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技術 触知イメージング・システム

出願人 ユニバーシティ・オブ・タンペレ株式会社フコク
発明者 グレゴリ・エフレイノフアーメド・ファルークロオペ・ライサモアアト・ヒップア高畠大介
出願日 2014年7月9日 (5年11ヶ月経過) 出願番号 2014-141263
公開日 2016年2月1日 (4年5ヶ月経過) 公開番号 2016-018419
状態 特許登録済
技術分野 デジタル計算機のユーザインターフェイス
主要キーワード 電磁気的エネルギ 剛体表面 知感覚 作動構成要素 固有スペクトル 無線電源 特定スペクトル 能動構成要素
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

外部ノイズを適切に抑圧補償することが可能な触知イメージング・システムを提供する。

解決手段

受容野触知コントロールユニットと、触知イメージング・システムをホスト・システムと接続するべく構成された接続モジュールと、を包む触知イメージング・システムが提供され、それにおいては受容野触知コントロール・ユニットが、人間の皮膚の特性を監視するべく構成された監視モジュールと、触刺激を提供するべく構成された触刺激提供モジュールと、を含む。

概要

背景

人間への刺激作用は、ある種の断続的なエネルギーフローの変化の形でソースからのエネルギーが人間の身体に、通常は皮膚または身体部分に影響を与えるプロセスである。機械的、熱的、電気的、または電磁気的エネルギーの変更および再分配刺激と呼ばれる)が、皮膚の感覚受容器によって、触知情報(断続的な熱、皮膚変位/伸張、圧覚力覚、押しまたは脈動および振動圧搾、擽感、刺痛)として解釈される感覚に変換される。物理プロセスに関連付けされる感覚は、接触野内の、表面の下またはその上において生じるか、または生成される。

触知情報チャンネルおよび触知感覚による刺激を使用するために、(熱/赤外線、空気作用、超音波電磁気液圧利用、電気的、および機械的)触知型アクチュエータが開発された。しかし、ソース(アクチュエータ)と皮膚内の特定の受容器の間には中間構成要素があることから、各中間の構成要素のインピーダンスに起因してソースから特定の受容器へ伝播する信号の大きさが小さくなることがあり、位相が変化することがある。その種の歪められた信号は、外部ノイズによる影響を容易に受ける可能性がある。これらの要因は、触信号を弱め、期待されるより情報価値の低いものにすることによって刺激のエネルギーを変更/消散させ得る異なる構造および物理的な性質を有する種々の材料および物質を通じた触刺激の伝達/伝播に影響を及ぼす。

ノイズおよびその他の擾乱を抑えるために、印加される触刺激のエネルギー変化体毛の多い皮膚のための感度スレッショルドを24dB上回る必要があるとされている(例えば、非特許文献3)。

皮膚の受容器に対する触刺激の機械的エネルギーの伝播のための条件を変更することが試みられている(例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献5、特許文献1、特許文献2)。これは、人間の皮膚と直接接触させてアクチュエータを配置し(スマートファブリック/eテキスタイルおよびカバーリング)、行き先の接触野への触刺激の伝播の検出に起因して特定の場所内の刺激の正確な(容易に区別可能な)波形を作り出すことによる擾乱、外部ノイズおよび周囲の振動の補償抑圧を通じて(例えば、特許文献3)、あるいは、接触野内の皮膚の変形(皮膚の歪みのバリエーション)の結果を観察し、印加される触刺激の大きさを適合させることによって(例えば、特許文献4)なされる。しかし、皮膚の変形が生じるとき、例えば指が剛体表面を握っているとき、または指先剛体の表面に対して動作するとき、または凍えていたりグローブによって保護されていたりするときには、それによって提案の解決策が非効率になり、皮膚感度スレッショルドを上に24dBを優に超えるエネルギーの変化レベルに対してさえ皮膚の受容器がブロックされる可能性がある。

人間の皮膚の応答を改善するもう1つの方法は、皮膚の受容器の感度を変更することにある。触れる感覚パラメータの改善、特に皮膚の受容器のスレッショルドを下げることに関係する発明は、特許文献5および特許文献6の中で開示されている。この方法は、受容器の機能が増強されるべき受容エリアを特定すること、および情報価値のある信号(触信号)が現われて、知覚され、かつ識別される前にこの(皮膚)エリアバイアス信号を印加することからなる。それについて言えば、バイアス信号は、情報価値のある触信号と同一または異なる性質、例えば非特異性の電気的または機械的(ガス/エア・フロー)刺激作用を有することができる。その種のアプローチは、前もって較正されなければならないバイアス信号の最適パラメータを伴って効率的となり得る。それにもかかわらず、皮膚のパラメータは、物理的、生理学的(体液性)、および心理的性質の多くの異なる要因によって有意に変化し、かつ影響を受ける。従って、所与時間間隔内において感度の変化が生じるか否かを予測することは困難であり、その種のテクニックは、実際上、容易に実現することが可能でない。特許文献7もまた、触刺激の始まりに先行して振動検出のスレッショルドを一時的に変更して振動性変位の振幅を増加させることなく振動触知アラートまたは伝達信号の検出の改善を達成するステップを含む方法を開示している。しかし、その種のアプローチでは、触受容器への信号伝播に際して、所与の時間間隔内に下位感覚の振動性刺激のための皮膚の感度を変更しなければならないという問題は解決されない。皮膚の感度は、異なる物理的、生理学的(体液性)、および心理的性質の要因に依存する。このアプローチもまた、振動および触刺激の条件の特定のパラメータによって制約を受ける。

特許文献8は、高い張力掛けられたシリコンゴムポリブタジエンニトリル・ゴムといったゴムやエラストマ等のゴム弾性材料周縁に配置された複数の個別にコントロール可能な圧電ドライバを含む触知インターフェースを開示している。ドライバ回路は、複数の個別にコントロール可能なドライバのそれぞれにコントロール情報を適用して、張力が掛けられたゴム弾性材料内に波パターンを作り出すことができる。しかし、硬直した表面を覆い、かつ人間の皮膚より高い密度を有するゴム弾性材料を通じた相互作用は、皮膚を圧搾し、触刺激に対する皮膚の受容器の応答を弱めることによって、知覚スレッショルドを増加させる。損失弾性率に応じてゴム弾性材料は、印加された刺激のエネルギーを、それらの意義を変化させることによって吸収する。

もう1つの技術的解決策は、これらは相互作用の表面の密度の調整を可能にするオーバーレイおよびカバーリングである。より詳細には、特許文献9および特許文献10の中に開示されているとおり、最初に、CRT表示器上において指先の圧力および位置を検出するべく変形可能なオーバーレイが設計され、その後、オンスクリーンキーボード仮想キー押圧時の指先の異なる強度および力包絡線を改善するべく設計された(例えば、特許文献11および非特許文献4)。オーバーレイおよびカバーリングは、一般に約1100kg/m3とされる人間の皮膚の皮下組織の密度(例えば、非特許文献6)に類似する密度を有する液体またはゲル類似物質を用いて満たすことが可能である。しかし、これらの解決策では、固定/静的パラメータが有るものの、それらを変更して触刺激の結果および効率をコントロールすることはできない。

近年のロボット工学における進歩もまたソフト人工皮膚研究開発強化し、それらは多モード検知能力を有し(例えば、非特許文献7、特許文献12、特許文献13、特許文献14)、顔の表情の皮膚の動きシミュレーションする埋め込みゴム弾性作動ポイントさえ有する(例えば、特許文献15)。しかし、人工皮膚の機能は、接触事象の検知、およびインタラクションシナリオという面で人間によって視覚的に認識可能な特定パターンイメージングのための作動(例えば、顔の特徴)に限定されている。言い換えると、未だ人工的なロボット皮膚は、人間の触れる動作の処理および条件をサポートするべく意図されてなく、異なる環境(攻撃的、危険、または人工現実)における人間の触知ベースのインタラクションを媒介する効率的な触知イメージング・システムとしては使用可能でない。

概要

外部ノイズを適切に抑圧/補償することが可能な触知イメージング・システムを提供する。受容野触知コントロール・ユニットと、触知イメージング・システムをホスト・システムと接続するべく構成された接続モジュールと、を包む触知イメージング・システムが提供され、それにおいては受容野触知コントロール・ユニットが、人間の皮膚の特性を監視するべく構成された監視モジュールと、触刺激を提供するべく構成された触刺激提供モジュールと、を含む。

目的

人間の皮膚の応答を改善するもう1つの方法は、皮膚の受容器の感度を変更することにある

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

触知イメージング・システムであって、受容野触知コントロールユニットと、前記触知イメージング・システムをホスト・システムと接続するべく構成された接続モジュールとを含み、前記受容野触知コントロール・ユニットが、人間の皮膚の特性を監視するべく構成された監視モジュールと、触刺激を提供するべく構成された触刺激提供モジュールと、を含む、触知イメージング・システム。

請求項2

さらに前記受容野触知コントロール・ユニットは、前記人間の皮膚に関する皮膚接触状態を変更するべく構成された触伝達媒体、を含む、請求項1に記載の触知イメージング・システム。

請求項3

前記触刺激提供モジュールは、前記触刺激を生成するべく構成されたアクチュエータと、前記触刺激のパラメータを調整するべく構成されたコントローラと、を含む、請求項1に記載の触知イメージング・システム。

請求項4

前記接続モジュールは、プロセッサと、ホスト・インターフェースと、を含み、前記プロセッサは、前記監視モジュールから受信した情報に基づいて接触事象を生成し、前記プロセッサは、それのメモリ内に記憶されている効果パラメータに基づいて、または前記ホスト・インターフェースを介して前記ホストから受信した情報に基づいて前記触刺激をコントロールする、請求項1から3のいずれか一項に記載の触知イメージング・システム。

請求項5

前記監視モジュールは、前記触伝達媒体を通じた前記人間の皮膚への前記触刺激の伝播を監視する、請求項2に記載の触知イメージング・システム。

請求項6

前記触伝達媒体は、電流磁界固有スペクトルを有するLED光等の印加される作用因子応答して前記人間の皮膚に関する前記皮膚接触状態を変更できる物質および/または埋め込み構成要素、を含む、請求項2に記載の触知イメージング・システム。

請求項7

前記受容野触知コントロール・ユニットは、前記触伝達媒体のパラメータをコントロールするべく構成されたコントローラを含む、請求項1、2、および5のうちのいずれか一項に記載の触知イメージング・システム。

請求項8

前記監視モジュールは、前記人間の皮膚との接触がなく、かつ前記アクチュエータによる前記触刺激の生成がないときの外部ノイズを監視する、請求項4に記載の触知イメージング・システム。

請求項9

前記プロセッサは、前記監視モジュールから受信した情報に基づいて外部ノイズによって生じた減衰および歪みが補償されるように前記触刺激のパラメータをコントロールする、請求項4または8に記載の触知イメージング・システム。

請求項10

前記監視モジュールは、前記触知イメージング・システムが前記人間の皮膚と接触しているか、または近接して面しているときに皮膚接触状態として温度、湿度伝導度、および血管の脈動のうちの少なくとも1つをコントロールするべく構成される、請求項1に記載の触知イメージング・システム。

請求項11

前記プロセッサは、触伝達媒体と接触している前記人間の皮膚の感度の変化を補償するように前記監視モジュールから受信した情報に基づいて前記触刺激のパラメータをコントロールする、請求項4、7、8および10のいずれか一項に記載の触知イメージング・システム。

請求項12

前記受容野触知コントロール・ユニットは複数で提供され、インテリジェント触伝達媒体内に統合される、請求項1または4に記載の触知イメージング・システム。

請求項13

前記インテリジェント触伝達媒体は、センサ、アクチュエータ、無線電源、およびデータ転送線が分散された多層構造を有する、請求項12に記載の触知イメージング・システム。

請求項14

前記インテリジェント触伝達媒体は、変形可能に形成され、かつ前記監視モジュールが複数埋め込まれる外層と、前記触刺激提供モジュールが複数埋め込まれる内層と、前記コントローラが複数埋め込まれる別の層と、を含む、請求項13に記載の触知イメージング・システム。

請求項15

前記インテリジェント触伝達媒体は、変形可能に形成され、かつ前記監視モジュールおよび前記触刺激提供モジュールが複数埋め込まれる第1の層と、前記コントローラが複数埋め込まれる第2の層と、を含む、請求項13に記載の触知イメージング・システム。

請求項16

前記監視モジュールは、メッシュ状または神経類似のファイバベースの構造を有する分散型スマート・センサとして実装される、請求項13に記載の触知イメージング・システム。

請求項17

異なるモダリティのセンサから受信される情報が、前記プロセッサとの無線接続を有するモダリティ固有ノードによって収集および/または前処理される、請求項16に記載の触知イメージング・システム。

請求項18

前記第1の層の前記触刺激提供モジュールは、積層マクロファイバ複合体および/または電気活性ポリマとして実装される、請求項15に記載の触知イメージング・システム。

請求項19

前記インテリジェント触伝達媒体は、接触エリアにおける前記皮膚接触状態、および前記接触エリア近傍の位置における温度状態および湿度を変更するべく構成される、請求項13に記載の触知イメージング・システム。

技術分野

0001

本発明は、概して触知イメージング・システムに関し、特に、触刺激に対する人間の皮膚の応答を増強するためのデバイスおよび方法に関する。

背景技術

0002

人間への刺激作用は、ある種の断続的なエネルギーフローの変化の形でソースからのエネルギーが人間の身体に、通常は皮膚または身体部分に影響を与えるプロセスである。機械的、熱的、電気的、または電磁気的エネルギーの変更および再分配刺激と呼ばれる)が、皮膚の感覚受容器によって、触知情報(断続的な熱、皮膚変位/伸張、圧覚力覚、押しまたは脈動および振動圧搾、擽感、刺痛)として解釈される感覚に変換される。物理プロセスに関連付けされる感覚は、接触野内の、表面の下またはその上において生じるか、または生成される。

0003

触知情報チャンネルおよび触知感覚による刺激を使用するために、(熱/赤外線、空気作用、超音波電磁気液圧利用、電気的、および機械的)触知型アクチュエータが開発された。しかし、ソース(アクチュエータ)と皮膚内の特定の受容器の間には中間構成要素があることから、各中間の構成要素のインピーダンスに起因してソースから特定の受容器へ伝播する信号の大きさが小さくなることがあり、位相が変化することがある。その種の歪められた信号は、外部ノイズによる影響を容易に受ける可能性がある。これらの要因は、触信号を弱め、期待されるより情報価値の低いものにすることによって刺激のエネルギーを変更/消散させ得る異なる構造および物理的な性質を有する種々の材料および物質を通じた触刺激の伝達/伝播に影響を及ぼす。

0004

ノイズおよびその他の擾乱を抑えるために、印加される触刺激のエネルギー変化体毛の多い皮膚のための感度スレッショルドを24dB上回る必要があるとされている(例えば、非特許文献3)。

0005

皮膚の受容器に対する触刺激の機械的エネルギーの伝播のための条件を変更することが試みられている(例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献5、特許文献1、特許文献2)。これは、人間の皮膚と直接接触させてアクチュエータを配置し(スマートファブリック/eテキスタイルおよびカバーリング)、行き先の接触野への触刺激の伝播の検出に起因して特定の場所内の刺激の正確な(容易に区別可能な)波形を作り出すことによる擾乱、外部ノイズおよび周囲の振動の補償抑圧を通じて(例えば、特許文献3)、あるいは、接触野内の皮膚の変形(皮膚の歪みのバリエーション)の結果を観察し、印加される触刺激の大きさを適合させることによって(例えば、特許文献4)なされる。しかし、皮膚の変形が生じるとき、例えば指が剛体表面を握っているとき、または指先剛体の表面に対して動作するとき、または凍えていたりグローブによって保護されていたりするときには、それによって提案の解決策が非効率になり、皮膚感度スレッショルドを上に24dBを優に超えるエネルギーの変化レベルに対してさえ皮膚の受容器がブロックされる可能性がある。

0006

人間の皮膚の応答を改善するもう1つの方法は、皮膚の受容器の感度を変更することにある。触れる感覚パラメータの改善、特に皮膚の受容器のスレッショルドを下げることに関係する発明は、特許文献5および特許文献6の中で開示されている。この方法は、受容器の機能が増強されるべき受容エリアを特定すること、および情報価値のある信号(触信号)が現われて、知覚され、かつ識別される前にこの(皮膚)エリアバイアス信号を印加することからなる。それについて言えば、バイアス信号は、情報価値のある触信号と同一または異なる性質、例えば非特異性の電気的または機械的(ガス/エア・フロー)刺激作用を有することができる。その種のアプローチは、前もって較正されなければならないバイアス信号の最適パラメータを伴って効率的となり得る。それにもかかわらず、皮膚のパラメータは、物理的、生理学的(体液性)、および心理的性質の多くの異なる要因によって有意に変化し、かつ影響を受ける。従って、所与時間間隔内において感度の変化が生じるか否かを予測することは困難であり、その種のテクニックは、実際上、容易に実現することが可能でない。特許文献7もまた、触刺激の始まりに先行して振動検出のスレッショルドを一時的に変更して振動性変位の振幅を増加させることなく振動触知アラートまたは伝達信号の検出の改善を達成するステップを含む方法を開示している。しかし、その種のアプローチでは、触受容器への信号伝播に際して、所与の時間間隔内に下位感覚の振動性刺激のための皮膚の感度を変更しなければならないという問題は解決されない。皮膚の感度は、異なる物理的、生理学的(体液性)、および心理的性質の要因に依存する。このアプローチもまた、振動および触刺激の条件の特定のパラメータによって制約を受ける。

0007

特許文献8は、高い張力掛けられたシリコンゴムポリブタジエンニトリル・ゴムといったゴムやエラストマ等のゴム弾性材料周縁に配置された複数の個別にコントロール可能な圧電ドライバを含む触知インターフェースを開示している。ドライバ回路は、複数の個別にコントロール可能なドライバのそれぞれにコントロール情報を適用して、張力が掛けられたゴム弾性材料内に波パターンを作り出すことができる。しかし、硬直した表面を覆い、かつ人間の皮膚より高い密度を有するゴム弾性材料を通じた相互作用は、皮膚を圧搾し、触刺激に対する皮膚の受容器の応答を弱めることによって、知覚スレッショルドを増加させる。損失弾性率に応じてゴム弾性材料は、印加された刺激のエネルギーを、それらの意義を変化させることによって吸収する。

0008

もう1つの技術的解決策は、これらは相互作用の表面の密度の調整を可能にするオーバーレイおよびカバーリングである。より詳細には、特許文献9および特許文献10の中に開示されているとおり、最初に、CRT表示器上において指先の圧力および位置を検出するべく変形可能なオーバーレイが設計され、その後、オンスクリーンキーボード仮想キー押圧時の指先の異なる強度および力包絡線を改善するべく設計された(例えば、特許文献11および非特許文献4)。オーバーレイおよびカバーリングは、一般に約1100kg/m3とされる人間の皮膚の皮下組織の密度(例えば、非特許文献6)に類似する密度を有する液体またはゲル類似物質を用いて満たすことが可能である。しかし、これらの解決策では、固定/静的パラメータが有るものの、それらを変更して触刺激の結果および効率をコントロールすることはできない。

0009

近年のロボット工学における進歩もまたソフト人工皮膚研究開発強化し、それらは多モード検知能力を有し(例えば、非特許文献7、特許文献12、特許文献13、特許文献14)、顔の表情の皮膚の動きシミュレーションする埋め込みゴム弾性作動ポイントさえ有する(例えば、特許文献15)。しかし、人工皮膚の機能は、接触事象の検知、およびインタラクションシナリオという面で人間によって視覚的に認識可能な特定パターンのイメージングのための作動(例えば、顔の特徴)に限定されている。言い換えると、未だ人工的なロボット皮膚は、人間の触れる動作の処理および条件をサポートするべく意図されてなく、異なる環境(攻撃的、危険、または人工現実)における人間の触知ベースのインタラクションを媒介する効率的な触知イメージング・システムとしては使用可能でない。

0010

米国特許第7375454号明細書
米国特許第8362882号明細書
米国特許第8378797号明細書
米国特許第7077015号明細書
米国特許第5782873号明細書
米国特許第6032074号明細書
米国特許第8040223号明細書
米国特許第8253703号明細書
米国特許第4542375号明細書
米国特許第4816811号明細書
米国特許出願公開第2012/0328349号明細書
米国特許第8033189号明細書
米国特許第7887729号明細書
米国特許第7740953号明細書
米国特許第8568642号明細書

先行技術

0011

De Rossi D. 他、「Wearable Mechanosensing and Emerging Technologies inFabric‐based Actuation」、Intelligent Textiles for Personal Protection and Safety、2006年、第3巻、p.55‐64
CarpiF. 他、「Electroactive Polymer‐Based Devices for e‐Textiles in Biomedicine」、IEEE Trans. on Information Tech.in Biomedicine、2005年、第9巻、第3号、p.295‐318
Mortimer B.J.P. 他、「Vibrotactile transduction and transducers」、J.Acoust.Soc.Am.、2007年、第121巻、第5号、p.2970-2977
Arai F. 他、「Transparent tactile feeling device for touch‐screen interface」、Proc. of the 2004 IEEE Int. Workshop on Robot and Human Interactive Communication、2004年、p.527‐532
Kim U. 他、「A transparent and stretchable graphene‐based actuator for tactile display」、Nanotechnology、2013年、24 145501、doi:10.1088/0957‐4484/24/14/145501
Gennisson,J.‐L. 他、「Assessment of Elastic Parameters of Human Skin Using Dynamic Elastography」、IEEE Trans. on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Freq. Control、2004年、第51巻、第8号、P.980‐989
Park Y. 他、「Soft Artificial Skin with Multi‐Modal Sensing Capability Using Embedded Liquid Conductors」、IEEE Sensors、2012年、第12巻、第8号、P.2711‐2718

発明が解決しようとする課題

0012

前述したとおり、背景技術は問題を有する。

課題を解決するための手段

0013

上で論じた問題点の観点から、本発明は、受容野触知コントロール・ユニットと、触知イメージング・システムをホスト・システムと接続するべく構成された接続モジュールと、を含む触知イメージング・システムを提供し、それにおいては受容野触知コントロール・ユニットが、人間の皮膚の特性を監視するべく構成された監視モジュールと、触刺激を提供するべく構成された触刺激提供モジュールと、を含む。

発明の効果

0014

上記の構成によれば、外部ノイズを適切に抑圧/補償することが可能な触知イメージング・システムを提供できる。

図面の簡単な説明

0015

実施態様に従った触知イメージング・システムを図解している。
複数の個別にコントロール可能なRf触知コントロール・ユニットを組み込んだ代替実施態様に従った触知イメージング・システムを図解している。
(a)は触知イメージング・システムの積層構造を図解しており、(b)は3層構造を例示した断面図であり、(c)は2層構造を例示した断面図である。
外側の層内に配置されるセンサおよび第2の(内部)層内に配置されるアクチュエータの2層神経類似構造ノード)の変形をコントローラとともに図解している。

実施例

0016

以下、添付図面を参照して実施態様を説明する。図面および説明においては、同一もしくは類似の部分の参照に同一参照番号が用いられる。

0017

実施態様によるシステムは、何らかの理由に起因して皮膚の感度スレッショルドが変化するとき、例えば人間の指が剛体表面を握るとき、または指先が剛体表面に対する作用時に圧搾されるとき、または指が凍えているか、かつ/またはグローブによって保護されているとき、およびその他の理由に起因して皮膚の感度スレッショルドが変化するときに呈される問題を、触刺激のパラメータを動的に適合させて、回避できる。

0018

触知イメージング・システムは、受容野触知コントロール・ユニットおよびプロセッサを含む。システムは、皮膚の接触状態および触信号(刺激)の伝播のための条件についての情報を収集し、収集した情報に基づいて、ホストの必要性(好み、シナリオ/挙動、または使用の前後関係)に従った触情報の効率的な転送およびイメージングに適切なパラメータを有する触刺激を生成する。

0019

さらに触知イメージング・システムはホスト・インターフェースを含み、それを通じて触知イメージング・システムがホスト・システムと接続される。受容野触知コントロール・ユニットは、アクチュエータ、変形可能な伝達媒体、皮膚の状態およびアクチュエータから皮膚の受容野までの触信号の伝播の両方を監視するべく構成された監視モジュール、外部ノイズを補償するべく構成された補償モジュール、アクチュエータの機能、伝達媒体の特性、および皮膚接触状態をコントロールするべく構成された電子構成要素を含む。

0020

図1の例は、Rf触知コントロール・ユニット106、プロセッサ122、およびホスト・インターフェース124を含む。Rf触知コントロール・ユニット106は、触知アクチュエータ114、アクチュエータ・コントローラ118、非接触信号放出器113、放出器コントローラ119、触伝達媒体112、伝達媒体コントローラ120、皮膚状態検出器108、および信号伝播検出器110を含む。実際には、図1に示されているとおり、触伝達媒体112がその他の全ての構成要素に埋め込まれ、Rf触知コントロール・ユニット106が触伝達媒体112内において実現され得る。
触伝達媒体112には人間の皮膚102(それの受容野104)との接触がもたらされることになり、人間の皮膚102との接触時には皮膚接触反応信号Ssを生成する。『接触している』状態は、直接接触している状態だけでなく、距離の短いギャップを介し、近接して対面している状態も含む。皮膚状態検出器108は、反応信号Ssを検出する。伝達媒体コントローラ120は、触伝達媒体112のパラメータをコントロールする。
この実施態様においては、触伝達媒体112が能動的複合物質であり、熱および湿分の放出、電気的インピーダンス測定のための無線(RF)およびIR発光機械的インピーダンス測定のための音響波の生成が可能な人工筋繊維または織布といった埋め込み能動構成要素を含む。埋め込み能動構成要素は、非接触信号放出器113として機能する。非接触信号放出器113は、サブスレッショルドの非接触信号であるテスト信号St2を放出できる。放出器コントローラ119は、非接触信号放出器113をコントロールする。
触知アクチュエータ114は、触覚情報信号Shおよび、サブスレッショルドの触覚信号であるテスト信号St1を生成できる。触覚情報信号Shは、例えば、80から500ミリ秒の特定の包絡線(特定の発生、持続および減衰)を有する人間が知覚可能な振動である。触覚情報信号Shは、異なるパルスグループから構成できる。例えば、約100Hzの5つのパルスと約10Hzの8つのパルスから触覚情報信号Shを構成できる。これに対してテスト信号St1は、例えば人間にとって知覚不能な振動とすることができる。テスト信号St1は持続時間が非常に短く(例えば10から50ミリ秒)、および/または非常に微弱にできる。アクチュエータ・コントローラ118は、触知アクチュエータ114をコントロールする。
信号伝播検出器110は、触伝達媒体112を通じてテスト信号St1を検出する。信号伝播検出器110は、特に、そこへテスト信号St1が伝播するとき接触信号Ssが伝播されないように配置される。

0021

触知イメージング・システムが初期化信号をホスト・システム126から受信するとき、プロセッサ122は、触伝達媒体112が皮膚と接触している(直接接触しているかまたは近い位置で面している)か否かを、例えば、皮膚状態検出器108の検出結果に基づいて決定する。触伝達媒体112との接触が検出されず、触知アクチュエータ114に触覚情報信号Shの生成が求められないときに、プロセッサ122が背景情報の評価を開始する。

0022

背景情報の評価においては、触知アクチュエータ114がテスト信号St1を生成し、信号伝播検出器110が触伝達媒体112に印加された外部ノイズ116によって影響されたテスト信号St1を検出する。外部ノイズ116は、例えば、触知アクチュエータ114の本質的な機械的振動を含めることができる。その後、測定された外部ノイズ116が、プロセッサ122またはホスト・システム126内に前もって記憶されている基準値と比較される。その差がスレッショルドより小さいとき(例えば、30%未満)にはこの値が更新され、そうでなければシステムは、データベースから獲得した値をさらに参照する。

0023

同様に、圧力/力、温度、湿度、および赤外線(IR)エネルギー放射を、皮膚状態検出器108を通じて収集できる。それに代えて/それに加えて、皮膚インピーダンス、IR‐PPGフォトプレチスモグラフィ)信号のテンプレート等の情報をデータベースから読み出すことができる。

0024

背景情報の評価が完了した後、システムは、接触している皮膚102の受容野104を通じた触知アクチュエータ114からのテスト信号St1の伝播を示す信号伝播検出器110の検出結果および触伝達媒体112からのテスト信号St2の伝播を示す皮膚状態検出器108の検出結果を連続的に追跡し、それによる皮膚の特性(例えば、電気的インピーダンス、圧力/力、温度、湿度、赤外線(IR)エネルギー放射の画像分布、および皮膚の歪み)の評価を開始する。テスト信号St1は、アクチュエータ・コントローラ118を使用して触知アクチュエータ114によって生成され、テスト信号St2は、放出器コントローラ119を使用して非接触信号放出器113から放射/放出される。

0025

信号伝播検出器110によって受け取られることになる信号は、触知アクチュエータ114によって生成されるテスト信号St1および外部ノイズ116の成分Enの両方を含むことになる。これに対して、皮膚状態検出器108によって受け取られることになる信号は、外部ノイズ116の成分Enおよび、触伝達媒体112と人間の皮膚102の間の接触に応答して触伝達媒体112の表面に印加される皮膚接触反応信号Ssを含むことになる。プロセッサ122は、テスト信号St1およびテスト信号St2から減衰定数および位相定数を抽出し、触伝達媒体112のパラメータ(機械的、電気的、熱的)を最適化するコントロールを、外部ノイズ116が減少するか、補償されるように人間の皮膚102の受容野104に印加される知覚可能な信号またはパターンである触知/触覚情報Shのための伝播条件を最適化することによって実行する。触知/触覚情報Shは、触伝達媒体112と人間の皮膚102の直接接触を通じて、短距離のギャップを通じて、またはグローブ等の物体を通して人間の皮膚102の受容野104に印加され得る。
まとめると、この実施態様における信号伝播検出器110の検出結果および皮膚状態検出器108の検出結果は次のとおりとなる。



これにおいてkMは、触伝達媒体112に依存する係数である。kMは、0からNまでの範囲である(Nは、1以上の数である)。kCは、触伝達媒体112と人間の皮膚102の受容野104の間における皮膚の接触状態に応じた係数である。kCは、0から1までの範囲である。kC=1となる状態は、触伝達媒体112が人間の皮膚102の受容野104のエリア全体と接触している状態に対応する。
この実施態様において、テスト信号St1および皮膚接触反応信号Ssのテンプレート/標本がデータベース内に記憶される。より詳細には、テスト信号St1のテンプレート/標本として、kM=1およびEn=0のときの信号伝播検出器110の検出結果が記憶される。さらに、皮膚接触反応信号Ssのテンプレート/標本として、kC=1(完全接触)、St1=0およびEn=0のときの皮膚状態検出器108の検出結果が記憶される。

0026

特に、プロセッサ122がアクチュエータ・コントローラ118、放出器コントローラ119、および伝達媒体コントローラ120をコントロールして上記の調整を実行する。多様な方法を適用して触伝達媒体112のパラメータを変更できる。例えば、LEDの埋め込みメッシュを用いた照射によって触伝達媒体112の密度または弾性が変更可能となるように、触伝達媒体112が特定スペクトルを有する光に感応してするポリマ構造を有することができる。それに代えて、特定の方向におけるノイズ信号伝播を減少させるか、または所定周波数範囲内の擾乱を完全に補償することができる。

0027

それに代えて、ゴム弾性マイクロナノ‐アクチュエータの埋め込みメッシュまたは織布を電気的にコントロールしてもよい。磁気レオロジ物質を満たしたナノ‐パイプ磁界によってコントロールできる。あるいは、人間の皮膚102と接触しなければならない触伝達媒体112の構造内への適用が安全であり、かつ可能な電気レオロジ流体等の当業者に適切技術手段(複合ゲル類似物質)を任意に使用できる。

0028

その他の、加熱/冷却条件、湿度および電気的インピーダンス等の人間の皮膚102との接触に関係するパラメータを測定し、相応じて調整することができる。例えば、温度/湿度条件は、接触エリア多孔性表面を通じて循環するエア・フローによって調整可能である。

0029

図2は、触知イメージング・システムの代替実施態様を図解しており、それにおいては、複数のRf触知コントロール・ユニット106が、人間の皮膚102の受容野104との接触がもたらされるインテリジェント触伝達媒体128の本体内統合される分散型構成要素のメッシュとして提供される。分散型構成要素は、有線および無線のデータ転送ならびに電力供給充電のための任意の適切なテクニックを使用するデータ/コントロール・バスを通じてプロセッサ112と接続される機能的に完全なユニットに組み立てること、または積層化することができる。

0030

例えば、積層化されたMFC(マクロファイバ複合材)またはEAP電気活性ポリマ)アクチュエータを、ファイバ・センサ(例えば、ポリマまたはシリカ・ファイバのブラッグ格子に基づく力および圧力、歪みおよび温度センサ)とともに触伝達媒体の本体内に埋め込むことができる。

0031

図3(a)、図3(b)、図3(c)は、触知イメージング・システムの積層化された構造を例証する。触伝達媒体は、図3(b)に示されているとおり3層からなるとすること、または図3(c)に示されているとおり2層からなるとすることができる。

0032

図3(a)および図3(b)に示されているとおり、外層130は、Rf触知コントロール・ユニットの各表面にわたって一種矩形X‐Yグリッドまたはその他の方法で分布されたファイバ・センサの埋め込みマトリクスを有する可撓性の変形可能なコーティング材料(例えば、シリコン、ポリウレタンシート、織布、または構造形成賦形剤を伴う複合ゲル類似物質)を提供する。外層130は、複数の皮膚状態検出器108および複数の信号伝播検出器110を含み、従って、触伝達媒体128を通じた触信号の伝播を検出する機能を有する。

0033

図3(b)に示されているとおり、内層132は、複数の触知アクチュエータ114および複数の非接触信号放出器113を含み、それらは、仕様に従って触信号およびパターンを効率的に生成するべく配置され、任意の適切な技術手段を用いて実装され得る。触知アクチュエータの他に、この(内)層は、人間の皮膚への触信号の伝播およびタッチ接触の条件に影響を与える伝達媒体の機械的、熱的、および電気的(伝導度)特性の変更が可能なその他のタイプの被作動構成要素、ファイバ、および賦形剤を含むことができる。3番目の層134は、統合された無線電源システムおよびアクチュエータ・コントローラ118、放出器コントローラ119、および伝達媒体コントローラ120を伴う可撓性の変形可能な回路ボードを提供する。

0034

外層130および内層132は、図3(c)に示されているとおり、単一の層に結合することが可能である。この場合においては、例えば、センサとしてだけでなく、アクチュエータとしても機能できるセルフセンシングトランスデューサとして触知アクチュエータ114を提供し、皮膚状態検出器108および信号伝播検出器110を省略することができる。

0035

図4に示されているとおり、触知イメージング・システムを、モジュラ機能ノードを提供する被作動ファイバに結合されたセンサが高度に集積化されたミニチュアの神経類似構造として構成でき、そこからの情報フローを検出器108および110によって収集し、触知イメージング・システムのプロセッサ122へ、例えば無線通信を通じて送信することができる。

0036

触知イメージング・システムの2番目の層134内に配置されたモダリティ固有のノードによって神経類似センサのグループから同じRfコントロール・ユニットの、同じモダリティ(機械的、熱的、電気的)のセンサからの求心性の情報、および/またはテスト信号を収集し、プロセッサ122への送信前に前処理することができる。

0037

以上、いくつかの実施態様に関して方法を説明してきたが、これらの設計および方法は記述された実施態様に限定されることなく、むしろそれが付随する特許請求の範囲の精神ならびに範囲内における修正および変更を伴って実施可能であることは当業者に認識されるであろう。従って、この説明は、限定ではなく例証であると考えられるべきである。

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