專利名稱：光學式觸覺傳感器和使用該傳感器的力矢量分布再構成法的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學式觸覺傳感器，尤其是涉及在機器人手用的觸覺傳感器。
背景技術：
在考慮通過觸覺傳感器來了解接觸面的接觸狀態時，加在接觸面各點上的力是具有大小和方向的三個分量的矢量。在圖1的座標系中把它表示為f(x，y)。其中由于f是矢量，所以實際上在各點其具有三個分量x、y、z。在把各自的組成部分明確進行表示時，則表示為f(x，y)＝[fx(x，y)，fy(x，y)，fz(x，y)]。
本申請的發明者等提出有能測量三維力矢量分布的光學式觸覺傳感器。該光學式觸覺傳感器在國際公開公報WO02/18893 A1中被公開，并在這里結合做出參考。該光學式觸覺傳感器的原理可根據圖2進行說明。光學式觸覺傳感器包括透明彈性體1和CCD照相機。通過把配置在透明彈性體內部的球狀標志3、4由CCD照相機進行攝影，來測量向彈性體表面加力時彈性體內部的變形信息，并根據該信息來再構筑力的分布。
把彈性體表面取為x-y平面，把垂直于x-y平面的方向取為z軸，通過使用CCD照相機從z方向對球狀標志進行攝影，對施加力時測量點的移動進行測量以作為xy平面方向的移動矢量。然而由于信息量不足，很難從應力信息來再構力分量分布。所以，在彈性體內部不同的深度把紅色球狀標志、藍色球狀標志作為測量點，通過分別配置N×N個，來求出兩組深度不同的二維移動矢量，通過把其作為各自不同的信息處理，從而增加信息量以再構力矢量分布。
上述的光學式觸覺傳感器一般來說是采用具備平面狀表面的光學式觸覺傳感器。由于該表面作為二維圖像信息而被攝影，所以采用與二維圖像信息對應的平面狀表面是自然的選擇。且具備平面狀表面的傳感器其力矢量分布的再構成比較容易。
該形式的光學式觸覺傳感器具有這樣一些優點能測量三維力矢量分布，且具有的彈性體具備與物體接觸的柔軟表面。例如把該光學式觸覺傳感器設置在人型機器人的機器人手上的情況下，需要不使玻璃損壞掉落地抓住。為了防止玻璃掉落就需要感知在與玻璃表面平行方向上作用的力。這點，利用所述光學式觸覺傳感器是能做到的。在此，在考慮光學式觸覺傳感器的多種用途時，就需要制作不僅具備平面狀表面而且具備自由的任意形狀表面的觸覺傳感器。但再構作用在該自由曲面狀表面上的力矢量分布是困難的。這里，具有自由曲面的觸覺傳感器公開于“使用壓力傳導橡膠的自由曲面型觸覺傳感器的研究”，Shimojo等，日本機器人學會1G24、2002。但在該傳感器中沒能獲得力矢量分布。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具備自由曲面表面的光學式觸覺傳感器。
本發明的其他目的在于根據圖像信息把作用在自由曲面狀表面上的力矢量分布進行再構成。
本發明的其他目的在于提供一種機器人手用的觸覺傳感器或是作為計算機用接口而能使用的觸覺傳感器。
本發明的其他目的在于提供一種求傳遞函數的方法，其能使用標志信息來計算力矢量分布。
本發明涉及具備觸覺部和攝影裝置的光學式觸覺傳感器。該觸覺部由透明彈性體和設置在該彈性體內的多個標志組構成，各標志組分別由多個有色標志構成，構成不同標志組的標志的每組具有相互不同的顏色。該彈性體具有自由曲面狀的表面(非平面表面)。攝影裝置在物體接觸到了該彈性體的接觸面時對彈性體內該有色標志的動作進行攝影并取得標志圖像信息。傳感器具有根據關于標志動作的信息(例如標志的移動矢量)再構成力矢量分布的力矢量分布再構成裝置。關于標志動作的信息能根據標志的圖像信息得到。
通過對該有色標志的動作進行攝影，來觀測在物體接觸到了該彈性體時該有色標志至少一個或一個以上的位移、變形、傾斜。根據接觸對象與傳感器接觸時的有色標志的信息，能檢測透明彈性體內部的變形信息、據此計算的接觸對象的形狀和接觸界面(包含彈性體的面、接觸對象的面這雙方)上作用的力的信息。根據本發明，通過把多種信息進行“色編碼”的簡單方法就能進行個別采集，能通過光學式同時得到多種觸覺信息。根據本發明，通過“色編碼”能收集超過未知數的數的獨立觀測值(關于標志的動作的信息)，通過穩定地解逆問題，而能推定并再構筑力矢量。
有色標志通過攝影裝置，優選為CCD照相機而被攝影，并進行圖像處理。例如，標志的動作就能從被攝影的標志圖像而作為所求的標志移動信息來取得，把物體接觸時與在此以前狀態(沒有外力作用在透明彈性體上的狀態)的圖像進行比較，檢測標志的移動信息。或在平常時(沒有外力作用在透明彈性體上的狀態)以不能識認標志的配置狀態預先把標志埋設在透明彈性體內，在物體接觸到了透明彈性體時，根據由各標志存在位置周邊的變形而引起的標志的位移、變形、傾斜來識認標志，根據有色標志的外觀等來檢測信息。或是其他的理想形式是把標志(例如是臺階狀的帶狀標志時)的動作作為標志亮度的變化來取得。
力矢量分布再構成裝置中具有傳遞函數，其用于根據由該攝影裝置取得的關于標志動作的信息(例如物體接觸到了觸覺面時各標志的移動信息，即移動矢量)再構成加在觸覺面上的力矢量乃至力矢量分布。傳遞函數是與加在傳感器表面上的力信息和關于標志動作的信息(例如移動矢量)相關聯的函數。在物體接觸到了彈性體的觸覺表面時對該有色標志進行攝影并取得標志圖像，根據該標志圖像取得關于標志動作的信息。作為形式之一，關于標志動作的信息是把物體接觸了彈性體的接觸狀態的標志信息與物體沒接觸彈性體的正常狀態的標志信息進行比較而得到的。作為形式之一，通常狀態下的標志信息是作為位置信息和亮度信息這樣的數值信息存儲在存儲裝置中。關于標志動作的信息，其根據接觸狀態下的標志圖像信息和預先存儲的平常狀態的標志信息就能得到。
通過把取得的信息輸入到傳遞函數中來把力矢量作為輸出來求。向傳遞函數中輸入的關于標志動作的信息的數量比要求出的力矢量的數量多。一般來說，力矢量分布再構成裝置是由具有存儲裝置和處理器的計算機構成的。該存儲裝置中存儲有傳遞函數，并通過處理器實行計算。作為形式之一，力矢量分布再構成裝置具有第一處理器，其根據標志圖像信息來計算關于標志動作的信息；第二處理器，其根據關于標志動作的信息來計算力矢量。作為形式之一，該第一處理器是局部處理器，該第二處理器是中央處理器。
傳遞函數也能由彈性體的形狀并根據從彈性體理論導出的公式進行計算，但在彈性體表面的觸覺面是自由曲面的情況下，傳遞函數最好是通過實測或是模擬來制作。實測或是模擬的傳遞函數，其是根據在配置于表面上的采樣點加上例如x方向、y方向、z方向規定的力時關于標志動作的信息(例如移動矢量)來求的。
通過實測求傳遞函數的步驟，具有以下的步驟。在傳感器的表面上離散狀地配置多個采樣點。取得在各采樣點規定的多個方向上加上規定大小的力時關于標志動作的信息。作為理想形式之一，是規定的方向包含x方向、y方向、z方向。根據在各采樣點上向x方向、y方向、z方向這樣規定的方向上加的已知規定大小的力和關于標志動作的信息來制作傳遞函數。
具有自由曲面表面的光學式觸覺傳感器，作為理想形式之一，是指型傳感器。指型傳感器其指尖的壁部由透明彈性體形成，該透明彈性體的表面形成傳感器的表面。更理想的是在該透明彈性體的背部設置有指甲狀基部，在該指甲狀基部上設置照相機這樣的攝影裝置。作為其他理想形式，是傳感器具備局部處理器和中央處理器。該局部處理器根據標志的圖像信息計算關于標志動作的信息，該中央處理器使用該傳遞函數根據關于標志動作的信息來計算力矢量分布。最好是局部處理器安裝在機器人的手背或手掌上。
其他形式具有自由曲面表面的光學式觸覺傳感器，作為計算機接口使用。作為接口能舉例制作3D圖形的模擬工具的接口。在這種接口中采用的光學式觸覺傳感器其理想形式之一是由球狀或部分球形狀的彈性體構成，其具有球面或球面的部分表面。
該攝影裝置的理想的形式是配置在物體接觸該透明彈性體一側的相反側。在是具有相互不同顏色的多個有色標志的情況下，最好是僅選擇某有色標志并通過個別捕捉來謀求攝影后處理上的方便。有色標志的選擇例如通過使用濾色片來進行。為了使標志圖像穩定化，最好在該觸覺表面設置遮光層。
理想的形式是在該透明彈性體中埋設多個標志組，各標志組分別由多個標志構成，構成不同標志組的標志的每組具有相互不同的顏色，且該標志組具有相互不同空間的配置。作為該不同空間的配置例子在該彈性體的壁厚內層合狀地配置的多個標志組。層合狀標志組的具體例是構成該標志組的標志是球狀的微細顆粒，構成各層標志組的球狀標志具有相互不同的顏色。其他的空間配置包括相互交叉配置的多個標志組。作為又其他的空間配置包括各標志組由向相同方向延伸的多面組構成，該面的延伸方向和顏色是每個各標志組相互不同。有色標志的形狀沒有特別的限制，優選的是球狀、圓筒狀、圓柱狀、帶片狀、平面狀各形狀。
圖1是表示在觸覺傳感器與接觸對象之間產生的力矢量分布的圖；圖2是光學式觸覺傳感器的原理圖；圖3是本發明光學式觸覺傳感器的模式圖；圖4是說明作用在接觸表面上的力矢量分布和標志移動的圖；圖5是在力矢量分布再構成中使用的傳遞函數取得方法的說明圖；圖6是表示半球狀觸覺傳感器實施例的圖；圖7是表示指型觸覺傳感器實施例的圖；圖8是表示指型觸覺傳感器其他實施例的圖；圖9是表示指型觸覺傳感器又其他實施例的圖；圖10是表示標志其他實施例的圖；圖11是表示標志其他實施例的圖；圖12是表示標志其他實施例的圖；圖13是表示標志其他實施例的圖。
具體實施例方式
圖3表示的是本發明光學式觸覺傳感器裝置的結構，該傳感器裝置具有由透光性彈性部件構成的透明彈性體1，透明彈性體1具有曲面狀的表面2，即用于進行觸覺的表面。透明彈性體1內接近表面2處沿表面2曲面地埋設有多個有色標志3、4，由透明彈性體1和配置在彈性體內的有色標志3、4構成觸覺部。
有色標志3、4由兩組有色標志組構成，兩組標志組分別被埋設在距離表面2不同的深度處。構成一個標志組的有色標志3和構成另一個標志組的有色標志4具有相互不同的顏色。例如一個標志組是由多個藍色標志3構成，而另一個標志組是由多個紅色標志組4構成。
當物體5接觸到透明彈性體1的觸覺面2時，設置在透明彈性體1內部的有色標志3、4就由該彈性體的內部變形而移動。傳感器裝置還具備作為攝影裝置的照相機6和光源7。光學式照相機6把透明彈性體1夾在中間地被配置在物體5接觸側的相反側位置上，通過照相機6把標志3、4的變位和動作進行攝影。光源7也可以使用例如光纖那樣的波導進行引導。通過攝影裝置的照相機6取得的標志3、4的圖像信息被發送到構成力矢量分布再構成裝置的計算機8中。力矢量分布再構成裝置包括處理器、存儲部、顯示部、輸入部、輸出部、其他安裝在通用計算機上的裝置。處理器計算關于圖像中的標志移動和動作的標志信息(例如移動矢量)。處理器還使用標志信息(例如移動信息)和存儲在存儲部中的傳遞函數來再構成從物體5作用在表面2上的力分布。
透明彈性體1最好是由硅橡膠形成，但也可以由其他橡膠類和彈性材料等其他彈性部件形成。標志最好是由彈性部件形成，更理想的是由與透明彈性體1相同的材料構成，作為理想形式之一是在硅橡膠中加有色素的結構。由于不要由標志給彈性體本體變形帶來阻礙，所以使標志也由彈性部件(最好是具有與彈性體同等彈性常數的)形成是理想的。只要標志抑制彈性體本體變形的程度是足夠微小的，則標志的材質就沒有特別的限定。且也可以由彈性體的一部分來構成標志。
本發明使多個光學標志分布在透明彈性體1中，把關于物體接觸在彈性體1上而由彈性體1的變形而引起的該標志動作(移動)的信息通過攝影裝置進行檢測。在此，標志移動是作為物體接觸在彈性體上的結果而由彈性體變形所引起的。圖3是表示了兩個標志組，但標志組的數量并不被限定，例如也可以沿表面2配置三層狀的三個標志組。
作為攝影裝置的照相機是數字式照相機，即把圖像數據作為電信號進行輸出的照相機，作為理想例之一的是CCD照相機。本發明的攝影裝置并不限定于是CCD照相機，例如其也可以是使用C-MOS式圖像傳感器的數碼照相機。如果作為標志是準備了紅、綠、藍這三種，那么為了個別地捕捉它們，有第一方法通過攝影器件的濾色片區分，這時只要看照相機的RGB輸出，就能原封不動地個別攝影各標志。第二方法攝影器件僅捕捉光的強度，作為光源準備紅、綠、藍，使發紅光時，由于僅具有來自紅的標志反射光，而其他兩種的標志光被吸收，所以結果是照相機僅捕捉紅的標志。如果分別執行綠光和藍光，則能得到與第一方法等價的信息。
為了根據由光學式觸覺傳感器得到的關于標志動作的信息(例如標志的移動矢量)來求出加在觸覺傳感器表面上的力矢量分布，就需要從關于標志動作的信息(例如移動信息)M向力信息F進行變換。從標志信息M向力信息F的變換是通過式子F＝HM來進行的。參照圖4，以下把關于從標志信息再構成力矢量分布的方法，根據從標志的移動矢量求力矢量分布的方法進行說明。在圖4中，從接觸表面開始的四個箭頭代表力矢量，八個水平箭頭代表標志的觀測移動矢量。這里，盡管為了簡化的目的僅考慮了二維截面(y軸方向省去)，但是對一般三維空間的算法是一樣的。
參數f是表示作用在接觸表面上的力矢量，參數m、n分別表示在CCD元件上藍標志和紅標志的移動矢量。考慮了離散有限的點數(圖4中是4點)。如前所述，力矢量分布各自具有三個分量(x、y、z分量)，但在此考慮二個分量(x、z分量)。一般地，以照相機攝取圖像意味著三維物體的投影至二維平面的像素平面，從而僅在水平方向(x分量和y分量)的標志移動投影到平面上。這里僅觀測在x方向分量的標志移動。
即f＝[fx(1)，fx(2)，fx(3)，fx(4)，fz(1)，fz(2)，fz(3)，fz(4)]這八個分量是想求的力分布，這里m＝[m(1)，m(2)，m(3)，m(4)]，n＝[n(1)，n(2)，n(3)，n(4)]是被測量的移動矢量。把該m、n矢量匯總而寫成X。
即X＝[m(1)，m(2)，m(3)，m(4)，n(1)，n(2)，n(3)，n(4)]。
在此，把在點1上加上x方向單位力(大小是1的力)時被觀測的各標志移動矢量m、n進行匯總，寫成Mx(1)。即Mx(1)＝[m(1)，m(2)，m(3)，m(4)，n(1)，n(2)，n(3)，n(4)]。
當f＝[1，0，0，0，0，0，0，0]時。
同樣地，把在點1上加上z方向單位力時被觀測的各標志移動矢量寫成Mz(1)，把在點2上加上x方向單位力時被觀測的各標志移動矢量寫成Mx(2)等，以下是同樣的規定。在是線性彈性體的情況下，即在所加的力分布與形變之間線性加法關系成立的彈性體(很多的彈性體滿足該性質)，給予一般的力f＝[fx(1)，fx(2)，fx(3)，fx(4)，fz(1)，fz(2)，fz(3)，fz(4)]時所產生的移動矢量x，其能被如下表示X＝Mx(1)*fx(1)+Mz(1)*fz(1)+Mx(2)*fx(2)+...+Mz(4)*fz(4)。相反，移動矢量可如前表示意味著保持力的疊合，所以彈性體是線性彈性體。
把它以矩陣形式書寫時，則成為X＝H*f，這里H＝[Mx(1)；Mx(2)；...Mz(4)]。該H有用于從力f向形變x傳遞的對應關系，所以被叫做傳遞函數。該矩陣形式寫成陣元，則為[式1]m(1)m(2)m(3)m(4)n(1)n(2)n(3)n(4)=Hmx(1,1)Hmz(1,1)Hmx(1,2)Hmz(1,2)Hmx(1,3)Hmz(1,3)Hmx(1,4)Hmz(1,4)Hmx(2,1)Hmz(2,1)Hmx(2,2)Hmz(2,2)Hmx(2,3)Hmz(2,3)Hmx(2,4)Hmz(2,4)Hmx(3,1)Hmz(3,1)Hmx(3,2)Hmz(3,2)Hmx(3,3)Hmz(3,3)Hmx(3,4)Hmz(3,4)Hmx(4,1)Hmz(4,1)Hmx(4,2)Hmz(4,2)Hmx(4,3)Hmz(4,3)Hmx(4,4)Hmz(4,4)Hnx(1,1)Hnz(1,1)Hnx(1,2)Hnz(1,2)Hnx(1,3)Hnz(1,3)Hnx(1,4)Hnz(1,4)Hnx(2,1)Hnz(2,1)Hnx(2,2)Hnz(2,2)Hnx(2,3)Hnz(2,3)Hnx(2,4)Hnz(2,4)Hnx(3,1)Hnz(3,1)Hnx(3,2)Hnz(3,2)Hnx(3,3)Hnz(3,3)Hnx(3,4)Hnz(3,4)Hnx(4,1)Hnz(4,1)Hnx(4,2)Hnz(4,2)Hnx(4,3)Hnz(4,3)Hnx(4,4)Hnz(4,4)fx(1)fz(1)fx(2)fz(2)fx(3)fz(3)fx(4)fz(4)]]>其中Hmx(x1，x2)表示的是由加在座標x＝x2表面上的x方向單位力所引起的座標x＝x1上在有m標志的深度處的x方向位移量。同樣地，Hnz(x1，x2)表示的是加在座標x＝x2表面上的z方向單位力所引起的座標x＝x1上在有n標志的深度處的x方向位移量。
這是單純的矩陣乘法，x是1*8矩陣，H是8*8方陣，f是1*8分量。因此，為了從觀測到的x求f，只要加上H的逆矩陣便可。即是f＝inv(H)*x(式1)，這里inv表示的是逆矩陣(歸一化逆矩陣)。
按照每個要素書寫時，則如式2。
fx(1)fz(1)fx(2)fz(2)fx(3)fz(3)fx(4)fz(4)=Imx(1,1)Imx(2,1)Imx(3,1)Imx(4,1)Inx(1,1)Inx(2,1)Inx(3,1)Inx(4,1)Imz(1,2)Imz(2,2)Imz(3,2)Imz(4,2)Inz(1,2)Inz(2,2)Inz(3,2)Inz(4,2)Imx(1,3)Imx(2,3)Imx(3,3)Imx(4,3)Inx(1,3)Inx(2,3)Inx(3,3)Inx(4,3)Imz(1,4)Imz(2,4)Imz(3,4)Imz(4,4)Inz(1,4)Inz(2,4)Inz(3,4)Inz(4,4)Imx(1,1)Imx(2,1)Imx(3,1)Imx(4,1)Inx(1,1)Inx(2,1)Inx(3,1)Inx(4,1)Imz(1,2)Imz(2,2)Imz(3,2)Imz(4,2)Inz(1,2)Inz(2,2)Inz(3,2)Inz(4,2)Imx(1,3)Imx(2,3)Imx(3,3)Imx(4,3)Inx(1,3)Inx(2,3)Inx(3,3)Inx(4,3)Imz(1,4)Imz(2,4)Imz(3,4)Imz(4,4)Inz(1,4)Inz(2,4)Inz(3,4)Inz(4,4)m(1)m(2)m(3)m(4)n(1)n(2)n(3)n(4)]]>其中Imx(1，1)等是inv(H)的各要素，結果是其表示的是用于計算fx(1)的m(1)的作用。
在此重要的是，這樣通過使用由傳遞函數決定的矩陣的逆矩陣來決定未知數的情況下，需要使未知數的個數超過被觀測的數據的個數或是相同的個數。如果該要求未滿足，那么很難獲得逆矩陣，即未知數的個數多而不能精確求得未知數。在圖4的例子中，如果只有一層標志層，力矢量分量不能精確確定，因為僅觀測到四個移動矢量分量，而有八個力矢量分布有待求取(這就是傳統表面分布型觸覺傳感器的情況)。為了解決該問題，要準備分色的兩層標志組，通過取得兩層標志組的各標志的移動，使獨立的觀測數據的個數增加到8個。
在一般的三維空間的情況下(該圖是追加了y軸的情況)，一點上的力矢量是3個自由度，標志的水平移動矢量是2個自由度。假如采樣點同樣地是4點時，則未知數是f＝[fx(1)，fy(1)，fz(1)，fx(2)，fy(2)，fz(2)，fx(3)，fy(3)，fz(3)，fx(4)，fy(4)，fz(4)]存在有12個，相對地，被觀測的值移動矢量是m＝[mx(1)，my(1)，mx(2)，my(2)，mx(3)，my(3)，mx(4)，my(4)]這8個，還是不足。
通過把它分為兩層來觀測，能得到16個觀測數據，這樣，就確定12個未知數。由于作為信息其是冗余的，所以能進行充分的推定。使用以上的算法根據CCD圖像來推定力矢量。例如即使是使用圖10～圖13其他標志的其他測量方法，其測量方法實質上也是相同的。
從上面描述客看出，獲得代表彈性體表面應力與內部應力之間的關系的傳遞函數(矩陣H)對本發明的光學式觸覺傳感器特別重要。這里，本發明的光學式觸覺傳感器本質上區別于傳統的矩陣型觸覺傳感器。盡管傳統的矩陣型觸覺傳感器(例如Shimojo的傳感器)包括設置于傳感器元件上的彈性體層，但是，其僅測量施加于每個陣列排列的傳感器元件上的力，而不計算施加于彈性體表面的力矢量分布。
下面說明用于求傳遞函數(矩陣H)的方法。彈性理論基本上為施加于內部微分區域(例如微小立方ΔxΔyΔz)的表面(x＝0，Δx，y＝0，Δy，z＝0，Δz)的力與該微分區域(dΔx/dx，dΔy/dx，dΔx/dy，dΔy/dy，dΔz/dy，dΔx/dz，dΔy/dz，dΔy/dz)的應力之間的關系式。總體上的彈性體是由(空間上一體的)無數的微分區域構成的。
在具有某種特征的形狀的彈性體(例如半無限彈性體)中，作為加在表面上的力與內部應變的函數，發現了把在所述微小區域應滿足的關系式能在彈性體內部的所有部位都滿足的函數公式形式。在這種情況下，只要把精細分隔的彈性體表面(觸覺面)的座標和內部標志的座標帶入到該函數中，就能求出矩陣H。
在此的數學式是函數G，把表面應力設定為fx(1)，把內部應變設定為m(x2，y2)時，可以以m(x2，y2)＝G(fx(1)，x2，y2)的形式從表面應力來求內部應變。這時例如在圖4中向點1加力時，標志2的應變則通過m(2，y2)＝G(f(1)，2，y2)來求。其中y2是已知的標志深度。
然而，這種特征形狀是罕見的，例如，即使為球形體，表面應力與內部應變的關系的函數尚未發現。根據相關的光學式觸覺傳感器，矩陣H是用前面的關系式，假定彈性體為半無限彈性體而取得的。業已發現，當用于半無限彈性體的關系式應用于自由曲面，例如半球面時，很難正確取得表面應力。因此，有必要將表面應力與內部應變以其它手段聯系起來。
將表面應力與內部應變相聯系的第一種方法是通過數值模擬。根據商業上可獲得的彈性模擬軟件，通過將彈性體分割成篩網，可以數值計算表面應力和每個篩網(前面提到的微小區域)的應變的關系以及相鄰篩網之間關系所反映的彈性形變，這里相同幅值的力施加在界面上。因此，通過將傳感器的表面分開篩網，可以通過模擬來計算當單位力在x-方向、y-方向、z-方向施加到每個篩網時各個標志的移動量。
第二方法如圖5所示，是實際上加力。向具有自由曲面的彈性體觸覺面上加已知的力F1、F2、F3、F4、...Fn。測量對于所加各自力的標志的移動矢量(分別是由已知的力所引起的標志移動)M1、M2、M3、M4、...Mn，并進行保存。F1是F1x、F1y、F1z這三個矢量，在加這些力時各自對應的標志的移動矢量是M1x、M1y、M1z。使用已知的力和得到的信息(移動矢量)來制作矩陣H。傳遞函數H是使用標志的各移動進行準備。以下進行具體說明。
在彈性體表面(觸覺面)上離散地配置多個采樣點。理想的是把采樣點配置成覆蓋觸覺面整個區域。作為形式之一是觸覺面上離散的多個采樣點的配置是使用極座標進行配置(俯視圖是配置成同心狀)。其他形式是采樣點配置成俯視圖網格狀。
在各采樣點上取得在x方向、y方向、z方向上分別作用的已知大小的力和作用了該力的各自情況下的標志移動矢量的有關信息。其理想方法之一是在各采樣點上分別加x方向、y方向、z方向規定的力，分別測量該時標志的移動矢量，并進行保存。加在采樣點上的力矢量其x方向、y方向、z方向的取得方法，是只要是使用力矢量能表示加在觸覺面上的任意的力的，其方向并不被限定。
在本發明的一方面中，在采樣點設切向平面，x方向和y方向確定為在此平面上彼此垂直，z方向確定為與此平面垂直。可選擇地，x-y平面設為與表面形狀無關，而z方向設在與x-y平面相垂直的方向。
加在各采樣點上的力是已知的力，其理想形式之一是把規定大小的力，例如100[gf]分別從x方向、y方向、z方向加在采樣點上，測量各自情況下的標志移動矢量。只要加在各采樣點上的力是已知的力，則也可以不一定是相同大小的力，根據不同的已知的力來測量標志移動矢量時，只要在后面把標志移動矢量的大小進行歸一化(normalize)便可。
只要最終能獲得將在x方向、y方向和z方向的力與標志的移動矢量相關聯的信息，那么施加在各個采樣點的力的方向不限于x方向、y方向和z方向。假設彈性體是線性彈性體，則可以考慮以下方法。首先，在某點施加z方向的力，并測量和存儲每個標志的移動量。然后，向該點施加x-y方向的力，通過從xz分量減去在z方向的力分量可獲得x方向的分量。對y方向也是相同的。
使用數學式進行說明時，則設定成Mz(n、m)表示對于格子點n、m向z方向上加力時的標志移動，
Mx(n、m)表示對于格子點n、m向x方向上加力時的標志移動，Mxz(n、m)表示對于格子點n、m向xz方向上加力時的標志移動時，可以認為Mxz(n、m)＝Mx(n、m)+Mz(n、m)，如果Mz(n、m)和Mxz(n、m)已知則也能計算Mx(n、m)。
同樣地，不僅在一點上加力，即使在多個格子點上加力，施加的力彼此分開，也是同樣的情況。
這樣，根據模擬或實測來制作把力信息F和關于標志動作的信息(例如移動信息)M連接起來的傳遞函數，即矩陣H。光學式觸覺傳感器裝置具有存儲裝置和運算處理裝置，預先制作的矩陣H被存儲在存儲裝置中。在物體接觸在透明彈性體上，有任意的力作用在傳感器表面上的情況下，通過攝影手段來取得標志圖像。根據取得的標志圖像并利用運算處理裝置來測量標志移動矢量。把測量的標志移動矢量輸入到矩陣H中并通過運算處理裝置進行計算，把作用在彈性體表面上的力矢量分布進行輸出。
把半球狀觸覺傳感器表示在圖6。構成觸覺傳感器觸覺部的透明彈性體1是半球形狀，其具有圓形平面狀的底面和半球面狀的表面。半球面狀的表面構成表面2。透明彈性體1是半徑25mm的半球體，作為透明彈性體其是使用硅制作的。在透明彈性體1的表面2上設置有黑色的遮光層。通過設置遮光層能使由CCD照相機攝影的標志圖像穩定化。
在距離觸覺表面2是2mm的深度處沿表面2的曲面配置了多個藍色球狀標志3而構成藍色球狀標志組，而且在距離觸覺表面2是3.5mm的深度處沿藍色球狀標志組配置了多個紅色球狀標志4而構成了紅色球狀標志組。標志的間隔是4mm。標志3、4是被著色了的塑料球體。透明彈性體1的底面固定在透明丙烯酸類板9上。通過該透明丙烯酸類板9與該底面相對地配置了CCD照相機。在接近CCD照相機的部位設置了未圖示的光源。通過透明丙烯板9由CCD照相機對彈性體1內部的標志3、4的移動進行攝影。圖像以NTSC形式輸出，并通過USB連接的俘獲單元向計算機發送。
圖面中表示了半球狀的觸覺部，但觸覺部的表面只要具有球面或球面的一部分便可，觸覺部實質上也可以是球狀或是把球的一部分切掉的形狀。觸覺部的形狀越接近于球面就越需要具有大視野角的攝影裝置，作為視野角大的攝影裝置的非限定性實例為使用了魚眼透鏡的攝影裝置。
具有球面或部分球面表面的觸覺傳感器，作為理想形式之一其構成鼠標和鍵盤等輸入裝置以及其他的計算機接口。更具體的是具有球面或部分球面表面的觸覺傳感器，其能在計算機畫面上如處理粘土那樣在制作3D圖形的模擬工具接口上使用。通過把手按壓在表面上進行抓握、摩擦，就能把加在表面上的力由傳感器感知，把其信息向計算機的處理部發送，能使畫面上顯示的物體的形狀變形或是研磨物體的表面。
把指型觸覺傳感器表示在圖7。指型觸覺傳感器具有與人的指尖類似的形狀，相當于指尖肉部的部位由透明彈性體1形成，把相當于指尖表面的部位作為表面2，在指尖肉部相反側的表面上設置了由鋁材形成的指甲狀部件10。指型觸覺傳感器具有高度23mm、長35mm、寬23mm的整體形狀，透明彈性體1使用的是硅膠。透明彈性體1的表面2，其與實際指尖肉的表面的輪廓是同樣的，是由曲面狀的表面構成。
在構成指尖肉部的透明彈性體1內距離曲面狀的表面2是2mm的深度處沿表面2以3mm的間隔配置有多個藍色球狀標志3，多個藍色球狀標志3構成了藍色球狀標志組。在距離曲面狀的表面2是3mm的深度處沿藍色球狀標志組以2mm的間隔配置有多個紅色球狀標志4，多個紅色球狀標志4構成了紅色球狀標志組。在表面2上設置有黑色遮光層。通過設置遮光層能使由CCD照相機攝影的標志圖像穩定化。
在指甲狀基部10的基端側一體形成有傾斜片11，其與構成指尖表面的表面2相對地傾斜狀地延伸，傾斜片11構成攝影裝置60的安裝部。攝影裝置60是前端具備CCD元件的視頻示波器，視頻示波器的基端側連接在計算機上。CCD元件與指尖的表面，即表面2和標志3、4相對地安裝在傾斜片11上。在傾斜片11的彈性體側位于彈性體與CCD元件之間配置有透明丙烯板(acrylic plate)9。在CCD元件近旁設置有未圖示的光源。使用視頻示波器把彈性體1內部的標志3、4進行攝影，其圖像向計算機發送。
在傾斜片11的端部形成有安裝部12，其用于對于機器人手安裝并支承觸覺傳感器能自由裝卸。如圖7所示，安裝部12具有螺釘孔，通過設置在機器人手上的未圖示的螺釘旋合在該螺釘孔內來支承觸覺傳感器體。在圖7的指型觸覺傳感器中沒有與位于實際指尖的末骨節相當的部件，但安裝部12是位于末骨節與中骨節的接頭部，能把安裝部12考慮成相當是關節或是指骨的一部分。
把觸覺部安裝在機器人手上的方法并不限定于是上述的。也可以把CCD元件等攝影裝置設置在設置有固定用螺釘孔的部位上。或也可以通過使光纖的前端面臨透明彈性體而把構成攝影裝置的CCD元件配置在從彈性體離開的部位處。例如也可以把指型觸覺傳感器分別設置在機器人的五根手指前端，把來自各指型觸覺傳感器的標志信息通過共同的CCD元件進行攝影，并向計算機發送。
但具備視頻示波器和光纖的指型觸覺傳感器，其有不能得到寬廣視野角的缺點。為了提供小型指型觸覺傳感器，最好視野角是90度或更大。若視野角不充分的話，則就需要從離開標志的場所進行攝影，不能使傳感器小型化。且光纖和視頻示波器的鏡頭僅具有約60度的視野角。光纖還難于得到足夠的解析度。
圖8表示了用于解決上述問題的指型觸覺傳感器實施例。指型觸覺傳感器具有與人指尖的形狀類似的形狀，與指尖肉部對應的部分由透明彈性體1形成，與指尖表面對應的部分構成表面2。與指尖肉部表面相對的表面上設置了由鋁構成的指甲狀部件100。透明彈性體1由硅形成。透明彈性體1的表面2具有與實際指尖的表面或輪廓類似的曲面。透明彈性體1內，構成藍色球狀標志組的多個藍色球狀標志和構成紅色球狀標志組的多個紅色球狀標志配置在距離該曲面的不同深度處。表面2上設置有黑色遮光層。指甲狀部件100設置在透明彈性體1的背面并支承透明彈性體1。
攝影裝置60由CCD元件和CMOS元件這樣的攝影元件和具備大于或等于90(實施例是110度)視野角的鏡頭構成。指甲狀部件100具有用于安裝攝影裝置60的開口。攝影元件安裝在指甲狀部件100的開口處，鏡頭朝向標志3、4和表面。在指甲狀部件100與透明彈性體2之間設置了板70。板70起到光導或光源的作用。
圖9是指型觸覺傳感器的其他實施例。如圖9所示，在五根手指的各指上設置了具備標志的透明彈性體和具有照相機這樣攝影裝置的觸覺部。圖9的指型觸覺傳感器具有局部處理器和中央處理器(未圖示)。局部處理器設置在末端上，例如設置在與手心或手掌對應的部位處。作為局部處理器例如是FPGA裝置。中央處理器設置在基端。安裝在指尖上的各照相機電連接在局部處理器上，由各照相機得到的各數據發送到局部處理器中，其根據得到標志圖像信息計算關于標志移動的信息。局部處理器電連接在中央處理器上，并把關于標志移動的信息向中央處理器發送，其根據關于標志移動的信息來計算力矢量分布。由于圖像信息包含有大量的信息，所以通過USB和IEEE1394這樣的數據傳送標準把圖像信息以理想的速度進行傳送是困難的。圖9所示的形式中，為了再構成力矢量分布，其把必要的信息(例如關于標志移動的信息)通過設置在照相機附近的局部處理器進行提取，被提取出的信息的量比原來的圖像信息大為減少，而向中央處理器傳送。
本發明根據理想形式之一的球狀標志進行了說明，但本發明中使用的標志形狀和配置結構并不限定于前面所述。下面根據圖10到圖13來說明其他的標志形狀和配置結構。關于這些標志的詳細情況能參照國際公開公報WO02/18893A1中的記載。且標志的形狀和配置形式并不限定于是圖示的或是所述國際公開公報中所記載的。圖11、圖12為了方便而表示了具備平面狀接觸面的觸覺傳感器，但能把這些標志的配置結構在具有自由曲面表面的觸覺傳感器中采用。
圖10是表示的由具有微小斷面的極細圓筒體或極細圓柱體構成的有色標志。在透明彈性體1的厚度內距離表面2的不同深度中，配置有兩個標志組。多個極細藍色柱狀標志30而構成的藍色標志組被埋設在表面2的近旁。多個極細紅色柱狀標志40而構成的紅色標志組被埋設在比藍色標志組深的部位處。標志沿接觸在彈性體上的物體和連接照相機的假想線延伸。各標志的配置形式并不限定于圖中所示，且也可以設置相互具有不同顏色的大于或等于三個的標志組。
圖11的上圖表示在彈性體1內臺階狀配置的傾斜面狀的面標志300、400。最好是彈性體1的部分(臺階狀的界面)形成標志300、400，但也可以把其他體的面標志埋設在彈性體1內。臺階狀的界面能劃分成具有兩個相同方向的面組。把各自的組預先著色成相同顏色(一側的界面300是藍色，而另一側的界面400是紅色)。通過觀測某點上兩色的亮度，就能得到把該點力矢量的水平、垂直分量作為信息而包含的觀測值。通過讀出它們就能再構成力矢量的面分布。
圖11的上圖中表示了兩色的帶狀面標志，但也可以使用具有三色的面標志。如圖11的下圖那樣使用在底面上集合微細立方體的所謂棱錐結構，只要把向同一方向的三組面組分別著色成同一顏色(例如Red、Green、Blue)，通過三色亮度的比率就能把水平加在接觸面上的力的自由度、通過三色的合計亮度就能把垂直加在面上的力分別求出。
圖12表示的是在彈性體內把由多個并列設置的紅色薄壁帶片構成的標志組和由多個并列設置的藍色薄壁帶片構成的標志組這兩個標志組，相互交叉(圖中所示的是正交)地進行配置。多個標志組的空間配置關系并不限定于此。且也可以把構成標志的帶片正反面由不同的顏色形成。圖11中帶片標志的面部是沿觀測方向延伸的，但該帶片標志的面部也可以對于觀測方向傾斜狀地延伸。
圖13表示的是具有多個平面標志的觸覺部。平面標志平常是通過隱蔽標志被隱蔽的。平面標志被區劃成多個部位，各部位被付與相互不同的顏色，各平面標志上具有同色的部位就構成了標志組。該平面標志和該隱蔽標志以相互存在有間隔地設置在該透明彈性體內，在該透明彈性體上沒有力作用的狀態下，該平面標志被隱蔽而觀測不到。是當產生剪切變形時，隱蔽標志和有色標志的位置偏離，并著色的結構。圖中所示圓形標志是從圓的中心分成三等分，分割成三個扇狀部，分別被涂成紅色、綠色、藍色，能從產生的顏色而知道變形的方向。
工業實用性本發明能廣泛適用于觸覺傳感器，作為合適的例子是在機器人手用的觸覺傳感器和計算機用的接口中使用。
權利要求
1.一種光學式觸覺傳感器，包括觸覺部，其包括透明彈性體和設置在該彈性體內的多個標志組，各標志組分別由多個有色標志構成，構成不同標志組的標志的每組具有相互不同的顏色，該彈性體的表面是自由曲面，攝影裝置，其在物體接觸到了由該彈性體的自由曲面構成的表面時對該有色標志的動作進行攝影并取得標志圖像信息，力矢量分布再構成裝置，其具有傳遞函數，通過該傳遞函數，根據從該標志圖像信息取得的關于標志動作的信息再構成施加在該表面上的力矢量，并且所述力矢量分布再構成裝置使用該傳遞函數并根據關于標志動作的信息再構成施加在該表面上的力。
2.如權利要求1所述的光學式觸覺傳感器，其中，該傳遞函數是通過實測求出的。
3.如權利要求1所述的光學式觸覺傳感器，其中，該傳遞函數是通過模擬求出的。
4.如權利要求1到3的任一項所述的光學式觸覺傳感器，其中，該傳遞函數是根據在配置于該表面上的采樣點上分別施加到多個規定方向的規定大小的力時的關于標志動作的信息而求出的。
5.如權利要求4所述的光學式觸覺傳感器，其中，所述規定的方向包含x方向、y方向和z方向。
6.如權利要求1到5的任一項所述的光學式觸覺傳感器，其中，該傳感器是指型傳感器，其指尖的肉部由透明彈性體形成，該透明彈性體的表面形成指尖的表面。
7.如權利要求6所述的光學式觸覺傳感器，其中，在該透明彈性體的背部設置有指甲狀基部，該指甲狀基部支承該彈性體。
8.如權利要求7所述的光學式觸覺傳感器，其中，該攝影裝置安裝在該指甲狀基部上并與該指尖的表面相對。
9.如權利要求7所述的光學式觸覺傳感器，其中，該攝影裝置安裝在指甲體的端部上并與該指尖的表面相對。
10.如權利要求1到5任一項所述的光學式觸覺傳感器，其中，該透明彈性體的表面具有球狀或包括半球的部分球的形狀。
11.如權利要求1到10的任一項所述的光學式觸覺傳感器，其中，所述力矢量分布再構成裝置具有存儲裝置和處理器，該存儲裝置存儲該傳遞函數，該處理器根據標志圖像信息計算關于標志動作的信息，并使用該傳遞函數且根據關于標志動作的信息來計算力矢量分布。
12.如權利要求11所述的光學式觸覺傳感器，其中，所述力矢量再構成裝置具有第一處理器和第二處理器，該第一處理器根據標志圖像信息來計算關于標志動作的信息，該第二處理器使用傳遞函數并根據關于標志動作的信息計算力矢量分布。
13.如權利要求1到12的任一項所述的光學式觸覺傳感器，其中，所述標志的動作包含標志的位移、變形和傾斜的至少一個。
14.如權利要求1到13的任一項所述的光學式觸覺傳感器，其中，所述標志的動作是以標志的移動信息取得的。
15.如權利要求1到13的任一項所述的光學式觸覺傳感器，其中，所述標志的動作是以標志的亮度變化取得的。
16.如權利要求1到15的任一項所述的光學式觸覺傳感器，其中，所述標志組具有相互不同空間的配列。
17.一種指型光學式觸覺傳感器，包括一個或多個透明彈性體，各透明彈性體構成指尖的肉部，該指尖的肉部具有自由曲面表面；設置在各彈性體內的多個標志組，各標志組分別由多個有色標志構成，構成不同標志組的標志的每組具有相互不同的顏色；一個或多個攝影裝置，在物體接觸到由該一個或多個彈性體的自由曲面的表面時，對該有色標志的動作進行攝影并求出標志的圖像信息；力矢量分布再構成裝置，其根據從該標志的圖像信息求出的關于標志動作的信息來求出施加在該表面上的力。
18.如權利要求17所述的指型光學式觸覺傳感器，其中，所述傳感器具有一個或多個指甲狀基部，各指甲狀基部設置在所述一個或多個透明彈性體的各自背部上，各指甲狀基部支承各透明彈性體。
19.如權利要求18所述的指型光學式觸覺傳感器，其中，所述一個或多個攝影裝置分別安裝在各指甲狀基部上并與指尖表面相對。
20.如權利要求18所述的指型光學式觸覺傳感器，其中，所述一個或多個攝影裝置分別安裝在各指甲體的基端部位上并與指尖表面相對。
21.如權利要求17到20的任一項所述的指型光學式觸覺傳感器，其中，該力矢量分布再構成裝置具有用于根據從該取得的關于標志動作的信息再構成施加在表面上的力矢量的傳遞函數，該力矢量分布再構成裝置使用該傳遞函數并根據關于標志動作的信息求出加在該表面上的力。
22.如權利要求21所述的指型光學式觸覺傳感器，其中，所述力矢量分布再構成裝置具有存儲裝置和處理器，該存儲裝置存儲該傳遞函數，該處理器根據標志圖像信息計算關于標志動作的信息，并使用該傳遞函數且根據關于標志動作的信息計算力矢量分布。
23.如權利要求22所述的指型光學式觸覺傳感器，其中，所述力矢量再構成裝置具有局部處理器和中央處理器，該局部處理器根據標志的圖像信息計算關于標志動作的信息，該中央處理器使用該傳遞函數并根據關于標志動作的信息來計算力矢量分布。
24.一種力矢量分布再構成方法，其使用權利要求1到23任一項所述的光學式觸覺傳感器，該方法包括以下步驟通過在物體接觸到該彈性體的觸覺面時對該有色標志進行攝影，取得一個或多個標志圖像；從一個或多個標志圖像取得關于標志動作的信息，該信息的數量多于有待取得的力矢量的個數；使用該傳遞函數并根據取得的信息再構成力矢量分布。
25.如權利要求24所述的力矢量分布再構成方法，其中，所述傳遞函數是根據以下步驟求得的把多個采樣點離散狀地配置在彈性體的表面上；在對各采樣點在多個規定方向上加上規定大小的力時取得關于標志動作的信息；從在各采樣點在所述規定方向上施加的已知的規定大小的力和關于標志動作的信息來獲得傳遞函數。
26.如權利要求25所述的力矢量分布再構成方法，其中，所述規定的方向包含x方向、y方向和z方向。
27.一種傳遞函數取得方法，該傳遞函數是權利要求1到23所述的光學式觸覺傳感器中的傳遞函數，該方法包括以下步驟把多個采樣點離散狀地配置在彈性體的表面上；在對各采樣點在多個規定方向上加上規定大小的力時取得關于標志動作的信息；從在各采樣點在所述規定方向上施加的已知的規定大小的力和關于標志動作的信息來取得傳遞函數。
28.如權利要求27所述的傳遞函數取得方法，其中，所述規定的方向包含x方向、y方向和z方向。
29.一種光學式觸覺傳感器，包括觸覺部，其包括透明彈性體和設置在該彈性體內的多個標志組，各標志組分別由多個有色標志構成，構成不同標志組的標志的每組具有相互不同的顏色，該彈性體的表面是自由曲面，攝影裝置，其在物體接觸到了由該彈性體的自由曲面構成的表面時對該有色標志的動作進行攝影并取得標志圖像信息，存儲裝置，其存儲傳遞函數，該傳遞函數用于根據該關于標志動作的信息再構成加在表面上的力矢量；一個或多個處理器，其根據標志的圖像信息計算關于標志動作的信息，并使用傳遞函數根據關于標志動作的信息計算施加在所述表面的力矢量。
全文摘要
提供一種具備由自由曲面構成的觸覺部的光學式觸覺傳感器。其是具備觸覺部和攝影手段的光學式觸覺傳感器，該觸覺部由透明彈性體(1)和設置在該彈性體內的多個標志組構成，各標志組分別由多個有色標志構成，構成不同標志組的標志的每組具有相互不同的顏色，該彈性體的表面(2)是自由曲面，該標志組沿該自由曲面配置。在物體接觸到了該彈性體時由攝影手段對該有色標志的動作進行攝影。觸覺傳感器其理想的是指型觸覺傳感器。
文檔編號G01L1/24GK1853093SQ20048002671
公開日2006年10月25日 申請日期2004年5月21日 優先權日2003年9月16日
發明者溝田晃一, 神山和人, 梶本裕之, 川上直樹, 館暲 申請人:株式會社東京大學Tlo
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