特開 2024-108240 触覚検出装置、触覚検出システム、プログラム、及び触覚検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024108240

(43)【公開日】2024-08-13

(54)【発明の名称】触覚検出装置、触覚検出システム、プログラム、及び触覚検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/165 20200101AFI20240805BHJP

【ＦＩ】

G01L5/165

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023012505

(22)【出願日】2023-01-31

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「人工知能活用による革新的リモート技術開発／高度なＸＲにより状態を提示するＡＩシステムの基盤技術開発／Ｃｏｎｔａｃｔ Ｒｅａｌｉｔｙの実現による遠隔触診システム開発」委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(71)【出願人】

【識別番号】511245488

【氏名又は名称】タッチエンス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】藤原 武史

(72)【発明者】

【氏名】黒木 帝聡

(72)【発明者】

【氏名】下田 真吾

(72)【発明者】

【氏名】丸山 尚哉

(72)【発明者】

【氏名】永野 顕法

【テーマコード（参考）】

2F051

【Ｆターム（参考）】

2F051AA10

2F051AB06

2F051BA07

2F051DA03

2F051DB03

(57)【要約】

【課題】接触対象物の触覚情報を推定する精度を向上させる。
【解決手段】触覚検出装置１１は、第１検出面２１Ａを有し、第１検出面２１Ａに加えられた荷重を検出する感圧センサ２１と、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに配置された中間部材２２と、中間部材２２の表面に配置され、第１検出面２１Ａよりも小さい面積の第２検出面２３Ａを有し、第２検出面２３Ａに加えられた外力を検出する多軸力覚センサ２３と、を備える。感圧センサ２１は、多軸力覚センサ２３及び中間部材２２を通じて第１検出面２１Ａに加えられた圧力を検出する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１検出面を有し、前記第１検出面に加えられた荷重を検出する感圧センサと、
前記感圧センサの前記第１検出面に配置された中間部材と、
前記中間部材の表面に配置され、前記第１検出面よりも小さい面積の第２検出面を有し、前記第２検出面に加えられた外力を検出する多軸力覚センサと、を備え、
前記感圧センサは、前記多軸力覚センサ及び前記中間部材を通じて前記第１検出面に加えられた圧力を検出する触覚検出装置。

【請求項2】

前記多軸力覚センサは、３次元直交座標の各座標軸方向の圧力、及び前記３次元直交座標の各座標軸周りのモーメントを検出する請求項１に記載の触覚検出装置。

【請求項3】

前記感圧センサの前記第１検出面に対する前記第２検出面の角度が異なる複数の前記多軸力覚センサを備える請求項１に記載の触覚検出装置。

【請求項4】

前記感圧センサは、エラストマー製の静電容量式感圧センサである請求項１に記載の触覚検出装置。

【請求項5】

前記多軸力覚センサを間に挟んで前記中間部材の表面を覆う被覆体を備え、
前記被覆体は、前記中間部材よりも柔らかい弾性材料により形成されている請求項１に記載の触覚検出装置。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載の触覚検出装置と、
前記感圧センサ及び前記多軸力覚センサの各検出結果に基づいて、前記触覚検出装置に接触した接触対象物の触覚情報を推定する情報処理装置とを備える触覚検出システム。

【請求項7】

請求項１～５のいずれか一項に記載の触覚検出装置の検出結果に基づいて、前記触覚検出装置に接触した接触対象物の触覚情報を推定する処理を実行する情報処理装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
前記感圧センサの検出結果及び前記多軸力覚センサの検出結果に基づいて前記触覚情報を推定する処理を前記コンピュータに実行させるプログラム。

【請求項8】

第１検出面に加えられた荷重を検出する感圧センサの前記第１検出面に中間部材を配置し、
前記第１検出面よりも小さい面積の第２検出面を有し、前記第２検出面に加えられた外力を検出する多軸力覚センサを前記中間部材の表面に配置し、
前記中間部材の表面に直接又は間接的に接触対象物を接触させた際に、前記多軸力覚センサの前記第２検出面に加えられた圧力を検出するとともに、前記多軸力覚センサ及び前記中間部材を通じて前記感圧センサの前記第１検出面に加えられた圧力を検出し、
前記感圧センサの検出結果及び前記多軸力覚センサの検出結果に基づいて前記接触対象物の触覚情報を推定する触覚検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、触覚検出装置、触覚検出システム、プログラム、及び触覚検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

人の物体認知において、直接触れることによって得られる情報である感触（例えば、重さ、硬軟、表面粗さ）は大きな役割を果たしている。近年、ロボットや義手などの機械に触覚機能を付与する技術の開発が行われている。例えば、特許文献１には、弾性体により形成される球殻構造体と、球殻構造体の内部に配置された２個の歪みゲージとを備える触覚検出装置が開示されている。この触覚検出装置は、球殻構造体の表面が接触対象物と接触することによって該表面に生じる歪み分布を歪みゲージによって検出し、その検出結果に基づいて接触対象物の材質を認知する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－０１７２４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

触覚検出装置には、触覚に基づく人の認識体系に近い物体認知ができるようにするために、接触対象物に関して、人が触覚から取得する情報である触覚情報（例えば、接触対象物の硬軟）を機械的に推定する精度を向上させることが求められている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決する態様を記載する。
［態様１］
第１検出面を有し、前記第１検出面に加えられた荷重を検出する感圧センサと、前記感圧センサの前記第１検出面に配置された中間部材と、前記中間部材の表面に配置され、前記第１検出面よりも小さい面積の第２検出面を有し、前記第２検出面に加えられた外力を検出する多軸力覚センサと、を備え、前記感圧センサは、前記多軸力覚センサ及び前記中間部材を通じて前記第１検出面に加えられた圧力を検出する触覚検出装置。

【0006】

上記構成によれば、触覚検出装置に接触対象物を接触させる触動作時において、中間部材の表面に加えられる局所的な外力、及び中間部材全体に加えられた総荷重の２種類の情報を取得できる。これらの２種類の情報を組み合わせて触覚情報を推定することにより、多軸力覚センサの検出結果のみに基づいて触覚情報を推定する場合と比較して、推定の精度が向上する。

【0007】

［態様２］
前記多軸力覚センサは、３次元直交座標の各座標軸方向の圧力、及び前記３次元直交座標の各座標軸周りのモーメントを検出する態様１に記載の触覚検出装置。

【0008】

上記構成によれば、触覚情報の推定の精度が更に向上する。
［態様３］
前記感圧センサの前記第１検出面に対する前記第２検出面の角度が異なる複数の前記多軸力覚センサを備える態様１又は態様２に記載の触覚検出装置。

【0009】

上記構成によれば、接触対象物が接触している部分の推定、及び接触対象物が接触している角度の推定の精度が向上する。これらの結果、触覚情報の推定の精度が更に向上する。

【0010】

［態様４］
前記感圧センサは、エラストマー製の静電容量式感圧センサである態様１～３のいずれか一つに記載の触覚検出装置。

【0011】

上記構成の感圧センサは、広い面を対象とする荷重を好適に検出できる。そのため、上記構成によれば、触覚情報の推定の精度が更に向上する。
［態様５］
前記多軸力覚センサを間に挟んで前記中間部材の表面を覆う被覆体を備え、前記被覆体は、前記中間部材よりも柔らかい弾性材料により形成されている態様１～４のいずれか一つに記載の触覚検出装置。

【0012】

上記構成によれば、被覆体の応力歪みに基づく触覚情報の推定が可能になる。
［態様６］
態様１～５のいずれか一つに記載の触覚検出装置と、前記感圧センサ及び前記多軸力覚センサの各検出結果に基づいて、前記触覚検出装置に接触した接触対象物の触覚情報を推定する情報処理装置とを備える触覚検出システム。

【0013】

［態様７］
態様１～５のいずれか一つに記載の触覚検出装置の検出結果に基づいて、前記触覚検出装置に接触した接触対象物の触覚情報を推定する処理を実行する情報処理装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、前記感圧センサの検出結果及び前記多軸力覚センサの検出結果に基づいて前記触覚情報を推定する処理を前記コンピュータに実行させるプログラム。

【0014】

［態様８］
第１検出面に加えられた荷重を検出する感圧センサの前記第１検出面に中間部材を配置し、前記第１検出面よりも小さい面積の第２検出面を有し、前記第２検出面に加えられた外力を検出する多軸力覚センサを前記中間部材の表面に配置し、前記中間部材の表面に直接又は間接的に接触対象物を接触させた際に、前記多軸力覚センサの前記第２検出面に加えられた圧力を検出するとともに、前記多軸力覚センサ及び前記中間部材を通じて前記感圧センサの前記第１検出面に加えられた圧力を検出し、前記感圧センサの検出結果及び前記多軸力覚センサの検出結果に基づいて前記接触対象物の触覚情報を推定する触覚検出方法。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、接触対象物の触覚情報を推定する精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、触覚検出システムの概略図である。

【図2】図２は、触覚検出装置の斜視図である。

【図3】図３は、図２の３－３線断面図である。

【図4】図４は、触動作の説明図である。

【図5】図５は、特定の触動作における感圧センサ及び多軸力覚センサの波形を示すグラフである。

【図6】図６は、皮膚受容器の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

＜触覚検出システム＞
以下、触覚検出装置を備える触覚検出システムの一実施形態を説明する。
図１に示すように、触覚検出システム１０は、触覚検出装置１１と、情報処理装置１２とを備える。触覚検出装置１１は、接触対象物に接触させることにより所定の検出結果を出力する装置である。情報処理装置１２は、触覚検出装置１１の検出結果に基づいて接触対象物の硬軟等の接触情報を推定する装置である。

【0018】

［触覚検出装置］
図２及び図３に示すように、触覚検出装置１１は、人の指先の内側の部分、所謂、指の腹を模した形状に形成されている。なお、図３では、理解を容易にするために、多軸力覚センサ２３に関して、本来は多軸力覚センサ２３１のみが図示されるところ、多軸力覚センサ２３２，２３４についても同一断面上に図示している。

【0019】

触覚検出装置１１は、基部２０と、感圧センサ２１と、中間部材２２と、多軸力覚センサ２３と、被覆体２４とを備える。
基部２０は、平面状の支持面２０Ａを有する。基部２０の形状は、支持面２０Ａを有する形状であればよい。基部２０の形状としては、例えば、板状、角柱状、半円柱状が挙げられる。基部２０を形成する材料としては、例えば、金属、プラスチック等の硬質な材料が挙げられる。

【0020】

感圧センサ２１は、基部２０の支持面２０Ａに固定されているシート状のセンサである。感圧センサ２１は、支持面２０Ａに固定されている一方の主面と、その反対側に位置する他方の主面である第１検出面２１Ａを備える。感圧センサ２１の第１検出面２１Ａには、中間部材２２が固定されている。感圧センサ２１と、基部２０及び中間部材２２とを固定する方法は特に限定されるものでなく、接着などの公知の固定方法を適用できる。

【0021】

感圧センサ２１は、中間部材２２を通じて第１検出面２１Ａに加えられた荷重を検出する。感圧センサ２１としては、圧電素子等を用いた公知の感圧センサを用いることができる。感圧センサ２１の好ましい形態は、誘電エラストマーを利用したエラストマー製の静電容量式感圧センサである。

【0022】

上記誘電エラストマーとしては、例えば、架橋されたポリロタキサン、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーが挙げられる。エラストマー製の静電容量式感圧センサは、誘電エラストマーからなるシート状の誘電層と、誘電層の厚さ方向の両側に配置された電極層としての正極電極及び負極電極とが複数積層されたシート状の多層構造体である。

【0023】

図示は省略しているが、感圧センサ２１には、電源供給用の配線及び信号送信用の配線が接続されている。電源供給用の配線は、所定の電源から感圧センサ２１に電力を供給するための配線である。信号送信用の配線は、感圧センサ２１から出力された信号を情報処理装置１２に送信するための配線である。

【0024】

中間部材２２は、平面状の裏面２２Ａと、その反対側に位置する曲面状の表面２２Ｂとを有するブロック状の部材である。中間部材２２の裏面２２Ａは、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに対向して固定されている平面である。中間部材２２の表面２２Ｂは、指の腹を模した凸曲面状に形成されている。

【0025】

したがって、中間部材２２は、全体として、表面２２Ｂ側から裏面２２Ａ側に向かって、横方向の長さＬ１及び縦方向の長さＬ２が徐々に長くなる形状である。換言すると、中間部材２２の形状は、裏面２２Ａに沿った断面の断面積が表面２２Ｂ側から裏面２２Ａ側に向かって徐々に大きくなり、裏面２２Ａにおいて最大になる形状である。

【0026】

中間部材２２を形成する材料としては、例えば、金属、プラスチック等の硬質な材料が挙げられる。また、中間部材２２は、基部２０と同じ材料により形成されていてもよい。
ここで、感圧センサ２１の平面視形状は、中間部材２２の裏面２２Ａの形状に基づいて設定される。感圧センサ２１は、中間部材２２の裏面２２Ａの大部分を覆うように設けられている。感圧センサ２１の好ましい平面視形状としては、例えば、中間部材２２の裏面２２Ａの５０％以上の範囲を部分的に覆う形状、及び中間部材２２の裏面２２Ａの全体を覆う形状が挙げられる。中間部材２２の裏面２２Ａを部分的に覆う形状である場合、中間部材２２の表面２２Ｂ側から裏面２２Ａ側に向かって触覚検出装置１１を視た平面視において、中間部材２２の重心に重なる位置が含まれる範囲、当該位置を囲む範囲に感圧センサ２１が位置していることが好ましい。

【0027】

多軸力覚センサ２３は、中間部材２２の表面２２Ｂに配置されている。多軸力覚センサ２３は、第２検出面２３Ａを有し、第１検出面２１Ａに加えられた外力を検出する。多軸力覚センサ２３の第２検出面２３Ａの面積は、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａよりも小さい。

【0028】

ここで、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａの面積Ｓ１は、例えば、２００ｍｍ^２以上６００ｍｍ^２以下である。多軸力覚センサ２３の第２検出面２３Ａの面積Ｓ２は、例えば、７ｍｍ^２以上８０ｍｍ^２以下である。感圧センサ２１の第１検出面２１Ａの面積Ｓ１に対する多軸力覚センサ２３の第２検出面２３Ａの面積Ｓ２の比率（Ｓ２／Ｓ１）は、例えば、０．０１以上０．４以下である。

【0029】

多軸力覚センサ２３の一例は、第２検出面２３Ａに直交する座標を含む３次元直交座標の各座標軸方向の圧力を検出する３軸力覚センサである。また、多軸力覚センサ２３は、第２検出面２３Ａに直交する座標を含む３次元直交座標の各座標軸方向の圧力、及び３次元直交座標の各座標軸周りのモーメントを検出する６軸力覚センサであってもよい。多軸力覚センサ２３は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の技術を利用して構成されるＭＥＭＳセンサである。

【0030】

多軸力覚センサ２３は、中間部材２２の表面２２Ｂに複数、配置されている。多軸力覚センサ２３の各々は、第２検出面２３Ａが中間部材２２の表面２２Ｂにおける当該多軸力覚センサ２３が配置されている部分と略平行になるように中間部材２２に固定されている。多軸力覚センサ２３と中間部材２２とを固定する方法は特に限定されるものでなく、接着などの公知の固定方法を適用できる。

【0031】

図２及び図３に示す一例では、中間部材２２の表面２２Ｂに対して、多軸力覚センサ２３として、６個の多軸力覚センサ２３１～２３６が配置されている。多軸力覚センサ２３１～２３６は、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに対する第２検出面２３Ａの角度がそれぞれ異なるように配置されている。

【0032】

具体的には、多軸力覚センサ２３１は、第２検出面２３Ａが感圧センサ２１の第１検出面２１Ａと平行になるように配置されている。多軸力覚センサ２３１は、中間部材２２の横方向の中央位置且つ縦方向の中央位置に配置されている。

【0033】

多軸力覚センサ２３２，２３３は、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに対して、第２検出面２３Ａが横方向の一方側に下降傾斜するように配置されている。多軸力覚センサ２３２，２３３は、中間部材２２の横方向の一方側の端部寄りの位置に配置されている。

【0034】

多軸力覚センサ２３４，２３５は、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに対して、第２検出面２３Ａが横方向の他方側に下降傾斜するように配置されている。多軸力覚センサ２３４，２３５は、中間部材２２の横方向の他方側の端部寄りの位置に配置されている。

【0035】

多軸力覚センサ２３６は、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに対して、第２検出面２３Ａが縦方向の一方側に下降傾斜するように配置されている。多軸力覚センサ２３６は、縦方向の一方側の端部寄りの位置に配置されている。

【0036】

多軸力覚センサ２３の数及び配置は、特に限定されるものでない。例えば、多軸力覚センサ２３の数は、１～５個であってもよいし、７個以上であってもよい。また、第２検出面２３Ａが感圧センサ２１の第１検出面２１Ａと平行である多軸力覚センサ２３、及び第２検出面２３Ａが感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに対して傾斜している多軸力覚センサ２３のいずれか一方のみを有していてもよい。

【0037】

なお、多軸力覚センサ２３は、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに対する第２検出面２３Ａの角度が異なる２以上の多軸力覚センサ２３を含むことが好ましい。この場合、第２検出面２３Ａが感圧センサ２１の第１検出面２１Ａと平行である多軸力覚センサ２３が含まれることがより好ましい。また、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに対して第２検出面２３Ａが傾斜している多軸力覚センサ２３であって、傾斜角度及び傾斜方向の一方又は両方が異なる２個以上の多軸力覚センサ２３が含まれることがより好ましい。

【0038】

被覆体２４は、多軸力覚センサ２３を間に挟んで中間部材２２の表面２２Ｂの全体を覆う膜状の部材である。被覆体２４は、中間部材２２よりも柔らかい弾性材料により形成されている。被覆体２４を形成する材料としては、例えば、シリコーン、ウレタンが挙げられる。被覆体２４は、人の指先に近い弾性を有することが好ましい。被覆体２４の弾性率は、例えば、ショアＡ硬度が１０以上５０以下である。

【0039】

被覆体２４の裏面２４Ａは、多軸力覚センサ２３の各々の第２検出面２３Ａに接している。また、図３に示す一例では、被覆体２４の裏面２４Ａは、多軸力覚センサ２３が位置する部分が部分的に凹んだ形状であり、中間部材２２の表面２２Ｂにおける多軸力覚センサ２３同士の間の部分が被覆体２４によって埋められている。被覆体２４の表面２４Ｂは、中間部材２２の表面２２Ｂに沿った形状、即ち、指の腹を模した凸曲面状に形成されている。

【0040】

なお、被覆体２４の形状は、上記形状に限定されるものでなく、多軸力覚センサ２３の各々の第２検出面２３Ａに接する形状であればよい。例えば、裏面２４Ａが中間部材２２の表面２２Ｂに沿った形状である被覆体２４であってもよい。この場合、中間部材２２の表面２２Ｂにおける多軸力覚センサ２３同士の間に隙間が形成されていてもよい。

【0041】

被覆体２４の厚さは、例えば、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。被覆体２４の厚さは、多軸力覚センサ２３の第２検出面２３Ａに接している部分の厚さ、即ち、当該部分における裏面２４Ａと表面２４Ｂとの間の距離である。

【0042】

図４に示すように、触覚検出装置１１は、被覆体２４の表面２４Ｂに対して接触対象物ＴＯを接触させるようにして使用される。
多軸力覚センサ２３の各々は、被覆体２４の表面２４Ｂに接触対象物ＴＯを接触させる動作時において、被覆体２４を通じて第２検出面２３Ａに加えられた外力をそれぞれ独立して検出する。つまり、多軸力覚センサ２３の各々は、中間部材２２の表面２２Ｂ上の特定部分に伝えられた外力を局所的に検出する。そして、多軸力覚センサ２３の各々は、その検出結果を情報処理装置１２に出力する。

【0043】

感圧センサ２１は、被覆体２４の表面２４Ｂに接触対象物ＴＯを接触させる動作時において、被覆体２４、多軸力覚センサ２３、及び中間部材２２を通じて第１検出面２１Ａに加えられた圧力を検出する。つまり、感圧センサ２１は、中間部材２２に伝えられた総荷重を検出する。そして、感圧センサ２１は、その検出結果を情報処理装置１２に出力する。

【0044】

なお、以下では、被覆体２４の表面２４Ｂに接触対象物ＴＯを接触させる動作を触動作と記載する場合がある。また、触動作のうち、被覆体２４の表面２４Ｂ上に対して、接触対象物ＴＯを相対的にスライド移動させる動作をスライド触動作と記載する場合がある。

【0045】

［情報処理装置］
情報処理装置１２は、触覚検出装置１１の検出結果に基づいて、触覚検出装置１１に接触した接触対象物ＴＯを認識する処理を実行する。接触対象物ＴＯを認識する処理は、接触対象物ＴＯとの接触に基づく触覚情報を推定する処理を含む。触覚情報は、人が接触対象物ＴＯに接した際に触覚から取得する情報に相当する。触覚情報としては、例えば、接触対象物ＴＯの表面粗さ（マクロ粗さ及びミクロ粗さの一方又は両方を含む）、接触対象物ＴＯの硬軟、接触対象物ＴＯとの間の摩擦が挙げられる。また、接触対象物ＴＯを認識する処理は、必要に応じて、その他の処理、例えば、接触位置を推定する処理、接触対象物ＴＯの形状を推定する処理を含んでもよい。

【0046】

図１に示すように、情報処理装置１２の一例は、位置推定部３０、形状推定部３１、触覚情報推定部３２、及び記憶部３３を含むコンピュータとして構成される。
位置推定部３０、形状推定部３１、及び触覚情報推定部３２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、例えば、ＣＰＵを含む。

【0047】

記憶部３３は、例えば、不揮発性メモリである。記憶部３３には、制御プログラム３３ａが記憶されている。制御プログラム３３ａは、位置推定部３０による各処理をコンピュータに実行させるプログラム、形状推定部３１による各処理をコンピュータに実行させるプログラム、及び触覚情報推定部３２による各処理をコンピュータに実行させるプログラムを含む。

【0048】

位置推定部３０は、複数の多軸力覚センサ２３の検出結果に基づいて、接触位置を推定する。位置推定部３０は、例えば、複数の多軸力覚センサ２３の検出結果を統合することにより、被覆体２４の応力歪み及びその時間変化を算出する。そして、応力歪み及びその時間変化の算出結果に基づいて、被覆体２４の表面２４Ｂにおける、どの位置に、どの角度で接触対象物ＴＯが接触しているかを推定する。被覆体２４の応力歪みは、接触対象物ＴＯが接触している部分に近いほど大きくなる。そのため、被覆体２４の応力歪みに基づいて、接触対象物ＴＯが接触している部分を推定できるとともに、応力歪みの時間変化に基づいて接触対象物ＴＯが接触している角度を推定できる。

【0049】

位置推定部３０による各処理は、記憶部３３に記憶されている制御プログラム３３ａを用いて実行される。制御プログラム３３ａは、多軸力覚センサ２３の検出結果に基づいて接触位置を推定する処理を実行する情報処理装置１２としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

【0050】

形状推定部３１は、複数の多軸力覚センサ２３の検出結果に基づいて、接触対象物ＴＯの形状を推定する。形状推定部３１は、例えば、複数の多軸力覚センサ２３の検出結果を統合することにより、被覆体２４の応力歪み及びその時間変化を算出する。そして、応力歪み及びその時間変化の算出結果に基づいて、接触対象物ＴＯの形状を推定する。

【0051】

形状推定部３１による各処理は、記憶部３３に記憶されている制御プログラム３３ａを用いて実行される。制御プログラム３３ａは、多軸力覚センサ２３の検出結果に基づいて接触対象物ＴＯの形状を推定する処理を実行する情報処理装置１２としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

【0052】

触覚情報推定部３２は、感圧センサ２１の検出結果、及び多軸力覚センサ２３の検出結果に基づいて触覚情報を推定する。触覚情報推定部３２により推定される触覚情報は、接触対象物ＴＯの表面粗さ、接触対象物ＴＯの硬軟、及び接触対象物ＴＯとの間の摩擦から選ばれる少なくとも一つである。

【0053】

接触対象物ＴＯの表面粗さの一種であるマクロ粗さは、例えば、スライド触動作時において、多軸力覚センサ２３が受けた外力の時間変化に基づいて推定できる。
接触対象物ＴＯの表面粗さの一種であるミクロ粗さは、例えば、スライド触動作時において、多軸力覚センサ２３の検出結果から算出した触覚検出装置１１の振動周波数に基づいて推定できる。

【0054】

接触対象物ＴＯの硬軟は、例えば、触動作時において、多軸力覚センサ２３の検出結果から算出した被覆体２４の応力歪み及び被覆体２４の接触面積に基づいて推定できる。接触対象物ＴＯが柔らかい場合、触動作時に、接触対象物ＴＯが被覆体２４に沿って変形する。図４は、接触対象物ＴＯの中央部か下方に凹むように変形している状態を図示している。接触対象物ＴＯが柔らかいほど上記変形量が大きくなるため、被覆体２４の応力歪みが小さくなり、被覆体２４の接触面積が大きくなる。

【0055】

接触対象物ＴＯとの間の摩擦は、例えば、ゆっくりとしたスライド触動作時において、多軸力覚センサ２３が受けている外力における接触対象物ＴＯの相対移動方向と逆向きのベクトルに基づいて推定できる。

【0056】

上記のとおり、触覚情報は、多軸力覚センサ２３の検出結果のみに基づいて推定することも可能であるが、触覚情報推定部３２は、感圧センサ２１の検出結果を組み合わせて触覚情報を推定するように構成されている。これにより、より精度の高い触覚情報の推定が可能になっている。つまり、感圧センサ２１の検出結果と、多軸力覚センサ２３の検出結果とを組み合わせることにより、感圧センサ２１及び多軸力覚センサ２３の一方の検出結果のみでは得られない情報であって、触覚情報の推定に有用な情報を得ることができる。そして、その情報を用いることにより、より精度の高い触覚情報の推定を可能にしている。

【0057】

その一例を、図５を参照して説明する。図５は、触覚検出装置１１の被覆体２４の表面２４Ｂに対して、特定条件の触動作を行った場合における多軸力覚センサ２３及び感圧センサ２１の検出値の時間変化の波形を示すグラフである。上記特定条件として、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに垂直な角度で、硬さ１００ｋＰａの接触対象物ＴＯを荷重３Ｎで接触させている。図５に示す多軸力覚センサ２３の検出結果は、第２検出面２３Ａが感圧センサ２１の第１検出面２１Ａと平行に配置されている多軸力覚センサ２３１の検出結果である。なお、図５の示す多軸力覚センサ２３及び感圧センサ２１の検出値は、それぞれの最大値が１になるように調整されている。

【0058】

図５に示すように、感圧センサ２１の波形の立ち上がりのタイミングは、多軸力覚センサ２３１の波形の立ち上がりのタイミングと異なっている。具体的には、感圧センサ２１の波形は、多軸力覚センサ２３１の波形よりも遅いタイミングで立ち上がっている。図５のグラフから取得できる、多軸力覚センサ２３１の波形に対する感圧センサ２１の波形の立ち上がりの遅延時間は、触覚情報を推定するための有用な情報になる。

【0059】

上記遅延時間は、触覚検出装置１１の中間部材２２と比較して、接触対象物ＴＯが柔らかくなるにしたがって長くなる傾向がある。つまり、接触対象物ＴＯが柔らかい場合、触動作時において、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに荷重が伝わる前に、接触対象物ＴＯに変形が生じ、その変形に要する時間に応じた遅延時間の分、感圧センサ２１の波形の立ち上がりが遅延している。そのため、上記遅延時間は、接触対象物ＴＯの硬軟を推定するための有用な情報になる。

【0060】

触覚情報推定部３２の一例は、触動作時において、上記遅延時間に基づいて接触対象物ＴＯの硬軟を推定する、又は多軸力覚センサ２３の検出結果から算出した被覆体２４の応力歪み及び被覆体２４の接触面積と上記遅延時間とに基づいて接触対象物ＴＯの硬軟を推定する。

【0061】

また、接触対象物ＴＯの硬軟は、接触対象物ＴＯの表面粗さ、接触対象物ＴＯとの間の摩擦等のその他の触覚情報に影響を与える要素になり得る。そのため、上記遅延時間に基づいて推定された接触対象物ＴＯの硬軟を用いて、その他の触覚情報を推定することにより、その他の触覚情報についても、より精度の高い推定が可能になる。

【0062】

触覚情報推定部３２の一例は、スライド触動作時において、多軸力覚センサ２３が受けた外力の時間変化と、上記遅延時間に基づく接触対象物ＴＯの硬軟の推定結果とに基づいて接触対象物ＴＯのマクロ粗さを推定する。

【0063】

触覚情報推定部３２の一例は、スライド触動作時において、多軸力覚センサ２３の検出結果から算出した触覚検出装置１１の振動周波数と、上記遅延時間に基づく接触対象物ＴＯの硬軟の推定結果とに基づいて接触対象物ＴＯのミクロ粗さを推定する。

【0064】

触覚情報推定部３２の一例は、ゆっくりとしたスライド触動作時において、多軸力覚センサ２３が受けている外力の接触対象物ＴＯの相対移動方向と逆向きのベクトルと、上記遅延時間に基づく接触対象物ＴＯの硬軟の推定結果とに基づいて接触対象物ＴＯとの間の摩擦を推定する。

【0065】

触覚情報推定部３２による各処理は、記憶部３３に記憶されている制御プログラム３３ａを用いて実行される。制御プログラム３３ａは、感圧センサ２１の検出結果、及び多軸力覚センサ２３の検出結果に基づいて触覚情報を推定する処理を実行する情報処理装置１２としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

【0066】

次に、本実施形態の作用について説明する。
触覚検出装置１１は、中間部材２２を間に挟む位置に配置された２種類のセンサである、感圧センサ２１及び多軸力覚センサ２３を備えている。

【0067】

多軸力覚センサ２３は、触動作時において、中間部材２２の表面２２Ｂ、即ち、接触対象物ＴＯが接触する部位である被覆体２４に相対的に近い位置に配置されている。そして、多軸力覚センサ２３は、中間部材の表面２２Ｂの一部、即ち、当該多軸力覚センサ２３が設けられている位置に加えられた局所的な外力を検出する。

【0068】

感圧センサ２１は、触動作時において、中間部材２２の裏面２２Ａ、即ち、接触対象物ＴＯが接触する部位である被覆体２４から相対的に遠い位置に配置されている。そして、感圧センサ２１は、中間部材２２から感圧センサ２１に加えられた荷重、即ち、中間部材２２全体に加えられた総荷重を検出する。

【0069】

このように、触覚検出装置１１によれば、触動作時において、中間部材の表面２２Ｂに加えられる局所的な外力、及び中間部材２２全体に加えられた総荷重の２種類の情報を取得できる。これらの２種類の情報を組み合わせて触覚情報を推定することにより、多軸力覚センサ２３の検出結果のみに基づいて触覚情報を推定する場合と比較して、推定の精度が向上する。

【0070】

なお、触覚検出装置１１における感圧センサ２１及び多軸力覚センサ２３の配置は、人の触覚を司る皮膚受容器の配置を模している。
図６に示すように、皮膚受容器としては、表皮に近い部位である表層に位置するマイスナー小体Ｒ１及びメルケル細胞Ｒ２と、深層（真皮及び皮下組織）に位置するルフィニ終末Ｒ３及びパチニ小体Ｒ４が知られている。表層に位置するマイスナー小体Ｒ１及びメルケル細胞Ｒ２は、触動作時において、接触対象物ＴＯの細かいパターンの認識に寄与する。深層に位置するルフィニ終末Ｒ３及びパチニ小体Ｒ４は、触動作時において、全体的な接触の認識に寄与する。触覚検出装置１１において、多軸力覚センサ２３は、表層に位置するマイスナー小体Ｒ１及びメルケル細胞Ｒ２に相当するセンサであり、感圧センサ２１は、深層に位置するルフィニ終末Ｒ３及びパチニ小体Ｒ４に相当するセンサである。

【0071】

触覚検出装置１１は、人の皮膚受容器の配置を模した構造であるため、人の脳が行っている触覚情報の認識体系を模した認識モデルを構築する場合に有用であると考えられる。例えば、脳の機能の一つとして、予測的符号化が知られている。予測的符号化とは、これから入力される刺激を予測する内的モデルを構成し、その内的モデルよる刺激の予測を行い、予測された刺激と、実際に感覚器官から入力される刺激との両者のずれ（予測誤差）の計算に基づいて、知覚を創発することを意味する。触覚検出装置１１は、例えば、予測的符号化に基づく知覚を行う認識モデルを構築する場合において、感覚器官に相当する構成を担う検出装置として有用であると考えられる。

【0072】

本実施形態の触覚検出システム１０の適用例として、患者と離れた遠隔地に存在する医師が患者の診断や手術等を行う遠隔触診システムが挙げられる。例えば、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、触覚検出装置１１に接触対象物である患部を接触させる触動作を行う。情報処理装置１２は、触動作時における触覚検出装置１１の検出結果に基づいて、患部の触覚情報を推定する。推定された触覚情報は、遠隔地に存在する医師へ送信される。遠隔地に存在する医師は、送信された触覚情報に基づいて患者の診断や、患者側に存在するロボットを介した遠隔手術を行う。触覚検出システム１０を適用することにより、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覚情報を取得できるため、遠隔地において適切な診断や手術を行うことができる。

【0073】

次に、本実施形態の効果について記載する。
（１）触覚検出装置１１は、第１検出面２１Ａを有し、第１検出面２１Ａに加えられた荷重を検出する感圧センサ２１と、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに配置された中間部材２２と、中間部材２２の表面２２Ｂに配置され、第１検出面２１Ａよりも小さい面積の第２検出面２３Ａを有し、第２検出面２３Ａに加えられた外力を検出する多軸力覚センサ２３と、を備える。感圧センサ２１は、多軸力覚センサ２３及び中間部材２２を通じて第１検出面２１Ａに加えられた圧力を検出する。

【0074】

上記構成によれば、触動作時において、中間部材の表面２２Ｂに加えられる局所的な外力、及び中間部材２２全体に加えられた総荷重の２種類の情報を取得できる。これらの２種類の情報を組み合わせて触覚情報を推定することにより、多軸力覚センサ２３の検出結果のみに基づいて触覚情報を推定する場合と比較して、推定の精度が向上する。

【0075】

（２）多軸力覚センサ２３は、３次元直交座標の各座標軸方向の圧力、及び当該３次元直交座標の各座標軸周りのモーメントを検出するセンサである。
上記構成によれば、触覚情報の推定の精度が更に向上する。

【0076】

（３）触覚検出装置１１は、感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに対する第２検出面２３Ａの角度が異なる複数の多軸力覚センサ２３を備える。
上記構成によれば、接触対象物ＴＯが接触している部分の推定、及び接触対象物ＴＯが接触している角度の推定の精度が向上する。また、上記構成によれば、被覆体２４の応力歪みを算出する精度が向上する。これらの結果、触覚情報の推定の精度が更に向上する。

【0077】

（４）感圧センサ２１は、エラストマー製の静電容量式感圧センサである。
上記構成の感圧センサ２１は、広い面を対象とする荷重を好適に検出できる。そのため、上記構成によれば、触覚情報の推定の精度が更に向上する。

【0078】

（５）触覚検出装置１１は、多軸力覚センサ２３を間に挟んで中間部材２２の表面２２Ｂを覆う被覆体２４を備える。被覆体２４は、中間部材２２よりも柔らかい弾性材料により形成されている。

【0079】

上記構成によれば、被覆体２４の応力歪みに基づく触覚情報の推定が可能になる。また、複数の多軸力覚センサ２３を備える場合には、触動作時において、被覆体２４を通じて、複数の多軸力覚センサ２３に対して、それぞれの位置に応じた外力が伝えることができる。つまり、被覆体２４における接触対象物ＴＯが接触している接触部位に近い多軸力覚センサ２３には、相対的に強い外力が伝わり、接触部位から遠い多軸力覚センサ２３には、相対的に弱い外力が伝わる。この場合、接触部位から遠い多軸力覚センサ２３からも外力の検出結果が出力されることになるため、取得できる情報量が増加する。その結果、触覚情報の推定の精度が更に向上する。

【0080】

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。
・感圧センサ２１は、複数に分割して設けられていてもよい。

【0081】

・触覚検出装置１１は、基部２０、感圧センサ２１、中間部材２２、多軸力覚センサ２３、及び被覆体２４以外のその他の構成を備えていてもよい。例えば、多軸力覚センサ２３と被覆体２４との間に、被覆体２４よりも硬い材料により形成される第２中間部材が配置されていてもよい。第２中間部材は、例えば、複数の多軸力覚センサ２３の第２検出面２３Ａに跨って配置されており、それら多軸力覚センサ２３への外力の伝達を調整するために設けられる。

【0082】

・被覆体２４は、弾性を有さない材料により形成されていてもよい。
・被覆体２４を省略してもよい。なお、触動作は、被覆体２４を介して間接的に中間部材２２の表面に間接的に接触対象物ＴＯを接触させる動作であってもよいし、中間部材の表面に直接、接触対象物ＴＯを接触させる動作であってもよい。

【0083】

・触覚検出装置１１は、指先の形状に限定されるものでなく、適宜、変更することができる。
・記憶部３３は、データの送受信可能に接続されたサーバに設けられた記憶部であってもよいし、データの送受信可能に接続されたクラウド上の記憶部であってもよい。

【0084】

・触覚検出方法は、第１検出面２１Ａに加えられた荷重を検出する感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに中間部材２２を配置し、第１検出面２１Ａよりも小さい面積の第２検出面２３Ａを有し、第２検出面２３Ａに加えられた外力を検出する多軸力覚センサ２３を中間部材２２の表面に配置し、中間部材２２の表面に直接又は間接的に接触対象物ＴＯを接触させた際に、多軸力覚センサ２３の第２検出面２３Ａに加えられた圧力を検出するとともに、多軸力覚センサ２３及び中間部材２２を通じて感圧センサ２１の第１検出面２１Ａに加えられた圧力を検出し、感圧センサ２１の検出結果及び多軸力覚センサ２３の検出結果に基づいて接触対象物ＴＯの触覚情報を推定する。

【符号の説明】

【0085】

ＴＯ…接触対象物
１０…触覚検出システム
１１…触覚検出装置
１２…情報処理装置
２０…基部
２１…感圧センサ
２１Ａ…第１検出面
２２…中間部材
２２Ｂ…表面
２３…多軸力覚センサ
２３Ａ…第２検出面
２４…被覆体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】