(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性弾性部材からなるセンサ本体と、
前記センサ本体内に光を照射する発光部と、
前記センサ本体内で散乱した光を受光する受光部と、
を備え、
前記受光部は、複数の受光素子からなり、各受光素子は互いに異なる配向を有すると共に前記センサ本体の弾性変形に応じて変位するように当該センサ本体に設けてあり、
前記センサ本体の弾性変形に応じて変位する各受光素子で取得される光量の変化から当該センサ本体の立体的変形を検知する、
柔軟触覚センサ。
【請求項２】
各受光素子の受光面は、互いに異なる法線方向を備えている、請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記受光部は前記発光部から離間させて前記センサ本体に設けてある、請求項１、２いずれかに記載の柔軟触覚センサ。
【請求項４】
前記各受光素子は前記発光部に対して互いに異なる配向を有している、請求項３に記載の柔軟触覚センサ。
【請求項５】
前記受光部は、センサ本体に外力が作用しない状態で、受光面の法線方向が発光部の光軸の方向と一致する少なくとも１つの受光素子と、受光面の法線が発光部の光軸に対して傾きを持つ１つないし複数の受光素子と、を備えている、請求項３、４いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項６】
前記受光部は、センサ本体に外力が作用しない状態で、受光面の法線方向が発光部の光軸の方向と一致する第１受光素子と、受光面の法線が発光部の光軸に対して互いに異なる傾きを持つ第２受光素子、第３受光素子、第４受光素子、第５受光素子と、を備えている、請求項３乃至５いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項７】
前記第２受光素子、第３受光素子、第４受光素子、第５受光素子の各受光面の各法線は、前記第１受光素子の法線方向から見た時に、隣り合う法線が略９０度の角度で延出している、請求項６に記載の触覚センサ。
【請求項８】
前記センサ本体は、対向する第１面と第２面を備えており、前記発光部が第１面に、前記受光部が第２面に配置されている、請求項３乃至７いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項９】
前記受光部は前記第２面の中央に配置されている、請求項８に記載の触覚センサ。
【請求項１０】
前記センサ本体は、直方体である、請求項１乃至９いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項１１】
前記受光部は、複数の面を備えた立体的な受光部基板を備え、前記各受光素子は、それぞれ前記受光部基板の各面に搭載されている、請求項１乃至１０いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項１２】
前記受光部基板は、底面と複数の側面とからなる、請求項１１に記載の触覚センサ。
【請求項１３】
前記発光部及び前記受光部はフレキシブル基板に搭載されており、前記受光部基板は前記フレキシブル基板の部分である、請求項１１、１２いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項１４】
前記フレキシブル基板は、センサ本体の外面に沿って設けてある、請求項１３に記載の触覚センサ。
【請求項１５】
前記フレキシブル基板は、発光部が搭載された第１領域と、受光部が搭載された第２領域と、第１領域と第２領域を接続する細幅領域とからなる、請求項１３、１４いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項１６】
前記第１領域には、マイクロプロセッサが搭載されている、請求項１５に記載の触覚センサ。
【請求項１７】
前記第１領域には、１つまたは複数の端子が設けてある、請求項１５、１６いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項１８】
前記発光部は、複数の発光素子からなる、請求項１乃至１７いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項１９】
前記複数の発光素子の光軸は互いに平行している、請求項１８に記載の触覚センサ。
【請求項２０】
各発光素子と各受光素子とが組を構成しており、各発光素子は組毎に異なるピーク波長を備えており、各受光素子の受光感度のピーク波長は同じ組の発光素子のピーク波長に対応している、請求項１８、１９いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項２１】
前記発光部及び前記受光部は、複数の反射型フォトインタラプタから構成されており、
前記フォトインタラプタは、各受光素子が互いに異なる配向を有すると共に前記センサ本体の弾性変形に応じて変位するように当該センサ本体に設けてある、
請求項１、２いずれかに記載の触覚センサ。
【請求項２２】
請求項１乃至２１いずれかに記載の触覚センサを１つまたは複数埋設してなる柔軟触覚センサシート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柔軟触覚センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロボット技術の新たなアプリケーションの場として、医療や福祉、リハビリテーションの分野での応用が注目されている。家事や介護が目的のロボットは、環境や人間に密着する機会が多いため、ロボットに柔軟な触覚機能が備わっていることが望ましい。また、ロボットが家事や介護という人と関わるタスクを行うことは、ロボットが人間の生活空間で人間と共存することを意味し、人とのコミュニケーション機能がロボットにも求められることになる。
【０００３】
本発明者等は、これまでに「柔軟肉質外装」について研究してきた（非特許文献１）。ここで「肉質」とは、柔軟で厚みのある材質に触覚を備え、人間の皮膚や肉のような役割を担うものを意味している。ロボットの表面が柔軟であれば、ある程度の接触があっても表面で衝撃を吸収し、故障するほどの衝撃に至りにくい。また、従来のロボットのように、外装が固いと人との密着状態を心理的にも物理的にも作りにくいという問題があったが、柔らかい素材で表面を覆えば、表面が接触する物体の形になじみ、密着状態を作りやすい。
【０００４】
人間とロボットが、互いの状態を認識し、コミュニケーションを行うためには、ロボット自身の状態を人間に表示し、ロボットが人間の状態を認識している必要がある。人間とロボットが「感覚を共有する」という要素によって共存しやすくなるためには、ロボットが、人間の感覚を使って得られる情報を同じような情報を取得できることが望ましい。人間の皮膚・肉は３次元的な変形を認識しており、ロボットにも同様の触覚センシング能力を付与することが望ましい。
【０００５】
非特許文献１では、静電容量型３軸力覚センサをウレタンに埋め込む手法を提案している。しかしながら、上記力覚センサは、回路によって発生する熱の影響を受けやすく、また、センサ自体が硬いので柔軟肉質外装に埋め込んだ場合に、外装の表面を撫で付けた時や密着状態の時に違和感を生じやすく、また、強く押すとセンサ自体が故障してしまうおそれがある等の課題があった。
【０００６】
センサ本体が柔軟な材料から形成されている圧力センサが特許文献１乃至３に開示されている。特許文献１に示される圧力検知方式は、光を散乱／反射する光散乱用弾性素材に対し、発光素子により光をあて、その散乱／反射した光の光量を、受光素子により計測する方式である。これは、光を散乱／反射する光散乱用弾性素材に圧力を与えると、変形により散乱／反射の量が変化するため、圧力量を計測できると言う原理に基づく。同様の原理に基づく触覚センサが特許文献２にも記載されている。
【０００７】
特許文献１、特許文献２では、発光用光ファイバにより光を供給し、受光用光ファイバにより散乱光を取り出しているのに対して、特許文献３には、柔軟な圧力センサとして、ウレタンに発光素子、受光素子を埋め込むことで、ウレタンの変形に伴う光量の変化から接触圧を検出する技術が記載されている。より具体的には、圧力センサは、反射型フォトインタラプタを備えた配線基板の上面に、発泡ウレタンを載せた構造を備え、反射型フォトインタラプタは、ＬＥＤなどによる発光部、フォトトランジスタ等の受光部からなり、発光部の光が発泡ウレタンに散乱/反射され、受光部にてその反射光の強度を測定する。圧力を受けると発泡ウレタンの変形や密度の変化などにより、受光部の光量が変化し、圧力量を検知できる。反射型フォトインタラプタのＬＥＤ部分から発泡ウレタン内に放射された光は、発泡ウレタン内部で拡散する。このとき発泡ウレタンに荷重がかかると、発泡ウレタンの特性から光拡散領域が変化するので、反射型フォトインタラプタの受光部へ届く光量が変化する。発泡ウレタンの特性とは、発泡ウレタン表面にかかった荷重によって、発泡ウレタン内の光拡散領域が縮小するという性質である。つまり、受光量を計測することで、発泡ウレタン表面にかかる荷重を求めることができる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１乃至３に開示された触覚センサは、押し方向の一次元の変位を認識するものであり、これらの触覚センサをロボットに装着したとしても、ロボットに多軸変形感覚を付与することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３６５３２８４号
【特許文献２】特開２００６−１８９４０６号
【特許文献３】特開２００７−７８３８２
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】M.Hayashi, Y.Ishizaka, R.Ueda, T.Yoshikai, and M.Inaba. Developmentof a humanoid with distributed deformation sense with full-body soft plasticfoam cover as flesh of a robot. In Journal of Robotics Society of Japan, Vol.26, pp. 537.545, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、センサ自体が多軸の柔軟変形が可能で、かつ、その変形を検知できる触覚センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明が採用した技術手段は、
光透過性弾性部材からなるセンサ本体と、
前記センサ本体内に光を照射する発光部と、
前記センサ本体内で散乱した光を受光する受光部と、
を備え、
前記受光部は、複数の受光素子からなり、各受光素子は互いに異なる配向を有すると共に前記センサ本体の弾性変形に応じて変位するように当該センサ本体に設けてあり、
前記センサ本体の弾性変形に応じて変位する各受光素子で取得される光量の変化から当該センサ本体の立体的変形を検知する、
柔軟触覚センサ、である。
１つの態様では、前記受光部は前記発光部から離間させて前記センサ本体に設けてある。受光素子と発光素子を離間させることで、少なくとも、発光素子数＜受光素子数とすることができ、発光素子の数を抑制して消費電力を抑えることができる。
１つの態様では、前記各受光素子は前記発光部に対して互いに異なる配向を有している。
【００１３】
センサ本体を形成する光透過性弾性部材は、１つの態様では、発泡ウレタンである。発泡ウレタンは、光散乱用弾性素材であり、透過や反射によって光を散乱させる弾性材である。
センサ本体を形成する光透過性弾性部材は、発泡ウレタンに限定されるものではなく、シリコーンゴム、シリコーンゴムスポンジ、シリコーンゲル、フォームラテックス、その他の発泡性の柔軟材料が用いられ得る。
【００１４】
センサ本体の変形を良好に検出するためには受光素子の数は３つ以上ないし４つ以上であることが望ましく、後述する実施形態では、受光部は５つの受光素子から構成されている。また、受光部を構成する受光素子の数は、センサ本体及び受光素子の寸法や受光部の形状等によっても影響を受け得ることが当業者に理解される。例えば、より小型の受光素子を用いたり、あるいは、各受光素子を離間させて配置することでより多数（例えば、６つ以上）の受光素子を設けることも可能である。
受光素子は、典型的には、フォトダイオードないしフォトトランジスタである。また、小型のRGBカラーセンサを受光素子に用いて、可視光LEDを発光素子としてもよい。
【００１５】
１つの態様では、各受光素子の受光面は、互いに異なる法線方向を備えている。１つの態様では、各受光素子の受光面の法線方向は、発光部の光軸方向に対して異なる角度で延出する。
１つの態様では、前記受光部は、センサ本体に外力が作用しない状態で、受光面の法線方向が発光部の光軸の方向と一致する少なくとも１つの受光素子と、受光面の法線が発光部の光軸に対して傾きを持つ１つまたは複数の受光素子と、を備えている。
【００１６】
１つの態様では、前記受光部は、センサ本体に外力が作用しない状態で、受光面の法線方向が発光部の光軸の方向と一致する第１受光素子と、受光面の法線が発光部の光軸に対して互いに異なる傾きを持つ第２受光素子、第３受光素子、第４受光素子、第５受光素子と、を備えている。
１つの態様では、前記第２受光素子、第３受光素子、第４受光素子、第５受光素子の各受光面の各法線は、前記第１受光素子の法線方向から見た時に、隣り合う法線が略９０度の角度で延出している。この態様では、底面の受光素子の他に、対向する受光素子対が２組あることになる。
【００１７】
１つの態様では、前記センサ本体は、対向する第１面と第２面を備えており、前記発光部が第１面に、前記受光部が第２面に配置されている。
この場合、センサ本体の側面は複数の垂直面から構成されてもよいし、あるいは１つの曲面から構成されてもよい。
ここで、対向するとは、必ずしも第１面と第２面とが平行状に延出すること意味するものではなく、第１面及び第２面が共に平面の場合の他に、例えば、第１面が平面で、第２面が湾曲面であり、両面が全体として対向するようなものも含む。
１つの態様では、前記受光部は前記第２面の中央に配置されている。
【００１８】
１つの態様では、前記センサ本体は、直方体であり、後述の実施形態ではセンサ本体は立方体である。
センサ本体の形状は、直方体に限定されるものではなく、円柱状、半球状（ドーム型）等のその他の形状であってもよい。
【００１９】
１つの態様では、前記受光部は、複数の面を備えた立体的な受光部基板を備え、前記各受光素子は、それぞれ前記受光部基板の各面に搭載されている。
典型的には、受光部基板の各面に１つの受光素子が搭載されており、面の数は受光素子の数に対応している。例えば、受光部が５つの受光素子を備える場合には、受光部基板は少なくとも５つの面を備えている。
各受光素子の受光面の法線方向は、各受光素子が搭載される受光部基板の各面の延出方向によって決定され得る。１つの態様では、受光素子の受光面の法線方向は、当該受光素子が搭載されている面の延出方向に対して鉛直する方向である。
１つの態様では、前記受光部基板は、底面と複数の側面とからなる。
１つの態様では、センサ本体に外力が作用しない状態において、前記底面は発光部の光軸に対して略９０度の角度（光軸が鉛直方向だとすると、底面は水平面となる）で延出しており、前記側面は発光部の光軸との間で９０度よりも大きく１８０度以下の角度（光軸が鉛直方向だとすると、側面は鉛直面となる）を形成するように延出している。
【００２０】
１つの態様では、前記発光部及び前記受光部はフレキシブル基板に搭載されており、前記受光部基板は前記フレキシブル基板の部分である。
１つの態様では、前記フレキシブル基板は、センサ本体の外面に沿って設けてある。後述する実施形態では、フレキシブル基板は、センサ本体の外面に沿って埋設されている。
１つの態様では、前記フレキシブル基板は、発光部が搭載された第１領域と、受光部が搭載された第２領域（受光部基板）と、第１領域と第２領域を接続する細幅領域とからなる。
１つの態様では、前記第１領域には、マイクロプロセッサが搭載されている。
１つの態様では、前記第１領域には、１つまたは複数の端子が設けてある。
【００２１】
１つの態様では、前記発光部は、複数の発光素子からなる。
１つの態様では、前記複数の発光素子の光軸は互いに平行している。
後述する実施形態では、センサ本体の第１面に沿って３つのLEDが対角線上に配置されている。３つのLEDの光軸はいずれも鉛直方向に延出している。
発光部が複数の発光素子を備える場合に、必ずしも全ての発光素子の光軸が同じ方向に延出している必要はない。光軸方向が部分的にあるいは全体として異なってもよい。
発光素子は典型的には赤外線LEDであるが、他のLEDでもよい。
１つの態様では、全ての発光素子は同じピーク波長を備えており、全ての受光素子の受光感度は当該ピーク波長に対応している。
【００２２】
１つの態様では、各発光素子と各受光素子とが組を構成しており、各発光素子は組毎に異なるピーク波長を備えており、各受光素子の受光感度のピーク波長は同じ組の発光素子のピーク波長に対応している。すなわち、同じ組の発光素子のピーク波長と受光素子の受光感度のピーク波長とを一致させる。典型的には発光素子と受光素子が同数であり、各発光素子と各受光素子とがペア（１対１）を構成する。各組は発光素子と受光素子のペア（１対１）に限定されるものではなく、発光素子：受光素子が、Ｎ（≧２）：１、１：Ｎ（≧２）、Ｍ（≧２）：Ｎ（≧２）でもよい。
【００２３】
１つの態様では、前記発光部及び前記受光部は、複数の反射型フォトインタラプタから構成されており、前記フォトインタラプタは、各受光素子が互いに異なる配向を有すると共に前記センサ本体の弾性変形に応じて変位するように当該センサ本体に設けてある。
１つの態様では、前記複数のフォトインタラプタの各フォトインタラプタ（発光素子＋受光素子）は、複数の面を備えた立体的な基板の各面に搭載されている。
典型的には、基板の各面に１つのフォトインタラプタが搭載されており、面の数は受光素子の数に対応している。例えば、５つのフォトインタラプタが５つの面を備えた基板に搭載されている。
各フォトインタラプタの受光素子の受光面の法線方向は、各受光素子が搭載される受光部基板の各面の延出方向によって決定され得る。１つの態様では、受光素子の受光面の法線方向は、当該受光素子が搭載されている面の延出方向に対して鉛直する方向である。
１つの態様では、前記基板は、底面と複数の側面とからなる。
１つの態様では、前記フォトインタラプタはフレキシブル基板に搭載されており、前記基板は前記フレキシブル基板の部分である。
１つの態様では、前記フレキシブル基板は、センサ本体の外面に沿って設けてある。
１つの態様では、前記フレキシブル基板は、マイクロプロセッサ、１つまたは複数の端子が搭載された第１領域と、複数のフォトインタラプタが搭載された第２領域と、第１領域と第２領域を接続する細幅領域とからなる。
【００２４】
本発明が採用した他の技術手段は、
光透過性弾性部材からなるセンサ本体と、
前記センサ本体内に光を照射する発光部と、
前記センサ本体内で散乱した光を受光する受光部と、
を備え、
前記発光部は、複数の発光素子からなり、
前記受光部は、複数の受光素子からなり、
各発光素子と各受光素子とが組を構成しており、各発光素子は組毎に異なるピーク波長を備えており、各受光素子の受光感度のピーク波長は同じ組の発光素子のピーク波長に対応しており、
前記センサ本体の弾性変形に応じて各受光素子で取得される光量の変化から当該センサ本体の立体的変形を検知する、
柔軟触覚センサ、である。
センサ本体の弾性変形に応じて受光素子が変位したり、あるいは、センサ本体の弾性変形に応じて発光素子が変位することで当該発光素子に対する受光素子の相対的位置が変位したりすることで、各受光素子で取得される光量が変化する。
典型的には発光素子と受光素子が同数であり、各発光素子と各受光素子とがペア（１対１）を構成する。各組は発光素子と受光素子のペア（１対１）に限定されるものではなく、発光素子：受光素子が、Ｎ（≧２）：１、１：Ｎ（≧２）、Ｍ（≧２）：Ｎ（≧２）でもよい。
１つの態様では、各組がセンサ本体の特定の変形方向に関連付けられるように当該センサ本体に設けてある。例えば、複数の組（発光素子と受光素子）を、各組が互いに離隔するようにセンサ本体に設けることで、各組の受光素子が受光した光量の変化に基づいて、センサ本体の変形の３次元方向を推定することができる。
１つの態様では、前記複数の発光素子及び前記複数の受光素子は、センサ本体に間隔を設けて平行状に配置した発光素子マトリックスと受光素子マトリックスであり、対向する発光素子と受光素子が組（ペア）を構成している。このような発光素子マトリックスと受光素子マトリックスをセンサ本体全体に亘って設けることで、センサ本体に作用した力の圧力分布情報を得ることができる。得られた圧力分布情報から３次元方向の変位を計算することができる。
【００２５】
１つの態様では、上記記載の触覚センサを１つまたは複数埋設してなる柔軟触覚センサシートが提供される。
１つの態様では、このような柔軟触覚センサシートはロボット用柔軟外装として用いられる。
１つの態様では、柔軟触覚センサシートは、接触面となる表面と、裏面と、を備え、前記触覚センサは裏面に形成された凹部に嵌め込まれている。
１つの態様では、柔軟触覚センサシートのシート本体は発泡ウレタンから形成されている。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る柔軟触覚センサは、センサ自体が多軸の柔軟変形が可能で、かつ、その多軸の変形を認識することができる。
本発明に係る柔軟触覚センサは、自身の３次元の変形を検知可能であると共に、センサ自体も柔軟外装と一緒に柔らかく変形することが可能であるので、このような３次元変形感覚を備えた柔軟触覚センサを、柔軟シートに埋め込むことで、柔軟シートの立体的な変形を感知することができる触覚機能を備えた柔軟触覚センサシートを提供することができる。
本発明に係る柔軟触覚センサは、柔軟であるので柔軟シートに埋め込んだ時に自然な手触りを提供すると共に、衝撃に強く、壊れにくい。
互いに間隔を設けて柔軟シートに埋設した複数の柔軟触覚センサには補間性があるので、センサ間に不感帯を作りにくい構造の柔軟触覚センサシートを提供することができる。
このような柔軟触覚センサシートは、好適には、ロボット用の柔軟外装として用いることができる。３次元変形検出可能な柔軟肉質外装をロボットの表面に装着することで、なで・つねりといった表面の変形を感じ、人間のような皮膚感覚を持った動作生成が可能となる。日常生活支援を目的としたロボットが柔軟で触覚のある外装を持ち環境や人に密着した仕事を行う可能性のある場面は多いと考えられ、人とロボットの関係性が距離的にも感覚的にも近くなるのに役立つ。
本発明に係る柔軟触覚センサは、発光部と受光部を用いるものであり、静電容量型３軸力覚センサ等の従来の力覚センサに比べて、熱の影響を受けにくい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る埋込型柔軟触覚センサの概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る埋込型柔軟触覚センサの外観図である。
【図３】埋込型柔軟触覚センサ単体の変形の様子を示す図である。
【図４】左図はフレキシブル基板の全体を示し、右図はSMBus信号をUSB信号に変換して中継を行う中継基板を示す。
【図５】左図の円で囲った部分は赤外線LEDの位置を示し、右図は赤外線LED配置態様を示す。
【図６】左図は、フレキシブル基板の受光部分を拡大してなる展開図、右図は受光ボックスの拡大図である。
【図７】フレキシブル基板を細幅領域の上下部位で折曲した状態を示し、図２に示す触覚センサからセンサ本体（発泡ウレタン）を取り除いたものに相当する。
【図８】発光部と受光部の配置関係を示す図である。
【図９】埋込型柔軟触覚センサの変形検出特性実験の手法を説明する図である。
【図１０】実験で用いられた触覚センサ上のラベルを説明する図である。
【図１１】埋込型柔軟触覚センサの垂直方向の変形検出特性を示す図である。
【図１２】埋込型柔軟触覚センサのＡ方向の変形検出特性を示す図である。
【図１３】埋込型柔軟触覚センサのＢ方向の変形検出特性を示す図である。
【図１４】埋込型柔軟触覚センサのＣ方向の変形検出特性を示す図である。
【図１５】埋込型柔軟触覚センサのＤ方向の変形検出特性を示す図である。
【図１６】フォースゲージを用いた埋込型柔軟触覚センサの力特性を示す図である。
【図１７】埋込型柔軟触覚センサシートの概略図である。
【図１８】埋込型柔軟触覚センサシートを押した時の変形の様子を示す図である。
【図１９】埋込型柔軟触覚センサシートをなでた時の変形の様子を示す図である。
【図２０】埋込型柔軟触覚センサシートをつねった時の変形の様子を示す図である。
【図２１】柔軟肉質シートのプロトタイプを示す図である。
【図２２】柔軟触覚センサシートプロトタイプを押した時の動作の様子を示す図である。
【図２３】柔軟触覚センサシートプロトタイプをつねった時の動作の様子を示す図である。
【図２４】柔軟触覚センサシートプロトタイプをなでた時の動作の様子を示す図である。
【図２５】他の実施形態に係る埋込型柔軟触覚センサの概略図である。
【図２６】他の実施形態に係る埋込型柔軟触覚センサの概略図である。
【図２７】他の実施形態の受光ボックスの底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
[Ａ]埋込型柔軟触覚センサ
本発明の１つの実施形態は、多軸変形感覚のための埋込型柔軟触覚センサに係り、柔軟触覚センサを埋め込んだ柔軟肉質外装をロボットに装着することで、ロボットに人間の皮膚・肉のような３次元変形感覚、すなわち深部多軸変形感覚、を付与するものである。ここで「深部」とは、柔軟肉質外装の表面上や表面に接する面にセンサを取り付けるのではなく、埋め込むことによって肉質の内部に変形感覚を設けるという意味である。以下に、柔軟で３次元変形検出可能な触覚センサを提案し、柔軟肉質外装に埋め込んで変形検出の検証を行う。
【００２９】
[Ａ−１]柔軟触覚センサの基本構成
図１、図２に示すように、１つの実施形態では、柔軟触覚センサは、発泡ウレタンから形成されたセンサ本体に発光部、受光部を埋設することでキューブ型に形成されている。１つの態様では、発光部は１つあるいは複数の発光素子から構成され、受光部は複数の受光素子から構成される。１つの態様では、発光素子はLEDであり、受光素子はフォトダイオードである。
【００３０】
センサ本体は、上面と、下面と、４つの側面から略立方体状の形状を備えており、下面に位置して３つのLEDからなる発光部が設けられ、上面に位置して、受光部が設けてある。受光部は、５つの受光素子を側面と底面の５面に配置してなるボックス（受光ボックスと呼ぶ）である。各受光素子は発光部に対して互いに異なる配向を有している。
【００３１】
図３に柔軟触覚センサの変形の様子を示す。受光ボックスの各面からの矢印は各受光素子の受光面の法線方向を示している。各受光素子の受光面の法線方向は互いに異なっている。センサ本体に外力が作用することで、発泡ウレタンからなるセンサ本体が弾性変形し、各受光素子と発光部との相対的位置関係が変化する。すなわち、センサ本体の変形に伴って各受光素子が発光部に対して変位する。具体的には、各受光素子と発光部との間の距離が変化し、および/あるいは、各受光素子の受光面の法線方向が発光部に対して変化する。センサ本体の弾性変形に伴う各受光素子の変位に応じた受光素子の出力電圧の変化を読み取り、センサ本体の変形を検出する。
【００３２】
センサ本体の弾性変形時に受光素子による光受容強度（出力電圧）が変化する要因としては、（１）受光面と発光部の光源との物理的距離が縮まることによって、受光面で受け取る光量が変化する、（２）ウレタンの圧縮により光拡散領域が縮小して散乱光の輝度が上昇する、（３）受光素子の変位によって、発光部に対する受光面の法線方向が変化して受光面で受け取る光量が変化する、が考えられる。実際には、センサ本体の弾性変形時にこれらの要因が組み合わさって各受光素子で取得される光量が変化するものと考えられる。センサ本体の変形の方向は各受光素子で取得される光量の変化と相関があり、各受光素子から出力される出力電圧の変化を用いることで、センサ本体の変形を検出する。
【００３３】
[Ａ−２]センサ本体
図１、図２に示す埋込型柔軟触覚センサのセンサ本体は、一辺が20mmの立方体に設計されている。柔軟触覚センサの外形を立方体とすることで、柔軟外装に柔軟触覚センサを埋め込む際、センサが回転方向にずれることがない。立方体形状は、好ましい形態の１つに過ぎないものであり、立方体以外の直方体、円柱状、半球状（ドーム型）等の他の形状からセンサ本体を形成してもよい。柔軟触覚センサの外形寸法についても、一辺の長さ20mmは１つの例示に過ぎない。より小さいフォトトランジスタを選択することで受光ボックスの寸法を小さくして、柔軟触覚センサの外形をより小さく設計してもよい。
【００３４】
センサ本体は発泡ウレタンから形成されている。発泡ウレタンは弾性変形可能であると共に、光透過性・光散乱性の性質を備えている。ウレタンの発泡密度によって、赤外線LEDから発光される光の拡散度が変化する。一定の発泡が保証されていて、硬さを調整できる軟質ポリウレタンフォームを選定した。
【００３５】
[Ａ−３]発光部
発光部の発光素子には、低背で高効率の波長880nmの赤外線LEDを用いた。図５左図に示すように、センサ本体の底面に位置して３個の赤外線LEDを互いに間隔を設けて斜め一列に配置した。赤外線LEDが受光ボックスの側面４個の受光素子に対して、４個とも同じ位置関係であるように底面の対角線上に斜め一列に配置した。すなわち、柔軟センサを４つの各側面を正面として見た時に、いずれの側面から見ても図８に示す位置関係となる。図８に示すように、各LEDの光軸は同じ方向（図示の態様では鉛直方向に）に延出している。赤外線LEDには指向半値角が160degのLEDを選定した。80〜100％の感度を保っている0〜50degの範囲内に受光ボックスが位置するよう配置した。
【００３６】
LEDの配置については、センサ底面の面積及びLEDの寸法も関係し得るが、例えば、図５右図に示すような1〜５個の配置を取り得る。消費電流を抑えるためにはLEDの数は４個以下が望ましい。触覚センサの全身への分布を考えた場合には、約２００個以上の触覚センサを用いることになり、省電流が必要となる。LEDの数が３個ないし４個の場合に受光ボックスの底面と側面のフォトトランジスタの受光のバランスがとれ、変形に応じた信号変化が良好に測定できた。よって、柔軟触覚センサのプロトタイプにおいては、全体の消費電力を抑えるためにセンサ１つあたりの赤外線LEDの数を抑え、反応が良好であった３つ斜め一列の配置に決定した。
【００３７】
[Ａ−４]受光部
受光部の受光素子として3.0×2.0×1.5mmのフォトトランジスタPS1101Wを用いた。受光部は、水平状の底面と、鉛直方向に対して傾斜状に延出する４つの傾斜側面とから逆角錐台状に形成されたベースと、ベースの各面に装着された受光素子とからなる。ベースは、底面と４つの斜面を備えた約6mm立方のナイロン粉末焼結RPで形成したボックスであり、ボックスの各面に受光素子が搭載された基板を貼り付けることで、底面と４つの側面の５面にそれぞれ受光素子を1個ずつ配置させた受光ボックスが形成される。図６の左図にフレキシブル基板の受光部分を拡大してなる展開図を、右図に受光ボックスを拡大した画像を示す。図６左図に示す受光部基板を立体的に折曲し、上記ボックスの各面に貼り付けることで、図６右図のような受光ボックスが得られる。
【００３８】
[Ａ−５]フレキシブル基板
柔軟触覚センサを構成する電子部品及び周辺回路はフレキシブル基板に搭載されている。図４左図に示すように、フレキシブル基板は、赤外線LEDが搭載された第１領域と、複数のフォトダイオードが搭載された第２領域（受光素子部分）と、第１領域と第２領域とを接続する細幅領域と、からなる。第１領域には、赤外線LEDの他にマイクロコンピュータ（C8051系）、変形方向による感度の違いを調整するための出力増幅を行うオペアンプ、マイクロコンピュータの動作電圧の調整を行なうレギュレータ、コネクタ、抵抗、コンデンサが搭載されている。触覚センサにおいて、フレキシブル基板の第１領域はセンサ本体の底面に位置しており、補強プレートにより補強されている。尚、センサ本体の底面に位置する基板をリジッドな基板から形成し、受光素子部分と細幅領域とからなるフレキシブル基板をこれに接続することで周辺回路を形成してもよい。
【００３９】
各フォトトランジスタで取得された電気信号はフレキシブル基板の配線を通ってマイクロコンピュータに送信される。マイクロコンピュータは、センサアナログ信号をA/D変換し、デジタル通信（I2C通信）を行う。マイクロコンピュータに他の機能（例えば、LEDの点滅制御）を付与してもよいことが当業者に理解される。
【００４０】
フレキシブル基板は、第１領域がセンサ本体の下面に位置し、第２領域がセンサ本体の上面に位置し、細幅領域がセンサ本体の側面に沿って高さ方向に延出するように折曲してセンサ本体に設けられる（図１、図７参照）。フレキシブル基板の第１領域はセンサ本体の弾性変形及び光の送受信を妨げることがなく、また、第１領域と第２領域とを連結する部分もフレキシブルであると共に細幅に形成されているので、センサ本体の弾性変形に与える影響は殆どなく、また、影響を与えたとしてもキャリブレーションで対応することができる。
【００４１】
センサ本体とフレキシブル基板とからなる触覚センサの成型について説明する。基板とウレタンを一体に成型するための型を作成する。フレキシブル基板において第１領域と第２領域とを繋ぐ細幅領域の両端部を折り曲げ、センサ本体の底面の３つの赤外線LEDの真ん中の垂直線上に受光ボックス底面の受光素子が位置するように固定し、ウレタンを流し込み発泡させて固める。
【００４２】
典型的な態様では、埋込型柔軟触覚センサは柔軟外装の面積に応じて多数分布させるものであり、ノイズが入りにくく、省配線なシステムである必要がある。そこでセンサデバイス間はSMBusで通信し、デイジーチェーン接続を行う。センサ基板にはC8051マイクロコンピュータ（Silicon Laboratories社製）を搭載し、センサ内でA/D変換を行い、データをSMBusのマスター（後述の中継基板に実装されたC8051マイコンがSMBusのマスター及びUSBのデバイスとして動作する。）に送信するようにした。ホストPCとの間は一般的なインターフェイスでドライバの扱いが容易であるUSBにより通信を行う。センサデバイスからのSMBusプロトコルの通信をUSB信号に変換して、中継する基板を開発した（図４右図）。そして、USBハブを通してホストPCとの通信を行う。この方式をとると、アナログ値を即座にデジタル値に変換するのでノイズが入りにくく、チェーン状にセンサを繋ぐことができるため省配線である。
【００４３】
[Ａ−５]発光部と受光部との位置関係
図８に発光部と受光部との位置関係を示す。発光部を構成する３つの赤外線LEDはいずれも鉛直方向の光軸を備えている。赤外線LEDの指向半値角は160degであり、80〜100％の感度を保っている0〜50degの範囲内に受光部が位置するよう配置した。受光ボックスの斜面の斜度は、フォトトランジスタの指向半値角が130degであり、80〜100％の感度を保っている0〜30deg付近で反応するよう底面の赤外線LEDとの距離を設定した。図示の態様では、受光素子、発光素子の半値角の範囲の領域で光量（電圧）の変化を検出するようにしている。
【００４４】
センサ本体の変形の方向、すなわち、センサ本体に作用した力の方向、は各受光素子で取得される光量の変化と相関がある。センサ本体の上面に位置している受光ボックスと、LEDが位置するセンサ本体の下面との距離が近づくことで、受光ボックス底面のフォトダイオードの電圧値が変化し、押し方向の変形を検出する。そして、受光ボックスがウレタンの変形により回転し、受光ボックス側面のフォトダイオードがLEDの光を受光することで、側面方向への変位に関しても検出を行う。
【００４５】
より具体的に説明する。受光部が、底部の第１受光素子、ラベルA側の第２受光素子、ラベルB側の第３受光素子、ラベルC側の第４受光素子、ラベルD側の第５受光素子の５つの受光素子から形成されているとする（ラベルについては、図９、図１０参照。）。センサ本体の上面に下面に向かう垂直方向の力が作用した場合には、特に、第１受光素子の受光面とLEDとの物理的距離が縮まることによって、第１受光素子が受光する光量が他の４つの受光素子で受光される光量に比べて顕著に上昇する。
【００４６】
センサ本体にラベルA側を下方に向ける回転方向の力が作用した場合には、特に、第２受光素子の受光面とLEDとの物理的距離が縮まると共に、第２受光素子の受光面の法線方向が光軸に一致する方向に変位することによって、第２受光素子が受光する光量が対向する第４受光素子で受光される光量に比べて顕著に上昇する。同様に、センサ本体にラベルB側を下方に向ける回転方向の力が作用した場合には、特に、第３受光素子の受光面とLEDとの物理的距離が縮まると共に、第３受光素子の受光面の法線方向が光軸に一致する方向に変位することによって、第３受光素子が受光する光量が対向する第５受光素子で受光される光量に比べて顕著に上昇する。このように対向する受光素子で受光される光量の差分からセンサ本体に作用した力の方向を検出することができる。
【００４７】
このように受光部の各受光素子によって取得される光量（電圧）の変化を観測することで、柔軟触覚センサにどのような力が作用したかを検出することができる。例えば、柔軟触覚センサに様々な方向の力を作用させた時の各受光素子の電圧の変化を実測することで、柔軟触覚センサの変形検出特性をデータベースとして用意することで、得られた各受光素子の電圧からセンサ本体の変形及び作用した力の方向を推定することができる。また、センサ個体間の差は、初期キャリブレーションを行うことで補正してもよい。
【００４８】
[Ａ−６]補間性
本発明に係る力覚センサの特徴の１つとして補間性がある。開発したセンサを全身へ展開するには、数多くのセンサが必要となってくるが、大電流が必要となってくることが予想される。しかし、センサ数を少量に抑えすぎると不感帯ができてしまう。本発明の柔軟触覚センサはセンサ自体が変形して、３次元的な変形を測定するので、一定距離を設けても中間位置の外装の変形に引きずられて、周囲の変形が生じることを検知できるため、隣り合ったセンサ間に不感帯を作らないように配置することが可能であり、補間性を有している。
【００４９】
［Ｂ］埋込型柔軟触覚センサの特性
［Ｂ−１］埋込型柔軟触覚センサの変形検出特性
埋込型柔軟触覚センサを変形させたときの変形検出について調べた。肉質柔軟外装に埋め込んだ柔軟触覚センサを単体で変形させる実験を行った。図９に測定の方法を示す。押し動作は、センサ上面に載置した平板を垂直に押し下げる動作であり、回転動作は、センサ上面に載置した平板を図９左図（上面図）、図１０のラベル名Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各面側を下方に回転させる動作である。
【００５０】
センサの上面に平板を置き、0.5mm間隔で0.0から9.0mmまで垂直に押し下げ、受光ボックスの底面と側面の各受光素子で取得された電圧値の変化を調べた。図１１にグラフを示す。横軸は押し込んだ距離を、縦軸は受光ボックスの各面毎に測定した電圧値を示す。グラフ中のA、B、C、Dの記載は、図８のTop Viewの面配置に対応する受光素子を指す。垂直方向の変位の増加に従って、底部(Bottom)の受光素子による電圧が、他の側面の受光素子による電圧に比べて大きく増加していることがわかる。埋込型柔軟触覚センサが、垂直方向の変形を検出すること、再現性があることが確認され、垂直方向の押しを認識可能であることが示された。
【００５１】
センサ上面に平板を置き、上面端に回転軸を設けて5deg間隔で0〜40degまで平板を回転させて、底面と側面の各センサの電圧値の変化を調べた。図１２乃至図１５にグラフを示す。この時、横軸は回転角度を、縦軸は受光ボックスの各面毎に測定した電圧値を示す。
【００５２】
各面側へ変形している際、同じ面側に配置した受光素子が他の面の受光素子よりも高い電圧値を検出していた。このことによって、５面への変位の計測に関して、押し込み方向の変位や各側面側への変位を受光素子の電圧値で判別することが可能であることを確認した。底面の受光素子による電圧が各側面側への変位毎に影響を受けて変化していたが、側面の受光素子による電圧の変化を比較することで、変形の方向を推定することができる。
【００５３】
［Ｂ−２］フォースゲージを用いた力特性計測
フォースゲージでセンサの上面を垂直に押した際の、押し込み力と底面と側面のフォトトランジスタの電圧値の変化の関係について調べた。図１６にZ軸方向に静かに押し付けた際の電圧変化についてのグラフを示す。ウレタンの性質によると考えられるヒステリシスが若干あるものの、比較的線形に変化することが確認できる。したがって、電圧値から作用している力を推定することができる。押し込み力が1.0kgf付近でフォトトランジスタの最大電圧値を検出したため、1.0kgf以降の変化がほぼなくなっている。このような性質は軟質ポリウレタンフォームでの成型時に主剤と硬化剤の調合比を変化させることによって調整することが可能である。今回は1:0.3の割合でポリウレタンフォームを成型した。センサ単体を柔らかく変形しやすいように成型し、外装を硬めに成型することで、補間性が保たれ、変位計測の感度を上げることができると考える。
【００５４】
［Ｂ−３］機械的強度計測実験
外装のウレタンの硬度を上げて、機械的強度の見積もりを得るための実験を行った。図２１にある柔軟肉質外装プロトタイプと同じ形状で主剤と硬化剤の比が1:0.5の柔軟肉質外装の中央に触覚センサを埋め込み、外装の上に錘を置くことで面圧を加え、センサが壊れるまで錘を加えていった。60kg付近で圧力を加えても壊れなかったが、65kg付近で故障した。20kg付近でフォトトランジスタの最大電圧に達し、以降力を加え続けていた間は垂直方向のセンシングは成されていなかったが、おもりを取り除いた後、センサとしての機能を失っていなかった。最近の等身大ヒューマノイドロボットの体重が30-60kg程度であることを考えると、ウレタン硬度を上げることで、センサ内部のフォトトランジスタと赤外線LEDが衝突しないようにすれば等身大のロボットの臀部や足裏といった、大きな力がかかる部分への装着の展開が可能である。
【００５５】
［Ｂ−４］柔軟触覚肉質外装プロトタイプのモデル化と３次元変位認識実験
［Ｂ−４−１］柔軟肉質シートへの埋込実装
図１７に柔軟肉質外装にセンサを埋め込んだ状態の断面図を示す。外装表面への「押し・なで・つねり」の刺激を与えたときの変形の様子をそれぞれ図１８乃至図２０に示す。複数の柔軟触覚センサが埋設された柔軟肉質外装において、図１７（外力が作用しない状態）において、柔軟肉質外装の表面に外力が作用することで柔軟肉質外装内部の柔軟触覚センサが変形するが、図１８乃至図２０から明らかなように、作用する外力の方向によって各柔軟触覚センサは異なる変形を呈する。柔軟肉質外装に垂直方向に押す力が作用した場合に、内部の柔軟触覚センサの直上に力が作用した場合には、各柔軟触覚センサは図１８上図のような変形をし、２つの柔軟触覚センサの間に力が作用した場合には、各柔軟触覚センサは図１８上図のような変形をする。柔軟肉質外装の表面に沿ったなでる力が作用した場合には、内部の各柔軟触覚センサは図１９に示すような変形をする。柔軟肉質外装の表面をつねった場合には、内部の各柔軟触覚センサは図２０に示すような変形をする。
【００５６】
図１８乃至図２０に示す変形は１つの例示に過ぎず、柔軟触覚センサの寸法や埋設されたセンサ同士の間隔等によって異なる変形をし得ると考えられるが、柔軟肉質外装の表面に作用する力に相関して内部の各柔軟触覚センサは特異的に変形する。したがって、柔軟触覚センサが埋設された柔軟肉質外装において、柔軟肉質外装の表面に加えられた力とその時の各柔軟触覚センサの変形とをパターン化してデータベースとして格納しておくことで、各柔軟触覚センサの変形の組み合わせから柔軟肉質外装の表面に作用した外力の意味（なでる、つねる等）を推定することができる。各柔軟触覚センサの変形の方向については、各柔軟触覚センサの受光素子で検出された電圧の変化から取得することができる。
【００５７】
図２１に柔軟肉質外装のプロトタイプを示す。ウレタンシートに35.0mm間隔で3×3個の埋め込み穴を形成し、各穴に柔軟触覚センサを埋め込み、配線を行うことで柔軟肉質外装のプロトタイプを作成した。柔軟触覚センサを一定間隔で並べ、肉質外装と一体とすることでセンサ間の変形認識を補間する機能を得ることができる。今回はセンサ用のウレタンを主剤1:硬化剤0.3の比で造形し、外装用のウレタンを1:0.3、1:0.4、1:0.5で成型したもので実験を行った。センサ用ウレタンを柔らかく、外装用ウレタンを硬く成型することで、補間性を得やすい柔軟触覚外装をつくることが可能である。通信システムとしては、各センサ上のマイクロコンピュータでA/D変換を行い、デイジーチェーン接続可能なSMBus搭載基板を中継基板とし、省配線・低ノイズの通信システムを採用した。
【００５８】
［Ｂ−４−２］柔軟肉質外装の触覚処理のモデル化
柔軟触覚肉質外装のプロトタイプをモデル化し、柔軟肉質外装の触覚処理を行うことで、３次元の変位検出の可視化を行った。柔軟肉質外装の触覚処理とは、ビューア上のセンサに配置した棒と円の描画方法のことである。A〜D面の出力電圧に比例して各センサ中心の棒の傾きを設定することで、力の働く方向に向かって棒が倒れ、変形の状態を見ることができる。そして、センサ上面の５つの円の半径はセンサ内部の各受光素子の電圧値に比例しており、変位の大きい面側の円が拡大し、変形の度合いの分布を視覚的に確認することができる。このようにして、３次元変形認識のための幾何モデルを作成し、複数のセンサ間の変形検出の状況を一度に把握し、観察した。図２２、図２３、図２４に実際に外装のプロトタイプに触れている場面（「押し・つねり・こすり」の動作）と同時刻のモデルのビューアを示す。
【００５９】
まず、図２２では、外装表面を人差し指で押すとセンサに立てた棒が変形方向に傾き、変形が検出されたのが確認できた。次に、図２３では、外装表面をつねるようにつまんだ。つまむ動作の変形を認識しており、このときのセンサに立てた棒の傾き方は、押し動作とは反対方向の傾き方であり、動作の区別をつけることができる。最後に、図２４では、外装表面をゆっくりなでた。
【００６０】
外装の変位を検出し、立てた棒が傾き角度を変えながら、手の位置に従って移り変わる様子が確認できた。これらの結果から、柔軟触覚肉質外装プロトタイプによって、押し動作だけでなく「なで・つねり」といった外部からの刺激を区別し得ることがわかった。また、指で押した部分の下はセンサが配置されていない場所もあったが、外装表面の変形が隣同士のセンサに伝わり、変形を検出していたので、補間性があることも確認できた。
【００６１】
このように、柔軟肉質外装にセンサを埋め込み、押し・つねり・なで動作の検出を行った。柔軟外装を持ったヒューマノイドロボットになで、つねりといった種類の３次元変形感覚は新しく、シート状の柔軟外装に埋め込む形をとることで硬い外装を持ったロボットにも簡単に取り付けることができる。なで・つねりといった摩擦の多い動作を行っても、センサ自体が柔軟であるため、外装表面からセンサの存在による違和感を覚えることはなく、自然な触り心地である。補間性に関しては、センサ単体を柔らかく、外装を硬く成型するなどの工夫でより良好に補間性を得ることができる。センサ自体が柔軟で変形するので外装の表面の変形に追従可能であり、センサ間に不感帯を作りにくい構造であるということは、センサ配置面積を広げてゆくときに非常に有効である。
【００６２】
［Ｃ］その他の実施態様
［Ｃ−１］反射型フォトインタラプタ
上述の実施形態では、受光部と発光部とが離間したものを示したが、受光部及び発光部を反射型フォトインタラプタから構成してもよい。より具体的な態様例では、図１に示す受光ボックスの各面に設けた各受光素子、底面に設けた各発光素子に代えて、受光ボックスの各面にフォトインタラプタ（発光素子と受光素子を備えている）を設ける。
【００６３】
フォトインタラプタは、受光ボックスの各面に配置されることで異なる配向で３次元配置される。フォトインタラプタは、センサ本体に埋設されることで、センサ本体と一体成形されており、当該センサ本体の弾性変形に応じてフォトインタラプタの配向も変位する。各フォトインタラプタが互いに異なる配向を有しており、各フォトインタラプタ（発光素子および受光素子）の配向が一様ではないので、各方向への圧縮を反映した受光量になることが想定され、3次元変形パターンを取得できる。フォトインタラプタにおいては、受光素子と発光素子が隣接しているので、各受光素子で取得される受光量の変化は、ウレタンの圧縮により光拡散領域が縮小して散乱光の輝度が上昇することによるものである。
【００６４】
［Ｃ−２］異なるピーク波長を備えた発光素子／受光素子
図１に示す実施形態では、受光素子、発光素子が全て同じ波長で最大値を取るようなものを用いている。これは、受光素子が底面から一様に同じ光を受け取るという仮定を置いている。図８に示すように、各受光素子は、全ての発光素子から光を受けることができ、受光できる範囲は広がるものの、どの発光素子から出射された光に対する受光かということは識別していない。
【００６５】
これに対して、図２５に示すように、センサ本体の床面に配置した複数の発光素子を、互いに異なるピーク波長を備えた発光素子から構成し、受光側、すなわち、複数の受光素子も、各ピーク波長に対応する受光感度を備えた受光素子から構成する。発光素子と受光素子とは、同じピーク波長を備えた各発光素子と各受光素子とが組を構成するようにセンサ本体に配置される。典型的には発光素子と受光素子が同数であり、各発光素子と各受光素子とがペア（１対１）を構成するが、各組は発光素子と受光素子のペア（１対１）に限定されるものではない。例えば、３つの発光素子に対して５つの受光素子が対応するようにしてもよく、より具体的には、発光素子：受光素子の組を、１：２、１：２、１：１の３組としてもよい。
【００６６】
異なるピーク波長を備えた発光素子／受光素子を採用することで、センサ本体の各変形（受光素子の変位）が特定の発光素子と関連付けられるので、どの発光素子に近づいて得られた光量変化なのかがより特定的になる。その結果、各３次元変形に対するパターンをより区別しやすい形で取得することができ、センサ本体の３次元変形の検知精度を向上させることができる。
【００６７】
また、異なるピーク波長を備えた発光素子／受光素子を採用することで、図１に示す発光部と受光部の位置を入れ替えた構成を採用することもできる。すなわち、図２６に示すように、受光ボックスの５面に相当する各面に発光素子を搭載し、底面に５つの受光素子を配置する。各発光素子は互いに異なるピーク波長を備えている。各発光素子と各受光素子はペアを構成しており、同じ組の発光素子のピーク波長と受光素子の受光感度のピーク波長は一致している。センサ本体の弾性変形に伴って発光素子が変位することで、発光素子に対する受光素子の相対的位置が変位して受光素子により受光される光量が変化する。センサ本体の変形の方向が特定のペア（発光素子と受光素子）に関連付けられており、どの受光素子によって受光された光量が変化するかによって、センサ本体の立体変形の検出が可能である。
【００６８】
受光素子と発光素子の位置を入れ替え、さらに、センサ本体における発光素子と受光素子の配置態様を変更することで、分布圧も同時に取ることもできる。例えば、底面部に３×３の受光素子マトリクスを作り、その上方に底面部と同じ３×３の発光素子を配置すれば、表面の変形により、発光素子マトリクスと底面（受光素子マトリクス）との位置が変位して、それに応じた光量が得られる。この時、この９種類の発光・受光素子のペアをそれぞれ異なる波長に対応するものとすることで、20mm×20mmの中での９箇所の圧力分布情報に変換できる。また、その分布圧から20mm×20mmの３次元方向の変位を計算できる。
【００６９】
［Ｃ−３］受光ボックス
受光ボックスを多面体の下半分として、より多様な方向の変化を同時に取得できるようにしてもよい。例えば、図２７に示すように、正１２面体の下６面の各面に６つの受光素子をそれぞれ貼り付ける。
【００７０】
［Ｃ−４］熱の発生の抑制
本発明に係る柔軟触覚センサは、発光素子と受光素子を利用した構造をしているので、センサ本体を形成する発泡ウレタンが熱の影響を受けにくいが、熱の発生は回路の故障や劣化の原因として問題となり得る。したがって、ロボットに装着する場合には、熱の発散手段や熱の発生抑制手段を設けることが望ましい。熱の発生抑制手段としては、常時LEDを点灯させるのではなく、センサ本体に外力が作用した時にのみLEDを点灯させるようにマイクロコンピュータによって制御することが挙げられる。熱の発散手段としては、ヒートシンクが例示される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明に係る柔軟触覚センサは、ロボットの表面に装着される柔軟肉質外装に埋め込むことで、３次元変形検出可能な柔軟肉質外装として利用可能である。ヒューマノイドに装着する際には、頬や鼻に取り付け、なでるとポジティブな反応を、つねると「痛い」などと音声を発し、ネガティブな反応を示すというように、ロボットの感情表現に利用することができると考える。臀部や足裏、太ももの裏などといった、環境や機構同士の衝突により故障しやすい部分に対し、緩衝的役割とセンシングの役割を持たせるという意味で、柔軟触覚肉質外装を取り付けるという対策は有効であると考えられる。
【００７２】
本発明に係るセンサは、ヒューマノイドロボットだけでなく、イスの背もたれやベッドなど、生活の中で人と密着する柔軟物に取り付け、センシングを行うといった利用も考えられる
【００７３】
さらには、ジョイステック等の入力インターフェイスへの利用も考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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