JP2019197037A - 光学式触覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高精度の光学式触覚センサを提供する。【解決手段】光学式触覚センサ１０は、弾性変形可能な遮光性材料からなる接触変形部１４と、接触変形部１４に光を供給する光源１５と、接触変形部１４の弾性変形に伴う光源１５からの光量変化を検出する光検出部１６と、当該検出結果に基づいて接触変形部１４に作用した外力を算出する演算処理部１３とを備える。接触変形部１４は、光検出部１６が収容される第１空間Ｓ１を形成する内側カバー１８と、光源１５からの光が供給される第２空間Ｓ２を隔てた状態で内側カバー１８を外側から覆う外側カバー１９とからなる。内側カバー１８は、外側カバー１９と一体的に弾性変形可能に設けられるとともに、第２空間Ｓ２の光を第１空間Ｓ１に透過させる透光部２１を部分的に有する。演算処理部１３では、接触変形部１４に外力が作用した際の透光部２１の変位に伴う光量の状態変化に基づき外力の大きさが求められる。【選択図】 図１

Description

本発明は、光学式触覚センサに係り、更に詳しくは、比較的簡易な構成で微細な外力の変化の検出をも可能にする光学式触覚センサに関する。

人間と共存しながら所定の作業をするロボットには、ロボットの周囲の環境中に存在する人や物がロボットに接触した際に、当該接触部分に作用する押圧力やせん断力を検出する触覚センサ等が設けられ、当該触覚センサ等の検出値に基づいて、ロボットの動作制御を行っている。

前記触覚センサとしては、外力の付加により変位するマーカをカメラで撮像することで、マーカの変位に基づき外力を算出する光学式触覚センサが知られている。この光学式触覚センサとしては、例えば、特許文献１に示されるように、人や物の接触により外力が付加されるセンサ面と、互いに異なる種類のマーカが内部に設けられた透光性を有する弾性体からなるマーカ層と、センサ面とマーカ層の間に配置され、センサ面に外力が作用した場合に、当該作用部位が外力の大きさに応じた明るさに変化するシート層と、センサ面の反対側に配置され、マーカ層内のマーカ及びシート層を撮影するカメラと、カメラの撮影結果に基づいて、センサ面の力分布を算出する演算部とを備えている。当該演算部では、シート層が明るくなった部位に対向するマーカ層内のマーカについて、当該マーカの移動情報から力分布を算出する。

特開２００７−１４７４４３号公報

しかしながら、前記光学式触覚センサにあっては、三次元の力分布を求めるために、マーカ層内に多数のマーカを三次元的に立体配置しなければならない。このことは、センサ全体の厚みが増大し、ロボットに搭載される際のセンサの小型化の阻害となる。また、センサ面に外力が作用する前後での各マーカの追跡が必要であり、しかも、カメラの撮影結果から各マーカの三次元の移動ベクトルを求める際の演算処理が複雑になることから、力分布を算出するための各処理に対する負荷が高くなる。この問題は、微細な外力をも検出可能にするように各マーカのサイズを小さくして高性能化を図る際に顕著となる。

本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、比較的簡易な構成でセンサ全体の小型化を促進するとともに、作用する外力の微小変化でも、簡単な演算処理で、外力の大きさや分布を検出可能となる高性能の光学式触覚センサを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、主として、外力の作用によって弾性変形可能な遮光性材料からなる接触変形部と、当該接触変形部の内部に形成された空間に光を供給する光源と、前記接触変形部の弾性変形に伴う前記光源からの光量の変化を検出する光検出部と、当該光検出部の検出結果に基づいて、前記接触変形部に作用した外力を算出する演算処理部とを備えた光学式触覚センサにおいて、前記接触変形部は、前記光検出部が収容される第１空間を形成する内側カバーと、当該内側カバーの外側で、前記光源からの光が供給される第２空間となる隙間を隔てた状態で前記内側カバーを覆うように配置された外側カバーとからなり、前記内側カバーは、前記外側カバーに作用した外力により、当該外側カバーと一体的に弾性変形可能に設けられるとともに、前記第２空間の光を前記第１空間に透過させる透光部を部分的に有し、前記演算処理部では、前記接触変形部に外力が作用した際の前記透光部の変位に伴う前記光量の状態変化に基づいて、前記外力の大きさを求める、という構成を採っている。

本発明によれば、光源から第２空間に供給された光が、内側カバーに部分的に形成された透光部を通じて光検出部を配置した第１空間に透過し、外力の大きさ及び方向に応じ、内側カバーの弾性変形により透光部が変位する。これにより、外力の作用前後において、光検出部での光量の大きさや中心部分に変化が生じ、これらの状態変化に基づいて、前記外力の大きさが三次元的に算出可能となる。このため、マーカをカメラで撮像する従来手法に対し、各マーカの三次元的な移動ベクトルの算出が不要となり、透光部を二次元的に平面に沿って配置するだけで、簡単な演算により、三次元の外力の大きさや分布を求めることができ、且つ、装置全体の小型化、薄型化を図ることができる。更に、透光部のサイズを小さくし、光検出部で微細な検出領域毎に光量の検出を可能にすると、レンズ等を用いることなく、より簡易な構成で微細な外力の大きさや分布の変化を精度よく検出できる。

本実施形態に係る光学式触覚センサの概略構成図。 図１のセンサ本体部分のＡ−Ａ線に沿う断面図。 外力が作用した際の前記センサ本体の変形状態の一例を表す概念図。 光検出部の検出領域を説明するための概略平面図。 光検出部の一検出領域での各ピクセルの位置及び検出光量の定義を説明するための概略平面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る光学式触覚センサの概略構成図が示されている。この図において、前記光学式触覚センサ１０は、所定の電子回路がプリントされた基板１１と、当該基板１１に載置されるとともに、外力の検知部位となるセンシング部１２と、センシング部１２に繋がり、センシング部１２での検知に基づき、センシング部１２に作用した外力の大きさや分布を演算する演算処理部１２とからなる。

前記センシング部１２は、外力の作用によって弾性変形可能な遮光性材料からなる接触変形部１４と、接触変形部１４の内部に光を供給する光源１５と、接触変形部１４の弾性変形に伴う光源１５からの光量の変化を検出する光検出部１６とを備えている。

前記接触変形部１４は、光検出部１６が収容される第１空間Ｓ１を形成する内側カバー１８と、内側カバー１８の外側で、光源１５からの光が供給される第２空間Ｓ２となる隙間を隔てた状態で内側カバー１８を覆うように配置された外側カバー１９とからなる。

前記内側カバー１８は、特に限定されるものではないが、図１中下端側が開放する平面視方形の中空容器状をなし、遮光性を有するとともに弾性変形可能となっている。また、内側カバー１８の図１中上端の頂壁には、図２にも示されるように、多数の孔部２１が、縦横方向にそれぞれ同一ピッチとなる規則的な配列状態で部分的に形成されている。これら孔部２１は、内側カバー１８の内外間で貫通しており、光検出部１６に相対配置されている。このため、内側カバー１８の外側に位置する第２空間Ｓ２からの光が、孔部２１を通して内部カバー１８の内部空間となる第１空間Ｓ１に導入され、当該導入光の光量が、第１空間Ｓ１に配置された光検出部１６で検出されることになる。なお、内側カバー１８は遮光性材料によって形成されていることから、外側の第２空間Ｓ２と内側の第１空間Ｓ１との間の光の流通は、孔部２１を通してのみ行われる。以上により、孔部２１は、第２空間Ｓ２の光を第１空間Ｓ１に透過させる透光部を構成する。

なお、前記透光部としては、本実施形態の孔部２１に限定されるものではなく、例えば、遮光性を有する内側カバー１８を部分的に透光性材料によって形成する等、同様の作用を奏する限りにおいて、種々の態様を採ることができる。

前記外側カバー１９は、内側カバー１８と同様、図１中下端側が開放する平面視方形の中空容器状をなし、遮光性を有するとともに弾性変形可能となっている。このため、内側カバー１８と外側カバー１９の間の第２空間Ｓに照射された光源１５からの光は、外側カバー１９の外側に漏れずに、内側カバー１８に形成された孔部２１のみを通じて光検出部１６に達することになる。

以上の内側カバー１８及び外側カバー１９は、図示省略しているが、それらの一部分が繋がっており、人や物が接触可能な接触部位となる外側カバー１９の表面に外力が作用すると、その大きさや方向に応じて、外側カバー１９とともに内側カバー１８が一体的に弾性変形可能になっている。このため、図３に示されるように、外側カバー１９への外力Ｆの作用による内側カバー１８の弾性変形に伴い、各孔部２１が直交３軸方向に変位可能となる。

前記光源１５は、特に限定されるものではないが、内側カバー１８と外側カバー１９の間の基板１１上の複数位置に設置されたＬＥＤライトによって構成され、内側カバー１８と外側カバー１９の間の第２空間Ｓ２に光を照射可能となっている。

前記光検出部１６は、基板１１に電気的に接続されており、特に限定されるものではないが、Ｃ−ＭＯＳセンサによって構成されている。なお、光検出部１６としては、後述するように、所定範囲の検出領域毎に光量を検出可能な限りにおいて、ＣＣＤ等の他の撮像素子の他に、受光した光量に応じて電気信号を発生する光電変換素子全般を適用することもできる。

前記演算処理部１２は、ＣＰＵ等の演算処理装置及びメモリやハードディスク等の記憶装置等からなるコンピュータによって構成され、光検出部１６の検出結果に基づいて、接触変形部１４に作用した直交３軸方向の外力をそれぞれ算出するようになっている。つまり、演算処理部１２では、接触変形部１４への外力の作用前後で光検出部１６により検出された光量の変化に基づき、各方向の外力の大きさ及び分布が演算により求められる。なお、以下の説明において、直交３軸のうち、接触変形部１４の表面に沿うせん断方向をｘ軸方向、ｙ軸方向とし、接触変形部１４の表面に直交する押圧方向をｚ軸方向とする。

この演算処理部１２は、接触変形部１４に対するｚ軸方向の外力である押圧力の大きさを算出する押圧力演算部２３と、接触変形部１４に対するｘ軸方向及びｙ軸方向の外力であるせん断力を算出するせん断力演算部２４とを有している。

ここでは、各孔部２１に対向する光検出部１６が、図４に示されるように、複数の検出領域Ａ_ｑ（ｑ＝１，２，・・・，ｒ−１，ｒ）に区分され、検出領域Ａ_ｑ毎に、押圧力演算部２３で押圧力が求められるとともに、せん断力演算部２４でせん断力が求められる。

これら各検出領域Ａ_ｑは、相対する１個の孔部２１が変位する範囲をカバー可能な面積すなわちピクセル数が割り当てられ、当該相対する１個の孔部２１それぞれについて、当該孔部２１を通過する光の状態変化に伴う光量の分布を検出領域Ａ_ｑ毎に検出可能となっている。

例えば、模式的に表した図５の構成例の場合、１６区分された各検出領域Ａ_１〜Ａ_１６それぞれについて、５×５ピクセル分が割り当てられる。そして、検出領域Ａ_１〜Ａ_１６それぞれについて、押圧力とせん断力が求められ、接触変形部１４に作用した外力の分布が検出領域Ａ_ｑ単位で特定されることになる。

なお、以下の説明において、検出領域Ａ_ｑ内の各ピクセル表記に際して、図５に示されるｘ−ｙ座標系を用い、中央に位置するピクセルを原点とし、ｘ軸における同図中右方を正方向、ｙ軸における同図中下方を正方向とする。更に、ｘ軸座標ｉ、ｙ軸座標ｊとし、ピクセルの位置をＰ（ｉ，ｊ）（ｉ＝−ｍ，−ｍ＋１，０，・・・，ｍ−１，ｍ）（ｊ＝−ｎ，−ｎ＋１，０，・・・，ｎ−１，ｎ）と表す。なお、図５の例では、ｉ＝−２，−１，０，１，２となり、ｊ＝−２，−１，０，１，２となる。
また、検出領域Ａ_ｑ内の各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）でそれぞれ検出される光量をＳ_ｉ，ｊと表す。

前記押圧力演算部２３では、光検出部１６の各検出領域Ａ_ｑそれぞれについて、接触変形部１４に外力が作用していない基準状態に対し、同一の検出領域Ａ_ｑ内の各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）で検出された光量Ｓ_ｉ，ｊの総和の増大分に基づいて押圧力が求められる。

具体的に、先ず、光検出部１６の各検出領域Ａ_ｑ（ｑ＝１，２，・・・，ｒ−１，ｒ）において、外力作用後に、当該検出領域Ａ_ｑ内の各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）で検出された光量Ｓ_ｉ，ｊの総和ＳＲ_ｑが求められる。つまり、図５の例では、１６区分された各検出領域Ａ_１〜Ａ_１６それぞれにおいて、２５ピクセル分の光量Ｓ_ｉ，ｊの総和ＳＲ_ｑが求められる。

そして、次式で表すように、外力作用後の光量の総和ＳＲ_ｑから、予め設定された前記基準状態における同一検出領域Ａ_ｑの光量の総和ＳＢ_ｑを減算した値に、予め設定されたゲインＣを乗じることにより、外力作用前後での光量Ｓ_ｉ，ｊの変化に基づいて、各領域Ａ_ｑの押圧力Ｆｚ_ｑが求められる。

前記せん断力演算部２４では、先ず、各検出領域Ａ_ｑそれぞれについて、当該検出領域Ａ_ｑを構成する各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）で検出された光量Ｓ_ｉ，ｊを用い、基準状態からの光の中心部分のｘ軸方向及びｙ軸方向における移動距離Ｄｘ，Ｄｙを求め、当該各移動距離Ｄｘ，Ｄｙに応じて、これら各方向のせん断力を求めるようになっている。

ここで、ｘ軸方向の移動距離Ｄｘとｙ軸方向の移動距離Ｄｙは、次式により求められる。なお、各検出領域Ａ_ｑにおいて、前記基準状態では、対応する各孔部２１が前記原点となる中央のピクセルＰ（０，０）に相対するように設定されており、当該中央のピクセルＰ（０，０）が、基準状態における光の中心部分となる。

つまり、上式において、ｘ軸方向の移動距離Ｄｘは、検出領域Ａ_ｑの各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）について、検出された光量Ｓ_ｉ，ｊに、ｘ軸方向の座標すなわち原点からの離間距離ｉを乗じた値の総和を、同一の検出領域Ａ_ｑ内の各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）での光量Ｓ_ｉ，ｊの総和ＳＲ_ｑで除算することで求められる。

同様に、ｙ軸方向の移動距離Ｄｙは、検出領域Ａ_ｑの各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）について、検出された光量Ｓ_ｉ，ｊに、ｙ軸方向の座標すなわち原点からの離間距離ｊを乗じた値の総和を、同一の検出領域Ａ_ｑ内の各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）での光量Ｓ_ｉ，ｊの総和ＳＲ_ｑで除算することで求められる。

各検出領域Ａ_ｑにおける前記移動距離Ｄｘ，Ｄｙについては、前述の算出手法に限定されるものではなく、他の手法を用いて求めても良い。

そして、次式により、各検出領域Ａ_ｑにおけるｘ軸方向のせん断力Ｆｘ_ｑとｙ軸方向のせん断力Ｆｙ_ｑとが求められる。

上式において、Ｋ_１〜Ｋ_５、Ｐ_１〜Ｐ_５は、予め設定されたゲインである。

以上の本実施形態によれば、内側カバー１８の図１中上面に沿って多数形成された孔部２１による光の透過状態の変化を検知することにより、外側カバー１９に作用した外力の押圧力及びせん断力の分布を求めるようになっているため、三次元的に配置された多数のマーカを用いた従来手法とは異なり、簡単な演算で外力の大きさ及び分布を求めることができ、しかも、センサ全体の小型化や薄型化を促進することができる。

なお、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０ 光学式触覚センサ
１３ 演算処理部
１４ 接触変形部
１５ 光源
１６ 光検出部
１８ 内側カバー
１９ 外側カバー
２１ 孔部（透光部）
２３ 押圧力演算部
２４ せん断力演算部
Ａ_ｑ 検出領域
Ｓ１ 第１空間
Ｓ２ 第２空間

Claims (4)

1. 外力の作用によって弾性変形可能な遮光性材料からなる接触変形部と、当該接触変形部の内部に形成された空間に光を供給する光源と、前記接触変形部の弾性変形に伴う前記光源からの光量の変化を検出する光検出部と、当該光検出部の検出結果に基づいて、前記接触変形部に作用した外力を算出する演算処理部とを備えた光学式触覚センサにおいて、
   前記接触変形部は、前記光検出部が収容される第１空間を形成する内側カバーと、当該内側カバーの外側で、前記光源からの光が供給される第２空間となる隙間を隔てた状態で前記内側カバーを覆うように配置された外側カバーとからなり、
   前記内側カバーは、前記外側カバーに作用した外力により、当該外側カバーと一体的に弾性変形可能に設けられるとともに、前記第２空間の光を前記第１空間に透過させる透光部を部分的に有し、
   前記演算処理部では、前記接触変形部に外力が作用した際の前記透光部の変位に伴う前記光量の状態変化に基づいて、前記外力の大きさを求めることを特徴とする光学式触覚センサ。
2. 前記透光部は、所定の平面内の複数箇所で前記光検出部に相対するように設けられ、
   前記光検出部は、前記各透光部から前記第１空間に透過した光について、前記接触変形部の変位前後の光量の変化を前記透光部毎に検出可能な検出領域に区分され、
   前記演算処理部では、前記検出領域毎に前記外力の大きさを算出し、前記接触変形部に作用した外力の分布を求めることを特徴とする請求項１記載の光学式触覚センサ。
3. 前記演算処理部は、前記接触変形部に対する押圧力を算出する押圧力演算部を有し、
   前記押圧力演算部では、前記接触変形部に前記外力が作用していない基準状態に対する前記検出領域内の光量の総和の増大分に基づいて、前記押圧力の大きさを求めることを特徴とする請求項２記載の光学式触覚センサ。
4. 前記演算処理部は、前記接触変形部に対するせん断力を算出するせん断力演算部を有し、
   前記せん断力演算部では、前記接触変形部に前記外力が作用していない基準状態に対する前記検出領域内の光量の中心部分の移動距離に基づいて、前記せん断力の大きさを求めることを特徴とする請求項２記載の光学式触覚センサ。

Images