(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
個体の動作に応じて作動するアクチュエータを備え、
前記アクチュエータは、１台以上のマスターシステムおよび２台以上のスレーブシステムをネットワークで接続してなり、前記個体からの作用力を前記マスターシステムで受けると、この作用力に伴う反作用力を、前記ネットワークを介して前記スレーブシステムで生成するようになっており、
ある時間にどのような反作用力が生じているのかを、前記個体を動作させたときの時系列な力の触覚情報として取得し、
前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理して、前記触覚情報に含まれる時間と力との関係を、周波数と振幅との関係を示す周波数分析データに変換し、
前記周波数分析データから前記個体の動作または反応を抽出することを特徴とする触覚の解析方法。
【請求項２】
前記周波数分析データから、前記抽出した動作または反応を視覚的に表現させることを特徴とする請求項１記載の触覚の解析方法。
【請求項３】
前記アクチュエータから抽出した力によって、前記触覚情報を取得することを特徴とする請求項１または２記載の触覚の解析方法。
【請求項４】
前記アクチュエータが制御手段により制御されているシステムから抽出した力によって、前記触覚情報を取得することを特徴とする請求項１または２記載の触覚の解析方法。
【請求項５】
前記アクチュエータからの力が、位置センサ，速度センサ，加速度センサ，電流センサ，力センサ，トルクセンサ，または歪みゲージを用いて抽出されることを特徴とする請求項３または４記載の触覚の解析方法。
【請求項６】
前記アクチュエータからの力が、外乱オブザーバにより抽出されることを特徴とする請求項３または４記載の触覚の解析方法。
【請求項７】
前記周波数分析データと前記個体とを関連付けた関連付けデータを、当該個体毎に記憶手段に記憶させることを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに記載の触覚の解析方法。
【請求項８】
前記解析処理が行なわれると、前記周波数分析データと前記記憶手段から読み出される前記関連付けデータとの比較解析を行ない、比較解析結果を出力することを特徴とする請求項７記載の触覚の解析方法。
【請求項９】
前記取得した触覚情報をフーリエ変換またはウェーブレット変換またはコサイン変換により時間領域で解析処理することを特徴とする請求項１〜８の何れか一つに記載の触覚の解析方法。
【請求項１０】
個体の動作に応じて作動するアクチュエータを備え、
前記アクチュエータは、１台以上のマスターシステムおよび２台以上のスレーブシステムをネットワークで接続してなり、前記個体からの作用力を前記マスターシステムで受けると、この作用力に伴う反作用力を、前記ネットワークを介して前記スレーブシステムで生成する構成を有し、
ある時間にどのような反作用力が生じているのかを、前記個体を動作させたときの時系列な力の触覚情報として取得する入力手段と、
前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理して、前記触覚情報に含まれる時間と力との関係を、周波数と振幅との関係を示す周波数分析データに変換する処理手段と、
前記周波数分析データから前記個体の動作または反応を抽出する抽出手段と、を備えたことを特徴とする触覚の解析装置。
【請求項１１】
前記処理手段は、前記周波数分析データから、前記抽出した動作または反応を視覚的に表現させるものであることを特徴とする請求項１０記載の触覚の解析装置。
【請求項１２】
前記アクチュエータから抽出した力によって、前記触覚情報を取得する構成としたことを特徴とする請求項１０または１１記載の触覚の解析装置。
【請求項１３】
前記アクチュエータが制御手段により制御されているシステムから抽出した力によって、前記触覚情報を取得する構成としたことを特徴とする請求項１０または１１記載の触覚の解析装置。
【請求項１４】
前記アクチュエータからの力を、位置センサ，速度センサ，加速度センサ，電流センサ，力センサ，トルクセンサ，または歪みゲージを用いて抽出する構成としたことを特徴とする請求項１２または１３記載の触覚の解析装置。
【請求項１５】
前記アクチュエータからの力を抽出する外乱オブザーバを備えたことを特徴とする請求項１２または１３記載の触覚の解析装置。
【請求項１６】
前記周波数分析データと前記個体とを関連付けた関連付けデータを、当該個体毎に記憶手段に記憶させる構成としたことを特徴とする請求項１０〜１５の何れか一つに記載の触覚の解析装置。
【請求項１７】
前記解析処理が行なわれると、この周波数分析データと前記記憶手段から読み出される前記関連付けデータとの比較解析を行ない、比較解析結果を出力する認証手段を備えたことを特徴とする請求項１６に記載の触覚の解析装置。
【請求項１８】
前記処理手段は、前記取得した触覚情報をフーリエ変換またはウェーブレット変換またはコサイン変換により時間領域で解析処理するものであることを特徴とする請求項１０〜１７の何れか一つに記載の触覚の解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚情報に基づき個体の動作を抽出し得る触覚の解析方法および触覚の解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の感覚情報を扱う技術は、人間と人間、或いは人間と機械とを結ぶ重要なインターフェースとして、これまでに巨大な産業を生成していることは周知の通りである。特に、視覚や聴覚に対応する画像や音声の処理技術は、情報通信工学の発展とともにインターフェースとして急速に広まり、産業の基盤技術として欠かせないものとなっている。例えば、写真，テレビ，電話，蓄音機等の発明により、視覚や聴覚に関する情報の伝送や、保存や、再生が可能となり、さらにはビデオカメラやテレビにより、視覚および聴覚情報の放送も可能になった。これは、あたかも人間が持つ視覚や聴覚が、時間と空間を越えたように感じさせることと等価であるといえる。現在では、そうした視覚や聴覚情報の解析や加工を取り扱うディジタル信号処理技術の開発も、日々進歩している。
【０００３】
一方、感覚情報の一つを担う触覚情報は、視覚や聴覚の情報に次ぐ新たなマルチメディア情報として、これを伝送して保存し、人工的に再現する技術の開発が求められている。そのため、マスターシステムとスレーブシステムとによるロボットシステム間の遠隔操作や、動かしている位置とその位置での各種情報を触覚を介して表示するようなハプティック（触覚）ディスプレイは、触覚情報を扱う技術として多くの研究が行なわれている。
【０００４】
しかしながら、上述した視覚や聴覚に関する情報は受動的で、単方向性の感覚情報であるのに対し、触覚情報は実世界における「作用・反作用の法則」に束縛される双方向性の感覚情報であり、しかも接触対象である環境に能動的に接触することで、初めてその情報が得られるので、モデルベースやヴァーチャルリアリティを応用した触覚情報の再現は行なわれているものの、実世界における触覚情報の取得は困難である。
【０００５】
こうした実世界における触覚情報の抽出や再現を行なう実世界ハプティクスとして、例えば非特許文献１には、実世界における遠隔地からのバイラテラル力覚フィードバックの制御手法が提案されている。また別な非特許文献２には、多方向のシステム間で力覚情報のやり取りを可能にするマルチラテラル触覚伝送技術が提案されている。
【０００６】
実世界におけるバイラテラル力覚フィードバックの高性能再現において、「透明性」は、バイラテラルシステムの代表的な評価指標としてよく知られている。バイラテラルシステムとして高い「透明性」を確保するためには、空間透明性と時間透明性の双方を満たす必要がある。空間透明性は、触覚の再現可能な自由度に相当するもので、効率の良い多自由度力覚フィードバックの統合が望まれる。一方、時間透明性はその再現する触覚情報の周波数帯域に相当するもので、人間の持つ触覚であるＤＣ〜400Ｈｚを最低限確保する必要がある。
【０００７】
つまり、こうしたバイラテラルシステムにおいて、多自由度で広帯域な実世界環境からの力覚フィードバックを実現するためには、例えば非特許文献４や非特許文献５で提案されているように、ロバスト性を失わずに制御剛性をゼロにするための加速度制御が不可欠であり、具体的には非特許文献６〜非特許文献８に開示される外乱オブザーバによる実現手法が広く用いられている。特に非特許文献９〜非特許文献１１では、外乱オブザーバを用いることで広帯域の力覚情報を力覚センサレスで取得できることが開示されており、また外乱オブザーバの広帯域化については、非特許文献１２〜非特許文献１４でも多くの研究提案がなされている。
【０００８】
その中で本願発明者らは、非特許文献１４において、アクチュエータの位置を検出する位置エンコーダの情報に加えて、アクチュエータの加速度を検出する加速度センサの情報に基づき、当該アクチュエータに加わる外力を推定する位置・加速度統合型の外乱オブザーバを提案し、またそれ以前に特願２００６−５７６１４号で出願も行なっている。そして、このような外乱オブザーバによって、１kHz以上の極めて広帯域を有するバイラテラル力覚フィードバックを実現している。
【０００９】
このように、実世界における触覚情報の抽出や再現に関し、様々な研究が行なわれているが、そこで取得した触覚情報を視覚的に表現する技術は、生産工学や低侵襲性外科医療の分野で望まれてはいるものの、開発がなされてはおらず、実用化に至っていない。例えば触覚情報を視覚的に表現する一手法として、力覚センサや、非特許文献９で提案された反力推定オブザーバなどで得られたデータを、時系列順に表示することが考えられるが、この場合には接触する環境が、「つるつる」や「ざらざら」するといった定性的な表現でしか評価を行なうことができない。そのため双方向性を有する実世界における触覚情報を扱う基本概念として、触覚情報をより直感的且つ定量的に評価できる装置や方法が求められていた。
【非特許文献１】下野 誠通，桂 誠一郎，大西 公平（T．Shimono，S．Katsura，K．Ohnishi）、「環境モデルに基づく実世界力覚情報再現のための双方向モーションコントロール（Bilateral Motion Control for Reproduction of Real World Force Sensation based on the Environmental Model）」、電気学会 産業応用部門誌（IEEJ Transactions on Industry Applications）、第126−D巻第８号（Vol.126-D，No.8）、pp．1059−1068、２００６年８月（August，2006）
【非特許文献２】桂 誠一郎，松本 雄一，大西 公平（S．Katsura，Y．Matsumoto，K．Ohnishi）、「マルチラテラル制御による「作用・反作用の法則」の実現（Realization of "Law of Action and Reaction" by Multilateral Control）」、米国電気電子学会 産業電子工学論文誌（IEEE Transactions on Industrial Electronics）、第52巻第５号（Vol.52，No.5）、pp．1196−1205、２００５年１０月（October，2005）
【非特許文献３】桂 誠一郎，大西 公平（S.Katsura，K．Ohnishi），「マルチラテラル制御によるハプティック訓練システムの実現（A Realization of Haptic Training System by Multilateral Control）」、米国電気電子学会 産業電子工学論文誌（IEEE Transactions on Industrial Electronics）、第53巻第６号（Vol.53，No.6）、pp．1935−1942、２００６年１２月（December，2006）
【非特許文献４】エイ．サバノヴィチ（A．Sabanovic）「パワーエレクトロニクスおよびモーション制御システムにおけるスライディングモード（Sliding Modes in Power Electronics and Motion Control Systems）、米国電気電子学会 第２９回産業電子工学学会年次会議論文（Proceedings of the 29th IEEE Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society）、ＩＥＣＯＮ ２００３年−ロアノーク（IECON’03-ROANOKE）、pp．997−1002，２００３年１１月（November，2003）
【非特許文献５】富塚 誠義（M．Tomizuka）「現代メカトロニックシステム工学における各センサ（Sensors in the Engineering of Modern MechatronicSystems）」、第三回メカトロニックシステムシンポジウム論文（Proceedings of the 3rd IFAC Symposium on Mechatronic Systems）メカトロニクス２００４年−シドニー（MECHATRONICS’04-SYDNEY）、pp．19−24、２００４年９月（September, 2004）
【非特許文献６】大石 潔，大西 公平，宮地 邦夫（K．Ohishi，K．Ohnishi，K．Miyachi）、「負荷トルク推定に基づくＤＣモータのトルク−速度調整（Torque-Speed Regulation of DC Motor Based on Load Torque Estimation）」、電気学会 パワーエレクトロ二クス国際会議論文（Proceedings of the IEEJ International Power Electronics Conference，パワーエレクトロ二クス国際会議−東京（IPEC-TOKYO）、第２巻（Vol．2）、pp．1209−1216、１９８３年３月（March，1983）
【非特許文献７】大西 公平，柴田 昌明，村上 俊之（K．Ohnishi，M．Shibata，T．Murakami）、「高性能メカトロニクス用モーション制御（Motion Control for Advanced Mechatronics）」、米国電気電子学会／米国機械学会メカトロニクス論文誌（IEEE／ASME Transactions on Mechatronics）、第１巻（Vol．1）、第１号（No．1）、pp．56−67、１９９６年３月（March,1996）
【非特許文献８】桂 誠一郎，大西 公平（S．Katsura，K．Ohnishi），「外乱オブザーバに基づく位相進み補償器による多慣性共振系の絶対安定化（Absolute Stabilization of Multi-Mass Resonant System by Phase-Lead Compensator Based on Disturbance Observer）」、米国電気電子学会 最新モーション制御国際ワークショップ会議録（Proceedings of the 9th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control）、２００６年−イスタンブール（AMC’06−ISTANBUL）、第１巻（Vol．1）、pp．194−199、２００６年３月（March，2006）
【非特許文献９】村上 俊之，郁 方銘，大西 公平（T．Murakami，F．Yu，K．Ohnishi）、「多自由度マニピュレータにおけるトルクセンサレス制御（Torque Sensorless Control in Multidegree-of-freedom Manipulator）」、米国電気電子学会 産業電子工学論文誌（IEEE Transactions on Industrial Electronics）、第40巻第２号（Vol.40，No.2）、pp．259−265、１９９３年４月（April，1993）
【非特許文献１０】桂 誠一郎，松本 雄一，大西 公平（S．Katsura，Y．Matsumoto，K．Ohnishi）、「力制御に対する力バンド幅の分析と実験有効性（Analysis and Experimental Validation of Force Bandwidth for Force Control）」、第53巻第３号（Vol.53，No.3）、pp．922−928、２００６年６月（June，2006）
【非特許文献１１】桂 誠一郎，松本 雄一，大西 公平（S．Katsura，Y．Matsumoto，K．Ohnishi）、「力制御のための力覚センシングのモデリングおよび外乱オブザーバの妥当性確認（Modeling of Force Sensing and Validation of Disturbance Observer for Force Control）」、第54巻第１号（Vol.543，No.1）、pp．530−538、２００７年２月（February，2007）
【非特許文献１２】エム．バートルッツォ，ジー．エス．ブージャ，イー．スタンパッチア（M．Bertoluzzo，G．S．Buja，E．Stampacchia）、「高帯域幅トルク外乱補償器の性能解析（Performance Analysis of a High-Bandwidth Torque Disturbance Compensator）」、米国電気電子学会／米国機械学会メカトロニクス論文誌（IEEE/ASME Transactions on Mechatronics）、第９巻（Vol．9）、第４号（No．4）、pp．653−660、２００４年１２月（December，2004）
【非特許文献１３】水落 麻里子，辻 俊明，大西 公平（M．Mizuochi，T．Tsuji，K．Ohnishi）「加速度制御システムに対するマルチレートサンプリング方法（Multirate Sampling Method for Acceleration Control System）」、米国電気電子学会 産業電子工学論文誌（IEEE Transactions on Industrial Electronics、第５４巻（Vol．54）、第３号（No．3）、pp．1462−1471、２００７年６月（June，2007）
【非特許文献１４】入江 航平，桂 誠一郎，大石 潔（K. Irie, S. Katsura, K. Ohishi）、「複数センサに基づいた外乱オブザーバによる高度モーションコントロール（Advanced Motion Control by Multi-Sensor based Disturbance Observer）、電気学会 電気電子工学論文誌（IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering）、第１巻（Vol．1）、第１号（No．1）、pp．112−115、２００６年５月（May，2006）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、従来は力覚センサや反力推定オブザーバで得られた反作用力の経時変化を、単に時系列なデータとして表示させていただけなので、この時系列データから接触対象物が、どのような特徴を有するものなのかを定量的に直ちに判断できなかった。
【００１１】
とりわけ、こうした接触対象物の一つとして、人間などの個体の動作は個々に独自の特徴を有しており、こうした個体の動作を触覚情報として取得して定量的に把握し、そこから個体の動作や反応の特徴を抽出することが求められていた。すなわち、こうした技術が確立されれば、熟練技術者の持つスキルの抽出および解析や、個人の癖の抽出に基づいた個人認証への応用も可能になると期待される。
【００１２】
本発明は上記の問題点に鑑みなされたもので、個体の動作や反応を触覚情報として取得して定量的に把握し、そこから動作や反応の特徴を抽出することが可能な触覚の解析方法および触覚の解析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明における触覚の解析方法は、個体の動作に応じて作動するアクチュエータを備え、前記アクチュエータは、１台以上のマスターシステムおよび２台以上のスレーブシステムをネットワークで接続してなり、前記個体からの作用力を前記マスターシステムで受けると、この作用力に伴う反作用力を、前記ネットワークを介して前記スレーブシステムで生成するようになっており、ある時間にどのような反作用力が生じているのかを、前記個体を動作させたときの時系列な力の触覚情報として取得して、前記触覚情報に含まれる時間と力との関係を、周波数と振幅との関係を示す周波数分析データに変換し、前記周波数分析データから前記個体の動作または反応を抽出することを特徴とする。
【００１４】
この場合、前記周波数分析データから、前記抽出した動作または反応を視覚的に表現させるのが好ましい。
【００１５】
上記方法においては、前記アクチュエータから抽出した力によって、前記触覚情報を取得するのが好ましい。
【００１６】
代わりに、前記アクチュエータが制御手段により制御されているシステムから抽出した力によって、前記触覚情報を取得してもよい。
【００１７】
また、前記アクチュエータからの力が、位置センサ，速度センサ，加速度センサ，電流センサ，力センサ，トルクセンサ，または歪みゲージを用いて抽出されるのが好ましい。
【００１８】
代わりに、前記アクチュエータからの力が、外乱オブザーバにより抽出されるようになっていてもよい。
【００１９】
上記各方法において、前記周波数分析データと前記個体とを関連付けた関連付けデータを、当該個体毎に記憶手段に記憶させるのが好ましい。
【００２０】
この場合、前記解析処理が行なわれると、この周波数分析データと前記記憶手段から読み出される前記関連付けデータとの比較解析を行ない、比較解析結果を出力するのが好ましい。
【００２１】
さらに上記各方法においては、前記取得した触覚情報をフーリエ変換またはウェーブレット変換またはコサイン変換により時間領域で解析処理するのが好ましい。
【００２２】
上記方法に対応するように、本発明における触覚の解析装置は、個体の動作に応じて作動するアクチュエータを備え、前記アクチュエータは、１台以上のマスターシステムおよび２台以上のスレーブシステムをネットワークで接続してなり、前記個体からの作用力を前記マスターシステムで受けると、この作用力に伴う反作用力を、前記ネットワークを介して前記スレーブシステムで生成する構成を有し、ある時間にどのような反作用力が生じているのかを、前記個体を動作させたときの時系列な力の触覚情報として取得する入力手段と、前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理して、前記触覚情報に含まれる時間と力との関係を、周波数と振幅との関係を示す周波数分析データに変換する処理手段と、前記周波数分析データから前記個体の動作または反応を抽出する抽出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２３】
この場合、前記処理手段は、前記周波数分析データから、前記抽出した動作または反応を視覚的に表現させるものであることが好ましい。
【００２４】
上記装置においては、前記アクチュエータから抽出した力によって、前記触覚情報を取得する構成とするのが好ましい。
【００２５】
代わりに、前記アクチュエータが制御手段により制御されているシステムから抽出した力によって、前記触覚情報を取得する構成としてもよい。
【００２６】
また、前記アクチュエータからの力を、位置センサ，速度センサ，加速度センサ，電流センサ，力センサ，トルクセンサ，または歪みゲージを用いて抽出する構成とするのが好ましい。
【００２７】
代わりに、前記アクチュエータからの力を抽出する外乱オブザーバを備えてもよい。
【００２８】
上記各装置において、前記周波数分析データと前記個体とを関連付けた関連付けデータを、当該個体毎に記憶手段に記憶させる構成とするのが好ましい。
【００２９】
この場合、前記解析処理が行なわれると、この周波数分析データと前記記憶手段から読み出される前記関連付けデータとの比較解析を行ない、比較解析結果を出力する認証手段を備えるのが好ましい。
【００３０】
さらに上記各装置において、前記処理手段は、前記取得した触覚情報をフーリエ変換またはウェーブレット変換またはコサイン変換により時間領域で解析処理するものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
上記請求項１の方法および請求項１０の装置によれば、個体を動作させたときの触覚情報をそのまま単に時系列的に並べるのではなく、取得した触覚情報に時間領域で解析処理を施し、その解析処理結果である周波数分析データから個体の動作または反応を抽出するようにしている。そのため、例えば熟練技術者の持つスキルや、個体の動作の特徴や癖といった諸情報の特徴的な周波数について、個体の動作を触覚情報として取得して定量的に把握することができ、そこから動作または反応の特徴を抽出することが可能になる。
【００３２】
また、マスターシステムに加わる個体からの作用力と、この作用力を受けてスレーブシステムで発生する反作用力とを別々に分離でき、そこから抽出される力に基づき、ある時間にどのような反作用力が生じているのかを、触覚情報として取得することが可能になる。
【００３３】
さらに、一乃至複数のマスターシステムに個体からの作用力が加わると、ネットワークを介して複数のスレーブシステムに反作用力を発生させることができ、遠隔地における力伝送を可能にできる。
【００３４】
上記請求項２の方法および請求項１１の装置によれば、周波数分析データから、単に個体の動作や反応を抽出するだけでなく、これらを視覚的に表現させて、例えば表示手段などにより提示することが可能になる。
【００３５】
上記請求項３の方法および請求項１２の装置によれば、アクチュエータを利用して、そこから抽出される力に基づき、触覚情報を取得することが可能になる。
【００３６】
上記請求項４の方法および請求項１３の装置によれば、制御手段によりアクチュエータの例えば位置，速度，加速度，トルク，または力を制御しつつ、これらの制御手段とアクチュエータとを組み合わせたシステムから抽出される力に基づき、触覚情報を取得することが可能になる。
【００３７】
上記請求項５の方法および請求項１４の装置によれば、位置センサ，速度センサ，加速度センサ，電流センサ，力センサ，トルクセンサ，または歪みゲージの検知出力を利用して、アクチュエータからの力を抽出できる。
【００３８】
上記請求項６の方法および請求項１５の装置によれば、外乱オブザーバによってアクチュエータからの力を抽出することで、個体を動作させたときの時系列な反作用力の触覚情報を取得できるので、力覚センサを用いることなく触覚情報の取得が可能になる。
【００３９】
上記請求項７の方法および請求項１６の装置によれば、周波数分析データが個体と関連付けられて、記憶手段に関連付けデータとして記憶されるので、個体を動作させたときに生じた力から、その個体の動作の特徴や癖などの特徴を直感的且つ定量的に抽出できるような周波数分析データを、触覚ベースで各個体ごとにデータベース化することが可能になる。
【００４０】
上記請求項８の方法および請求項１７の装置によれば、周波数分析データと記憶手段から読み出される関連付けデータとの比較解析を行なうことで、個体の動作の特徴や癖といった触覚ベースでの個体認証が可能になる。
【００４１】
上記請求項９の方法および請求項１８の装置によれば、画像や音声信号処理などの分野で研究開発が進んでいるフーリエ変換またはウェーブレット変換またはコサイン変換を採用することで、触覚情報の時間領域における解析処理を容易に行なうことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
【００４３】
図１は、本発明の好適な一実施例を示す装置の機能的構成を示している。同図において、１は外部から取得した触覚情報を視覚情報化する装置本体であって、これは演算処理機能を有する例えばコンピュータなどにより構成される。装置本体１は、ある時間における力と位置の触覚情報を取得する手段としての入力手段２と、入力手段２で取得した触覚情報を時間領域と位置領域すなわち空間領域でそれぞれ解析処理する処理手段３と、処理手段３で得られた空間位置毎の周波数分析データを記憶する記憶手段４と、画面（ディスプレイ）やプリンタなどの視覚的な表示手段５と、後述するアクチュエータシステム３１の駆動を制御するモータ制御手段６と、を備えて構成される。
【００４４】
また、ここでは環境Ｅへの接触動作により生じた反作用力情報を抽出するために、２台のロボットすなわちマスターシステム３２とスレーブシステム４２とにより構成されるアクチュエータシステム３１が設けられる。マスターシステム３２とスレーブシステム４２は、周知のようにエネルギーを動力に変換するもので、好ましくは同一の構成を有する。マスターシステム３２は、個体である人間の操作力が加わる可動体としての軸体３３と、この軸体３３を一方向に動かすリニアモータ３４と、リニアモータ３４ひいては軸体３３の位置と加速度をそれぞれ監視する検知手段３５と、を備えて構成され、これに対応するように、スレーブシステム４２は、前記操作力に応じた反作用力が発生する可動体としての軸体４３と、この軸体４３を一方向に動かすリニアモータ４４と、リニアモータ４４ひいては軸体４３の位置と加速度をそれぞれ監視する検知手段４５と、を備えて構成される。さらに、軸体３３，４３の可動方向一側には、当該軸体３３，４３と接触可能な位置に環境Ｅ１，Ｅ２が設けられる。
【００４５】
前記モータ制御手段６には、マスターシステム３２とスレーブシステム３３の間でこれらをバイラテラルに力覚フィードバック制御するためのフィードバック制御部５１が設けられる。このフィードバック制御部５１には、力覚センサを用いずにマスターシステム３２とスレーブシステム４２を加速度制御するために、マスターシステム３２とスレーブシステム４２のそれぞれに位置・加速度統合型の外乱オブザーバ（ＰＡＩＤＯ）５２，５３が組み込まれる。外乱オブザーバ５２は、マスターシステム３２の検知手段３５で得られた位置検知信号と加速度検知信号により、マスターシステム３２における外乱力ひいては人間の操作力を推定するもので、また別な外乱オブザーバ５３は、スレーブシステム４２の検知手段４５で得られた位置検知信号と加速度検知信号により、スレーブシステム４２における外乱力ひいては前記操作力に伴い発生する反作用力を推定するものである。そしてフィードバック制御部５１は、これらの外乱オブザーバ５２，５３で得られた操作力や反作用力の推定値と、各検知手段３５，４５で得られた加速度（または位置）検知信号から、上記マスターシステム３２における操作力（作用力）とスレーブシステム４２における反作用力の和が０になり、且つマスターシステム３２の位置とスレーブシステム４２の位置との偏差が０になるように、マスターシステム３２のリニアモータ３４と、スレーブシステム４２のリニアモータ４４をバイラテラルに力覚フィードバック制御する構成になっている。ここでは、モータ制御手段６によってアクチュエータシステム３１を力制御するのではなく、アクチュエータシステム３１を位置制御，速度制御，加速度制御，またはトルク制御する構成であってもよい。
【００４６】
なお、ここではマスターシステム３２やスレーブシステム４２の駆動源としてリニアモータ３４，４４を採用しているが、他の駆動源を用いてもよい。また、アクチュエータシステム３１として、スレーブシステム４２を２台以上備えた構成とし、合計で３台以上のマスターシステム３２やスレーブシステム４２をネットワーク（図示せず）で接続することで、フィードバック制御部５１によりマルチラテラルに力覚フィードバック制御する構成としてもよい。こうした概念は、本願発明者らが特願２００６−５７６３２号で既に提案している。何れにせよ、個体の動作に伴う作用力と反作用力を分離して抽出できれば、アクチュエータシステム３１はどのようなデバイス構成であっても構わない。
【００４７】
前記入力手段２は、ある時間において、個体を動作させたときにどのような反作用力が時系列的に生じているのかという触覚情報を最終的に取得し、後段の処理手段３に出力できれば、どのような構成であってもよい。上述したモータ制御手段６による力制御系では、駆動源であるリニアモータ３４により可動する可動体としての軸体３３が、接触対象である環境Ｅ１に接触したときに受ける反作用力を、外乱オブザーバ５２，５３で得られる推定値を利用して取り込むと共に、必要に応じて、その反作用力を環境Ｅのどの位置で受けたのかという情報を、図示しない位置検知手段から入力手段２が取り込んでもよい。この場合は、入力手段２に備えた計時手段２Ａの時間カウントを利用して、ある時間における反作用力と位置とを特定する触覚情報を取得する構成であってもよい。また、外乱オブザーバ５２，５３からの推定値に代わって、例えばスレーブシステム４２に取付けられた力覚センサからの検知出力により、反作用力を取り込んでもよい。入力手段２は、マスターシステム３２または／スレーブシステム４２における位置，速度，加速度，電流，力，トルクを検知する各種センサや、歪みを検知する歪みゲージからの検知出力を用いて、アクチュエータシステム３１からの力を抽出する構成であってもよい。
【００４８】
また、別な例として、キーボードやマウスなどの操作手段１７を入力手段２に接続し、この操作手段１７から操作入力された任意の環境Ｅに接触したときの時系列な反作用力のデータと、場合によっては位置のデータを、そのまま触覚情報として入力手段２が取り込んでもよく、さらに別な例として、時系列な少なくとも反作用力と、場合によっては位置の触覚情報を記憶した外部媒体１８を入力手段２に接続し、外部媒体１８から読み出した触覚情報を入力手段２が取り込む構成であってもよい。この場合、上述した計時手段２Ａを入力手段２に組み込む必要はない。
【００４９】
ここで、処理手段３が必要とする触覚情報は、同じ時間における力と位置の各情報を含んでいて、時間的に同期しているものであってもよいし、違う時間における力と位置の各情報を含んでいて、時間的に非同期なものであってもよい。
【００５０】
処理手段３は、入力手段２で取得した触覚情報を時間領域で解析する時間領域解析部２１と、当該触覚情報を空間領域で解析する空間領域解析部２２と、を備えて構成される。時間領域解析部２１は、入力手段２で取得した触覚情報を時間領域で周波数解析して、触覚情報に含まれる時間と力との関係を、周波数と振幅（振動レベル）との関係を示す周波数分析データに変換できれば、どのような構成であってもよい。こうした周波数解析は、画像や音声信号処理などの分野で研究開発が進んでおり、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）やウェーブレット変換を用いた手法が例として挙げられる。そこで、本実施例における時間領域解析部２１は、内蔵するＦＦＴやウェーブレット変換による変換機能を用いて、触覚情報の時間領域としての解析を行ない、特徴的な周波数成分を抽出した周波数分析データを取得できるようになっている。
【００５１】
一方、空間領域解析部２２は、空間領域を小空間に分割して数値解析を行なうもので、これを実現する手法としては、有限要素法がよく知られている。そこで本実施例の空間領域解析部２２は、内蔵する有限要素法の変換機能によって、実世界空間を小空間に分割して抽出された触覚情報を時間領域で解析し、その結果を２次元空間に投影できるように、実世界空間上の位置と関連付けできるようになっている。なお、固定した一乃至複数の点の位置に関係する触覚情報の場合は、この空間領域解析部２２による解析を省略してもよい。
【００５２】
処理手段３は、時間領域解析部２１による解析結果と、接触位置が複数ある場合には、時間領域解析部２２による解析結果とを統合することで、小空間の各接触位置に対応した周波数分析データを取得し、これを個体を特徴付ける識別データと関連付けて、記憶手段４に記憶させる。この場合、時間領域解析部２１による周波数解析に続いて、空間領域解析部２２による空間解析を行なう構成としてもよいし、逆に空間解析に続いて周波数解析を行なう構成としてもよい。さらには、周波数解析と空間解析を並行して行なう構成としてもよいし、接触位置が固定していて空間解析が不要な場合は、空間領域解析部２２の構成を省略してもよい。
【００５３】
なお、ここに提示され、またはここに提示されていない周知の各種変換機能を単独または複数組み合わせて、同様の処理手段３を実現してもよい。例えば時間領域解析部２１に内蔵する変換機能として、例えばＦＦＴ以外のフーリエ変換や、ウェーブレット変換や、コサイン変換を採用してもよい。ここでいうフーリエ変換とは、離散フーリエ変換や、短時間フーリエ変換などを含み、コサイン変換は、特殊な離散フーリエ変換である離散コサイン変換や、離散コサイン変換の一手法である変形離散コサイン変換などを含む。また、ウェーブレット変換とは、連続ウェーブレット変換や、離散ウェーブレット変換などを含む。
【００５４】
また処理手段３は、触覚情報の解析処理結果である周波数分析データから、個体毎にその動作や反応を抽出する抽出手段２４を備えている。この抽出手段２４により、例えば個人の動作の特徴や癖といった個体毎の力覚ベースでの特徴的な周波数の情報を抽出することができ、こうした抽出情報を基に、例えば後述する表示制御手段によって、表示手段５に色や濃淡による可視化表現を任意に行なわせたり、認証手段２５による照合を行なわせたりすることが可能になる。
【００５５】
前述のように、記憶手段４には、個体である人間が動作したときの反作用力から得られた周波数分析データが、個体の特徴を示す識別データ毎に、データベース化されて保存される。図２は、記憶手段４に記憶されるデータの保存形態を模式的に示しているが、ここでは例えば個人毎に割り当てられた固有の識別番号や、個人の名前などの情報を記憶した識別データ６１と、その個人に対する触覚情報から得られた周波数とスペクトル強度の可視化情報を記憶した周波数分析データ６２が、一つの関連付けデータ６３として記憶手段４に記憶保存される。識別データ６１の入力は、例えば装置本体１に接続する操作手段１７から行なえるようにすればよい。
【００５６】
また、図２に示すように、空間領域解析部２２による空間解析によって、同じ材質で複数の位置の周波数分析データ６２が存在する場合には、それらを纏めて同じ関連付けデータ６３内に保存するのが好ましい。これにより、同じ材質から受ける触覚情報に関し、空間配置上における周波数分析データ６２の特徴を直ちに把握することができる。
【００５７】
処理手段３は、入力手段２からの触覚情報を解析して、周波数分析データを取得する毎に、この比較対象となる周波数分析データと同一または類似している周波数分析データ６２が、記憶手段４から読み出される各関連付けデータ６３内に存在するか否かを比較解析し、その比較解析結果を出力する認証手段２５を備えている。認証手段２５から出力される比較解析結果を、どのように利用するのかはここでは特に限定しない。例えば図示しないが、開閉自在なドアを施錠または開錠するロック手段に認証手段２５を接続し、認証手段２５からデータ照合が取れた旨の比較解析結果が出力された場合にのみ、ロック手段によりドアを開錠する構成としてもよい。また好ましくは、認証手段２５は前記抽出手段２４を利用して、比較対象となる周波数分析データの中で周波数的な特徴となる部分と、各関連付けデータ６３内の周波数分析データ６２の中で周波数的な特徴となる部分について、比較解析を行なうように構成すればよい。こうすれば、全ての周波数分析データについて比較解析を行なう必要がなく、認証に必要な時間を短縮化することができる。
【００５８】
上記処理手段３は、記憶手段４に保存される各位置に対応した周波数分析データを読み出して、触覚情報を写真のように可視化して表示手段５で表示できるように、当該表示手段５を制御する表示制御手段としての機能を備えている。このような触覚情報を可視化する新たな表現技術を、ここでは「ハプトグラフ（Haptograph）」と表現して以後説明する。表示手段５により表示される「ハプトグラフ」は、入力手段２で取得した触覚情報に対し、処理手段３で高速フーリエ変換やウェーブレット変換のような周波数解析を施すことで、個体毎にどのような周波数成分の振幅レベル（スペクトル）が存在するのかを、振幅レベルの強弱に応じた異なる色や濃淡（グラデーション）で、表示手段５に可視化表現させることが可能になる。
【００５９】
因みに「Hapto」とは、ギリシャ語で「触れる」の意味であり、触覚を写真のように視覚化することから「Haptograph」と命名している。本実施例でのハプトグラフは、接触する環境Ｅの表面から受ける触覚情報を、２次元空間上に配置したものとして定義する。勿論この配置は、１次元または３次元以上であっても構わない。ハプトグラフを用いることで、触覚情報を写真や図のように視覚的に捉えることが可能になるので、より直感的に触覚を認識できるようになる。また、触覚情報を時間領域解析部２１で周波数解析し、それによりスペクトルの大きさを例えば色の違いや濃淡で可視化するため、触覚の定量的な評価や比較を行なうことも可能である。
【００６０】
前記空間領域解析部２２で分割した空間の数は、画像でいえばピクセル（画素）に相当し、分割数は触覚情報の分解能となる。当然、分割数が多ければ詳細な触覚情報を埋め込むことができるが、後述する記憶手段４で保存すべきデータ量も増加する。一つの指標としては、人間が最も触覚を必要とする指先の分解能にあわせて、空間領域解析部２２で分割する空間の数を設定するのが好ましい。人間が皮膚に２つの触刺激を受けた時に、その刺激がそれぞれ別の点であると識別できるもっとも短い距離が、成人の人差し指の先端では約2.5ｍｍ程度であるといわれている。空間の分割方法や分割数は任意であるが、人間の持つ触覚に対する分解能よりも細かい小空間で、表示手段５による「ハプトグラフ」を表現することが、人間支援の観点から理想的である。さらに、空間領域解析部２２で分割した小空間を、離散的な点列で構成したハプトグラフだけでなく、小空間を連続的な線と捉えることで、なで動作によるハプトグラフの作成も可能である。
【００６１】
図３は、上記バイラテラル力覚フィードバックによる「作用・反作用の法則」を人工的に再現する上での概念を示す図である。本実施例では、前記「ハプトグラフ」の概念を人間の動作に適用し、触覚ベースでの動作の周波数解析を行なうことを目的としている。前述したように、触覚情報は視覚情報や聴覚情報とは異なり、実世界における「作用・反作用の法則」に支配されることから、こうした作用力と反作用力をそれぞれ抽出し、再現するためには、フィードバック制御部５１によるバイラテラル力覚フィードバックが必要となる。これは図３に示すように、個体である人間Ａが、実世界で環境Ｅを動かす時に同時に生じる作用力と反作用力を、フィードバック制御部５１によって一方のマスターシステム３２において作用力だけを抽出し、他方のスレーブシステム４２において反作用力だけを抽出することで実現する。こうして、２台のマスターシステム３２とスレーブシステム４２とを、フィードバック制御部５１によってバイラテラル力覚フィードバック制御する構成を構築することで、人間Ｅの作用力と環境Ｅからの反作用力の分離が可能になり、そこから動作中の触覚情報の抽出が可能になる。
【００６２】
次に、上記構成に基づき、本実施例における触覚の視覚的表現方法の各手順を、図５のフローチャートを参照して説明する。装置本体１を起動させ、処理動作を開始させると、入力手段２はステップＳ２において、後段の処理手段３に送出するための触覚情報を取得する。この触覚情報の取得には、ステップＳ１の接触動作が先に行なわれる。
【００６３】
具体的には、例えば図１において、バイラテラルに力覚フィードバック制御されたアクチュエータシステム３１を備えた構成では、マスターシステム３２の軸体３３を動かし、この軸体３３を環境Ｅ１に接触させることで、ステップＳ１の接触動作が行なわれる。また、ここでは接触動作に伴いスレーブシステム４２に生じる外乱力が、モータ制御手段６に備えた好ましくは位置・加速度統合型の外乱オブザーバ５３によって推定され、この外乱力の推定値が、反作用力の情報として外乱オブザーバ５３から入力手段２に出力される。
【００６４】
なお、マスターシステム３２の軸体３３を動かす際に、この軸体３３を環境Ｅ１に接触させる代わりに、スレーブシステム４２の軸体４３を環境Ｅ２に接触させ、このときの環境Ｅ２に対する接触位置や反作用力の情報を、入力手段２が取り込んでもよい。
【００６５】
また、上記ステップＳ１の接触動作に伴う環境Ｅ１と軸体３３若しくは環境Ｅ２と軸体４３との接触位置は、これを図示しない位置センサで検知して、入力手段２に出力してもよいし、予め接触位置が判っている場合には、その位置情報を入力手段２が取り込んでもよい。例えば環境Ｅ１やマスターシステム３２若しくは環境Ｅ２やマスターシステム４２が不規則に動いていて、接触位置が定まらない場合には、位置センサの検知出力を入力手段２が位置の情報として取り込むのが好ましい。逆に、例えば環境Ｅ１またはマスターシステム３２若しくは環境Ｅ２やマスターシステム４２をＸ−Ｙテーブルなどに取付けて、モータ制御手段６からＸ−Ｙテーブルに出力される制御信号により、決められた位置で軸体３３（または軸体４３）を環境Ｅ１（または環境Ｅ２）に接触させる場合、このモータ制御手段６からの前記制御信号を利用して、入力手段２が位置の情報を取り込めば、上記位置センサを不要にすることができる。
【００６６】
ステップＳ２において、入力手段２は取り込まれた力と位置の情報の経時的な変化を触覚情報として取得するために、内蔵する計時手段２Ａの時計カウントを用いて、時間と力および時間と位置とを関連付ける。因みに、入力手段２に取り込まれる力や位置の情報に、予め時間情報が関連付けられている場合は、これをそのまま触覚情報として取得することができる。また、操作手段１７や外部媒体１８から直接触覚情報を取得する場合には、ステップＳ１の手順を省略することも可能である。
【００６７】
こうして、ステップＳ２において触覚情報が得られると、処理手段３の時間領域解析部２１は、触覚情報に含まれる時間と力との関係から、これをＦＦＴやウェーブレット変換などの周波数解析手法を用いて、触覚情報の時間領域としての解析を行なう（ステップＳ３）。こうした周波数解析を施すと、ある期間に生じる反作用力の情報から、それがどのような周波数特性を有するのかという周波数分析データを得ることができる。
【００６８】
次のステップＳ４において、処理手段３の空間領域解析部２２は、時間領域解析部２１により求められた周波数分析データを、軸体３３が接触する環境Ｅ１の表面形状に基づき、空間上に配置する空間解析を行なう。具体的には、環境Ｅ１と軸体３３との接触位置が刻々と変化する場合、単に時間領域解析部２１により周波数解析を行なうだけでは、その変化する接触位置上での周波数分析データしか取得することができない。そこで、ステップＳ３で求めた周波数分析データに対し、さらに空間領域解析部２２で例えば有限要素法による空間解析を施すことにより、固定した位置での周波数分析データを得ることができる。
【００６９】
なお、処理手段３からの前記制御信号により、環境Ｅと軸体３３若しくは環境Ｅ２と軸体４３との接触位置を固定して、反作用力の情報を取り込む場合は、その反作用力の情報に対応する接触位置の情報が、入力手段２から処理手段３に与えられることで、ステップＳ３で求めた周波数分析データと接触位置とを、空間領域解析部２２による空間解析を行なわずに、時間領域処理部２１だけで関連付けることができる。そしてこの場合は、ステップＳ１〜ステップＳ３の各手順が終了した時点で、軸体３３（または軸体４３）を環境Ｅ１（または環境Ｅ２）の別な位置に接触動作させるために、ステップＳ１の手順に戻すことにより、様々な固定した接触位置での周波数分析データを得ることができる。また、一点の位置だけの周波数分析データを得る場合には、ステップＳ１の手順に戻ることなく、次のステップＳ５の手順が行なわれる。
【００７０】
こうして空間領域解析部２２が、実空間の位置に対応した周波数分析データを処理手段３の解析処理結果として生成すると、次のステップＳ５で解析処理結果を記憶手段４に保存し、さらにはこの記憶手段４から解析処理結果を読み出して、処理手段３に備えた抽出手段２４と表示制御手段が、前述した「ハプトグラフ」を表示手段５に表示させ、一連の処理を終了する。
【００７１】
ここで、表示手段５の表示形態は、「ハプトグラフ」の概念を逸脱しない限り、どのようなものであっても構わない。例えば、環境Ｅ１の表面形状に応じた一乃至複数の位置上に、所定範囲の周波数におけるスペクトルの度合を、線，色，濃淡などで可視化させてもよい。また、点在する固定した位置の周波数分析データ間を直線などで補間し、メッシュ状に繋いで連続的に表示させてもよい。さらに、一つの決められた位置において、どのような周波数成分でどのような強さのスペクトルが存在するのかを、表示手段５により色などで可視化表示させてもよい。
【００７２】
また処理手段３は、ステップＳ４で得られた周波数分析データを、その個体に関係する識別データと関連付けて、これを関連付けデータ６３として記憶手段４に記憶させる。これにより記憶手段４には、個体毎に可視化可能な周波数分析データ６２が蓄積保存されてゆく。つまり、記憶手段４によって、各個体に応じた触覚情報の周波数解析結果が、データベース化されることになる。記憶手段４の関連付けデータ６３は、例えば操作手段１７からの入力操作により、その中の一部若しくは全てが読み出され、表示手段５に周波数分析データ６２が可視化表示されたり、或いは図示しない通信手段を介して、外部に転送することができる。こうした処理手段３の機能によって、「ハプトグラフ」を用いた新規な実世界触覚情報の可視化表現と、そうした触覚情報の可視化共有が可能となる。
【００７３】
また、任意の個体が接触動作を行なう照合時において、上記ステップＳ１〜ステップＳ４の各手順に従い、処理手段３で周波数分析データが得られると、処理手段３に備えた認証手段２５が、記憶手段４から関連付けデータ６３を一つずつ読み出して、その中に含まれる周波数分析データ６２の中で周波数的な特徴となる部分を抽出手段２４に抽出させると共に、処理手段３で得られた周波数分析データの中で周波数的な特徴となる部分を、同様に抽出手段２４に抽出させ、双方の比較解析を行なう。そして判別手段２５は、双方で特徴となる部分が一致またはある閾値以上に類似していれば、マスターシステム３２を動作する固体の照合が取れたと判断して、その旨を照合結果信号として出力する。これにより、個体の動作の特徴や癖といった触覚ベースでの個体認証が可能になる。
【００７４】
続いて、上記図１の装置本体１を利用した実験例について、その装置構成と実験結果を説明する。
【００７５】
図４は、実験例で採用した実験システムであり、ここには前記図１のアクチュエータシステム３１に相当する構成が示されている。同図において、マスターシステム３２に着目すると、ここにはマスターシステム３２の設置用固定板として、平面が矩形の金属製板材からなる土台７１が設けられ、その土台７１の上面における長手方向に沿って、丸棒状の金属製軸体３３が土台７１の上面上に前後方向に移動自在に設けられている。また、軸体３３の長手方向のほぼ中央箇所に位置して、土台７１の上面上に固定したリニアモータ３４を装着する。このリニアモータ３４によって、軸体３３をその長手方向に移動できるようになっている。さらに、軸体３３の長手方向の他端に検知手段３５としての位置エンコーダ７２を装着する。この位置エンコーダ７２によって、軸体３３の位置と加速度を測定することができる。その他、リニアモータ３４にはリニアガイド７３が取付けられる。
【００７６】
また、同様にスレーブシステム４２も、スレーブシステム４２の設置用固定板として、平面が矩形の金属製板材からなる土台８１が設けられ、その土台８１の上面における長手方向に沿って、丸棒状の金属製軸体４３が土台８１の上面上に前後方向に移動自在に設けられている。また、軸体４３の長手方向のほぼ中央箇所に位置して、土台８１の上面上に固定したリニアモータ４４を装着する。このリニアモータ４４によって、軸体４３をその長手方向に移動できるようになっている。さらに、軸体４３の長手方向の他端に検知手段３５としての位置エンコーダ８２を装着する。この位置エンコーダ８２によって、軸体４３の位置と加速度を測定することができる。その他、リニアモータ３４にはリニアガイド８３が取付けられる。
【００７７】
そして、ここでは２台のリニアモータ３４，４４を直交したＸ−Ｙテーブルとして構成している。
【００７８】
図４に示す実験システムは、アクチュエータシステム３１として図１に示す装置本体１に接続される。これにより、人間の操作力および環境Ｅ２からの反作用力は、位置・加速度統合型（ＰＡＩＤＯ）の外乱オブザーバ５２，５３によって、力覚センサレスで推定される。力覚センサを用いずに力覚フィードバックを実現するための外乱オブザーバ５２，５３に用いる摩擦同定の精度は、力覚の推定精度に強く影響する。したがって、外乱オブザーバ５２，５３でそれぞれ推定される操作力や反作用力の誤差を最小にするためには、アクチュエータシステム３１としての機構的な摩擦を少なくすることが重要である。なお、前記装置本体１の各部を制御するプログラムは、サンプリングタイムを１００μｓに設定している。
【００７９】
ここでは、２人の被験者Ａ，Ｂが同じ動作を行なったときの「ハプトグラフ」を処理手段３で作成し、個人差がどのように現れるのかを比較する実験を行なった。また、被験者Ａ，Ｂの動作は、マスターシステム３２の軸体３３に対して１Hzで３cm往復する運動を10秒間繰り返し、スレーブシステム４２の軸体４３が環境Ｅ２と接触を伴わない自由動作と、軸体４３を環境Ｅ２に接触させる接触動作のそれぞれ２回ずつ行なった。
【００８０】
図６および図７は、被験者Ａの１回目と２回目の自由動作を行なった際の実験結果をそれぞれ示しており、また図８および図９は、別な被験者Ｂの１回目と２回目の自由動作を行った際の実験結果をそれぞれ示している。これらの各図において、上側の図は反作用力の時系列データを示しており、下側の図はそれに対応して、周波数毎のスペクトルの大きさに応じて色や濃淡で表現した「ハプトグラフ」を示している。
【００８１】
自由動作における実験結果では、環境Ｅ２との接触を行っていないことから、個人の動作のみに依存した「ハプトグラフ」を取得することができる。図６と図７、若しくは図８と図９を比較すると、これらはそれぞれ同一人物による動作を基にしており、同一人物における１回目と２回目の「ハプトグラフ」では、周波数の特徴として同様の傾向が表れていることが確認できる。
【００８２】
一方、図６および図７と、図８および図９との間で比較を行なうと、特に被験者Ｂの「ハプトグラフ」からは、被験者Ａの「ハプトグラフ」には存在していない30Hz付近に強いスペクトルが確認される。したがって、反作用力の時系列データからでは確認できない動作の特徴周波数を抽出手段２４で抽出し、これを「ハプトグラフ」として表示手段５により可視化表示することが可能である。
【００８３】
図１０および図１１は、被験者Ａの１回目と２回目の接触動作を行なった際の実験結果をそれぞれ示しており、また図１２および図１３は、別な被験者Ｂの１回目と２回目の接触動作を行った際の実験結果をそれぞれ示している。これらの各図において、上側の図は反作用力の時系列データを示しており、下側の図はそれに対応して、周波数毎のスペクトルの大きさに応じて色や濃淡で表現した「ハプトグラフ」を示している。
【００８４】
ここでも自由動作の実験の場合と同様に、図１０と図１１、若しくは図１２と図１３を比較すると、同一人物における１回目と２回目の「ハプトグラフ」では、周波数の特徴として同様の傾向が表れていることが確認できる。
【００８５】
一方、図１０および図１１と、図１２および図１３との間で比較を行なうと、上側にある反作用力の時系列データからは、被験者Ａと被験者Ｂとの間で反作用力のピーク点にそれほどの違いが見られないが、下側の「ハプトグラフ」からは明確に個人特有の癖の違いを確認することができる。
【００８６】
このように、本実施例で提案した手法により、従来のような反作用力の時系列データからでは確認することができない人間の動作における個人の癖を、「ハプトグラフ」により明確に表示し、かつ定量的に評価できることが明らかになった。
【００８７】
本実施例では、「ハプトグラフ」による実世界における触覚情報の可視化技術を提案している。この「ハプトグラフ」の作成にあたっては広帯域な触覚センシングが必要であり、特に位置・加速度統合型（ＰＡＩＤＯ）の外乱オブザーバ５２，５３を用いることで、人間の感じる触覚帯域すべてをカバーすることが望まれる。なお、ＰＡＩＤＯ外乱オブザーバ５２，５３については、本願発明者らが先に出願した特願２００６−５７６１４号で詳しく説明しているので、ここでの説明は省略する。
【００８８】
また、個体である人間の動作抽出システムとして、マスターシステム３２とスレーブシステム４２からなるアクチュエータシステム３１を構成することで、人間の操作力および環境Ｅ２からの反作用力から、実世界における触覚情報の抽出を行った。また図４に示す実験システムでは、異なる２名の被験者Ａ，Ｂに対して同じ動作を行なわせ、抽出した反作用力情報を「ハプトグラフ」で表示することを行なった。その結果、環境Ｅ２と接触を伴わない自由動作と、環境Ｅ２に接触する接触動作の双方で、個体固有の癖を抽出することが可能になる。
【００８９】
以上のように本実施例では、個体の動作に応じて作動するアクチュエータとしてのアクチュエータシステム３１を備え、アクチュエータシステム３１は、１台以上のマスターシステム３２および２台以上のスレーブシステム４２をネットワークで接続してなり、個体からの作用力をマスターシステム３２で受けると、この作用力に伴う反作用力を、ネットワークを介してスレーブシステム４２で生成する構成を有し、ある時間にどのような反作用力が生じているのかを、個体を動作させたときの時系列な力の触覚情報として入力手段２により取得し、この入力手段２で取得した触覚情報を、処理手段３により時間領域で解析処理して、前記触覚情報に含まれる時間と力との関係を、周波数と振幅との関係を示す周波数分析データに変換し、この周波数分析データから個体の動作または反応に関し周波数的な特徴を抽出手段２４で抽出する方法と装置を提供している。
【００９０】
この場合、個体を動作させたときの触覚情報をそのまま単に時系列的に並べるのではなく、取得した触覚情報に時間領域で処理手段３で解析処理を施し、その解析処置結果である周波数分析データから個体の動作や反応の特徴を抽出手段２４で抽出するようにしている。そのため、例えば熟練技術者の持つスキルや、個体の動作の特徴や癖といった諸情報の特徴的な周波数について、個体の動作を触覚情報として取得して定量的に把握することができ、そこから動作や反応の特徴を抽出することが可能になる。
【００９１】
また、マスターシステム３２に加わる個体からの作用力と、この作用力を受けてスレーブシステム４２で発生する反作用力とを別々に分離でき、そこから抽出される力に基づき、ある時間にどのような反作用力が生じているのかを、触覚情報として取得することが可能になる。
【００９２】
さらに、一乃至複数のマスターシステム３２に個体からの作用力が加わると、ネットワークを介して複数のスレーブシステム４２に反作用力を発生させることができ、遠隔地における力伝送を可能にできる。
【００９３】
また、ここでは処理手段３によって、周波数分析データから、抽出した動作または反応を視覚的に表現させるようになっている。つまり、単に個体の動作や反応を抽出するだけでなく、これらを視覚的に表現させて、例えば表示手段５などにより提示することが可能になる。
【００９４】
この場合、アクチュエータシステム３１から抽出した力によって、触覚情報を取得する。こうすれば、アクチュエータシステム３１を利用して、そこから抽出される力に基づき、触覚情報を取得することが可能になる。
【００９５】
また代わりに、アクチュエータシステム３１が制御手段であるモータ制御手段６により制御されているシステムから抽出した力によって、触覚情報を取得してもよい。当該モータ制御手段６によりアクチュエータシステム３１の例えば位置，速度，加速度，トルク，または力を制御しつつ、これらのモータ制御手段６とアクチュエータシステム３１とを組み合わせたシステムから抽出される力に基づき、触覚情報を取得することが可能になる。
【００９６】
上記アクチュエータシステム３１からの力が、位置センサ，速度センサ，加速度センサ，電流センサ，力センサ，トルクセンサ，または歪みゲージを用いて抽出される場合、これらのセンサやゲージの検知出力を利用して、アクチュエータシステム３１からの力を抽出できる。
【００９７】
また、アクチュエータシステム３１からの力を、外乱オブザーバ５２，５３により抽出する構成であってもよい。外乱オブザーバ５２，５３によってアクチュエータシステム３１からの力を抽出することで、個体を動作させたときの時系列な反作用力の触覚情報を取得できるので、力覚センサを用いることなく触覚情報の取得が可能になる。
【００９８】
また、前記解析処理結果である周波数分析データ６２と、個体を特定する識別データ６１とを関連付けた関連付けデータ６３を、当該個体毎に記憶手段４に記憶させている。つまり、周波数分析データ６２が個体と関連付けられて、記憶手段４に関連付けデータ６３として記憶されるので、個体を動作させたときに生じた力から、その個体の動作の特徴や癖などの特徴を直感的且つ定量的に抽出できるような周波数分析データ６２を、触覚ベースで各個体ごとにデータベース化することが可能になる。
【００９９】
また本実施例では、前記処理手段３による解析処理が行なわれると、周波数分析データ６２と、記憶手段４から読み出される関連付けデータ６３との比較解析を行ない、その比較解析結果を出力する認証手段２５を備えている。こうした認証手段２５によって、周波数分析データ６２と記憶手段４から読み出される関連付けデータ６３との比較解析を行なうことで、個体の動作の特徴や癖といった触覚ベースでの個体認証が可能になる。
【０１００】
さらに本実施例の処理手段３は、入力手段２で取得した触覚情報をフーリエ変換またはウェーブレット変換またはコサイン変換により時間領域または空間領域で解析処理し、また有限要素法を用いた変換により空間領域で解析処理している。つまり、画像や音声信号処理などの分野で研究開発が進んでいるフーリエ変換またはウェーブレット変換またはコサイン変換や、空間領域を小空間に分割して数値解析を行なう手法としてよく知られている有限要素法を採用することで、触覚情報の時間領域や空間領域における解析処理を容易に行なうことが可能になる。
【０１０１】
その他本実施例では、前記関連付けデータ６３を記憶手段４から読み出して、表示手段５に可視化表示させる構成となっている。
【０１０２】
つまり、関連付けデータ６３に含まれる解析処理結果をそのまま表示手段５に可視化表示させるのではなく、記憶手段４に一旦保存してから可視化表示させることで、それまで記憶手段４に蓄積保存されていた解析処理結果を任意に読み出して、これを表示手段５で可視化表示させることが可能になる。
【０１０３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
上記実施例で提示した「ハプトグラフ」により、触覚情報を可視化することが可能になったため、実世界における触覚をより直感的且つ定量的に表現することができる。とりわけ本発明では、人間などの個体毎の動作を、触覚情報の違いとして周波数解析により可視化し、個人の癖やスキルといった情報を抽出し、周波数および空間情報に基づいて定量比較することも可能である。さらに、ユビキタスネットワークにおいて、個人ごとの動作を記録したパーソナル辞典を作成すれば、熟練技能者の有するスキルの定量的な評価や、触覚ベースでの個人認証といった技術の開発にもつながり、将来の人間支援技術においても広く応用が可能となる。したがって、その産業上の応用は計り知れないものとなり得る。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の一実施例における触覚の解析装置に関し、その全体構成を示すブロック図である。
【図２】同上、記憶手段に記憶されるデータの保存形態を模式的に示した概略説明図である。
【図３】同上、バイラテラル力覚フィードバックによる「作用・反作用の法則」の人工的再現の概念を示す説明図である。
【図４】同上、図１の装置本体を利用した実験システムの斜視図である。
【図５】同上、図１における触覚の解析装置が実行する処理手順をあらわしたフローチャートである。
【図６】同上、被験者Ａが１回目の自由動作を行なった際の実験結果を示すグラフである。
【図７】同上、被験者Ａが２回目の自由動作を行なった際の実験結果を示すグラフである。
【図８】同上、被験者Ｂが１回目の自由動作を行なった際の実験結果を示すグラフである。
【図９】同上、被験者Ｂが２回目の自由動作を行なった際の実験結果を示すグラフである。
【図１０】同上、被験者Ａが１回目の接触動作を行なった際の実験結果を示すグラフである。
【図１１】同上、被験者Ａが２回目の接触動作を行なった際の実験結果を示すグラフである。
【図１２】同上、被験者Ｂが１回目の接触動作を行なった際の実験結果を示すグラフである。
【図１３】同上、被験者Ｂが２回目の接触動作を行なった際の実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０６】
２  入力手段
３  処理手段
４  記憶手段
５  表示手段
６  モータ制御手段（制御手段、システム）
２４  抽出手段
２５  認証手段
３１  アクチュエータシステム（アクチュエータ）
３２  マスターシステム
４２  スレーブシステム
５２，５３  外乱オブザーバ
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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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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