触覚・近接覚センサ解説 V4

2023.04.03 触覚センサ・近接覚センサ解説V4 “これからの触覚技術”補足説明資料” 以前のVer.にからの変更 ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ 構成を再整理しました 生理心理の内容を追加 触覚の修正と新たな追加 すべり覚の修正と新たな追加 近接覚の修正と新たな追加 下 条 誠 電気通信大学名誉教授 https://www.docswell.com/user/m_shimojo https://researchmap.jp/read0072509/ The University of Electro-Communications Department of Mechanical Engineering and Intelligent System

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コメント ⚫ 例示センサの出典論文は各スライドに示しました ⚫ 動画（youtube）がある場合はURLを示しました 触覚センサの例では，実際にロボットに実装や実験されているものを取 り上げています。しかし，E-Skinなど新しい分野の触覚センサではこの 原則を外しました。 補足説明の場合，このアイコンを表示してます。 下条研究室で開発したセンサ例の場合このアイコンを表示してます。 そして各々センサの簡単な解説動画を新たに作成して、youtubeに 掲載しました。 ここに示す例は，これまで開発された多数の触覚センサのごく一部です。重要な開発例および利 用例が抜け落ちています。また退職に伴い、2020年以降のIEEEなどの有料サイトでの論文閲覧 は行っておりません。ただし、arXivや著者掲載などはチェックしています。 著者の知識不足、サーベーイ不足が多々あるかと思います。ご容赦頂ければ幸いです。 2

内 1. 人間の触覚について 1.1 人間の触覚の生理学 1.2 触覚の特徴 2. 触覚センサの概要 容 6.5 接線力の変化検出 6.6 接触パターン変化検出方式（法線/接線力，温度） 7．すべり覚センサの開発例 7.1 すべり覚（変位検出型） 2.1 概要（分類、機能、特性など） 7.2 すべり覚（振動検出型） 2.2 新たな技術・開発分野 7.3 すべり覚（接触画像検出型） 7.4 すべり覚（周波数成分検出型） 7.5 すべり覚（接線/法線力検出型） 7.6 すべり覚（その他） 3．触覚センサの構成 3.1 触覚センサ基本構成 3.2 変換方式（接触物理量→電気量）の種類 3.3 配線方式と伝送方式の種類 4．触覚センサの原理 4.1 電気抵抗方式 4.2 静電容量方式 4.3 光方式 4.4 電荷方式 4.5 磁気方式 4.6 超音波方式 5. 触覚センサの開発例 5.1 触覚センサ（電気抵抗変化型） 5.2 触覚センサ（静電容量型） 5.3 触覚センサ（光応用型） 5.4 触覚センサ（磁気応用型） 5.5 触覚センサ（半導体センサアレイ型） 5.6 その他 6．すべり覚センサの原理 6.1 変位検出方式 6.2 振動検出方式 6.3 接触画像検出方式（接触領域の剥がれ検出） 6.4 周波数成分検出方式（高周波など） 8. 近接覚センサの原理 8.1 光反射光量方式 8.2 静電容量（電界）方式 ①自己容量方式(self capacitance) ②相互容量方式(mutual capacitance) 8.3 光/超音波の往復時間（TOF）方式 8.4 三角測量方式 8.5 渦電流方式 9. 近接覚センサの開発例 9.1 近接覚センサ（光反射光量型） 9.2 近接覚センサ（静電容量（電界）型） 9.3 近接覚センサ（光TOFなど） 9.4 近接覚センサ（複合型） 9.5 触・近接覚センサ 10.新製法&新材料の利用 10.1 最近開発が進んでいる新たな研究分野 ①E-skin (Printed Electronics) ②Soft robotics (3D Printing) 11.機械学習での利用 まとめ 3

第１部 触覚センサの基礎 1. 人間の触覚について 1.1 人間の触覚の生理学 ①受容器の種類/特性など ②体表部での空間/強度分解能など 3.1 触覚センサ基本構成 ①変換器，検出器，信号処理伝送 3.2 変換方式（接触物理量→電気量）の種類 ③温冷感覚、神経経路など ①電気抵抗方式 ④皮膚機械受容器表 ②静電容量方式 1.2 特徴 2. 3．触覚センサの構成 ③光方式 ①確定感覚 接触による確認 ④電荷方式 ②接触感覚 見えないものを知覚する ⑤磁気方式 ③原始感覚 心への伝達 ⑥超音波方式 触覚センサの概要 2.1 概要 3.3 配線方式と伝送方式の種類 ①一対一接続方式 ①触覚センサの分類 ②マトリクス方式 ②触覚センサの検出機能 ③階層的シリアルバス方式 ③求められる特性 ④ワイアレス方式 ④開発が困難な点 ⑤境界接続方式 2.2 新たな技術・開発分野 ①E-skin, Wearable sensor ②Soft robotics 4

1. 人間の触覚について 1.1 人間の触覚の生理学 ① 受容器の種類/特性など ② 体表部での空間/強度分解能など ③ 温冷感覚 1.2 特徴 ① 確定感覚 接触による確認 ② 接触感覚 見えないものを知覚する ③ 情動感覚 心への伝達 5

1.1 触覚の生理学（五感の中の触覚） 注 器官 集 中 型 分 散 型 6 通信量 視覚：眼 107 bit/s 聴覚：耳 105 bit/s 嗅覚：鼻 103 bit/s 味覚：舌 103 bit/s 触覚：皮膚 106 bit/s 大脳での触感覚領域の広さ ［Penfield et al., 1950］ 成人では1.6〜1.8㎡の面積と，３〜５Kgの重量を有する 最大の器官である 注：山田雅弘，"各感覚における神経情報処理の共通点・相違点"．電総研調査報告，No.215, 18,1986

7 ①皮膚構造と機械受容器 順応時間 深さ ：浅い→I SA: slow adaptation unit ：深い→II FA: fast adaptation unit （RAとも表記） 皮膚受容器は，配置の“深さ” と，“順応” 時間のタイプから， 4種類に分けられる。 RA: Rapidly Adapting メルケル細胞 (SAI) 皮丘 皮溝 汗腺 表皮 表皮 隆起 Mr Mk 真皮 乳頭 真皮 皮下 組織 マイスナー小体(FAI) R ルフィニ終末 Pc パチニ小体 (FAII) (SAII)

8 ①順応性と受容野 FA-I SA-I FA-II 刺 激 順 応 性 感 度 （ し き い 値 ） SA-II 神経パルス応答 (μm) 75 600 50 400 25 200 0 0 2 4 0 6 (mm) 0 50 1000 0 0 2 4 6 0 2 4 6 8 0 2 受 容 野 1mm 領域明確 1mm 領域不明確 4 6 8

9 ①機械受容器の周波数特性 メルケル細胞 振動刺激振幅（dB ：1.0μm基準） マイスナー小体(FAI) NP-III ( FA-I ) 45 ルフィニ終末 (SAII) パチニ小体 (FAII) NP-II ( SA-II ) NP-I ( SA-I ) 30 (SAI) 強度検出 15 注釈 速度検出 ：浅い→I 0 P ( FA-II ) ：深い→II -15 加速度検出 30 0 1 10 100 振動刺激周波数（ Hz ：対数軸） SA: slow adaptation unit 遅い順応 1000 FA: fast adaptation unit 早い順応 S. J. Bolanowski, Jr. , G. A. Gescheider , R. T. Verrillo , C. M. Checkosky, Four channels mediate the mechanical aspects of touch,J. of the Acoustical Society of America 84,5, November 1988

10 ①各感覚器と受容野 SAI FAI 注釈 ：浅い→I SAII FAII ：深い→II SA: slow adaptation unit 遅い順応 FA: fast adaptation unit 早い順応 R.F. schmit, (岩村吉晃訳): 感覚生理学第２版, 金芳堂, 1991.

11 機械受容単位投射密度(本／cm2） ①機械受容器と配置密度 人の手には約 17000本の機械 受容器神経線維 120 FA-I 80 FA-II SA-I 40 SA-II ⚫FAI :43% ⚫FAII:13% ⚫SAI :25% ⚫SAII:19% 0 投射部位と機械受容単位 R.F. schmit, (岩村吉晃訳): 感覚生理学第２版, 金芳堂, 1991.

12 ②体表部における圧覚の閾値 3.6 右側 3.2 左側 2.8 2.4 2.0 縦軸がログです。0.1mが 基準（値：ゼロ）となる。 1.6 縦軸： １で10倍（1ｍｇ）、 ２で100倍(10mg) ３で1000倍(100mg) と読みます。 1.2 0.8 0.4 0 足母指 大腿 足底 腹 胸 肩 脹脛 背中 鼻 上唇 頬 母指 1234 指 前額 上腕 前腕 手掌 Weinstein (1968)より】

13 ②体表部における触２点弁別閾 50 45 右側 40 左側 平均弁別閾 (mm） 35 30 25 20 15 2点で触れたとき、2点と 判別できる間隔 10 5 0 足母指 大腿 腹 胸 鼻 上唇 頬 母指 1234 指 前額 肩 上腕 足底 脹脛 背中 前腕 手掌 Weinstein (1968)より】

14 ③体表部における温・冷覚の弁別閾値 基準：体表温度33度 3 3 温覚 冷覚 温 2 覚 閾 値 ℃ 2 冷 覚 閾 値 18～28歳 1 0 つま先 1 足裏 脹脛 大腿 腹 唇 頬 上腕 前腕 母指 指 0 ℃ 基準温度からど の程度変化すれ ば、温かい、冷た いかを感じる値 前額 背中下部 Stevens, et al.(1998 )

③人間の触覚：受容器と神経経路 15 ビデオ ビデオ https://www.youtube.com/watch?v=udzhuFz3HKw Physiology of Touch: Receptors and Pathways, Animation

• https://www.youtube.com/watch?v=udzhuFz3HKw

④ヒトの無毛部皮膚機械受容器の分類1/2 SAI SAII FAI FAII 受容器 Merkel Ruffini Meissner Pacinian 順応性 遅い 遅い 速い 速い 受容野の境界 明瞭 不明瞭 明瞭 不明瞭 平均的受容野面積4) 11.0 mm2 59.0 mm2 12.6 mm2 101.0 mm2 受容器当たりの 抹消感覚機構4) 4-7 1 12-17 1 皮膚表面からの 相対的深さ 浅い 深い 浅い 深い 形状・寸法2) 卵円形（6-l2μm）、触覚 円板(直径7μm、厚さ1μm) 手掌面における 神経支配密度3) 25% (4250本) 19% (3230本) 43% (7310本) 13% (2210本) 空間加算特性12) なし -- なし あり 時間加算特性12) -- あり なし あり 皮膚表面温度影響12) あり あり (100Hz以上) なし あり 紡錘形(長さ0.5-2mm) 楕円体(長軸40-100μm. 短軸30-60μm) 楕円体(長軸2.0~45ｍｍ、 短軸10~20ｍｍ) 16

④ヒトの無毛部皮膚機械受容器の分類2/2 SAI SAII FAI FAII 感覚発生に必要な パルス数6,19) 連続パルス(20程度) 少しでは関与なし 単一パルス 連続パルス 触神経電気刺激 による発生感覚18) Pressure -- Tapping(1Hz) Flutter(10Hz) Vibration(50Hz) Tickling/Vibration 周波数レンジ 0.4-100Hz 0.4-100Hz 10-200Hz 70-1000Hz 最小閾値(周波数) 10μm(50Hz) 3μm(50Hz) 6μm(40Hz) 0.1μm(250Hz) 機能的特徴 強度検出 空間パターン検出 皮膚曲率検出 速度検出 空間パターン検出 皮膚曲率変化検出 加速度検出 振動検出 皮膚の引っ張り検出 刺激(皮膚変形） と 応答(発火頻度）6) 刺 激 神経発火頻度 神経線維 伝導速度が速い(40-70m/s)、太い直径(8-13μm以上)の有髄神経線維。 体性感覚野まで2つ程度の中継で伝達。 下条誠，皮膚感覚の情報処理, 計測自動制御学会, Vol.41, No.10, pp.723-727, 2002 （表中の文献番号はここを参照してください） 17

1.2 触覚の特徴 （なぜ触覚か？） 18 １．商品の差別化・高級化を図る 視覚，聴覚 と比較して 利用がまだ 未開拓 ２．より自然なインターフェース ➢ 視覚･聴覚･触覚の融合(multimodal) ・見て，聞いて，触れる ３．皮膚機能の実現 ➢ 人工の手の実現 • 巧みな動作（機能を向上させる触覚） ➢ 生体センシング • バイオメディカル，ウェアラブルデバイス

触覚の特徴 19

20 ①触覚の特徴は何か １．確定感覚：接触による確認 ➢ 視覚で推定 ➢ 触覚で確認 視覚は撮像系により非接触で対象の存在を推定する感覚なのに対して， 触覚は接触により対象を確認する感覚である。 ⚫ 大局情報 ⚫ 局所情報 ⚫ 推定 (Expect) ⚫ 確定 (Confirm) ⚫ 隠蔽・死角 ⚫ 接触まで未検出

21 ②触覚の特徴は何か ２．接触感覚：力・硬さ・熱，接続関係などの検出 ➢ 見えないものを知覚する ⚫ 押す（力） ✓ 柔らかさ ✓ 表面あらさ ⚫ 触る，なでる ✓ 熱伝達率 S.J. Lederman, R.L. Klatzky: Haptic perception: A tutorial,Attention, Perception, & Psychophysics, 71(7), pp.1439-1459,2009. ✓ 固定されている or 分離可能？ ✓ 可動範囲・方向 ✓ ガタつきの有無 ⚫ 能動的動作 意図的動作 分離可能？ 動作方向は？ 触ることで 判別可能

22 ③触覚の特徴は何か ３．情動的感覚：心への伝達 ➢ 情動への関与 コミュニケーション手段として重要な役割を担っている。 触覚の特性 識別感覚 制御 原始感覚 心 ロボティクス ヒューマンインタフェース

23 器用な作業のための触覚 器用な動作，様々な作業を行うための触覚 人間の優れた点 ”脳”と”手” ⚫ 認識・創造する脳 →人工知能 ⚫ 実体化する手 →人工の手 機能を向上させる触覚

2. 触覚センサの概要 2.1 概要 皮膚 ① 触覚センサの分類 ② 触覚センサの検出機能 ③ 求められる特性 ④ 開発が困難な点 2.2 新たな技術・開発分野 ① E-skin, Wearable sensor ② Soft robotics 24

25 2.1 概要（触覚センサの標準デバイスは？） 触覚は，視覚，聴覚に対して開発が遅れている 標準デバイス 視覚：入力：ビデオカメラ 出力：モニター 聴覚：入力：マイクロホン 出力：スピーカ 触覚：入力：？？？ 出力：？？？ ？

2.1 概要（触覚は，視覚，聴覚と比較して開発が遅れている） 26 触覚センサの研究は、視覚、 聴覚と比べて遅れている。これは視覚、 聴覚センサが検出器 レベルを過ぎ，情報処理／応用レベルが主なのに比べ、まだ触覚センサは検出方式レベルの 研究が多く、応用への取り組みが発展途上の感覚である。 視覚を基準とした場合の各感覚の進展度合いイメージ 生理学的知見 センシング （入力） 五感情報通信技術に関する調査研究会報告書, http://www.soumu.go.jp/main_sosiki/joho_tsusin/policyreports/chousa/gokan_index.html 1) 再生・表現 （出力）

• http://www.soumu.go.jp/main_sosiki/joho_tsusin/policyreports/chousa/gokan_index.html

① 触覚センサの分類 ① 触圧覚センサ： a. 接触センサ：物体との接触をON/OFF情報として検出する b. 圧覚センサ：接触力を連続量として検出する ② すべり覚センサ： ⚫ センサと物体との相対的なすべり変位，速度を検出する ③ 近接覚センサ： ⚫ センサの近傍にある物体の有無，もしくは位置，距離などを 検出する ④ 温熱覚センサ，硬さ覚センサなど： ⚫ 触覚は視覚と補完的な役割があり，視覚では見えない力のほ か，温熱覚，硬さなどを計測する 27

28 ② 触覚に求められる検出機能 近接覚センサ 距離/方向 Distance/Posture Fingertip 物体面までの ⚫ 距離/方向 ⚫ 衝突回避 ⚫ 柔らかな接触 ⚫ 倣い，追尾 ⚫ 接触位置 ⚫ 力/トルク ⚫ 安全性の向上 Force/Torque 触覚センサ 力/トルク Vibrations 振 動 ⚫ すべり ✓ 方向/速度 ⚫ 初期すべり ⚫ 安定な物体把持 ⚫ 巧みな物体操作 ⚫ 把持力制御 ⚫ すべり制御 ⚫ Reactive制御 Contact patterns 接触パターン ⚫ 力/トルク分布 ⚫ 接触面３D変形 ⚫ 接触状態 ⚫ テクスチャー識別 ⚫ 材質識別 情報処理

触・近接覚からの検出情報と操作への利用 触・近接覚センサからの検出情報の種類および操作への応用，並びに新技術・新材料 などの最近のトピクッスを表す。センサ情報とセンサを実装したロボットの運動情報とを 統合処理することで，各種情報の検出と操作を行えることを示している。 29

② 触覚センサに求められる検出機能 さまざまな接触に関係する物理量の計測 機能（タスク） 検 出 量 接触位置 点接触位置、圧力分布中心位置 接触強度 法線力、圧力分布の総和 力強度／方向 力ベクトル(Fx,Fy,Fz)およびモーメント（Mx,My,Mz） 力の分布 法線力分布，または力ベクトル・モーメント分布 摩擦係数 静摩擦／動摩擦係数の推定 すべり 初期すべり，すべり，すべり方向、すべり速度 変形・変位 変形量、柔らかさ，硬さ計測 温度 温度，温度分布，熱伝達率 表面粗さ 表面の凹凸、テクスチャー, 触覚イメージ 接触画像，接触面変形3D画像 30

触覚と力覚センサの用語の違い ✓ 一般に触覚センサとは，物体とセンサ間の力学的関係を 検出するセンサで，分布圧，力とモーメント，すべり等 を検出する。 ✓ その中の，“力とモーメント”の大きさと方向を計測す るセンサを力覚センサと呼ぶ。力覚センサは指の関節や 手首に取付けられることが多い。 31

③ 触覚センサに求められる特性 ◆ 薄く柔らかい ✓ 物理・化学的耐久性 ◆ 伸縮性 ✓ 関節部覆える ◆ 広い曲面を覆える ◆ 多種類のセンサ(multimodality) ✓ 触圧，振動，伸展，温冷， 痛覚 ◆ そのほか ✓ 情報処理（局所的） ✓ データ転送（高速通信） ✓ 省配線（←重要） ロボットが組立作業などで用いる触覚機能は， ここに記した機能すべては必要なく，目的に 応じて機能設計を行うべきと考える。 32

33 ③ 触覚センサに求められる特性 人間の皮膚のように薄く柔らかく多種類のセンサを実現 項 目 機 能 要 求 事 項 ・柔軟／薄型の確保，広い面積／曲面への配置 多数の検出素子 分布量検出 多種類の検出素子 柔らかい ・高密度への対応，高速応答、配線処理の問題 ・接触，振動，すべり，温度などの検出 ・力ベクトル，モーメントベクトルの検出 ・皮膚のように薄く柔軟で伸び縮み可能 薄い ・伸び，縮み，擦り，打撃などに対する物理的耐久性 伸縮性 ・水，油，薬品などに対する化学的耐久性 素材特性 広い曲面を覆える 局所情報処理 情報処理 ・関節部など伸び縮みする曲面の被覆 ・高速サンプリング動作 ・触覚の局所的情報は局所的に処理 データ伝送 ・高速通信，省配線/無線，耐ノイズ，耐久性

34 ③ 触覚が必要な状況例 ⚫ 制御された環境（工場など）→実際の環境 ✓ 乱雑さ、オクルージョン、 ✓ 変化する照明条件、 ✓ 見たことのない物体などが含まれる ✓ あるいは十分に顕著な視覚的特徴がないために感知できない ⚫ 視覚や他の外界受容モダリティが遮断された場合 隠れた木のブロック 散らかったキャビネットや 冷蔵庫の中の物を取る 卵などを探す 密生した葉の中にある 果実をつかむ Jain et al_2013_Reaching in clutter with whole-arm tactile sensing, International Journal of Robotics Research,DOI: 10.1177/0278364912471865

④ 触覚センサは，何が難しいのか 1. 接触型である ⚫ 伸び，縮み，擦り，打撃などに対する物理的耐久性 ⚫ 水，油などの化学的汚染に対する化学的耐久性 ⚫ キチンと接触させるのが難しい（片当たりなどによって変わる検出量） 2. 分布型である ⚫ 柔軟性があり，薄く，広い自由曲面を覆えることが必要 ⚫ 多数分布する検出素子への配線が必要 3. マルチモダリティである ⚫ 力／トルク，滑り，振動，熱効果，接触面積，伸縮など多感覚の検出が必要 4. 能動型である ⚫ 触覚は手・指でなぞる等の何らかの意図に基づいた探索的動作が必要な 感覚である． ⚫ アクティブタッチに関わる機構＆検出アルゴリズムが必要 35

36 2.2 新たな技術・開発分野 最近開発が進んでいる新たな研究分野 分野 Wearable sensor, e-skin Soft robotics 技術 Printed Electronics 3D Printing

37 新たな研究開発分野 Wearable sensor, e-skin 柔軟で伸縮自在な素材で構成する E-skin Hua, Q.,et.al. ,Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks for multifunctional sensing. Nat. Commun. 2018, 9, 244 Soft robotics 軟質素材で構成するソフトロボットに 対応したセンサーが必要となっている Jin, T.; et al. Triboelectric nanogenerator sensors for soft robotics aiming at digital twin applications. Nat. Commun. 2020, 11, 5381.

① E-skin (Printed Electronics) 柔軟で伸縮自在な素材で構成するE-skin は、人間の体性感覚システムを模倣する ために開発されており、ロボット工学、 義肢装具、ヘルスモニタリングや， ヒューマン・インターフェースなどへの 応用が注目されている。柔らかく伸縮自 在にすることで、より快適な装着感が得 られるとともに、接触面積が増えること で検出信号の忠実度が大幅に向上する。 https://www.youtube.com/watch?v=XDyZTbjkjNE https://www.youtube.com/watch?v=cc4IWtaOx_s 38

• https://www.youtube.com/watch?v=cc4IWtaOx_s
• https://www.youtube.com/watch?v=XDyZTbjkjNE

② Soft robotics (3D Printing) 39 No-Audio ソフトロボティクスでは，シリコーンゴム などの柔軟な素材を用いて，生物と似たよ うな器用な動作を実現するロボットを目標 としている。しかし、非線形変形が大きく、 関節のない構造のため、従来のポテンショ メータやエンコーダなどのセンサーでは対 応できず、ソフトロボットに対応したセン サーが必要となっている。 https://www.youtube.com/watch?v=RUfuhW0cnRU https://www.youtube.com/watch?v=p1qyg4TbDgQ&t=22s

• https://www.youtube.com/watch?v=p1qyg4TbDgQ&t=22s
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3．触覚センサの構成 3.1 触覚センサ基本構成 ① 変換器，検出器，信号処理伝送 3.2 変換方式（接触物理量→電気量）の種類 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 電気抵抗方式 静電容量方式 光方式 電荷方式 磁気方式 超音波方式 3.3 配線方式と伝送方式の種類 ① ② ③ ④ ⑤ 一対一接続方式 マトリクス方式 階層的シリアルバス方式 ワイアレス方式 境界接続方式 40

3.1 触覚センサの構成（変換器，検出器，信号処理伝送） 力 電気量 物 理 量 - 41 電気量 + 変換器 物理 量 電気 量 検出回路 狭義の センサ 信号処理・伝送 広義の センサ

3.2 変換方式（力を電気量に変える変換器） 変換器 力 例） 変位 電気量 Δｄ ΔＣ 42 Δｄ 電極 弾性体 弾性体 𝐴 𝐶=𝜖 𝑑 𝐴：電極面積 𝜖 ：誘電率(弾性体) 電極 ΔＣ： 静電容量変化

43 3.2 変換方式（力を電気量に変える変換器） 次の2つの過程 1. 力により変形する機械的構造体 力→変形量ε →電気量 ε f 弾性体 弾性体 2. 変形量εを計測する方式 ① 電気抵抗方式 ② 静電容量方式 ③ 光方式 ④ 電荷方式 ⑤ 磁気方式 ⑥ 超音波方式

3.2 変換方式（力を電気量に変える変換器） 力を電気量に変える変換器は多くの種類がある ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 電気抵抗 ✓ 抵抗体の伸縮などによる抵抗値変化 静電容量 ✓ 誘電体の圧縮による静電容量変化 光利用 ✓ 光路長変化による光量変化 ✓ 柔軟体変形の３Ｄ計測 詳細は， 電荷 触覚センサの動作原理 ✓ 圧電効果（ピエゾ効果） 磁気 と開発例で説明 ✓ 柔軟体変形による磁場変化 超音波 ✓ 経路長変化による強度位相変化 ✓ 音響共鳴 44

3.2 変換方式（力を電気量に変える変換器） 方 式 原 理 ひずみ抵抗変化 電気抵抗 パーコレション原理 接触抵抗変化 静電容量 光 触覚センサ/材料 備 考 ひずみゲージ，ピエゾ抵抗効果型 材料の伸縮による断面積や長さ変化などによる抵 半導体など 抗値変化 導電体（粒体，フィーラ）の体積比率の増減に伴 感圧導電ゴム，感圧エラストマ う抵抗値変化 感圧インク，感圧繊維 電極間容量(電界)変化 弾性体，誘電体 光量変化 45 接触面積の増減に伴う抵抗値変化 電極間の距離変化に伴う静電容量（電界）変化 フォトリフレクタ、光路変化によ 発光/受光素子間の距離・姿勢などの相対変化 る光量変化，光拡散，光ファイバ （経路長，相対位置/姿勢）散乱光変化 屈折率変化（全反射） 光導波型，ガラス，ポリマー 光導波路からの光漏れ（全反射条件の破れ） 変形/変位の画像計測 ゲルフォース，ゲルサイト，光透 柔軟ゲルの内部マーカの３D変位や、ゲルの表面 過性弾性体 変形などの撮像系による変位計測 光経路遮断 フォトインタラプタ 発光/受光素子間の光路を塞ぐ 電荷 圧電効果(ピエゾ電気) 圧電ポリマー，PVDF，PZT，水晶 磁気 磁気変化 ホール素子，磁気抵抗素子，磁性 微小磁石／磁性粒子+ホール素子/磁気抵抗素子な 体 どによる変位計測 強度/位相変化 弾性体，圧電体(送受信) 発振/受信素子間の距離・姿勢などの相対変化 共鳴（共振） 音響共鳴型，弾性体 空洞形状変化による共鳴周波数変化 超音波 圧力による分極に伴う表面電荷変化 E-skin 有機トランジスタ/OFETを用いたアクティブマトリックス方式を用いた触覚センサ．印刷技術による作成．伸 縮可能で薄型な触覚を実現．力を電気量に変換する原理は同じ． E-textile 導電性高分子繊維，炭素，金属等で表面修飾した繊維を用いて，編み込み，織り上げ技術を用いた布状の触覚 センサ．力を電気量変換は，繊維間の接触抵抗，静電容量などを用いる． その他 機械的方式：バネなどの機械的構造の変位，変形から接触力を検出する 触角（whisker），微小クラック（光漏れ，抵抗値）

3.3 配線方式と伝送方式（配線処理問題） 46 触覚センサでは 1. 広い面積に多数の検出素子が分布することがある 2. このとき，配線が測定の妨げにならぬよう，多数の検出素子を繋げ る配線方式が必要となる 3. そして，測定された多数のデータをセンサから情報処理部にどのよ うに伝送するか，その方式も重要である 4. これらは，配線処理（コード）問題と言われる課題である

3.3 配線方式と伝送方式（一対一、マトリクス方式） 47 介護ロボット RI-MAN (a) 一対一配線方式 8ｘ８に半導体圧力センサを配置 http://rtc.nagoya.riken.jp/RI-MAN/index_jp.html (b) マトリクス状 64ｘ64マトリクス電極 http://www.rm.mce.uec.ac.jp/sjE/index.php?Tactile%20sensor

• http://rtc.nagoya.riken.jp/RI-MAN/index_jp.html
• http://www.rm.mce.uec.ac.jp/sjE/index.php?Tactile sensor

3.3 配線方式と伝送方式（階層的シリアルバス方式） 48 (c)階層的シリアルバス方式 12 tactile sensor ATtiny40(8-bit ) A highly sensitive 3D-shaped tactile sensor ,Ritter, 2013 IEEE/ASME Int. Conf. Advanced Intelligent Mechatronics (AIM ) Event-based signaling for large-scale artificial robotic skin - Realization and performance evaluation,cheng,IROS2016 A real-time data acquisition and processing framework for large-scale robot skin, S. Youssefi et al. / Robotics and Autonomous Systems 68 (2015)

3.3 配線方式と伝送方式（ワイアレス方式） 49 Tactile chip Antenna/ coil Wireless Tactile Sensing Element Using Stress-Sensitive Resonator, Shinoda, IEEE/ASME TRANS. ON MECHATRONICS, 5, 3, 2000 A Sensitive Skin Using Wireless Tactile Sensing Elements,shinoda, TECHNICAL DIGEST OF THE 18TH SENSOR SYMPOSIUM, 2001 A Capacitive Touch Interface for Passive RFID Tags,J.R. Smith,2009 IEEE International Conference on RFI

3.3 配線方式と伝送方式（境界接続方式） 50 (e)境界接続方式 石川正俊, 下条誠: 感圧導電性 ゴムを用いた2次元分布荷重の中 心位置の測定方法,SICE, 18, 7, 1982 https://www.youtube.com/watch?v=MFAem79rF1E A Tactile Distribution Sensor Which Enables Stable Measurement Under High and Dynamic Stretch, Nagakubo, IEEE Symp. on 3D User Interfaces 2009

• https://www.youtube.com/watch?v=MFAem79rF1E

第２部 4．触圧覚センサの原理 4.1 電気抵抗方式 ① ひずみゲージ ② 感圧導電ゴム ③ 接触抵抗値変化 ④ 圧抵抗効果 4.2 静電容量方式 ① 静電容量（電界）変化 4.3 光方式 ① 光量変化（フォトリフレクタ） ② 光遮断（フォトリフレクタ） ③ 光導波板 ④ 弾性体変形画像計測 4.4 電荷方式 ① 圧電効果（ピエゾ効果）、PVDF 4.5 磁気方式 ① 磁石、磁気センサ、磁性エラストマ 4.6 超音波方式 ① 強度/位相変化 ② 音響共鳴 触覚センサ ⑤ アレイ状配置型（感圧導電素材） ⑥ 触覚スーツ（接触抵抗値変化型） ⑦ 強靭な触覚センサ（導電布、導圧ゴムシート） 5.2 触覚センサ（静電容量型） ① 静電容量型の例（iCub skin） ② 静電容量型の例(Univ. stanford) ③ 静電容量型の例(Univ. ETS,Canada) 5.3 触覚センサ（光応用型） ① 触覚センサの切り貼り実装型（光量変化型） ② 光導波板方式（突起付きピンでの3軸力計測） ③ 光導波板方式（Fingertip Sensor） ④ GelSight（ゲル変形計測方式） ⑤ Finger Vision（透過型） ⑥ OmniTact(Mlti-Directional) ⑦ DIGIT（Low-Cost Compact) ⑧ TacTip(ピン変位型) ⑨ Soft-bubble（弾性膜変位計測） 5.4 触覚センサ（磁気応用型） ① 磁気変化方式(Uskin) 5.5 触覚センサ（半導体センサアレイ型） ① 半導体圧力センサアレイ(RI-MAN) ② 複合型センサ(HEX-O-SKIN) 5. 触覚センサの開発例 5.1 触覚センサ（電気抵抗変化型） ① ビデオ出力型触覚センサ（感圧導電ゴム） ② 縫込み電極型触覚センサ（感圧導電ゴム） ③ 3層シート型触覚センサ（感圧導電ゴム、COP) ④ 3D-shaped tactile sensor(Conductive elastomer) 5.6 その他 ① 導電性流体のインピーダンス計測(BioTac) ② EIT(Electrical Impedance Tomography)方式 ③ Tomography（接触抵抗から力分布を計算）方式 ④ 空気圧による接触検知方式(AIRSKIN) 51

4．触圧覚センサの原理 4.1 電気抵抗方式 ① ひずみゲージ ② 感圧導電ゴム ③ 接触抵抗値変化 ④ 圧抵抗効果 4.2 静電容量方式 ① 静電容量（電界）変化 4.3 光方式 ① 光量変化（フォトリフレクタ） ② 光遮断（フォトリフレクタ） ③ 光導波板 ④ 弾性体変形画像計測 4.4 電荷方式 ① 圧電効果（ピエゾ効果）、PVDF 4.5 磁気方式 ① 磁石、磁気センサ、磁性エラストマ 4.6 超音波方式 ① 強度/位相変化 ② 音響共鳴 52