JP2019168247A

JP2019168247A - 触覚センサ

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Publication number: JP2019168247A
Application number: JP2018054266A
Authority: JP
Inventors: 俊輔吉元; Toshisuke Yoshimoto; 嘉宏黒田; Yoshihiro Kuroda; 大城　理; Osamu Oshiro; 理大城
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2019-10-03
Anticipated expiration: 2038-03-22
Also published as: JP7081793B2

Abstract

【課題】接触物の接触を高精度に計測する。【解決手段】本発明による触覚センサ（１００）は、検知部（１１０）と、計測部（１２０）とを備える。検知部（１１０）は、第１導電体（１１２）と第２導電体（１１４）とを有する。第１導電体（１１２）には、複数の電極（１１２ａ）が設けられる。第２導電体（１１４）は第１導電体（１１２）に対向する。計測部（１２０）は、電極（１１２ａ）の電位に基づいて、第１導電体（１１２）および第２導電体（１１４）の少なくとも一方に対する接触物の接触を計測する。【選択図】図１

Description

本発明は、触覚センサに関する。

触覚センサは、接触物の接触した位置および／または接触した力を検出する。これまで、触覚センサには、加圧力に応じてインピーダンスの変化する感圧導電性ゴムが用いられてきた（例えば、特許文献１）。この場合、触覚センサは、加圧力に応じた感圧導電性ゴムのインピーダンスの変化から、接触物の接触した位置および／または接触した力を検出する。

特開２００８−２５６４０１号公報

特許文献１に記載された触覚センサでは、感圧導電性ゴムの電気伝導率の変化に起因してインピーダンスが変化する。しかしながら、一般に、感圧導電性ゴムのインピーダンスの変化は比較的小さいため、触覚センサに対する接触物の接触を高精度には計測できなかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、接触物の接触を高精度に計測可能な触覚センサを提供することにある。

本発明による触覚センサは、検知部と、計測部とを備える。前記検知部は、第１導電体および第２導電体を有する。前記第１導電体には複数の電極が設けられる。前記第２導電体は、前記第１導電体に対向する。前記計測部は、前記電極の電位に基づいて、前記第１導電体および前記第２導電体の少なくとも一方に対する接触物の接触を計測する。

ある実施形態では、前記第１導電体は、前記第２導電体よりも大きく、前記第２導電体は、前記第１導電体の一部の領域に対向して配置される。

ある実施形態では、前記第２導電体は電源と接続される。

ある実施形態では、前記計測部は、電位測定部と、マルチプレクサとを含む。前記電位計測部は、前記電極の電位を測定する。前記マルチプレクサは、前記電極と前記電位測定部との間の接続を順番に切り替える。

ある実施形態では、前記計測部は、前記電極の電位に基づいて前記接触物の接触を計測する信号処理部をさらに含む。

本発明によれば、触覚センサに対する接触物の接触を高精度に計測できる。

本発明による触覚センサの実施形態を示す模式図である。本実施形態の触覚センサが接触物の接触を計測することを説明するための模式図である。（ａ）は、本実施形態の触覚センサおよび表示装置を示す模式図であり、（ｂ）は、触覚センサの計測結果を表示する表示装置の模式図である。（ａ）〜（ｃ）は、検知部に対応するメッシュ要素の生成を説明するための模式図である。本実施形態の触覚センサを示す模式図である。本実施形態の触覚センサにおいて測定された電極電位の時間変化を示すグラフである。本実施形態の触覚センサを示す模式図である。本実施形態の触覚センサにおいて計測された接触位置と押力付与位置との誤差を示すグラフである。本実施形態の触覚センサにおいて接触力に対する接触電位の変化を示すグラフである。（ａ）および（ｂ）は、接触力の決定を説明するための模式的なグラフである。本実施形態の触覚センサにおける検知部の一例を示す模式図である。（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の触覚センサにおける検知部の作製方法を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明による触覚センサの実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。

まず、図１を参照して、本発明による触覚センサ１００の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の触覚センサ１００の模式図である。触覚センサ１００は、接触物による接触を計測する。

触覚センサ１００は、検知部１１０と計測部１２０とを備える。検知部１１０は、検知部１１０に対する接触物の接触を検知する。計測部１２０は、検知部１１０の検知結果に基づいて、検知部１１０に対する接触物の接触を計測する。

ここで、接触物は、特定の電位に保持されていなくてもよい。あるいは、接触物は、特定の電圧に保持された部材であってもよい。例えば、接触物は、接地電位と同じ電位に保持されてもよい。

接触物は、検知部１１０と比較的狭い領域で接触してもよい。例えば、接触物と検知部１１０との接触面積は１ｍｍ²であってもよい。あるいは、接触物は、検知部１１０と比較的広い領域で接触してもよい。例えば、検知部１１０の表面積に対して接触物の接触面積の割合は８０％以上であってもよい。さらには、複数の接触物が検知部１１０と接触してもよい。

接触物が検知部１１０に接触した際に、検知部１１０の少なくとも一部が変形することが好ましい。このため、検知部１１０の少なくとも一部が可撓性を有することが好ましい。

検知部１１０は、第１導電体１１２と第２導電体１１４とを有する。例えば、第１導電体１１２および第２導電体１１４はいずれもシート状である。第１導電体１１２および第２導電体１１４のうちの少なくとも一方は可撓性を有することが好ましい。

第１導電体１１２および第２導電体１１４の電気伝導率は、１０^-5Ｓ／ｍ以上であることが好ましい。例えば、第１導電体１１２および第２導電体１１４の電気伝導率は、１０⁶Ｓ／ｍ以上であってもよく、５×１０⁶Ｓ／ｍ以上であってもよく、１０⁷Ｓ／ｍ以上であってもよい。典型的には、第１導電体１１２および第２導電体１１４は、電気伝導率１０⁸Ｓ／ｍ以下の一般的な材料から形成されることが好ましい。なお、第２導電体１１４の電気伝導率は第１導電体１１２の電気伝導率よりも高いことが好ましい。

第１導電体１１２と第２導電体１１４とは互いに重なるように配置される。なお、図１では、第１導電体１１２および第２導電体１１４のサイズは略等しいが、第１導電体１１２および第２導電体１１４のサイズは異なってもよい。第１導電体１１２の主面のサイズが第２導電体１１４の主面のサイズよりも大きくてもよい。あるいは、第１導電体１１２の主面のサイズが第２導電体１１４の主面のサイズよりも小さくてもよい。

第１導電体１１２には複数の電極１１２ａが設けられる。例えば、電極１１２ａは、第１導電体１１２の外周に沿って設けられることが好ましい。

図１では、第１導電体１１２に３つの電極１１２ａが設けられる。ただし、第１導電体１１２に設けられる電極１１２ａの数は３個以上であることが好ましく、１０個以上であることがさらに好ましい。一方、計測が過度に複雑になることを避けるために、第１導電体１１２に設けられる電極１１２ａの数は１００個以下であることが好ましい。

第２導電体１１４は、電源Ｄと接続される。例えば、電源Ｄは直流電源である。

第２導電体１１４は、第１導電体１１２に対向する。第１導電体１１２および第２導電体１１４は、第１導電体１１２の一方の主面と第２導電体１１４の一方の主面とが互いに向かい合うように配置されることが好ましい。

触覚センサ１００において、接触物は、第１導電体１１２および第２導電体１１４の少なくとも一方と接触する。例えば、接触物は、第１導電体１１２または第２導電体１１４と接触する。あるいは、接触物は、第１導電体１１２および第２導電体１１４の両方と接触する。

例えば、接触物は、人間の体の一部である。典型的には、人間の指が、第１導電体１１２および第２導電体１１４の少なくとも一方と接触する。あるいは、人間の手以外の部分が、第１導電体１１２と第２導電体１１４の少なくとも一方と接触してもよい。あるいは、接触物は、機械（例えば、ロボット）であってもよい。

あるいは、第１導電体１１２または第２導電体１１４は接触物の一部であってもよい。例えば、人間の体の一部が第１導電体１１２または第２導電体１１４となってもよい。

複数の電極１１２ａは、配線１１２ｂを介して計測部１２０と接続する。計測部１２０は、電極１１２ａの電位を測定する。計測部１２０は、複数の電極１１２ａの電位に基づいて接触物の接触を計測する。なお、計測部１２０は、複数の電極１１２ａのすべての電位を測定することが好ましいが、複数の電極１１２ａの一部のみの電位を測定してもよい。

例えば、計測部１２０は、第１導電体１１２および第２導電体１１４の少なくとも一方に対して接触物が接触した位置を計測する。なお、本明細書において、第１導電体１１２および第２導電体１１４の少なくとも一方に対して接触物が接触した位置を接触位置と記載することがある。典型的には、接触物は、第１導電体１１２および第２導電体１１４の重なる領域のうちのいずれかの位置で第１導電体１１２および第２導電体１１４の一方と接触する。

あるいは、計測部１２０は、第１導電体１１２および第２導電体１１４の少なくとも一方に対して接触物が接触した力を計測する。なお、本明細書において、第１導電体１１２および第２導電体１１４の少なくとも一方に対して接触物によって付与される力を接触力と記載することがある。

計測部１２０が電極１１２ａの電位を測定する際に、電極１１２ａの１つは接地されることが好ましい。電極１１２ａの１つを接地することにより、接触物が接触した際の電極１１２ａの電位の変化を大きくできる。ただし、電極のいずれも接地されなくてもよい。例えば、電極の１つは特定の電圧を示す電源に接続されてもよい。

典型的には、検知部１１０が接触物と接触した際に、第１導電体１１２と第２導電体１１４とは互いに接触する。ただし、検知部１１０が接触物と接触した際にも、第１導電体１１２と第２導電体１１４とは互いに接触しなくてもよい。

本実施形態の触覚センサ１００は、スペーサ１３０をさらに備えることが好ましい。スペーサ１３０は、第１導電体１１２と第２導電体１１４との間に配置される。スペーサ１３０により、接触物が接触する前には、第１導電体１１２と第２導電体１１４とは接触しない。スペーサ１３０は絶縁材料から形成される。例えば、スペーサ１３０の電気伝導率は１０^-6Ｓ／ｍ以下である。典型的には、スペーサ１３０は、電気伝導率１０^-18Ｓ／ｍ以上の一般的な材料から形成されることが好ましい。

なお、触覚センサ１００は、スペーサ１３０を備えなくてもよい。例えば、第１導電体１１２および第２導電体１１４のうちの少なくとも一方は、側方から支持されてもよい。あるいは、第１導電体１１２および第２導電体１１４のいずれも特定の位置に固定されなくてもよい。第１導電体１１２と第２導電体１１４とがスペーサ１３０を挟むことなく単純に重ねられた場合でも、接触物が第１導電体１１２および第２導電体１１４のうちの少なくとも一方に接触することにより、電極１１２ａの電位が変更する。

検知部１１０が接触物に接触すると、第１導電体１１２と第２導電体１１４との位置関係が変化し、第１導電体１１２の電極１１２ａの電位が変化する。例えば、検知部１１０に対する接触物の接触位置および／または接触力に応じて第１導電体１１２の電極１１２ａの電位が変化する。計測部１２０が電極１１２ａの電位を測定することにより、検知部１１０に対する接触物の接触を計測できる。

本実施形態の触覚センサ１００によれば、第１導電体１１２と第２導電体１１４との位置関係に応じて接触物の接触を計測する。このため、接触物の接触を高精度に計測できる。このため、本実施形態の触覚センサ１００において、第１導電体１１２および第２導電体１１４は感圧性を有さなくてもよい。ただし、第１導電体１１２および第２導電体１１４が感圧性を有してもよいことは言うまでもない。

図２は、本実施形態の触覚センサ１００が接触物Ｔの接触を計測することを説明するための模式図である。図２に示すように、接触物Ｔが触覚センサ１００の検知部１１０に接触する。ここでは、接触物Ｔは人間の指である。

接触物Ｔが検知部１１０の第２導電体１１４に接触すると、第２導電体１１４が変形し、第２導電体１１４が第１導電体１１２に接触する。これにより、電極１１２ａは第２導電体１１４を介して電源Ｄと電気的に接続し、電極１１２ａの電位が変化する。計測部１２０は、電極１１２ａの電位を測定する。例えば、計測部１２０は、電極１１２ａの電位に基づいて接触位置および／または接触力を計測する。

本実施形態の触覚センサ１００では、電極１１２ａの電位が、対向する第１導電体１１２と第２導電体１１４との位置関係に応じて変化し、計測部１２０は、電極１１２ａの電位に基づいて接触物Ｔの接触を計測する。このため、触覚センサ１００に対する接触物Ｔの接触を高精度に計測できる。例えば、触覚センサ１００は、接触位置だけでなく接触力分布を計測できる。

なお、図１および図２に示した触覚センサ１００では、電極１１２ａの設けられた第１導電体１１２を第２導電体１１４よりも鉛直下方に配置したが、本発明はこれに限定されない。第２導電体１１４を第１導電体１１２よりも鉛直下方に配置してもよい。

また、図１および図２に示した触覚センサ１００では、電源Ｄは、計測部１２０とは別個に配置されたが、本発明はこれに限定されない。電源Ｄは、計測部１２０と一体化されてもよい。

また、図１および図２に示した触覚センサ１００では、電源Ｄは、電極１１２ａの設けられた第１導電体１１２ではなく、第２導電体１１４に接続されたが、本発明はこれに限定されない。電源Ｄは、電極１１２ａの設けられた第１導電体１１２に接続され、第２導電体１１４が接地されてもよい。

なお、触覚センサ１００によって接触物の接触を計測した計測結果は、表示されることが好ましい。例えば、触覚センサ１００の計測結果は、表示装置に表示される。この場合、表示装置２１０は、計測結果として、接触位置および接触力を表示することが好ましい。

図３（ａ）は、本実施形態の触覚センサ１００および表示装置２１０を示す模式図である。表示装置２１０は、触覚センサ１００に接続される。詳細には、表示装置２１０は、触覚センサ１００の計測部１２０と接続する。表示装置２１０は、触覚センサ１００によって接触物の接触を計測した計測結果を表示する。

図３（ｂ）は、触覚センサ１００の計測結果を表示する表示装置２１０を示す模式図である。表示装置２１０は、触覚センサ１００の計測結果を表示する。表示装置２１０は、検知部１１０の画像を表示する。例えば、検知部１１０の画像は、検知部１１０を撮像することによって生成できる。

表示装置２１０は、検知部１１０とともに、検知部１１０と接触物との接触した接触位置Ｔｐを示す画像を表示する。ここでは、接触位置Ｔｐは、検知部１１０のほぼ中央に位置する。

また、表示装置２１０は、検知部１１０および接触位置Ｔｐとともに接触力を示す画像を表示することが好ましい。ここでは、表示装置２１０は、触覚センサ１００上の接触力の大きさに応じて異なる色を付して表示する。したがって、表示装置２１０は、触覚センサ１００の計測結果に基づいて、触覚センサ１００上の接触力分布を表示してもよい。なお、表示装置２１０は、触覚センサ１００の計測結果に基づいて、触覚センサ１００上の電位分布を表示してもよい。

図１および図２を参照して上述したように、触覚センサ１００において、計測部１２０は、電極１１２ａの電位から、接触物と検知部１１０との接触位置および／または接触力を計測できる。計測部１２０は、変換テーブルを用いて、電極１１２ａの電位から接触位置および／または接触力を計測する。

変換テーブルは、シミュレーションによって求められる。変換テーブルは、行列形式で表される。シミュレーションでは、検知部１１０の任意の接触位置において任意の大きさの接触電位が発生したことを入力し、そのときの電極１１２ａの電位を出力する。接触位置および接触電位を示す入力と電極１１２ａの電位を示す出力との関係を利用することで、計測部１２０は、電極１１２ａの電位に基づいて、接触物の接触位置および接触電位を計測できる。

次に、検知部１１０における任意の接触位置において任意の大きさの接触電位を示す入力と、電極１１２ａの電位を示す出力との関係を説明する。

まず、検知部１１０をデータ化する。検知部１１０のデータ化は、検知部１１０を撮像することによって行われてもよい。

ここで、図４を参照して検知部１１０のデータ化を説明する。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、検知部１１０のデータ化を説明するための模式図である。

まず、図４（ａ）に示すように、検知部１１０を用意する。ここで、検知部１１０は、図１および図２に示したように第１導電体１１２と第２導電体１１４とを互いに重ねたものであってもよい。あるいは、検知部１１０として、電極１１２ａの設けられた第１導電体１１２のみを用意してもよい。

次に、図４（ｂ）に示すように、検知部１１０の画像データを生成し、画像データ上で電極１１２ａを特定する。表示装置は、検知部１１０の画像データに基づいて検知部１１０の画像を表示できる。

例えば、検知部１１０を撮像することで検知部１１０の画像データを生成できる。この場合、検知部１１０の撮像は、画像データが電極１１２ａに対応するデータを含むように行われる。なお、撮像は、検知部１１０の第１導電体１１２および第２導電体１１４を重ねた状態で行われてもよい。あるいは、撮像は、第２導電体１１４を重ねることなく第１導電体１１２単体で行われてもよい。

次に、図４（ｃ）に示すように、画像データ上の検知部１１０に複数のメッシュ要素ｍを割り当てる。メッシュ要素ｍは、検知部１１０の画像に対して３次元状に割り当てられる。

その後、シミュレーションにより、検知部１１０の画像に割り当てられたメッシュ要素ｍの任意の位置において任意の大きさの接触電位を入力し、電極１１２ａの電位を出力として求める。なお、上記入力と上記出力との関係は、電位分布の従うラプラス方程式に従って求められる。

電位分布の従うラプラス方程式は式（１）で表される。

ここで、σは電気伝導率を示し、ｕは電位を示す。検知部１１０の形状に基づき、上記式（１）を有限要素法で定式化して連立方程式を構成する。ここでは、検知部１１０に割り当てられた特定のメッシュ要素ｍに特定の入力電位φ_jを入力したと仮定する。この入力電位φ_jから、上記式（１）を有限要素法で解くと、各メッシュ要素ｍの電位を求めることができる。したがって、入力電位φ_jから、検知部１１０の電位分布が求められる。なお、厳密には、各メッシュ要素ｍの電位は、入力電位φ_jだけでなく電極１１２ａのうちの接地される電極に応じて変化する。

本実施形態の触覚センサ１００では、検知部１１０の電極１１２ａの電位が測定される。したがって、ここでは、入力電位φ_jに対して求められた電極１１２ａの出力電位ｕ_iに着目する。ここで、ｊは、画像データ中のメッシュ要素ｍの数を表し、ｉは、電極１１２ａの数と電極１１２ａのうちの接地する電極の数との積を表す。このときの計算結果から、入力電位φ_jに対して出力電位ｕ_iの関係はｉ行ｊ列の行列Ｊで表すことができ、行列Ｊの要素Ｊ_i,jは式（２）のように表すことができる。

式（２）において、Ｍは、電極の数と電圧印加パターンの数との積を表し、Ｋは、メッシュ要素の数を示す。電圧印加パターンは、電極のうちの特定の電極を接地するための電圧を印加するパターンを示す。なお、ここで、式（２）において行列Ｊの要素Ｊ_i,jは、電位ｕおよび入力電位φ_jの関数である一方で、電気伝導率σの関数ではないことに留意されたい。

なお、電極１１２ａのうちのすべての電極を順次接地することが好ましい。例えば、電極１１２ａが１６個の場合、電圧印加パターンの数は１６個であることが好ましい。この場合、検知部１１０の構成が同じであっても、より高精度に計測できる。ただし、電極１１２ａのうちの１つのみの電極を接地してもよい。

上述した式（２）までの説明から、δｕとδφとの関係は、行列Ｊを用いて式（３）のように表すことができる。

ここで、式（３）は入力δφから出力δｕを求める順問題である。このため、式（３）の逆問題となる式（４）を解ければ、出力δｕから入力δφを求めることができる。

しかしながら、行列Ｊは正則ではないため、行列Ｊの逆行列Ｊ^-1を求めることはできない。そこで、逆行列Ｊ^-1に代えて、逆行列Ｊ^-1に近似するティホノフの正則化法を利用する。ティホノフの正則化法によれば、逆行列Ｊ^-1は、式（５）のように書き換え可能であることが知られている。

式（５）において、αは、正則化パラメータである。式（５）を用いると、式（４）は式（６）のように書き換えできる。

なお、式（６）において、Ｑは式（７）または式（８）のように表される。

以上のように、出力δｕから入力δφを求めることができる。なお、ここまでの処理は、シミュレーションで行うことが可能であることに留意されたい。

図１〜図３に示した計測部１２０は、電極１１２ａの電位を測定する。電極１１２ａの電位の測定結果と式（６）とを利用することで、検知部１１０において接触物の接触に伴う接触電位を計測できる。

上述したように、触覚センサ１００は、複数の電極１１２ａのうち接地する電極を時間ごとに切り替えることが好ましい。この場合、計測部１２０は、マルチプレクサを含むことが好ましい。

図５は、本実施形態の触覚センサ１００を示す模式図である。上述したように、触覚センサ１００は、検知部１１０と、計測部１２０とを備える。

検知部１１０は、電極１１２ａの設けられた第１導電体１１２と、第２導電体１１４とを有する。ここでは、第１導電体１１２の端部には、第１導電体１１２の外周に沿って１６個の電極１１２ａが設けられる。また、ここでは、第１導電体１１２は、第２導電体１１４よりも大きく、第２導電体１１４は、第１導電体１１２の一部の領域に対向して配置される。

計測部１２０は、電位測定部１２２と、信号処理部１２４と、マルチプレクサ１２６とを含む。電位測定部１２２は、電極１１２ａの電位を測定する。

信号処理部１２４は、電極１１２ａの電位から接触電位を演算する。典型的には、信号処理部１２４は、プロセッサーを含む。例えば、プロセッサーは、中央処理装置（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ：ＣＰＵ）であり、信号処理部１２４はコンピューターに実装される。

マルチプレクサ１２６は、複数の電極１１２ａおよびグラウンドと接続する。マルチプレクサ１２６は、複数の電極１１２ａとグラウンドとを切り替えて接続する。このため、マルチプレクサ１２６により、複数の電極１１２ａのうち接地する電極を切り替えることができる。

図６は、図５に示した触覚センサ１００において測定された電位の時間変化を示すグラフである。ここでは、１区画ごとに接地される電極が切り替わる。１区画は、例えば、略０．８ミリ秒である。

例えば、時間０秒から略０．８ミリ秒において１番目の電極が接地されると、１番目の電極の電位は略ゼロとなり、２番目の電極〜１６番目の電極は所定の電位を示す。次に、時間略０．８ミリ秒から略１．６ミリ秒になると、２番目の電極の電位は略ゼロとなり、１番目の電極、３番目の電極〜１６番目の電極は所定の電位を示す。接地される電極は略０．８ミリ秒ごとに切り替わり、略１３ミリ秒周期で１番目〜１６番目の電極のすべてが一度接地される。以上のようにして複数の電極１１２ａの電位を測定できる。

なお、図５を参照した上述の説明では、複数の電極１１２ａとグラウンドとの間にマルチプレクサが設けられる一方で、電極１１２ａと信号処理部１２４とは直接接続していたが、本発明はこれに限定されない。電極１１２ａと信号処理部１２４とは直接接続しなくてもよい。

次に、図７を参照して、本実施形態の触覚センサ１００を説明する。図７は、本実施形態の触覚センサ１００の模式図である。図７に示した触覚センサ１００は、計測部１２０が、電位測定部１２２、信号処理部１２４およびマルチプレクサ１２６に加えてマルチプレクサ１２８をさらに含む点を除いて、図５を参照して上述した触覚センサ１００と同様の構成を有している。このため、冗長を避けるために重複する記載を省略する。

計測部１２０は、電位測定部１２２、信号処理部１２４およびマルチプレクサ１２６に加えてマルチプレクサ１２８をさらに含む。マルチプレクサ１２８は、複数の電極１１２ａと電位測定部１２２とを接続する。マルチプレクサ１２８は、アナログデジタル変換回路を介して電位測定部１２２と接続する。

マルチプレクサ１２８は、複数の電極１１２ａと信号処理部１２４とを切り替えて接続する。電位測定部１２２は、時間ごとに順番に複数の電極１１２ａの電位を測定する。このため、マルチプレクサ１２８により、複数の電極１１２ａのうち電位測定部１２２に接続する電極を切り替えることができる。

この場合、電位測定部１２２は、複数の電極１１２ａの電位をそれぞれ時間ごとに測定すればよく、同時に複数の電極１１２ａの電位を測定しなくてもよい。このため、電位測定部１２２には電位測定素子が１つあればよく、電位測定部１２２のコストを低減できる。

ここで、図８を参照して、本実施形態の触覚センサ１００において計測された接触位置と押力付与位置との誤差を説明する。図８は、本実施形態の触覚センサ１００において計測された接触位置と押力付与位置との誤差を示す模式図である。ここでは、検知部１１０の寸法は２０ｍｍ×２０ｍｍであった。また、検知部１１０のうちの２５点に押力を付与した。

図８において、●は、検知部１１０に押力を付与した押力付与位置を示し、×は、本実施形態の触覚センサ１００において計測された接触位置を示す。本実施形態の触覚センサ１００によれば、接触位置と押力付与位置との差は約０．７６ｍｍであった。

なお、一般に、感圧導電性ゴムを用いた触覚センサで接触位置と押力付与位置との差を測定した結果、接触位置と押力付与位置との差は数ミリオーダであることが知られている。このことから、本実施形態の触覚センサ１００によれば、触覚センサ１００に対する接触を高精度に計測できることが示された。

なお、触覚センサ１００は、接触位置だけでなく接触力を計測することが好ましい。上述したように、電極１１２ａの電位から接触電位を計測できる。このため、接触電位と接触力との関係から、電極１１２ａの電位に基づいて接触力を計測できる。

本実施形態の触覚センサ１００は、接触電位から接触力を計測する。計測部１２０（図１から図３）は、変換テーブルを用いて電極１１２ａの電位から接触力を計測できる。

変換テーブルは、電極１１２ａの電位と接触力との関係を示す。変換テーブルは、触覚センサ１００を用いた実験によって求められる。ここでは、接触物として力覚センサを取り付けた金属片を用いた。金属片に付与する押力を０Ｎから１８Ｎまで５回増減させて、電極の電位を測定した。なお、電極の電位は接触電位に変換した。

以下、図９を参照して、接触電位と接触力との関係を説明する。図９は、本実施形態の触覚センサ１００における接触力と接触電位との関係を示すグラフである。

図９では、実験で求めた接触力と接触電位との間の関係を回帰式で表した実線を示している。図９に示すように、接触力が３Ｎ〜１０Ｎである範囲では、接触電位は０．０００５Ｖ〜０．００２５Ｖまで徐々に増加した。一方で、接触力が１０Ｎを超えても、接触電位は略０．００２５Ｖであり、接触電位の変化はほどんど見られなかった。したがって、ここでは、接触電位０．０００５Ｖ〜０．００２Ｖの範囲では、接触力が３Ｎ〜１０Ｎとなることを計測できた。

なお、式（１）〜式（８）を参照して上述したように、電極１１２ａの電位から検知部１１０の電位分布を求めることができる。また、図９を参照して上述したように、検知部１１０の電位分布は接触力に変換できる。ただし、検知部１１０の電位分布を単純に接触力に変換することは好ましくない。

以下に、図１０を参照して、検知部１１０の電位分布からの接触力の決定について説明する。

図１０（ａ）は、検知部１１０の電位を単純に接触力に変換したことを示す模式的なグラフである。検知部１１０の電位は接触電位から滑らかに変化するため、検知部１１０の電位を単純に力に変換してしまうと、検知部１１０に付与された力も、図１０（ａ）に示すように、接触位置から離れるにしたがって滑らかに変化することになる。

一般に、検知部１１０の電位は接触位置から滑らかに変化する。一方で、検知部１１０に付与される力は、接触位置から滑らかに変化するわけではない。検知部１１０に付与される力は、検知部１１０の特定の範囲に付与される。したがって、検知部１１０に付与される力は、閾値を用いて、閾値以下の値はベース値と同じになるように変換して求めることが好ましい。

図１０（ｂ）は、検知部１１０の電位を接触力に変換した後で、閾値を用いて演算処理をした結果を示す模式的なグラフである。図１０（ｂ）に示すように、検知部１１０の電位を単純に力に変換した後で、接触力（ピーク値）から所定の値以下の値をベース値と同じになるように変換することで、実際の押力に相当する接触力分布を得ることができる。なお、所定の値は、例えば、７０％であってもよく、８０％であってもよく、９０％であってもよい。

なお、本実施形態の触覚センサ１００における検知部１１０は種々の形状にで作製してもよい。

図１１は、本実施形態の触覚センサ１００における検知部１１０の一例を示す模式図である。図１１に示すように、複数のスペーサ１３０が、同一方向に平行に配列されてもよい。これにより、接触物が接触する前に第２導電体１１４が第１導電体１１２に接触することを抑制するとともに、接触物の接触に伴って第２導電体１１４が第１導電体１１２に接触するように第２導電体１１４の変形を容易にできる。

なお、図１〜図３および図１１を参照した上述の説明では、第１導電体１１２および第２導電体１１４は平面状であったが、本発明はこれに限定されない。第１導電体１１２および第２導電体１１４の少なくとも一方は曲面状であってもよい。

また、第１導電体１１２および第２導電体１１４のいずれかは、計測対象物に導電性塗料を塗布することで形成されてもよい。さらに、電極１１２ａと第１導電体１１２とは接着剤を介して接着されてもよい。

図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、本実施形態の触覚センサにおける検知部１１０の作製方法を示す模式図である。

まず、図１２（ａ）に示すように、被計測物を用意する。ここでは、被計測物は人間の指の先端を模した部材である。

次に、図１２（ｂ）に示すように、被計測物に導電性塗料を塗布する。例えば、導電性塗料は、樹脂および導電性フィラーを含有する。例えば、樹脂は、エポキシ系樹脂である。また、導電性フィラーは、導電性カーボンまたは金属酸化物を含む。導電性塗料が乾燥すると、導電性塗料は第１導電体１１２になる。

次に、図１２（ｃ）に示すように、第１導電体１１２の端部を囲むように第１導電体１１２に電極１１２ａを取りつける。電極１１２ａは、導電性接着剤を用いて第１導電体１１２に接着される。なお、電極１１２ａは、配線１１２ｂを介して計測部１２０（図１および図２）に接続する。

次に、図１２（ｄ）に示すように、第１導電体１１２の中央部と重なるように第２導電体１１４を接着する。例えば、第２導電体１１４の裏面の外周に沿って接着剤を付与し、第２導電体１１４を第１導電体１１２に貼り付けてもよい。検知部１１０は、図１２（ａ）〜図１２（ｄ）に示すように作製できる。

本実施形態の触覚センサ１００は、種々の用途に適用可能である。例えば、本実施形態の触覚センサ１００は、産業用ロボットのハンドアームに取り付けられてもよい。また、触覚センサ１００は、バーチャルリアリティシステムの触覚検知システムに用いられてもよい。触覚センサ１００は、情報入力装置（例えば、スマートフォンまたはタブレット情報機器）のユーザインターフェースに用いられてもよい。さらには、触覚センサ１００は、義手の先端に取り付けられてもよい。さらに、触覚センサ１００は、ベッドまたは布団に取り付けられ、人間の睡眠状態を検知するために用いられてもよい。

また、本実施形態の触覚センサ１００は、作業者支援システムの圧力検知のために用いられてもよい。また、触覚センサ１００は、製造物または素材の感触評価のために用いられてもよい。

また、触覚センサ１００は、研究用途にも適用できる。例えば、触覚センサ１００は、人間の触覚機能の解析および解明のために利用されてもよい。触覚センサ１００は、医療またはスポーツにおける動作解析のために利用されてもよい。また、触覚センサ１００は、遠隔診断または遠隔手術システムの一部として利用されてもよい。あるいは、触覚センサ１００は、ゲームのコントローラの一部に利用されてもよい。

以上、図面（図１〜図１２）を参照しながら本発明の実施形態について説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施形態として実施することが可能である。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明の形成が可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の個数等は、図面作成の都合から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果を実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本実施形態の触覚センサは、種々の用途に適用可能である。

１００触覚センサ
１１０検知部
１２０計測部

Claims

複数の電極の設けられた第１導電体、および、前記第１導電体に対向する第２導電体を有する検知部と、
前記電極の電位に基づいて、前記第１導電体および前記第２導電体の少なくとも一方に対する接触物の接触を計測する計測部と
を備える、触覚センサ。
前記第１導電体は、前記第２導電体よりも大きく、
前記第２導電体は、前記第１導電体の一部の領域に対向して配置される、請求項１に記載の触覚センサ。
前記第２導電体は電源と接続される、請求項１または２に記載の触覚センサ。
前記計測部は、
前記電極の電位を測定する電位測定部と、
前記電極と前記電位測定部との間の接続を順番に切り替えるマルチプレクサとを含む、請求項１から３のいずれかに記載の触覚センサ。
前記計測部は、前記電極の電位に基づいて前記接触物の接触を計測する信号処理部をさらに含む、請求項４に記載の触覚センサ。