触覚センサー

触覚センサーは、周囲環境との物理的な相互作用から生じる情報を測定する装置です。触覚センサーは一般的に、機械的刺激、温度、痛みなどから生じる刺激を検出できる生物学的感覚である皮膚の触覚をモデルにしています（ただし、人工触覚センサーでは痛みの感知は一般的ではありません）。触覚センサーは、ロボット工学、コンピュータハードウェア、セキュリティシステムなどで使用されています。触覚センサーの一般的な用途としては、携帯電話やコンピュータのタッチスクリーンデバイスが挙げられます。

触覚センサーには、ピエゾ抵抗型、圧電型、光学型、容量型、弾性抵抗型センサーなど、さまざまな種類があります。^{[ 3 ]}

触覚センサーは、エレベーターのボタンや、台座に触れることで明るさが変わるランプなど、日常生活の様々な場面で見られる。

非常に小さな変化を測定するセンサーは、非常に高い感度を備えている必要があります。センサーは、測定対象にほとんど影響を与えないように設計する必要があります。センサーを小型化することで、多くの場合、この特性が向上し、その他の利点も得られる可能性があります。触覚センサーは、あらゆる種類のアプリケーションの性能テストに使用できます。たとえば、これらのセンサーは、自動車の製造（ブレーキ、クラッチ、ドアシール、ガスケット）、バッテリーの積層、ボルト接合部、燃料電池などに使用されています。

触覚イメージングは​​、触覚をデジタル画像に変換する医療画像診断法であり、触覚センサーに基づいています。触覚イメージングは​​、触診を忠実に再現します。なぜなら、圧力センサーアレイが表面に取り付けられた装置のプローブは、臨床検査中の人間の指と同様に機能し、プローブによって軟組織が変形し、それによって生じる圧力パターンの変化を検出するからです。

精密さ、器用さ、または特殊な物体との相互作用を必要とする物体と相互作用するように設計されたロボットは、人間の触覚能力と機能的に同等の感覚装置を必要とします。ロボットで使用するために触覚センサーが開発されています。 ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}触覚センサーは、ロボットが物体をつかみ始めるときに追加の情報を提供することで、視覚システムを補完することができます。この時点では、物体の機械的特性は視覚だけでは判断できないため、視覚だけでは不十分です。重量、質感、剛性、重心、曲率、摩擦係数、および熱伝導率を判断するには、物体との相互作用と何らかの触覚センシングが必要です。

様々な種類のロボットでは、衝突回避や操作などのタスクに、いくつかの種類の触覚センサーが使用されています。同時位置特定とマッピングのためのいくつかの手法は、触覚センサーに基づいています。^{[ 7 ]}

圧力センサアレイは、タクテルの大きなグリッドです。「タクテル」とは「触覚要素」のことです。各タクテルは、通常の力を検出することができます。タクテルベースのセンサは、接触面の高解像度の「画像」を提供します。空間分解能と力感度に加えて、配線や信号ルーティングなどのシステム統合の問題も重要です。^{[ 8 ]}圧力センサアレイは薄膜の形で入手可能です。これらは主に、製造および研究開発プロセスでエンジニアや技術者が使用する分析ツールとして使用され、ロボットでの使用にも適応されています。消費者が入手できるこのようなセンサの例には、導電性ゴム、^{[ 9 ]}チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、PVDF-TrFE、^{[ 10 ]} FET、^{[ 11 ]}および金属容量センシング^{[ 12 ] [ 13 ]}要素から構築されたアレイがあります。

高解像度データを提供するためにカメラのような技術を利用した触覚センサーがいくつか開発されている。代表的な例として、MITで最初に開発されたGelsight技術がある。これは、不透明なゲル層の後ろにあるカメラを使用して高解像度の触覚フィードバックを実現する。^{[ 14 ] [ 15 ]} Samsungの「See-through-your-skin」（STS）センサーは、半透明のゲルを使用して触覚と光学イメージングを組み合わせたものを生成する。^{[ 16 ]}

ひずみゲージロゼットは複数のひずみゲージで構成されており、各ゲージは特定の方向の力を検出します。各ひずみゲージからの情報を組み合わせると、力やトルクのパターンを決定できます。^{[ 17 ]}

生物に着想を得たさまざまな設計が提案されており、一度に 1 つの点のみを測定する単純なヒゲのようなセンサー^{[ 18 ]}から、より高度な指先のようなセンサー^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}、最新のiCubのような完全な皮膚のようなセンサーまで多岐にわたります。生物に着想を得た触覚センサーは、多くの場合、複数のセンシング戦略を組み込んでいます。たとえば、圧力センサーアレイとひずみゲージロゼットから得られる圧力分布と力のパターンの両方を検出し、人間の能力のような2 点識別と力センシングを可能にする可能性があります。

生物学的に設計された触覚センサーの高度なバージョンには振動感知が含まれており、センサーが物体上を滑る際の触覚センサーと物体との相互作用を理解する上で重要であることが判明しています。このような相互作用は、人間の道具の使用や、物体の質感、さらには曲率を判断する上で重要であることが現在では理解されています。^{[ 19 ] [ 6 ]}そのようなセンサーの1つは、力感知、振動感知、および熱伝達感知を組み合わせています。^{[ 1 ]}

生物にヒントを得た触覚センサーにより、ロボットは周囲を1.76°の精度で認識することができ、盲目状態でのナビゲーションやテクスチャ認識が可能になります。^{[ 6 ]}

近年、高度な触覚センサーがオープンハードウェア化され、愛好家やホビイストが、これまで高価だった技術を実験できるようになった。^{[ 22 ]}さらに、安価な光学カメラの登場により、3Dプリンターで簡単かつ安価に製造できる新しいセンサーが提案されている。^{[ 23 ]}

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