(57)【要約】【課題】触感評価を行いたい接触対象物に接触部材を接触させ、変形する接触部材の表面の動きを容易且つ確実に計測することで、その接触対象物がどのような表面特性を持っているかを正確に評価することができる触感検知システムを提供する。【解決手段】本発明に係る触感検知システムＡは、一面側で接触対象物に接触する接触面１２を有する接触部材たる透明弾性体１と、この透明弾性体１の動画を撮影する撮影装置４と、この撮影装置４に撮影され得るように前記接触面１２に無作為に塗布された複数の塗布物２０からなるランダムパターン２と、前記動画を構成する前後のフレーム７にそれぞれ表示された塗布物２０の位置を基に透明弾性体１の変形を検出する処理装置６とを具備することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面側で接触対象物に接触する接触面を有する接触部材と、
この接触部材の動画を撮影する撮影装置と、
この撮影装置に撮影され得るように前記接触面に無作為に塗布された複数の塗布物からなるランダムパターンと、
前記動画を構成する前後のフレームにそれぞれ表示された前記塗布物の位置を基に前記接触部材の変形を検出する処理装置と
を具備することを特徴とする触感検知システム。
【請求項２】
前記処理装置が、前記フレームに表示された前記接触面の画像を複数のサブセットに分割し、当該サブセット内に表示された前記塗布物の前後のフレームでの位置をそれぞれ検出することにより前記サブセットの変位を算出し、当該サブセットの変位から前記接触部材の変形を検出するものである請求項１記載の触感検知システム。
【請求項３】
前記処理装置が、前記複数のサブセットのうち変位を検出し得る前記サブセットの変位から、変位を検出し得ない前記サブセットの変位を推測するものである請求項２記載の触感検知システム。
【請求項４】
前記接触部材が、弾性を有する素材からなる本体と、前記接触面とを有するものであり、
前記処理装置が、前記前後のフレームにそれぞれ表示された前記塗布物の位置及び前記本体の弾性を基に、変形時に前記接触部材に生ずる応力を算出するものである請求項１〜３の何れかに記載の触感検知システム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の触感検知システムに用いられてなるものであって、
前記接触部材と、前記ランダムパターンとを具備することを特徴とする触感検知体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維製品等の触感を定量的に評価すべく検出するための触感検知システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
触覚は視覚や聴覚と共に人間の生活において必要不可欠な感覚であり、感触や肌触りは商品購入を検討する際の大きなポイントとなる。触覚において、繊維業界では「風合い」とよばれる布の触感を評価する機器が開発されている。しかし、人間の指先で判断できる触感の違いを、従来の機器では評価できないアイテムが多く存在している。この触感の違いが商品の価値を左右するのは言うまでもなく、定量的に評価したいとの要求があり、人間の指に近い性能を有するセンシング技術の開発が求められている。
【０００３】
そして近年、人間の触覚に関連するセンサーの開発は、ロボティクス分野などにおいて盛んにおこなわれている。その中でも、対象物の触り心地を評価することを目的としたものでは、指先を模擬した弾性体内にひずみゲージなど検出器を配して、内部のひずみを検出し、その変形状態から触感を評価するものがある。しかし、検出器を高密度で配すことが困難であり、埋め込まれた検出器の影響で、指先の弾性特性と異なってしまう課題がある。
【０００４】
そして現在では、弾性体内に一定の大きさのプラスチック製マーカーを配して、マーカーの移動量を光学式、すなわちカメラで検出し触感を評価するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５１８９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら当該特許文献１に記載のものは、あくまでロボットなどの担持機構での用途を目的としており、従来の技術では、繊維製品における風合いのような微細な触り心地などの評価ができないのが現状である。また特許文献１に記載したようなものは、具体的には接触対象に接触させる透明弾性体の表面よりも所定寸法離間した位置に別体をなす有色マーカーを配することにより透明弾性体及びマーカーを一体的に設けた構成をなしているが、このような構成のものを製造するためには、多大な労力を要するものとなっていた。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解消することを目的としており、触感評価を行いたい接触対象物に接触部材を接触させ、変形する接触部材の表面の動きを容易且つ確実に計測することで、その接触対象物がどのような表面特性を持っているかを正確に評価することができるように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】
【０００８】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【０００９】
すなわち、本発明に係る触感検知システムは、一面側で接触対象物に接触する接触面を有する接触部材と、この接触部材の動画を撮影する撮影装置と、この撮影装置に撮影され得るように前記接触面に無作為に塗布された複数の塗布物からなるランダムパターンと、前記動画を構成する前後のフレームにそれぞれ表示された前記塗布物の位置を基に前記接触部材の変形を検出する処理装置とを具備することを特徴とする。
【００１０】
また本発明に係る触感検知体は、前記接触部材と、前記ランダムパターンとを具備することを特徴とする。
【００１１】
ここで、ランダムパターンとは、接触部材の表面たる接触面に、無作為に塗布された模様のみを示すものに限られず、接触面における各部分が塗布物の形状或いは分布によりある程度特定し得るまでに各部分ごとに異なった模様が施されている態様をも含む概念である。また接触面にランダムパターンが塗布される態様は、接触面上に塗布物が塗布される態様のみに限定されることはなく、接触面の近傍において当該接触面の変形を正確に捉えうる位置にランダムパターンが塗布されていれば良い。例えば接触面を構成する接触部材の素材表面と塗布物の表面とが面一となるようにランダムパターンが塗布されたものや、ランダムパターンが接触面近傍において接触部材内に配されることにより、接触面の摩擦係数がすべての領域において同じであるような態様をも含む概念である。
【００１２】
このような構成であると、接触部材の接触面に配されたランダムパターンの動画から接触部材の変形を正確に捉えることができる。すなわち接触面に配されたランダムパターンの挙動を把握すれば容易に接触部材の変形を捉えることができる。これにより接触部材の内部に別体をなすマーカーを配するといった手間及び労力を有効に回避することができる。すなわち本発明によれば、触感評価を行いたい接触対象物に接触部材を接触させ、変形する接触部材の表面たる接触面の動きを容易且つ確実に計測することで、その接触対象物がどのような表面特性を持っているかを正確に評価することができるようにすることができる。
【００１３】
そして、接触部材の動きをより正確に捉え変位の分布を得るようにするためには、処理装置を、フレームに表示された接触面の画像を複数のサブセットに分割し、当該サブセット内に表示された塗布物の前後のフレームでの位置をそれぞれ検出することによりサブセットの変位を算出し、当該サブセットの変位から接触部材の変形を検出するものとすることが望ましい。
【００１４】
さらに、上述したサブセットの変位から、接触部材の変形をより明確に検出するようにするためには、処理装置を、複数のサブセットのうち変位を検出し得るサブセットの変位から、変位を検出し得ないサブセットの変位を推測するようにすることが好ましい。
【００１５】
また接触対象の風合いを、接触部材を介してより具体的に捉えるようにするためには、接触部材を、弾性を有する素材からなる本体と、接触面とを有するものとし、処理装置を、前後のフレームにそれぞれ表示された塗布物の位置及び本体の弾性を基に、変形時に接触部材に生ずる応力を算出するようにすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、以上説明した構成であるから、触感評価を行いたい接触対象物に接触部材を接触させ、変形する接触部材の表面の動きを容易且つ確実に計測することで、その接触対象物がどのような表面特性を持っているかを正確に評価することができる触感検知システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る外観図。
【図２】同実施形態に係る要部の説明図。
【図３】同実施形態に係るフロー図。
【図４】図２におけるＰ部を拡大して示す作用説明図。
【図５】同実施形態の変形例に係る外観図。
【図６】同他の変形例に係る外観図。
【図７】同上。
【図８】本発明の一実施例におけるデータを示す図。
【図９】同上。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１９】
本実施形態に係る触感検知システムＡは、人間の皮膚を想定した接触部材たる透明弾性体１と対象物とが直接触れる接触面１２の動画を撮影し、当該動画を構成する各フレームに撮影された透明弾性体１の形状の変化から接触面１２の変形を検出し、この変形を数値化するためのものである。
【００２０】
すなわち本実施形態に係る触感検知システムＡは、一面側で接触対象物に接触する接触面１２を有する接触部材たる透明弾性体１と、この透明弾性体１の動画を撮影する撮影装置４と、この撮影装置４に撮影され得るように接触面１２に無作為に塗布された複数の塗布物２０からなるランダムパターン２と、動画を構成する前後のフレーム７にそれぞれ表示された塗布物２０の位置を基に透明弾性体１の変形を検出する処理装置６とを具備することを特徴とする。また、当該触感検知システムＡにおいて重要な役割を果たす本実施形態に係る触感検知体Ｓは、接触部材たる透明弾性体１と、この透明弾性体１の表面に施されたランダムパターン２とを具備することを特徴とする。以下、当該触感検知システムＡの構成について図１及び図２を参照し説明する。
【００２１】
本実施形態に係る触感検知システムＡは、上記透明弾性体１、ランダムパターン２、撮影装置４及び処理装置６のほか、透明弾性体１を撮影装置４により好適に撮影し得るように支持する透明プレート３と、この透明プレート３を動作可能に支持する動作装置５とを更に有している。
【００２２】
透明弾性体１は、図１に示すように、弾性を有する単一の素材からなる弾性体本体１１と、この弾性体本体１１の一面すなわち上面で接触対象物に接触する接触面１２とを有している。一例として当該透明弾性体１は、皮膚を想定した厚さ約３ｍｍ、大きさ縦横約２０ｍｍという板状をなす信越化学工業株式会社製のＲＴＶシリコーンゴムを用いて作製されている。
【００２３】
ランダムパターン２は、表面に酸性染料を用いて塗布した。つまり図示では黒色をなす複数の塗布物２０と、この塗布物２０の背景となり得る白色層２ｗとを有している。すなわち、透明弾性体１の接触面１２が一様な変化のない画像であると、変形前の点が、変形後にどの位置になったかを判定することは困難である。そこで、本実施形態では、透明弾性体１の表層に染料を用いてランダムパターン２を配し、画像相関法を好適に適用し得る特徴点を作り出すこととした。
【００２４】
そして本実施形態では上述した透明弾性体１及びランダムパターン２を一単位の触感検知体Ｓとして、透明プレートに対し着脱及び交換可能に設定している。
【００２５】
透明プレート３は、ガラスやアクリルといった透明の硬質素材からなるプレート本体３０と、このプレート本体３０の上面において透明弾性体１を支持する支持面とを有している。本実施形態ではこの透明プレート３に硬質素材を用いることで、透明弾性体１の変形が接触面１２における部位によるムラが無く正確に起こるようにしている。またこの透明プレート３は動作装置５に取り付けられることにより、撮影装置４との距離調整を行い得るように上下方向の移動及び撮影装置４に平行となる水平方向への移動可能となっている。
【００２６】
撮影装置４は、透明弾性体１を裏側から撮影するためのカメラ本体４０と、撮影時の光源として機能するＬＥＤ照明を有した照明ユニット４１とを有している。本実施形態ではカメラ本体４０はその一例として日昇テクノロジー製ＯＶ５６４７カメラモジュールを用い、解像度１９２０×１０８０ピクセル、フレームレートは３０ｆｐｓにて動画を撮影できるようにした。そしてカメラ本体４０により撮影された動画データは処理装置６へ転送される。図２は取り出したフレーム画像の一例であり、本実施形態では例えば１ピクセルは約５．６μｍである。
【００２７】
また本実施形態では、上述した透明弾性体１及びランダムパターン２を有する触感検知体Ｓと、透明プレート３と、撮影装置４とを一単位のデータ取得ユニットＵとして取り扱い得るようにすることで、一の処理装置６に対し複数のデータ取得ユニットＵを接続したり、処理装置６に対しデータ取得ユニットＵを変更、交換したりできるようにしている。
【００２８】
動作装置５は、本実施形態では透明プレート３と上下方向及び水平方向に移動させることができるマイクロメータ式ＸＹステージ（中央精機株式会社製）を適用している。また本実施形態では図示しないが動作装置５の他の一例として、撮影装置４も透明弾性体１や透明プレート３とともに動作させ得るものを適用し、接触対象に対して接触面１２を押し当てながら撮影装置４ごと移動させ得るようにしても良い。
【００２９】
処理装置６は、本実施形態ではその一例として図１においてノートタイプのパーソナルコンピュータを図示しているが勿論、当該図示は処理装置６を何ら限定するものではない。
【００３０】
そして本実施形態では、この処理装置６には撮影した画像より変位を求めるため、画像相関法による変位計測プログラムが組み込まれている。そしてこの処理装置６に組み込まれたプログラムを実行させることにより、図３に示すフローに従って透明弾性体１の変形が計測され、数値化される。以下、処理装置６による一連の処理を図２〜図４に示して説明していく。
【００３１】
まず、撮影装置４により撮影された透明弾性体１の動画から、撮影した時間が異なる各フレーム７が抽出される（ステップＳＴ１）。そして各フレーム７のうち変位を検出する基準となる変形前である前フレーム７０から、変形を検出する部分単位となるサブセット７１の大きさを設定する（ステップＳＴ２）。そして、設定されたサブセット７１の大きさに基づいて領域の自動分割を行う（ステップＳＴ３）。図２及び図４（ａ）〜（ｃ）において縦横の想像線で区切られた区画がそれぞれサブセット７１として認識される。また図４では、図２においてＰ部として区切った箇所に着目し図示している。
【００３２】
そして本実施形態では、サブセット７１内に表示された塗布物２０の前後のフレーム７での位置をそれぞれ検出することによりサブセット７１の変位を算出し、当該サブセット７１の変位から透明弾性体１の変形を検出するようにしている（ステップＳＴ４）。具体的には、任意の点として認識されている塗布物２０を基にした変位算出に、本実施形態では画像相関法を利用している。
【００３３】
ステップＳＴ４について具体的に説明する。図４は処理装置６に組み込まれた変位計測プログラムの実行の一例である。図２に示す前フレーム７０において接触面１２の端に位置せず、且つ塗布物２０が認識されたサブセット７１をテンプレートとし、後フレーム７５における各領域において高い一致度をなす塗布物２０を検出することにより、サブセット７１の変位を検出する。換言すれば、いわゆるテンプレートマッチングによる算出を行う。図２に示すように接触面１２の端に位置するサブセット７１は変位後に撮影した領域から外れてしまう可能性があるためテンプレートマッチングは行わない非検出サブセット７４としている。加えて、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、前フレーム７０において特徴点となり得る塗布物２０が認識されなかったサブセット７１についても変位を検出し得ないため、非検出サブセット７４としている。
【００３４】
続いて、検出サブセット７３の変位を算出した後、当該検出サブセット７３の中心を検出節点７６に設定する。そして本実施形態では、処理装置６が、複数のサブセット７１のうち変位を検出し得るサブセット７１の変位から、変位を検出し得ないサブセット７１の変位を推測するようにしている。換言すれば変位が検出された検出節点７６の位置から、非検出サブセット７４の変位を有限要素法により判明させることにより、当該非検出サブセットの中心を補間節点７７に設定するようにしている。具体的に説明すると、構造全体の剛性方程式に変位が判明している検出節点７６に対してその変位を入力しておき、変位が不明な補間節点７７の変位は連立方程式を解くことによって判明させる。
【００３５】
このようにして確定させた検出節点７６及び補間節点７７を、すべて要素７９を構成する節点７８として扱うことで、図４（ｄ）に示すような有限要素モデルを作成する。
【００３６】
そしてステップＳＴ４により作成された有限要素モデルが作成された後は、３つの節点７８からなる各要素７９のひずみ及び応力を、既知の数式からなる有限要素法における変位―ひずみ方程式及び応力―ひずみ方程式を用いることにより算出する（ステップＳＴ５）。すなわち、処理装置６が、前後のフレーム７にそれぞれ表示された塗布物２０の位置及び弾性体本体１１の弾性を基に、変形時に透明弾性体１に生ずる応力を算出するようにしている。ここで、当該ステップを実行するためには、透明弾性体１の弾性に関するヤング率、ポアソン比等の各データをあらかじめ入力しておく必要があることはいうまでもない。
【００３７】
そしてこれら算出された結果はすべて数値化された解析結果として出力される（ステップＳＴ６）。
【００３８】
以上のように本実施形態に係る触感検知システムＡは、接触部材たる透明弾性体１と、この透明弾性体１の接触面１２に無作為に塗布された複数の塗布物２０からなるランダムパターン２と、透明弾性体１を撮影する撮影装置４と、撮影された動画を構成する前後のフレーム７にそれぞれ表示された塗布物２０の位置を基に透明弾性体１の変形を検出する処理装置６とを具備する構成としている。
【００３９】
このような構成としているので、透明弾性体１の接触面１２に配されたランダムパターン２の動画から透明弾性体１の変形を正確に捉え得るものとなっている。すなわち接触面１２に配されたランダムパターン２の挙動を把握すれば容易に透明弾性体１の変形を捉えることができる。これにより透明弾性体１の内部に別体をなすマーカーを配するといった手間及び労力を有効に回避せしめている。すなわち本実施形態によれば、触感評価を行いたい接触対象物に透明弾性体１を接触させ、変形する透明弾性体１の表面たる接触面１２の動きを容易且つ確実に計測することで、その接触対象物がどのような表面特性を持っているかを正確に評価することを実現している。
【００４０】
そして、本実施形態では処理装置６が、フレーム７に表示された接触面１２の画像を複数のサブセット７１に分割し、当該サブセット７１内に表示された塗布物２０の前後のフレーム７での位置をそれぞれ検出することによりサブセット７１の変位を算出し、当該サブセット７１の変位から透明弾性体１の変形を検出するものであるため、透明弾性体１の動きを変位分布として捉え得るようになった。
【００４１】
さらに本実施形態では、処理装置６が、複数のサブセット７１のうち変位を検出し得るサブセット７１の変位から、変位を検出し得ないサブセット７１の変位を推測するものであるため、透明弾性体１の変形をより詳細な変位分布として検出せしめしている。
【００４２】
また本実施形態では、前後のフレーム７にそれぞれ表示された塗布物２０の位置及び透明弾性体１の弾性を基に、変形時に透明弾性体１に生ずる応力を算出するようにすることで、繊維等の接触対象の風合いといった繊細な感覚の違いを、透明弾性体１を介してより具体的に捉え数値化できるようになっている。
【００４３】
以下に、本実施形態の各変形例について説明する。これら各変形例において上記実施形態の構成要素に相当するものに対しては同じ符号を付すとともに、その詳細な説明を省略するものとする。
【００４４】
＜変形例１＞
【００４５】
上記実施形態では触感検知体Ｓとして直方体形状をなす透明弾性体１を主体とし、接触面１２を平面とした態様を開示したが勿論、当該触感検知体Ｓの形状、特に接触面１２の形状は上記実施形態に限定されるものではない。すなわち本変形例に係る触感検知体Ｓは、図５に模式的に示すように、人の指先の形状を模したものとなっている。具体的に説明すると、透明弾性体１は、概略ドーム形状をなす弾性体本体１１と、この弾性体本体１１の上面側である接触面１２に、例えば指先の指紋を模した凹凸１３を設けたものとしている。
【００４６】
このようなものであれば、より指先の変形に近く、接触対象として繊維素材を用いた場合ではその細かな風合いを、ランダムパターン２を構成する塗布物２０の動作を介してより明確に数値化することが可能となる。
【００４７】
＜変形例２＞
【００４８】
上記実施形態では一の透明弾性体１に対し一台の撮影装置４つまり一台のカメラ本体４０からフレーム７を取得し、接触面１２の変形を平面的に捉えた態様を開示したが、図に示す当該変形例のように、それぞれ異なる方向からランダムパターン２を撮影し得る複数の撮影装置４を具備する触感検知システムＡとしても良い。
【００４９】
このようなものであれば、ランダムパターン２の動作を三次元すなわち立体的に捉えることにより、透明弾性体１の変形を押込み等変形も反映させた三次元変位ベクトルとして検出することができる。
【００５０】
＜変形例３＞
【００５１】
また、上記実施形態では一の触感検知システムＡが一のデータ取得ユニットＵを有する態様を開示したが図７に示す本変形例のように、一の処理装置６に対し複数のデータ取得ユニットＵを配したものとしてもよい。同図ではその一例として、人体を模した人形における複数の位置にデータ取得ユニットＵを配したものとしている。
【００５２】
このようなものであれば、接触対象を衣服としたとき、衣服圧のみならず、着衣時や動作時のせん断変形などの抽出も可能となる。また当該変形例の場合、人形の部位によって異なる接触面１２の形状をなす触感検知体Ｓを装着しても良い。すなわち、人形における各部位に設ける透明弾性体１の強度や弾性並びに接触面１２の具体的な形状を人体に相当する部位を模して設定することにより、接触対象がデータ取得ユニットＵに接触するデータを、より人体の感覚に近いデータとして取得することが可能となる。
【００５３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００５４】
例えば上記実施形態ではランダムパターンとして無作為に染料により塗布された態様を開示したが勿論、接触面における各部分を個々の部分として別々に認識し得るようなパターンであればよく、意味の無い無作為な狭義の「ランダム」に施されたものに限定されることはない。具体的には接触面に対し、種々の文字や記号を配したものであっても、接触面における各部分を個々の部分として別々に認識しうるように配されていれば、本発明のランダムパターンに含まれる。
【００５５】
また、処理装置に組み込まれる具体的なプログラムや解析結果を出力するために用いる計算式といったその他の詳細な仕様も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【実施例】
【００５６】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は当該実施例に何ら限定されるものではない。
【００５７】
本実施例では、人間の皮膚を想定した透明弾性体と対象物が直接触れる上部表面に焦点を当ててその画像を裏側からカメラで連写し、その撮影画像の連続変化から、画像相関法（ピクセル精度でのブロックマッチング）によりその表面ひずみを数値化する触感センサーを考案し、そのシステムを試作した。そして本実施例により、独自のソフト開発も含めて、透明弾性体表面の任意の連続変形を画像として捉え、変位分布を取得し、表示することが可能になった。
【００５８】
すなわち、透明弾性体に触感評価を行いたい対象物を接触させ、変形する透明弾性体の表面の動きを画像解析により計測することで、その接触対象物がどのような表面特性を持っているかを評価することができる仕組みである。
【００５９】
透明弾性体の表面変化を画像により記録し、その記録から定量的に弾性体が変形した履歴を解析するには、弾性体表面の任意の点における時々刻々変化する変位を計測する必要がある。そこで、任意の点における変位算出に、画像相関法を利用した。Ｐｅｔｅｒｓらが考案したこの方法は、測定対象表面の変形前後の画像を比較し、変形前の物体表面の点が変形後に移動した場所を特定することで物体表面の移動量（変位）を調べる手法である。この手法は非接触でひずみや変位を計測できることから、構造物の評価を目的に研究がなされ、さまざまな分野に応用されている。
【００６０】
その方法は、撮影画像をサブセットと呼ばれる複数の画素からなる計算領域（例えば２０×２０画素の領域）に分け、図２及び図４に模式的に示したように各領域の変形後の位置を輝度値分布の相関などを用いて求める。本実施例では１台のカメラを用いた計測であるため、平面物体の面内変位を測定することになる。
【００６１】
画像相関法において、サブセットは変形前と変形後の位置が特定可能である必要がある。すなわち、一様な変化のない画像であると、変形前の点が、変形後にどの位置になったかを判定することは困難である。そこで本実施例では、弾性体の表層に染料を用いてランダムパターンを配し、特徴点を作り出すこととした。そのランダムパターンを持つサブセットが変形後にどの位置にあるかを特定することで変位を計算する。これにより、埋め込まれた検出器やマーカーの影響で、指先の弾性特性と異なってしまう問題を回避することが可能となり、人間の触動作により近い接触子すなわち触感検知体の作製が可能となると考えられる。
【００６２】
そこで、本研究では人間の触動作により近い接触子と対象物の相互変形挙動を光学的な画像変化として捉え、さらに画像相関法によりその変化を数値化する高度化センシング技術の確立を目的に画像相関法を用いた触感センサーすなわち本発明に係る触感検知システムの開発における基礎技術の構築を行った。
【００６３】
現状の繊維製品の表面特性の測定機器では、ワイヤー端子による表面粗さおよび摩擦抵抗の測定が主であった。しかしながら、対象が繊維製品である場合、人の指先と製品が互いに変形することから、複雑な接触状態にある。そのため、人間の触覚を模擬した触感センサーでは、双方の関係によって積極的に対象物と触感センサーにおける接触端子が変形する必要がある。また、表面の変形や振動が各受容器に伝わり触感を知覚していることを考慮すると、内部の変形ではなく、表面の変形や振動（変形の繰り返し）を高密度でとらえる必要がある。そこで本実施例では、新規触感センサーとして、上記実施形態において図１に図示したようなカメラでデバイス下部から撮影し、人間の皮膚や指先を想定した透明弾性体の上部表面画像を裏側から撮影し、その撮影画像の変化から表面の変位を計測する触感検知システムを考案した。
【００６４】
＜センサー機構の概要＞
【００６５】
構築したセンサー機構すなわち触感検知システムは、上記実施形態において図１を参照して示したような、人間の皮膚を想定した透明弾性体を裏側からカメラ（日昇テクノロジー製ＯＶ５６４７カメラモジュール）で撮影する機構となっている。透明弾性体は透明なガラス板に配し、ガラス板はマイクロメータ式ＸＹステージ（中央精機株式会社製）でカメラとの距離調整およびカメラと平行に移動させることができる機構とした。また、透明弾性体の裏側を撮影するための光源としてＬＥＤ照明ユニットを配している。このカメラおよびＬＥＤ照明ユニットは上記実施形態では一例としてノートタイプのパーソナルコンピュータを図示したが、本実施例においてはシングルボードコンピュータのＲａｓｐｂｅｒｒｙ  Ｐｉに接続して制御することとした。
【００６６】
透明弾性体については、上記実施形態において図１及び図２に模式的に示したが具体的には、皮膚を想定し厚さ約３ｍｍ大きさ縦横約２０ｍｍという板状の形状で信越化学工業株式会社製のＲＴＶシリコーンゴムを用いて作製し、表面は酸性染料を用いてランダムパターンを配した白色層を表面に作製している。
【００６７】
また、カメラによる撮影は、解像度１９２０×１０８０ピクセル、フレームレートは３０ｆｐｓにて動画を撮影し、各フレーム画像を取り出して、連続撮影画像とした。図６は取り出したフレーム画像の一例であり、１ピクセルは約５．６μｍである。
【００６８】
＜変位計測プログラム＞
【００６９】
撮影した画像より変位を求めるため、本実施例においてはその一例として、画像相関法による変位計測プログラムを作成した。プログラムはＭｉｃｒｏｓｏｆｔ  ｖｉｓｕａｌ  ｓｔｕｄｉｏ  ２０１０を用いて開発し、開発言語はＣ♯とした。
【００７０】
このような変位計測プログラムの実行により上記実施形態のような処理が可能となった。具体的には、初期状態の画像を読み込みサブセットの大きさを指定することで自動的に要素分割し、有限要素モデルの作成が可能となった。さらに、動画撮影を行った後に取り出した各フレーム画像群を読み込むことで、各フレームにおける各サブセットの変位をテンプレートマッチングにより算出し、変位を計算できなかった点の変位を補完するために有限要素方程式を解き、各サブセットの変位から全体の変位分布が算出できるようになった。
【００７１】
＜変形後の位置特定＞
【００７２】
サブセットの変形後の位置特定にはテンプレートマッチングを用いた。テンプレートマッチングはテンプレート画像と呼ばれる画像を対象となる画像上で走査させ、対象画像上の各位置における類似度を算出することで、最も類似している位置を検出する手法である。すなわち、このテンプレート画像をサブセットとし、変形後の画像における最も類似している位置を検出することで、サブセットの変形後の位置が特定する。ここで、テンプレートマッチングにおける類似度の算出には、テンプレートや画像の明るさの変動があっても安定的に類似度を計算することが可能な正規化相互相関係数（ＺＮＣＣ:Ｚｅｒｏ−ｍｅａｎ  Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）を用いることとした。
【００７３】
＜変位の補間＞
【００７４】
撮影領域全体の変位分布を得るためには撮影領域を格子状等に分割してサブセットを作成し、その各サブセットの変位をテンプレートマッチングで求めていく。しかしながら、一様にランダムパターンを透明弾性体に付与しているものの、より詳細な変位を得たい場合など拡大すると、特徴点が存在しないサブセットができてしまう。このような場合、変形後の変位をテンプレートマッチングで取得することができない。さらに、画像の端部周辺のサブセットは変形後の位置が撮影領域外に出てしまい、変形後の位置特定が不可能となるケースがある。そこで、サブセットの中心を節点とみなして有限要素モデルを構築し、変位が算出できた点を境界条件として有限要素方程式を解くことで、変位を算出できなかった点での変位を求めるハイブリット解析を行うこととした。
【００７５】
＜動作検証１：平行移動による動作検証＞
【００７６】
動作検証のため、マイクロメータ式ＸＹステージを使い、透明弾性体を平行移動させて、プログラムにおいて変位分布を求めた。平行移動はマイクロメータ式ＸＹステージを用いて、５０μｍの移動とした。また、変位計測プログラムおいて、撮影画像を縦横１５分割することで、解像度１４２×６７ピクセルのサブセットを２２５個作成し、各変位を求めた。図８はプログラムにより得られた変位分布であり、変位量の最大値および最小値を同図に併せて示す。
【００７７】
この結果から、一様な変位を得られたものの、その値にはばらつきがあった。撮影画像は、輝度値がピクセル単位で表現されており、その位置情報の最小単位は１ピクセルである。すなわち、変位は１ピクセルである約５．８μｍ単位の移動でしか表現できない。そのため、５０μｍの移動は９ピクセルである約５２．２μｍと８ピクセルである約４６．４μｍのどちらかとなってしまう。また、Ｘ方向の変位が発生しているのは、ステージのＹ軸とカメラのＹ軸のわずかなずれが影響していると考えられる。
【００７８】
＜動作検証２：局所的変形による動作検証＞
【００７９】
次に、透明弾性体に対して、表面に直径０．５ｍｍのペン先を接触させて一方向に変形させ、表面に発生する局所的な変形について、その変形履歴を取得し動作検証を行った。平行移動の場合と同様に、変位計測プログラムおいて、撮影画像を縦横１５分割することで、解像度１４２×６７ピクセルのサブセットを２２５個作成し、各変位を求めた。図９はプログラムにより得られた変位分布であり各サブセットの変位を白い直線として示している。同図に示すように、ペン先が接触したのちに、徐々に局所的な変形が発生している様子が確認できる。具体的には、図示左上部分は０．０６７秒後の変位分布を示している。当該部分において最大１２ピクセルすなわち実寸法にて６７．４μｍの変位が検出されている。図示右上部分は０．１３３秒後の変位分布を示している。当該部分において最大２６．９ピクセルすなわち実寸法にて１５０．８μｍの変位が検出されている。図示左下部分は０．２００秒後の変位分布を示している。当該部分において最大５４．２ピクセルすなわち実寸法にて３０３．７μｍの変位が検出されている。図示右下部分は０．２６６秒後の変位分布を示している。当該部分において最大６４．６ピクセルすなわち実寸法にて３６１．９μｍの変位が検出されている。
以上のことから、透明弾性体表面の任意の連続変形を画像として捉え、変位分布を取得し、表示することが可能になっていることがわかる。
【００８０】
＜まとめ＞
【００８１】
本実施例の通り、人間の皮膚を想定した透明弾性体と対象物が直接触れる上部表面に焦点を当ててその画像を裏側からカメラで連写し、その撮影画像の連続変化から、画像相関法（ピクセル精度でのブロックマッチング）によりその表面ひずみを数値化する触感センサーを考案し、そのシステムを試作した。独自のソフト開発も含めて、透明弾性体表面の任意の連続変形を画像として捉え、変位分布を取得し、表示することが可能になった。
【００８２】
しかしながら、本実施例で示した触感センサーにおける透明弾性体は平面である。また、布地等の繊維製品に対する触動作を考えると、人間の指先を模擬する必要がある。さらに、人間の指紋は、指先で物をつかむ際に摩擦力を増やす機能を有しており、表面をなぞる際に発生する振動（変形の繰返し）を増幅することで、指先の神経が物体の表面の状態を認知すると言われている。このことから上述した変形例１の通り、本研究のさらなる発展には、透明弾性体の開発において人間の指先を模した曲面形状を持ち、かつ触感において重要な役割を果たしている指紋という凹凸を考慮することにより、さらに信頼性の高いデータの取得に資すると考えられる。
【００８３】
また、より繊細なセンシングに繋がる画像及び計測の精度の点では、ピクセル精度での変位計測では不十分であり、より高精細な変位計測法を開発する必要がある。さらに上記
変形例２に記載した通り、その先として現在の試作触感センサーにおける１台のカメラで捉える二次元変位ベクトルよりも、実際の触感センシングにより近づけるためには、２台のカメラを装備した押込み等の三次元変位ベクトルを扱うシステムを構築することが望ましい。
【００８４】
更には変形例３の如く、これまでに記載したシステムを、人体を模した人形等に組み込むことにより、衣服圧だけでなく着衣時のせん断変形などの抽出が可能となる。この場合、当該システムに用いられる透明弾性体の形状や材質を人形への組み込み箇所によって適宜異ならせることにより、より信頼性の高いデータの取得が可能となる。
【符号の説明】
【００８５】
Ａ・・・触感検知システム。
Ｓ・・・触感検知体
１・・・接触部材（透明弾性体）
１１・・・本体（弾性体本体）
１２・・・接触面
２・・・ランダムパターン
２０・・・塗布物
４・・・撮影装置
６・・・処理装置
７・・・フレーム
７０・・・フレーム（前フレーム）
７５・・・フレーム（後フレーム）
７１・・・サブセット
７８・・・節点
７９・・・要素
【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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