JP5013507B2 - 反射像を用いた触覚センサ - Google Patents
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Description
図1に本発明の触覚センサの一つの実施形態を示す。本発明に係る触覚センサは、透明弾性体1、実像としての画像パターン2、カメラ3から成る。センサ面となる透明弾性体の表面と空気との間の界面の屈折率分布に基づいて、透明弾性体の表面が柔軟な反射面(鏡面)4を構成する。柔軟な反射面4に対象物5が接触して変形を与えることで、反射面4が歪む。反射面4に映る像をカメラ3から観測することにより反射面4の変形を計測する。本発明の触覚センサは、光てこの原理と柔軟な反射面を組み合わせて用いるものである。光てことは、反射の特性を利用することにより、変位を拡大する手法のことである。本発明では、光てこを用いることにより反射面の変形を精度よく検出し、カメラの解像度を十分に活かすことができる触覚センサを構成した。
本発明に係るセンサでは、光てこが重要な役割を果たす。この光てこを実現するための柔軟な反射面をどのように作るかがポイントとなる。反射面自体の変形前後で異なる反射像が得られるという柔軟な反射面の性質を用いることにより、その変位を計測することにより反射面自体の変形を、幾何光学を用いて求める。以降はこれら各要素について詳述する。
光てこ方式とは、反射の特性を利用することにより、カンチレバーなどの先端にレーザなどの光源を照射し、反射面の変位を拡大する方式のことをいう。柔軟な反射面として、一つの好ましい実施態様では透明なシリコーンゴムを用いる。図3のようなシリコーンゴムと空気との境界を考えるとき、それぞれの屈折率をns,naとして、入射角、屈折角をΦs,Φaとおくと、シリコーンゴムが空気と接する境界における屈折率の分布から、式(1)を満たすとき全反射をおこし、この界面が反射面としての反射特性を持つこととなる。この鏡面反射特性を利用することにより、柔軟な反射面を持つセンサを構成する。
光学式センサとしてカメラを用いるものの中には、マーカを追跡することにより変形を捉えるものがある(特許文献1)。しかしこれらはマーカの解像度によってセンサの解像度も制約をうけてしまう。これに対して、本発明に触覚センサは、光てこと柔軟な反射面を組み合わせて用いることで、カメラの解像度を最大限に利用することが可能である。
図3に示すように、撮影対象となるパターンが平面状(P0P1P2)に配されているとき、このパターンのある面をパターン面と名付ける(画像パターンからの入射光が入射する面であり、図1の触覚センサにおいて第2面11がパターン面を構成する。)。パターン面と反射面のなす角をα0、撮像面と反射面のなす角をβ0とする。
本発明の触覚センサにおいて測定できる量はm,w,β1,β2であり、既知の量はL0,α0,β0である。求めたい量はθ,dの分布である。式(2)より、Δθ,ΔlがわかればΔdが構成でき、Δθ,Δdがわかればθ,dを再構成できる。
上述の幾何光学に基づき、シミュレーションによってその精度を確認する。なお、変形する形状は横軸1637 [pixel]に対し縦軸13 [pixel]程度の大きさである(図4)。
上述のシミュレーションに基づき、実際のシステムを構築し、動作を確認する。
[D−1]シリコーンゴムと格子模様
透明なシリコーンゴムとして、付加重合型のシリコーン(信越化学:透明シリコーンRTVゴム)を用いる。透明シリコーンゴムの形状は、図1に示すものと同様である。画像パターンとして、画像パターンを紙に印刷したものをパターン面(画像パターンからの入射光が入射する面であり、図1における第2面11)に貼り付けたものを用いる。このようにして柔軟な反射面を持つ触覚センサを作成する。作成された柔軟な反射面を写すカメラを適切に設置して固定する。
実装されたセンサを用いて実環境での測定を行う。図7A、図7Bに示すように鉛筆の先端をセンサ面に当て、約0.2 [mm]押し込んだ状態を測定した。実験で用いた像取得要素は、CCDカメラである。
従来用いられてきた触覚センサは配線の問題や、センサ自身の配置など、複雑な構成を要することが多く、触覚センサとしてセンシングできる情報も力センサなら力のみを測定する,といったように一義的なものが大半を占めていた。本発明では透明弾性体と画像パターンとカメラという、大変単純な構成を用いながら、多くの情報、高精度な情報をセンシングできることが特徴としてあげられる。以下に、本発明の特徴をより詳細に説明する。
従来の触覚センサにおいては、センシングに使われる素子を触覚測定点に配置せねばならず、繰り返し測定によりセンサ自身の劣化は不可避である。これに対して本発明では、触覚測定点に存在するものは透明弾性体のみであるため、劣化に対して格段に強くなる。また物理信号を電気信号に変換するセンサ素子そのものが測定点に存在しないため、測定点部分が傷ついたとしても測定点部分にある透明弾性体の交換が容易かつ廉価である。
全てのセンシングは画像パターンとカメラで行われるため、画像パターンおよびカメラへの配線のみで、センサ面すべてのセンシングが可能になる。
光てことは反射面と光線を利用することにより、変位を拡大して計測する技術であるが、本発明では柔軟な反射面を構成することにより、反射面の歪みを、光てこを用いて計測することを可能にした。光てこにより歪みは拡大され、高解像度をもつセンサを構成することができる。
本発明では、透明弾性体と空気(例えば)との界面での屈折率分布により起こる反射現象を利用して反射面を構成する。そのため、反射面の条件を満たす部分とそうでない部分で挙動が変化する。すなわち図9に示すように、接触部位周辺では界面が反射面として動作し、虚像の歪みから接触による変形が測定され、この情報から形状分布が計算される。同時に条件を満たさない部分では接触対象自体とセンサの接触状態が実像として観測される。これは指を押しつけたときを例にとると、指による押し付けがどのような力分布を与えて変形をおこすかを周辺で測定し、同時に接触している指紋形状を中心で測定することにあたる。
従来のカメラを利用した触覚センサ(特許文献1参照)では、主に弾性体内部にマーカとして点列や格子列を配し、このマーカの移動を、カメラを用いてセンシングしていた。そのため、センシングに用いられる情報は点列や格子列により制限され、カメラ自体の解像度の全てを活かしているとは言えなかった。これに対して本発明では反射像を用いることでカメラに入る全ての画像から情報をとりこむことができる。これによりカメラの解像度を最大限活用したセンサを構成する。
画像パターンは静的な画像パターンに限定されるものではなく、動的な可変の画像パターンでもよい。例えば、画像パターンを液晶ディスプレイ(LCD: Liquid Crystal Display)を用いて生成することで、フィードバックを用いた計測が可能になる。すなわち、反射面の変形に伴う画像パターンの虚像の歪みをなくすようにもとの画像パターンを表示させることで零位法を用いた計測を可能にする。
本発明では透明弾性体と空気の界面における反射像を取得することでセンサを構成している。同様の界面はパターンからの経路と、カメラまでの経路にも存在する。ここで反射を起こさないためにカメラとパターンに並行な状態でそれぞれの界面を構成する必要がある。このために本発明の触覚センサの本体はプリズム形状をしているが、このプリズム形状は薄型に構成することができる。図10に薄型のセンサ本体の態様を例示する。図10では、センサ本体は、一方の面が、柔軟な反射面4を構成する第1面10である板状の透明弾性体1と、一方の面が複数の第2面11´、複数の第3面12´を交互に配設することで構成されている透明板状体1´と、からなり、板状の透明弾性体1の他方の面と、透明板状体1´の他方の面とを貼着することで構成されている。複数の第2面11´の群が画像パターン2からの光線が入射する面を構成し、複数の第3面12´の群が反射面4からの反射光が出射する面を構成している。図1における第2面11、第3面12を、それぞれ、複数の第2面11´の群、複数の第3面12´の群、から構成することで、センサ本体の厚さを薄くすることを可能としている。複数の第2面11´の群を構成する各第2面11´は同じ角度で延出している。複数の第3面12´の群を構成する各第3面12´は同じ角度で延出している。第2面11´と第3面´12は図示の例では、互いに直交する方向に延出している。
Detector)が例示される。また、LEDやPDは時間方向に分解能が高いため、これらを使用することにより、センシング処理を大幅に高速化することが可能となる。
触覚センサとは接触状態を測定するセンサであるが、本発明の触覚センサではカメラ、透明のセンサ本体を用いることにより、非接触での観察も可能になる。したがって、本発明の触覚センサは、非接触状態、接触状態を通して対象を観察することができる。図12、図13に非接触観察の例を示す。図12では直接に非接触状態を観察する。図13ではパターン面(画像パターンからの入射光が入射する面であり、図1における第2面11)での反射を利用して非接触状態を観察する。
本発明の触覚センサでは透明弾性体を用いることにより、光学的に自由度の高いセンサとなっている。つまり、他の光学デバイスとのさまざまな組み合わせが可能となる。一例として、視覚ディスプレイと組み合わせた構成を図14に示す。センサ面に布状のスクリーン素材を設置し、裏からプロジェクタにより投光する。背面から投影することにより、触覚入力の際に自身の指の影ができる等の問題も発生しない。スクリーン素材は軽量であり、接触は離散的なため、変形のセンシングに大きな影響を与えることはない。これにより、触覚による入力と視覚的出力をもつ、インタラクティブなヒューマンインターフェイスデバイスとしても利用することができる。
2 画像パターン
3 カメラ
4 反射面
5 対象物
Claims (8)
- 変形可能な反射面を有する透明なセンサ本体と、
画像パターンと、
前記画像パターンの前記反射面における反射像を、光てこを用いて取得する像取得要素と、
からなり、
前記センサ本体の媒質を、当該センサ本体との間で界面を形成する外界よりも大きい屈折率を有する材質から選択することで、当該界面から前記反射面が形成されており、前記画像パターンから前記反射面に入射する光線、及び、前記反射面から像取得要素に向けて反射される光線、は前記センサ本体の媒質中を伝播することで前記反射像を結像するように構成されており、
前記像取得要素は、前記反射面の変形前と変形時とで異なる反射像を取得する、
反射像を用いた触覚センサ。 - 前記センサ本体は、少なくとも一部に透明弾性体を含み、前記変形可能な反射面が透明弾性体により形成されている、請求項1に記載の触覚センサ。
- 前記センサ本体の表面の部分あるいは全部が、膜から形成されていると共に、前記膜の内側には流体が充填されており、前記変形可能な反射面が前記膜から形成されている、請求項1に記載の触覚センサ。
- 前記画像パターンおよび/あるいは前記像取得要素は、前記センサ本体の外部に位置している、請求項1乃至3いずれかに記載の触覚センサ。
- 前記透明なセンサ本体は、複数の面を備えており、前記複数の面の少なくとも一つの面が前記変形可能な反射面を形成し、前記複数の面の少なくとも一つの面が画像パターンからの光線が入射するパターン面を形成し、前記複数の面の少なくとも一つの面が反射面からの反射光が出射する撮影面を形成している、請求項4に記載の触覚センサ。
- 前記透明なセンサ本体は、互いに平行な複数のパターン面からなるパターン面群と、互いに平行な複数の撮影面からなる撮影面群と、を有しており、各パターン面と各撮影面とは交互に配設されている、請求項5に記載の触覚センサ。
- 前記反射面は、対象物が接触する被接触面である、請求項1乃至6いずれかに記載の触覚センサ。
- 変形可能な反射面を有する透明なセンサ本体と、
画像パターンと、
前記画像パターンの前記反射面における反射像を、光てこを用いて取得する像取得要素と、
反射面再構成手段と、
からなり、
前記センサ本体の媒質を、当該センサ本体との間で界面を形成する外界よりも大きい屈折率を有する材質から選択することで、当該界面から前記反射面が形成されており、前記画像パターンから前記反射面に入射する光線、及び、前記反射面から像取得要素に向けて反射される光線、は前記センサ本体の媒質中を伝播することで前記反射像を結像するように構成されており、
前記像取得要素は、前記反射面の変形前と変形時とで異なる反射像を取得し、
前記反射面再構成手段は、前記像取得要素によって取得した前記反射面の変形前と変形時の反射像から、対象物がセンサ本体の被接触面に接触した時の反射像の変形を取得し、反射像の変形から前記反射面の変形を算出する、反射像を用いた触覚センサ装置。
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