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Diese
Erfindung betrifft einen Berührungssensor,
der dreidimensionale Merkmale eines berührten Objektes erfaßt.
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Herkömmliche
Berührungssensoren
umfassen diejenigen, die Mikroschalter verwenden, um einfach zu
erfassen, ob ein Objekt berührt
wird oder nicht, diejenigen, die druckempfindlichen, leitfähigen Gummi
oder leitfähige
Tintenbahnen umfassen, die zwischen kammförmigen Elektroden angeordnet sind,
die Änderungen
von Widerstandswerten verwenden, um eine Druckverteilung zu erfassen,
und diejenigen, die Silikongummi auf einem optischen Wellenleitersubstrat
umfassen, das eine Druckkontaktverteilung auf der Grundlage eines
Lichtleckagemusters erfaßt,
das aus dem Kontakt zwischen dem Wellenleiter und dem Silikongummi
entsteht, das während
des Kontaktes mit einem Objekt erzeugt wird.
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Berührungssensoren,
die auf einer Änderung
der optischen Eigenschaften einer Sensormembran entsprechend einer
Druckverteilung beruhen, sind in dem Aufsatz "A prototype for an image-based tactile
sensor" von A. S.
Collins und W. A. Hoover in Proc. of IEEE Conference on Robotics
and Automation, Vol. 4, 1987, S. 1760–1765, und in dem Aufsatz "Planar and finger-shaped
optical tactile sensors for robotic applications" von S. Begej in Proc. of International
Conference on Systems, Man and Cybernetics, Vol. 4, Nr. 3, 1988,
S. 472–484
beschrieben.
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Aus
der
JP 60253904 A ist
ein Berührungssensor
bekannt, der eine Vielzahl von länglichen
Stiften umfasst, die auf einem Bogen elastischen Materials rechtwinklig
zu dessen Flachseite angebracht sind. Bei einem Andrücken des
Bogens an ein Untersuchungsobjekt bewirkt eine Verkippung der Stifte
im Bereich einer Kante des Untersuchungsobjekts eine detektierbare Änderung
der Lichtreflexion in diesem Bereich.
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Wenn
eine Roboterhand betätigt
wird, um ein Objekt zu greifen, unterscheidet sich der verwendete Algorithmus
in Abhängigkeit
von den dreidimensionalen Merkmalen des Objekts im Kontaktbereich
zwischen den Roboterfingern und dem Objekt. Das heißt, daß bei einer
Verwendung eines Algorithmus, um eine Stellung eines gegriffenen
Objektes abzuschätzen,
der Algorithmus, der verwendet wird, wenn die Finger eine Oberflächenebene
des Objektes berühren,
der Algorithmus, der verwendet wird, wenn die Finger einen Spitzenabschnitt
berühren,
und der Algorithmus, der verwendet wird, wenn die Finger eine Kante
berühren,
alle verschieden sind. Dies hat einen Bedarf zur Entwicklung eines
Sensors als einen Roboterberührungssensor
geschaffen, der dreidimensionale Merkmale eines berührten Objektes
erfassen kann.
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Die
oben beschriebenen druckempfindlichen Druckverteilungsberührungssensoren
von der Art einer leitfähigen
Gummibahn oder einer leitfähigen
Tintenbahn und der Berührungssensor
von der Art eines optischen Wellenleiters nach dem Stand der Technik weisen
jeweils harte Oberflächen
auf und erfassen ein- oder zweidimensionale Merkmale eines berührten Objektes,
weshalb sie nicht dazu verwendet werden können, Informationen in der
Richtung zu beschaffen, in der Druck aufgebracht wird. Es ist deshalb
ein Problem gewesen, daß,
wenn das gegriffene Objekt dreidi mensionale, gekrümmte Oberflächen aufweist,
oder wenn der Sensor an einem Gegenstand vorgesehen ist, der eine
gekrümmte
Form wie die Fingerspitzen einer Mehrfingerhand aufweist, die Kontaktfläche zwischen
dem Sensor und dem Objekt wegen ihrer harten Oberflächen klein
wird und es unmöglich
macht, die Merkmale des Objekts zu erfassen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obigen Probleme zu lösen und
einen Berührungssensor
zu schaffen, der leicht und genau dreidimensionale Merkmale eines
Objekts, wie Spitzen und Kanten, erfassen kann.
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Zur
Lösung
der Aufgabe stellt die Erfindung einen Berührungssensor zum Erfassen dreidimensionaler
Merkmale eines Objekts mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereit.
Der Berührungssensor
umfaßt:
eine Gummihaut und eine Vielzahl von Stiften, die auf einer Innenfläche der
Gummihaut vorgesehen sind, wobei die Gummihaut und die Stifte aus
Materialien mit voneinander verschiedenen Farben gebildet sind,
die eine Bildverarbeitung vereinfachen, und eine Bildgebungsvorrichtung,
die der Innenfläche
zugewandt vorgesehen ist, auf der die Vielzahl von Stiften vorgesehen
ist, wobei durch eine Verformung der Gummihaut durch einen Kontaktdruck
auf eine Außenfläche der
Gummihaut gemäß einer
Form des Objekts eine Orientierung der Vielzahl von Stiften auf der
Innenfläche
veränderbar
ist, wodurch ein Muster mit unterschiedlichen Helligkeiten gebildet
wird, das von der Bildgebungsvorrichtung erfaßbar ist, um dadurch dreidimensionale
Merkmale des Objekts zu erfassen.
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Die
Gummihaut ist erfindungsgemäß an einem
Fenster eines Raums angeordnet, der in einem Fingerspitzenabschnitt
einer Roboterhand ausge bildet ist. Um ein Erfassen der dreidimensionalen
Merkmale des Objekts zu ermöglichen,
ist ein Endoskop vorgesehen, das eine optisch mit einer Kamera verbundene
Bildübertragungsfaser
und eine Faser zur Bereitstellung einer Beleuchtung enthält, wobei
die Spitze des Endoskops in dem Fingerspitzenraum liegt und der
Innenfläche
der Gummihaut zugewandt ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben, in diesen ist:
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1 ein
Schaubild zum Erläutern
der Grundgestalt des Berührungssensors
gemäß der Erfindung,
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2 ein
Schaubild zum Erläutern
der Erfassung der Form eines Objekts unter Verwendung des Berührungssensors
von 1,
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3 ein
Schaubild, das eine Ausführungsform
des Berührungssensors
der Erfindung auf die Fingerspitzen einer Roboterhand angewandt
zeigt, und
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4 ein
Schaubild zum Erläutern
der Erfassung der Form eines Objekts unter Verwendung des Berührungssensors
von 3.
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Der
Berührungssensor
der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen erläutert. 1 zeigt die
Grundgestalt eines Berührungssensors
gemäß der Erfindung,
der eine Gummihaut 1 und eine kleine Kamera 2 als
die Bildaufnahmevorrichtung umfaßt. Die der Kamera 2 zugewandte
Innenfläche 1a der Gummihaut 10 weist
mehrere kleine, dicht angeordnete Stif te 4 auf, die sich
von dieser aus erstrecken. Die Gummihaut 1 ist aus einem
flexiblen Gummi mit einer Farbe gebildet, die Licht leicht reflektiert,
wie beispielsweise weiß,
während
die Stifte 4 aus einem harten Gummi mit einer Farbe hergestellt
sind, die Licht nicht leicht reflektiert, wie beispielsweise schwarz.
Die Gummihaut 1 und die Stifte 4 können einstückig gebildet
sein oder sie können
getrennt gebildet und dann miteinander verbunden sein.
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Die
Arbeitsweise des Berührungssensors wird
nun anhand von 2 erläutert. Ein Kontakt eines Zielobjekts 5 mit
der Außenfläche 1b der
Gummihaut 1 des Berührungssensors
drückt
die Gummihaut 1 nach innen in Richtung der Kamera 2,
wodurch eine der Form des Objekts 5 entsprechende Verformung
erzeugt wird. Wenn ein dreidimensionaler Aspekt des Objekts 5 enthalten
ist, wie eine durch das Aufeinandertreffen von drei Ebenen des Objekts 5 gebildete
Spitze oder Ecke 6 oder eine durch zwei Ebenen gebildete
Kante 7, wird die Gummihaut 1 eine entsprechend
stär kere
Krümmung
aufweisen. Da die Stifte 4 normal zur Gummihaut 1 orientiert sind,
bewirkt die Ausbildung eines stark gekrümmten Bereiches 8 in
der Gummihaut 1 durch den obigen Kontakt mit dem Objekt 5,
daß längs des
stark gekrümmten
Bereiches 8 zueinander benachbarte Stifte 4 längs des
stark gekrümmten
Bereiches 8 nach außen
gespreizt werden, wodurch die Innenfläche 1a der Gummihaut 1 freigelegt
wird. Das heißt,
das Helligkeitsmuster der Gummihaut 1 erfährt eine Änderung
längs des
stark gekrümmten
Bereiches 8.
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Durch
die Verwendung der Kamera 2, um Abbildungen dieser Änderungen
des Helligkeitsmusters aufzunehmen, ist es möglich, dreidimensionale Merkmale
eines Objekts 5, wie eine Spitze 6 und eine Kante 7 zu
erfassen. Die Tatsache, daß die
Stifte 4 längs
des stark gekrümmten
Bereiches 8 nach außen gespreizt
werden, bedeutet außerdem,
daß das
Orientierungsmuster der Stifte 4 sich ebenfalls ändert. Daher
können
die Merkmale des Objekts 5 auch auf der Grundlage von Abbildungen
des mittels der Kamera 2 aufgenommenen Stiftmusters erfaßt werden. Je
kleiner die Stifte 4 sind und je größer die Flächenstiftdichte ist, desto
genauer wird die erhaltene Abbildung der Objektform sein. Wenn die
Kamera 2 nicht genug Licht hat, um Abbildungen zu erhalten,
kann eine Lampe 3 zur Bereitstellung einer Beleuchtung verwendet
werden. Wenn das Objekt 5 in Kontakt mit der Außenfläche 1b der
Gummihaut 1 gelangt ist, wird ein Bereich der Gummihaut 1,
der, wenn er von der Kamera 2 betrachtet wird, überall die
gleiche Schrägstellung
aufweist (wie in 2 beispielsweise die rechte
Seite der Gummihaut 1), das gleiche Helligkeitsmuster und
Stiftorientierungsmuster aufweisen. Dies ermöglicht es, daß ein zu
einem Teil des Objekts gehörender
Bereich von einem zu einem anderen Teil des Objekts gehörenden Bereich
getrennt werden kann.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
des Berührungssensors
der Erfindung auf die Fingerspitze einer Roboterhand mit mehreren
Fingern angewandt. Das Ende einer Fingerspitze 10 weist
einen Fingerbasisabschnitt 12 auf, der einen Raum 11 festlegt. Ein
Endoskop 13 ist derart angeordnet, daß die Spitze des Endoskops 13 in
den Raum 11 hineinragt. Das Endoskop 13 ist ein
Endoskop herkömmlicher
Art mit einer optischen Verbindung zu einer Bildgebungsvorrichtung,
wie einer Kamera oder dergleichen, die sich auf der Basisseite der
Roboterhand befindet und Fasern enthält, um eine Beleuchtung bereitzustellen und
Abbildungen zu übertragen.
In dem Fingerbasisabschnitt 12 ist ein Fenster 14 ausgebildet.
Die Gummihaut 1 ist über
dem Fenster 14 vorgesehen, wobei die Innenfläche 1a,
die die dem Raum 11 zugewandten Stifte 4 aufweist,
der Spitze des Endoskops 13 zugewandt ist. Der somit durch
den Fingerbasisabschnitt 12 und die Gummihaut 1 gebildete
Raum 11 ist mit einer klaren Flüssigkeit, wie Silikonöl, gefüllt, um
die Gummihaut 1 nach außen gestreckt zu halten.
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Wenn
die Fingerspitze mit einem Berührungssensor
gemäß dieser
Ausführungsform
als Teil eines Vorgangs, um das Objekt 5 zu greifen, auf
ein Objekt 5 drückt,
wie es in 4 gezeigt ist, drückt der Teil
(Kante oder Spitze) des Objekts 5, der auf die Gummihaut 1 drückt, die
Gummihaut 1 in den Raum 11 hinein. Dadurch, daß die Stifte 4 auseinander
geschoben werden, so daß die
Innenfläche 1a freigelegt
wird, wird das Helligkeitsmuster längs des Kontaktabschnitts mit
dem Objekt 5 verändert.
Diese Änderung
wird von dem Endoskop 13 erfaßt, wodurch eine dreidimensionale
Merkmalserfassung des Objekts 5 ermöglicht wird. Die Gummihaut 1 und
die Stifte 4 können
durch Überlagern
zweier Gummibahnen gebildet sein, wobei die eine eine Innenlage
und die andere eine Außenlage
ist und nur die Innenfläche der
Innenlage eine Farbe aufweist, die Licht nicht leicht reflektiert,
wie beispielsweise schwarz, und die Außenbahn und der innere Abschnitt
der Innenbahn eine Farbe aufweisen, die Licht leicht reflektiert,
wie beispielsweise weiß,
wobei die Innenbahn mit Einschnitten in der Form eines Gitters versehen
ist.
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Während der
Grundaufbau des Berührungssensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung vorstehend bezüglich
der Gummihaut 1 beschrieben ist, die aus einem flexiblen
Gummi gebildet ist und eine Farbe aufweist, die Licht leicht reflektiert,
wie beispielsweise weiß,
und die Stifte 4 aus einem harten Gummi gebildet sind und
eine Farbe aufweisen, die Licht nicht leicht reflektiert, wie beispielsweise
schwarz, kann die Gummihaut 1 statt dessen eine Farbe aufweisen,
die Licht nicht leicht reflektiert und die Stifte 4 können eine
Farbe aufweisen, die Licht leicht reflektiert.
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Es
ist einzusehen, daß der
Berührungssensor
der Erfindung auf andere Weise als die, die speziell hierin beschrieben
ist, praktisch ausgeführt
werden kann, und daß Änderungen
und Modifikationen frei vorgenommen werden können, solange diese nicht vom
definierten Kern der Erfindung abweichen.
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Wenn
gemäß der Erfindung,
die wie oben beschrieben gebildet ist, ein Erfassungsobjekt in Kontakt
mit der Gummihaut gedrückt
wird, verformt der Kontaktdruck die Gummihaut. Wo der verformende
Druck stark gekrümmte
Bereiche entstehen läßt, wird
die Innenfläche
der Gummihaut zwischen Stiftreihen freigelegt, wodurch das Helligkeitsmuster
verändert
wird. Die Erfassung dieser Änderungen
des Helligkeitsmusters mittels einer Kamera ermöglicht die Erfassung dreidimensionaler
Merkmale des Objekts, wie Spitzen und Kanten. Da die Stifte zu jeder Seite
längs eines
stark gekrümmten
Bereiches ausgebreitet werden, kann auch das Muster der Stiftorientierung,
wie es von der Kamera aufgenommen wird, dazu verwendet werden, dreidimensionale Merkmale
des Objekts, wie Spitzen und Kanten, zu erfassen.
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Zusammengefaßt umfaßt ein Berührungssensor
zum Erfassen dreidimensionaler Merkmale eines Objekts eine Gummihaut 1 und
eine Vielzahl von Stiften 4, die auf der Innenfläche 1a der
Gummihaut vorgesehen sind. Die Gummihaut und die Stifte sind aus
Materialien mit unterschiedlichen Farben gebildet, um eine Bildverarbeitung
zu vereinfachen. Eine Bildaufnahmevorrichtung 2 ist der
Innenfläche mit
den Stiften zugewandt vorgesehen. Wenn ein Objekt 5 auf
die Außenfläche 1b der
Gummihaut drückt, wird
die Gummihaut auf eine Weise eingedrückt, die der Form des Objekts
entspricht. Dies spreizt die Stifte, wodurch ein Muster mit einer
unterschiedlichen Helligkeit gebildet wird, das von der Bildaufnahmevorrichtung
erfaßt
wird, um es dadurch zu ermöglichen,
dreidimensionale Merkmale des Objekts zu identifizieren.