WO2020149072A1

WO2020149072A1 - 触感センサ

Info

Publication number: WO2020149072A1
Application number: PCT/JP2019/049270
Authority: WO
Inventors: 悠二米原; 帝聡黒木; 孝太南澤
Original assignee: 豊田合成株式会社; 学校法人慶應義塾
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2020-07-23
Also published as: JP2020112472A; JP7093080B2

Abstract

物体（Ａ）から受ける触感を検出する触感センサ（１０）は、物体（Ａ）に接触させることにより、物体（Ａ）の表面との間に閉空間を形成する接触部（１２）と、閉空間内の空気の振動を検出する振動センサ（１５）とを備えている。接触部（１２）は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状の基部（１３）と、基部（１３）の先端に接続されて、基部（１３）よりも柔らかい先端部（１４）とを備えている。振動センサ（１５）は、少なくとも１～１０Ｈｚの低周波領域の振動を検出可能であるとともに、基部（１３）の基端に配置されている。

Description

触感センサ

　本開示は、物体から受ける触感を検出する触感センサに関する。

　特許文献１には、力検出センサと加速度センサとを備えるウェアラブルな触感センサが開示されている。特許文献１の触感センサは、操作者の手に装着可能な触覚検出グローブを備えている。触覚検出グローブの各指先に当たる部分には、物体操作時の操作者の手の接触力に係る触覚検出信号を出力する力検出センサと、操作者の手の動きの加速度に係る触覚検出信号を出力する加速度センサとが設けられている。特許文献１の触感センサは、力検出センサ及び加速度センサから出力される触覚検出信号に基づいて、５０～５００Ｈｚの周波数の振動パターンデータを作成し、その振動パターンデータから触覚情報を作成する。

特開２００６－５８９７３号公報

　ところで、特許文献１の触感センサは、低周波領域の振動（例えば、１０Ｈｚ以下の振動）を検出することが難しく、低周波領域の振動を生じさせる触感の検出に難点があった。低周波領域の振動を生じさせる触感としては、例えば、人体等の柔らかい物体に触れた場合の触感が挙げられる。

　本開示の目的は、柔らかい物体に触れた場合の触感等の低周波領域の振動を生じさせる触感を検出できる触感センサを提供することにある。

　上記課題を解決する触感センサは、物体から受ける触感を検出する触感センサであって、前記物体に接触させることにより、前記物体の表面との間に閉空間を形成する接触部と、前記閉空間内の空気振動を検出する振動センサとを備え、前記接触部は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状の基部と、前記基部の先端に接続されて、前記基部よりも柔らかい先端部とを備え、前記振動センサは、少なくとも１～１０Ｈｚの低周波領域の振動を検出可能であるとともに、前記基部の基端に配置されている。

　上記構成によれば、柔らかい物体に接触部が触れたときに、柔らかい先端部が潰れるように変形して閉空間の形状が変化し、閉空間内に物体の柔らかさに応じた空気の振動が生じる。また、柔らかい物体との間に閉空間を形成した状態において、物体の表面が変位したとき（例えば、生物の脈動）、閉空間の形状が変化し、閉空間内に物体の表面の変位に応じた空気の振動が生じる。これらの閉空間の形状の変化に基づく空気の振動を触感情報として振動センサにより検出する。

　特に、接触部の基部は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状に形成されている。そのため、閉空間の形状が変化したとき、閉空間内の空気は、基部における大径の先端側から小径の基端側へと大きく動き、基部の基端に設けられた振動センサを大きく動かす。これにより、閉空間内に生じる空気の振動を感度良く検出することができる。

　上記触感センサにおいて、前記振動センサは、コンデンサマイクであることが好ましい。

　上記構成によれば、低周波領域から高周波領域までの広範囲の振動を検出できるため、触感センサが様々な触感の検出に適したものになる。

　上記触感センサにおいて、前記先端部は、ショアＡ硬度が４０以下であることが好ましい。

　上記構成によれば、物体に対して接触部を押し付けた際に、物体の柔らかさに依存した振動パターンの振動を生じさせることが容易である。また、閉空間を形成した状態で物体の表面が変位した際に、閉空間の密閉状態を維持させることが容易である。

　上記触感センサは、前記接触部を支持する装着部を備え、前記装着部は、断面環状であり、伸縮可能なエラストマー材料又はストレッチ生地により構成されていることが好ましい。

　上記構成によれば、操作者の指等に触感センサを簡単かつ確実に装着できるため、上記構成の触感センサは、ウェアラブルな装置として適している。

　上記触感センサにおいて、前記接触部の周囲に配置されて、前記装着部と前記接触部の間の凹凸を埋める外装部を備え、前記外装部は、前記基部よりも柔らかく、前記先端部よりも硬いことが好ましい。

　上記構成によれば、物体の表面に接触部を接触させた状態のまま、接触部を動かす際に生じる引っ掛かりを抑制できる。これにより、触診する場合のように、物体の表面を滑らせるように接触部を移動させながら、物体の部位毎の触感を検出することが容易になる。

　本開示の触感センサによれば、柔らかい物体に触れた場合の触感等の低周波領域の振動を生じさせる触感を検出できる。

触感センサの断面図。物体の表面に接触部を接触させた状態の説明図。物体の表面に接触部を押し付けた状態の説明図。遠隔診断システムの概略図。

　以下、一実施形態の触感センサ１０を説明する。

　図１に示すように、触感センサ１０は、使用者の指に装着される装着部１１を備えている。装着部１１は、使用者の指が挿入される断面環状の環状部分を有する袋状をなし、伸縮可能な材料により構成されている。装着部１１を構成する材料としては、例えば、シリコーンやウレタン等のエラストマー材料、ストレッチ生地が挙げられる。

　装着部１１には、物体に接触させることにより、物体Ａの表面との間に後述する閉空間Ｓを形成する接触部１２が支持されている。接触部１２は、先端が開口する筒状の基部１３と、基部１３の先端に一体に接続され、基部１３よりも柔らかい先端部１４とを備え、基部１３の基端部分において装着部１１に支持されている。

　基部１３は、全体として筒状に形成されている。基部１３は、装着部１１に支持される基端側から先端側に向かって、その内径が徐々に拡径する拡径部１３ａを備えている。接触部１２において、基部１３は、相対的に硬い硬質材料により形成される部位であり、例えば、ショアＡ硬度が９０以上であることが好ましく、９５以上であることがより好ましい。基部１３を構成する硬質材料としては、例えば、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の硬質樹脂や金属が挙げられる。

　先端部１４は、基部１３の先端全体に設けられる筒状の部位である。先端部１４の基端の内径は、基部１３の先端の内径と同じであり、基端側から先端側に向かって徐々に拡径している。接触部１２において、先端部１４は、相対的に柔らかい軟質材料により形成される部位であり、例えば、ショアＡ硬度が４０以下であることが好ましく、１０～４０であることがより好ましく、２０～３０であることが更に好ましい。先端部１４を構成する軟質材料としては、例えば、シリコーン、ウレタン、アクリル等のエラストマーが挙げられる。

　基部１３の軸方向における先端部１４の長さは、例えば、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、１～１０ｍｍであることがより好ましい。また、基部１３の軸方向における先端部１４の長さは、基部１３の軸方向の長さよりも短いことが好ましい。

　接触部１２の基部１３の基端には、振動センサ１５が取り付けられている。振動センサ１５は、基部１３の基端を閉塞するとともに、その一部が装着部１１の内面側に露出している。振動センサ１５は、接触部１２内の空気の振動を検出する。振動センサ１５としては、少なくとも１～１０Ｈｚの低周波領域の振動を検出可能なセンサが用いられる。そのようなセンサの具体例としては、コンデンサマイク、ダイナミックマイク、ピエゾ型センサ、加速度センサ、空気圧センサが挙げられる。これらのなかでも、低周波領域から高周波領域までの広範囲の振動を検出できることから、コンデンサマイクを用いることが好ましい。振動センサ１５は、接触部１２内の空気の振動に基づく触感情報としての検出信号を外部機器に送信するための端子１６に接続されている。

　接触部１２の周囲には、装着部１１の外面と接触部１２との間の凹凸を埋める外装部１７が配置されている。外装部１７は、基部１３よりも柔らかく且つ先端部１４よりも硬い軟質材料により形成されている。外装部１７は、例えば、ショアＡ硬度が２０～６０であることが好ましく、３０～５０であることがより好ましい。外装部１７を構成する軟質材料としては、例えば、シリコーン、ウレタン、アクリル等のエラストマーが挙げられる。

　次に、触感センサ１０を用いて触感を検出する態様を本実施形態の作用とともに説明する。

　まず、図１～３に基づいて、触感センサ１０を用いて、測定対象となる物体Ａの柔らかさに基づく触感を検出する場合について説明する。なお、図２及び図３においては、装着部１１及び外装部１７の図示を省略している。

　図１に示すように、触感センサ１０は、使用者の指に袋状の装着部１１を被せることにより装着状態とされる。この装着状態において、図２に示すように、物体Ａの表面に対して、接触部１２の先端部１４を接触させる。これにより、物体Ａの表面と接触部１２との間に密閉された閉空間Ｓが形成される。なお、物体Ａの表面が平面状でない場合であっても、物体Ａの表面の形状に追従して先端部１４が変形することによって閉空間Ｓが形成される。

　図３に示すように、閉空間Ｓを形成した状態から、物体Ａに対して接触部１２をゆっくりと押し付けると、柔らかい先端部１４が潰れるように変形して閉空間Ｓの形状が変化し、閉空間Ｓ内に低周波領域の振動が生じる。物体Ａに接触部１２を押し付けた際の先端部１４の変形量や変形速度等の変形の態様は、物体Ａの柔らかさに依存する。そのため、閉空間Ｓの形状の変化にともなって生じる閉空間Ｓ内の空気の振動の振動パターンも、物体Ａの柔らかさに依存したものになる。振動センサ１５は、閉空間Ｓ内の空気の振動を触感情報として検出し、端子１６に接続される外部機器（図示略）に出力する。例えば、振動センサ１５がコンデンサマイクである場合、閉空間Ｓ内の空気の振動を静電容量の変化として検出し、その静電容量の変化に基づく電気信号を外部機器に出力する。

　ここで、接触部１２の基部１３は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状に形成されている。そのため、閉空間Ｓの形状が変化したとき、閉空間Ｓ内の空気は、基部１３における大径の先端側から小径の基端側へと大きく動き、基部１３の基端に設けられた振動センサ１５を大きく動かす。これにより、閉空間Ｓ内に生じる空気の振動を振動センサ１５にて感度良く検出できる。

　また、閉空間Ｓ内の空気が基部１３の先端側から基端側へと動く際に、基部１３が変形したり、振動したりすると、その基部１３の動きによって空気が振動して外乱となる。そこで、触感センサ１０では、接触部１２の基部１３を先端部１４よりも硬く形成することにより、基部１３を動き難くして上記外乱の発生を抑制している。これにより、物体Ａの触感に基づく空気の振動を振動センサ１５にて感度良く検出できる。

　次に、触感センサ１０を用いて、測定対象となる物体Ａの微細な変位に基づく触感を検出する場合について説明する。ここでは、物体Ａの微細な変位として、生物の脈動を検出する場合について説明する。

　図１及び図２に示すように、上記と同様に触感センサ１０を装着状態として、測定対象となる物体Ａにおける脈動を感じやすい部位（例えば、人体の手首）に接触部１２の先端部１４を接触させて、物体Ａの表面と接触部１２との間に閉空間Ｓを形成する。この状態において、脈動により物体Ａの表面が上下に変位すると、物体Ａの表面の位置が変化することにより閉空間Ｓの形状が変化し、閉空間Ｓ内に低周波領域の振動が生じる。振動センサ１５は、この脈動に基づく閉空間Ｓ内の空気の振動を触感情報として検出し、端子１６に接続される外部機器（図示略）に出力する。

　この場合にも上記と同様のメカニズムにより、閉空間Ｓ内に生じる空気の振動を振動センサ１５にて感度良く検出できるとともに、上記外乱の発生が抑制されて、物体Ａの変位に基づく空気の振動を振動センサ１５にて感度良く検出できる。また、脈動により物体Ａの表面が上下に変位したとき、その変位に追従して、柔らかい先端部１４が変形することにより、閉空間Ｓの密閉状態が維持される。これにより、閉空間Ｓ内の空気の振動が外部に逃げることが抑制されて、閉空間Ｓ内の空気の振動を振動センサ１５にて感度良く検出できる。

　なお、本実施形態の触感センサ１０の適用例としては、遠隔診断システム等の触感伝送システムが挙げられる。以下、触感センサ１０を遠隔診断システム２０に適用した場合について説明する。

　図４に示すように、遠隔診断システム２０は、患者側にて使用される第１装置２０Ａと、患者と離れた遠隔地に存在する医師側にて使用される第２装置２０Ｂとを備えている。第１装置２０Ａは、触感センサ１０と、触感センサ１０により検出された触感情報を送信する送信部２１（即ち、送信回路）とを備えている。第２装置２０Ｂは、第１装置２０Ａから送信された触感情報を受信する受信部２２（即ち、受信回路）と、装着者に触感を提示する触感提示装置２３と、受信部２２により受信された触感情報に基づいて触感提示装置２３の動作を制御する制御部２４とを備えている。触感提示装置２３としては、例えば、誘電エラストマーアクチュエータ等の高分子アクチュエータ、偏心モータ、圧電素子等をアクチュエータとして有する触感提示装置を用いることができる。制御部２４は、１）コンピュータプログラム（ソフトウェア）に従って動作する１つ以上のプロセッサ、２）各種処理のうち少なくとも一部の処理を実行する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等の１つ以上の専用のハードウェア回路、或いは３）それらの組み合わせ、を含む回路（circuitry）として構成し得る。プロセッサは、ＣＰＵ並びに、ＲＡＭ及びＲＯＭ等のメモリを含み、メモリは、処理をＣＰＵに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。メモリすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。

　遠隔診断システム２０においては、遠隔地に存在する医師からの指示に従って、患者側に存在する介護者、ロボット又は患者本人が触感センサ１０を装着した状態で患部を触り、患部の触感を取得する。第１装置２０Ａは、触感センサ１０により取得された患部の触感に基づく触感情報を遠隔地の第２装置２０Ｂへと送信する。第２装置２０Ｂの制御部２４は、送信された触感情報に基づいて、医師に装着された触感提示装置２３に患部の触感を再現させる。これにより、遠隔地に存在する医師は、実際に患者の患部に触れた場合に近い触感を取得することができ、遠隔地において適切な診断を行うことができる。

　次に、本実施形態の効果について記載する。

　（１）物体Ａから受ける触感を検出する触感センサ１０は、物体Ａに接触させることにより、物体Ａの表面との間に閉空間Ｓを形成する接触部１２と、閉空間Ｓ内の空気の振動を検出する振動センサ１５とを備えている。接触部１２は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状の基部１３と、基部１３の先端に接続されて、基部１３よりも柔らかい先端部１４とを備えている。振動センサ１５は、少なくとも１～１０Ｈｚの低周波領域の振動を検出可能であるとともに、基部１３の基端に配置されている。

　上記構成によれば、柔らかい物体Ａに接触部１２が触れたときや、物体Ａとの間に閉空間Ｓを形成した状態において物体Ａの表面が変位したときに生じる閉空間Ｓの形状の変化に基づく空気の振動を触感情報として感度良く検出できる。

　（２）振動センサ１５は、コンデンサマイクである。

　上記構成によれば、低周波領域から高周波領域までの広範囲の振動を検出できる。そのため、触感センサ１０が様々な触感の検出に適したものになる。

　（３）先端部１４は、ショアＡ硬度が４０以下である。

　上記構成によれば、物体Ａに対して接触部１２を押し付けた際に、物体Ａの柔らかさに依存した振動パターンの振動が生じやすくなる。また、閉空間Ｓを形成した状態で物体Ａの表面が変位した際に、閉空間Ｓの密閉状態を維持させることが容易である。

　（４）触感センサ１０は、接触部１２を支持する装着部１１を備えている。装着部１１は、断面環状であり、伸縮可能なエラストマー材料又はストレッチ生地により構成されている。

　上記構成によれば、操作者の指等の装着部位に触感センサ１０を簡単かつ確実に装着できるため、上記構成の触感センサ１０は、ウェアラブルな装置として適している。

　（５）接触部１２の周囲に配置されて、装着部１１と接触部１２の間の凹凸を埋める外装部１７を備えている。外装部１７は、基部１３よりも柔らかく、先端部１４よりも硬い。

　上記構成によれば、物体Ａの表面に接触部１２を接触させた状態のまま、接触部１２を動かす際に生じる引っ掛かりを抑制できる。これにより、触診する場合のように、物体Ａの表面を滑らせるように接触部１２を移動させながら、物体Ａの部位毎の触感を検出することが容易になる。

　なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

　・接触部１２の基部１３の拡径部１３ａの内周形状に関して、基端側から先端側に向かって内径が拡径する態様は特に限定されるものではない。接触部１２の基部１３の拡径部１３ａの内周形状は、例えば、断面直線状に拡径する形状であってもよいし、断面曲線状に拡径する形状であってもよいし、断面階段状に拡径する形状であってもよい。

　・上記実施形態では、接触部１２の基部１３の先端側の部分を拡径部１３ａとして、基端側から先端側に向かって内径が拡径する形状としていたが、基部１３の全体を、基端側から先端側に向かって内径が拡径する形状としてもよい。

　・接触部１２の先端部１４の内周形状を変更してもよい。接触部１２の先端部１４の内周形状は、例えば、断面直線状に拡径する形状であってもよいし、断面曲線状に拡径する形状であってもよいし、断面階段状に拡径する形状であってもよい。また、基端側から先端側まで内径が一定である内周形状としてもよい。

　・物体Ａの表面との間に閉空間Ｓを形成可能であれば、基部１３の基端の形状は特に限定されるものではない。例えば、基部１３の基端を振動センサ１５にて閉塞する構成に代えて、基端を閉塞する端壁を有する有底筒状の基部１３を採用し、基部１３の端壁の内面に振動センサ１５を取り付けてもよい。

　・装着部１１は、指以外の部位に装着するための構成であってもよい。また、装着部１１の形状は袋状に限定されるものではなく、装着する部位等に応じて適宜、変更できる。ただし、装着性の観点から、リング状、紐状、帯状等の環状部分を有する構成又は装着時に環状部分を形成できる構成であることが好ましい。また、装着部１１を省略してもよい。

　・外装部１７は、装着部１１と接触部１２の間の凹凸を完全に埋める構成に限定されるものではなく、少なくとも、装着部１１と接触部１２の間の凹凸の段差を小さくできるものであればよい。

　・外装部１７は、基部１３よりも硬い材料により形成されていてもよいし、先端部１４よりも柔らかい材料により形成されていてもよい。また、外装部１７を省略してもよい。

　・触感センサ１０は、物体Ａから受ける触感に基づいて何らかの動作を実行する出力装置（例えば、触感提示装置２３）の一部として構成されるものであってもよい。

　Ａ…物体、Ｓ…閉空間、１０…触感センサ、１１…装着部、１２…接触部、１３…基部、１３ａ…拡径部、１４…先端部、１５…振動センサ、１６…端子、１７…外装部、２０…遠隔診断システム、２０Ａ…第１装置、２０Ｂ…第２装置、２１…送信部、２２…受信部、２３…触感提示装置、２４…制御部。

Claims

　物体から受ける触感を検出する触感センサであって、
　前記物体に接触させることにより、前記物体の表面との間に閉空間を形成する接触部と、
　前記閉空間内の空気振動を検出する振動センサとを備え、
　前記接触部は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状の基部と、前記基部の先端に接続されて、前記基部よりも柔らかい先端部とを備え、
　前記振動センサは、少なくとも１～１０Ｈｚの低周波領域の振動を検出可能であるとともに、前記基部の基端に配置されていることを特徴とする触感センサ。
　前記振動センサは、コンデンサマイクである請求項１に記載の触感センサ。
　前記先端部は、ショアＡ硬度が４０以下である請求項１又は請求項２記載の触感センサ。
　前記接触部を支持する装着部を備え、
　前記装着部は、断面環状であり、伸縮可能なエラストマー材料又はストレッチ生地により構成されている請求項１～３のいずれか一項に記載の触感センサ。
　前記接触部の周囲に配置されて、前記装着部と前記接触部の間の凹凸を埋める外装部を備え、
　前記外装部は、前記基部よりも柔らかく、前記先端部よりも硬い請求項４に記載の触感センサ。