JP7461638B2 - Tactile evaluation device, tactile evaluation method, and program - Google Patents
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Description
本発明は、触覚評価装置、触覚評価方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a tactile evaluation device, a tactile evaluation method, and a program.
筆記用具、ボール、衣服等、人に触れる様々な商品では、ざらざら、さらさら等の触覚が商品価値に大きく影響するため、これらの商品の開発においては、触覚の評価が重要とされている。 For various products that come into contact with people, such as writing utensils, balls, and clothing, the tactile sensation (roughness, smoothness, etc.) greatly affects the commercial value, so evaluation of the tactile sensation is considered important in the development of these products.
触覚の評価装置として、例えば、特許文献1の装置が開発されている。特許文献1の評価装置は、3軸力センサを覆うように形成されたエラストマを、被検体に接触させた状態で移動させて、被検体の触覚特性を評価する。 For example, the device disclosed in Patent Document 1 has been developed as a tactile evaluation device. The evaluation device in Patent Document 1 moves an elastomer formed to cover a three-axis force sensor while in contact with a test object, and evaluates the tactile characteristics of the test object.
触覚評価を精度よく行うためには、指と被検体との間の初期すべりを考慮した微小変位での評価が求められる。また、触感は直線的なすべり動作のみでなく、曲線的な動作、回転動作等によっても影響を受ける。3軸力センサを用いた特許文献1の評価装置では、これら微小変位、回転動作等に基づく精度のよい触覚評価を行うことは難しい。 To perform accurate tactile evaluation, it is necessary to perform an evaluation using minute displacements that take into account the initial slippage between the finger and the subject. Furthermore, the tactile sensation is affected not only by linear sliding motions, but also by curved motions, rotational motions, etc. With the evaluation device of Patent Document 1, which uses a three-axis force sensor, it is difficult to perform accurate tactile evaluation based on these minute displacements, rotational motions, etc.
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、被検体と擬似指との間の微小な動作、回転動作に対応可能であり、高い精度で触覚を評価することができる触覚評価装置、触覚評価方法及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a tactile evaluation device, a tactile evaluation method, and a program that can respond to minute movements and rotational movements between a subject and a pseudo-finger and can evaluate tactile sensation with high accuracy.
上記目的を達成するために、この発明の第1の観点に係る触覚評価装置は、
被検体と、弾性体である擬似指とを接触させた状態で、前記被検体又は前記擬似指を動作させた際の、前記被検体にかかる力及びモーメントを計測する力センサと、
前記力センサで計測された力及びモーメントと前記被検体の厚みとを用いて算出された圧力中心の移動量に基づいて、前記被検体の触覚を評価する評価部と、を備える。
In order to achieve the above object, a tactile evaluation device according to a first aspect of the present invention comprises:
a force sensor that measures a force and a moment acting on a test object when the test object or the artificial finger is moved in a state where the test object is in contact with a artificial finger that is an elastic body;
and an evaluation unit that evaluates the subject's sense of touch based on a movement amount of a center of pressure calculated using the force and moment measured by the force sensor and the thickness of the subject.
また、前記力センサは、6軸力センサである、
こととしてもよい。
Moreover, the force sensor is a six-axis force sensor.
This may also be the case.
また、前記評価部は、
複数の評価結果を教師データとして、前記圧力中心の移動量から触覚を推定するように、機械学習により生成された推定モデルを用いて、前記被検体の触覚を推定する、
こととしてもよい。
Moreover, the evaluation unit
using a plurality of evaluation results as training data, and using an estimation model generated by machine learning to estimate the tactile sensation from the amount of movement of the center of pressure, the tactile sensation of the subject is estimated.
This may also be the case.
また、本発明の第2の観点に係る触覚評価方法は、
被検体と、弾性体である擬似指とを接触させた状態で、前記被検体又は前記擬似指を動作させた際の、前記被検体にかかる力及びモーメントを計測する計測ステップと、
前記計測ステップで計測された力及びモーメントと前記被検体の厚みとを用いて算出された圧力中心の移動量に基づいて、前記被検体の触覚特性を評価する、評価ステップと、を含む。
Further, a tactile evaluation method according to a second aspect of the present invention includes:
a measuring step of measuring a force and a moment acting on a test object when the test object or the artificial finger is moved in a state where the test object and the artificial finger are in contact with each other;
The method includes an evaluation step of evaluating tactile characteristics of the subject based on a movement amount of a center of pressure calculated using the force and moment measured in the measurement step and a thickness of the subject.
また、本発明の第3の観点に係るプログラムは、
コンピュータを、
被検体と、弾性体である擬似指とを接触させた状態で、前記被検体又は前記擬似指を動作させた際の、前記被検体にかかる力及びモーメントを取得する力センサ制御部、
前記力センサ制御部で取得された力及びモーメントと前記被検体の厚みとを用いて算出された圧力中心の移動量に基づいて、前記被検体の触覚特性を評価する評価部、
として機能させる。
Moreover, a program according to a third aspect of the present invention comprises:
Computer,
a force sensor control unit that acquires a force and a moment acting on a test object when the test object or the artificial finger, which is an elastic body, is moved in a state where the test object is in contact with the artificial finger;
an evaluation unit that evaluates a tactile characteristic of the subject based on a movement amount of a center of pressure calculated using the force and moment acquired by the force sensor control unit and a thickness of the subject;
Function as.
本発明の触覚評価装置、触覚評価方法及びプログラムによれば、力センサで計測された被検体にかかる力及びモーメントと、被検体の厚みとを用いて算出された圧力中心の移動量に基づいて、前記被検体の触覚特性を評価するので、精度の高い触覚評価を行うことが可能である。 The tactile evaluation device, tactile evaluation method, and program of the present invention evaluate the tactile characteristics of the subject based on the force and moment acting on the subject measured by a force sensor and the amount of movement of the center of pressure calculated using the thickness of the subject, making it possible to perform a highly accurate tactile evaluation.
(触覚評価装置の構成)
以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る触覚評価装置1について説明する。
(Configuration of tactile evaluation device)
Hereinafter, a tactile evaluation device 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1、図2(A)、(B)に示すように、本実施の形態に係る触覚評価装置1は、擬似指10、擬似指駆動部11、力センサ12、ステージ13、制御ユニット20を備える。 As shown in FIG. 1, FIG. 2(A), and FIG. 2(B), the tactile evaluation device 1 according to this embodiment includes an artificial finger 10, an artificial finger driving unit 11, a force sensor 12, a stage 13, and a control unit 20.
なお、触覚評価装置1の各部を説明する図では、図2(A)に示す触覚評価装置1の正面視における左右方向をx軸方向、触覚評価装置1の奥行き方向、すなわち図2(A)の紙面垂直方向をy軸方向、触覚評価装置1の上下方向をz軸方向とする直交座標系を設定し、適宜参照する。なお、図2(A)の右方向を+x方向、奥行方向を+y方向、上方向を+z方向とする。 In the diagrams explaining the various parts of the tactile evaluation device 1, an orthogonal coordinate system is set up in which the left-right direction in a front view of the tactile evaluation device 1 shown in FIG. 2(A) is the x-axis direction, the depth direction of the tactile evaluation device 1, i.e., the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2(A), is the y-axis direction, and the up-down direction of the tactile evaluation device 1 is the z-axis direction, and is referred to as appropriate. Note that the right direction in FIG. 2(A) is the +x direction, the depth direction is the +y direction, and the upward direction is the +z direction.
擬似指10は、人の指を模した半球形の弾性体部材である。擬似指10の素材は、特に限定されないが、人の肌の硬度に近いゲル、例えば軟質ウレタン樹脂を用いることができる。 The artificial finger 10 is a semi-spherical elastic member that imitates a human finger. The material of the artificial finger 10 is not particularly limited, but a gel with a hardness close to that of human skin, such as soft urethane resin, can be used.
擬似指駆動部11は、擬似指10を動作させるスライダ等である。本実施の形態に係る擬似指駆動部11は、擬似指10を被検体Sの表面に押圧するためにz軸方向に動作する直動アクチュエータを備える。これにより、擬似指駆動部11は、擬似指10を、x-y平面上に配置された被検体Sに対して垂直方向(以下、法線方向ともいう。)に押圧できる。 The pseudo finger driving unit 11 is a slider or the like that moves the pseudo finger 10. The pseudo finger driving unit 11 according to this embodiment includes a linear actuator that operates in the z-axis direction to press the pseudo finger 10 against the surface of the subject S. This allows the pseudo finger driving unit 11 to press the pseudo finger 10 in a direction perpendicular to the subject S that is placed on the x-y plane (hereinafter also referred to as the normal direction).
また、擬似指駆動部11は、擬似指10を被検体Sの表面に押圧し、接触させた状態で、被検体Sの表面に平行な方向に移動させるための直動アクチュエータを備える。具体的には、擬似指駆動部11は、x-y平面上に配置された被検体Sの表面に対して、平行な方向(以下、接線方向ともいう。)となるx軸方向及びy軸方向に動作するように配置されている。これにより、擬似指駆動部11は、擬似指10を、被検体Sに対して平行に動作できる。 The pseudo finger driving unit 11 also includes a linear actuator for pressing the pseudo finger 10 against and in contact with the surface of the subject S and moving it in a direction parallel to the surface of the subject S. Specifically, the pseudo finger driving unit 11 is arranged to operate in the x-axis direction and the y-axis direction, which are parallel directions (hereinafter also referred to as tangential directions) to the surface of the subject S arranged on the x-y plane. This allows the pseudo finger driving unit 11 to operate the pseudo finger 10 parallel to the subject S.
ステージ13は、被検体Sとなる測定素材を載置、固定する基台である。被検体Sは、触覚を評価される対象となるものであり、例えば、皮革、ゴム、紙等のシート状部材である。 The stage 13 is a base on which the measurement material to be the specimen S is placed and fixed. The specimen S is an object to be evaluated for tactile sensation, and is, for example, a sheet-like member such as leather, rubber, or paper.
力センサ12は、ステージ13を支持するように、ステージ13の下方(-z方向)に取り付けられており、被検体Sに係る力及びモーメントを計測する。本実施の形態に係る力センサ12はx、y、z軸方向の力及びx、y、z軸まわりのモーメントを計測する6軸力センサである。 The force sensor 12 is attached below the stage 13 (in the -z direction) so as to support the stage 13, and measures the forces and moments acting on the subject S. The force sensor 12 in this embodiment is a six-axis force sensor that measures forces in the x-, y-, and z-axis directions and moments about the x-, y-, and z-axes.
制御ユニット20は、例えばコンピュータ装置であり、図3のブロック図に示すように、制御部21、記憶部22、表示部23、入力部24を備える。 The control unit 20 is, for example, a computer device, and includes a control unit 21, a memory unit 22, a display unit 23, and an input unit 24, as shown in the block diagram of FIG. 3.
制御部21は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、水晶発振器等から構成されており、触覚評価装置1の動作を制御するとともに、力センサ12で計測された被検体Sにかかる力及びモーメント、被検体Sの厚さ等に基づいて擬似指10と被検体Sとの接触面の圧力中心(COP:Center Of Pressure)を算出する。また、制御部21は、算出された圧力中心の移動量に基づいて、被検体Sの触覚を推定する。 The control unit 21 is composed of a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a crystal oscillator, etc., and controls the operation of the tactile evaluation device 1, and calculates the center of pressure (COP) of the contact surface between the artificial finger 10 and the subject S based on the force and moment acting on the subject S measured by the force sensor 12, the thickness of the subject S, etc. The control unit 21 also estimates the tactile sensation of the subject S based on the amount of movement of the calculated center of pressure.
制御部21は、制御部21のROM、記憶部22等に記憶されている各種動作プログラム及びデータをRAMに読み込んでCPUを動作させることにより、図3に示される制御部21の各機能を実現させる。これにより、制御部21は、力センサ制御部211、評価部212として動作する。 The control unit 21 loads various operation programs and data stored in the ROM, memory unit 22, etc. of the control unit 21 into the RAM and operates the CPU, thereby realizing each function of the control unit 21 shown in FIG. 3. As a result, the control unit 21 operates as a force sensor control unit 211 and an evaluation unit 212.
力センサ制御部211は、力センサ12を制御して、力センサ12から、力、モーメントの計測データを取得する。また、力センサ制御部211は、取得した計測データを記憶部22へ送信し、記憶させる。 The force sensor control unit 211 controls the force sensor 12 to acquire force and moment measurement data from the force sensor 12. The force sensor control unit 211 also transmits the acquired measurement data to the memory unit 22 for storage.
評価部212は、力センサ12から取得された力、モーメントの計測データに基づいて、各計測時刻tにおける擬似指10と被検体Sとの接触面の圧力中心を算出する。図4は、力センサ12で計測される力及びモーメント、被検体Sにかかる合力等を示す図である。図4に示すように、擬似指10から加わる圧力合力をFとした場合、圧力合力の作用点である圧力中心の座標(XCOP,YCOP)は、以下の式(1)、(2)によって算出される。
ただし、FX,FY,FZは3軸方向の力、MX,MY,MZは3軸まわりのモーメント、hは被検体Sの厚みである。
The evaluation unit 212 calculates the center of pressure of the contact surface between the dummy finger 10 and the specimen S at each measurement time t based on the measurement data of the force and moment acquired from the force sensor 12. Fig. 4 is a diagram showing the force and moment measured by the force sensor 12, the resultant force acting on the specimen S, etc. As shown in Fig. 4, when the resultant pressure force applied from the dummy finger 10 is F, the coordinates (X COP , Y COP ) of the center of pressure, which is the point of action of the resultant pressure force, are calculated by the following formulas (1) and (2).
where Fx , Fy, and Fz are forces in the three axial directions, Mx , My , and Mz are moments about the three axes, and h is the thickness of the subject S.
また、評価部212は、算出された圧力中心の移動、すなわち圧力中心座標の時間変化を記憶部22へ記憶させる。また、評価部212は、記憶部22に記憶されている圧力中心座標の時間変化を読み出して、被検体Sの触覚を評価する。触覚の評価は、被検体Sの表面の凹凸、滑りやすさ等によって人が感じるざらざら感等の触感を、表すものである。 The evaluation unit 212 also stores the calculated movement of the center of pressure, i.e., the time change of the pressure center coordinate, in the storage unit 22. The evaluation unit 212 also reads out the time change of the pressure center coordinate stored in the storage unit 22 and evaluates the tactile sensation of the subject S. The evaluation of the tactile sensation represents the roughness and other tactile sensations felt by a person due to the unevenness, slipperiness, etc. of the surface of the subject S.
記憶部22は、ハードディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、力センサ12で計測された力及びモーメントから擬似指10と被検体Sとの接触面の圧力中心を算出する演算アルゴリズム、圧力中心の移動量に基づいて触覚を推定する学習済みモデル等を記憶する。 The storage unit 22 is a non-volatile memory such as a hard disk or a flash memory, and stores a calculation algorithm for calculating the center of pressure of the contact surface between the artificial finger 10 and the subject S from the force and moment measured by the force sensor 12, a learned model for estimating the tactile sensation based on the amount of movement of the center of pressure, etc.
表示部23は、コンピュータ装置である制御ユニット20に備えられた表示用デバイスであり、例えば液晶パネルである。表示部23は、力センサ12で計測された被検体Sにかかる力、モーメント、評価部212で推定された触覚の評価結果等を表示する。 The display unit 23 is a display device provided in the control unit 20, which is a computer device, and is, for example, a liquid crystal panel. The display unit 23 displays the force and moment acting on the subject S measured by the force sensor 12, the tactile evaluation results estimated by the evaluation unit 212, etc.
入力部24は、触覚評価装置1における評価の開始、終了指示、各種評価条件の変更等を入力するための入力デバイスである。入力部24は、制御ユニット20に備えられたキーボード、タッチパネル、マウス等である。 The input unit 24 is an input device for inputting instructions to start and end evaluation in the tactile evaluation device 1, changes to various evaluation conditions, etc. The input unit 24 is a keyboard, touch panel, mouse, etc. provided in the control unit 20.
(触覚評価方法)
続いて、触覚評価装置1を用いた触覚評価方法について、図5のフローチャートを参照しつつ、具体的に説明する。
(Tactile evaluation method)
Next, a tactile evaluation method using the tactile evaluation device 1 will be specifically described with reference to the flowchart of FIG.
まず、ステージ13に、触覚を評価する対象である被検体Sが載置される(ステップS11)。被検体Sが載置された後、計測ステップが開始され、制御部21は、擬似指駆動部11を制御して、擬似指10を-z方向に下降させ、予め設定されている所定の力で被検体Sを押圧する(ステップS12)。 First, the subject S, who is to be evaluated for tactile sensation, is placed on the stage 13 (step S11). After the subject S is placed, the measurement step is started, and the control unit 21 controls the artificial finger driving unit 11 to lower the artificial finger 10 in the -z direction and press the subject S with a predetermined force that has been set in advance (step S12).
擬似指10の下降が完了した後、制御部21は、6軸力センサである力センサ12を制御して、擬似指10と被検体Sとの接触によって被検体Sにかかる力、モーメントの計測を開始する(ステップS13)。 After the descent of the artificial finger 10 is completed, the control unit 21 controls the force sensor 12, which is a six-axis force sensor, to start measuring the force and moment acting on the subject S due to contact between the artificial finger 10 and the subject S (step S13).
続いて、制御部21は、擬似指駆動部11を制御して、擬似指10を動作させる(ステップS14)。擬似指10の動作は、擬似指10と被検体Sとの接触を保った状態で行われるものであれば特に限定されず、例えば、x-y平面上(接線方向)の直線動作、回転動作等である。動作が開始されると、力センサ制御部211は、力センサ12から被検体Sにかかる力及びモーメントの計測データの取得を開始する(ステップS15)。 Then, the control unit 21 controls the pseudo finger driving unit 11 to operate the pseudo finger 10 (step S14). The operation of the pseudo finger 10 is not particularly limited as long as it is performed while maintaining contact between the pseudo finger 10 and the subject S, and may be, for example, a linear operation (tangential direction) on the x-y plane, a rotational operation, etc. When the operation is started, the force sensor control unit 211 starts acquiring measurement data of the force and moment acting on the subject S from the force sensor 12 (step S15).
また、評価部212は、力センサ12から取得した計測データに基づいて、擬似指10と被検体Sとの接触面の圧力中心を算出する(ステップS16)。評価部212は、算出された圧力中心の座標と、計測時刻tとを記憶部22に記憶させる。制御部21は、予め定められた計測終了条件に達していなければ(ステップS17のNO)、所定の時刻ステップごとに計測データの取得と、圧力中心の算出とを繰り返す。測定終了条件は、例えば、計測時間、計測ステップ数、擬似指10の移動量等が所定の値に到達したことである。 The evaluation unit 212 also calculates the center of pressure of the contact surface between the pseudo finger 10 and the subject S based on the measurement data acquired from the force sensor 12 (step S16). The evaluation unit 212 stores the coordinates of the calculated center of pressure and the measurement time t in the storage unit 22. If a predetermined measurement end condition has not been reached (NO in step S17), the control unit 21 repeats the acquisition of measurement data and the calculation of the center of pressure for each predetermined time step. The measurement end condition is, for example, that the measurement time, the number of measurement steps, the amount of movement of the pseudo finger 10, etc. have reached a predetermined value.
予め定められた計測終了条件に達すると(ステップS17のYES)、計測ステップは終了し、評価ステップに進む。評価ステップでは、制御部21の評価部212は、圧力中心座標の時間変化から算出される圧力中心の移動量に基づいて、触覚の評価を行う(ステップS18)。触覚評価は、例えば、記憶部22に予め記憶されている、圧力中心の移動量と触覚特性との相関関係を表す相関表、圧力中心の移動量から触覚特性を推定する学習済みモデル等を用いて、行われる。 When a predetermined measurement end condition is reached (YES in step S17), the measurement step ends and the process proceeds to the evaluation step. In the evaluation step, the evaluation unit 212 of the control unit 21 evaluates the tactile sensation based on the amount of movement of the center of pressure calculated from the time change in the pressure center coordinate (step S18). The tactile sensation evaluation is performed, for example, using a correlation table that shows the correlation between the amount of movement of the center of pressure and tactile characteristics, which are stored in advance in the storage unit 22, a trained model that estimates tactile characteristics from the amount of movement of the center of pressure, etc.
制御部21は、評価結果を記憶部22に記憶させるとともに、表示部23へ表示させ(ステップS19)、評価処理を終了する。 The control unit 21 stores the evaluation results in the memory unit 22 and displays them on the display unit 23 (step S19), and ends the evaluation process.
(数値例)
続いて、表面に粒径の異なるビーズが塗布された被検体Sについて、触覚評価を行った場合の例について説明する。
(Numerical example)
Next, an example of a case where a tactile evaluation is performed on a specimen S having beads of different particle sizes applied to its surface will be described.
被検体Sとしてのフィルムの特性は、以下の表に示すとおりである。
触覚評価を精度よく行うためには、擬似指10が被検体Sに対して移動を開始する初期すべり時の力と変位との関係を考慮することが求められるので、本例では、初期すべり時の動作に基づく触覚評価を行うこととする。 In order to perform tactile evaluation with high accuracy, it is necessary to take into account the relationship between force and displacement at the initial slip when the artificial finger 10 starts to move relative to the subject S, so in this example, tactile evaluation is performed based on the movement at the initial slip.
図6(A)、(B)は、擬似指10が被検体Sに対して移動を開始する初期すべり時の圧力と変位との関係を示したものである。図6(A)、(B)に示すように、初期すべり時においては、擬似指10と被検体Sとの間ですべりが生じているすべり域と、すべりが生じていない固着域とが存在する。 Figures 6(A) and (B) show the relationship between pressure and displacement during initial slippage when the dummy finger 10 starts to move relative to the subject S. As shown in Figures 6(A) and (B), during initial slippage, there are slippage areas where slippage occurs between the dummy finger 10 and the subject S, and sticking areas where no slippage occurs.
本実施の形態に係る初期すべり時の触覚評価では、接線方向の力と圧力中心の移動量との関係に基づく評価を行う。本例において、擬似指10が被検体Sをz軸方向に押す法線方向力fgは10Nである。また、擬似指10はx軸方向に2.5mm/sで15mm移動する。 In the tactile evaluation at the initial slip according to the present embodiment, an evaluation is performed based on the relationship between the tangential force and the amount of movement of the center of pressure. In this example, the normal force fg with which the dummy finger 10 presses the subject S in the z-axis direction is 10 N. The dummy finger 10 also moves 15 mm in the x-axis direction at 2.5 mm/s.
擬似指10の初期すべり時の微小変位は、被検体Sにかかる法線方向力fg、接線方向力flを用いて、以下の式(3)で表すことができる。 The small displacement of the artificial finger 10 during the initial slip can be expressed by the following formula (3) using the normal force f g and the tangential force f 1 applied to the subject S.
ただし、μは静止摩擦係数、aは接触面半径、Gは剛性率、νはポアソン比である。
where μ is the static friction coefficient, a is the radius of the contact surface, G is the rigidity modulus, and ν is the Poisson's ratio.
図7のグラフは、上式から導かれる微小変位の理論値又は算出されたXCOP,YCOPから計算される圧力中心の移動量と、接線方向力flとの関係を示している。式(3)に示されるように、微小変位の理論値においては、全体がμ倍されるとともに、接線方向力flが1/μ倍されている。すなわち、摩擦係数μの大きさによって、グラフの形状が異なり、摩擦係数μが大きいほど、縦横軸方向に大きいグラフ概形となる。 The graph in Fig. 7 shows the relationship between the theoretical value of the small displacement derived from the above formula or the amount of movement of the center of pressure calculated from the calculated XCOP and YCOP , and the tangential force f1 . As shown in formula (3), in the theoretical value of the small displacement, the whole is multiplied by μ, and the tangential force f1 is multiplied by 1/μ. That is, the shape of the graph differs depending on the magnitude of the friction coefficient μ, and the larger the friction coefficient μ, the larger the graph shape becomes in the vertical and horizontal directions.
図7に示すように、本例では、摩擦係数μの異なる複数の被検体Sにおいて、実験値と理論値とがよく一致していることがわかる。すなわち、力センサ12によって計測される接線方向力flと、力センサ12の計測データに基づいて算出される圧力中心の移動量との関係は、理論的に計算される接線方向力flと微小変位との関係に近似する。 7, in this example, it is found that the experimental values and the theoretical values are in good agreement for a plurality of specimens S having different friction coefficients μ. That is, the relationship between the tangential force f l measured by the force sensor 12 and the amount of movement of the center of pressure calculated based on the measurement data of the force sensor 12 is close to the theoretically calculated relationship between the tangential force f l and the small displacement.
したがって、力センサ12の計測データに基づいて算出される圧力中心の移動量に基づいて、摩擦係数μを推定することができる。さらに、摩擦係数μと触覚との相関関係を示す相関表を予め記憶部22に記憶させておくことにより、制御部21は、算出された摩擦係数μに対応する触覚評価結果を相関表に基づいて導出することができる。 Therefore, the friction coefficient μ can be estimated based on the amount of movement of the center of pressure calculated based on the measurement data of the force sensor 12. Furthermore, by storing a correlation table showing the correlation between the friction coefficient μ and the tactile sensation in the memory unit 22 in advance, the control unit 21 can derive the tactile evaluation result corresponding to the calculated friction coefficient μ based on the correlation table.
ここで、式(3)中の剛性率Gは、ヤング率Eを用いてG=E/2(1+ν)で表される。一般的に、擬似指10の特性パラメータである剛性率Gは、擬似指10の形状、材料の組成等に大きく影響を受けるので、設計的に導出されたカタログ値と実際の値とを一致させることは難しい。例えば、図7の理論値の計算ではヤング率E=0.31GPaを用いているが、図8に示すように、ヤング率EをE=0.23GPaとした場合、測定値と理論値とが乖離してしまう。したがって、予め、実験によって、剛性率G又はヤング率Eをフィッティングして、実際の値に近い値を設定しておくことが好ましい。 Here, the modulus of rigidity G in formula (3) is expressed as G = E / 2 (1 + v) using Young's modulus E. In general, the modulus of rigidity G, which is a characteristic parameter of the artificial finger 10, is greatly affected by the shape of the artificial finger 10, the composition of the material, etc., so it is difficult to make the catalog value derived from the design match the actual value. For example, in the calculation of the theoretical value in FIG. 7, Young's modulus E = 0.31 GPa is used, but as shown in FIG. 8, if Young's modulus E is E = 0.23 GPa, the measured value and the theoretical value will deviate. Therefore, it is preferable to set a value close to the actual value by fitting the modulus of rigidity G or Young's modulus E in advance through an experiment.
また、触覚評価は、摩擦係数μとこれに対応する触覚特性との相関関係を表す相関表を記憶部22に予め記憶させておき、算出された摩擦係数μに対応する触覚特性を評価結果として出力することとしたが、これに限られない。例えば、様々な触覚の被検体Sに関する複数の力及びモーメントを教師データとして学習された学習済みモデルを用いて、触覚評価を行うこととしてもよい。 In addition, the tactile evaluation is performed by storing a correlation table showing the correlation between the friction coefficient μ and the corresponding tactile characteristic in advance in the storage unit 22, and outputting the tactile characteristic corresponding to the calculated friction coefficient μ as the evaluation result, but this is not limited to this. For example, the tactile evaluation may be performed using a trained model that has been trained using multiple forces and moments related to a subject S with various tactile sensations as teacher data.
この場合、学習済みモデルは、力及びモーメントから圧力中心を算出して、被検体Sの触覚を推定するように、機械学習により生成された推定モデルとすればよい。記憶部22に予め学習済みモデルが記憶されており、評価部212は、被検体Sの厚みによって調整された学習済みモデルに、力センサ12から取得された力及びモーメントを入力することにより、学習済みモデル内部で圧力中心の移動量を算出して、触覚評価を行う。また、学習済みモデルを生成するための機械学習アルゴリズムは、特に限定されないが、例えばニューラルネットワークを用いた機械学習アルゴリズムを用いることができる。 In this case, the trained model may be an estimation model generated by machine learning to calculate the center of pressure from the force and moment and estimate the tactile sensation of the subject S. The trained model is stored in advance in the memory unit 22, and the evaluation unit 212 inputs the force and moment acquired from the force sensor 12 into the trained model adjusted according to the thickness of the subject S, thereby calculating the amount of movement of the center of pressure within the trained model and performing tactile evaluation. In addition, the machine learning algorithm for generating the trained model is not particularly limited, but a machine learning algorithm using a neural network, for example, can be used.
例えば、上記の数値例の場合、圧力中心の移動量と、被検体Sにかかる接線方向力fl、すなわちx-y平面に平行な方向の力の大きさの変化を、教師データとして、被検体Sの表面粗さ等を推定し、触覚の評価を行うこととすればよい。 For example, in the case of the above numerical example, the amount of movement of the center of pressure and the change in the magnitude of the tangential force f l acting on the specimen S, i.e., the force in the direction parallel to the xy plane, can be used as training data to estimate the surface roughness, etc. of the specimen S and evaluate the sense of touch.
以上、説明したように、本発明に係る触覚評価装置、触覚評価方法及びプログラムによれば、力センサ12で計測された被検体Sにかかる力及びモーメントと、被検体Sの厚みとを用いて算出された圧力中心の移動量に基づいて、被検体Sの触覚特性を評価する。したがって、初期すべりに係る微小変位の範囲であっても、精度の高い触覚評価を行うことが可能である。 As described above, the tactile evaluation device, tactile evaluation method, and program of the present invention evaluate the tactile characteristics of the subject S based on the force and moment acting on the subject S measured by the force sensor 12 and the amount of movement of the center of pressure calculated using the thickness of the subject S. Therefore, it is possible to perform a highly accurate tactile evaluation even in the range of minute displacements associated with initial slippage.
本実施の形態では、擬似指10をx軸方向の一方向に動かして触覚を評価することとしたが、これに限られない。例えば、x軸方向とy軸方向の2方向に移動させて評価してもよいし、擬似指10を回転させて評価してもよい。この場合、擬似指駆動部11は、擬似指10を回転させるモータを備えることとすればよい。これにより、多面的な評価ができるので、より精度の高い触覚評価を行うことができる。 In this embodiment, the tactile sensation is evaluated by moving the pseudo finger 10 in one direction along the x-axis, but this is not limited to the above. For example, the pseudo finger 10 may be moved in two directions along the x-axis and y-axis, or the pseudo finger 10 may be rotated. In this case, the pseudo finger driving unit 11 may be provided with a motor that rotates the pseudo finger 10. This allows for a multifaceted evaluation, resulting in a more accurate tactile evaluation.
また、本実施の形態では、擬似指10をx軸方向に一定速度で移動させることとしたが、これに限られない。例えば、擬似指10又はステージ13の移動速度は、段階的に変化させることとしてもよいし、正弦波のように曲線的な動作、往復運動等の加速度変化を生じる動作等としてもよい。これにより、複雑な動作に基づく、より精度の高い触覚評価を行うことができる。 In addition, in this embodiment, the artificial finger 10 is moved in the x-axis direction at a constant speed, but this is not limited to this. For example, the moving speed of the artificial finger 10 or the stage 13 may be changed in stages, or may be a curved movement such as a sine wave, or a movement that causes a change in acceleration such as a reciprocating movement. This allows for more accurate tactile evaluation based on complex movements.
また、本実施の形態に係る擬似指10は、人の指を模した半球形であることとしたが、これに限られない。力センサ12による力、モーメント等のデータ取得に適した形状であればよく、例えば、楕円柱の先端がR形状であるもの、人の指のように爪側と指の腹側で曲率の異なる形状のものであってもよい。また、被検体Sに対する擬似指10の押圧方向は、被検体Sに対して垂直な方向に限られず、被検体Sに対して斜めに押圧されることとしてもよい。これらにより、実際に人が被検体Sに触れた場合に近い触覚評価を行うことができる。 In addition, the artificial finger 10 according to this embodiment is hemispherical in shape to imitate a human finger, but is not limited to this. Any shape suitable for acquiring data such as force and moment by the force sensor 12 may be used, for example, an elliptical cylinder with an R-shaped tip, or a shape with different curvatures on the nail side and the pad side like a human finger. Furthermore, the direction in which the artificial finger 10 is pressed against the subject S is not limited to a direction perpendicular to the subject S, and the artificial finger 10 may be pressed obliquely against the subject S. This allows for a tactile evaluation close to that when a person actually touches the subject S.
また、擬似指10は、乾いた状態に限られず、濡れた状態で触覚評価を行うこととしてもよい。例えば、乾いた状態の擬似指10を用いて触覚評価のための一連のデータ取得を行った後、水に濡れたスポンジに擬似指10を接触させ、濡れた状態の擬似指10を用いてデータ取得を行い、これらのデータに基づいて触覚評価を行うこととしてもよい。これにより、指の表面の乾燥度合いによって異なる触感を考慮した、より精度の高い触覚評価を行うことができる。 The tactile evaluation of the artificial finger 10 is not limited to a dry state, and may be performed in a wet state. For example, after a series of data acquisition for tactile evaluation is performed using the dry artificial finger 10, the artificial finger 10 may be brought into contact with a sponge wet with water, data may be acquired using the wet artificial finger 10, and tactile evaluation may be performed based on these data. This allows for a more accurate tactile evaluation that takes into account the different tactile sensations depending on the degree of dryness of the finger surface.
また、本実施の形態では、被検体Sに対する擬似指10の初期すべり時の微小変位に基づいて触覚を評価することとしたが、これに限られない。例えば、微小変位の範囲と、固着領域のない、より大きな変位量の範囲と、を組み合わせて触覚を評価することとしてもよい。 In addition, in this embodiment, the tactile sensation is evaluated based on the minute displacement of the artificial finger 10 at the initial slippage relative to the subject S, but this is not limited to this. For example, the tactile sensation may be evaluated by combining a range of minute displacement with a range of a larger amount of displacement without a sticking region.
また、本実施の形態に係る触覚評価方法は、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、上記の動作を実行するためのコンピュータプログラムを、USBメモリ、DVD-ROM等のコンピュータが読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、コンピュータ装置を上記の触覚評価方法を実行する触覚評価装置1の制御ユニット20として機能させることができる。 The tactile evaluation method according to this embodiment can be realized using a normal computer system. For example, a computer program for executing the above operations can be stored and distributed on a computer-readable recording medium such as a USB memory or a DVD-ROM, and the computer program can be installed on a computer to cause the computer to function as the control unit 20 of the tactile evaluation device 1 that executes the above tactile evaluation method.
本発明は、高精度に被検体の触覚を評価する触覚評価装置に好適である。特に、被検体の表面を撫でるように、指や手のひらを滑らせた場合の触覚評価を行う触覚評価装置に好適である。 The present invention is suitable for use in a tactile evaluation device that evaluates the tactile sensation of a subject with high accuracy. In particular, the present invention is suitable for use in a tactile evaluation device that performs tactile evaluation when a finger or palm is slid across the surface of a subject as if stroking the surface.
1 触覚評価装置、10 擬似指、11 擬似指駆動部、12 力センサ、13 ステージ、20 制御ユニット、21 制御部、211 力センサ制御部、212 評価部、22 記憶部、23 表示部、24 入力部、S 被検体 1 Tactile evaluation device, 10 Artificial finger, 11 Artificial finger driving unit, 12 Force sensor, 13 Stage, 20 Control unit, 21 Control unit, 211 Force sensor control unit, 212 Evaluation unit, 22 Memory unit, 23 Display unit, 24 Input unit, S Subject
Claims (5)
前記力センサで計測された力及びモーメントと前記被検体の厚みとを用いて算出された圧力中心の移動量に基づいて、前記被検体の触覚を評価する評価部と、を備える、
ことを特徴とする触覚評価装置。 a force sensor that measures a force and a moment acting on a test object when the test object or the artificial finger is moved in a state where the test object is in contact with a artificial finger that is an elastic body;
and an evaluation unit that evaluates the tactile sensation of the subject based on a movement amount of a center of pressure calculated using the force and moment measured by the force sensor and a thickness of the subject.
A tactile evaluation device characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の触覚評価装置。 The force sensor is a six-axis force sensor.
The tactile evaluation device according to claim 1 .
複数の評価結果を教師データとして、前記圧力中心の移動量から触覚を推定するように、機械学習により生成された推定モデルを用いて、前記被検体の触覚を推定する、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の触覚評価装置。 The evaluation unit is
using a plurality of evaluation results as training data, and using an estimation model generated by machine learning to estimate the tactile sensation from the amount of movement of the center of pressure, the tactile sensation of the subject is estimated.
3. The tactile evaluation device according to claim 1 or 2.
前記計測ステップで計測された力及びモーメントと前記被検体の厚みとを用いて算出された圧力中心の移動量に基づいて、前記被検体の触覚特性を評価する、評価ステップと、を含む、
ことを特徴とする触覚評価方法。 a measuring step of measuring a force and a moment acting on a test object when the test object or the artificial finger is moved in a state where the test object and the artificial finger are in contact with each other;
and an evaluation step of evaluating a tactile characteristic of the subject based on a movement amount of a center of pressure calculated using the force and moment measured in the measurement step and a thickness of the subject.
A tactile evaluation method comprising:
被検体と、弾性体である擬似指とを接触させた状態で、前記被検体又は前記擬似指を動作させた際の、前記被検体にかかる力及びモーメントを取得する力センサ制御部、
前記力センサ制御部で取得された力及びモーメントと前記被検体の厚みとを用いて算出された圧力中心の移動量に基づいて、前記被検体の触覚特性を評価する評価部、
として機能させるプログラム。 Computer,
a force sensor control unit that acquires a force and a moment acting on a test object when the test object or the artificial finger, which is an elastic body, is moved in a state where the test object is in contact with the artificial finger;
an evaluation unit that evaluates a tactile characteristic of the subject based on a movement amount of a center of pressure calculated using the force and moment acquired by the force sensor control unit and a thickness of the subject;
A program that functions as a
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