JPH11166841A

JPH11166841A - 感覚情報取得装置

Info

Publication number: JPH11166841A
Application number: JP33680897A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hayakawa; 健早川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-12-08
Filing date: 1997-12-08
Publication date: 1999-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化、省スペース化に適した感覚情報取得
装置を提供するとともに、微細領域における検出精度の
向上を図る。【解決手段】感覚情報取得装置において、刺激を認識
するための認識手段１を、収容部３、信号源４、検出部
５で構成する。収容部３内には刺激（圧力、熱、紫外
線）によって物理的性質が変化する流体２を封入して、
信号源４から流体２に光信号や電気信号を供給したとき
の流体２の光学的（光透過率や色彩等）又は電気的変化
（静電容量等）を検出部５によって検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力や熱等の刺激
を微細な領域について検出するための技術に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ロボットのマニピュレータや義肢等にお
いては、人間の手の触感に類似した感覚を取得するため
の感覚情報取得装置を付設することによって、マニピュ
レータ等の握力を微妙に調整して対象物を掴むといった
動作が要求される。

【０００３】そのためには、圧力や温度等を認識するた
めの部位に各種のセンサを取り付けて、当該部位の全面
にかかる圧力等を検出する必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
センサにあっては、そのサイズが比較的大きいものが多
いために設置数が限られたり、あるいはその取付スペー
スを充分に確保する必要があり、また、微細な範囲につ
いての検出を行うのが難しいといった問題がある。

【０００５】例えば、圧力センサによる検出信号に基づ
いてマニピュレータ等を制御し、対象物を掴む動作を行
う場合に、圧力センサのサイズが大きいとその設置場所
に限界が生じるため、該対象物を掴んだ感触を人間の手
のように繊細に把握することが困難となる。

【０００６】また、針の先ほどの領域にかかる圧力や該
領域の温度等を、人間の皮膚の痛点や温点等のように精
度良く検出することが困難である。

【０００７】そこで、本発明は、小型化、省スペース化
に適した感覚情報取得装置を提供すること及び微細な領
域における検出精度の向上を図ることを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した課題を
解決するために、刺激によって物理的性質が変化する流
体を収容する収容部と、該収容部内の流体に光信号若し
くは電気信号を供給するための信号源と、刺激に応じた
流体の光学的若しくは電気的変化を検出する検出部とを
備えた識別手段を用いて感覚情報取得装置を構成したも
のである。

【０００９】従って、本発明によれば、収容部内の流体
の物理的性質を利用して刺激に応じた流体の変化を検出
することによって比較的少量の流体であっても刺激の度
合を鋭敏に識別することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明感覚情報取得装置に
おける認識手段の基本構成を示すものであり、認識手段
１は、刺激によって物理的性質（光学的、電気的性質
等）が変化する流体（液体や流動体等）２を収容する収
容部３と、該収容部３に光信号若しくは電気信号を供給
するための信号源４と、刺激に応じた流体２の光学的又
は電気的変化を検出するための検出部５とを備えてい
る。

【００１１】ここで、刺激として、例えば、圧力、熱、
紫外線が挙げられる、また、光学的な変化としては、光
の強度や波長等の変化が含まれ、電気的変化には静電容
量やインダクタンス、抵抗あるいはインピーダンス等の
変化が含まれる。

【００１２】図２は感覚情報取得装置において圧力を認
識するための認識手段の構成例を示すものである。

【００１３】認識手段１Ａは、圧力によって光透過率が
変化する流体２を収容する収容部３を有している。該流
体２には、例えば、液晶、ショ糖液等が挙げられ、これ
らをシリコーン製の収容部３内に封入することによって
液胞が構成される。尚、収容部３は圧力を受けて変形す
るように弾性を有する材料で形成されることは勿論であ
る。

【００１４】収容部３に対しては、これに光（可視光線
や赤外線等。）を照射するための光源４Ａと、該光源４
Ａから発した後収容部３内の流体２を透過した光の光量
若しくは強度を検出する検出部５（例えば、フォトカプ
ラのように光学部材を有する受光素子等。）とが設けら
れている。尚、光源４Ａには小型化や集積化に適したも
の、例えば、半導体レーザー等が好ましい。

【００１５】図２の例では、収容部３の一端部に入力部
６（平板状をした透明部材やレンズ等。）が付設されて
おり、光源４Ａから発した光が当該入力部６を透過して
収容部３内に入射される。また、収容部３の端部のうち
入力部６とは反対側に位置する端部には出力部７（平板
状をした透明部材やレンズ等。）が付設されており、流
体２を通過した後の光が出力部７を通って検出部５に到
達する。尚、光源４Ａの光を収容部３内に直接送出した
り、あるいは、透過光を検出部５によって直接検出する
ようにしても良いが、収容部３が外圧によって変形する
ことを考慮すると耐久性等の観点からは図２に示す構成
が好ましい。

【００１６】しかして、上記の認識手段１Ａにあって
は、これを使用する際に収容部３に圧力が加えられ、こ
れによって流体２の性質が変化する。即ち、圧力に応じ
て流体２の光透過率が変化するため、光源４Ａの光の光
量若しくは強度を一定にしておき、流体２を透過した光
の光量若しくは強度を検出部５で検出する（光電変換
等）ことによって圧力を検出することができる。

【００１７】尚、上記の説明では流体自体がもっている
性質を利用して圧力変化を光強度等の変化に変換した
が、これに限らず、例えば、図３に示すように収容部８
内の流体９に微粒子１０、１０、・・を分散させ、圧力
によって収容部８が変形したときの微粒子１０、１０、
・・・の局部的な濃度変化により吸光度が変化するよう
にした構成等を用いることができる。

【００１８】また、図２の構成において、圧力によって
色彩が変化する流体を収容部３内に収容し、光源４Ａか
ら発した後収容部３内の流体を透過した光の波長を検出
部５によって検出する構成を採用しても良い。尚、流体
の材質としては、例えば、液晶やショ糖液等が挙げら
れ、また、検出部５には、カラーフィルタアレイやＣＣ
Ｄ（電荷結合素子）等を含む受光素子を用いることがで
きる。

【００１９】しかして、この場合には、収容部３に圧力
が加えられると、これに応じて流体の色彩が変化する。
即ち、光源４Ａの発する光の色を流体の色彩とは異なる
色にしておき、流体の色彩変化を検出部５で検出するこ
とによって圧力を検出することができる。

【００２０】次に、圧力による流体の変化を電気的に検
出する構成について説明する。

【００２１】本構成では、図４や図５に示すように、圧
力を認識するための認識手段１Ｂが、絶縁粘性流体（電
気絶縁体の粘性流体）１１を収容する収容部１２と、絶
縁粘性流体１１若しくは収容部１２を挟んで互いに対向
する導電部材１３、１３′と、導電部材１３、１３′に
接続された誘導性負荷１４と、導電部材１３、１３′に
交流の電力供給を行うをための電源部１５と、圧力によ
る導電部材１３と１３′との間の距離変化を位相若しく
は周波数変化として検出するための検出部１６とを備え
ている。

【００２２】例えば、図４に示す例では、絶縁粘性流体
１１が封入された収容部１２において、軟質の導電板等
で形成された導電部材１３、１３′が絶縁粘性流体１１
を挟んで対向した状態で設けられており（つまり、絶縁
粘性流体１１及び導電部材１３、１３′によってコンデ
ンサが形成されている。）、一方の導電部材１３に誘導
性負荷１４（インダクタ等。）が接続されている。そし
て、互いに並列に接続された電源部１５や検出部１６が
誘導性負荷１４に接続されている。

【００２３】また、図５に示す例では、絶縁粘性流体１
１、収容部１２、導電部材１３、１３′についての位置
関係は図４の場合と同じであるが、絶縁粘性流体１１及
び導電部材１３、１３′からなるコンデンサに対して誘
導性負荷１４、電源部１５、検出部１６が並列に接続さ
れている。

【００２４】よって、以上の構成において、収容部１２
に圧力が加えられると導電部材１３と１３′との間の距
離が変化するので、絶縁粘性流体１１及び導電部材１
３、１３′からなるコンデンサの静電容量が変化し、こ
れと誘導性負荷１４のインダクタンスに応じて検出部１
６が交流波形の位相変化や周波数特性を検出することで
圧力を検出することができる。

【００２５】次に、熱（あるいは温度検出）に係る構成
について説明する。

【００２６】先ず、図２に示した構成において収容部３
内の流体が熱によって光透過率が変化する性質を有して
いれば、透過光の光量若しくは強度を検出することによ
って熱の影響を把握することができる。

【００２７】つまり、この場合には、熱を認識するため
の認識手段が、熱によって光透過率が変化する流体（液
晶やショ糖液等。）を収容する収容部と、該収容部内の
流体に光を照射するための光源と、光源から発した後収
容部内の流体を透過した光の光量若しくは強度を検出す
る検出部とを備えており、収容部に熱が加わった場合に
流体の光透過率が変化し、透過光の減衰率等を検出する
ことによって熱を検出することができる。

【００２８】また、図２の構成において収容部３内の流
体として、熱によってその色彩が変化する性質を有する
材料を用いれば、透過光の色彩を検出することによって
熱の影響を把握することができる。

【００２９】つまり、この場合には、熱を認識するため
の認識手段が、熱によって色彩が変化する流体を収容す
る収容部と、該収容部内の流体に光を照射するための光
源と、光源から発した後収容部内の流体を透過した光の
波長を検出する検出部とを備えており、収容部に熱が加
わった場合に流体の色彩が変化し、その変化の度合を検
出することによって熱を検出することができる。

【００３０】尚、熱や温度によって色彩が変化する物質
の性質はサーモクロミズムとして知られており、サーモ
クロミック色素系（例えば、酸顕色性物質や酸性物質、
誘起溶媒からなる共存系等。）の材料（トリアリールメ
タン系等）が挙げられる。また、物質が光照射によって
その色彩を変化させ、加熱あるいは異なる波長の光によ
って元の色彩に戻るという状態変化を可逆的に繰り返す
現象はフォトクロミズムと称され、所謂フォトクロミッ
ク物質を用いる場合には、色彩の豊富さや高濃度である
等の利点の他、多数の化合物（チオインジゴ系、フルギ
ド系、スピロピラン系、スピロオキサジン系等）から材
料を選択することができる。

【００３１】次に紫外線の検出に係る構成について説明
する。

【００３２】図２に示した構成において収容部３内の流
体が紫外線によって光透過率が変化する性質を有してい
れば、透過光の光量若しくは強度を検出することによっ
て紫外線の影響を把握することができる。

【００３３】つまり、紫外線を認識するための認識手段
が、紫外線によって光透過率が変化する流体を収容する
収容部と、該収容部内の流体に光を照射するための光源
と、光源から発した後収容部内の流体を透過した光の光
量若しくは強度を検出する検出部とを備えており、収容
部に紫外線が照射された場合に流体の光透過率が変化
し、透過光の減衰率等を検出することによって紫外線を
検出することができる。

【００３４】尚、流体の材質としてはリグニン、破砕セ
ラミックス等の化合物を混入した液体が挙げられる。

【００３５】また、図２の構成において収容部３内の流
体として、紫外線によってその色彩が変化する性質を有
する材料を用いれば、透過光の色彩を検出することによ
って紫外線の影響を把握することができる。

【００３６】つまり、この場合には、紫外線を認識する
ための認識手段が、紫外線によって色彩が変化する流体
を収容する収容部と、該収容部内の流体に光を照射する
ための光源と、光源から発した後収容部内の流体を透過
した光の波長を検出する検出部とを備えており、収容部
に紫外線が照射された場合に流体の色彩が変化し、その
変化の度合を検出することによって紫外線を検出するこ
とができる。

【００３７】尚、流体の材質としては、上記の他、無機
蛍光顔料（赤色、緑色、青色の発光蛍光体等。）が挙げ
られる。これは可視光の照射時と紫外線の照射時とで異
なった色彩を呈する材料であり、紡糸原液中に混入して
用いる。その際、複数色の無機蛍光顔料を混ぜ合わせる
ことにより多彩な色彩を得ることができるという利点が
ある。

【００３８】しかして、上記した構成は、比較的少量の
流体であってもその物理的性質を利用することによって
刺激を光学的、電気的性質に置き換えて検出することが
できるので、小型化、省スペース化に適している。

【００３９】ところで、以上の説明では、圧力、熱、紫
外線をそれぞれ検出するための構成について示したが、
圧力、熱、紫外線のうちから所望のものを組み合わせて
これらを検出する方法について以下に説明する。

【００４０】図６に示す例では、６角形状の断面形状を
なした収容部１７内に、上記した各種の流体を混入した
複合流体１８が封入されている。つまり、圧力によって
光透過率若しくは色彩が変化する流体、熱によって光透
過率若しくは色彩が変化する流体、紫外線によって光透
過率若しくは色彩が変化する流体のうちの所望の流体を
組み合わせた複合流体１８が収容部１７内に収容されて
いる。尚、この複合流体１８については、各流体の混合
によって化学反応を惹き起こさないことが必要である
が、そのためには特定の材質の組み合わせを選び出す方
法と、マイクロカプセル内に流体を封じ込めることによ
って流体間の化学反応が起らないようにする方法があ
る。

【００４１】収容部１７の周囲には光検出手段１９が設
けられており、該光検出手段１９は収容部１７内に光を
照射するための光源２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、各光源
から発した後収容部１７内の流体を透過した光の光量や
強度、波長等を検出する検出部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ
とを含む複数対の検出手段から構成されている。

【００４２】つまり、光源と検出部とが上記複合流体１
８を挟んで対向した状態でそれぞれ配置されており、例
えば、光源２０ａ及び検出部２１ａが圧力の検出手段、
光源２０ｂ及び検出部２１ｂが熱の検出手段、光源２０
ｃ及び検出部２１ｃが紫外線の検出手段とされている。

【００４３】収容部１７の６角形の各辺には各光源から
の光を収容部内に取り入れるための入力部２２ａｉ、２
２ｂｉ、２２ｃｉと、透過光を収容部外に取り出すため
の出力部２２ａｏ、２２ｂｏ、２２ｃｏがそれぞれ設け
られており、入力部と出力部とが互いに対をなすように
配置されている。例えば、光源２０ａに対向した入力部
２２ａｉに対して６角形の対辺に位置する出力部２２ａ
ｏが対をなしており、該出力部２２ａｏを通して検出部
２１ａに到達した光に基づいて圧力の検出が行われる。
同様に、入力部２２ｂｉと出力部２２ｂｏとが対をなし
て熱の検出に用いられ、入力部２２ｃｉと出力部２２ｃ
ｏとが対をなして紫外線の検出に用いられる。

【００４４】以上の構成により、複合流体を一つの収容
部内に収めることができるのでさらに省スペース化を図
ることができる。

【００４５】尚、収容部の形状については平面若しくは
曲面上をできるだけ隙間なく埋めつくすことができれば
如何なる形状であっても構わないが、接触面積や強度等
の観点からは６角形が好ましい。

【００４６】また、収容部の収縮による圧力若しくは圧
力変化に比して収容部内の流体の圧力が高くなるように
内圧を設定することで、流体を含む収容部が圧力、熱、
紫外線の影響により破壊されたときに流体が漏れ出すよ
うに構成して異常の発生を目視できるようにしたり、あ
るいは、酸化によって変色する流体を収容部内に混入す
ることにより当該流体が収容部の外に漏れ出して外気に
触れて変色するのを目視することで異常の発生を直ちに
把握することができるようにすることが好ましい。

【００４７】また、収容部の内壁面に反射膜を形成し
て、光源から収容部内に入射された光を当該反射膜によ
って反射させるようにすると、低出力の光源の使用が可
能となる。

【００４８】上記した収容部を多数配置する方法につい
ては、これらを同一平面上に配置する方法と、層状に配
置する方法がある。

【００４９】図７は断面形状が６角形状をした多数の収
容部１７、１７、・・・を配置してハニカム構造を実現
した感覚情報取得装置２３を示しており、これによって
各収容部を所定の面上に効率良く配置することができ、
凹凸のある面や微細な面での圧力、熱、紫外線の変化を
検出することができる。

【００５０】尚、収容部の数を増やすと、これに伴って
光源や検出部の数が増加することになるが、光源や検出
部の数を低減する方法について図８を用いて説明する。

【００５１】図示する例では、図２で示した収容部３が
３つ使用されており、各収容部３には上記した各種の流
体のいずれかが封入されている。

【００５２】そして、収容部３、３、・・・に対して設
けられた一つの光源２４からの光を複数に分割して各収
容部３の入力部６に送出するための導光部材２５が設け
られており、収容部３の各入力部６に対して光量分割若
しくは波長分離に係る分割膜２６、２６、２６（液晶膜
等。）が形成されている。例えば、刺激によって光透過
率が変化する流体を使用する場合において光量分割に係
る分割膜が用いられ、光源からの光が各分割膜によって
異なる光量の光に分けられた後、各収容部３の入力部６
にそれぞれ入射される。また、刺激によって色彩が変化
する流体を使用する場合において波長分離に係る分割膜
が用いられ、光源からの光が各分割膜によって異なる波
長の光に分けられた後、各収容部３の入力部６にそれぞ
れ入射される。

【００５３】各収容部３の出力部７から得られる透過光
は導光部材２７によってまとめられた後、一つの（光）
検出部２８に送出される。つまり、各収容部３の出力部
７に対して反射膜２９、２９、２９がそれぞれ形成され
ており、これらによって同じ方向に反射された光が集ま
って検出部２８に到達する。尚、反射膜２９には如何な
るものを使用しても良いが、例えば、上記分割膜２６と
同様の膜を形成することによって反射光量の制御や特定
波長の選択等を行うことができ、刺激によって光透過率
が変化する流体を使用する場合において光量の制御が可
能な反射膜を用い、また、刺激によって色彩が変化する
流体を使用する場合において特定の波長や色彩を抽出す
ることができる反射膜等を用いる方法が挙げられる。

【００５４】しかして、光源からの光を複数の光に分割
した後、これらを各収容部に入射したり、あるいは各収
容部内の流体を透過した光をまとめて検出部に送出する
ことによって、光源や検出部の数を減らすことができ
る。

【００５５】また、図９に示すように、さらに数多くの
収容部を配置するにあたっては、光源２４、２４、・・
・の光を、入力側結集部３０から光ファイバー３１、３
１、・・・をそれぞれ介して入力側の導光部材２５、２
５、・・・に送出したり、あるいは、出力側の各導光部
材２７、２７、・・・から光ファイバー３２、３２、・
・・をそれぞれ介して得られた光を出力側結集部３３に
まとめた後、これを検出部２８、２８、・・・に送出す
ることによって光源や検出部の配置について自由度を高
めたり、検出部の集積化を容易にすることで、コストの
低減を図ることができる。

【００５６】尚、光源２４の数は一つでも良いし、また
発光波長を光源毎に異なる値に設定しても良い。

【００５７】入力側結集部３０や出力側結集部３３の構
成については、例えば、所定の張力をかけて直ぐに揃え
た光ファイバー群を一列に並べて紫外線硬化性樹脂に浸
して、光ファイバー間の隙間に入り込んだ紫外線硬化性
樹脂を紫外線照射によって硬化させる作業を繰り返すと
ともに、光ファイバー群をさらに層状に並べる。そし
て、光ファイバーの一端部をカットして面出し加工を行
い、カット面に光源や検出部（例えば、受光素子や電荷
結合素子等を含む検出素子を用いる。）を接続する。
尚、光ファイバーの面出し加工中において層状の光ファ
イバー群が崩れてしまわないように光ファイバー群に枠
をつけて加工を行うことが好ましい。

【００５８】そして、検出部２８、２８、・・・のうち
実際に使用するものを選択するにあたっては、光源側に
位置する各光ファイバー３１、３１、・・・に一本ずつ
光を入射し、そのときの検出パターン（つまり、どの検
出部がどれくらいの光を検出しているかを示すパターン
情報）を所定の記憶手段に記憶させることによって行
い、当該検出パターンに関する領域の形状や大きさ（面
積等）によって照度を認識する。

【００５９】収容部の空間的な配置については図９に示
した構成に限らず、図７に示すように、６角形状をした
収容部（セル）１７、１７、・・・を隙間なく配置する
とともに、光源２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及びその入力側
結集部３０ａ、３０ｂ、３０ｃと、出力側結集部３３
ａ、３３ｂ、３３ｃ及び検出部２８ａ、２８ｂ、２８ｃ
とが収容部１７、１７、・・・を挟んで対向するように
配置した例を挙げることができる。

【００６０】例えば、図７の光源２４ａ、入力側結集部
３０ａ、出力側結集部３３ａ、検出部２８ａについて説
明すると、５つの光源からそれぞれ発した光が入力側結
集部３０ａに入射された後、５本の光ファイバー３１
ａ、３１ａ、・・・をそれぞれ介して収容部１７、１
７、・・・に送出される。

【００６１】例えば、真ん中の光源２４ａ３から発した
後、入力側結集部３０ａを介して光ファイバー３１ａ３
を透過する光は、図７の上下方向に沿って配置された５
個の収容部を透過した後光ファイバー３２ａ３を介して
出力側結集部３３ａに到達し、ここから検出部２８ａを
構成する５つの検出部のうち真ん中の検出部２８ａ３に
到達して光検出が行われる。また、端に位置する光源２
４ａ１から発した後、入力側結集部３０ａを介して光フ
ァイバー３１ａ１を透過する光は、図７の上下方向に沿
って配置された３個の収容部を透過した後光ファイバー
３２ａ１を介して出力側結集部３３ａに到達し検出部２
８ａ１より光検出が行われる。

【００６２】同図に示す他の光源２４ｂ、２４ｃや入力
側結集部３０ｂ、３０ｃ、出力側結集部３３ｂ、３３
ｃ、検出部２８ｂ、２８ｃについても光の入射方向や検
出方向を異にする以外は上記光源２４ａ、入力側結集部
３０ａ、出力側結集部３３ａ、検出部２８ａと同様の構
成を有しており、所定の方向に沿って配置されたこれら
の各部を一組みとする検出手段によって、圧力、熱、紫
外線をそれぞれ検出することができる。尚、図７では５
つの光源を設けた例を示したが、これらを一つの光源と
してその光を入力側結集部３０において５つの光に分け
ても良いことは勿論である。

【００６３】しかして、導光部材をひとまとめにするた
めの結集部を設け、該結集部に光源からの光を入射した
り、あるいは結集部から光を取り出して検出部に送出す
る構成を用いることによって構成部の配置や数について
自由に設計することができるようになり、例えば、光源
や検出部を所望の場所にまとめて配置したり、収容部に
ついての配置の密度を高めることができる。

【００６４】尚、上記した各光源の発光量あるいは各光
ファイバーの透過光の光量については、これらを常に同
じにする必要はなく、図１０や図１１に示すように、そ
れぞれ異なる比率を設定することにより重み付け処理を
行うことができる。

【００６５】即ち、図１０に示す例では光源２４ａ１や
２４ａ５の発光量を「１」としたとき、光源２４ａ２や
２４ａ４の発光量が「２」とされ、光源２４ａ３の発光
量が「３」とされており（他の光源２４ｂ、２４ｃにつ
いても同様である。）、各収容部内に記した数字が重み
付けの係数を表している。例えば、中央に位置する収容
部１７Ａには、発光量「３」の３つの光源（２４ａ３、
２４ｂ３、２４ｃ３）から光がそれぞれ入射されてくる
ので単純和としての係数値「９」が付されている。ま
た、収容部１７Ａの周囲に位置する６つの収容部１７
Ｂ、１７Ｂ、・・・には、発光量「３」の１つの光源と
発光量「２」の２つの光源（例えば、２４ａ３、２４ｂ
４、２４ｃ２）からの光が到達するので、これらの収納
部には係数値「７」が付され、最外周に位置する収容部
１７Ｃ、１７Ｃ、・・・には、発光量「３」の１つの光
源と発光量「１」の２つの光源（例えば、２４ａ３、２
４ｂ５、２４ｃ１）からの光が到達するので、これらの
収納部には係数値「５」が付されている。尚、説明の便
宜上光の経路途中における減衰量等は一切無視している
が、実際には収容部内の流体による光の減衰率や、光源
と検出部との間に介在する収容部の数等を考慮して重み
付けの係数を補正する必要があることは勿論である。

【００６６】また、図１１に示す例では光源２４ａ３の
発光量が「３」とされ、それ以外の光源を発光させない
ようにした状況を示しており（他の光源２４ｂ、２４ｃ
についても同様である。）、この場合には中央に位置す
る収容部１７Ａの係数値が「９」とされ、その周囲に位
置する収容部１７Ｂ、１７Ｂ、・・・の係数値が「３」
とされ、最外周に位置する収容部１７Ｃ、１７Ｃ、・・
・については、係数値「３」のものと光が殆ど入射され
ないもの（同図に「−」で示す。）とが円周方向に亘っ
て交互に存在する。

【００６７】尚、上記のような制御のために入射光制御
手段３４が設けられており、該入射光制御手段３４は各
光源の供給電力等を直接制御したり、あるいは入力側結
集部３０への入射光量を液晶フィルタ等を使って変化さ
せることで光量に関する重み付け処理を行う。また、入
射光制御手段３４としては、重み付け係数が与られた場
合に各光源の光量等を計算によって求めてそれぞれの光
量の制御を行うように構成しても良い。

【００６８】重み付けの方法には光源の発光量を調整す
る方法の他、光源の点滅周期を制御したり、あるいは、
図１０や図１１に示した係数値のパターンを一定の時間
若しくは場所において繰り返すことによって制御する
等、各種の方法が挙げられる。

【００６９】しかして、光源に対して設けられる結集部
から各導光部材に入射される光の光量をそれぞれ異なる
値に設定するための入射光制御手段を設けることによっ
て、各収容部における刺激の検出レベルについて軽重を
つけることができる。

【００７０】図１２は、図１０や図１１に示した感覚情
報取得装置２３を用いて、圧力等の刺激を認識する手順
の一例を示すフローチャート図である。

【００７１】先ず、ステップＳ１において、収容部１７
に封入された流体の特性に基づいて刺激による光透過率
や色彩の変化率を考慮して、重み付けの係数の初期値
（あるいは仮値）を設定した後、次ステップＳ２では、
光源と検出部とを結ぶライン上に位置する収容部の数に
応じた重み付けの係数値を補正する。つまり、収容部内
の流体が入射光線に対して一定の減衰率を有している場
合には、収容部の数によって光源から検出部に到達する
光の受光量が異なるので、その影響を考慮して係数値を
補正する必要がある。

【００７２】次ステップＳ３では、感覚情報取得装置２
３を取り付けた対象物（例えば、マニピュレータや義肢
等。）について、当該対象物を駆動しない状態で対偶
（関節等）の形状、状態や温度等の情報を取得して重み
付けの係数値について補正を行う。つまり、当該対象物
はこれを動かす前の状態であっても、固有の圧力や温度
を有しているので、これらの値を予め把握した上で係数
値の補正を行わないと、検出した圧力や熱が外因性のも
のかあるいは内因性のものを正確に識別することができ
なからである。

【００７３】次ステップＳ４では、感覚情報取得装置２
３を取り付けた対象物を駆動した状態で対偶の状態や温
度等の情報を取得して重み付けの係数値について補正を
行う。

【００７４】尚、ステップＳ３やステップＳ４において
は、マニピュレータの構造モデルや、義肢の場合には人
体構造モデル（対象者の体格や体重等の基礎データから
その身体的特徴を、骨格や筋肉、皮膚等を含む構造的モ
デルとしてコンピュータ上に構築した数値モデル）を利
用して係数値の補正を行うことが好ましい。

【００７５】ステップＳ５で重み付けの係数値を決定し
た後、次ステップＳ６では触覚検出について検出パター
ンを生成する。即ち、どのような形状あるいは大きさの
領域内に位置する収容部を用いて圧力、熱、紫外線をそ
れぞれ検出するかを規定するためのパターン情報を生成
する。尚、感覚情報取得装置２３の全ての収容部につい
て触覚検出を行う方法と、所定の間隔をおいた収容部を
検索してそれらについて検出を行うとともに未検索の収
容部については補間によって検出値を算定する方法とが
ある。

【００７６】ステップＳ７では光源を発光させて収容部
に光を入射した後、次ステップＳ８で検出部によって収
容部の透過光を検出する。そして、次ステップＳ９では
前ステップで得られた検出値に対して重み付けの係数を
それぞれ掛けてこれらを加算する。つまり、検出値を
「Ｖｉ」とし、重み付けの係数値を「Ｗｉ」（但し、ｉ
＝１、２、・・・）とするときΣ（Ｗｉ・Ｖｉ）を計算
する（尚、「Σ」は添え字ｉについての有限和を表
す。）。

【００７７】ステップＳ１０では前ステップＳ６のパタ
ーン情報によって指定された収容部について全ての検出
が終了したか否かを判断し、終了した場合にはステップ
Ｓ１１に進み、未終了の場合にはステップＳ７に戻る。

【００７８】ステップＳ１１では、各収容部の検出値に
ついてその加算値の最小値を求めてこれを各収容部につ
いて前ステップＳ９で既に求めている検出値の加算値か
らそれぞれ差し引く。これらの値が各収容部についての
圧力、熱、紫外線の分布を示すデータとなり、ステップ
Ｓ１２では、これらのデータを制御装置等に出力する。

【００７９】尚、収容部について物理的な破壊が生じた
場合には、当該収容部に対する重み付けの係数値がゼロ
でないときに他の収容部についての検出に影響を及ぼす
ことになる。例えば、図１３に示すように収容部
「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」をそれぞれ中心とする検出領域
ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ内において破壊された収容部（「×」
の記号で示す。）が存在すると、各収容部についての検
出値の加算値に影響が生じる。

【００８０】そこで、物理的な破壊が生じた収容部を上
記ステップＳ６の検出パターンから除外するとともに、
当該収容部による検出値については他の収容部（例え
ば、一定の距離をおいて隣接する収容部等）を含む領域
を検索して当該領域に属する収容部についての検出値か
ら、破壊された収容部における検出値を補完することが
好ましい。

【００８１】例えば、図１４及び１５に示すフローチャ
ート図のように（ステップＳ１乃至Ｓ１２の処理内容に
ついては図１２に示した各ステップの内容と同じである
ので説明を省略する。）、図１５のステップＳ８での光
検出の後に、次ステップＳ８．５で検出値が許容範囲内
に入っているか否かを判断する。つまり、３方向（収容
部の断面形状が６角形状をしている場合の検出方向）に
おける検出値が予め決められている上限値以下であっ
て、かつ下限値以上であるか否かを判断し、そうであれ
ばステップＳ９に進んで重み付け加算処理を行うが、検
出値が上限値を越え又は下限値未満である場合にはステ
ップＳ８．６に進む。

【００８２】ステップＳ８．６では上記３方向について
の検出値が全てほぼゼロであるか否かを判断し、そうで
あれば収容部に破壊が生じたと判断してステップＳ８．
７に進み、当該収容部を位置をメモリに記憶する。そし
て、図１４のステップＳ５．５（ステップＳ５とＳ６の
間に位置するステップ）に進んで、破壊と判断した収容
部を上記した検出パターンから除外した後ステップＳ６
に進む。

【００８３】また、図１５のステップＳ８．６で収容部
に破壊が生じていないと判断した場合にはステップＳ
８．８に進み、危険信号を制御装置等に出力して当該信
号に基づいて危険回避のための処理を行う。この危険信
号の有無と上記ステップＳ１２で得られるデータとの組
み合わせによって感覚の識別結果を、例えば、下表１に
示すように得ることができる。

【００８４】

【表１】

【００８５】尚、上表は左端の欄に示す刺激（圧力、
熱、紫外線）に関して上記危険信号が出力された場合と
出力されない場合とで、上記ステップＳ１２でのデータ
の意味内容が異なることを示しており、例えば、圧力検
出について危険信号がある場合には当該データが継続的
若しくは瞬間的な痛覚を示し、危険信号がない場合には
当該データが表面の圧力分布を示す。同様に熱の検出に
ついて危険信号がある場合にはステップＳ１２のデータ
が継続的若しくは瞬間的な温（度）覚あるいは冷覚を示
し、危険信号がある場合には当該データが表面の温度分
布を示す。尚、紫外線の検出について危険信号の有無は
無関係であり、ステップＳ１２のデータが表面の照度分
布（皮膚におけるメラニン色素の分布に相当する。）を
示す。

【００８６】このような統括的な判別を行うためには、
図１０、図１１に示すように検出部（２８ａ、２８ｂ、
２８ｃ）に対して情報判別手段３５を設け、該検出部に
よる検出値が許容範囲内であるか否かによって過剰な刺
激を受けたか否か若しくは収容部の破壊の有無を判定す
るとともに、検出部による検出値が許容範囲内である場
合に検出値から刺激の分布状態を認識することが好まし
い。

【００８７】尚、圧力、熱、紫外線の各検出については
それぞれに上記検出パターンを変えて行う方法や、刺激
毎に専用の収容部をそれぞれ設けて検出する方法が挙げ
られる。

【００８８】しかして、本発明に係る感覚情報取得装置
を、例えば、人間の手や関節の構造を模倣したマニピュ
レータや義肢において、手部（ハンド等）の表面に付設
することによって、手先にかかる圧力等を検出すること
ができる（その際、手先の部分には対象物を安定して持
つための安定板（指の爪に相当するもの）等を設けるこ
とが好ましい。）。

【００８９】また、上記マニピュレータ等における手部
の状態を把握し、当該部分によって対象物を持ったとき
に掌の部分に加わる圧力が一定になるようにマニピュレ
ータ等の駆動制御を行うことによって対象物を手部で掴
んだときの状態から対象物の形状を認識したり（例え
ば、対象物の形状をワイヤーフレームモデルとして取得
する等。）、あるいは、対象物の表面に対して手部を一
定の圧力をもって押し付ける動作を行うことで対象物の
表面状態に関する情報（凹凸や硬さ等）を認識すること
ができる。また、対象物の表面に対して手部を一定の圧
力で押し付けたり、あるいは感覚情報取得装置と対象物
との接触面に対して当該面に平行な方向に対象物を移動
させるといった動作を行うことによって、対象物に関す
る圧力分布や摩擦係数等の情報を認識する等、各種の応
用が可能になる。

【００９０】

【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、請求項１に係る発明によれば、収容部内の流体の物
理的性質を利用して刺激に応じた流体の変化を検出する
ことによって少量の流体であっても刺激の度合を鋭敏に
識別することができるので、装置の小型化や省スペース
化を図ることができ、湾曲した面や微細な範囲について
刺激の検出を行うことができる。

【００９１】請求項２や請求項３に係る発明によれば、
圧力によって光透過率や色彩が変化する流体を用いるこ
とによって圧力検出を光学的に行うことで高精度化や高
速化を図ることができる。

【００９２】請求項４に係る発明によれば、絶縁粘性流
体を用いて圧力による導電部材間の距離変化を電気的に
検出することで収容部の微小変位から圧力を検出するこ
とができる。

【００９３】請求項５や請求項６に係る発明によれば、
熱によって光透過率や色彩が変化する流体を用いて熱や
温度の検出を光学的に行うことで高精度化や高速化を図
ることができる。

【００９４】請求項７や請求項８に係る発明によれば、
紫外線によって光透過率や色彩が変化する流体を用いて
紫外線の検出を光学的に行うことで高精度化や高速化を
図ることができる。

【００９５】請求項９に係る発明によれば、複合流体を
収容部内に収容することによってさらに省スペース化を
図ることができる。

【００９６】請求項１０に係る発明によれば、収容部の
収縮による圧力変化に比して収容部内の流体の圧力が高
くなるように内圧を設定したり、酸化によって変色する
流体を収容部内に混入することによって、破壊された収
容部の場所を目視により認識することができる。

【００９７】請求項１１に係る発明によれば、収容部の
内壁面に反射膜を形成することによって、出力の低い光
源でも流体の透過光の強度や色彩等を検出することがで
きるようになる。

【００９８】請求項１２に係る発明によれば、光源や検
出部の数を低減することができる。

【００９９】請求項１３に係る発明によれば、導光部材
をひとまとめにするための結集部を設けることによっ
て、光源や検出部の配置、数について設計の自由度を高
めることができる。

【０１００】請求項１４に係る発明によれば、各導光部
材に入射される光の光量若しくは強度について重み付け
を定めることができるので、各検出部による検出値を均
等に取り扱う場合に比して検出の多様化を図ることがで
きる。

【０１０１】請求項１５に係る発明によれば、過剰な刺
激の検出や収容部の破壊の有無に係る検出と、刺激の分
布状態の検出とを区別して刺激の検出を統括的に行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る識別手段の基本構成を示す図であ
る。

【図２】圧力の認識手段についての構成例を示すもので
ある。

【図３】収容部の流体に微粒子を分散させた構成を示す
概略図である。

【図４】図５とともに絶縁粘性流体を収容部内に封入し
た構成を示すものであり、本図は収容部に対して誘導性
負荷を直列に設けた構成例を示す。

【図５】別の構成例を示す図である。

【図６】６角形状の断面形状をした収容部に対する光検
出手段の配置を示す図である。

【図７】図６の収容部を多数配置した構成例を示す図で
ある。

【図８】光源や検出部の数を低減する方法についての説
明図である。

【図９】数多くの収容部を配置する場合の構成例を示す
図である。

【図１０】図１１とともに重み付けの係数値の設定例を
示す図である。

【図１１】重み付けの係数値についての別の設定例を示
す図である。

【図１２】刺激の認識手順の一例を示すフローチャート
図である。

【図１３】収容部の物理的な破壊による影響についての
説明図である。

【図１４】図１５とともに刺激の認識手順の一例を示す
フローチャート図であり、本図は処理の前半部を示す。

【図１５】処理の後半部を示す。

【符号の説明】

１、１Ａ、１Ｂ…認識手段、２、９…流体、３、８、１
２、１７、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ…収容部、４…信号
源、４Ａ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２４、２４ａ、２
４ｂ、２４ｃ…光源、５、１６、２１ａ、２１ｂ、２１
ｃ、２８、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ…検出部、１１…絶
縁粘性流体、１３、１３′…導電部材、１４…誘導性負
荷、１５…電源部、１８…複合流体、１９…光検出手
段、２３…感覚情報取得装置、２５、２７…導光部材、
３０、３３…結集部、３４…入射光制御手段、３５…情
報判別手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】刺激を認識するための認識手段を備えた
感覚情報取得装置において、上記認識手段が、刺激によって物理的性質が変化する流体を収容する収容
部と、該収容部内の流体に光信号若しくは電気信号を供給する
ための信号源と、刺激に応じた流体の光学的若しくは電気的変化を検出す
る検出部とを備えていることを特徴とする感覚情報取得
装置。
【請求項２】請求項１に記載の感覚情報取得装置にお
いて、圧力を認識するための認識手段が、圧力によって光透過率が変化する流体を収容する収容部
と、該収容部内の流体に光を照射するための光源と、光源から発した後上記収容部内の流体を透過した光の光
量若しくは強度を検出する検出部とを備えていることを
特徴とする感覚情報取得装置。
【請求項３】請求項１に記載の感覚情報取得装置にお
いて、圧力を認識するための認識手段が、圧力によって色彩が変化する流体を収容する収容部と、該収容部内の流体に光を照射するための光源と、光源から発した後上記収容部内の流体を透過した光の波
長を検出する検出部とを備えていることを特徴とする感
覚情報取得装置。
【請求項４】請求項１に記載の感覚情報取得装置にお
いて、圧力を認識するための認識手段が、絶縁粘性流体を収容する収容部と、絶縁粘性流体若しくは収容部を挟んで互いに対向する導
電部材と、導電部材に対して接続された誘導性負荷と、導電部材に交流の電力供給を行うをための電源部と、圧力による導電部材間の距離変化を位相若しくは周波数
変化として検出するための検出部とを備えていることを
特徴とする感覚情報取得装置。
【請求項５】請求項１に記載の感覚情報取得装置にお
いて、熱を認識するための認識手段が、熱によって光透過率が変化する流体を収容する収容部
と、該収容部内の流体に光を照射するための光源と、光源から発した後上記収容部内の流体を透過した光の光
量若しくは強度を検出する検出部とを備えていることを
特徴とする感覚情報取得装置。
【請求項６】請求項１に記載の感覚情報取得装置にお
いて、熱を認識するための認識手段が、熱によって色彩が変化する流体を収容する収容部と、該収容部内の流体に光を照射するための光源と、光源から発した後上記収容部内の流体を透過した光の波
長を検出する検出部とを備えていることを特徴とする感
覚情報取得装置。
【請求項７】請求項１に記載の感覚情報取得装置にお
いて、紫外線を認識するための認識手段が、紫外線によって光透過率が変化する流体を収容する収容
部と、該収容部内の流体に光を照射するための光源と、光源から発した後上記収容部内の流体を透過した光の光
量若しくは強度を検出する検出部とを備えていることを
特徴とする感覚情報取得装置。
【請求項８】請求項１に記載の感覚情報取得装置にお
いて、紫外線を認識するための認識手段が、紫外線によって色彩が変化する流体を収容する収容部
と、該収容部内の流体に光を照射するための光源と、光源から発した後上記収容部内の流体を透過した光の波
長を検出する検出部とを備えていることを特徴とする感
覚情報取得装置。
【請求項９】請求項１に記載の感覚情報取得装置にお
いて、圧力によって光透過率若しくは色彩が変化する流体、熱
によって光透過率若しくは色彩が変化する流体、紫外線
によって光透過率若しくは色彩が変化する流体のうちの
所望の流体を組み合わせた複合流体を収容する収容部
と、該収容部内の流体に光を照射するための光源と、光源か
ら発した後収容部内の流体を透過した光の光量、強度若
しくは波長を検出する検出部とからなる複数対の光検出
手段を有し、光検出手段の光源と検出部とが上記複合流体を挟んで対
向した状態で配置されていることを特徴とする感覚情報
取得装置。
【請求項１０】請求項９に記載の感覚情報取得装置に
おいて、収容部の収縮による圧力に比して収容部内の流体の圧力
が高くなるように収容部の内圧を設定し、又は酸化によ
って変色する流体を収容部内に混入したことを特徴とす
る感覚情報取得装置。
【請求項１１】請求項９に記載の感覚情報取得装置に
おいて、収容部の内壁面に反射膜を形成したことを特徴とする感
覚情報取得装置。
【請求項１２】請求項１に記載の感覚情報取得装置に
おいて、刺激によって物理的性質が変化する流体をそれぞれ収容
する複数の収容部と、光源からの光を複数の光に分割した後、これらを各収容
部に入射する導光部材若しくは各収容部内の流体を透過
した光をまとめて検出部に送出するための導光部材を設
けたことを特徴とする感覚情報取得装置。
【請求項１３】請求項１２に記載の感覚情報取得装置
において、導光部材をひとまとめにするための結集部を設け、該結
集部に光源からの光を入射し又は結集部から光を取り出
して検出部に送出するようにしたことを特徴とする感覚
情報取得装置。
【請求項１４】請求項１３に記載の感覚情報取得装置
において、光源に対して設けられる結集部から各導光部材に入射さ
れる光の光量若しくは強度をそれぞれ異なる値に設定し
て重み付けを行うための入射光制御手段を設けたことを
特徴とする感覚情報取得装置。
【請求項１５】請求項１４に記載の感覚情報取得装置
において、各検出部による検出値が許容範囲内であるか否かによっ
て過剰な刺激を受けたか否か若しくは収容部の破壊の有
無を判定するとともに、各検出部による検出値が許容範
囲内である場合に検出値から刺激の分布状態を判別する
情報判別手段を設けたことを特徴とする感覚情報取得装
置。