JP6443980B2

JP6443980B2 - 音響式２次元分布触覚センサ

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Publication number: JP6443980B2
Application number: JP2015035200A
Authority: JP
Inventors: 中村　健太郎; 中村　　健太郎; 麻梨江田原; ▲祥▼太小田嶋
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: JP2016156720A

Description

本発明は、導波路を伝搬する音波の音響特性を利用して荷重の分布を検出する音響式２次元分布触覚センサに関する。

特許文献１には、調査対象となる配管路に音波を入射する発音部と、入射した音波の反射波を観測するセンサ部と、センサ部にて得られた反射波信号を分析する分析部とを備える音響式配管調査システムが記載されている。この音響式配管調査システムでは、発音部がタイムストレッチドパルス音波を配管路に入射し、分析部がセンサ部で得られた反射波信号を分析して配管路状態を調査する。

特許文献２には、音波を出力するための信号の周波数を制御する信号発生部と、出力された音波を受音してハウリング現象を発生させるハウリング発生機構と、ハウリング発生機構によってハウリングを発生させて得られる定在波の周波数データと、被測定管に関する温度データを用いて、所定の関係式に基づいて被測定管の長さを計算する測定装置とを有する管長測定システムが記載されている。

特許文献３には、動的圧力波を伝達する管状手段、動的圧力波を放出する手段、動的圧力波を受け取る手段、動的圧力振動を受け取る手段等を備えたパネルの動作を制御する装置が記載されている。この発明の実施形態として、自動車の窓やドアへの指の挟み込みを防止・検出する構成が記載されている。

特許文献４には、音センサの信号に基づく、ケプストラム解析等のノイズ又は音パルスの音響解析により、患者インターフェース内、マスク若しくは呼吸導管内、又は患者呼吸器系内等の閉塞を検出する方法が記載されている。

特許文献５には、コンダクタンスの変化を検出することによって、相中の種の混合物から一つ又は複数の種を検出する検出システムが記載されている。

非特許文献１には、直線状のチューブに入力した音波を周波数分析し、その結果を高速フーリエ変換することにより、荷重が作用した位置を特定することができることが記載されている。また、この文献には、荷重の作用位置に生じる信号強度のピークの大きさとチューブの変形量との関係についても記載されている。

特開２００６−２７５８９０号公報特開２００９−２１６５８５号公報特表２０１０−５３１３９８号公報特表２０１２−５１７３０３号公報特表２０１２−５１９２８６号公報

小田嶋▲祥▼太、水野洋輔、田原麻梨江、中村健太郎、「−管の変形と応答との関係−弾性管の音響特性を利用した分布型荷重センサ（２）」、日本音響学会講演論文集、日本、日本音響学会、２０１４年９月、１２９３ｐ

特許文献１は、管路の分岐や折損の分析に関するもので、管に作用する荷重の２次元的な位置を算出することは記載されていない。

特許文献２は、管長の測定に関するもので、管に作用する荷重の２次元的な位置を算出することは記載されていない。

特許文献３に記載の発明は、自動車の窓やドアへの指の挟み込みを検出して窓等の動作を制御することを主な目的としている。そのため、フレキシブルチューブに変形が生じたことを検出できればよく、特許文献３には変形の生じた位置を特定することは記載されていない。

特許文献４は、気管内チューブ等の閉塞の検出に関するものであり、閉塞の存在、場所、程度を検出できることは記載されているが、チューブに作用する荷重の２次元的な位置を算出することは記載されていない。

特許文献５は、試料混合物の種の検出に関するものである。圧力によるコンダクタンスの変動は上記の目的のためには「適切に回避（特許文献５の段落００３３）」すべきものとされている。そのため、圧力の作用した位置を検出することは記載されていない。

非特許文献１は、導波路となるチューブが直線配置されることを前提としており、変形位置を２次元的に検出することは記載されていない。

このように、各先行技術文献に記載された発明では、音波を伝達させる導波路に変形が生じたこと、あるいは変形が生じた場所の１次元的な位置を検出することができるだけで、２次元的な位置を検出することができなかった。

そこで、本発明は、荷重が作用した位置を２次元的に検出することができる触覚センサを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するために、本発明の触覚センサは、２次元的に配置され、荷重により変形が可能で、音波を伝導する導波路と、導波路の一端付近に設けられ、導波路に音波を入力する音波入力手段と、導波路の一端付近に設けられ、導波路を伝播する音波の波形を電気信号に変換する信号取得手段と、電気信号に高速フーリエ変換を施し荷重の作用位置を２次元的に算出する解析手段とを備えることを特徴とする。

本発明の触覚センサによれば、荷重が作用した位置を２次元的に検出することができる。

触覚センサのブロック図である。触覚センサによる荷重作用位置の検出原理を説明する図である。図３（Ａ）は導波路に入力する白色雑音の例を示す図、図３（Ｂ）は導波路に入力するチャープ信号の例を示す図である。図４（Ａ）は、白色雑音を用いる場合のＤＳＰの構成例を示す図、図４（Ｂ）は、チャープ信号を用いる場合のＤＳＰの構成例を示す図である。入力波と反射波の干渉信号の例を示す図である。マイクロホンへの入力信号をフーリエ変換して得られた、位置と信号強度の関係を示す図である。荷重が２箇所に作用した場合の入力波と反射波の干渉信号の例を示す図である。荷重が２箇所に作用した場合のマイクロホンへの入力信号をフーリエ変換して得られた、位置と信号強度の関係を示す図である。導波路の変形量と応答ピークの関係を説明する図である。図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、基板と導波路の形状の一例を示す図である。図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）に示した基板と導波路の作製方法を説明する図である。図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）は、導波路の一端と変形位置との間の距離から変形位置の２次元的な座標を得る方法を説明する図である。図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、図１３（Ｃ）は、導波路の平面形状の例を示す図である。図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）、図１４（Ｄ）は、導波路の断面形状の例を示す図である。図１４（Ｂ）の導波路の作製方法を説明する図である。図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）、図１６（Ｃ）は基板を省いた触覚センサの構造を説明する図である。図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）、図１７（Ｃ）は触覚センサの応用例を説明する図である。図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）は、分布荷重が作用した場合の、荷重作用位置の検出方法を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本明細書において「音波」は、人間の可聴域の音波と超音波の両方を意味する。また導波路を構成する材料の材質について、「軟質」であるとは、触覚センサが検出しようとする荷重により音波の反射が生じるほど大きく導波路が変形することを意味し、「硬質」であるとは、反射が生じるほど大きくは変形しないことを意味する。

図１は、本発明の一実施形態である触覚センサ１のブロック図である。触覚センサ１はセンサ部１０と回路部２０を備えている。センサ部１０は、基板１１、導波路１２、スピーカ１３（音波入力手段の一例）、マイクロホン１４（信号取得手段の一例）を備えている。回路部２０は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）２１（解析手段の一例）、ディジタルアナログコンバータ（以下「Ｄ／Ａ」という）２２、送信回路２３、受信回路２４、アナログディジタルコンバータ（以下「Ａ／Ｄ」という）２５を備えている。

基板１１は、エラストマーなどからなる板状の部材で、内部に導波路１２が設けられ、たとえば、介護ロボットの手などの被装着物に装着される。基板１１の平面形状は、図１では、長方形としているが、他の形状とすることもできる。基板１１の材質は、音波の吸収率が小さい物質とするのが好ましい。

導波路１２は、基板１０の内部に設けられた管状の部分で、導波路１２の内部には空気等の音波の伝搬媒体となる流体が満たされている。導波路１２は、たとえば図１のＸ方向とＹ方向のように２次元的な広がりを持って基板１１に配置されている。導波路１２は、導波路１２に荷重が作用したときに断面が変形できるように構成されている。

スピーカ１３とマイクロホン１４は導波路１２の一端の近傍に近接して設けられている。スピーカ１３とマイクロホン１４を近接して導波路１２の一端に設けると、回路部２０とスピーカ１３及びマイクロホン１４との間の配線を最短にすることができる。スピーカ１３は、所要の周波数特性を持つ音波を導波路１２に入力することができれば、その形式は問わない。マイクロホン１４も、スピーカ１３により入力された音波と、その反射波の干渉信号を検出し電気信号に変換することができるものであれば、その形式は問わない。

スピーカ１３とマイクロホン１４の配置は図１に示した両者が近接する配置に限定されない。スピーカ１３とマイクロホン１４を間隔をあけて配置することができ、たとえば、スピーカ１３を導波路１２の一端に、マイクロホン１４を他端に配置してもよい。スピーカ１３とマイクロホン１４を導波路の両端に配置すれば、スピーカ１３とマイクロホン１４の間にある僅かな距離の誤差をほぼなくすことができる。この距離の誤差は、あらかじめ取得した信号に基づいて補正をすることにより解決することができる。

ＤＳＰ２１は、スピーカ１３に入力する音波の元となるディジタル信号を生成し、Ｄ／Ａ２２に出力する。また、ＤＳＰ２１は、Ａ／Ｄ２５から入力されたディジタル信号に高速フーリエ変換（以下、「ＦＦＴ」という）を施して距離と信号強度の関係を求める。また、ＤＳＰ２１は、ＦＦＴの結果に現れる信号強度のピークの大きさと、導波路１２の変形量との関係に基づいて、荷重の強度を算出する。ＤＳＰ２１は、解析結果を示すデータを、たとえば表示器２６等の外部機器に出力する。なお、解析手段としては、ＤＳＰ２１の代わりに、あるいはＤＳＰ２１と併用して、パーソナルコンピュータ用のＣＰＵ（Central Processing Unit）等プログラム可能な汎用のプロセッサを用いてもよい。

Ｄ／Ａ２２は、ＤＳＰ２１から入力されたディジタル信号をアナログ信号に変換して送信回路２３に出力する。

送信回路２３は、Ｄ／Ａ２２から入力されたアナログ信号を増幅してスピーカ１３に送信する。送信回路２３とスピーカ１３との間の通信は、無線でも有線でもよい。

受信回路２４は、マイクロホン１４から導波路１２内を伝搬する音波の波形を示すアナログ信号を受信して、これを増幅してＡ／Ｄ２５に出力する。受信回路２４とマイクロホン１４との間の通信は、無線でも有線でもよい。

Ａ／Ｄ２５は、受信回路２４から受信したアナログ信号をディジタル信号に変換してＤＳＰ２１に出力する。

図２は、触覚センサ１による荷重作用位置の検出の原理を説明する図である。図２にその一部を図示し全体の長さがＸ_０である導波路１２の、スピーカ１３とマイクロホン１４が設けられた一端から距離Ｘ_Lの位置に荷重Ｌが作用したとする。導波路１２は荷重Ｌにより変形し、載荷位置で断面積が減少する。スピーカ１３から入力された入力波３０は、図２の左から右に進み、その一部は変形位置３２で反射し反射波３１となって右から左に進む。変形位置の他、入力端とは反対側の端からの反射波(図示しない)も戻って来る。入力波３０と反射波３１を含む反射波の干渉信号はマイクロホン１４で受信され、マイクロホン１４は音圧の変動を電気信号に変換する。干渉信号を受信して得た周波数特性（スペクトル）は電気回路に置き換えた場合の入力端からみた周波数特性を意味する。このスペクトルをＦＦＴ演算することによって、位置応答を得ることができる。

入力波３０は、たとえば図３（Ａ）に示すような白色雑音である。図３（Ａ）の横軸は周波数であり、縦軸は信号強度である。入力波３０の信号強度は、１０ｋＨｚ以下の周波数領域でほぼ一様となっている。入力波３０は、周波数帯域とエネルギーが後述するピークを検出するのに十分大きければよく、白色雑音以外の雑音も用いることができる。また、周波数が時間的に変動するチャープ信号等雑音以外の音波も用いることができる。図３（Ｂ）にチャープ信号の例を示す。図３（Ｂ）の横軸は時間であり、縦軸は周波数である。チャープ信号は、時間に比例して周波数が増加または減少する信号である。たとえば１秒程度の周期で周波数が０Ｈｚから１０ｋＨｚへ直線的に増加する。周波数は、時間に比例する他、対数的に変化する。

図４（Ａ）に入力信号として白色雑音信号を用いた場合の、ＤＳＰ２１の構成例を示す。ＤＳＰ２１は、パラメータ設定部２１ａ、信号発生部２１ｂ、ＦＦＴ演算部２１ｉ、ＦＦＴ演算部２１ｃ、ピーク位置解析部２１ｄ、画像生成部２１ｅを備えている。パラメータ設定部２１ａは、生成する白色雑音信号のサンプリング周波数、時間長、振幅値等のパラメータを設定する。信号発生部２１ｂは、パラメータ設定部２１ａにより設定されたパラメータにしたがって白色雑音信号を発生させ、これをＤ／Ａ２２（図１参照）に出力する。ＦＦＴ演算部２１ｉは、Ａ／Ｄ２５（図１参照）から入力された受信信号に対してＦＦＴ演算を実行し、周波数特性を算出する。ＦＦＴ演算部２１ｃは周波数特性にＦＦＴ演算を施し、位置の関数である信号を算出する。ピーク位置解析部２１ｄは、ＦＦＴ演算部２１ｃによる演算結果を解析し、ピーク位置を求める。画像生成部２１ｅは、ピーク位置を視覚的に示す画像を生成し、表示器２６に出力する。入力信号を白色雑音信号とし、ＤＳＰ２１を図４（Ａ）のように構成すると、時間応答を短くすることができる。

ＦＦＴ演算部２１ｉ、ＦＦＴ演算部２１ｃは、ＬＰＦ（Low-pass filter）、HＰＦ（High-pass filter）等の演算に不要なノイズ成分を除くためのフィルタを含んでいる。また、画像生成部２１ｅはディジタル信号を画面に表示させるためのビデオ信号に変更するためのディジタルスキャンコンバータを含んでいる。

図４（Ｂ）に入力信号としてチャープ信号を用いた場合の、ＤＳＰ２１の構成例を示す。ＤＳＰ２１は、パラメータ設定部２１ｆ、信号発生部２１ｇ、ロックイン（Lock-in）検出器２１ｈ、ＦＦＴ演算部２１ｃ、ピーク位置解析部２１ｄ、画像生成部２１ｅを備えている。パラメータ設定部２１ｆは、生成するチャープ信号の開始周波数、終了周波数、時間長、周波数間隔、振幅値等のパラメータを設定する。信号発生部２１ｇは、パラメータ設定部２１ｆにより設定されたパラメータにしたがってチャープ信号を発生させ、これをＤ／Ａ２２（図１参照）に出力する。また、信号発生部２１ｇは、参照信号をロックイン検出器２１ｈに出力する。ロックイン検出器２１ｈは、Ａ／Ｄ２５（図１参照）と信号発生部２１ｇから出力される参照信号を掛け算し、参照信号と等しい周波数成分の受信信号のみを検出するロックイン検出を行う。ここで、ロックイン検出器２１ｈは、ＬＰＦ（Low-pass filter）を含んでおり、掛け算した信号はＬＰＦを通過する。参照信号と等しい成分のみＬＰＦを通過できる。ＦＦＴ演算部２１ｃ、ピーク位置解析部２１ｄ、画像生成部２１ｅは、図４（Ａ）の場合と同一であるから説明は省略する。入力信号をチャープ信号とし、ＤＳＰ２１を図４（Ｂ）のように構成すると、各周波数でロックイン検出してスペクトルを得るので、微小信号の取得や雑音に対するロバスト性が向上する。

図５に、入力波と反射波の干渉信号の周波数特性の一例を示す。図５で、横軸は周波数、縦軸は信号強度である。

マイクロホン１４への入力信号の音圧をＰ₀、変形位置３２での反射係数をｒとすると、周波数をｆ、音速をｃとしてマイクロホン１４の位置での音圧Ｐのパワースペクトル｜Ｐ｜²は、次の式（１）のように表せる。

このパワースペクトルにＦＦＴを施すことによって、変形位置３２に反射係数ｒに比例した大きさのピークが現れる関数を得ることができる。図６に解析結果の一例を示す。図６の横軸は位置、縦軸は信号強度を示している。変形位置（Ｘ＝Ｘ_L）に明りょうなピークが現れていることが分かる。なお、Ｘ＝Ｘ₀の位置にもピークが現れているのは、導波路１２の他端（マイクロホン１４が設けられている端部と反対側の端部）からの反射波を検出したためである。また、Ｘ＝０付近に大きな値が出ているのは、スピーカ１３とマイクロホン１４の周波数特性のためである。また、導波路１２に複数の荷重が作用し変形位置３２が複数ある場合には、それぞれの変形位置３２にピークが生じる。

触覚センサ１によれば、上記に説明した原理で、荷重が複数個所に作用した場合でも、それぞれの作用位置を検出することができる。図７は荷重が２箇所に作用した場合のマイクロホン１４が受信した信号の周波数特性を示す図である。図８は、この信号をＦＦＴ解析した結果を示す図である。導波路１２の一端からの距離が約７００ｍｍの位置と、約９００ｍｍの位置の２箇所に明りょうなピークが現れ、これらの位置に荷重が作用していることが分かる。

ピーク位置の空間分解能Δｘは、最高周波数をｆ_ｍとすると式（２）のように表せる。したがって、最高周波数を調節することによって、分解能を調整することができる。たとえば、最高周波数が１０ｋＨｚ、音速が３４０ｍ／ｓのとき、空間分解能は１７ｍｍとなる。また、導波路の断面の大きさ（たとえば導波路の断面形状が円管の場合は内径）、長さを調節することによって導波路の総長（入力された音波を伝達することが可能な最大長）を調整することができる。

図９は、導波路１２の変形量と応答ピークの関係を説明する図である。導波路１２の断面形状が円形で、荷重Ｌが上下から作用し断面の高さがｈだけ減少した場合について考える。断面の横方向への伸びを無視できると仮定し、導波路１２の変形していない位置での音響インピーダンスをＺ₁、変形位置３２での音響インピーダンスをＺ₂とすると、適当な比例定数ａによってそれぞれの位置における断面積Ｓ_1、Ｓ₂で、
Ｚ₁＝ａＳ₁、Ｚ₂＝ａＳ₂と表せる。変形位置３２での音圧反射係数ｒは次の式（３）のように断面積を用いて書くことができる。

変形前の円の断面積から変形によって減少した部分の断面積Ｓ’を差し引けば、音波の通る部分の断面積Ｓ_２は、導波路１２の内径Ｒと変形量ｈを用いて次の式（４）のように与えられる。このＳ₂を式（３）に代入すると音圧反射係数ｒを求めることができ、図９の変形位置３２におけるピークの高さは変形量ｈに比例したものとなる。以上のことから、変形位置３２におけるピークの高さから変形量を算出することができ、さらに、導波路１２を形成する部材の剛性と変形量との関係から荷重Ｆの大きさを算出することができる。この荷重Ｆの大きさの算出は、ＤＳＰ２１で行ってもよいし、ＤＳＰ２１からピークの大きさを取得した外部機器で行ってもよい。

図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）は、基板１１と導波路１２の形状の一例を示す図である。基板１１は、合成ゴム等のエラストマーからなる正方形形状の板状部材である。導波路１２は、基板１１の厚さ方向に貫通し、両面が開口した略正方形断面の溝１２ａと、溝１２ａの開口部分を封止するフィルム１５とにより管状に形成されている。フィルム１５は、たとえば合成樹脂等の軟質の材料で構成されている。フィルム１５は荷重が加わった際、荷重が加わった局所的な点以外に、周辺の樹脂がひっぱられてしまう。これによって、荷重位置以外の反射波が原因で位置のピーク位置に誤差が生じる可能性がある。フィルム１５の導波路に接する面に予め切れ目を入れておくことでひっぱりの影響を除去することが可能である。切れ目の形状は例えば格子状である。

導波路１２は、図１０（Ａ）のＹ方向に間隔を空けて配置されＸ方向に沿った４個の直線部１８と、隣接する２個の直線部１８の端部同士を接続する半円形の３個の円弧部１９により２次元に分布する一連の管状部材として構成されている。導波路１２のスピーカ１３とマイクロホン１４（図１参照）が配置されている一端１６は、基板１１の側面に達して開口しており、他端１７は、基板１１の内部に位置し閉塞している。

他端１７は、たとえば基板１１の右側の側面まで伸ばして開口させるようにしてもよいが、この例のように閉塞させた方が、スピーカ１３から入力した音波が外部に漏れず、また、外部から雑音が入りにくいので有利である。また、他端１７を閉塞した場合、図６で説明したように、他端１７の位置にも解析結果にピークが生じる。マイクロホン１４から他端１７までの距離はあらかじめ分かっているので、他端１７の位置に生じるピークを利用して座標算出の精度を高めることができる。

基板１１とフィルム１５は、軟質の材料で構成されているため、導波路１２に基板１１に対して略直角方向の荷重が作用すると、導波路１２の断面が図１０（Ｂ）の左右方向に縮むように変形し断面積が減少する。

導波路１２をこのような構成とすれば、荷重が基板１１のどちらの側の面から作用した場合でも、導波路１２は変形することができ、ＤＳＰ２１により変形位置３２を検出することができる。

図１１は、図１０（Ａ）、（Ｂ）のような構造のセンサ部１０の製造方法を説明する図である。まず、合成ゴム等の軟質の材料で長方形の基板１１を作製する。次に、たとえばカッターで切り取ることにより、基板１１に溝１２ａを設ける。そして、基板１１の両面に、たとえば合成樹脂からなる薄いフィルム１５を接着剤を用いて貼り付ける。なお、この例では、基板１２の両面の全体にフィルム１５を貼り付けているが、溝１２ａを設けた部分にだけ貼り付けてもよい。

上述のように、ＦＦＴ解析の結果から直接得られるのは、マイクロホン１４（すなわち導波路１２の一端１６）から、変形位置３２までの距離である。そのため、何らかの方法で、この距離から変形位置３２の２次元座標を求める必要がある。図１２（Ａ）と図１２（Ｂ）は、あらかじめ対応表を作製しておくことにより、距離から座標を求めるようにした例である。図１２（Ａ）で基板１１の左下の頂点を原点Ｏとして、右が正となるようにｘ軸を、上が正となるようにｙ軸を設定する。そして、導波路１２の任意の位置に複数の測定点を設定する。ここでは、図１２（Ａ）のＰ１〜Ｐ１１で示したように、１１個の測定点を設定している。

メジャー等を用いて各測定点の一端１６から導波路１２の平面形状に沿って測った距離Ｌ、ｘ座標、ｙ座標を測定し、図１２（Ｂ）のような表を作製しておく。表は、電子的なデータとしてＤＳＰ２１に入力し、ＤＳＰ２１で距離Ｌからｘ、ｙ座標を算出できるようにしておくとよい。測定点の間隔を所望の精度に応じて十分小さく設定すれば、ＦＦＴ解析の結果求められたピークの位置（図２のＸ_Ｌ）にＬが最も近い測定点の座標を、変形位置３２の座標とすることができる。あるいは、２つの測定点の座標から補間して変形位置３２の座標を求めてもよい。また、導波路１２の平面形状が単純な場合には、表によらず、座標をＬの関数としてＤＳＰ２１で算出するようにしてもよい。

図１０（Ａ）に示した導波路１２の平面形状は一例であり、他の様々な形状を採用することができる。導波路１２の平面形状の例を図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、図１３（Ｃ）に示す。

図１３（Ａ）は、導波路１２の平面形状を折れ線状とした例である。このようにすると、導波路１２に曲線部がなく作製が容易となる。欠点としては、導波路の１２の屈曲部３３でも音波の反射が生じ、ＦＦＴ解析の結果で屈曲部３３の位置にもピークが生じることが挙げられる。しかし、屈曲部３３の位置はあらかじめ分かっているので、これを変形点の座標算出に利用し、座標算出の精度を高めることもできる。

図１３（Ｂ）は、導波路１２の平面形状を渦巻き状とした例である。導波路１２は全長にわたって湾曲しているが、図１３（Ａ）の例のように方向が不連続に変化する部分がなく、また、図１３（Ａ）の例に比べて曲げ半径が大きくなっている。そのため、他端部１７と変形位置３２以外での反射の影響をほとんど取り除くことができる。また、図１３（Ａ）の形状に比べて、導波路１２を密に配置することができ、座標を精度よく算出することができる。

図１３（Ｃ）は、導波路１２の平面形状を、直角に屈曲しながら基板１１の外側から中心部に向かって巻き込んでいく形状とした例である。図１３（Ａ）の場合と同様に、曲線部がなく作製が容易であることが利点である。また、図１３（Ｂ）の場合と同様に、導波路１２を密に配置することができる利点もある。屈曲部３４で音波の反射が生じることが欠点であるが、これは、図１３（Ａ）の場合と同様に、座標算出の精度を高めるために利用しうるものである。

図１０（Ｂ）に示した導波路１２の断面形状は一例であり、他の様々な形状を採用することができる。導波路１２の断面形状の例を図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）、図１４（Ｄ）に示す。

図１４（Ａ）は、図１０（Ｂ）と同様に、軟質の材料からなる基板１１に長方形断面で上下が開口している溝１２ａを設けてある。溝１２ａの荷重Ｆが作用する側の開口面には、図１０（Ｂ）と同様に、フィルム１５を貼り付けてある。溝１２ａの荷重Ｆが作用する側と反対側の開口面には、硬質の材料からなる板状部材４０を貼り付けてある。このような構成とすることによって、センサ部１０に剛性を持たせることができる。荷重の作用する面が決まっている場合には、このような構成としても導波路１２の断面形状は荷重によって変形することができる。

図１４（Ｂ）は、導波路１２の断面形状を半円形とした例である。軟質の材料からなる基板１１に荷重Ｆの作用する側の面が開口し、他方の面は開口していない半円形断面の溝１２ａを設け、開口面はフィルム１５で封止している。このような形状の場合、基板１１を硬質の材料とし、フィルム１５の変形によって導波路１２の断面形状が変化するように構成してもよい。

図１５は、図１４（Ｂ）のような導波路１２を作製する方法を説明する図である。基板１１の形状に合わせた皿状の型５０を用意する。次に、型５０の底面に断面が半円形状の突起５１を導波路１２の平面形状に合わせて固定する。そして、型枠に基板１１の材料、たとえばシリコン樹脂５２を流し込む。シリコン樹脂が硬化したら、型５０を取り外し、基板１１の図１５では下側となっている面にフィルム１５を接着剤により貼り付ける。このような方法によれば、基板の一部を切り取って溝を形成する方法に比べて容易に導波路を形成することができる。

図１４（Ｃ）は、基板１１に円管４２を埋設して導波路１２を形成した例である。基板１１に長方形断面の溝４１を設け、外径が溝４１の高さとほぼ等しい円管４２を溝４１の中に配置する。そして、軟質の充填材４３を溝４１と円管４２の間の空間に充填して円管４２を埋設する。この場合、基板１１は硬質の材料としても良く、少なくとも円管１２と充填材４３は軟質の材料とし、円管４２と充填材４３が変形することにより、導波路１２が変形する。基板１１を硬質の材料とすれば、センサ部１０に剛性を持たせることができる。

図１４（Ｄ）も基板１１に円管４４を埋設して導波路１２を形成した例である。図１４（Ｃ）とは異なり、基板１１に溝を設けることなく基板１１の厚さより外径が僅かに小さい円管４４を埋設している。この場合、基板１１、円管４４ともに軟質の材料で構成、荷重Ｌが作用したときに基板１１と円管４４がともに変形することにより導波路１２が変形するようにする。また、荷重Ｆは図の上側、下側のいずれの方向から作用してもよい。このようにすれば、図１５で説明したのと同じ要領で容易にセンサ部１０を作製することができる。

これらの例のように、センサ部１０が基板１１を備え、導波路１２を基板１１の内部に設けるようにすれば、導波路１２の平面形状を容易に保持することができる。また、センサ１の被装着物の性質や荷重の大きさに応じて、センサ部１０の形状や柔軟性を容易に調整することができる。

ここまでは、導波路１２が基板１１の内部に設けられる構成について説明したが、図１６（Ａ）に示すように、基板１１を省いて触覚センサ１を構成することもできる。所定の平面形状に加工した円管４５を、被装着物５３上に設置し、円管４５の内部の空間を導波路１２としている。円管４５と被装着物５３は、必要に応じて接着剤等により固定する。円管４５の被装着物５３と接触していない側から荷重Ｆが作用すると、円管４５は図の上下方向につぶれるように変形し導波路１２の断面積が変化する。

図１６（Ａ）のような構成とした場合、荷重Ｆの大きさと円管４５の強度との関係によっては、円管４５の変形が大きくなりすぎ導波路１２が閉塞してしまうおそれがある。導波路１２が閉塞すると、スピーカ１３から見て閉塞した位置よりも遠い部分には音波が到達しなくなり、そのような部分では荷重Ｆの検出ができなくなってしまう。図１６（Ｂ）は、導波路１２の閉塞を防止するために変形制限部材４６を設けた例である。この例では、変形制限部材４６は円形断面の棒状部材で、その被装着物５３側の端部（図１６（Ｂ）では下端）が円管４５の内面の被装着物５２側の端部に当接するように、円管４５の内部に配置されている。変形制限部材４６の材質は硬質のものとしている。円管４５の内面と変形制限部材４６の間の空間が導波路１２となっている。

図１６（Ｃ）は、荷重Ｆが大きく、円管４５が大きく変形した状態を示す図である。円管１２は上下方向につぶれるように変形し、円管４５の内面の上端と変形制限部材４６の上端が当接する状態となっている。しかし、変形制限部材４６は硬質の材料で構成されているため、円管４５がこの状態より大きく変形することはなく、変形制限部材４６の左右には導波路１２となる空間が残されている。

なお、図１０（Ａ）等に示した基板１１を有する構成の場合も、導波路１２が荷重Ｆにより閉塞するおそれがある場合は、変形制限部材を設けるとよい。

触覚センサ１では、スピーカ１３により導波路１２に音波を入力し、マイクロホン１４により入力波と反射波の干渉信号の音圧を電気信号に変換する。ＤＳＰ２１は、この電気信号にＦＦＴを施すことにより解析し音波の反射する位置、すなわち荷重が作用し導波路１２の断面形状が変化した位置のマイクロホン１４からの距離を求める。導波路１２は２次元的に配置されているので、上記の距離から荷重が作用した位置の２次元座標を求めることができる。

触覚センサの応用例として、人型の介護ロボットに適用した例について説明する。図１７（Ａ）は、触覚センサ１のセンサ部１０の形状図である。介護ロボットの手の部分における荷重の分布を測定するために、人間の手の形状に合わせた形状としてある。基板１１の材質は、被介護者の体に触れることがあるので柔らかいシリコン樹脂としてある。

導波路１２は、基板１１の親指の部分（図１７（Ａ）のａ部）に設けられている。図１７（Ｂ）は、ａ部の拡大図である。導波路１２の平面形状は、波形としてあり親指の幅方向及び長さ方向のほぼ全域にわたって２次元的に分布するように配置されている。導波路１２の構成は図１４（Ｂ）で説明したものと同様に、基板１１に荷重が作用する側が開口した半円形断面の溝を設け、開口面をフィルムで封止した構造としてある。導波路１２の幅は１ｍｍ程度とし、基板１１の厚さも１ｍｍ程度としてある。

スピーカ１３とマイクロホン１４は、導波路１２の親指の付け根側の端部に設けてある。導波路１２の他端は親指の先端付近に位置し閉塞されている。スピーカ１３とマイクロホン１４は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスにより作製されるシリコン製の超小型の静電容量型のものを採用している。

回路部２０は、介護ロボットの任意の場所に配置し、有線または無線でセンサ部１０と通信するように構成する。回路部２０による解析結果は、たとえば表示器２６等の外部装置に出力する。図１７（Ｃ）は、解析結果の利用例を示す図である。液晶ディスプレイ装置等の表示器２６に手の形の画像を表示し、載荷位置５３をたとえば他の部分と色を変えることにより示し、リアルタイムで表示している。

この例では、センサ部１０を金属をまったく使用せずシリコン樹脂により作製している。そのため、センサ部１０は、介護ロボットの手に動きに追随してスムーズに変形することができる。また、被介護者の体に触れても不快感を与えたり、けがをさせたりすることがない。

ここまで、作用する領域が点とみなせる集中荷重が作用した場合について説明した。触覚センサ１によれば、たとえば、ベッドに人が寝た場合のように、作用する領域が面的に広がる分布荷重が作用した場合も作用位置を検出することができる。図１８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、分布荷重の検出方法を模式的に説明する図である。図１８（Ａ）に示すように、導波路１２の内部に所定の間隔を空けて複数の突起６１を設けておく。突起６１の部分で音波の反射が生じるので、荷重が作用しない状態でも、位置と信号強度の関係は図１８（Ｂ）に示すように、各突起６１の位置にピーク６２が生じる。図１８（Ａ）に示すように、中央付近に分布荷重Ｌが作用した場合の位置と信号強度との関係を図１８（Ｃ）に示す。他の部分よりも大きなピーク６３が現れている範囲に荷重が作用していることが分かる。

触覚センサ１の他の応用例としては、ベッドや椅子に取り付け、人がそれらを使用し始めたことや、位置や姿勢の変化を検出することを挙げることができる。その他、ドアへの物や人体の挟み込み検出、工作機の挟み検出、義手や義足の接続部の圧力分布検出、靴等における足による圧力分布の検出等にも応用することができる。用途に応じて、導波路の断面形状、導波路の断面積、導波路の長さ、入力信号の周波数等を適切に設定する。

１触覚センサ
１０センサ部
１１基板
１２導波路
１３スピーカ（音波入力手段）
１４マイクロホン（信号取得手段）
２０回路部
２１ＤＳＰ（解析手段）
２２Ｄ／Ａ
２３送信回路
２４受信回路
２５Ａ／Ｄ

Claims

２次元的に配置され、荷重により変形が可能で、音波を伝導する導波路と、
上記導波路の一端付近に設けられ、上記導波路に音波を入力する音波入力手段と、
上記導波路の上記一端付近に設けられ、上記導波路を伝播する音波の波形を電気信号に変換する信号取得手段と、
上記電気信号に高速フーリエ変換を施し上記荷重の作用位置を２次元的に算出する解析手段とを備えた音響式２次元分布触覚センサ。
基板を備え、上記導波路は上記基板内に設けられることを特徴とする請求項１に記載の音響式２次元分布触覚センサ。
上記基板はエラストマーからなることを特徴とする請求項２に記載の音響式２次元分布触覚センサ。
上記導波路は、上記基板に設けられ上記基板の一方または両方の面に開口部を有する溝と、上記開口部を封止する封止部材により形成されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の音響式２次元分布触覚センサ。
上記導波路は、上記基板に埋設された管状部材により形成されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の音響式２次元分布触覚センサ。
上記導波路の荷重作用位置が過度に変形し上記導波路が閉塞するのを防止する変形制限部材を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の音響式２次元分布触覚センサ。
上記導波路の上記音波入力手段と上記信号取得手段が設けられていない側の端部は閉塞していることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の音響式２次元分布触覚センサ。
上記解析手段は、上記導波路に設定した複数の測定点について、上記一端から上記測定点までの距離と２次元座標をあらかじめ対応づけて記憶した表に基づいて、上記荷重の作用位置の２次元座標を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の音響式２次元分布触覚センサ。
上記解析手段は、上記高速フーリエ変換の結果に現れる信号強度のピークの大きさと、上記導波路の変形量との関係に基づいて、上記荷重の強度を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の音響式２次元分布触覚センサ。