の楕円比率値を持つものとみなす。

その後、楕円形のパターン映像１１１ｂに囲まれている部分［すなわち、図８の（ｂ）における、斜線をつけたパターン映像１１１ｂに囲まれている部分］の面積を測定し、この測定された面積を用いて、圧力印加部とエアクッション１１０との接触面積を算出する。既に説明したように、制御部２０は、各パターン映像１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃに対するＸ座標とＹ座標を知ることができるので、基準パターン映像１１１ａと楕円形のパターン映像１１１ｂとの間の距離ｄ１、ｄ２も測定することができるので、測定された距離を用いて接触面積を算出することができる。

また、測定された面積に補正値を適用して接触面積の信頼度を向上させることができる。このとき、補正値は、実際エアクッション１１０の内側面の面積と、内側面が撮影部１５で撮影されて平面的に表示されるときの実際内側面の面積と、撮影された映像による内側面の面積との差に基づいて算出できる。

しかし、代案的な例において、エアクッション１１０の上部面に熱感知部や接触感知部などの別の感知部を用いて、制御部２０は、圧力印加部とエアクッション１１０との接触面の面積を算出することができる。

このとき、熱感知部は、感知される熱に応じて該当熱感知信号を出力し、熱感知信号の分布を用いて接触面の面積を算出することができ、接触感知部は、力の印加有無に応じて出力信号が変わるセンサーなどを用いて接触感知信号を出力することができる。

上述したように、現在の段階で、接触面の位置、接触面に対する位置［Ｘ（ｔ）、Ｙ（ｔ）］、接触面の移動量（ΔＸ、ΔＹ）が算出されると、制御部２０は、現在算出された接触面の位置、接触面に対する位置［Ｘ（ｔ）、Ｙ（ｔ）］、接触面に対する移動量（ΔＸ、ΔＹ）を以前の接触面の位置、接触面に対する以前の位置［Ｘ（ｔ）’、Ｙ（ｔ）’］、接触面に対する以前の移動量（ΔＸ’、ΔＹ’）として保存する。

このとき、空気圧判定動作および温度感知動作の順序は変更可能であり、接触面の面積判定動作と移動量判定動作の順序も変更可能である。

その後、制御部２０は、判定された空気圧、温度および接触面の面積を用いて、垂直方向に印加される力の大きさを判定する（Ｓ２５）。

図７の（ａ）のように、ユーザーの手などの圧力印加部によりエアクッション１１０に垂直方向への力Ｆｖ（ｔ）が印加されるとき、エアクッション１１０に作用する係数は、図７の（ｂ）などのシリンダーピストンモデル（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｐｉｓｔｏｎ ｍｏｄｅｌ）で表現できる。

図４の（ｂ）に示した物理モデルにパスカル理論（Ｐａｓｃａｌ’ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）とフックの法則（Ｈｏｏｋｅ’ｓ Ｌａｗ）を適用すると、下記数式４と数式５が得られる。

ここで、Ｐａ（ｔ）は、空気圧感知部１１を用いて判定されたエアクッション１１０内の現在の空気圧であり、Ｓａは、エアクッション１１０の下部面積を示すもので、開放された部分を含むエアクッション１１０と透明基板１２０とが接している部分の面積であって定数であり、Ｐｓ（ｔ）は大気圧であり、Ｆ_ｋｏはエアクッション１１０を構成する材質の初期弾性係数（ｉｎｉｔｉａｌ ｅｌａｓｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）であり、Ｋａ（ｔ）は図７の（ｂ）に示されているシリンダーピストンモデルでの仮想弾性係数（ｈｙｐｏｔｈｅｔｉｃａｌ ｅｌａｓｔｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）である。

また、ｈ（ｔ）は、シリンダーピストンモデルでエアクッション１１０の内部の空気圧Ｖａ（ｔ）に応じて変わるエアクッション１１０の仮想的な厚さであり、Ｆｖ（ｔ）はエアクッション１１０の水平方向に印加される力の大きさであり、Ｐ_０はエアクッション１１０を押圧する前に測定されたエアクッション１１００内の初期圧力（すなわち、初期空気圧）である。

数式４に数式５を適用すると、Ｆｖ（ｔ）は下記数式６のとおり表現される。

数式６において、エアクッション１１０の仮想的な厚さｈ（ｔ）は直接算出することが困難なので、エアクッション１１０の仮想的な厚さｈ（ｔ）の値は、エアクッション１１０の下部面積Ｓａとエアクッション１１０の内部の空気圧Ｖａ（ｔ）との関係を用いて、下記数式７のとおり間接的に算出される。

また、数式７において、エアクッション１１０の内部の空気圧Ｖａ（ｔ）は、ボイル・シャルルの法則（Ｂｏｙｌｅ−Ｃｈａｒｌｅｓ’ Ｌａｗ）を用いて数式８を用いて間接的に算出する。

数式８において、Ｔ_０はエアクッション１１０の内部の初期温度値であって、エアクッション１１０が外部からの圧力によって動作する前に温度感知部１３を用いて予め測定された温度であり、Ｔａ（ｔ）は温度感知部１３を用いて判定されたエアクッション１１０内の現在の温度であり、Ｐ_０はエアクッション１１０の内部の初期空気圧であり、Ｖ_０はエアクッション１１０の内部の初期空気体積である。

数式６〜数式８を基礎として、エアクッション１１０に垂直方向に印加される力Ｆｖ（ｔ）は、下記数式９でさらに表現される。

数式８および数式９において、既に説明したように、Ｐａ（ｔ）とＴａ（ｔ）は空気圧感知部１１と温度感知部１３を用いて測定され、Ｐ_０、Ｖ_０、Ｔ_０およびＳ_０も測定される。

しかし、Ｋａ（ｔ）は、時間に応じて変わるパラメータ（ｐａｒａｍｅｔｅｒ）であって、エアクッション１１０をなす材料の伸長力（ｓｔｒｅｔｃｈ ｆｏｒｃｅ）の影響を受ける。このとき、材料の伸長力はエアクッション１１０の内部の空気圧、および圧力印加部とエアクッション１１０の上部との接触面の面積に影響を受ける。

したがって、Ｋａ（ｔ）は、下記数式１０のとおり、エアクッション１１０の内部の空気圧Ｐａ（ｔ）、および圧力印加部との接触面の面積Ｓｈ（ｔ）の関数で表現される。

結果的に、数式１０を用いて、数式９は下記数式１１のとおりさらに表現され、数式１１に基づいて、エアクッション１１０に垂直方向に印加される力Ｆｖ（ｔ）が算出される。

数式１１において、Ｔａ（ｔ）は温度感知部１３を用いて判定されたエアクッション１１０内の温度である。「ｔ」は時間を意味する。

このように、制御部２０は、判定されたエアクッション１１０内の空気圧、温度および接触面の面積を用いて、数式１１に基づいて、エアクッション１１０の垂直方向に印加される力Ｆｖ（ｔ）を測定する。

その後、制御部２０は、エアクッション１１０の水平方向に印加される力Ｆｈ（ｔ）を測定する（Ｓ２７）。

ユーザーの手などによってエアクッション１１０に水平方向への力Ｆｈ（ｔ）が印加されるとき、図８にエアクッション１１０の変化を概略的に示す。

図８に示すように、水平方向にエアクッション１１０に力が加わると、垂直方向に接触部の位置［すなわち、Ｘ座標の位置Ｘ（ｔ）、Ｙ座標の位置Ｙ（ｔ）］が変わり、かつ、水平方向に接触部の位置が変わることになり、以前の状態と比較するとき、水平方向への移動量ΔＹと垂直方向への移動量ΔＹが発生する。

したがって、制御部２０は、現在の段階で判定されたこれらの移動量（ΔＹ、ΔＹ）を用いて、下記数式１２によって、エアクッション１１０に水平方向に印加される力Ｆｈ（ｔ）を算出する。

ここで、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４およびａ５は、エアクッション１１０を構成する材料の弾性を決定する係数であって、定数である。このとき、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４およびａ５は、最小二乗法（ｌｅａｓｔ−ｓｑｕａｒｅｓ ｍｅｔｈｏｄ）で算出され、互いに異なる値を持っている。

このように、制御部２０は、エアクッション１１０が指などで押圧されることにより垂直方向と水平方向に印加される力の大きさを測定して、エアクッション１１０に力が印加される方向と大きさを判定する。

このような段階Ｓ１１〜段階Ｓ２７の動作は定められた時間周期で行われる。よって、制御部２０は、定められた時間周期ごとに空気圧感知部１１の空気圧感知信号、温度感知部１３の温度感知信号、および撮影部１５で撮影された映像を取得し、垂直方向に印加される力Ｆｖ（ｔ）と水平方向に印加される力Ｆｈ（ｔ）を算出する。

このような方式に従って力の印加方向と大きさが判定されるエアクッション１１０は、コンピュータなどのマウス（ｍｏｕｓｅ）のような入力装置の代わりに使用されるか、入力装置の補助装置として使用されるか、或いはロボット（ｒｏｂｏｔ）などの対象物を無線または有線で調整する装置として使用される。

つまり、 表示装置のカーソル（ｃｕｒｓｏｒ）または対象物の動きの方向をエアクッション１１０の力の印加方向を用いて定め、定められた方向に印加される力の大きさに応じて動きの度合いを定めることができる。

このように、エアクッション１１０を用いてカーソルまたは対象物の動作を制御する場合、ユーザーの満足度が向上する。

すなわち、エアクッション１１０の素材が、冷たくて堅い金属やプラスチックなどからなっている代わりに、触感が柔らかく弾力性のあるゴム材質からなっており、その内部は空気で充填されている。

よって、エアクッション１１０を使用する場合、マウス、トラックボール（ｔｒａｃｋｂａｌｌ）、ジョイスティック（ｊｏｙｓｔｉｃｋ）などの入力装置に比べて、肌に触れる触感およびクッション感が向上して使用感が向上する。

また、指を所望の方向に大きく移動または回転させる動作なしで、エアクッション１１０上に位置した指などの動きの方向、動きの度合い、押圧される度合いなどによっても所望の状態にカーソルまたは対象物を制御するので、微細調整が可能であり、ユーザーの疲労感が大幅減少する。

また、本発明の一実施形態に係るエアクッションを、オン（ｏｎ）状態とオフ（ｏｆｆ）状態などの切替スイッチ、または動作量を制御するスイッチとして使用する場合、少ない動きでも所望の装置の動作を精密に駆動するので、ユーザーの疲労感が減少するうえ、制御対象物に対する正確な制御が行われる。

以上で本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、これに限定されるものではなく、以下の請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属するのである。

１１ 空気圧感知部
１３ 温度感知部
１５ 撮影部
２０ 制御部
３０ 表示部

Claims (9)

1. 内部に空気が充填されており、内側面に複数のパターンが配列されているエアクッションと、
   前記エアクッションの内部の空気圧を感知し、該当する空気圧感知信号を出力する空気圧感知部と、
   前記エアクッションの内部の温度を感知し、該当する温度感知信号を出力する温度感知部と、
   前記エアクッションの下部に位置して前記複数のパターンを撮影し、撮影された各パターンに対するパターン映像を出力する撮影部と、
   前記空気圧感知部、前記温度感知部および前記撮影部に接続されており、前記空気圧感知信号を用いて前記エアクッションの内部の空気圧を判定し、前記温度感知信号を用いて前記エアクッションの内部の温度を判定し、撮影された前記パターン映像と初期パターン映像とを比較して前記エアクッションと前記エアクッションの外部に圧力を印加する圧力印加部との接触面の面積、および前記接触面に対するＸ方向とＹ方向への移動量を判定し、判定された前記温度、前記空気圧および前記接触面の面積を用いて、前記エアクッションにＹ方向に印加される力の大きさを判定し、判定された前記接触面の移動量を用いて、前記エアクッションにＸ方向に印加される力の大きさを判定する制御部とを含む、エアクッション動作感知装置。
2. 前記Ｙ方向に印加される力の大きさＦｖ（ｔ）は下記の数式により算出される、請求項１に記載のエアクッション動作感知装置。
   

   

   （式中、Ｐａ（ｔ）は判定されたエアクッションの空気圧であり、Ｐ_０はエアクッションの初期空気圧であり、Ｓａはエアクッションの下部面積であり、Ｋａはシリンダーピストンモデルでの仮想弾性係数であり、Ｓｈ（ｔ）はエアクッションの接触面の面積であり、Ｔａ（ｔ）は判定されたエアクッションの温度である。）
3. 前記エアクッションに位置する熱感知部または接触感知部をさらに含み、
   前記制御部は、前記熱感知部または前記接触感知部から出力される信号を用いて接触面の面積を算出する、請求項１に記載のエアクッション動作感知装置。
4. 前記Ｘ方向に印加される力の大きさＦｈ（ｔ）は下記の数式により算出される、請求項１に記載のエアクッション動作感知装置。
   

   

   （式中、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４およびａ５はエアクッションを構成する材料の弾性を決定する係数としての定数であり、Δｘは水平方向への移動量であり、Δｙは垂直方向への移動量である。）
5. 前記制御部は、
   下記の数式を用いて、各パターンのＸ座標の位置Ｘ（ｔ）とＹ座標の位置Ｙ（ｔ）を算出し、
   前記複数のパターンに対するＸ座標の位置の平均値と複数のパターンに対するＹ座標の位置の平均値を、現在の接触面に対する現在の座標値として算出し、
   現在の座標値と以前の段階で算出された接触面に対する以前の座標値との差を算出し、接触面に対するＸ方向とＹ方向への移動量（ΔＸ、ΔＹ）を算出する、請求項４に記載のエアクッション動作感知装置。
   

   

   （式中、ｄは各パターンの初期直径であり、ａ（ｔ）は得られた各パターンに対するパターン映像における長軸の大きさであり、Ｌは焦点距離である。）
6. エアクッションの内部の空気圧を測定する段階と、
   前記エアクッションの内部の温度を測定する段階と、
   前記エアクッションの内部に配列されている複数のパターンのそれぞれに対するパターン映像を獲得する段階と、
   撮影された前記パターン映像と初期パターン映像とを比較して、前記エアクッションと前記エアクッションの外部に圧力を印加する圧力印加部との接触面の面積、および前記接触面に対するＸ方向とＹ方向への移動量を判定する段階と、
   判定された前記温度、前記空気圧および前記接触面の面積を用いて、前記エアクッションにＹ方向に印加される力の大きさを判定する段階と、
   判定された前記接触面の移動量を用いて、前記エアクッションにＸ方向に印加される力の大きさを判定する段階とを含む、エアクッション動作感知方法。
7. 前記Ｙ方向に印加される力の大きさ判定段階は、下記の数式を用いて、前記Ｙ方向に印加される力の大きさＦｖ（ｔ）を算出する、請求項６に記載のエアクッション動作感知方法。
   

   

   （式中、Ｐａ（ｔ）は判定されたエアクッションの空気圧であり、Ｐ_０はエアクッションの初期空気圧であり、Ｓａはエアクッションの下部面積であり、Ｋａはシリンダーピストンモデルでの仮想弾性係数であり、Ｓｈ（ｔ）はエアクッションの接触面の面積であり、Ｔａ（ｔ）は判定されたエアクッションの温度である。）
8. 前記Ｘ方向に印加される力の大きさ判定段階は、下記の数式を用いて、前記Ｙ方向に印加される力の大きさＦｈ（ｔ）を算出する、請求項６に記載のエアクッション動作感知方法。
   

   

   （式中、ａ_１、ａ_２、ａ_３、ａ_４およびａ_５はエアクッションを構成する材料の弾性を決定する係数としての定数であり、Δｘは水平方向への移動量であり、Δｙは垂直方向への移動量である。）
9. 前記Ｘ方向に印加される力の大きさ判定段階は、下記の数式を用いて、各パターンのＸ座標の位置Ｘ（ｔ）とＹ座標の位置Ｙ（ｔ）を算出する段階と、
   前記複数のパターンに対するＸ座標の位置の平均値と複数のパターンに対するＹ座標の位置の平均値を、現在の接触面に対する現在の座標値として算出する段階と、
   現在の座標値と以前の段階で算出された接触面に対する以前の座標値との差を算出し、接触面に対するＸ方向とＹ方向への移動量（ΔＸ、ΔＹ）を算出する段階とをさらに含む、請求項８に記載のエアクッション動作感知方法。
   

   

   （式中、ｄは各パターンの初期直径であり、ａ（ｔ）は得られた各パターンに対するパターン映像における長軸の大きさであり、Ｌは焦点距離である。）

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