WO2013021799A1 - 柔物体のためのセンサモジュール及びセンサシステム - Google Patents

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杉浦裕太
筧豪太
ドン アニューシャ インドラジット ウィタナゲ
シェンイン カリスタ リ
坂本大介
杉本麻樹
稲見昌彦
五十嵐健夫
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独立行政法人科学技術振興機構
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    • H04N21/42206—User interfaces specially adapted for controlling a client device through a remote control device; Remote control devices therefor characterized by hardware details

Definitions

  • the present invention relates to a technique for measuring a load and deformation applied to a soft object such as a cushion or a stuffed toy.
  • buttons and handles have been generally used for interaction with machines or computer systems.
  • a soft device an input device made of a soft material.
  • soft devices are expected to be particularly suitable for products for infants and children because they are superior in safety to hard devices.
  • soft objects such as cushions, stuffed animals, and sofas around us.
  • an operation for example, pushing, hitting, stroking, bending, etc.
  • the soft object is not fixed (restrained) and the user can freely change its position and posture.
  • a method for detecting a load or deformation on a soft object a method of attaching a sensor such as a strain gauge to the surface of the soft object and physically measuring a shape change of the soft object surface is generally used.
  • this method has a problem that the softness and touch of the soft object, safety, etc. are impaired due to the sensor attached to the surface.
  • the seat detection in a car seat or a massage chair has been put to practical use as a means for detecting a load acting on the cushion (for example, Patent Document 1)
  • the method uses a load sensor on a rigid frame that fixes the cushion. Since it is intended to detect the load propagated through the attachment and cushion, it cannot be applied to the purpose of using the soft object itself for the input device.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is that it can be easily implemented without damaging the original softness and safety of the soft object, and has been added to the soft object.
  • the object is to provide a sensor module capable of measuring load and deformation.
  • Another object of the present invention is to provide a technique for using a soft object such as a cushion or a stuffed animal as an input device.
  • the present inventors have conducted intensive research, found a novel measurement technique using a photo reflector (reflection photosensor), and have come up with the configuration of the invention described below.
  • the sensor module according to the present invention is a sensor module that is used by being inserted into a filler filled in a soft object, and is reflected by the filler around the sensor module.
  • a plurality of photo reflectors arranged in different directions so as to detect the light to be detected, and based on the output or the load applied to the soft object based on the output of the plurality of photo reflectors A change in density of the packing is measured.
  • the filling inside the soft object has a structure containing a lot of air (gap).
  • a photo reflector When a photo reflector is inserted into such a filling and operated, the light emitted from the photo reflector is scattered by the surrounding filling, and only a part of the scattered light (light reflected in the direction of the photo reflector). Is received by the photo reflector. The amount of received light tends to increase as the packing density increases and decrease as the packing density decreases. In other words, the output of the photo reflector has a correlation with the density of the packing around the photo reflector.
  • the sensor module of the present invention measures the change in density of the filler, and hence the load or deformation applied to the soft object, by looking at the output of the photoreflector.
  • the configuration of the present invention it is only necessary to insert the sensor module into the filling, and it is not necessary to fix the sensor module to something or to adjust the posture (orientation) of the sensor module. It is extremely easy to incorporate into an object. Further, since the sensor module is inserted into the cushioning filler, the softness, touch, safety, etc. inherent to the soft object are not impaired.
  • the sensor module further includes a wireless communication unit that transmits a measurement result by wireless communication and a battery, and is not physically connected to other devices.
  • a wireless communication unit that transmits a measurement result by wireless communication and a battery, and is not physically connected to other devices.
  • the sensor module is provided in a spherical or convex polyhedron housing. Therefore, since the hook of a sensor module can be eliminated, the operation
  • the plurality of photo reflectors are preferably arranged at equal intervals on the surface of the casing, and further, six photo reflectors may be arranged in six directions along three orthogonal axes. More preferred. Thereby, the density change of the packing around the sensor module can be accurately measured regardless of the posture (orientation) of the sensor module.
  • a sensor system is a sensor system comprising a plurality of the above-described sensor modules and an information processing device that acquires measurement results from the plurality of sensor modules, wherein the plurality of sensor modules are: Inserted at different positions inside one soft object, and the information processing apparatus applies an action point and a magnitude of a load applied to the soft object based on insertion positions and measurement results of the plurality of sensor modules. Is estimated.
  • the surface of the soft object can be handled as if it were a touch sensor, and the soft object can be used as an input device in various forms and applications. Will be available. Combining not only the position information but also the magnitude of the load can be expected to further expand the application and possibilities as an input device.
  • the sensor system according to the present invention can be mounted on soft objects of any kind, shape, and size as long as a plurality of sensor modules can be inserted at different positions. Therefore, there is also an advantage that the application range is extremely wide.
  • the sensor system further includes a camera having sensitivity to irradiation light of the photoreflector of the sensor module, and an image of the soft object and irradiation light from the plurality of sensor modules is captured by the camera, It is preferable to execute a calibration process for specifying an insertion position of each sensor module with respect to the soft object using the image. Providing such a calibration function eliminates the need for strict positioning when the sensor module is inserted into the soft object, facilitating mounting. In addition, since it is only necessary to take an image with a camera, calibration can be easily performed in a non-contact manner.
  • An input device includes the above-described sensor system and a soft object in which a plurality of sensor modules of the sensor system are inserted at different positions, and the information processing device of the sensor system includes the soft device.
  • a command according to an action point and / or magnitude of a load applied to an object is sent to a control object.
  • a sensor module that can be easily mounted without impairing the softness and safety of the soft object, and can measure the load and deformation applied to the soft object.
  • This sensor module makes it possible to realize a unique input device using a soft object such as a cushion or a stuffed toy.
  • the figure for demonstrating the measurement principle using a photo reflector The figure which shows the structure of an experimental apparatus.
  • the present inventors can incorporate sensor modules into soft objects (such as cushions, stuffed animals, sofas, beds, pillows, etc.) around us to detect user operations (for example, pressing, hitting, stroking, bending, etc.) Therefore, it is assumed that these soft objects are used as input devices for various electric devices and computer systems.
  • the sensor module that measures the load and deformation applied to the soft object with a photoreflector, and the application point and magnitude of the load are estimated from the outputs of the plurality of sensor modules.
  • a sensor system is proposed.
  • Soft objects such as cushions and stuffed animals are filled with fillers such as cotton, hair, feathers, beads, and sponges. These fillers have a structure containing a large amount of air (gap), and when a load is applied from the outside of the soft object, the density (gap) of the filler changes to exhibit flexibility and elasticity.
  • fillers such as cotton, hair, feathers, beads, and sponges.
  • a photoreflector is a reflective photosensor configured to detect the reflected light of light emitted from a light emitting unit with a light receiving unit, and is originally used to determine the presence of an object and the position of an object. is there.
  • FIG. 1 shows the operation when this photoreflector is inserted into a filling containing a large amount of gaps. Irradiation light from the photo reflector 10 is scattered by the surrounding filler 11 and diffuses in various directions. Only a part of the scattered light (light incidentally reflected in the photo reflector direction) is received by the photo reflector 10. The amount of light received at this time tends to increase as the density of the filler 11 increases (FIG. 1B), and decreases as the density of the filler 11 decreases (FIG. 1A). That is, the output of the photo reflector 10 has a correlation with the density of the filler 11 around the photo reflector 10.
  • the sensor module of the present embodiment uses this principle to detect (estimate) a change in the density of the filling 11 and, in turn, a load or deformation applied to the soft object 12 by looking at the output of the photo reflector 10.
  • a photo reflector 20 (SG-105 manufactured by Kodenshi) was installed on the bottom of a transparent acrylic box 21 having a size of 10.4 ⁇ 10.4 ⁇ 14.6 cm.
  • the photo reflector 20 includes an infrared LED as a light emitting unit and a photo sensor as a light receiving unit.
  • the acrylic box 21 is filled with a filling 24 made of polyester cotton, and a cover 23 whose height can be freely set is provided above the filling 24. By changing the height H of the cover 23, the density of the filler 24 can be changed.
  • the experimental procedure is as follows. In order to confirm the influence of hysteresis, the same measurement was performed both after the cover 23 was lowered and after it was raised. The weight of the filler 24 was measured by KP-103 manufactured by Tanita.
  • FIG. 3 shows the experimental results.
  • the horizontal axis represents the density of the filler 24 made of polyester cotton
  • the vertical axis represents the average measurement voltage of the photosensor.
  • FIG. 6 shows a configuration and an application example of the sensor system according to the embodiment of the present invention.
  • the cushion 60 is operated as an input device (remote controller) of the TV 61 will be described.
  • the sensor system includes a plurality of sensor modules 62 inserted into the cushion 60 and an information processing device 63 that acquires measurement results from the sensor modules 62 and sends control commands to the TV 61 that is a control target based on the measurement results. It consists of and. As shown in FIG. 6, four sensor modules 62 are embedded in the four corners of the cushion 60, respectively, and the change in the density of the filler in the embedded portion is measured. The measurement result of the sensor module 62 is sent to the information processing device 63 by wireless communication.
  • the command transmission from the information processing device 63 to the TV 61 can use infrared communication such as a general remote controller, or can use other wireless communication or wired communication.
  • FIGSensor module 7A and 7B show the configuration of the sensor module 62, where FIG. 7A is an external perspective view, and FIG. 7B is a cross-sectional view showing the internal configuration.
  • the sensor module 62 includes six photo reflectors 70, a wireless communication module 71, a battery 72, and a microcontroller 73. These components are housed in a spherical housing 74.
  • Photoreflector 70 is SG-105 made by KODENSHI Co., Ltd.
  • wireless communication module 71 is XBee Series1
  • battery 72 is 3.7V
  • microcontroller 73 is
  • the six photo reflectors 70 are attached in holes formed on the surface of the housing 74 so as not to protrude from the outer surface of the housing 74.
  • the arrangement is such that they are equally spaced, that is, each is directed in six directions along three orthogonal axes.
  • the six photo reflectors 70 operate independently and can measure reflected light from six directions around the sensor module 62.
  • the sensor module 62 has a symmetrical shape, and the photo reflectors 70 are also symmetrically arranged in all directions. Therefore, the sensor module 62 can be used in any posture (orientation) without distinguishing between the top and the bottom, and can accurately measure the density change of the surrounding packing regardless of the posture.
  • the microcontroller 73 is a circuit responsible for control of the photo reflector 70 and the wireless communication module 71, various signal processing, and data calculation.
  • the microcontroller 73 has a 10-bit AD converter, takes the output voltage of each photoreflector 70 at a predetermined time interval (for example, every second), and converts it into digital data of 0 to 1023. Then, the microcontroller 73 transmits this measurement result to the information processing apparatus 63 via the wireless communication module 71.
  • the measurement results of the six photo reflectors 70 may be individually transmitted, or the total or average of the six measurement results may be obtained, and only one measurement result may be transmitted as the sensor module 62. .
  • This measurement result can be considered as a value corresponding to the density of the packing around the insertion position of the sensor module 62, or can be considered as a value corresponding to a load acting on the insertion position of the sensor module 62. it can.
  • the measurement results of the four sensor modules 62 can be distinguished from each other on the information processing device 63 side.
  • the information processing device 63 shown in FIG. 6 is a device having at least a function of acquiring a measurement result from the sensor module 62 by wireless communication and a function of sending a control command to the TV 61 based on the acquired measurement result. It can be configured by installing a program for realizing the above functions in a general-purpose computer having a CPU, a memory, a hard disk, a communication device, or the like, or can be configured as a dedicated device. For example, the TV 61 itself or the remote controller of the TV 61 can also serve as the information processing device 63.
  • the information processing apparatus 63 can obtain the point of action of the load (the place pressed by the user) by calculating the center of gravity of the measurement values of the four sensor modules 62.
  • the calculation formula is as follows.
  • p i is a measurement value of the i-th sensor module 62, and here, a total value of output values of all the photo reflectors in the i-th sensor module 62 is used.
  • x i and y i are xy coordinate values of the i-th sensor module 62.
  • x and y are the xy coordinates of the point of application of the load applied by the user.
  • M is the total of the measured values of all the sensor modules 62, and is a value corresponding to the magnitude of the load applied by the user.
  • the location (touch position) pressed by the user can be specified using the measurement values collected from the four sensor modules 62 embedded in the cushion 60.
  • the surface of a soft object such as the cushion 60 can be used as if it were a touch sensor.
  • the information processing device 63 obtains the load application points x and y by the above formula and identifies the button pressed by the user. Then, a control command corresponding to the button (power on / off of the TV 61, channel change, volume change) is generated and sent to the TV 61. As a result, the cushion 60 can function as a remote controller for the TV 61.
  • the sensor system of this embodiment includes a camera 80 and a display device 81 as a configuration related to calibration.
  • the camera 80 is sensitive to the irradiation light of the photo reflector of the sensor module 62.
  • the irradiation light of the photo reflector is infrared light, it is preferable to use an IR camera having sensitivity from infrared light to at least part of visible light.
  • the display device 81 is a touch panel display and also serves as an input device.
  • the information processing apparatus 63 images the cushion 60 with the camera 80 in a state where the sensor module 62 is operated. Then, as shown in FIG. 8, an image is obtained in which the portion in which the sensor module 62 is embedded appears to shine brightly. This is because the infrared light emitted from the photo reflector is visualized by passing through the camera 80.
  • the information processing device 63 displays this image on the display device 81.
  • the user designates the origin of coordinates (for example, it may be set around the center of the cushion 60), the insertion position of each sensor module 62, or designates the area of the button drawn on the cushion 60.
  • the input coordinate values are registered in the memory of the information processing device 63, and thereafter used for the calculation of the action point and the magnitude of the load.
  • the sensor module 62 is fixed to something (for example, a cover or a frame of the cushion 60), or the sensor module. There is no need to adjust the posture (orientation) of 62. Therefore, it is very easy to mount the sensor module 62 on the soft object. In addition, since the sensor module 62 is inserted into a cushioning filler, the softness, touch, safety, etc. inherent to the soft object are not impaired.
  • the sensor module 62 since the sensor module 62 is wireless, the sensor module 62 can be completely embedded inside the soft object, so that the portability of the soft object is improved, and the flexible object can be moved, lifted, and changed in posture. Will be able to do. Further, by removing the cable and the like, the safety of the soft object and the appearance design can be improved.
  • the casing is not limited to a sphere, and may be a convex polyhedron as long as it has a shape that does not catch.
  • the surface of the soft object can be handled as if it were a touch sensor, and the soft object can be used as an input device of various forms and applications. Moreover, as long as a plurality of sensor modules 62 can be inserted at different positions, it can be mounted on flexible objects of any type, shape, and size, so the applicable range is extremely wide. There is also an advantage.
  • a UI button
  • a UI image is projected on the surface of the cushion by a projector, or a sheet on which the UI is drawn is Velcro (registered trademark). It may be detachable with a snap button or the like.
  • the TV input device is exemplified, but other than this, it can also be used as an input device for a music player, a radio, an air conditioner, and other electric devices.
  • a keyboard pattern on the surface of the soft object and outputting a sound of a piano or the like according to the position and strength of pressing the keyboard, it can be used as a toy instrument.
  • a soft object in which a sensor module is embedded as a game controller or to create a stuffed robot that changes its expression and movement according to the position and strength pressed by the user.
  • the present invention for a mechanism for detecting human activities and actions. For example, by embedding a sensor module in a bed or pillow, it is possible to detect a user's sleeping, getting out of bed, movement while sleeping, etc., and controlling the turning on / off of the light according to the detection result, Applications such as controlling the timer are also possible.

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Abstract

　柔物体の内部に充填されている充填物の中に、センサモジュールを挿入する。このセンサモジュールは、センサモジュールの周囲の充填物で反射される光を検知するように、互いに異なる向きに配置されている複数のフォトリフレクタを有している。そして、複数のフォトリフレクタの出力に基づいて、柔物体に対し加えられた荷重又は変形による充填物の密度の変化を測定する。例えば、クッション６０の四隅に４個のセンサモジュール６２を挿入する。情報処理装置６３は、センサモジュール６２から取得した測定結果（ユーザがクッションを押した箇所）に応じて、ＴＶ６１に対し制御命令を送出する。

Description

柔物体のためのセンサモジュール及びセンサシステム
　本発明は、クッションやぬいぐるみなどの柔物体に対し加えられた荷重、変形を測定するための技術に関する。
　機械あるいはコンピュータシステムに対するインタラクションには、従来、ボタンやハンドルなどのハードデバイス（硬い材料からなる入力装置）が用いられるのが一般的であった。これに対し、最近の研究では、ソフトデバイス（柔らかい材料からなる入力装置）を利用することで、より直観的でユーザフレンドリなインタフェースを実現できることが提案されている。また、このようなソフトデバイスは、ハードデバイスに比べて安全性に優れるため、特に幼児・子供向けの製品に適したものとして期待されている。
　我々の身の回りには、クッション、ぬいぐるみ、ソファのような様々な柔物体が数多く存在する。例えばこれらの柔物体を入力装置として利用するには、ユーザが柔物体に対して加える操作（例えば、押す・叩く・なでる・曲げるなど）を検知し、それを入力指令に変換する必要がある。また入力装置として用いるにあたっては、柔物体が固定（拘束）されておらず、その位置や姿勢をユーザが自由に変えられることも望まれる。
　柔物体に対する荷重や変形を検知するための手法としては、柔物体の表面にひずみゲージのようなセンサを取り付け、柔物体表面の形状変化を物理的に測定するという方法が一般的である。しかしながらこの方法は、表面に取り付けられたセンサのために、柔物体本来の柔らかさ・手触りや、安全性などが損なわれるという問題がある。また、柔物体の形状や材質によってはセンサを取り付けることができないという実装上の制約もある。なお、クッションに作用する荷重を検知するものとして、自動車のシートやマッサージチェアにおける着座検知が実用化されているが（例えば特許文献１）、その方法は、クッションを固定する剛体フレームに荷重センサを取り付け、クッションを介して伝播した荷重を検知するというものであるため、柔物体そのものを入力装置に利用するという目的には適用できない。
特表２００１－５１２５７３号公報
　本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、柔物体本来の柔らかさや安全性を損なうことなく簡単に実装することができ、且つ、柔物体に対し加えられた荷重、変形を測定可能なセンサモジュールを提供することにある。また、本発明の更なる目的は、クッションやぬいぐるみのような柔物体を入力装置として利用するための技術を提供することにある。
　上記目的を達成するために本発明者らは鋭意研究を行い、フォトリフレクタ（反射型フォトセンサ）を利用した新規な測定手法を見出し、以下に述べる発明の構成を想起するに至った。
　具体的には、本発明に係るセンサモジュールは、柔物体の内部に充填されている充填物の中に挿入されて使用される、センサモジュールであって、前記センサモジュールの周囲の充填物で反射される光を検知するように、互いに異なる向きに配置されている複数のフォトリフレクタを有しており、前記複数のフォトリフレクタの出力に基づいて、前記柔物体に対し加えられた荷重又は変形による前記充填物の密度の変化を測定することを特徴とする。
　柔物体内部の充填物は空気（隙間）を多く含む構造を有している。このような充填物の中にフォトリフレクタを挿入し動作させた場合、フォトリフレクタから照射された光は周囲の充填物で散乱され、その散乱光の一部（フォトリフレクタ方向に反射した光）のみがフォトリフレクタによって受光される。その受光量は、充填物の密度が高いほど増大し、充填物の密度が低いほど低下する傾向にある。すなわち、フォトリフレクタの出力は、フォトリフレクタ周囲の充填物の密度と相関を有する。この原理を利用し、本発明のセンサモジュールでは、フォトリフレクタの出力をみて充填物の密度の変化、ひいては柔物体に対し加えられた荷重又は変形を測定するのである。
　本発明の構成によれば、センサモジュールを充填物の中に挿入するだけでよく、センサモジュールを何かに固定したり、センサモジュールの姿勢（向き）を調整したりする必要がないため、柔物体に対する組み込みがきわめて容易である。また、センサモジュールはクッション性のある充填物の中に挿入されるため、柔物体本来の柔らかさ、手触り、安全性などを損なうこともない。
　前記センサモジュールが、無線通信により測定結果を送信する無線通信部と、バッテリと、を更に有しており、他の装置と物理的に接続されていないことが好ましい。このようにセンサモジュールをワイヤレスにすることで、センサモジュールを柔物体内部に完全に埋め込むことができるため、柔物体の可搬性が向上し、柔物体の移動、持ち上げ、姿勢の変更などが自由に行えるようになる。また、ケーブル等を排除したことで、柔物体の安全性や外観デザインの向上も図られる。
　前記センサモジュールが、球体又は凸多面体の筐体内に設けられていることが好ましい。これにより、センサモジュールの引っ掛かりを無くすことができるため、センサモジュールを充填物の中に挿入する作業が簡単にできる。
　前記複数のフォトリフレクタが、前記筐体の表面に等間隔で配置されていることが好ましく、更には、６個のフォトリフレクタが、直交３軸に沿った６方向にそれぞれ配置されていることがより好ましい。これにより、センサモジュールの姿勢（向き）によらず、センサモジュール周囲の充填物の密度変化を正確に測定できるようになる。
　また、本発明に係るセンサシステムは、上述したセンサモジュールを複数個と、前記複数のセンサモジュールから測定結果を取得する情報処理装置と、を備えるセンサシステムであって、前記複数のセンサモジュールは、１つの柔物体の内部の異なる位置に挿入され、前記情報処理装置は、前記複数のセンサモジュールの挿入位置と測定結果とに基づいて、前記柔物体に対し加えられた荷重の作用点及び大きさを推定することを特徴とする。
　この構成によれば、荷重の作用点（つまり、ユーザが触れた位置）が分かるため、柔物体の表面をあたかもタッチセンサのように取り扱うことができ、様々な形態・用途の入力装置として柔物体を利用できるようになる。位置情報だけでなく、荷重の大きさも組み合わせれば、入力装置としての応用や可能性が更に広がるものと期待できる。また、本発明に係るセンサシステムは、複数個のセンサモジュールを異なる位置に挿入することができさえすれば、どのような種類・形状・大きさの柔物体に対しても実装が可能であることから、適用範囲がきわめて広いという利点もある。
　前記センサシステムが、前記センサモジュールのフォトリフレクタの照射光に対して感度を有するカメラを更に備え、前記柔物体と前記複数のセンサモジュールからの照射光とが写った画像を前記カメラによって撮像し、前記画像を用いて各センサモジュールの前記柔物体に対する挿入位置を特定するキャリブレーション処理を実行することが好ましい。このようなキャリブレーション機能を設けたことで、柔物体にセンサモジュールを挿入する際には厳密な位置決めが不要となり、実装の容易化が図られる。また、カメラで撮像するだけでよいので、非接触で且つ簡単にキャリブレーションを実施することができる。
　また、本発明に係る入力装置は、上述したセンサシステムと、前記センサシステムの複数のセンサモジュールが異なる位置に挿入されている柔物体と、を備え、前記センサシステムの情報処理装置が、前記柔物体に対し加えられた荷重の作用点及び／又は大きさに応じた命令を、制御対象に対して送出することを特徴とする。これにより、安全性に優れ、直観的でユーザフレンドリなインタラクションを実現可能な入力装置を提供することができる。
　本発明によれば、柔物体本来の柔らかさや安全性を損なうことなく簡単に実装することができ、且つ、柔物体に対し加えられた荷重、変形を測定可能なセンサモジュールを提供することができる。そしてこのセンサモジュールにより、クッションやぬいぐるみのような柔物体を利用したユニークな入力装置を実現することが可能となる。
フォトリフレクタを用いた測定原理を説明するための図。 実験装置の構成を示す図。 ポリエステル綿での実験結果を示す図。 スモールフェザーでの実験結果を示す図。 天然綿での実験結果を示す図。 本発明の実施形態に係るセンサシステムの構成及び適用例を示す図。 本発明の実施形態に係るセンサモジュールの構成を示す図。 キャリブレーションに関わる構成を示す図。
　本発明者らは、身の回りにある柔物体（例えば、クッション、ぬいぐるみ、ソファ、ベッド、枕など）にセンサモジュールを組み込み、ユーザからの操作（例えば、押す・叩く・なでる・曲げるなど）を検知可能とすることで、これらの柔物体を各種電気機器やコンピュータシステムの入力装置として利用することを想定している。これを実現するための要素技術として、本明細書では、柔物体に付与された荷重や変形をフォトリフレクタにより測定するセンサモジュールと、複数のセンサモジュールの出力から荷重の作用点及び大きさを推定するセンサシステムとを提案する。
　以下、最初に、フォトリフレクタを用いた測定原理とその検証実験についての説明を行い、その後で、センサモジュール及びセンサシステムの具体的な構成例について説明する。
　＜フォトリフレクタを用いた測定原理＞
　クッションやぬいぐるみなどの柔物体は、その内部に綿、毛、羽、ビーズ、スポンジなどの充填物が充填されている。これらの充填物は空気（隙間）を多く含む構造を有しており、柔物体の外から荷重を加えると充填物の密度（隙間）が変化することで柔軟性や弾力性が発揮される。
　フォトリフレクタとは、発光部から照射した光の反射光を受光部で検出するという構成の反射型フォトセンサであり、本来は、物体の有無や物体の位置を判定するために利用されるものである。このフォトリフレクタを、隙間を多く含む充填物の中に挿入した場合の動作を図１に示す。フォトリフレクタ１０の照射光は周囲の充填物１１で散乱され、様々な方向に拡散する。そして、その散乱光の一部（フォトリフレクタ方向に偶々反射した光）のみがフォトリフレクタ１０によって受光されることとなる。このときの受光量は、充填物１１の密度が高くなるほど増大し（図１（ｂ））、充填物１１の密度が低くなるほど低下する傾向にある（図１（ａ））。すなわち、フォトリフレクタ１０の出力は、フォトリフレクタ１０の周囲の充填物１１の密度と相関を有する。
　本実施形態のセンサモジュールでは、この原理を利用し、フォトリフレクタ１０の出力をみて充填物１１の密度の変化、ひいては柔物体１２に対し加えられた荷重又は変形を検知（推定）する。
　次に、充填物の密度の変化とフォトリフレクタの受光量との関係を検証するために行った実験について説明する。
　図２に示すように、１０．４×１０．４×１４．６ｃｍの透明なアクリルボックス２１の底に、フォトリフレクタ２０（コーデンシ社製ＳＧ－１０５）を設置した。フォトリフレクタ２０は、発光部としての赤外線ＬＥＤと受光部としてのフォトセンサを有している。アクリルボックス２１には、ポリエステル綿からなる充填物２４が充填されており、充填物２４の上部には高さを自由に設定可能なカバー２３が設けられている。カバー２３の高さＨを変えることで、充填物２４の密度を変更することができる仕組みである。
　実験手順は以下の通りである。なお、ヒステリシスの影響を確認するため、カバー２３を下げた後と上げた後の両方で同じ測定を行うこととした。また充填物２４の重さはタニタ社製ＫＰ－１０３により測定した。
　１．アクリルボックス２１内に、充填物２４を１０．０ｇ入れる。
　２．底から１２ｃｍの高さにカバー２３をセットする。
　３．フォトセンサ出力を１０回記録し、その平均を求める。
　４．カバー２３を２ｍｍ下げる。
　５．カバー２３が底から５．２ｃｍの高さになるまで、ステップ３と４を繰り返す。
　６．カバー２３を２ｍｍ上げる。
　７．フォトセンサ出力を１０回記録し、その平均を求める。
　８．カバー２３が底から１２ｃｍの高さになるまで、ステップ６と７を繰り返す。
　図３に、実験結果を示す。横軸がポリエステル綿からなる充填物２４の密度、縦軸がフォトセンサの平均測定電圧である。カバー２３を徐々に押し下げ充填物２４の密度を高くしていくと、それにほぼ比例するように測定電圧が増大し、逆にカバー２３を徐々に引き上げ充填物２４の密度を低くしていくと、測定電圧が低下していくことが分かる。０．００７８～０．０１１６［ｇ／ｃｍ３］の密度範囲でヒステリシスの影響がみられるので、０．０１１６［ｇ／ｃｍ３］よりも高い密度の充填物２４を用いることが好ましいことが分かる。
　図４、図５は、それぞれスモールフェザーと天然綿の実験結果を示している。これらから、ポリエステル綿以外の材料でも同様の密度測定が可能であることが分かる。
　＜センサシステムの構成＞
　図６は、本発明の実施形態に係るセンサシステムの構成及び適用例を示している。ここでは、クッション６０をＴＶ６１の入力装置（リモコン）として動作させる例について説明する。
　センサシステムは、クッション６０の内部に挿入された複数のセンサモジュール６２と、これらのセンサモジュール６２から測定結果を取得し、それに基づいて制御対象であるＴＶ６１に対し制御命令を送出する情報処理装置６３とから構成されている。図６に示すように、４個のセンサモジュール６２が、クッション６０の四隅にそれぞれ埋め込まれており、その埋め込まれた部分における充填物の密度の変化を測定する。センサモジュール６２の測定結果は無線通信により情報処理装置６３に送られる。情報処理装置６３からＴＶ６１への命令送出は、一般的なリモコンのような赤外線通信を利用することもできるし、その他の無線通信や有線通信を利用することもできる。
　（センサモジュール）
　図７は、センサモジュール６２の構成を示しており、（ａ）は外観の斜視図であり、（ｂ）は内部構成を示す断面図である。
　センサモジュール６２は、６個のフォトリフレクタ７０と、無線通信モジュール７１と、バッテリ７２と、マイクロコントローラ７３とから構成され、これらの部品は球体の筐体７４に収容されている。フォトリフレクタ７０には前述したコーデンシ社製のＳＧ－１０５、無線通信モジュール７１にはＸＢｅｅ　Ｓｅｒｉｅｓ１、バッテリ７２には３．７Ｖ、３５０ｍＡのＬｉ－Ｐｏバッテリ、マイクロコントローラ７３にはＡｒｄｕｉｎｏ　Ｐｒｏ　ｍｉｎｉ（ＡＴｍｅｇａ３２８）を用いる。また筐体７４はＡＢＳ樹脂により作製する。
　６個のフォトリフレクタ７０は、筐体７４の外表面から突き出ないよう、筐体７４の表面に形成された孔の中に取り付けられている。その配置は、等間隔になるように、すなわち直交３軸に沿った６方向にそれぞれが向くようになっている。６個のフォトリフレクタ７０は、独立に動作するものであり、センサモジュール６２の周囲６方向からの反射光を測定することが可能である。このようにセンサモジュール６２は対称形状を有しており、フォトリフレクタ７０も全方位的に対称配置されている。よって、センサモジュール６２は天地左右の区別なくどのような姿勢（向き）で用いることも可能であるし、姿勢によらず周囲の充填物の密度変化を正確に測定することが可能である。
　マイクロコントローラ７３は、フォトリフレクタ７０及び無線通信モジュール７１の制御や、各種信号処理及びデータ演算を担う回路である。マイクロコントローラ７３は、１０ビットのＡＤ変換器を有しており、所定の時間間隔（例えば１秒ごと）で各々のフォトリフレクタ７０の出力電圧を取り込み、０～１０２３のデジタルデータに変換する。そして、マイクロコントローラ７３は、この測定結果を無線通信モジュール７１を介して情報処理装置６３へと送信する。このとき、６個のフォトリフレクタ７０の測定結果を個別に送信してもよいし、６個の測定結果の合計や平均などを求め、センサモジュール６２として１つの測定結果だけを送信してもよい。この測定結果は、当該センサモジュール６２の挿入位置周辺の充填物の密度に相当する値と考えることもできるし、或いは、当該センサモジュール６２の挿入位置に作用した荷重に相当する値と考えることもできる。
　なお、各センサモジュール６２の無線通信モジュール７１には一意のＩＤ番号が割り当てられているため、情報処理装置６３の側では４個のセンサモジュール６２の測定結果を互いに区別することができる。
　（情報処理装置）
　図６に示す情報処理装置６３は、少なくとも、無線通信によりセンサモジュール６２から測定結果を取得する機能と、取得した測定結果に基づいてＴＶ６１に対し制御命令を送出する機能とを有する装置である。ＣＰＵ、メモリ、ハードディスク、通信装置などを備えた汎用のコンピュータに対し上記機能を実現するためのプログラムをインストールすることで構成することもできるし、或いは、専用の装置として構成することもできる。例えば、ＴＶ６１自体又はＴＶ６１のリモコンが情報処理装置６３を兼ねることも可能である。
　（動作）
　クッション６０には、「ＯＮ／ＯＦＦ」、「チャンネルＵＰ」、「チャンネルＤＯＷＮ」、「音量ＵＰ」、「音量ＤＯＷＮ」の５つのボタンの模様が描かれている。ユーザがクッション６０のいずれかのボタンの部分を押すと、その荷重によりクッション６０が変形し（凹み）、内部の充填物の密度が変化する。このとき、荷重の作用点（ユーザが押した箇所）に近いところほど密度の変化が大きく、逆に荷重の作用点から遠いほど密度の変化が小さくなる。それゆえ、４個のセンサモジュール６２の測定値を比較することで、荷重の作用点、すなわちユーザがどのボタンを押したかを推定することが可能となる。
　具体的には、情報処理装置６３は、４個のセンサモジュール６２の測定値の重心を計算することで、荷重の作用点（ユーザが押した箇所）を求めることができる。計算式は以下の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｎはセンサモジュール６２の数（本実施形態ではｎ＝４）である。ｐｉはｉ番目のセンサモジュール６２の測定値であり、ここではｉ番目のセンサモジュール６２内の全てのフォトリフレクタの出力値の合計値を用いる。ｘｉ，ｙｉはｉ番目のセンサモジュール６２のｘｙ座標値である。ｘ，ｙは、ユーザによって加えられた荷重の作用点のｘｙ座標である。Ｍは全てのセンサモジュール６２の測定値の合計であり、ユーザによって加えられた荷重の大きさに相当する値である。
　このような方法によれば、クッション６０に埋め込んだ４個のセンサモジュール６２から集めた測定値を用いて、ユーザが押した箇所（タッチ位置）を特定することができる。このことは、クッション６０のような柔物体の表面をあたかもタッチセンサのように利用できることを意味する。しかも、この方法によれば、ハードデバイスのタッチセンサでは難しいとされる、押圧の強さの情報も入力することができる。
　情報処理装置６３は、上記計算式により荷重の作用点ｘ，ｙを求め、ユーザが押したボタンを特定する。そして、ボタンに対応した制御命令（ＴＶ６１の電源オン又はオフ、チャンネルの変更、音量の変更）を生成し、ＴＶ６１に送出する。これにより、クッション６０をＴＶ６１のリモコンとして機能させることが可能となる。
　（キャリブレーション）
　ところで、上記計算式により荷重の作用点ｘ，ｙを求めるためには、予め、各センサモジュール６２のクッション６０内の挿入位置ｘｉ，ｙｉを特定しておく必要がある。また、荷重の作用点ｘ，ｙからユーザが押したボタンを特定するには、クッション６０上の各ボタンの座標も予め特定しておかなければならない。そこで本実施形態では、クッション６０の中にセンサモジュール６２を挿入した後、これを入力装置として使用する前に、以下に述べる手法で各種座標のキャリブレーションを行う。
　図８に示すように、本実施形態のセンサシステムは、キャリブレーションに関わる構成として、カメラ８０及び表示装置８１を有している。カメラ８０は、センサモジュール６２のフォトリフレクタの照射光に対して感度を有するものである。ここではフォトリフレクタの照射光が赤外線であるため、赤外光から可視光の少なくとも一部までの感度をもつＩＲカメラを用いるとよい。また表示装置８１はタッチパネルディスプレイであり、入力デバイスを兼ねている。
　まず情報処理装置６３は、センサモジュール６２を動作させた状態で、カメラ８０でクッション６０を撮像する。そうすると、図８に示すように、センサモジュール６２が埋め込まれた部分が明るく光ったように見える画像が得られる。カメラ８０を通すことで、フォトリフレクタから発せられる赤外光が可視像化されるためである。
　情報処理装置６３は、この画像を表示装置８１に表示する。ユーザは、この画像上で、座標の原点（例えばクッション６０の中心あたりに設定すればよい）や各センサモジュール６２の挿入位置を指定したり、クッション６０上に描かれたボタンの領域を指定したりすることで、各種座標を入力（教示）することができる。入力された座標値は、情報処理装置６３のメモリに登録され、以降は上述した荷重の作用点及び大きさの計算に利用される。
　このようなキャリブレーション機能を設けることで、柔物体にセンサモジュール６２を挿入する際には厳密な位置決めが不要となり、実装の容易化が図られる。また、カメラ８０で撮像するだけでよいので、非接触で且つ簡単にキャリブレーションを実施することができる。
　＜本実施形態の利点＞
　以上述べた本実施形態の構成によれば、センサモジュール６２を柔物体の間に挿入するだけでよく、センサモジュール６２を何か（例えばクッション６０のカバーやフレームなど）に固定したり、センサモジュール６２の姿勢（向き）を調整したりする必要がない。よって、センサモジュール６２の柔物体に対する実装がきわめて容易である。また、センサモジュール６２はクッション性のある充填物の中に挿入されるため、柔物体本来の柔らかさ、手触り、安全性などを損なうこともない。
　また、センサモジュール６２をワイヤレスにしたことで、センサモジュール６２を柔物体内部に完全に埋め込むことができるため、柔物体の可搬性が向上し、柔物体の移動、持ち上げ、姿勢の変更などが自由に行えるようになる。また、ケーブル等を排したことで、柔物体の安全性や外観デザインの向上も図られる。
　また、センサモジュール６２の部品を球体の筐体内に設けたことで、センサモジュール６２の表面の引っ掛かりを無くすことができ、センサモジュール６２を充填物の中に挿入する作業が簡単にできる。なお筐体は、引っ掛かりの無い形状であればよいので、球体に限らず、凸多面体でもよい。
　また、本実施形態のセンサシステムを組み込めば、柔物体の表面をあたかもタッチセンサのように取り扱うことができ、様々な形態・用途の入力装置として柔物体を利用できるようになる。しかも、複数個のセンサモジュール６２を異なる位置に挿入することができさえすれば、どのような種類・形状・大きさの柔物体に対しても実装が可能であることから、適用範囲がきわめて広いという利点もある。
　＜他の適用例＞
　上記実施形態では、クッション内部にセンサモジュールを組み込み、これをＴＶの入力装置として利用する例を説明したが、本発明の適用範囲はこれに限られず、種々の応用が可能である。
　例えば、上記実施形態では、クッションの表面にＵＩ（ボタン）を描いたが、プロジェクタでＵＩの映像をクッションの表面に投影したり、或いは、ＵＩが描かれているシートをマジックテープ（登録商標）やスナップボタンなどで着脱自在にしてもよい。プロジェクタで映像を投影する場合には、ＡＲ用のビジュアルマーカなどをクッション表面に取り付けておくことで、投影面の３次元位置を容易に特定することができる。
　また上記実施形態では、ＴＶの入力装置を例示したが、これ以外にも、音楽プレーヤ、ラジオ、エアコンその他の電気機器の入力装置として用いることも可能である。あるいは、柔物体の表面に鍵盤の模様を設け、鍵盤を押した位置とその強さに応じてピアノ等の音を出力するようにすれば、おもちゃの楽器として利用することもできる。また、センサモジュールを埋め込んだ柔物体をゲームのコントローラとして用いたり、ユーザが押した位置・強さに応じて表情や動きを変えるぬいぐるみロボットを作製することも可能である。
　さらに、身の回りにある様々な柔物体に簡単に実装できるという利点を生かし、本発明を人の活動や行動を検知する仕組みに利用することも可能である。例えば、ベッドや枕にセンサモジュールを埋め込んでおけば、ユーザの就寝、離床、就寝中の動きなどを検知することができるので、その検知結果に応じてライトの点灯／消灯を制御したり、エアコンのタイマを制御したりするといった応用も可能である。
１０，２０，７０：フォトリフレクタ
１１，２４：充填物
１２：柔物体
２１：アクリルボックス
２３：カバー
６０：クッション
６１：ＴＶ
６２：センサモジュール
６３：情報処理装置
７１：無線通信モジュール
７２：バッテリ
７３：マイクロコントローラ
７４：筐体
８０：カメラ
８１：表示装置

Claims (11)

  1. 　柔物体の内部に充填されている充填物の中に挿入されて使用される、センサモジュールであって、
    　前記センサモジュールの周囲の充填物で反射される光を検知するように、互いに異なる向きに配置されている複数のフォトリフレクタを有しており、
    　前記複数のフォトリフレクタの出力に基づいて、前記柔物体に対し加えられた荷重又は変形による前記充填物の密度の変化を測定する
    ことを特徴とするセンサモジュール。
  2. 　無線通信により測定結果を送信する無線通信部と、バッテリと、を更に有しており、他の装置と物理的に接続されていない
    ことを特徴とする請求項１に記載のセンサモジュール。
  3. 　前記フォトリフレクタで検知される受光量が大きいほど、前記荷重が大きいこと又は前記充填物の密度が高いことを表す測定結果を出力し、
    　前記フォトリフレクタで検知される受光量が小さいほど、前記荷重が小さいこと又は前記充填物の密度が低いことを表す測定結果を出力する
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサモジュール。
  4. 　前記充填物は、綿、毛、羽、ビーズ、又は、スポンジである
    ことを特徴とする請求項１～３のうちいずれか１項に記載のセンサモジュール。
  5. 　前記センサモジュールは、球体又は凸多面体の筐体内に設けられている
    ことを特徴とする請求項１～４のうちいずれか１項に記載のセンサモジュール。
  6. 　前記複数のフォトリフレクタが、前記筐体の表面に等間隔で配置されている
    ことを特徴とする請求項５に記載のセンサモジュール。
  7. 　６個のフォトリフレクタが、直交３軸に沿った６方向にそれぞれ配置されている
    ことを特徴とする請求項６に記載のセンサモジュール。
  8. 　請求項１～７のうちいずれか１項に記載された複数のセンサモジュールと、前記複数のセンサモジュールから測定結果を取得する情報処理装置と、を備えるセンサシステムであって、
    　前記複数のセンサモジュールは、１つの柔物体の内部の異なる位置に挿入され、
    　前記情報処理装置は、前記複数のセンサモジュールの挿入位置と測定結果とに基づいて、前記柔物体に対し加えられた荷重の作用点及び大きさを推定する
    ことを特徴とするセンサシステム。
  9. 　前記情報処理装置は前記センサモジュールから無線通信により測定結果を取得するものであり、前記情報処理装置と前記センサモジュールとは物理的に接続されていない
    ことを特徴とする請求項８に記載のセンサシステム。
  10. 　前記センサモジュールのフォトリフレクタの照射光に対して感度を有するカメラを更に備え、
    　前記柔物体と前記複数のセンサモジュールからの照射光とが写った画像を前記カメラによって撮像し、前記画像を用いて各センサモジュールの前記柔物体に対する挿入位置を特定するキャリブレーション処理を実行する
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のセンサシステム。
  11. 　請求項８～１０のうちいずれか１項に記載のセンサシステムと、
    　前記センサシステムの複数のセンサモジュールが異なる位置に挿入されている柔物体と、を備え、
    　前記センサシステムの情報処理装置が、前記柔物体に対し加えられた荷重の作用点及び／又は大きさに応じた命令を、制御対象に対して送出する
    ことを特徴とする入力装置。
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