JP7374188B2 - 触覚センサ、それを用いた触覚刺激検知方法、ロボット皮膚、及びそれを含むロボット - Google Patents
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Description
図1~図4は、本発明の一態様による触覚センサ(100)の様々な実施形態を概略的に示す図である。図1は、実施例1に係る触覚センサ(100)を示す模式図である。
マイクロホンは、上記の周波数帯を受信することができるので、タップ、ラビング、スイープ、スクラッチ、ティックリング、スラッピングなどの振動に基づいて、より効果的に触覚刺激を検出することができる。
Iiは、i番目のマイクロホンが受信する前記振動信号の理論強度であり、
Ioは、信号源から発生する振動の強さであり、
giは、i番目のマイクロホンのゲインファクターであり、
xは、信号源の位置であり、
xiは、i番目のマイクロホンの位置であり、
^ioiは、i番目のマイクロホンで測定した振動信号の強度から計算した、信号源の振動信号の強度であり、
^iojは、j番目のマイクロホンで測定した振動信号の強度から計算した、信号源での振動信号の強度であり、
^iiは、i番目のマイクロホンで測定した振動信号の強度であり、
εij(x)は、: i番目及びj番目のマイクロホンでそれぞれ算出された信号源強度の差分(誤差)であり、
xEは、「エネルギ減衰モデル」を用いて推定した接触点の位置である。
FE(x)は、 ガウス分布に従ったセンサ位置による接触点の相対的存在確率、
σEは、「エネルギ減衰モデル」の誤差を補正するためのガウス分布の標準偏差である。
・外部から印加される触覚刺激の受信すること
・受信した触覚刺激から気体の振動を発生させ、マイクロホン部材によって気体の振動を受信すること
まず、外部から印加される触覚刺激を受けるステップを行うことができる。このステップは、触覚センサの入力層によって行うことができる。このとき、触覚刺激は、振動に基づく触覚刺激であり、タッピング、ラビング、スイーピング、スクラッチング、ティックリング、スラッピング、ストローキング、及びパッティングからなる群から選択することができる。
このステップは、触覚センサの中間層によって実行することができる。触覚刺激検知方法は、触覚センサの媒体層に含まれる気体が振動により触覚刺激を伝達することにより特徴付けられる。このとき、気体は、振動を伝えることができる様々な種類の気体であり得、好ましくは空気とすることができる。
触覚センサは、図15に示すように、アクリル基板に7個のマイクロホンを挿入し、多孔質メッシュと、基板上の一面に複数の突起が形成されたPDMSとを順次配置して形成した(図15参照)。このとき、7本のマイクロホンの各々を制御部に接続し、制御部により決定された接触点の位置をディスプレイ上に出力するように設定した。図14に示すように、制御部は、図9に示すような振動強度を用いた接触点逆推定法と、図13に示すような時間差を用いた接触点逆推定法とを統合して、接触点を逆推定した。
触覚センサは実施例1と同様の形態で形成したが、図9に示すような振動強度を用いた接触点逆推定法を用いて、接触点の位置を逆推定するよう制御部を変更した。
触覚センサは、実施例1と同様の形態で形成したが、図13に示すような時間差を用いた接触点逆推定法を用いて、接触点の位置を逆推定するよう制御部を変更した。
触覚センサは、図16に示すように、曲率及び弾性を有する人間の背中の模型の上に7つのマイクロホンを固定し、多孔質メッシュと、一面に複数の突起が形成されたPDMSとを順次配置して形成した。このとき、7個のマイクロホンの各々は、「エネルギ減衰モデル」と「TDOA」方法を統合して、接触点の位置と種類を決定する制御部に接続され、制御部によって決定された接触点の位置がディスプレイ上に出力されるように設定された。
(触覚センサの構造)
図18Aに示すように、7つのマイクロホンをアクリル基板に挿入した。具体的には、辺の長さが12cmの立方体の頂点に6つのマイクロホンを配置し、立方体の中心に1つのマイクロホンを配置した。このとき、マイクとしては、直径4.6mm、高さ2.2mmのCMEJ-4622-25-L082(CUI Devices、USA)を用いた。
7本のマイクロホンをそれぞれコントロールユニットに接続し、コントロールユニットで決定した接触点の位置をディスプレイに出力するように設定した。このとき、制御部は、触覚情報を、図19に示すように、次のように処理した。図19において、Xiはi番目のマイクロホンの周波数信号を表し、XMは最大値を示すマイクロホンの生信号を表している。
触覚センサは、実施例5のアクリル基板の代わりに、曲率及び弾性を有する人間の背中の模型上に形成したこと以外は、実施例5と同様にして形成した。
実施例1及び4で調製した触覚センサの入力層上の任意の位置に触覚刺激を印加した後、ディスプレイから出力される結果を図15及び図16に示す。図15及び図16に示すように、本発明の触覚センサは、分布マイクロホンを用いて触覚刺激を効果的に検出することができた。
本発明の触覚センサの触覚刺激検知性能を確認するために、実施例1~3で作製した触覚センサについて、以下の実験を行った。
まず、実施例1~3の触覚センサについて、図17(A)に示す24点の各々についてタッピングを50回行った。
検出誤差及び標準偏差は、触覚刺激によって生成された1200データを24点の実際の位置値(真値)と比較することによって計算され、その結果は、以下の表1に示される。
(1)スペクトログラムを用いた触覚刺激の分類
本発明の触覚センサの触覚刺激分類性能を確認するために、実施例5で作製した触覚センサに、表5及び図20に示す5つの触覚刺激を印加し、スペクトログラムを計算することにより、触覚刺激の種類に応じて異なるパターンを有する信号の時間情報を可視化した。その結果を図21に示す。このとき、ハニング窓を長さ方向に128のステップでスライドさせることで、約328ミリ秒に相当する214個の全てのサンプルにおいてスペクトログラムを計算した。同一サイズの高速フーリエ変換(FFT)を各窓で行い、デシベルスケールで表した。得られたスペクトログラムのサイズは64×129×1であり、これはグレースケール矩形画像と同じであった。
スペクトログラムを通してパッティングとスクラッチングとを容易に区別することができるが、スクラッチングとストローキングとを区別することは困難である。そこで、触覚刺激をより正確に分類するために、畳み込みニューラルネットワークを用いて、実施例5、6の各触覚センサで受信した触覚刺激を用いて、以下の方法を処理した。人工ニューラルネットワークによって分類された触覚刺激の分類精度を計算し、その結果を図23及び24に示した。
Claims (18)
- 外部の触覚刺激を受け取るための入力層と、
マイクロホン部材と、
前記入力層と前記マイクロホン部材との間に配置され、かつ前記触覚刺激による振動を伝達するために内部に気体を含む媒体層と、
前記マイクロホン部材に電気的に接続されると共に、前記触覚刺激が印加される位置及び前記触覚刺激の種類のうちの少なくとも1つを決定するための制御部と
を備える触覚センサ。 - 前記媒体層の体積を維持するために配置された支持部材をさらに含む、請求項1に記載の触覚センサ。
- 前記支持部材は、多孔質構造を有するメッシュ構造体であることを特徴とする請求項2に記載の触覚センサ。
- 前記入力層は、前記外部の触覚刺激が印加される一方の面に形成された突起を有することを特徴とする請求項1に記載の触覚センサ。
- 前記触覚センサは、基板を更に含み、前記マイクロホン部材は、前記基板上に配置されることを特徴とする請求項1に記載の触覚センサ。
- 前記マイクロホン部材は、離間された少なくとも2つのマイクロホンを含む、請求項1に記載の触覚センサ。
- 前記制御部は、前記マイクロホン部材により受信された前記振動の強度及び到達時間のうちの少なくとも1つを解析することにより、前記触覚刺激の位置を決定する
ことを特徴とする請求項1に記載の触覚センサ。 - 前記制御部は、前記マイクロホン部材が機械学習を用いて受け取った振動の波形を解析することにより、前記触覚刺激の種類を判定することを特徴とする、請求項1に記載の触覚センサ。
- 前記制御部によって決定された前記触覚刺激の位置及び前記触覚刺激の種類のうちの少なくとも1つを出力する出力ユニットをさらに含む、請求項1に記載の触覚センサ。
- 前記媒体層内の気体は空気であることを特徴とする請求項1に記載の触覚センサ。
- 前記触覚刺激は、タッピング、ラビング、スイーピング、スクラッチング、及びティックリングからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項1に記載の触覚センサ。
- 外部から印加される触覚刺激を受信することと、
受信した前記触覚刺激から気体の振動を発生させ、
前記マイクロホン部材によって前記気体の振動を受信すること
を含む、請求項1に記載の触覚センサを使用する触覚刺激検知方法。 - 前記マイクロホン部材は、間隔を置いて配置された少なくとも2つのマイクロホンを含む、請求項12に記載の触覚刺激検知方法。
- 前記マイクロホン部材によって前記気体の振動を受信するステップの後に、前記マイクロホン部材によって受信された前記振動の強度及び到着時間のうちの少なくとも1つを分析することによって、前記触覚刺激の位置を決定するステップをさらに含む、請求項12に記載の触覚刺激検知方法。
- 前記マイクロホン部材によって前記気体の振動を受信するステップの後に、前記マイクロホン部材によって受信された振動の波形を分析することによって、前記触覚刺激の種類を決定するステップをさらに含む、請求項12に記載の触覚刺激検知方法。
- 請求項1に記載の触覚センサを備えるロボット皮膚。
- 前記触覚センサの前記マイクロホン部材は、前記ロボット皮膚上に配置される、請求項16に記載のロボット皮膚。
- 請求項16に記載のロボット皮膚を含むロボット。
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