(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定体の伸長または収縮の一方における物理変化に応じて立ち上がり、前記測定体の伸長または収縮の他方における物理変化に応じて立ち下がる信号を出力する伸縮センサから前記信号を受信するステップと、
前記受信された信号の立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れる場合に、前記遅れを補正するステップと、
を有し、
前記補正するステップは、
前記受信された信号の包絡線の振幅と所定値との比較結果に応じて増幅率を決定するステップと、
前記受信された信号の振幅を、前記増幅率に応じて調整するステップと、
を有する、
ことを特徴とする信号処理方法。
【請求項２】
前記物理変化は、前記伸縮センサに設けられた物体の電気抵抗の変化である、
ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理方法。
【請求項３】
前記信号は立ち上がりに対して立ち下りが遅れる信号であり、
前記補正するステップでは、
前記受信された信号の包絡線の振幅が所定値を下回った場合に前記増幅率を引き下げる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理方法。
【請求項４】
前記信号は立ち下がりに対して立ち上がりが遅れる信号であり、
前記補正するステップでは、
前記受信された信号の包絡線の振幅が所定値を上回った場合に前記増幅率を引き上げる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理方法。
【請求項５】
測定体の伸長または収縮の一方における物理変化に応じて立ち上がり、前記測定体の伸長または収縮の他方における物理変化に応じて立ち下がる信号を出力する伸縮センサから前記信号を受信する受信手段と、
前記受信手段により受信される信号の立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れる場合に、前記遅れを補正する処理を行う信号処理手段と、
前記信号処理手段は、
前記受信された信号の包絡線の振幅と所定値との比較結果に応じて増幅率を決定する決定手段と、
前記受信された信号の振幅を、前記増幅率に応じて調整する調整手段と、
を有することを特徴とする信号処理装置。
【請求項６】
コンピューターを、
測定体の伸長または収縮の一方における物理変化に応じて立ち上がり、前記測定体の伸長または収縮の他方における物理変化に応じて立ち下がる信号を出力する伸縮センサから前記信号を受信する受信手段、および、
前記受信手段により受信される信号の立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れる場合に、前記遅れを補正する処理を行う信号処理手段、
として機能させ、
前記信号処理手段は、
前記受信された信号の包絡線の振幅と所定値との比較結果に応じて増幅率を決定する決定手段、および、
前記受信された信号の振幅を、前記増幅率に応じて調整する調整手段、
を有することを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号処理装置、信号処理方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、伸縮に応じた信号を出力する伸縮センサが知られている。伸縮センサは、加えられた力に応じて電気抵抗値が変化（「物理変化」の一例）する測定体（「物体」の一例）を備える。そして、伸縮センサは、測定体の電気抵抗値を計測することで、伸縮センサの伸縮、または、伸縮センサに加わった応力を検出することができる。
このような伸縮センサの一例としては、測定体としてカーボンナノチューブ（carbon nanotube：以下、ＣＮＴと略記する）を用いたＣＮＴ歪みセンサが挙げられる（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）。ＣＮＴは、ＣＮＴに加えられた力に応じて電気抵抗値が変化するといった性質を有する。従って、ＣＮＴ歪みセンサに設けられたＣＮＴの電気抵抗値を計測することで、ＣＮＴ歪みセンサの伸縮、または、ＣＮＴ歪みセンサに加わった応力を検出することができる。また、伸縮センサの他の例としては、導電性繊維とゴム繊維を用いて伸縮する組紐を測定体として採用し、組紐の電気抵抗値を計測することによって組紐の伸縮量を検出する組紐センサが挙げられる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１０４７９６号公報
【特許文献２】特開２０１５−１４７０３８号公報
【特許文献３】特開２０１６−１３６９８９号公報
【特許文献４】特許４４２２７２８号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】並川真也、他２名、「伸縮による抵抗変化を利用した組紐センサの基礎検討」、インタラクション  ２０１６、一般社団法人情報処理学会、p.396-401
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＮＴ歪みセンサまたは組紐センサのような、測定体の電気抵抗値に応じた信号レベルの出力信号を出力する伸縮センサでは、伸縮センサの伸長時と、伸縮センサの収縮時とで出力信号が非対称になる傾向がある。出力信号が非対称になるとは、出力信号の立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れることをいう。例えば、伸縮センサの伸長に応じて出力信号が立ち上がり、伸縮センサの収縮に応じて出力信号が立ち下がる伸縮センサの場合、出力信号の立ち上がりに比較して立ち下りが遅れる。この原因は、例えば、伸縮センサに設けられたゴム繊維等の粘弾性により、伸縮センサの収縮時は伸縮センサの伸長時に比較して、伸縮センサが緩やかに変形する傾向があるからであると考えられる。伸縮センサは装着者の動作を計測するためのウェアラブルセンサに利用されることが多いが、上記非対称性により、装着者の動きに対する追従性が伸長時と収縮時とで異なる、という問題があった。【０００６】
本発明は以上に説明した課題に鑑みて為されたものであり、その目的の一つは、物理変化に応じて出力信号が立ち上がり当該物理変化とは逆の物理変化に応じて出力信号が立ち下がるセンサの出力信号が非対称となる場合にその非対称性を解消することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る信号処理方法は、物理変化に応じて立ち上がり前記物理変化とは逆の物理変化に応じて立ち下がる信号を出力するセンサから前記信号を受信するステップと、前記受信された信号の立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れる場合に、前記遅れを補正するステップと、を有することを特徴とする。【０００８】
本発明に係る信号処理装置は、物理変化に応じて立ち上がり前記物理変化とは逆の物理変化に応じて立ち下がる信号を出力するセンサから前記信号を受信する受信手段と、前記受信手段により受信される信号の立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れる場合に、前記遅れを補正する処理を行う信号処理手段と、を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態による信号処理装置１０Ａを含む信号処理システムの構成例を示す図である。
【図２】同信号処理システムに含まれる伸縮センサ２０の出力信号波形の一例を示す図である。
【図３】同伸縮センサ２０に対応する標準線形固体モデルの一例を示す図である。
【図４】同信号処理装置１０Ａの信号処理手段１１０Ａが実行するカルマン・フィルタ処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】本実施形態の効果を検証するためのシミュレーションに用いたデータを説明するための図である。
【図６】同シミュレーション結果を示す図である。
【図７】同シミュレーション結果を示す図である。
【図８】同シミュレーション結果を示す図である。
【図９】実測データへの本実施形態の適用結果を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による信号処理装置１０Ｂを含む信号処理システムの構成例を示す図である。
【図１１】同信号処理装置１０Ｂのゲイン設定部１１６に記憶されているゲインテーブルの格納内容を説明するための図である。
【図１２】本実施形態の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
（Ａ：第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る信号処理装置１０Ａを含む信号処理システムの構成例を示す図である。信号処理装置１０Ａには、モーションキャプチャ用のデータグローブなど、伸縮センサ２０を用いたウェアラブルセンサが接続される。信号処理装置１０Ａは、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）であり、伸縮センサ２０の出力信号に本発明特有の処理を施して出力する装置である。本実施形態における伸縮センサ２０はＣＮＴ歪みセンサである。伸縮センサ２０は、測定体であるＣＮＴを備える。そして、伸縮センサ２０は、伸縮センサ２０の伸長に応じて立ち上がり、伸縮センサ２０の収縮に応じて立ち下がる信号を出力する。
【００１１】
伸縮センサ２０の出力信号は、伸縮センサ２０の伸長時と収縮時で非対称となる。具体的には、本実施形態における伸縮センサ２０の出力信号の立ち下りは立ち上がりに比較して遅れる。図２は、伸縮センサ２０の理想的な出力信号波形と実際の出力信号波形の一例を示す図である。図２では、理想的な出力信号波形が波形Ｇ０１で表されており、実際の出力信号波形が波形Ｇ０２で表されている。図２の波形Ｇ０１と波形Ｇ０２とを比較すれば明らかなように、実際の出力信号波形の立ち上りは理想的な出力信号波形の立ち上がりと略一致しているものの、実際の出力信号波形の立ち下りは理想的な出力信号波形の立ち下がりに比較して遅れている。
【００１２】
本実施形態の信号処理装置１０Ａは、伸縮センサ２０の出力信号の非対称性を補正する装置である。具体的には、本実施形態に係る信号処理装置１０Ａは、伸縮センサ２０の出力信号の立ち下がりの遅れを補正する。
図１に示すように、信号処理装置１０Ａは、受信手段１００と、信号処理手段１１０Ａとを有する。本実施形態における受信手段１００は、信号線等を介して伸縮センサ２０を電気的に接続するための入力端子である。但し、受信手段１００として無線通信回路を採用することで、信号処理装置１０Ａと伸縮センサ２０とが無線接続する構成としてもよい。要は、受信手段１００は、伸縮センサ２０の出力信号を受信するものであれば良い。受信手段１００は、伸縮センサ２０から受信した信号を信号処理手段１１０Ａに引き渡す。信号処理手段１１０Ａは、受信手段１００により受信された信号に、当該信号の立ち下りの遅れを補正する信号処理を施して後段の装置へ出力する。本実施形態では、伸縮センサ２０が、ＣＮＴ等の測定体と、粘弾性を有するゴム等の素材を有していることと仮定したうえで、伸縮センサ２０を図３に示す標準線形固体モデルによりモデル化する。そして、本実施形態に係る信号処理手段１１０Ａは、伸縮センサ２０をモデル化した標準線形固体モデルに基づいて定められるカルマン・フィルタを用いて、伸縮センサ２０の出力信号の非対称性を補正する、カルマン・フィルタ処理を実行する。
【００１３】
図３に示すように、本実施形態において採用する標準線形固体モデルにおいて、伸縮センサ２０は、線形バネ等の弾性要素２１０と、弾性要素２１０に並列に接続された線形バネ等の弾性要素２２０と、弾性要素２２０に直列に接続されたダッシュポット等の慣性要素２３０と、を備える。以下では、弾性要素２１０のばね係数を「Ｅ１」で表し、弾性要素２２０のばね係数を「Ｅ２」で表し、慣性要素２３０の粘性係数を「η」で表す。また、受信手段１００による、伸縮センサ２０の出力信号の受信周期を「Δｔ」で表す。例えば、「Δｔ」は、時刻（ｔ−１）から時刻ｔまでの時間長であってもよい。
この場合、標準線形固体モデルにおいて、時刻ｔにおける伸縮センサ２０の伸縮の大きさを示す歪みε（ｔ）は、以下の式（１）で示すように、時刻（ｔ−１）における伸縮センサ２０の歪みε（ｔ−１）と、時刻ｔにおいて伸縮センサ２０に加わる応力σ（ｔ）と、時刻（ｔ−１）において伸縮センサ２０に加わった応力σ（ｔ−１）と、を用いて表すことができる。
【数１】
0006791265.tif 000002
【００１４】
係数α１、係数α２、係数α３、及び、係数α４を、それぞれ、以下の式（２）〜式（５）のように規定した場合、式（１）を、以下の式（６）に変形することができる。
【数２】
0006791265.tif 000003
【００１５】
そして、時刻ｔにおいて、歪みε（ｔ）に対して加わる外乱を示す正規乱数を「ｅε」とし、時刻（ｔ＋１）において、応力σ（ｔ＋１）に対して加わる外乱を示す正規乱数を「ｅσ」とした場合、上述した式（６）に基づいて、以下の式（７）を導出することができる。本実施形態では、以下の式（７）を、信号処理手段１１０Ａにおいて適用されるカルマン・フィルタにおける状態方程式として採用する。すなわち、本実施形態に係るカルマン・フィルタでは、以下の式（７）に示すように、歪みε（ｔ）と、応力σ（ｔ＋１）と、応力σ（ｔ）とを状態変数とする状態方程式を採用する。
【数３】
0006791265.tif 000004
【００１６】
また、本実施形態では、以下の式（８）を、信号処理手段１１０Ａにおいて適用されるカルマン・フィルタにおける観測方程式として採用する。ここで、式（８）の値「Ｒ（ｔ）」は、時刻ｔにおける伸縮センサ２０の出力信号の表す電圧値から換算される電気抵抗値である。また、式（８）の値「ｃ」は、伸縮センサ２０に生じた歪みε（ｔ）と、電気抵抗値Ｒ（ｔ）とを関係付ける係数である。
【数４】
0006791265.tif 000005
【００１７】
信号処理手段１１０Ａは、伸縮センサ２０の出力信号の表す電気抵抗値Ｒ（ｔ）を入力として、式（７）及び式（８）に従ってカルマン・フィルタの処理を実行する。これにより、信号処理手段１１０Ａは、例えば、状態変数（ε（ｔ），σ（ｔ＋１），σ（ｔ））の推定値の二乗期待誤差が最小になるように、状態変数（ε（ｔ），σ（ｔ＋１），σ（ｔ））を更新する。そして、信号処理手段１１０Ａは、カルマン・フィルタの処理により更新された状態変数である応力σ（ｔ）を、後段の装置へ出力する。
【００１８】
図４は、信号処理手段１１０Ａが実行するカルマン・フィルタ処理の流れを示すフローチャートである。
図４に示すように、信号処理手段１１０Ａは、まず、初期化処理を行う（ＳＡ１００）。具体的には、信号処理手段１１０Ａは、ステップＳＡ１００において、時刻ｔを示すカウンタ変数に初期値を設定し、外乱ｅεおよびｅσに初期値を設定し、また、状態変数（ε（ｔ−１），σ（ｔ），σ（ｔ−１））に初期値を設定する。
また、信号処理手段１１０Ａは、カウンタ変数の示す時刻ｔにおける伸縮センサ２０の出力信号の表す電圧値を、電気抵抗値Ｒ（ｔ）に換算する（ＳＡ１１０）。
次に、信号処理手段１１０Ａは、状態変数（ε（ｔ），σ（ｔ＋１），σ（ｔ））を、状態変数（ε（ｔ−１），σ（ｔ），σ（ｔ−１））と式（７）とにしたがって算出し、当該算出結果を、メモリ等の記憶部（図示略）に記憶させる（ＳＡ１２０）。
そして、信号処理手段１１０Ａは、ステップＳＡ１２０において算出した状態変数（ε（ｔ），σ（ｔ＋１），σ（ｔ））を、式（８）に示す観測方程式と、ステップＳＡ１１０において伸縮センサ２０の出力信号に基づいて算出された電気抵抗値Ｒ（ｔ）と、に基づいて更新し、更新後の状態変数（ε（ｔ），σ（ｔ＋１），σ（ｔ））のうち、応力σ（ｔ）を、後段の装置に出力する（ＳＡ１３０）。具体的には、信号処理手段１１０Ａは、例えば、ステップＳＡ１３０において、第１に、ステップＳＡ１２０で算出した状態変数（ε（ｔ），σ（ｔ＋１），σ（ｔ））を、式（８）に適用することで、電気抵抗値Ｒ（ｔ）の推定値を算出する。第２に、信号処理手段１１０Ａは、例えば、電気抵抗値Ｒ（ｔ）の推定値と、伸縮センサ２０の出力信号に基づいて算出された電気抵抗値Ｒ（ｔ）と、の差分値を、観測残差として算出する。第３に、信号処理手段１１０Ａは、ステップＳＡ１２０で算出した状態変数（ε（ｔ），σ（ｔ＋１），σ（ｔ））を、観測残差を用いて更新することで、更新後の状態変数（ε（ｔ），σ（ｔ＋１），σ（ｔ））を算出する。
次いで、信号処理手段１１０Ａは、操作部（図示略）等に対する操作により、カルマン・フィルタ処理の終了を指示されたか否かを判定する（ＳＡ１４０）。信号処理手段１１０Ａは、ステップＳＡ１４０の判定結果が“Ｙｅｓ”であれば、カルマン・フィルタ処理を終了する。また、信号処理手段１１０Ａは、ステップＳＡ１４０の判定結果が“Ｎｏ”である場合、時刻ｔを示すカウンタ変数を１だけカウントアップし（ＳＡ１５０）、処理をステップＳＡ１１０に進める。
以上が本実施形態の信号処理装置１０Ａ構成である。
【００１９】
本願の発明者は、図３に示す標準線形固体モデルとしてモデル化された伸縮センサ２０に対して、図５の波形Ｇ１０で表される、時刻に応じて変化する応力を与えた場合において、伸縮センサ２０に生じる歪みを算出した。図５に示す波形Ｇ１１は、図３に示す標準線形固体モデルとしてモデル化された伸縮センサ２０に対して、図５の波形Ｇ１０で表される応力を与えた場合に、伸縮センサ２０から出力される出力信号に応じた歪みを示す。そして、本願の発明者は、信号処理手段１１０Ａに対して、波形Ｇ１１で表される歪みが、観測値として入力された場合に、当該観測値に基づいて、伸縮センサ２０に対して与えられた応力を推定するシミュレーションを行った。
なお、当該シミュレーションに係る標準線形固体モデルでは、ばね係数Ｅ１、ばね係数Ｅ２、及び、粘性係数ηに対して、Ｅ１＝２．０×１０６［Ｐａ］、Ｅ２＝５．５×１０６［Ｐａ］、および、η＝２．３×１０５［Ｐａ・ｓ］を設定した。なお、以下では、ばね係数Ｅ１、ばね係数Ｅ２、及び、粘性係数ηを、モデルパラメータと総称する場合がある。
【００２０】
図６は、図５と同様の波形Ｇ１１と、当該波形Ｇ１１により示される歪みの観測値を信号処理装置１０Ａに与えることで算出された応力の推定値（以下、「応力推定値」と称する）を表す波形Ｇ２０〜Ｇ２２と、を示す。図６における応力推定値の算出では、信号処理手段１１０Ａに対して、モデルパラメータＥ２及びηの真値が与えられている場合を想定した。つまり、図６における応力推定値の算出では、モデルパラメータＥ２及びηに対して、Ｅ２＝５．５×１０６［Ｐａ］、および、η＝２．３×１０５［Ｐａ・ｓ］を設定した。
【００２１】
また、図６における応力推定値の算出では、信号処理手段１１０Ａに対して、モデルパラメータＥ１の真値が与えられている場合と、モデルパラメータＥ１の真値とは異なる値が与えられている場合と、の双方のケースを想定した。具体的には、波形Ｇ２０により示される応力推定値の算出の際には、モデルパラメータＥ１に真値、すなわち、Ｅ１＝２．０×１０６［Ｐａ］を設定した。一方、波形Ｇ２１により示される応力推定値の算出の際には、モデルパラメータＥ１に真値とは異なる値、Ｅ１＝０．５×１０６［Ｐａ］を設定し、波形Ｇ２２により示される応力推定値の算出の際には、モデルパラメータＥ１に真値とは異なる値、Ｅ１＝３．５×１０６［Ｐａ］を設定した。
【００２２】
図６における波形Ｇ２０と図５における波形Ｇ１０とを比較すれば明らかなように、モデルパラメータＥ２およびηに加えてＥ１の値が真値であれば、波形Ｇ１０で表された伸縮センサ２０に対して与えられた応力を精度よく推定できていることが分かる。そして、図６における波形Ｇ２０と波形Ｇ２１及び波形Ｇ２２を比較すれば明らかなように、信号処理手段１１０Ａに対して与えられるモデルパラメータＥ１の値の真値からのずれが大きくなるほど、信号処理手段１１０Ａにおいて算出される応力推定値と、波形Ｇ１０で表された伸縮センサ２０に対して実際に与えられた応力との間の誤差が大きくなる。
【００２３】
図７は、波形Ｇ１１と、応力推定値を表す波形Ｇ３０〜Ｇ３２と、を示す。図７における応力推定値の算出では、信号処理手段１１０Ａに対して、モデルパラメータＥ１及びηの真値が与えられている場合を想定した。つまり、図６における応力推定値の算出では、モデルパラメータＥ１及びηに対して、Ｅ１＝２．０×１０６［Ｐａ］、および、η＝２．３×１０５［Ｐａ・ｓ］を設定した。
また、図７における応力推定値の算出では、信号処理手段１１０Ａに対して、モデルパラメータＥ２として、波形Ｇ３０により示される応力推定値の算出の際には、真値であるＥ２＝５．５×１０６［Ｐａ］を設定し、波形Ｇ３１により示される応力推定値の算出の際には、真値とは異なるＥ２＝３．５×１０６［Ｐａ］を設定し、波形Ｇ３２により示される応力推定値の算出の際には、真値とは異なるＥ２＝７．０×１０６［Ｐａ］を設定した。
図７における波形Ｇ３０と図５における波形Ｇ１０とを比較すれば明らかなように、モデルパラメータＥ１およびηに加えてＥ２の値が真値であれば、波形Ｇ１０で表された伸縮センサ２０に対して与えられた応力を精度よく推定できていることが分かる。そして、図６における波形Ｇ３０と波形Ｇ３１及び波形Ｇ３２を比較すれば明らかなように、信号処理手段１１０Ａに対して与えられるモデルパラメータＥ２の値の真値からのずれが大きくなるほど、アンダーシュートまたはオーバシュートに起因して、信号処理手段１１０Ａにおいて算出される応力推定値と、波形Ｇ１０で表された伸縮センサ２０に対して与えられた応力との間の誤差が大きくなる。但し、信号処理手段１１０Ａに対して与えられるモデルパラメータＥ２の値が真値からずれた場合には、モデルパラメータＥ１の値が真値からずれた場合と比較して、信号処理手段１１０Ａにおいて算出される応力推定値と、波形Ｇ１０で表された伸縮センサ２０に対して実際に与えられた応力との間の誤差は小さい。
【００２４】
図８は、波形Ｇ１１と、応力推定値を表す波形Ｇ４０〜Ｇ４２と、を示す。図８における応力推定値の算出では、信号処理手段１１０Ａに対して、モデルパラメータＥ１及びＥ２の真値が与えられている場合を想定した。つまり、図８における応力推定値の算出では、モデルパラメータＥ１及びＥ２に対して、Ｅ１＝２．０×１０６［Ｐａ］、および、Ｅ２＝５．５×１０６［Ｐａ］を設定した。
また、図８における応力推定値の算出では、信号処理手段１１０Ａに対して、モデルパラメータηとして、波形Ｇ４０により示される応力推定値の算出の際には、真値であるη＝２．３×１０５［Ｐａ・ｓ］を設定し、波形Ｇ４１により示される応力推定値の算出の際には、真値とは異なるη＝１．１×１０５［Ｐａ・ｓ］を設定し、波形Ｇ４２により示される応力推定値の算出の際には、真値とは異なるη＝３．２×１０５［Ｐａ・ｓ］を設定した。
図８における波形Ｇ４０と図５における波形Ｇ１０とを比較すれば明らかなように、モデルパラメータＥ１およびＥ１に加えてηの値が真値であれば、波形Ｇ１０で表された伸縮センサ２０に対して与えられた応力を精度よく推定できていることが分かる。そして、図８における波形Ｇ４０と波形Ｇ４１及び波形Ｇ４２を比較すれば明らかなように、信号処理手段１１０Ａに対して与えられるモデルパラメータηの値の真値からのずれが大きくなるほど、アンダーシュートまたはオーバシュートに起因して、信号処理手段１１０Ａにおいて算出される応力推定値と、波形Ｇ１０で表された伸縮センサ２０に対して実際に与えられた応力との間の誤差が大きくなる。但し、信号処理手段１１０Ａに対して与えられるモデルパラメータηの値が真値からずれた場合には、モデルパラメータＥ１の値が真値からずれた場合と比較して、信号処理手段１１０Ａにおいて算出される応力推定値と、波形Ｇ１０で表された伸縮センサ２０に対して実際に与えられた応力との間の誤差は小さい。また、信号処理手段１１０Ａに対して与えられるモデルパラメータηの値が真値からずれた場合には、モデルパラメータＥ２の値が真値からずれた場合と比較して、信号処理手段１１０Ａにおいて算出される応力推定値と、波形Ｇ１０で表された伸縮センサ２０に対して実際に与えられた応力との間の誤差は大きい。
【００２５】
図９は、実測データを示す図である。具体的には、図９における波形Ｇ５０は、伸縮センサ２０の出力する出力信号により表される、伸縮センサ２０に生じた歪みを示す波形である。また、波形Ｇ５１は、信号処理装置１０Ａが、伸縮センサ２０からの出力信号を補正した場合に、当該補正後の信号により表される、伸縮センサ２０に対して与えられた応力の推定値を示す波形である。図９における応力推定値の算出では、信号処理手段１１０Ａに対して与えられるモデルパラメータの値を、Ｅ１＝３．０×１０６［Ｐａ］、Ｅ２＝１１．０×１０６［Ｐａ］、η＝５．６６×１０６［Ｐａ・ｓ］と設定した。図９の波形Ｇ５１と図５の波形Ｇ１１とを比較すれば明らかなように、信号処理装置１０Ａが、伸縮センサ２０からの出力信号を補正することで、当該出力信号における立ち下りの遅れが解消されていることが分かる。
【００２６】
以上説明したように本実施形態によれば、例えば、伸縮センサ２０に設けられたゴム等の粘弾性に起因して、伸縮センサ２０の出力信号の立ち下りに遅れが発生していたとしても、信号処理手段１１０Ａが、当該出力信号の立ち下りの遅れを補正する。このため、本実施形態によれば、伸縮センサ２０に加わった応力を正確に推定することが可能になり、伸縮センサ２０が収縮する際の追従性を従来よりも向上させることが可能になる。
【００２７】
（Ｂ：第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態による信号処理装置１０Ｂの構成例を示す図である。図１０と図１とを比較すれば明らかなように信号処理装置１０Ｂの構成は信号処理手段１１０Ａに代えて信号処理手段１１０Ｂを設けた点が信号処理装置１０Ａの構成と異なる。図１０に示すように信号処理手段１１０Ｂは、絶対値算出部１１２、包絡線検出部１１４、ゲイン設定部１１６および乗算部１１８を有する。
【００２８】
絶対値算出部１１２は、伸縮センサ２０の出力信号の振幅の絶対値を算出し、包絡線検出部１１４に与える。包絡線検出部１１４は、絶対値算出部１１２の出力信号の包絡線を検出し、当該包絡線の信号レベルを表すデータと絶対値算出部１１２の出力信号とをゲイン設定部１１６に与える。ゲイン設定部１１６には、Ｑ個のゲインテーブルＴＢ［１］〜ＴＢ［Ｑ］が格納されている（Ｑは、２以上の自然数）。ゲインテーブルＴＢ［ｑ］には、閾値ＴＨ［ｑ］が設定されている（ｑは、１≦ｑ≦Ｑを満たす自然数）。ここで、Ｑ個の閾値ＴＨ［１］〜ＴＨ［Ｑ］は、互いに異なる値である。図１１は、ゲインテーブルＴＢ［ｑ］の格納内容を示す図である。ゲインテーブルＴＢ［ｑ］には、入力値が、閾値ＴＨ［ｑ］以上である場合には当該入力値と同じ出力値とし、入力値が、閾値ＴＨ［ｑ］よりも小さい場合、出力値を入力値よりも小さくするような、ゲインの値が予め格納されている。ゲイン設定部１１６は、ゲインテーブルＴＢ［１］〜ＴＢ［Ｑ］の中から、包絡線検出部１１４から与えられる包絡線レベルに応じた閾値ＴＨ［ｑ］を有するゲインテーブルＴＢ［ｑ］を選択する。そして、ゲイン設定部１１６は、当該選択したゲインテーブルＴＢ［ｑ］の格納内容と、絶対値算出部１１２の出力信号値とに応じて定まるゲインｇを乗算部１１８に設定する。乗算部１１８は、伸縮センサ２０の出力信号を、ゲイン設定部１１６により設定されたゲインｇで増幅して出力する増幅手段である。なお、ゲイン設定部１１６及び乗算部１１８は、入力信号に対する出力信号のダイナミックレンジを制御する、所謂エキスパンダである。
【００２９】
図１２は、本実施形態の効果を説明するための図である。図１２における波形Ｇ６１は、信号処理装置１０Ｂへの入力信号の波形を表し、波形Ｇ６２は、同入力信号の包絡線を表す。そして、図１２における波形Ｇ６３は、信号処理装置１０Ｂの出力信号の波形を表す。図１２に示すように、本実施形態によれば、信号処理装置１０Ｂへの入力信号が立ち下り、包絡線レベルを下回ると、当該入力信号を増幅する増幅手段におけるゲイン、すなわち、増幅率が引き下げられ、信号処理装置１０Ｂの出力信号の立ち下がりが急峻になる。このため、伸縮センサ２０の出力信号の立ち下りに遅れが生じていたとしても、その遅れが補正され、伸縮センサ２０の収縮に対する、信号処理装置１０Ｂから出力される出力信号の追従性を、従来よりも向上させることができる。なお、本実施形態において伸縮センサ２０の出力信号の包絡線レベルに基づいてゲインｇを設定したのは、伸縮センサ２０の出力信号そのものでは変化が激しすぎるため、信号処理装置１０Ｂからの出力があばれる可能性があるからである。
【００３０】
前述した第１実施形態では、伸縮センサ２０に加わった応力を精度良く推定するには、モデルパラメータＥ１、Ｅ２およびηに真値またはそれに近い値を設定しておくことが必要であり、そのためには、これらモデルパラメータに対応する物理定数の測定を行っておくことが必要となる。これに対して、本実施形態では、上記物理定数の測定等を行っておく必要はなく、第１実施形態に比較して事前準備の手間を軽減することが可能になる、といった効果が奏される。加えて、本実施形態によれば、第１実施形態に比較して少ない計算量で収縮時の追従性を向上させることができる、といった効果も奏される。
【００３１】
（Ｃ：変形）
以上本発明の第１および第２実施形態について説明したが、これら実施形態を以下のように変形しても良い。
（１）上記各実施形態の伸縮センサ２０はＣＮＴ歪みセンサであったが、非特許文献１に開示の組紐センサであっても良い。組紐センサにおいても、その構造に起因して収縮時の信号の波形変化に遅れが発生するからである。また、上記各実施形態では、伸縮センサ２０の出力信号における立ち下がりの遅延を補正する場合について説明したが、要は、物理変化に応じた出力信号が立ち上がり、当該物理変化とは逆の物理変化に応じて出力信号が立ち下がるセンサであって、その構造に起因して出力信号の立ち下りが立ち上がりに比較して遅れるセンサであれば、本発明を適用することで出力信号の非対称性を解消することができる。
【００３２】
また、上記実施形態では、伸縮センサ２０からの出力信号の立ち下がりが立ち上がりに比較して遅れる場合において、当該出力信号の非対称性を解消することが可能な信号処理装置１０Ａ及び１０Ｂを例示したが、本発明はこのような態様に限定されない。伸縮センサが、立ち上がりが立ち下がりに比較して遅れる信号を出力する場合においても、当該出力信号の非対称性を解消することは可能である。
例えば、第１実施形態の信号処理装置１０Ａは、出力信号の立ち上がりが立ち下がりに比較して遅れるセンサについても当該出力信号の非対称性を解消可能である。
また、第２実施形態の信号処理装置１０Ｂであれば、受信手段１００により受信された信号の包絡線の振幅が所定値を下回った場合に増幅手段である乗算器１１８における増幅率を引き下げることに代えて、受信手段１００により受信された信号の包絡線の振幅が所定値を上回った場合に増幅手段における増幅率を引き上げるようにすればよい。この場合、信号処理装置１０Ｂは、出力信号の立ち上がりが立ち下がりに比較して遅れるセンサについて当該出力信号の非対称性を解消可能である。
【００３３】
（２）上記第１および第２実施形態では、本発明の一実施形態である信号処理装置について説明した。しかし、物理変化に応じて立ち上がり当該物理変化とは逆の物理変化に応じて立ち下がる信号であって、立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れる信号を出力するセンサの出力信号を受信し、当該遅れを補正する信号処理方法を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの一般的なコンピュータに実行させるプログラムを提供しても良い。このようなプログラムの具体的な提供態様としては、フラッシュＲＯＭ（Read Only Memory）などのコンピュータ読み取り可能な非一過性の記録媒体に上記プログラムを書き込んで配布する態様や、インターネットなどの電気通信回線経由のダウンロードにより上記プログラムを配布する態様が考えられる。このようにして配布されるプログラムにしたがって一般的なコンピュータを作動させることで、当該コンピュータを本発明の信号処理装置として機能させることが可能になるからである。
【００３４】
＜本発明の好適な態様＞
上述した実施形態及び変形例の記載より把握される本発明の好適な態様を以下に例示する。
【００３５】
本発明の第１の態様に係る信号処理方法は、物理変化に応じて立ち上がり物理変化とは逆の物理変化に応じて立ち下がる信号を出力するセンサから信号を受信するステップと、受信された信号の立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れる場合に、遅れを補正するステップと、を有することを特徴とする。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消することができる。
【００３６】
本発明の第２の態様に係る信号処理方法は、第１の態様に係る信号処理方法において、物理変化が、センサに設けられた物体の電気抵抗の変化である、ことを特徴とする。
この態様によれば、センサを用いて物体の電気抵抗の変化を計測する際に、当該物理変化を精度よく計測することができる。
【００３７】
本発明の第３の態様に係る信号処理方法は、第１または第２の態様に係る信号処理方法において、補正するステップでは、カルマンフィルタを用いて遅れを補正する、ことを特徴とする。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消することができる。
【００３８】
本発明の第４の態様に係る信号処理方法は、第１または第２の態様に係る信号処理方法において、補正するステップが、受信された信号の包絡線の振幅と所定値との比較結果に応じて増幅率を決定するステップと、受信された信号の振幅を、増幅率に応じて調整するステップと、を有することを特徴とする。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消することができる。
【００３９】
本発明の第５の態様に係る信号処理方法は、第４の態様に係る信号処理方法において、信号は立ち上がりに対して立ち下りが遅れる信号であり、補正するステップでは、受信された信号の包絡線の振幅が所定値を下回った場合に増幅率を引き下げる、ことを特徴とする。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消することができる。
【００４０】
本発明の第５の態様に係る信号処理方法は、第４の態様に係る信号処理方法において、信号は立ち下がりに対して立ち上がりが遅れる信号であり、補正するステップでは、受信された信号の包絡線の振幅が所定値を上回った場合に増幅率を引き上げる、ことを特徴とする。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消することができる。
【００４１】
本発明の第７の態様に係る信号処理装置は、物理変化に応じて立ち上がり物理変化とは逆の物理変化に応じて立ち下がる信号を出力するセンサから信号を受信する受信手段と、受信手段により受信される信号の立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れる場合に、遅れを補正する処理を行う信号処理手段と、を有することを特徴とする。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消し、また、センサを用いて物理変化を計測する際に当該物理変化に対する補正後の信号の追従性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０Ａ、１０Ｂ…信号処理装置、１００…受信手段、１１０Ａ、１１０Ｂ…信号処理手段、１１２…絶対値算出部、１１４…包絡線検出部、１１６…ゲイン設定部、１１８…乗算器、２０…伸縮センサ。
【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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