JP7061784B2 - 触覚センサ、触覚測定装置、学習済みモデル、および識別装置 - Google Patents
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Description
また、本発明は、測定対象物の種類を識別できる学習済みモデルおよび識別装置を提供することを目的とする。
第2発明の触覚センサは、第1発明において、前記大接触子は、本体部と、前記接触面の一部または全部を含む横行部と、前記横行部を前記本体部に対して、前記接触面と平行な方向に変位可能に支持する横行部支持体と、前記横行部の前記本体部に対する変位を検出する横行部変位検出器と、を備えることを特徴とする。
第3発明の触覚センサは、第1発明において、前記大接触子は、本体部と、前記接触面の一部を含む複数の横行部と、前記複数の横行部を前記本体部に対して、前記接触面と平行な方向に変位可能に支持する複数の横行部支持体と、前記複数の横行部の前記本体部に対する変位を検出する複数の横行部変位検出器と、を備え、前記複数の横行部は前記接触面の面積が互いに異なることを特徴とする。
第4発明の触覚センサは、第1発明において、前記大接触子支持体は、前記大接触子を前記基部に対して、前記接触面と平行な方向にも変位可能に支持することを特徴とする。
第5発明の触覚センサは、第1、第2、第3または第4発明において、前記大接触子は、側面の一部が前記接触面をなす平板状であり、前記接触面を2つに分割する開口を有する内部空間を有しており、前記小接触子は前記内部空間に配置されており、前記大接触子の表裏面の一方または両方に保護板が設けられており、前記保護板は、前記内部空間の開口を覆い、側面または側縁の一部が前記接触面の延長面上に配置されていることを特徴とする。
第6発明の触覚測定装置は、第1、第2、第3、第4または第5発明の触覚センサが設けられる触覚測定装置であって、前記触覚センサおよび/または前記測定対象物を動作させ、前記触覚センサを前記測定対象物に押し当てる押当器と、前記触覚センサおよび/または前記測定対象物を動作させ、前記触覚センサを前記測定対象物の表面に沿って摺動させる走査器と、を備えることを特徴とする。
第7発明の触覚測定装置は、第6発明において、前記触覚センサの前記大接触子変位検出器で検出された押し当て力が入力され、該押し当て力が所定値となるように前記押当器の動作を制御する制御装置を備えることを特徴とする。
第8発明の学習済みモデルは、測定対象物の表面位置に対する、凹凸量、微小領域摩擦力、平均摩擦力、および押し当て力のうちの一または複数の波形を構成する測定データ、または該測定データに所定の処理を施して得られた処理後データである触覚データに基づいて、前記測定対象物の種類を特定するようコンピュータを機能させるための学習済みモデルであって、前記測定対象物を測定して得られた前記触覚データを含む学習データを用いて、予め機械学習が行われた学習器を構成し、前記学習器に前記測定対象物を測定して得られた前記触覚データが入力されると、該測定対象物の種類情報を出力するよう、コンピュータを機能させることを特徴とする。
第9発明の学習済みモデルは、第8発明において、前記処理後データは、前記測定データをグラフ化したグラフ画像であることを特徴とする。
第10発明の学習済みモデルは、第8発明において、前記処理後データは、前記測定データが構成する波形の変位を画素の色として表した変位画像であることを特徴とする。
第11発明の学習済みモデルは、第8発明において、前記処理後データは、前記測定データに信号処理を施して得られた信号処理データであることを特徴とする。
第12発明の学習済みモデルは、第8発明において、前記処理後データは、前記測定データに信号処理を施して得られた信号処理データをグラフ化したグラフ画像であることを特徴とする。
第13発明の学習済みモデルは、第8発明において、前記処理後データは、前記測定データに信号処理を施して得られた信号処理データが構成する波形の変位を画素の色として表した変位画像であることを特徴とする。
第14発明の識別装置は、第8、第9、第10、第11、第12または第13発明の学習済みモデルがインストールされたコンピュータからなることを特徴とする。
第2発明によれば、横行部の横ずれ方向の変位を検出することで、測定対象物の平均摩擦力を検知できる。
第3発明によれば、接触面積が異なる複数の横行部を備えるので、種々の測定レンジにおける平均摩擦力を検知できる。
第4発明によれば、大接触子の横ずれ方向の変位を検出することで、測定対象物の平均摩擦力を検知できる。
第5発明によれば、繊維で構成された測定対象物を測定する場合でも、保護板により大接触子の開口の内部に繊維が進入することを抑制でき、繊維が小接触子に引っ掛かることを防止できる。その結果、繊維で構成された測定対象物の微細な特性を検知できる。
第6発明によれば、触覚センサを測定対象物に押し当てながら摺動させることで、測定対象物の手触り感を測定できる。
第7発明によれば、測定対象物への触覚センサの押し当て力を一定にできるので、測定対象物の手触り感を精度良く測定できる。
第8~第14発明によれば、測定対象物の種類を識別できる。
〔第1実施形態〕
(構造)
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係る触覚センサ1はSOI基板などの半導体基板を半導体マイクロマシニング技術により加工して形成したものである。触覚センサ1の全体的な寸法は特に限定されないが、数mm四方から数十mm四方である。
つぎに、SOI基板を用いた触覚センサ1の製造方法を説明する。
ここで、SOI基板は、支持基板(シリコン)、酸化膜層(二酸化ケイ素)、活性層(シリコン)の3層構造を有しており、その厚みは例えば300μmである。
つぎに、触覚センサ1による検出方法を説明する。
図4に示すように、触覚センサ1のセンシング面を測定対象物Oの表面に押し当てて、接触面21を測定対象物Oに接触させる。そうすると、接触面21は測定対象物Oの表面の凹凸のピークを結んだ平面に配置される。そして、大接触子20は触覚センサ1の押し当て力の反力により押し込まれ、押し込み方向xに変位する。
(1)のグラフは横軸が時間、縦軸が大接触子変位検出器60により検出された大接触子20の押し込み方向xの変位である。大接触子20の押し込み方向xの変位は測定対象物Oへの触覚センサ1の押し当て力を意味する。なお、触覚センサ1を測定対象物Oの表面に沿って一定の速度で褶動させた場合には、横軸は測定対象物Oの表面の位置座標と同義である。
μ = fx/fy ・・・(1)
<μ> = Fx/Fy ・・・(2)
つぎに、本発明の第2実施形態に係る触覚センサ2を説明する。
図6に示すように、本実施形態の触覚センサ2は第1実施形態の触覚センサ1において、大接触子20に複数の横行部23、26を設けた構成である。具体的には、大接触子20は本体部22と、第1横行部23と、第2横行部26とを有する。第1、第2横行部23、26はそれぞれ接触面21の一部を含む。2つに分割された接触面21の一方に第1横行部23が形成され、他方に第2横行部26が形成されている。また、第1横行部23と第2横行部26とは接触面21の面積が互いに異なっている。具体的には、第2横行部26の接触面21の面積は第1横行部23の接触面21の面積より大きく設定されている。
つぎに、本発明の第3実施形態に係る触覚センサ3を説明する。
図7に示すように、本実施形態の触覚センサ3は第1実施形態の触覚センサ1において、大接触子20を横ずれ方向yにも変位可能とした構成である。
つぎに、本発明の第4実施形態に係る触覚センサ4を説明する。
図8に示すように、本実施形態の触覚センサ4は第1実施形態の触覚センサ1に保護板32を設けた構成である。
つぎに、本発明の第5実施形態に係る触覚センサ5を説明する。
図9に示すように、本実施形態の触覚センサ5は第1実施形態の触覚センサ1において、基部10および大接触子支持体40が除去された構成である。すなわち、触覚センサ5は大接触子20と、小接触子30と、小接触子支持体50とを有している。大接触子20は横行部23および横行部支持体24を有さない。
つぎに、本発明の第6実施形態に係る触覚センサ6を説明する。
第1~第5実施形態の触覚センサ1~5は平面的な構造を有しているが、これに代えて立体的な構造としてもよい。図10および図11に示すように、本実施形態の触覚センサ6は立体的な構造を有する。
大接触子支持体40、小接触子支持体50、および横行部支持体24は、所望の弾性を得られれば、梁以外の部材で構成してもよい。
つぎに、上記の触覚センサ1が設けられる触覚測定装置7を説明する。
図12に示すように、触覚測定装置7は取付具91と、押当器92と、走査器93と、制御装置94とを備える。取付具91は触覚センサ1の基部10が取り付けられる部材である。
つぎに、測定対象物の種類を識別する識別装置8を説明する。
図13は識別装置8の構成を示したブロック図である。識別装置8はコンピュータによって実現される。コンピュータは専用機でもよいし、汎用機でもよい。コンピュータはCPU(Central Processing Unit:中央処理装置)、GPU(Graphics Processing Unit:画像処理装置)、主記憶装置、補助記憶装置などから構成されている。コンピュータが各種のプログラムを実行することで、識別装置8としての機能が実現される。
まず、機械学習に用いる学習データを用意する。学習データは訓練データと評価データとからなる。訓練データと評価データとは、それぞれ測定対象物の種類ごとに複数用意される。訓練データは測定対象物の触覚データと、その測定対象物の種類情報とからなる。評価データは触覚データからなり、種類情報が付されていない。触覚データは、例えば、触覚センサ1を用いて測定対象物を測定して得られた測定データである。種類情報は測定対象物の種類を示す情報である。種類情報は教師あり学習における教師信号である。
触覚センサ1を用いて測定対象物を測定すると測定データが得られる。その測定データがデータ取得部102に入力される。測定データはそのままの形式で、または処理後データに変換され学習器101に入力される。ここで、学習器101に入力されるデータの形式は、機械学習に用いたデータと同じ形式である。そうすると、学習器101は測定対象物に対応する種類情報を出力する。表示部104は学習器101から出力された種類情報を表示する。
図14に示す触覚センサを用いて布地の測定試験を行った。この触覚センサは第1実施形態に係る触覚センサ1と同様の構造であるが、各部の形状、寸法が異なる。なお、触覚センサの寸法は横が9,900μm、縦が6,000μm、厚さが50μmである。
触覚センサを用いて毛髪の測定試験を行った。測定対象物として人体の頭髪を用意した。毛髪の表面はキューティクルで覆われている。キューティクルは根本から毛先に向かうウロコ状となっている。そのため、指で毛髪を根本に向かってなぞると、毛先に向かってなぞる場合よりも強く引っ掛かる感じを受ける。
人工知能を利用した布地の識別試験を行った。
まず、コンピュータ上にニューラルネットワークを構成した。ニューラルネットワークは入力層と出力層との間に4つの畳み込み層と4つのプーリング層とを交互に配置した構造の畳み込みニューラルネットワークとした。
前記布地識別試験1で用いた測定データを、図19に示すような変位画像に変換した。変位画像には凹凸量および微小領域摩擦力の情報が含まれている。凹凸量および微小領域摩擦力の変位を256段階のグレースケールで表している。変位画像を用いたほかは布地識別試験1と同様の手順で機械学習を行なった。その結果、評価画像に対する識別率は83.3%(30枚中25枚が正しい)であった。
10 基部
20 大接触子
21 接触面
22 本体部
23 横行部
24 横行部支持体
30 小接触子
31 接触端
40 大接触子支持体
50 小接触子支持体
60 大接触子変位検出器
70 小接触子変位検出器
81 横行部変位検出器
7 触覚測定装置
8 識別装置
Claims (7)
- 基部と、
測定対象物と接触する接触面を有する大接触子と、
前記測定対象物との接触面積が前記接触面よりも小さい接触端を有する小接触子と、
前記大接触子を前記基部に対して、少なくとも前記接触面に対して垂直な方向に変位可能に支持する大接触子支持体と、
前記大接触子の前記基部に対する変位を検出する大接触子変位検出器と、
前記小接触子を前記大接触子に対して変位可能に支持する小接触子支持体と、
前記小接触子の前記大接触子に対する変位を検出する小接触子変位検出器と、を備える
ことを特徴とする触覚センサ。 - 前記大接触子は、
本体部と、
前記接触面の一部または全部を含む横行部と、
前記横行部を前記本体部に対して、前記接触面と平行な方向に変位可能に支持する横行部支持体と、
前記横行部の前記本体部に対する変位を検出する横行部変位検出器と、を備える
ことを特徴とする請求項1記載の触覚センサ。 - 前記大接触子は、
本体部と、
前記接触面の一部を含む複数の横行部と、
前記複数の横行部を前記本体部に対して、前記接触面と平行な方向に変位可能に支持する複数の横行部支持体と、
前記複数の横行部の前記本体部に対する変位を検出する複数の横行部変位検出器と、を備え、
前記複数の横行部は前記接触面の面積が互いに異なる
ことを特徴とする請求項1記載の触覚センサ。 - 前記大接触子支持体は、前記大接触子を前記基部に対して、前記接触面と平行な方向にも変位可能に支持する
ことを特徴とする請求項1記載の触覚センサ。 - 前記大接触子は、側面の一部が前記接触面をなす平板状であり、前記接触面を2つに分割する開口を有する内部空間を有しており、
前記小接触子は前記内部空間に配置されており、
前記大接触子の表裏面の一方または両方に保護板が設けられており、
前記保護板は、前記内部空間の開口を覆い、側面または側縁の一部が前記接触面の延長面上に配置されている
ことを特徴とする請求項1、2、3または4記載の触覚センサ。 - 請求項1、2、3、4または5記載の触覚センサが設けられる触覚測定装置であって、
前記触覚センサおよび/または前記測定対象物を動作させ、前記触覚センサを前記測定対象物に押し当てる押当器と、
前記触覚センサおよび/または前記測定対象物を動作させ、前記触覚センサを前記測定対象物の表面に沿って摺動させる走査器と、を備える
ことを特徴とする触覚測定装置。 - 前記触覚センサの前記大接触子変位検出器で検出された押し当て力が入力され、該押し当て力が所定値となるように前記押当器の動作を制御する制御装置を備える
ことを特徴とする請求項6記載の触覚測定装置。
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