使用光學式觸覺傳感器的力矢量再構成法的制作方法

專利名稱：使用光學式觸覺傳感器的力矢量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，詳細說就是涉及使用光學式觸覺傳感器的力矢量再構成法。
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x、y、z這三分量。在把各自的分量明確進行表示時，則表示為f(x，y)＝[fx(x，y)，fy(x，y)，fz(x，y)]。由于力分布在各接觸點具有三分量，所以，為了通過觸覺傳感器而把接觸面的力分布進行再構成時，至少對于接觸面的各點必須得到大于或等于三個的自由度的信息。
本申請的發明者等開發了能測量三維矢量分布的光學式觸覺傳感器。光學式觸覺傳感器的原理可根據圖2進行說明。光學式觸覺傳感器是使用透明彈性體1和CCD照相機的結構。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，來測量向表面加力時彈性體內部的變形信息，再構筑力的分布。
把彈性體表面取為xy平面，把垂直方向取為z軸，通過使用CCD照相機從z方向對球狀標志進行攝影，把加力時測量點的移動作為xy平面方向的移動矢量來進行測量。但原封不動則信息量少，根據變形信息來再構筑力矢量分布是困難的，所以在彈性體內部不同的深度把紅色球狀標志3、蘭色球狀標志4作為測量點，通過分別配置N×N個，來求出兩個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來增加信息量就容易求出力矢量分布。
但為了求力矢量所需要的時間是與構成傳感器面的接觸面大小(關于標志動作的信息量)的4次冪成比例地大，若接觸面大則就因為這點計算時間就長，就有可能不能實時讀出。即使傳感器面是比較小的面積，但在測量密度高的情況下則關于標志動作的信息量就多，為了計算力矢量分布所需要的時間就長，就不能進行實時讀出。因此，在考慮光學式觸覺傳感器的實用化和應用時，如何把用于求力矢量分布的計算時間縮短就是重要的課題。
專利文獻1國際公開公報WO02/18893A1發明內容本發明的目的在于提供一種手法，其即使在傳感器的接觸面是大面積或接觸面的測量密度高的情況下，也能縮短用于力矢量計算的計算時間。
為了解決該目的，本發明采用的技術手段是使用光學式觸覺傳感器的力矢量再構成法，其包括取得標志圖像步驟，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時對該有色標志的動作進行攝影并取得標志圖像；取得信息步驟，其根據該標志圖像取得比要求出的力矢量個數多的關于標志動作的信息(例如作為標志移動信息之一的移動矢量)；取得力矢量步驟，其通過把取得的關于標志動作的信息向傳遞函數中輸入而把力矢量作為輸出來取得，取得力矢量的步驟，其在力矢量的計算中省去有關貢獻度低的標志動作的信息來計算力矢量。例如只要加力點與標志的距離充分離開，則在力矢量的計算中就能考慮從加力點離開的標志其影響小，就能考慮離開的標志其在力矢量的計算中貢獻度低。
作為理想形式之一是取得力矢量的步驟，其僅使用有關在要求出的力矢量位置近旁的標志動作的信息來計算力矢量。通過僅使用希望位置近旁的標志信息，能把傳遞函數，即矩陣小型化。矩陣中由于是希望的標志，所以通過把反映離開大于或等于一定程度位置標志信息的矩陣要素設定為0，就能減輕矩陣的計算。作為其他的理想形式是，得到力矢量的步驟省去該矩陣要素中接近0的要素來計算力矢量。這樣也同樣地能減輕矩陣的計算。
作為其他的理想形式是，該要求出的力矢量位置是由一個或多個采樣點所構成，且在構成該要求出的力矢量位置的采樣點周圍配置多個力的采樣點，使用要求出的力矢量位置近旁的關于標志動作的信息來分別計算在該要求出的力矢量位置和該位置周圍的多個力采樣點上作用的力矢量，在計算出的力矢量中僅采用作用在該要求出的力矢量位置上的力矢量。且更理想的是該采樣點隨著從該要求出的力矢量位置離開而被稀疏配置。
作為其他的理想形式是，力矢量再構成法包括取得標志圖像步驟，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時對該有色標志的動作進行攝影并取得標志圖像；取得信息步驟，其根據該標志圖像取得比要求出的力矢量個數多的關于標志動作的信息；得到力矢量步驟，其根據取得的關于標志動作的信息和傳遞函數來取得作用在該接觸面上的力矢量，得到力矢量步驟包括配置采樣點步驟，其根據該標志圖像設定規定大小的小區域，在該小區域內外配置多個力矢量的采樣點；計算力矢量步驟，其根據該小區域內的標志信息和傳遞函數來計算該多個力矢量的作用在采樣點上的力矢量；采用力矢量步驟，其采用作用在該小區域內配置的多個采樣點中至少一部分采樣點上的力矢量。更理想的是采樣點在該小區域內被稠密配置，隨著從該小區域離開而稀疏配置。
本發明提供一種力矢量再構筑裝置，其包括取得標志圖像部件，其在物體接觸到該彈性體的接觸面時對該有色標志的動作進行攝影，并取得標志圖像；取得信息部件，其根據該標志圖像取得比要求出的力矢量個數多的關于標志動作的信息；配置采樣點部件，其根據該標志圖像設定規定大小的小區域，在該小區域內外配置多個力矢量的采樣點；計算力矢量部件，其把該小區域內的標志信息給予傳遞函數來計算該多個力矢量的作用在采樣點上的力矢量；采用力矢量部件，其采用作用在該小區域內配置的多個采樣點中至少一部分采樣點上的力矢量。
本發明還提供一種程序，其用于使構成力矢量再構成裝置的計算機具有下面的功能取得標志圖像部件，其在物體接觸到該彈性體的接觸面時對該有色標志的動作進行攝影，并取得標志圖像；取得信息部件，其根據該標志圖像取得比要求出的力矢量個數多的關于標志動作的信息；配置采樣點部件，其根據該標志圖像設定規定大小的小區域，在該小區域內外配置多個力矢量的采樣點；計算力矢量部件，其把該小區域內的標志信息給予傳遞函數來計算該多個力矢量的作用在采樣點上的力矢量；采用力矢量部件，其采用作用在該小區域內配置的多個采樣點中至少一部分采樣點上的力矢量。
光學式觸覺傳感器具有由透明彈性體和設置在該彈性體內的多個標志組構成的觸覺部，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其每組具有相互不同的顏色。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變位、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“分色”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“分色”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。
有色標志通過攝影設備，其一個最好的例就是CCD照相機而被攝影，并進行圖像處理。例如，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(例如移動矢量)。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變位、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。
光學式觸覺傳感器中容納有傳遞函數，其用于根據由該攝影設備取得的關于標志動作的信息(例如物體接觸到了接觸面時各標志的移動信息，即移動矢量)再構成加在接觸面上的力矢量乃至力矢量分布。傳遞函數是與加在接觸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接觸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，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。
作為構成該傳遞函數的矩陣的制作法，能從彈性體理論導出的公式進行計算，也有通過實測進行計算的和通過模擬進行計算的。
該攝影設備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位置上。且在是具有相互不同顏色的多個有色標志的情況下，最好是通過僅選擇某有色標志來個別進行捕捉以謀求攝影后處理上的便利。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，最好在該接觸面上設置遮光層。
對標志的配置結構進行說明。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其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能舉出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小片，構成各層標志組的球狀標志具有相互不同的顏色。其他的空間配置的例能舉出相互交叉配置的多個標志組。作為又其他的空間配置能舉出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，若舉合適的例則考慮是球狀、圓筒狀、圓柱狀、帶片狀、平面狀各形狀。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。
根據本發明，能把用于計算力矢量的傳遞函數，即矩陣的尺寸縮小，這樣，就能縮短計算力矢量的計算時間。因此，即使是具備大面積接觸面的傳感器，也能實時進行讀出。


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，上圖是透明彈性體的平面圖(CCD圖像)，下圖是透明彈性體的側面圖，在透明彈性體中埋設了兩種標志組，在有力從下方作用在透明彈性體上時，標志從左圖向右圖地移動；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(平面)上的力矢量與標志移動的圖；圖5是說明作用在接觸表面(自由曲面)上的力矢量與標志移動的圖；圖6是在力矢量分布的再構成中使用的傳遞函數制作法的說明圖；圖7是力矢量再構筑的計算時間縮短法的說明圖；圖8是表示來自切出區域外的力的影響的圖，上圖是埋設了標志的透明彈性體的側面圖，下圖是其平面圖，在此，由于對于切出區域來說力的采樣點的間隔小，所以對于相鄰力的采樣點的各自切出區域其是重疊的(參照網格1、2、3)；圖9是計算縮短法中改善手法的概念圖，圖中黑球和白球表示力的采樣點，黑球表示計算后利用的計算結果；圖10是表示增加標志點數的圖；圖11是表示增加標志點數的圖，是關注對于某一點的力而標志移動的圖；圖12是根據圖11來說明圖7所示高速化手法的圖；圖13是根據圖11來說明改善手法的圖。
具體實施例方式光學式觸覺傳感器的結構圖3是本發明光學式觸覺傳感器裝置的原理圖，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具有曲面狀的接觸面(傳感器面)2。透明彈性體1內接近接觸面2處沿接觸面2曲面地埋設有多個有色標志3、4，由透明彈性體1和有色標志構成觸覺部。最好透明彈性體1是由硅橡膠形成的，但也可以是由其他橡膠類和彈性材料等其他彈性部件形成。
有色標志由兩個有色標志組構成，兩個標志組分別被埋設在距離接觸面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(例如一方是紅色而另一方是蘭色)。
當物體5接觸到透明彈性體1的接觸面2時，設置在透明彈性體1內部的有色標志3、4就產生變位或是變形。傳感器裝置還具備作為攝影設備照相機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(從接觸面2離開的一側)位置上，通過照相機6把標志3、4的變位、變形進行攝影。光源7也可以使用波導管(光纖)進行引導。通過攝影設備取得的標志3、4的圖像被發送到計算機8，標志圖像被顯示在計算機8的顯示部上，來自標志圖像的關于標志動作(變位、變形、傾斜)的標志信息(例如作為移動信息之一的移動矢量)通過計算機8的運算部進行測量。在計算機8的存儲部中容納有所述的傳遞函數，通過運算部并使用該傳遞函數和該標志信息(例如移動信息)就能再構筑從物體5向接觸面2作用的力的分布。
作為攝影設備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。本發明的攝影設備并不限定于是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。作為標志是準備了Red、Green、Blue這三種時，為了個別地捕捉它們，有(1)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)的方法(2)攝影器件僅捕捉光的強度，作為光源準備Red、Green、Blue(使Red發光時，由于僅具有來自Red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Red的標志。把其通過時間分割對Green、Blue也進行時，就能得到與(1)等價的信息)的方法這兩個。
加在接觸面上的力矢量分布再構成法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(例如標志的移動信息之一的移動矢量)來求出加在接觸面上的力矢量分布，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。以下把關于從標志信息再構成力矢量分布的手法，一邊參照圖4、圖5一邊根據從標志的移動矢量求力矢量分布的手法進行說明。圖4和圖5除了圖4表示的是平面狀接觸面，而圖5表示的是自由曲面狀的接觸面之外，實質上其內容相同。在此為了簡單，考慮的是二維斷面(沒考慮圖的y軸方向)，但在一般的三維情況下，算法也是相同的。
f是表示作用在接觸表面上的力矢量，m、n分別表示涂有Blue、Red色標的標志在CCD元件上的移動矢量。通過適當的離散化考慮有限的點數(圖4、圖5中是4點)。如前所述，力矢量各自具有三分量(x、y、z分量)，但在此考慮二分量(x、z分量)。且一般來說照相機的攝影是指把三維物體向像素面的二維平面上投影，所以該平面狀的標志移動僅投影并觀測的水平方向(x、y分量)，在此如圖那樣僅觀測x方向的分量。
即f＝[fx(1)，fx(2)，fx(3)，fx(4)，fz(1)，fz(2)，fz(3)，fz(4)]這8分量是要求出的力分布，m＝[m(1)，m(2)，m(3)，m(4)]，n＝[n(1)，n(2)，n(3)，n(4)]是被觀測的移動矢量。把該m、n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)]。
whenf＝[1，0，0，0，0，0，0，0]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(在所加的力分布與變位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)的情況下，給予一般的力f＝[fz(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，其能被如下書寫。
X＝Mx(1)*fx(1)+Mz(1)*fz(1)+Mx(2)*fx(2)+...+Mz(4)*fz(4)(相反這樣進行表示是力的“重合”成立，即其是線性彈性體的條件。)把它以矩陣形式書寫時，則成為X＝H*f。但H＝[Mx(1)；Mx(2)；...Mz(4)]。該H有用于從力f向變位x傳遞的映射的意思，所以被叫做傳遞函數。
按照每個要素書寫時，則如下。
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方向變位量。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方向變位量。
這是單純的矩陣乘法，x是1*8、H是8×8的正方矩陣，f具有1*8的分量。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)。但inv表示的是逆矩陣(一般來說是一般化逆矩陣)。
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，被觀測的數據的個數超過需要使未知數的個數或是相同的個數。若這點不被滿足則不能求出逆矩陣，即要求出的未知數產生了冗長性，不能一次求出。在該例的情況下若標志是僅一層的話，則對于要求出的力矢量分量8個來說，移動矢量分量是僅4個，力矢量分量不能一次決定(現有的面分布型觸覺傳感器就是該狀況)。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，使獨立的觀測數據增加到8個。
在一般的三維情況下(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，就同定12個未知數。由于作為信息是冗長的，所以對于噪聲更能進行頑強的推定。使用以上的算法根據CCD圖像來推定力矢量。即使是使用其他標志的其他測量方法，也僅是觀測的數據不同，通過在分色上想辦法來收集比未知數的數量多的獨立觀測值(關于標志動作的信息)，而在通過穩定地解逆問題來推定力矢量的點上在本質上沒有變化。
在力矢量分布的再構成中使用的傳遞函數根據上述說明了解到，對于本光學式觸覺傳感器來說得到表示表面應力與內部變位關系的傳遞函數(矩陣H)，這在本質上是重要的。這與現有被提案的矩陣狀觸覺傳感器的多數是不同的點。現有的矩陣狀觸覺傳感器中配置成矩陣狀的各傳感器元素，其僅是測量加在自身上的力。
下面說明用于求傳遞函數的手法。彈性體理論所基本表示的是，其是在彈性體內部的微小區域(例如微小的立方體ΔxΔyΔz)的表面(x＝0，Δx、y＝0，Δy、z＝0，Δz)上所加的力與該微小區域的變形(dΔx/dx，dΔy/dx，dΔz/dx，dΔx/dy，dΔy/dy，dΔz/dy，dΔx/dz，dΔy/dz，dΔz/dz)之間應滿足的關系式。彈性體整體就是由無數該微小區域集合(空間上的積分)而構成的。
在具有某種特征的形的彈性體(例如半無限彈性體)中，作為加在表面上的力與內部變位的函數，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。在這種形的情況下，只要把分割成網格狀的彈性體表面(接觸面)的座標和內部標志的座標代入到該函數中，就能求出矩陣H。
在此，以公式的形式被發現是指把表面應力設定為fx(1)，把內部變位設定為m(x2，y2)時，以m(x2，y2)＝G(fx(1)，x2，y2)的形式發現了從表面應力來求內部變位的函數G。這時例如在圖4、圖5中向1點加力時，標志2的變位則通過m(x2，y2)＝G(fx(1)，x2，y2)來求。其中y2是標志的深度(已知)。
但這種特殊的形非常稀少，舉一例來說，連關于應用上認為重要的球形狀都不能發現其表面應力與內部變形的函數。現有本光學式觸覺傳感器通過把彈性體形狀假定是半無限大彈性體，則使用上述的公式就取得了H矩陣。但了解到例如對于半球這樣的自由曲面同樣地應用半無限大彈性體的公式并使用取得的H矩陣，則不能正確地得到表面應力。需要以某種其他的手段來聯系表面應力和內部變位。
因此，提案的第一手法是通過數值模擬來聯系表面應力和內部變位的手法。現在已經在市場上販賣的彈性體模擬軟件程序是把彈性體分割成網格狀，把滿足各網格(所述的微小區域)應滿足的表面應力與變形的關系，滿足相鄰網格之間應滿足的關系(在相鄰網格的分界面上有相同大小的力在作用)的彈性體變形通過數值計算而能求出。因此，在適用提案的傳感器時，首先是把表面分割成網格，模擬計算在各網格上加有單位應力(x方向、y方向、z方向)時的標志的移動量。
第二手法是實際上加力。向具有自由曲面的彈性體接觸面上加已知的力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、M1yM1z。使用已知的力和得到的信息(移動矢量)來制作矩陣H。以下進行具體說明。
在彈性體表面(接觸面)上離散地配置多個采樣點。理想的是把采樣點配置成覆蓋接觸面整個區域。作為形式之一是接觸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接觸面上的任意的力的，其方向并不被限定。
作為形式之一是通過采樣點來取與接觸面接觸的接面，在該接面內把相互正交的方向設定為是x方向、y方向，把z方向取在對于該接面垂直的方向上。或是也可以與接觸面形狀無關系地來設定xy平面，把z方向取在對于該xy平面垂直的方向上。
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正規化便可。
結果是只要取得x方向、y方向、z方向上的力與標志的移動矢量相關聯的信息，則加在各采樣點上的力就不被限定為是x方向、y方向、z方向上的力。通過把彈性體考慮為是線性的，下面的方法也能被考慮。首先保存對一點向z方向上加力時標志的移動量，然后向xz方向加力，通過把對于力的z方向分量的移動信息減去，這樣來求x方向分量。y方向也是同樣的。
這樣，根據彈性體理論的公式，并通過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。光學式觸覺傳感器具有存儲裝置和運算處理裝置，預先制作的矩陣H被容納在存儲裝置中。在物體接觸在透明彈性體的接觸面上，有任意的力作用在接觸面上的情況下，通過攝影設備來取得標志圖像。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，把作用在彈性體接觸面上的力矢量分布進行輸出。
計算時間縮短法在此，當矩陣H的要素數大時，則根據移動信息計算力分布的時間就長。這是由在求加在某點上的力時要使用所有的標志移動信息而引起的。實際上在適用所述算法的情況下，H矩陣是巨大的，(式1)的矩陣運算耗費時間。舉一例來說，在網格是100×100的情況下，觀測點就是10000點，所以H矩陣就是10000×10000的巨大矩陣。一般來說把傳感器面分割成N×N時，觀測點就是N的2次冪個，所以H矩陣的尺寸就是N的2次冪×N的2次冪。這樣一來，為了(式1)的矩陣運算就需要N的4次冪時間。因此需要用于縮短計算時間的手法。
提案的手法是把H矩陣的一部分切出來使用。如上所述，敘述了H矩陣的向所有的格子點上加的力與所有的標志移動的對應關系。但作為現實問題是例如所加力的點與標志的距離只要充分離開，就能忽視其影響。這樣一來，例如在圖4、圖5中，通過假定為了計算f(1)僅使用1～2號碼標志的移動量、為了計算f(2)僅使用1～3號碼標志的移動量便可，而能把矩陣的尺寸縮小。該例的新矩陣如下。
原來的(式1)f＝inv(H)*x就成為了式3。
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)]]>該式通過忽視離開了距離之處的作用而成為了式4。
fx(1)fz(1)fx(2)fz(2)fx(3)fz(3)fx(4)fz(4)=Imx(1,1)Imx(2,1)00Inx(1,1)Inx(2,1)00Imz(1,2)Imz(2,2)Imz(3,2)0Inz(1,2)Inz(2,2)Inz(3,2)00Imx(2,3)Imx(3,3)Imx(4,3)0Inx(2,3)Inx(3,3)Inx(4,3)00Imz(3,4)Imz(4,4)00Inz(3,4)Inz(4,4)Imx(1,1)Imx(2,1)00Inx(1,1)Inx(2,1)00Imz(1,2)Imz(2,2)Imz(3,2)0Inz(1,2)Inz(2,2)Inz(3,2)00Imx(2,3)Imx(3,3)Imx(4,3)0Inx(2,3)Inx(3,3)Inx(4,3)00Imz(3,4)Imz(4,4)00Inz(3,4)Inz(4,4)m(1)m(2)m(3)m(4)n(1)n(2)n(3)n(4)]]>置0的地方是離開了應忽視距離的點。由于該部分不需要計算，所以能更高速地計算。該高速化如前所述，在格子尺寸N越大的情況下越能表現加速度上的效果。
這與把包含要求出力矢量部位的某面積切出來使用是等價的。圖7中P是要求出的力矢量部位，圓區域A1是為了求力矢量而使用的標志范圍。圖中，在接觸面整體的二維圖像中設定了要求出的力矢量分布部位的近旁區域。在此，設定了要求出的力矢量部位的近旁區域的情況下，近旁區域也不一定僅根據二維圖像中的距離進行判斷。即加力的點與標志的距離是空間距離，在標志組是層合在彈性體內的情況下，有時候最好考慮標志設置的深度。具體說就是具有平面狀接觸面的傳感器把接觸面設定為是xy平面，要求出的力矢量部位的近旁區域也不一定僅通過xy平面上的距離就能判斷，其也可以通過包含z方向的立體距離來判斷。只要是能忽視z方向距離的情況下，也可以根據xy平面上的二維距離來設定近旁區域。
在接觸面是自由曲面的情況下，也不能一概斷言離開了距離的部位的作用就小。于是縮短計算時間的其他方法被提案。首先，通過實測或模擬來求傳遞函數(逆矩陣)。這種傳遞函數的制作法已經敘述過。例如看根據實測的傳遞函數矩陣的要素時，只要矩陣的某要素接近0，則與該要素相乘的標志就能被考慮成是在求某力矢量中也可以被忽視的標志。能把傳遞函數中矩陣的某要素接近0部分自動地從計算中省略來計算力矢量。例如在力矢量的再構成中對于矩陣要素設定表示能忽視程度的指標的界限值，把具有比該界限值小的值的矩陣要素的值設定為0。
下面說明計算縮短化方法的改善。發明者等進一步反復銳意研究的結果是了解到，在使用上述計算縮短化方法時有力矢量測量精度降低的情況。上述的計算縮短化方法幾乎沒考慮從要求出的力的點離開的標志動作的影響，而是僅使用了圖7中切出的圓區域A1內的標志信息，而沒使用關于切出區域以外部分A2的標志動作信息。
但實際上，由來自切出區域外的力也使區域內的標志進行移動。考慮由于想把由來自該切出區域外的力引起的標志移動也作為區域內發生的力進行計算，所以就產生了精度降低的問題。為了解決這種不好的情況，就改善了如下的手法。
在把圖像的某區域切出來的點上與所述計算時間縮短法是相同的。所述方法中有切出區域，僅對其內部信息進行處理，相對地改善手法是在切出區域外也準備計算的力的采樣點。關于標志的移動最終是僅處理切出區域內的信息。其成為用于考慮來自所述區域外的力的影響的采樣點。即為了考慮切出區域內標志的移動在某種程度上受到加在切出區域外的力的影響，在根據切出區域內標志的移動信息進行力矢量的再構成時，通過不僅計算作用在切出區域內的力，也計算作用在切出區域外的力，來一邊考慮作用在切出區域外的力，一邊再構筑作用在切出區域內的力。
隨著區域外力的采樣點從切出區域離開，進行稀疏地設定。這是由于考慮到越從區域離開其影響就越輕微，所以也可以使少數采樣點來代表的緣故。根據圖9進行說明時，則是把與5×5點的采樣點對應的小區域設定在觸覺部的圖像中。把采樣點稠密地配置在小區域內。在小區域外也配置了力的采樣點。小區域外的力的采樣點是隨著從小區域離開而進行稀疏地配置。圖中在與小區域鄰接的部位是把采樣點稠密地配置成與小區域內相同的密度，隨著從該小區域離開而把采樣點進行稀疏地配置。
使用小區域內標志的移動信息，來計算配置在小區域內外的采樣點的力矢量。在計算的力矢量中，僅把位于小區域內的力矢量的至少一部分結果作為最終的計算結果來采用，并進行保存。圖9中，把5×5小區域的3×3的力的采樣點的力矢量作為最終的計算結果保存。小區域外的采樣點和小區域內未被采用的采樣點的力矢量則被舍棄。通過把切出的小區域順次錯開并取得力矢量，就取得了傳感器測量區域整體的力矢量分布。圖9中是采用了小區域一部分采樣點的力矢量，但也可以是采用小區域內所有采樣點的力矢量。圖9中是采用了小區域一部分的多個采樣點的力矢量，但也可以是僅采用小區域內一個采樣點的力矢量。圖9表示了5×5點的小區域，但切出的小區域的大小并沒有限制。根據該改善手法，與所述計算時間縮短法相比，其結果是計算量增加了，但與高速化手法適用前相比則是充分縮短了計算時間。
對于改善手法，根據圖10到圖13進行說明。圖10為了方便進行改善手法的說明，其與圖4、圖5所示的相比增加了標志點數。通過增加標志點數而使對應的式中的要素數增加了，所以在圖11中僅記述了標志n對于某一點力的x、z方向的移動。僅取出了與式3中矩陣inv(H)的要素Imx(1，1)，Imx(2，1)，Imx(3，1)，Imx(4，1)，Imz(1，2)，Imz(2，2)，Imz(3，2)，Imz(4，2)對應的部分，這與增加標志點數是等價的。把它以數學式表示則如下。左邊F表示的是力，右邊m表示的是移動矢量，右邊左項是根據inv(H)取出的某一點的力F、與標志m對應的要素。
Fx8Fz8=x1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11x12x13x14x15x16x17x18x19x20x21x22x23z1z2z3z4z5z6z7z8z9z10z11z12z13z14z15z16z17z18z19z20z21z22z23m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15m16m17m18m19m20m21m22m23]]>
改善前的高速化手法是通過僅使用位于要求出的力所加的點近旁的標志移動信息，如圖12所示那樣僅使用m10～m14的標志移動信息。把它以數學式表示則如下。
Fx8Fz8=000000000x10x11x12x13x14000000000000000000z10z11z12z13z14000000000m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15m16m17m18m19m20m21m22m23]]>上述數學式中的從m1到m9、從m15到m23的標志移動信息對要求出的力F沒有作用，能如下面那樣減去要素數。
Fx8Fz8=x10x11x12x13x14z10z11z12z13z14m10m11m12m13m14=invH8m10m11m12m13m14]]>
相對地把改善后的高速化手法在圖中進行表現時，則成為圖13。即作為力的采樣點不僅配置F8，還配置F2，F5，F9，F11，F14。若進一步以數學式表示時，則關于力F的要素增加，能如下地進行表現。
Fx2Fz2Fx5Fz5Fx7Fz7Fx8Fz8Fx9Fz9Fx11Fz11Fx14Fz14=invH2invH5invH7invH8invH9invH11invH14m10m11m12m13m14]]>在計算的力矢量中僅采用Fx8、Fz8的力矢量。
本發明能廣泛地在觸覺傳感器中適用，特別是在需要實時讀出的傳感器中能被恰當地利用。
權利要求
1.一種力矢量再構成法，其特征在于，其是使用了光學式觸覺傳感器的力矢量再構成法，該傳感器具有由透明彈性體和設置在該彈性體內的多個標志組構成的觸覺部，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，該力矢量再構成法包括取得標志圖像步驟，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時對該有色標志的動作進行攝影并取得標志圖像；取得信息步驟，其根據該標志圖像取得比要求出的力矢量個數多的關于標志動作的信息；取得力矢量步驟，其通過把取得的關于標志動作的信息向傳遞函數中輸入而把力矢量作為輸出來取得，取得力矢量的步驟在力矢量的計算中省去有關貢獻度低的標志動作的信息來計算力矢量。
2.如權利要求1所述的力矢量再構成法，其特征在于，取得力矢量的步驟，其僅使用有關在要求出的力矢量位置近旁的標志動作的信息來計算力矢量。
3.如權利要求2所述的力矢量再構成法，其特征在于，該要求出的力矢量位置是由一個或多個采樣點所構成。
4.如權利要求3所述的力矢量再構成法，其特征在于，其包括配置采樣點的步驟，其在要求出的該力矢量位置周圍配置多個力的采樣點；計算步驟，其使用有關在要求出的力矢量位置近旁的標志動作信息，來分別計算在該要求出的力矢量位置和該要求出的力矢量位置周圍的多個力采樣點上起作用的力矢量；采用步驟，其在計算出的力矢量中，僅采用在該要求出的力矢量位置上起作用的力矢量。
5.如權利要求4所述的力矢量再構成法，其特征在于，在該要求出的力矢量位置周圍的采樣點隨著從位于該要求出的力矢量的采樣點離開而被稀疏配置。
6.如權利要求1所述的力矢量再構成法，其特征在于，在構成該傳遞函數的矩陣要素中省略接近于0的要素來計算力矢量。
7.如權利要求1到6任一項所述的力矢量再構成法，其特征在于，該傳遞函數是根據實測制作的。
8.一種力矢量再構成法，其特征在于，其是使用了光學式觸覺傳感器的力矢量再構成法，該傳感器具有由透明彈性體和設置在該彈性體內的多個標志組構成的觸覺部，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，該力矢量再構成法包括取得標志圖像步驟，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時對該有色標志的動作進行攝影并取得標志圖像；取得信息步驟，其根據該標志圖像取得比要求出的力矢量個數多的關于標志動作的信息；配置采樣點步驟，其根據該標志圖像設定規定大小的小區域，在該小區域內外配置多個力矢量的采樣點；計算力矢量步驟，其把該小區域內的標志信息給予傳遞函數來計算該多個力矢量在采樣點上起作用的力矢量；采用力矢量步驟，其采用在該小區域內配置的多個采樣點的至少一部分采樣點上起作用的力矢量。
9.如權利要求8所述的力矢量再構成法，其特征在于，采樣點在該小區域內被稠密配置，隨著從該小區域離開而稀疏配置。
10.一種力矢量再構成裝置，其特征在于，其是使用了光學式觸覺傳感器的力矢量再構成裝置，該傳感器具有由透明彈性體和設置在該彈性體內的多個標志組構成的觸覺部，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，該力矢量再構成裝置包括取得標志圖像部件，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時對該有色標志的動作進行攝影并取得標志圖像；取得信息部件，其根據該標志圖像取得比要求出的力矢量個數多的關于標志動作的信息；配置采樣點部件，其根據該標志圖像設定規定大小的小區域，在該小區域內外配置多個力矢量的采樣點；計算力矢量部件，其把該小區域內的標志信息給予傳遞函數來計算該多個力矢量在采樣點上起作用的力矢量；采用力矢量部件，其采用在該小區域內配置的多個采樣點中至少一部分采樣點上起作用的力矢量。
11.如權利要求10所述的力矢量再構成裝置，其特征在于，采樣點在該小區域內被稠密配置，隨著從該小區域離開而稀疏配置。
12.如權利要求10、11任一項所述的力矢量再構成裝置，其特征在于，該裝置具有容納該傳遞函數的存儲部件。
13.一種程序，用于實現各種功能，其中，在使用了光學式觸覺傳感器的力矢量再構成裝置中，該傳感器具有由透明彈性體和設置在該彈性體內的多個標志組構成的觸覺部，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，該程序用于使構成力矢量再構成裝置的計算機具有下面的功能取得標志圖像部件，其在物體接觸到該彈性體的接觸面時對該有色標志的動作進行攝影，并取得標志圖像；取得信息部件，其根據該標志圖像取得比要求出的力矢量個數多的關于標志動作的信息；配置采樣點部件，其根據該標志圖像設定規定大小的小區域，在該小區域內外配置多個力矢量的采樣點；計算力矢量部件，其把該小區域內的標志信息給予傳遞函數來計算該多個力矢量在采樣點上的起作用力矢量；采用力矢量部件，其采用在該小區域內配置的多個采樣點的至少一部分采樣點上起作用的力矢量。
14.如權利要求13所述的用于使計算機具有功能的程序，其中，其使采樣點在該小區域內被稠密配置，隨著從該小區域離開而稀疏配置。
全文摘要
一種力矢量再構成法，其縮短用于計算力矢量的計算時間。其是使用了光學式觸覺傳感器的力矢量再構成法。其包括取得標志圖像步驟，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時對該有色標志的動作進行攝影并取得標志圖像；取得信息步驟，其根據該標志圖像取得比要求出的力矢量個數多的關于標志動作的信息；以及取得力矢量步驟，其通過把取得的關于標志動作的信息向傳遞函數中輸入而把力矢量作為輸出來取得，其僅使用要求出的力矢量位置(P)近旁區域(A1)的關于標志動作的信息來計算力矢量。
文檔編號G01L1/24GK1853094SQ20048002677
公開日2006年10月25日 申請日期2004年9月10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