情報処理学会 インタラクション 2015
IPSJ Interaction 2015

A67
2015/3/5

パーソナルロボットをシームレスにモード切替するための電磁場変動センサ
小玉 亮1,2,a)

梶本 裕之1,3

概要：屋外で使用するパーソナルロボットにはユーザに対する自動追従と，ユーザが自らハンドリングする二つのモード間をシームレスに切り替えるシステムが必要である．現在このようなシステムを簡単に実現できるユーザの接近やタッチをロバストに識別できるセンサは存在しない．この研究ではユーザを電磁場で包み込み，その電磁場の変動からユーザの行動を選択的に検知するセンシング技術を提案する．セン
サを取り付けたロボット模型に対するユーザの接近，タッチ，立っている方位の情報が検出できることを明らかにした．

An Electromagnetic Field Fluctuation Sensor
for Seamless Mode Switching of a Personal Robot
Ryo Kodama1,2,a)Hiroyuki Kajimoto1,3

Abstract: While seamless switching between accompanying and handling mode for an outdoor personal
robot is required, the lack of sensor that can robustly detect proximity and touch of the user hindered its
practical development. In this study, a novel sensing technique using electromagnetic field fluctuation ispresented. The experiment using a suitcase type robot with the sensor showed that direction of surroundinguser, as well as direct touch of the user can be separately detected.

1. 背景

ユーザに対する自動追従と，ユーザが自らハンドリングする二つのモード間をシームレスに切り替えるシステムが必

近年の技術発展によりパーソナルロボットの価格は消費要である．屋外ではロボットは自身のユーザではない人々

者の価値観と釣り合うようにようになっており，今後ロと出会う機会が多くなり，屋内に比べてユーザをロストすボット製品への需要が増加することが期待される．パーソる確率が高くなることが懸念される．また悪路などで自動ナルロボットは技術や制度の制約から，屋内利用に留まっ追従が困難になることも予想される．このような時ユーザている．屋外でも安全に，簡単に運用できるシステムを開がロボットに触れるだけでシームレスに動作モードが切り発していくことで活躍の場が広がり，私たちの生活を豊か替わり，電動アシストでロボットをハンドリングできるよにしてくれる多彩なロボットが登場していくと考えられる．

うなデザインにしておけば，良いユーザ体験が維持できる

屋外での利用を想定すると，パーソナルロボットにはと考えられる．
この研究では電磁場変動を利用した，ユーザとロボット

123a)

電気通信大学
The Univercity of Electro-communications,
Chofugaoka, Chofu, Tokyo 182–8585, Japan株式会社 豊田中央研究所
TOYOTA CENTRAL R&D LABS., INC,
Yokomichi, Nagakute, Aichi 480-1192, Japan
科学技術振興機構さきがけ
Japan Science and Technology Agency
kodama-r@mosk.tytlabs.co.jp© 2015 Information Processing Society of Japanの距離測定からタッチ検出までをケアできる新しい近接センシング技術を提案する．このセンシング技術ではユーザを電磁場で包み込み，ロボットに電磁場の変化を捉えるセンサを搭載する．ユーザに伴って変動する電磁場を追いかけるようにロボットを制御することで，ユーザの認識と自動追従システムが容易に実現できると考えられる（図１）．

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またタッチ検出をトリガとすることで，シームレスに動作をタグに使い，パーソナルロボットの動作モード切替をモードを切り替えるシステムが実現できると期待できる．

シームレスに行うシステムに関する先行研究はまだない．
以降に示す実験を通して，本方式のセンシング技術を搭載したロボットから，ユーザの行動がどのような電磁場変動として捉えられるかを明らかとする．

3. 電磁場変動検出
3.1 検出原理
人を包み込む電磁場の変化を検出する原理を以下に示す．図２に人を電磁場で包み込む送信機と，その変化を捉えるための受信機の回路構成を示す．送信機はユーザが持ち，受信機はロボットに設置する．送信機の電極にユーザが触れるとユーザは電磁場に包まれた状態となる．この状態のユーザがロボットに近づくと，ユーザと受信機の電極
図 1

電磁場を利用した自動追従ロボットの間には容量性の結合が生じ，この結合を介してユーザをつつむ電磁場が受信機に入力される．結合の強さはユーザ

2. 関連研究と受信電極の距離が近いほど大きくなり，入力される電磁場の強さも大きくなる．入力された電磁場は受信機の回路

ユーザを自動追従するロボットの研究として，南雲らのによって増幅と変換を行い電圧として出力される．出力電発光タグとカメラを組み合わせた追従システムがある [1]．

圧をマイコンで AD 変換し，信号処理することでユーザと発光タグは LED アレイの形状や発光パターンを工夫する

ロボットの距離や，ユーザのロボットに対する接触などがことで特徴量を増加させ，ロバストなユーザ認識を実現で検知できるようになる．

きる．一方で屋外の光に負けない光量をタグから出力しなければならないため長時間の運用に課題がある．
大矢らは超音波トランスポンダを用いることで，トランスポンダを持っているユーザを選択的にとらえる手法を提案している [2]．発光タグに比べて在来ノイズ成分が少ないため扱いやすいが，超音波センサはレスポンスが遅いた
め十分な制御ループ周期を達成できない恐れがある．また指向性の問題から実用レベルのアルゴリズムを実現するには多くのセンサ設置が必要であると予想される．
小山らは，ロボットの走破性を向上させることで人のハンドリングを必要としない自動追従ロボットを提案してい図 2

電磁場センサの回路図

る [3]．センサシステムとしては赤外線の発光タグと全方位カメラの組み合わせを用いている．ロボットの足周りの高コスト化と，発光タグの消費電力が課題である．

3.2 送信機の特性電波を用いた自動追従ロボットの提案として，Rodrigo

1-100MHz の電気信号は皮膚表面を低減衰で伝搬するこらの hop!という電動スーツケースのコンセプトがある [4]．とが知られており，本研究の送信機はこの現象を利用して携帯電話に搭載されている Bluetooth の電波のタグとしてユーザを電磁場で包み込んでいる．この現象を利用した通使い，スーツケースで受信した電波強度からユーザの距離や信技術として人体通信がある [5] 送信機には 10.7MHz の発方位を検出して自動追従を行う．携帯電話やスマートフォ振器が搭載されており，この 10.7MHz の電気信号がユーンはすでに多くの消費者が所有しているため最も容易に導ザを電磁場に包まれた状態に励振する．10.7MHz の発振器入できる優れた提案である．しかしながら，Bluetooth のを採用した理由は，10.7MHz が FM 放送の中間周波数であ

電波は周波数が高くマルチパスの影響が大きいため，スーり，高性能な部品が流通しているためプロトタイプに向いツケース側で得られる受信電力は安定しない．そのため強ていると考えたためである．

力なフィルタリングが必要となり，これがロボットの制御ループ周期を低下させてしまうという課題がある．
我々の知る限り，本研究で提案する人を包み込む電磁場© 2015 Information Processing Society of Japan

この研究のために用意した送信機は総務省から告示されている微弱無線局の規定を守るため，出力が 0dBm に調整されている [6]．規定より 10.7MHz の無線局において，無409

線局から 3m の距離での電界強度が 500µV/m 以下であれば免許不要で使用することができることになっている．一般ユーザが利用することを考えると必ず守っておくべき点である．この送信機が発生させる電界強度を測定したところ，身長 170cm の標準的な肉付きの男性を無線局のアンテナとしたとき，およそ 1.5m 地点で 500µV/m まで減衰していた．この結果より，出力 0dBm の送信機は十分な余裕をもって微弱無線局の条件を満たしていることがわかった．

3.3 受信機の特性
図３に受信機の入出力特性を示す．横軸は電極から受信機に入力された電力であり，縦軸は受信機から出力される
図 3電圧である．縦軸の電圧はマイコンで AD 変換された値となっている．受信電力が増加するにしたがい出力電圧は単調増加していき，-20dB で飽和するという特性となっている．受信電力が増加するということは，3.1 項で説明した容量結合の考え方から，センサの運用時におけるユーザとロボットの距離が近くなることに相当する．すなわちこの特性は人とロボットの距離が近くなるとセンサの出力電圧が増加することを示しており，出力電圧からユーザとロボットの距離が推定できる可能性を示唆している．
測定の上限値となる-20dBm 以降の飽和は受信機の可変ゲインアンプ (VGA) で生じていることがわかっている．

受信機の入出力特性(a) に実験に用いたスーツケースの具体的な寸法と，スーツケースへの電極の取り付け位置を示す．スーツケースの寸法は 250mm × 350mm × 500mm であり，電極は前後左右の４面の真ん中，高さ 350mm の位置に取り付けた．図４(b) に電極の構造を示す．電極のサイズは 4cm × 4cm．平行平板の電極を用いており，片側の電極は信号電極，片側の電極は GND 電極である．誘電体はプリント基板でよく用いられるガラスエポキシ基板を利用した．厚みは 2mmとした．

しかしながらセンサの運用時において，入力電力は人と電極が直接接している状態でも-30dBm を超えることはない
ため本研究においてこの特性は問題とならない．測定の下限値は-110dBm 程度である．受信機に電磁場が入力されていない状態でも約 800 のオフセット電圧が出力されているので，-110dBm〜-120dBm の間にノイズフロアがあると考えられる．受信回路のバンドパスフィルタの帯域から，常温における熱雑音電力は概ね-120dBm であるとわかっており，ノイズフロアは熱雑音由来のものであると推測される．つまり，受信機の増幅ステージには余分な雑音成分

図 4 受信機の電極の設置位置が混入しておらず，受信した電力と熱雑音だけで出力電圧が決まっていると考えられる．
この回路のフロントエンドには電極の切り替えスイッチ

4.2 ユーザの接近〜タッチの測定があり，最大４個までの電極を取り付けることができる．

この実験環境で 2 つのシーンについて電磁場の変動を測電極毎に 125Hz のサンプリングレートで受信電力を計測す定した．実験方法を図５に示す．図５ (a) は電磁場の変動ることができる．これらの受信機の特性は，この受信機がを検出できるようになったスーツケースが，ユーザとの接4 項で報告するユーザ歩行時の電磁場変動の測定に十分な近とタッチを検出できるか調査するための実験である．実性能を有していることを示すものである．

験は以下の手順で行った．電磁場をまとったユーザが静止

4. 電磁場変動の計測
4.1 実験の条件
この研究ではパーソナルロボットとして，スーツケース状態のスーツケースの正面 1.5m からスーツケースに歩いて近づき，その後，電極から手を放して元の位置に戻った．
図６に測定で得られた電磁場の変動を示す．横軸は測定時間で縦軸は受信機の出力電圧である．

サイズのロボットを想定して実験を行った．スーツケース

まずユーザがスーツケースに接近するにつれて出力電圧に受信機と４つの電極を取り付け，ユーザがロボットに近が単調増加している．そしてタッチの瞬間に出力電圧が大づいたり周囲を歩いたりしたときの電圧を測定した．図４

きく増加し，手を放すと同時に減少する．最後にユーザが© 2015 Information Processing Society of Japan410

スーツケースから離れるのに伴って電圧は減少していく．

注目すべき箇所は，ユーザがスーツケースの正面から右側

この結果から，出力電圧の大きさから人とロボットの距離面に移動している時の電圧変化で，正面の電圧下降と右側が推定できることが明らかとなった．例えば出力電圧を一面の電圧上昇が交差している．この波形から隣り合った電定値に保つようにロボットの位置を制御することで，ユー極の検出エリアが重複しており，それぞれの電極から得らザへの自動追従のような機能が実現できると考えられる．

れた出力電圧の割合から，ユーザがどの方位にいるのかを

またタッチ時の電圧変化から，簡単なしきい値の判定で推定できることがわかった．

タッチの認識ができることがわかった．正面以外の電極にも近接の影響が表れており，受信機の指向性が広いことがわかる．タッチしている間は正面の電極に受信電力が集中するため，周囲への電磁場の放出が弱まり，他の電極への受信電力が弱まっている様子が見られる．複数の電極の情報を統合することで，より頑強なタッチ検出のアルゴリズムを構築できる．

図 7周回歩行の測定データ

5. 結論
図 5

電磁場変動を計測したシーン

この研究では屋外で使用するパーソナルロボットのシームレスなハンドリングを実現するセンシング技術として，電磁場変動センサを用いることを提案した．スーツケースを用いた電磁場変動の測定結果から，屋外でのロボット利用に不可欠と考えられるロボットに対するユーザの接近〜
タッチやユーザが存在する方位といった情報が得られる可能性を示した．
参考文献
[1]

[2]

[3]
図 6

接近〜タッチの電磁場変動

4.3 ユーザの方向検知能の測定[4]

次に電磁場の変動からスーツケースの周りを歩くユーザの方向検知が可能であるか調査した．受信機は指向性が低く，電極に対向した方向以外の電磁場変動を検出できるため，各電極から得られる電磁場変動を統合することで，ユーザが存在する方向を推定できるのではないかと考えた．図5(b) に示すように静止状態のスーツケースの周囲をユーザ

[5]
[6]

南雲，大矢：発光器をガイドとした自立移動ロボットの人間追従，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス
講演会’01 講演論文集 2P1-H6 (2001)．
大矢，高畑：人間と共に移動するロボット―超音波トランスポンダによるターゲットイメージング―，日本音響学会 2001 年秋季研究発表会，pp.1259-1260 (2001)．
小山，但馬，田中，廣瀬，鋤柄：人を活動的にする移動支援ロボット―全方位カメラと赤外 LED の発光パターンを用いた利用者の追跡―，第 14 回計測自動制御学会シ
ステムインテグレーション部門講演会講演論文集 2J3-2(2013)．
Rodrigo G., Pierre Y., Gullaume C. and Sures K.:
Hop! The following suitcase,
http://www.cargocollective.com/ideactionary/hop(2012).
根日屋英之：人体通信の最新動向と応用展開，シーエム
シー出版 (2011)．
総務省：電波利用ホームページ―微弱無線局の規定―，
http://www.tele.soumu.go.jp/j/ref/material/rule/index.html(2014 年 12 月時点)．

が一定速度で歩行した時の電磁場変動を測定した（図 7）．

© 2015 Information Processing Society of Japan411