JP2013061223A - Six-axis force measuring device, and six-axis force measuring method - Google Patents

Six-axis force measuring device, and six-axis force measuring method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a six-axis force measuring device and a system therefor, which facilitates manufacturing and downsizing, has flexibility on a contact surface with an article, and can measure six-axis force without depending on complicated stress distortion characteristics of soft material; and a dynamic quantity measuring device and a system therefor, which can be applied for another optical tactile sensor and simultaneously measure six-axis force without the loss of functions of the optical tactile sensor itself.SOLUTION: A six-axis force measuring device 1 includes: a CCD camera 4 and an illumination 5 as shape extracting means; and a pressure sensor 10 or a compressed fluid 19 and a box 20 as pressure extracting means, in addition to a touch pad 3. A CPU 15 extracts a shape of a film 6 and a direction of tension acting on an end of the film 6, from images shot by the CCD camera 4, and extracts a non-contact area in which an article W1 is not contacted with the film 6, from the shape of the film 6. Furthermore, the CPU 15 inputs an analog signal from the pressure sensor 10, and extracts the pressure of liquid 11. Finally, the CPU 15 extracts six-axis force acting on a plate 7 (force and moment in and around an optional axial direction) from the information.

Description

本発明は、6軸力計測装置、6軸力計測方法、6軸力計測システム、光学式触覚センサ、力学量計測方法に関するものである。   The present invention relates to a six-axis force measuring device, a six-axis force measuring method, a six-axis force measuring system, an optical tactile sensor, and a mechanical quantity measuring method.

近年、ロボット事業において、人と協調し、環境に適応できる自律型ロボットの開発に力を注がれ、その実用化も少しずつ近づいている。産業用ロボットとは異なり、ロボットが自律して行動するためには、人と同様に環境を認識する能力が必要となり、触覚センサの開発が数多く進められている。中でも、ロボットが対象物と接触した際の接触力を計測するタイプのセンサは最も多く存在し、その原理は抵抗式、静電容量式、圧電式、超音波式等、様々である。しかし、これらの原理のセンサは、多数の素子を接触表面に配列するものが多く、構造の簡易化や小型化が困難であり、ロボットに搭載する上で課題を多く残している。   In recent years, the robot business has been focusing on the development of autonomous robots that can adapt to the environment in cooperation with people, and its practical application is gradually approaching. Unlike industrial robots, in order for robots to act autonomously, they need the ability to recognize the environment like humans, and many tactile sensors have been developed. Among them, there are the most types of sensors that measure the contact force when a robot comes into contact with an object, and the principle is various such as a resistance type, a capacitance type, a piezoelectric type, and an ultrasonic type. However, many sensors based on these principles have a large number of elements arranged on the contact surface, and it is difficult to simplify and miniaturize the structure, leaving many problems for mounting on a robot.

一方で、接触表面を弾性体で構成し、弾性体の変形情報から接触力の情報を取得するセンサも存在する。多くの素子を必要としないため、構造の簡略化や小型化をする上で有利であり、さらに、接触表面が弾性体であるため、周囲の環境や接触物に対して馴染み易いことは大きな利点と考えられる。例えば、平面形状を持つ接触表面の弾性体内部に二層のマーカを設け、そのマーカを撮像手段で撮影することで、マーカの位置情報から三軸力分布を取得するセンサが開発されている。(例えば、特許文献1参照)また、接触部が複数の柱状の突起が設けられた弾性体で構成され、対象物が接触することで弾性体が内部のアクリル板と接触し、板内部に照射される光の散乱現象を撮像手段で撮影し解析することで、三軸力分布を取得するセンサが開発されている。(例えば、特許文献2参照)他にも、対象物の接触によって変形する弾性体膜を、数種類の色を持つ光を照射し撮像手段で撮影することで、弾性体膜の変形状態を抽出し接触力の大きさや方向を算出するセンサも存在する。(例えば、特許文献3参照)   On the other hand, there is a sensor in which the contact surface is made of an elastic body and information on contact force is obtained from deformation information of the elastic body. Since many elements are not required, it is advantageous for simplification and miniaturization of the structure. Furthermore, since the contact surface is an elastic body, it is a great advantage that it is easy to become familiar with the surrounding environment and contact objects. it is conceivable that. For example, a sensor has been developed that obtains a triaxial force distribution from marker position information by providing a two-layer marker inside an elastic body on a contact surface having a planar shape and photographing the marker with an imaging means. (For example, refer to Patent Document 1) In addition, the contact portion is composed of an elastic body provided with a plurality of columnar protrusions, and the elastic body comes into contact with the internal acrylic plate when the object comes into contact, and the inside of the plate is irradiated. Sensors that acquire a triaxial force distribution have been developed by photographing and analyzing the scattered light phenomenon with an imaging means. (For example, refer to Patent Document 2) In addition, the deformation state of the elastic film is extracted by irradiating the elastic film that is deformed by the contact of the object with light having several colors and photographing it with the imaging means. There are also sensors that calculate the magnitude and direction of the contact force. (For example, see Patent Document 3)

国際公開公報WO2005/029028広報International Publication WO2005 / 029028 特開平7−128163号広報JP 7-128163 A 特開2009−145085号広報JP 2009-145085 PR

ところが、上記で述べたセンサは、接触力の計測は可能であるものの、法線力やせん断力のみの計測に限定し、モーメントの計測を考慮していないものも多い。ロボットが周囲の環境をより正確に認識するためには、多次元の力情報を取得可能なセンサであることが望ましい。また、多くの素子を接触表面に使用するセンサや、弾性体表面の内部に比較的固い板が配置されている構造のセンサ(例えば、特許文献2参照)の殆どは、対象物の接触に対して接触表面が十分に変形することが困難であり、すなわち対象物に馴染みにくい構造を持つ。例えば、ロボットの指のように対象物との安定した接触状態を要求される分野へセンサを適用する場合、十分な接触領域を確保できないため困難であると言える。   However, the sensors described above can measure the contact force, but are limited to only the measurement of the normal force and the shear force, and many of them do not consider the moment measurement. In order for the robot to recognize the surrounding environment more accurately, a sensor that can acquire multidimensional force information is desirable. Also, most sensors that use many elements on the contact surface and sensors with a structure in which a relatively hard plate is arranged inside the elastic surface (for example, see Patent Document 2) Therefore, it is difficult for the contact surface to be sufficiently deformed, that is, it has a structure that is not easily adapted to the object. For example, it can be said that it is difficult to apply a sensor to a field that requires a stable contact state with an object such as a finger of a robot because a sufficient contact area cannot be secured.

接触表面の弾性体の変形情報を利用するセンサの場合、これらの問題を解決できる可能性があるが、弾性体の変形情報から力の情報を取得する方法に問題が生じる場合が多い。弾性体の応力と歪みの関係は一般に解析が複雑であるため、応力と歪みの間に線形関係を仮定する手法や、予め取得した変形情報と力の情報から、実験的に応力と歪みの関係を推定する手法があるが、これらの手法では弾性体が大変形や複雑な変形を生じた場合に、使用した応力・歪み関係が本来の関係から離れていき、計測精度が悪化してしまう可能性がある。   In the case of a sensor using deformation information of the elastic body on the contact surface, there is a possibility that these problems can be solved, but there are many problems in the method of acquiring force information from the deformation information of the elastic body. Since the relationship between stress and strain of an elastic body is generally complicated, the relationship between stress and strain is experimentally determined based on a method that assumes a linear relationship between stress and strain, and information on deformation and force acquired in advance. However, in these methods, when the elastic body undergoes large deformation or complex deformation, the stress / strain relationship used may deviate from the original relationship, and the measurement accuracy may deteriorate. There is sex.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、対象物との接触部分を弾性体で構成することで対象物に対して馴染み易い構造を実現し、弾性体の変形情報から力の情報を取得する際に、応力と歪みの関係の使用しないことで弾性体の持つ複雑な変形特性の影響を受けにくい手法を使用し、さらに対象物の形状に依存せず6軸方向の力の計測を可能とする、6軸力計測装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、従来の触覚センサの能力を備えたまま、同時に6軸力の計測を可能とする新しい触覚センサ、力学量計測方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and by forming a contact portion with an object by an elastic body, a structure that can be easily adapted to the object is realized, and force information is obtained from deformation information of the elastic body. When acquiring the measurement, we use a method that is not easily affected by the complex deformation characteristics of the elastic body by not using the relationship between stress and strain, and further measures the force in six axes without depending on the shape of the object It is in providing a 6-axis force measuring device which makes possible. Another object of the present invention is to provide a new tactile sensor and a mechanical quantity measuring method capable of simultaneously measuring six-axis forces while maintaining the ability of a conventional tactile sensor.

上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、対象物との接触部である前記対象物の形状に応じて変形可能な膜(6)と、前記膜の対象物が接触する側とは反対側から前記膜を固定する部材(7、8)と、前記膜の形状を抽出する形状抽出手段(4、5、11)と、前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出する圧力抽出手段(10、19、20)とを含む6軸力計測装置をその要旨とする。   In order to solve the above-described problem, the invention according to claim 1 is configured such that the deformable film (6) according to the shape of the object that is a contact portion with the object and the object of the film are in contact with each other. The member (7, 8) for fixing the membrane from the side opposite to the side, the shape extracting means (4, 5, 11) for extracting the shape of the membrane, and the side on which the object of the membrane contacts The gist is a six-axis force measuring device including pressure extracting means (10, 19, 20) for extracting the pressure in the side space.

従って、請求項1に記載の発明によると、変形可能な膜と、それを保持する部材と、形状抽出手段と、圧力抽出手段の4つで構成されており、比較的小さく簡単な構造で処理することができる。よって、従来の光学式触覚センサのシステムと組み合わせる際やその他の分野への応用の際に、他の6軸力計測装置よりも容易に応用可能となる。   Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is composed of a deformable membrane, a member for holding it, a shape extraction means, and a pressure extraction means, and is processed with a relatively small and simple structure. can do. Therefore, when combined with a conventional optical tactile sensor system or applied to other fields, it can be applied more easily than other six-axis force measuring devices.

また、対象物との接触部である膜は、対象物の形状に応じて変形可能であるため、対象物に馴染みやすいことが挙げられる。したがって、対象物との安定した接触の維持や対象物を傷つけない接触が可能となる。   Moreover, since the film | membrane which is a contact part with a target object can deform | transform according to the shape of a target object, it is mentioned that it is easy to become familiar with a target object. Therefore, it is possible to maintain stable contact with the object and to make contact without damaging the object.

なお、「変形可能な膜」は、シリコ−ンゴムなどのシリコ−ン樹脂から形成されることが好ましいが、他のゴム類やエラストマ−などの他の弾性体から形成されていてもよい。
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記膜と前記部材が、前記膜の対象物が接触する側とは反対側に前記膜と前記部材で構成される閉空間を有することをその要旨とする。
The “deformable film” is preferably formed from a silicone resin such as a silicone rubber, but may be formed from other elastic bodies such as other rubbers or elastomers.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the membrane and the member have a closed space formed by the membrane and the member on a side opposite to a side where the object of the membrane contacts. The gist.

従って、請求項2に記載の発明によると、前記膜と前記部材が、前記膜と前記部材で構成される閉空間を有するため、前記圧力抽出手段によって圧力を抽出する際に、閉空間であれば抽出が比較的容易となる。   Therefore, according to the second aspect of the present invention, since the membrane and the member have a closed space constituted by the membrane and the member, the pressure extraction means can extract the pressure. Extraction is relatively easy.

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2において、前記圧力抽出手段が、任意の時点の前記閉空間の圧力を求める際に、前記任意の時点における前記閉空間の体積と、前記任意の時点よりも前の時点における前記閉空間の圧力と体積を利用し、それらの物理量を含んだ関数から前記任意の時点における前記閉空間の圧力を抽出することをその要旨とする。   The invention according to claim 3 is the volume of the closed space at the arbitrary time point when the pressure extraction means obtains the pressure of the closed space at the arbitrary time point in the first or second aspect. The gist is to extract the pressure of the closed space at the arbitrary time point from the function including the physical quantities using the pressure and volume of the closed space at the time point before the time point.

従って、請求項3に記載の発明によると、前記圧力抽出手段によって圧力を抽出する際に、圧力センサなどの専用の装置が不要となる。従って、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。   Therefore, according to the third aspect of the present invention, a dedicated device such as a pressure sensor is not required when the pressure is extracted by the pressure extracting means. Therefore, the apparatus can be further simplified and downsized.

請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項において、前記閉空間の体積が、前記膜の形状から求めた体積であることをその要旨とする。
従って、請求項4に記載の発明によると、前記閉空間の体積を前記膜の形状から求めることが可能なため、前記閉空間の体積を求めるための手段や装置を新たに必要としない。従って、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
The gist of the invention of claim 4 is that, in any one of claims 1 to 3, the volume of the closed space is a volume obtained from the shape of the film.
Therefore, according to the fourth aspect of the present invention, since the volume of the closed space can be obtained from the shape of the membrane, no means or apparatus for obtaining the volume of the closed space is required. Therefore, the apparatus can be further simplified and downsized.

請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項において、前記閉空間の体積が、前記閉空間の一部あるいは全てを撮像手段(4)で撮影することによって抽出した体積であることをその要旨とする。   A fifth aspect of the present invention is the volume of the closed space according to any one of the first to fourth aspects, wherein the volume of the closed space is extracted by photographing a part or all of the closed space with the imaging means (4). That is the gist.

従って、請求項5に記載の発明によると、前記閉空間の体積を撮像手段で撮影することによって抽出可能なため、比較的小型な装置によって実現される。従って、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。   Therefore, according to the fifth aspect of the present invention, since the volume of the closed space can be extracted by photographing with the imaging means, it is realized by a relatively small device. Therefore, the apparatus can be further simplified and downsized.

「撮像手段」としては、画像情報を電気信号として出力するカメラを用いることが好ましく、特にデジタルカメラを用いることが好ましい。ここで、「デジタル式カメラ」としては、CCDカメラや、C−MOS式イメ−ジセンサを用いたデジタルカメラなどが挙げられる。   As the “imaging means”, it is preferable to use a camera that outputs image information as an electrical signal, and it is particularly preferable to use a digital camera. Here, examples of the “digital camera” include a CCD camera and a digital camera using a C-MOS image sensor.

請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項において、請求項1〜5のいずれか1項に記載の6軸力計測装置を利用して、前記6軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測する方法であって、前記形状抽出手段によって前記膜の形状を抽出するステップと、前記圧力抽出手段によって前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出するステップと、前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割するステップと、一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出するステップと、前記力学量に関する式と前記反対側の空間の圧力から前記膜に作用する張力を求めるステップと、前記膜に作用する張力と前記反対側の空間の圧力から前記6軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメント抽出するステップとを含むことをその要旨とする。   A sixth aspect of the present invention is the six-axis force measuring device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the six-axis force measuring device according to any one of the first to fifth aspects is used. A method for measuring an arbitrary axial force and moment acting on the film, the step of extracting the shape of the film by the shape extraction means, and the side on which the object of the film contacts by the pressure extraction means Extracting the pressure in the opposite space, dividing the membrane into several elements from the shape of the membrane, deriving an equation for mechanical quantities for one or more of the elements, The step of obtaining the tension acting on the membrane from the equation relating to the mechanical quantity and the pressure in the space on the opposite side, and the arbitrary acting on the six-axis force measuring device from the tension acting on the membrane and the pressure in the space on the opposite side Axial force of To include the steps of finely moments extracted as its gist.

従って、請求項6に記載の発明によると、前記形状抽出手段によって前記膜の形状を抽出し、次に前記圧力抽出手段によって前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出し、さらに前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割し、それを用いて一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出した後に、前記力学量に関する式と前記反対側の空間の圧力から前記膜に作用する張力を求め、最後に前記膜に作用する張力と前記反対側の空間の圧力から前記6軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを抽出する。即ち、単純な装置と手段によって6軸力の計測が可能となり、リアルタイムでの6軸力計測が可能となる。   Therefore, according to the invention described in claim 6, the shape of the film is extracted by the shape extracting means, and then the pressure in the space opposite to the side on which the object of the film contacts is detected by the pressure extracting means. Extracting, further dividing the membrane into several elements from the shape of the membrane, and using it to derive an equation relating to the mechanical quantity for one or more of the elements, The tension acting on the membrane is obtained from the pressure in the space on the opposite side, and finally the axial force and moment acting on the six-axis force measuring device from the tension acting on the membrane and the pressure in the space on the opposite side. To extract. That is, 6-axis force can be measured by a simple device and means, and 6-axis force can be measured in real time.

請求項7に記載の発明は、請求項6において、前記力学量に関する式が、前記要素に作用する力及びモーメントのつり合いの式であることをその要旨とする。
従って、請求項7に記載の発明によると、前記力学量に関する式が、前記要素に作用する力及びモーメントのつり合いの式であるため、前記膜が有する複雑な応力歪み関係を使用としない。したがって、前記膜が大変形や複雑な変形をしても、計測精度を保持したまま計測可能である。
The gist of the invention according to claim 7 is that, in claim 6, the formula relating to the mechanical quantity is a formula of balance of force and moment acting on the element.
Therefore, according to the seventh aspect of the present invention, since the formula relating to the mechanical quantity is a formula for balancing the force and moment acting on the element, the complicated stress-strain relationship of the film is not used. Therefore, even if the film is largely deformed or complicatedly deformed, it can be measured while maintaining measurement accuracy.

請求項8に記載の発明は、請求項6又は7において、前記力学量に関する式が、非接触領域抽出手段によって抽出した前記膜が対象物に接触していない非接触領域に関する情報を用いて求めた式であることをその要旨とする。   The invention according to claim 8 is the method according to claim 6 or 7, wherein the formula relating to the mechanical quantity is obtained using information relating to a non-contact area where the film extracted by the non-contact area extraction means is not in contact with the object. The gist is that

従って、請求項8に記載の発明によると、前記力学量に関する式が、非接触領域抽出手段によって抽出した前記膜が対象物に接触していない非接触領域に関する情報を用いて求めた式であるため、本来前記力学量に関する式は、前記膜に対して前記膜の張力及び圧力のみを考慮し、対象物の接触によって生じる接触力の影響が問題となるが、その影響を防ぐことが可能となる。   Therefore, according to the invention described in claim 8, the equation relating to the mechanical quantity is an equation obtained using information relating to the non-contact region where the film extracted by the non-contact region extracting means is not in contact with the object. Therefore, the formula relating to the mechanical quantity originally considers only the tension and pressure of the film with respect to the film, and the influence of the contact force caused by the contact of the object becomes a problem, but the influence can be prevented. Become.

請求項9に記載の発明は、請求項6〜8のいずれか1項において、前記力学量に関する式が、張力方向抽出手段によって求めた前記膜に作用する張力方向に関する情報を用いて求めた式であることをその要旨とする。   The invention according to a ninth aspect is the formula according to any one of the sixth to eighth aspects, wherein the formula relating to the mechanical quantity is obtained using information relating to the tension direction acting on the film obtained by the tension direction extracting means. That is the gist.

従って、請求項9に記載の発明によると、前記力学量に関する式が、張力方向抽出手段によって求めた前記膜に作用する張力方向に関する情報を用いて求めた式であるため、実際に前記膜に作用している張力の挙動をより正確に考慮することが可能となる。   Therefore, according to the invention described in claim 9, since the equation relating to the mechanical quantity is an equation obtained using information relating to the tension direction acting on the membrane obtained by the tension direction extracting means, It becomes possible to consider the behavior of the acting tension more accurately.

請求項10に記載の発明は、請求項6〜9のいずれか1項において、前記非接触領域抽出手段が、前記膜と前記部材の接触部からある距離以内に含まれる領域を前記非接触領域とすることをその要旨とする。   A tenth aspect of the present invention provides the non-contact region according to any one of the sixth to ninth aspects, wherein the non-contact region extraction means includes a region included within a certain distance from a contact portion between the film and the member. The gist of this is

従って、請求項10に記載の発明によると、前記非接触領域抽出手段が、前記膜と前記部材の接触部からある距離以内に含まれる領域を前記非接触領域とするため、このような条件を設けることで、前記非接触領域の抽出を簡略化することが可能となる。   Therefore, according to the invention described in claim 10, the non-contact region extracting means sets the region included within a certain distance from the contact portion of the film and the member as the non-contact region. By providing, extraction of the non-contact area can be simplified.

請求項11に記載の発明は、請求項6〜10のいずれか1項において、前記張力方向抽出手段が、前記膜にマーカ(12)を設け、前記マーカの位置情報から前記張力方向に関する情報を抽出する手段であることをその要旨とする。   An eleventh aspect of the present invention is that, in any one of the sixth to tenth aspects, the tension direction extracting means provides a marker (12) on the film, and information on the tension direction is obtained from position information of the marker. The gist is that it is a means for extraction.

従って、請求項11に記載の発明によると、前記膜に設けられたマーカによって、前記膜に作用する張力方向を抽出可能であるため、複雑な装置や手段を必要とせず比較的容易な方法で実現できる。   Therefore, according to the invention described in claim 11, since the tension direction acting on the membrane can be extracted by the marker provided on the membrane, a complicated device and means are not required and a relatively easy method is used. realizable.

請求項12に記載の発明は、請求項6〜11のいずれか1項において、前記マーカの位置情報が、前記マーカを撮像手段で撮影することによって抽出した前記マーカの位置情報であることをその要旨とする。   According to a twelfth aspect of the present invention, in any one of the sixth to eleventh aspects, the marker position information is position information of the marker extracted by photographing the marker with an imaging unit. The gist.

従って、請求項12に記載の発明によると、前記マーカの位置情報を撮像手段で撮影することによって抽出可能であるため、比較的小型な装置によって実現される。従って、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。   Therefore, according to the twelfth aspect of the present invention, since the marker position information can be extracted by photographing with the imaging means, this is realized by a relatively small device. Therefore, the apparatus can be further simplified and downsized.

「撮像手段」としては、画像情報を電気信号として出力するカメラを用いることが好ましく、特にデジタルカメラを用いることが好ましい。ここで、「デジタル式カメラ」としては、CCDカメラや、C−MOS式イメ−ジセンサを用いたデジタルカメラなどが挙げられる。   As the “imaging means”, it is preferable to use a camera that outputs image information as an electrical signal, and it is particularly preferable to use a digital camera. Here, examples of the “digital camera” include a CCD camera and a digital camera using a C-MOS image sensor.

請求項13に記載の発明は、対象物との接触部である前記対象物の形状に応じて変形可能な膜と、前記膜の対象物が接触する側とは反対側から前記膜を固定する部材と、前記膜の形状を抽出する形状抽出手段と、前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出する圧力抽出手段とを含む6軸力計測装置と、前記膜の形状を抽出する前記形状抽出手段と、前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出する前記圧力抽出手段と、前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割するステップと膜要素分割手段と、一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出する力学式導出手段と、前記力学量に関する式と前記反対側の空間の圧力から前記膜に作用する張力を求める張力抽出手段と、前記膜に作用する張力と前記反対側の空間の圧力から前記6軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを抽出する6軸力抽出手段とを備えることを特徴とする6軸力計測装置を利用した6軸力計測システムをその要旨とする。   According to the thirteenth aspect of the present invention, the film is deformable according to the shape of the object that is a contact portion with the object, and the film is fixed from the side opposite to the side of the film that contacts the object. A six-axis force measuring device including a member, a shape extracting means for extracting the shape of the film, and a pressure extracting means for extracting a pressure in a space opposite to the side on which the object of the film contacts, and the film The shape extracting means for extracting the shape of the film, the pressure extracting means for extracting the pressure in the space opposite to the side on which the object of the film contacts, and the film from the shape of the film into several elements A step of dividing, a membrane element dividing unit, a dynamic equation deriving unit for deriving an equation related to a mechanical quantity for one or a plurality of the elements, and Tension extracting means for determining the acting tension, and acting on the membrane A six-axis force measuring device comprising: six-axis force extracting means for extracting an arbitrary axial force and moment acting on the six-axis force measuring device from the tension and the pressure in the opposite space. The six-axis force measurement system is the gist.

従って、請求項13に記載の発明によると、前記形状抽出手段によって前記膜の形状を抽出し、次に前記圧力抽出手段によって前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出し、さらに前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割し、それを用いて一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出した後に、前記力学量に関する式と前記反対側の空間の圧力から前記膜に作用する張力を求め、最後に前記膜に作用する張力と前記反対側の空間の圧力から前記6軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを抽出する。即ち、単純な装置と手段によって6軸力の計測が可能となり、リアルタイムでの6軸力計測が可能となる。   Therefore, according to the invention described in claim 13, the shape of the film is extracted by the shape extraction means, and then the pressure of the space opposite to the side on which the object of the film contacts is detected by the pressure extraction means. Extracting, further dividing the membrane into several elements from the shape of the membrane, and using it to derive an equation relating to the mechanical quantity for one or more of the elements, The tension acting on the membrane is obtained from the pressure in the space on the opposite side, and finally the axial force and moment acting on the six-axis force measuring device from the tension acting on the membrane and the pressure in the space on the opposite side. To extract. That is, 6-axis force can be measured by a simple device and means, and 6-axis force can be measured in real time.

請求項14に記載の発明は、前記6軸力計測装置が備える前記膜(接触部)の対象物が接触する側とは反対側に配置されたマーカ部と、前記膜に対象物が接触した際の前記マーカ部の挙動を撮影する撮像手段とを備えたことを特徴とする触覚情報抽出手段と、請求項1〜5のいずれか1項に記載の6軸力計測装置からなる光学式触覚センサをその要旨とする。   In the invention according to claim 14, the marker is disposed on a side opposite to the side on which the object of the film (contact part) included in the six-axis force measuring device contacts, and the object contacts the film. An optical tactile sensation comprising: a tactile information extracting means comprising: an imaging means for photographing the behavior of the marker portion at the time; and a six-axis force measuring device according to any one of claims 1 to 5 The gist of the sensor.

従って、請求項14に記載の発明によると、触覚部(接触部)にマーカ部が配置され、その挙動を撮像手段によって撮影するような光学式触覚センサと、本発明の6軸力計測方法・装置を組み合わせることが可能である。形状計測装置の膜にマーカ部を配置し、それを形状計測装置が持つ撮像手段によって撮影すれば、マーカ部を持つ光学式触覚センサの機能を果たすことが可能である。即ち、この6軸力計測方法・装置は、触覚センサへの応用だけでなく、従来の触覚センサの機能を保持したまま6軸力計測を可能とする装置を実現できる。   Therefore, according to the invention described in claim 14, the optical tactile sensor in which the marker part is arranged in the tactile part (contact part) and the behavior is photographed by the imaging means, and the six-axis force measuring method of the present invention It is possible to combine devices. If a marker portion is arranged on the film of the shape measuring device and is photographed by an imaging means included in the shape measuring device, the function of the optical tactile sensor having the marker portion can be achieved. That is, this 6-axis force measurement method / device can be applied not only to a tactile sensor, but also to an apparatus capable of measuring a 6-axis force while maintaining the function of a conventional tactile sensor.

請求項15に記載の発明は、請求項14に記載の光学式触覚センサを利用して、力学量及び前記光学式触覚センサに作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測する方法であって、前記触覚情報抽出手段を用いて力学量を計測するステップと、前記6軸力計測方法を用いて前記光学式触覚センサに作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測するステップとを含むことを特徴とする、光学式触覚センサを利用した力学量計測方法をその要旨とする。   A fifteenth aspect of the invention is a method for measuring a mechanical quantity and an arbitrary axial force and moment acting on the optical tactile sensor using the optical tactile sensor of the fourteenth aspect. , Measuring a mechanical quantity using the tactile information extracting means, and measuring an arbitrary axial force and moment acting on the optical tactile sensor using the six-axis force measuring method. The gist is a mechanical quantity measuring method using an optical tactile sensor characterized by the following.

従って、請求項15に記載の発明によると、触覚部(接触部)にマーカ部が配置され、その挙動を撮像手段によって撮影するような光学式触覚センサと、本発明の6軸力計測方法・装置を組み合わせることが可能である。形状計測装置の膜にマーカ部を配置し、それを形状計測装置が持つ撮像手段によって撮影すれば、マーカ部を持つ光学式触覚センサの機能を果たすことが可能である。即ち、この6軸力計測方法・装置は、触覚センサへの応用だけでなく、従来の触覚センサの機能を保持したまま6軸力計測を可能とする方法を実現できる。   Therefore, according to the invention described in claim 15, the optical tactile sensor in which the marker part is arranged in the tactile part (contact part) and the behavior is photographed by the imaging means, and the six-axis force measuring method of the present invention It is possible to combine devices. If a marker portion is arranged on the film of the shape measuring device and is photographed by an imaging means included in the shape measuring device, the function of the optical tactile sensor having the marker portion can be achieved. That is, this 6-axis force measurement method / device can be applied not only to a tactile sensor, but also to a method that enables 6-axis force measurement while maintaining the function of a conventional tactile sensor.

前記力学量としては、例えば、滑り、摩擦係数、形状、対象物の位置、対象物の姿勢からなる群から選ばれる1種以上が挙げられる。
(発明の効果)
以上詳述したように、請求項1に記載の発明によれば、6軸力計測装置の製作が容易になり、形状計測装置の小型化が容易になる。また,従来の光学式触覚センサのシステムやその他の分野への応用が容易になる。
Examples of the mechanical quantity include one or more selected from the group consisting of slip, coefficient of friction, shape, position of the object, and posture of the object.
(Effect of the invention)
As described above in detail, according to the first aspect of the invention, the six-axis force measuring device can be easily manufactured, and the shape measuring device can be easily downsized. In addition, the conventional optical tactile sensor system and other fields can be easily applied.

請求項2に記載の発明によれば、前記圧力抽出手段によって圧力を抽出する際に、閉空間であるため抽出が比較的容易となる。
請求項3に記載の発明によれば、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
According to invention of Claim 2, when extracting a pressure by the said pressure extraction means, since it is a closed space, extraction becomes comparatively easy.
According to the invention described in claim 3, the device can be further simplified and miniaturized.

請求項4に記載の発明によれば、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
請求項5に記載の発明によれば、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
請求項6に記載の発明によれば、単純な装置と手段によって6軸力の計測が可能となり、リアルタイムでの6軸力計測が可能となる。
According to the fourth aspect of the present invention, the device can be further simplified and downsized.
According to the invention described in claim 5, it is possible to further simplify and miniaturize the apparatus.
According to the sixth aspect of the invention, it is possible to measure 6-axis force with a simple device and means, and it is possible to measure 6-axis force in real time.

請求項7に記載の発明によれば、前記膜が大変形や複雑な変形をしても、計測精度を保持したまま計測可能である。
請求項8に記載の発明によれば、前記力学量に関する式に対して、対象物の接触によって生じる接触力の影響を防ぐことが可能となる。
According to the invention described in claim 7, even if the film is largely deformed or complicatedly deformed, it can be measured while maintaining measurement accuracy.
According to invention of Claim 8, it becomes possible to prevent the influence of the contact force which arises by the contact of a target object with respect to the type | formula regarding the said mechanical quantity.

請求項9に記載の発明によれば、実際に前記膜に作用している張力の挙動をより正確に考慮することが可能となる。
請求項10に記載の発明によれば、前記非接触領域の抽出を簡略化することが可能となる。
According to the ninth aspect of the present invention, it is possible to more accurately consider the behavior of the tension actually acting on the film.
According to the invention described in claim 10, the extraction of the non-contact area can be simplified.

請求項11に記載の発明によれば、複雑な装置や手段を必要とせず比較的容易な方法で、前記膜に作用する張力方向を抽出可能である。
請求項12に記載の発明によれば、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
According to the invention described in claim 11, it is possible to extract the direction of tension acting on the film by a relatively easy method without requiring a complicated device or means.
According to the twelfth aspect of the present invention, the device can be further simplified and downsized.

請求項13に記載の発明によれば、単純な装置と手段によって6軸力の計測が可能となり、リアルタイムでの6軸力計測が可能となる。
請求項14に記載の発明によれば、6軸力計測装置及び6軸力計測装置を触覚センサへ応用するとともに、従来の触覚センサの機能を保持したまま6軸力計測を可能とする方法を装置できる。
According to the thirteenth aspect of the present invention, it is possible to measure a six-axis force with a simple device and means, and it is possible to measure a six-axis force in real time.
According to the fourteenth aspect of the present invention, a 6-axis force measurement device and a 6-axis force measurement device are applied to a tactile sensor, and a method for enabling 6-axis force measurement while maintaining the function of a conventional tactile sensor. Can be equipment.

請求項15に記載の発明によれば、6軸力計測装置及び6軸力計測装置を触覚センサへ応用するとともに、従来の触覚センサの機能を保持したまま6軸力計測を可能とする方法を実現できる。   According to the fifteenth aspect of the present invention, a 6-axis force measurement device and a 6-axis force measurement device are applied to a tactile sensor, and a method that enables 6-axis force measurement while maintaining the function of a conventional tactile sensor. realizable.

本発明における6軸力計測装置を示す全体斜視図。The whole perspective view which shows the 6-axis force measuring device in this invention. 圧力センサを用いたタッチパッドの全体斜視図。The whole perspective view of the touchpad using a pressure sensor. 膜が有するマーカ位置を示す図。The figure which shows the marker position which a film | membrane has. 6軸力計測システムの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of a 6-axis force measurement system. 6軸力計測システムによる処理の概略を示すフローチャート。The flowchart which shows the outline of the process by a 6-axis force measurement system. 張力方向抽出手段における、マーカ位置及びその他の記号を示す図。The figure which shows the marker position and other symbols in the tension direction extracting means. 6軸力抽出時における、膜の分割方法とその記号を示す図。The figure which shows the division | segmentation method of a film | membrane at the time of 6 axial force extraction, and its symbol. 6軸力抽出時における、一つの膜に作用する張力とその記号を示す全体斜視図。The whole perspective view which shows the tension | tensile_strength which acts on one film | membrane at the time of 6 axial force extraction, and its symbol. 6軸力抽出時における、一つの膜に作用する張力とその記号を示す側面図。The side view which shows the tension | tensile_strength which acts on one film | membrane at the time of 6 axial force extraction, and its symbol. 6軸力抽出時における、複数の膜に作用する張力とその記号を示す側面図。The side view which shows the tension | tensile_strength which acts on a some film | membrane at the time of 6 axial force extraction, and its symbol. 6軸力抽出時における、膜の端に作用する張力の関係を示す図。The figure which shows the relationship of the tension | tensile_strength which acts on the edge of a film | membrane at the time of 6 axial force extraction. 6軸力抽出時における、膜の端に作用する張力と作用する6軸力の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the tension | tensile_strength which acts on the edge of a film | membrane at the time of 6-axis force extraction, and the 6-axis force which acts. タッチパッドに対して物体がZ軸と平行に接触してきた時の、力のZ軸方向成分を示す図。The figure which shows the Z-axis direction component of force when an object comes in parallel with the Z-axis with respect to a touchpad. タッチパッドに対して物体がX軸と平行に接触してきた時の、力のX軸方向成分を示す図。The figure which shows the X-axis direction component of force when an object comes in parallel with the X-axis with respect to a touchpad. タッチパッドに対して物体がX軸と平行に接触してきた時の、力のZ軸方向成分を示す図。The figure which shows the Z-axis direction component of force when an object comes in parallel with the X-axis with respect to a touchpad. タッチパッドに対して物体がZ軸と平行に接触してきた後にZ軸周りに回転した時の、力のZ軸方向成分を示す図。The figure which shows the Z-axis direction component of force when an object rotates with respect to a touchpad in parallel with a Z-axis, and rotates around a Z-axis. タッチパッドに対して物体がZ軸と平行に接触してきた後にZ軸周りに回転した時の、Z軸周りのモーメントを示す図。The figure which shows the moment around a Z-axis when an object rotates with respect to a Z-axis after an object comes in parallel with a Z-axis with respect to a touchpad. 圧縮性流体及び箱を用いたタッチパッドの全体斜視図。The whole perspective view of the touchpad using a compressible fluid and a box. 膜が有するドットパターンを示す図。The figure which shows the dot pattern which a film | membrane has. 光学式触覚センサによる処理の概略を示すフローチャート。The flowchart which shows the outline of the process by an optical touch sensor. 6軸力計測装置の半球状のタッチパッドに対して操作者の指が接触する状態を示す図。The figure which shows the state which an operator's finger contacts with the hemispherical touchpad of a 6-axis force measuring device.

[第1の実施形態]
以下、本発明を6軸力計測システムに具体化した第1の実施形態を、図1〜図17に基づき詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment in which the present invention is embodied in a six-axis force measurement system will be described in detail with reference to FIGS.

図1に示されるように、6軸力計測装置1を構成するケ−シング2の先端側には、平板と半球を接合したような形状を持つタッチパッド3(接触部)が設けられている。ケ−シング2内には、撮像手段としてのCCDカメラ4が配置されている。
CCDカメラ4は、タッチパッド3を中心として、物体W1と接触する側とは反対側に配置されている。
As shown in FIG. 1, a touch pad 3 (contact portion) having a shape in which a flat plate and a hemisphere are joined is provided on the distal end side of a casing 2 constituting the six-axis force measuring device 1. . In the casing 2, a CCD camera 4 as an imaging means is arranged.
The CCD camera 4 is arranged on the side opposite to the side in contact with the object W1 with the touch pad 3 as the center.

ケ−シング2内には、照明5が配置されている。照明5は、タッチパッド3において、物体W1と接触する側とは反対側に配置されている。CCDカメラ4は、タッチパッド3の背面側から撮影するようになっている。   An illumination 5 is arranged in the casing 2. The illumination 5 is disposed on the touch pad 3 on the side opposite to the side in contact with the object W1. The CCD camera 4 captures images from the back side of the touch pad 3.

図2に示されるように、タッチパッド3は、接触部としての弾性変形可能な膜6、膜6の端が全て密着している光透過性の板7、膜6と板7を固定するための固定具8で構成されており、板7と固定具8で膜6を挟んで固定した状態になっている。   As shown in FIG. 2, the touch pad 3 fixes an elastically deformable film 6 as a contact portion, a light-transmitting plate 7 in which all ends of the film 6 are in close contact, and the film 6 and the plate 7. It is comprised with the board | substrate 7 and the state which pinched | interposed the film | membrane 6 with the fixture 7.

膜6は、半球状の部分6aと、その周囲を囲む平板状の部分6bとを備える。半球状の部分6aは、物体W1と接触する側(図1における下側)に突出している。
板7は、膜6における「物体W1と接触する側とは反対側」に位置し、平板状の部分6bと当接しているが、半球状の部分6aとの間には、閉空間が存在する。
The film 6 includes a hemispherical portion 6a and a flat plate-like portion 6b surrounding the periphery. The hemispherical portion 6a protrudes to the side in contact with the object W1 (lower side in FIG. 1).
The plate 7 is located on the “side opposite to the side in contact with the object W1” in the film 6 and is in contact with the flat plate-like portion 6b, but there is a closed space between the hemispherical portion 6a. To do.

板7には管9が接続されており、管9の他方の端には圧力抽出手段としての圧力センサ10が接続されている。ここで、膜6、板7、管9、圧力センサ10で囲まれた空間は外気との行き来が遮断された閉空間となり、液体11で満たされている。   A tube 9 is connected to the plate 7, and a pressure sensor 10 as a pressure extracting means is connected to the other end of the tube 9. Here, the space surrounded by the membrane 6, the plate 7, the tube 9, and the pressure sensor 10 is a closed space in which traffic from outside air is blocked and is filled with the liquid 11.

図2及び図3に示されるように、膜6の物体W1と接触する側とは反対側にはマーカ12が配置されている。
ここで、CCDカメラ4、照明5、液体11は形状抽出手段の一部としての役割を果たしている。したがって、他の形状抽出手段を使用する場合は、CCDカメラ4、照明5、液体11は無くても良い。また、CCDカメラ4、マーカ12は張力方向抽出手段の一部としての役割を果たしている。したがって、他の張力方向抽出手段を使用する場合は、CCDカメラ4、マーカ12は設けなくても良い。
As shown in FIGS. 2 and 3, a marker 12 is disposed on the side of the film 6 opposite to the side in contact with the object W <b> 1.
Here, the CCD camera 4, the illumination 5, and the liquid 11 play a role as a part of the shape extraction unit. Therefore, when using other shape extraction means, the CCD camera 4, the illumination 5, and the liquid 11 may be omitted. Further, the CCD camera 4 and the marker 12 serve as a part of the tension direction extracting means. Therefore, when other tension direction extracting means is used, the CCD camera 4 and the marker 12 need not be provided.

CCDカメラ4は、赤、緑、青の3チャンネルのCCDカメラである。2チャンネル以上のカメラであれば良く、CCDカメラでなくC−MOSカメラであっても良い。
照明5は、同軸落射照明(CCS製:LFV−50SW2)を使用した。また、照明5から照射された光が板7で反射した際に、その成分がCCDカメラ4内に進入するのを防ぐために、照明5に偏光板(CCS製:PL−LFV−50SW2)を装着し、CCDカメラ4に偏光フィルタ−を装着した。また、照明5は、光が照射される位置(光源位置)と光が照射される方向が分かるものであれば、他の点光源や面光源であっても良い。
The CCD camera 4 is a three-channel CCD camera of red, green and blue. Any camera having two or more channels may be used, and a C-MOS camera may be used instead of a CCD camera.
As the illumination 5, coaxial epi-illumination (manufactured by CCS: LFV-50SW2) was used. In addition, a polarizing plate (made by CCS: PL-LFV-50SW2) is attached to the illumination 5 in order to prevent the component from entering the CCD camera 4 when the light emitted from the illumination 5 is reflected by the plate 7. Then, a polarizing filter was attached to the CCD camera 4. Further, the illumination 5 may be another point light source or a surface light source as long as the position where the light is irradiated (light source position) and the direction in which the light is irradiated can be known.

膜6の厚さは、膜6の曲げモーメントが計測する力と比較して十分小さくなる程度まで薄くなっていることが望ましい。膜6の形状は物体W1と接触する側から見て半球状であるが、物体W1と接触する側から見て凸形状となっていれば、他の形状であっても良い。そして、タッチパッド3に物体W1が接触していない状態では、膜6の端(膜6と固定具8の接触部分の境界)には、せん断力は作用していないように膜6を設けている。   It is desirable that the thickness of the film 6 be reduced to such an extent that the bending moment of the film 6 is sufficiently small compared to the force measured. The shape of the film 6 is hemispherical when viewed from the side in contact with the object W1, but may be other shapes as long as it is convex when viewed from the side in contact with the object W1. When the object W1 is not in contact with the touch pad 3, the film 6 is provided at the end of the film 6 (the boundary between the contact portions of the film 6 and the fixture 8) so that no shearing force is applied. Yes.

また、膜6は透明シリコ−ンゴム(信越シリコ−ン製:KE−1950−10)に黒色の着色剤を混ぜて形成した厚さ0.5mmの黒色の膜と、透明シリコ−ンゴム(信越シリコ−ン製:KE−1950−10)に白色の着色剤を混ぜて形成した厚さ0.5mmの白色の膜を張り合わせて形成したものである。従って、膜6は物体W1と接触する側は黒色を有し、その反対側は白色を有する。   The film 6 is made of a transparent silicone rubber (manufactured by Shin-Etsu Silicon: KE-1950-10) mixed with a black colorant and a black film having a thickness of 0.5 mm and a transparent silicone rubber (Shin-Etsu Silicone). -Manufactured by KE-1950-10) and a white film having a thickness of 0.5 mm formed by mixing a white colorant. Therefore, the film 6 has a black color on the side in contact with the object W1 and a white color on the opposite side.

板7は透明なアクリル板であるが、光透過性であり計測時に変形しない程の硬さを持っていれば他の材質でも良い。
固定具8は金属製にタッチパッドの大きさの円形の穴を空けた板であるが、計測時に変形しない程の硬さを持っていれば他の材質でも良い。
The plate 7 is a transparent acrylic plate, but may be made of other materials as long as it is light transmissive and has a hardness that does not deform during measurement.
The fixture 8 is a metal plate having a touchpad-sized circular hole, but may be made of other materials as long as it has a hardness that does not deform during measurement.

管9は、内径2mm、外径4mmのシリコーンゴム製チューブであるが、閉空間の圧力変化に対して大きく変化しないものであれば、他の形状や材質であっても良い。ただし、内径は大きいほど望ましい。圧力センサ10は、ダイアフラム式の圧力変換器で計測範囲がゲージ圧で0Pa〜200kPaの圧力センサを使用したが、他の種類や他の計測範囲を有するセンサであっても良い。
液体11は水道水に赤色顔料(ZEBRA製:JK−05)を溶かした赤色半透明の水であるが、特許文献(特願2010−180928)に適するものであれば、他の材料で構成されていても良い。
The tube 9 is a silicone rubber tube having an inner diameter of 2 mm and an outer diameter of 4 mm. However, the tube 9 may have other shapes and materials as long as it does not change greatly with respect to the pressure change in the closed space. However, the larger the inner diameter, the better. The pressure sensor 10 is a diaphragm type pressure transducer and uses a pressure sensor with a measurement range of 0 Pa to 200 kPa in gauge pressure, but may be a sensor having other types or other measurement ranges.
The liquid 11 is red translucent water obtained by dissolving red pigment (manufactured by ZEBRA: JK-05) in tap water. However, the liquid 11 may be made of other materials as long as it is suitable for the patent document (Japanese Patent Application No. 2010-180928). May be.

マーカ12は、半径0.5mm程度の円形であり黒色を有しているが、CCDカメラ4によって撮影した際にその位置情報が取得できるものであれば、他の色や形状を有していても良い。また、マーカ12は膜6の端(膜6と固定具8の接触部分の境界)に沿って2mm程度離れた位置に等間隔に36個設けられているが、他の個数や間隔で設けられていても良い。   The marker 12 has a circular shape with a radius of about 0.5 mm and has a black color. However, the marker 12 has other colors and shapes as long as the position information can be acquired when the image is taken by the CCD camera 4. Also good. In addition, although 36 markers 12 are provided at equal intervals along the end of the membrane 6 (the boundary between the contact portions of the membrane 6 and the fixture 8) at a distance of about 2 mm, other markers and intervals are provided. May be.

図4に示されるように、6軸力計測装置1を備える6軸力計測システム13は、6軸力計測システム13全体を制御する制御部14を備えている。制御部14はCPU15を備えており、CPU15には、ROM16、RAM17及び入出力ポ−ト(I/Oポ−ト)18が接続されている。CPU15は、6軸力計測システム13全体を制御するための各種処理を実行し、その処理結果を所定の制御信号として出力するようになっている。ROM16には、6軸力計測システム13を制御するための制御プログラムなどが記憶されている。また、RAM17には、6軸力計測システム13の動作に必要な各種の情報が一時的に記憶されるようになっている。さらに、入出力ポ−ト18には、前記CCDカメラ4、前記照明5及び前記圧力センサ10が接続されている。CPU15には、前記タッチパッド3を撮影することでCCDカメラ4から入力される画像情報が、入出力ポ−ト18を介して入力されるようになっている。それとともに、CPU15は、照明5を点灯させるための信号を、入出力ポ−ト18を介して照明5に対して出力するようになっている。   As shown in FIG. 4, the 6-axis force measurement system 13 including the 6-axis force measurement device 1 includes a control unit 14 that controls the entire 6-axis force measurement system 13. The control unit 14 includes a CPU 15, and a ROM 16, a RAM 17, and an input / output port (I / O port) 18 are connected to the CPU 15. The CPU 15 executes various processes for controlling the entire six-axis force measurement system 13 and outputs the processing results as predetermined control signals. The ROM 16 stores a control program for controlling the six-axis force measurement system 13 and the like. The RAM 17 temporarily stores various information necessary for the operation of the six-axis force measurement system 13. Further, the CCD camera 4, the illumination 5 and the pressure sensor 10 are connected to the input / output port 18. Image information inputted from the CCD camera 4 by photographing the touch pad 3 is inputted to the CPU 15 via the input / output port 18. At the same time, the CPU 15 outputs a signal for turning on the illumination 5 to the illumination 5 via the input / output port 18.

図4に示されるCPU15は、入出力ポ−ト18を介して一定時間ごと(本実施形態では100msごと)に入力されたCCDカメラ4からの画像情報を画像処理するようになっている。なお、一定時間ごとに取得した画像情報は、RAM17の記憶領域に一定期間記憶されるとともに、古いものから順次消去されるようになっている。また、画像処理ソフトウェアとしては、市販のもの(MVTec社製:HALCON)が用いられている。そして、CPU15は、撮影された画像から膜6の形状及び膜6の端に作用する張力の方向を抽出し、膜6の形状から物体W1が膜6に接触していない非接触領域を抽出する。さらに、CPU15は圧力センサ10からのアナログ信号を入力し、液体11の圧力を抽出する。最後にCPU15は、これらの情報から板7に作用する6軸力を計算し抽出する。即ち、CPU15は、情報抽出手段としての機能を有している。   The CPU 15 shown in FIG. 4 performs image processing on image information from the CCD camera 4 that is input via the input / output port 18 at regular intervals (in this embodiment, every 100 ms). Note that image information acquired at regular intervals is stored in a storage area of the RAM 17 for a certain period, and is erased sequentially from the oldest one. As the image processing software, commercially available software (manufactured by MVTec: HALCON) is used. Then, the CPU 15 extracts the shape of the film 6 and the direction of the tension acting on the end of the film 6 from the photographed image, and extracts a non-contact area where the object W1 is not in contact with the film 6 from the shape of the film 6. . Further, the CPU 15 inputs an analog signal from the pressure sensor 10 and extracts the pressure of the liquid 11. Finally, the CPU 15 calculates and extracts the 6-axis force acting on the plate 7 from these pieces of information. That is, the CPU 15 has a function as information extraction means.

次に、6軸力計測システム13による板7に作用する6軸力の計測方法を説明する。
図5に示されるように、ステップS110においてタッチパッド3が物体W1に接触すると(ステップS110)タッチパッド3を通して撮影した画像の変化で接触を判断する。CPU15は、タッチパッド3の挙動を撮影することでCCDカメラ4から入力される画像情報を取り込み(ステップS120)、形状抽出手段を用いて膜6の形状を抽出し(ステップS130)、画像情報から用いてマーカ12の位置情報を算出し、膜6の端に作用する張力の方向を抽出する(ステップS140)。次にCPU15は、取得した膜6の形状情報を用いて非接触領域抽出手段によって物体W1が膜6に接触していない非接触領域を抽出する(ステップS150)そして、CPU15は、圧力センサ10からのアナログ信号を入力し、液体11の圧力を抽出する(ステップS160)。最後にCPU15は、得られた膜6の形状情報、膜6の端に作用する張力の方向、膜6の非接触領域及び膜6と板7の間の空間に作用する圧力情報を基に、板7に作用する6軸力を計算し抽出する(ステップS170)。
Next, a method for measuring the six-axis force acting on the plate 7 by the six-axis force measurement system 13 will be described.
As shown in FIG. 5, when the touch pad 3 comes into contact with the object W1 in step S110 (step S110), contact is determined based on a change in an image taken through the touch pad 3. The CPU 15 captures image information input from the CCD camera 4 by photographing the behavior of the touch pad 3 (step S120), extracts the shape of the film 6 using the shape extracting means (step S130), and extracts the image information from the image information. The position information of the marker 12 is used to calculate the direction of tension acting on the end of the film 6 (step S140). Next, the CPU 15 extracts the non-contact area where the object W1 is not in contact with the film 6 by the non-contact area extraction means using the acquired shape information of the film 6 (step S150). And the pressure of the liquid 11 is extracted (step S160). Finally, the CPU 15 is based on the obtained shape information of the membrane 6, the direction of the tension acting on the end of the membrane 6, the non-contact area of the membrane 6 and the pressure information acting on the space between the membrane 6 and the plate 7. A six-axis force acting on the plate 7 is calculated and extracted (step S170).

このように、ステップS110からステップS170までの処理を行うことで、板7に作用する6軸力が計測可能となる。
ここで、撮影された画像から膜6の形状を、単体のカメラを使い、カメラに写る異なる二つチャンネルの光の強度の解析に基づいて抽出する方法(ステップS130)は、特許文献(特願2010−180928)あるいは非特許文献(Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Shape Sensing by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of 2020 IEEE Conference on Automation Science and Engineering, Aug, 2010)に記載の形状抽出手段による方法である。
As described above, by performing the processing from step S110 to step S170, the six-axis force acting on the plate 7 can be measured.
Here, a method (step S130) of extracting the shape of the film 6 from a photographed image based on an analysis of the intensity of light of two different channels captured by the camera using a single camera is disclosed in Japanese Patent Application (Patent Application (Japanese Patent Application). 2010-180928) or non-patent literature (Y. Ito, Y. Kim, C. Nagai and G. Obinata, “Shape Sensing by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of 2020 IEEE Conference on Automation Science and Engineering, Aug, 2010).

また、画像情報から用いてマーカ12の位置情報を算出し、膜6の端に作用する張力の方向を抽出する方法(ステップS140)は以下の通りである。
まず、図6に示すように板7の中心Q1を原点にX、Y、Z軸を定義する。次に、X―Y面上にあり、X軸と2π(i+1/2)/N1(rad)の角を成す軸をU1(i)(i=1,2,...N1)と定義する。ただしN1はマーカ12の個数である。ではそして、膜6の端(膜6と固定具8の接触部分の境界)とU1(i)軸の交点の位置ベクトルをE(i)と定義する。
タッチパッド3に物体W1が接触していない状態では、タッチパッド3は半球状の形状を保っており、膜6の端(膜6と固定具8の接触部分の境界)にはせん断力は作用していない。したがって、この状態におけるN1個のマーカ12の位置ベクトルをD1(i)(i=1,2,...N1)と定義し記憶しておく。次に、タッチパッド3に物体W1が接触すると、マーカ12の位置が変化し、この時のマーカ12の位置ベクトルをD2(i)(i=1,2,...N1)と定義する。ここで、各E(i)の位置に作用する張力の方向はベクトル(D1(i)―E(i))に対して∠D1(i)E(i)D2(i)の角を成すものとし、この角をφ1(i)(i=1,2,...N1)とする。さらに、膜6の端(膜6と固定具8の接触部分の境界)上でE(i)とE(i+1)の間の任意の点D3に作用する張力の方向は、その点からE(i)までの距離をL1(i)とし、その点からE(i+1)までの距離をL2(i)としたとき、その点に作用する張力の方向は、φ1(i)とφ1(i+1)の一次結合として次のように与えられるφ2を用いて表す。
The method of calculating the position information of the marker 12 using the image information and extracting the direction of the tension acting on the end of the film 6 (step S140) is as follows.
First, as shown in FIG. 6, the X, Y, and Z axes are defined with the center Q1 of the plate 7 as the origin. Next, an axis that is on the XY plane and forms an angle of 2π (i + 1/2) / N1 (rad) with the X axis is defined as U1 (i) (i = 1, 2,... N1). . N1 is the number of markers 12. Then, the position vector of the intersection of the end of the membrane 6 (the boundary between the contact portion of the membrane 6 and the fixture 8) and the U1 (i) axis is defined as E (i).
In a state where the object W1 is not in contact with the touch pad 3, the touch pad 3 maintains a hemispherical shape, and shear force acts on the end of the film 6 (boundary boundary between the film 6 and the fixture 8). Not done. Therefore, the position vector of the N1 markers 12 in this state is defined and stored as D1 (i) (i = 1, 2,... N1). Next, when the object W1 comes into contact with the touch pad 3, the position of the marker 12 changes, and the position vector of the marker 12 at this time is defined as D2 (i) (i = 1, 2,... N1). Here, the direction of the tension acting on the position of each E (i) forms an angle of ∠D1 (i) E (i) D2 (i) with respect to the vector (D1 (i) -E (i)) And let this angle be φ1 (i) (i = 1, 2,... N1). Further, the direction of tension acting on an arbitrary point D3 between E (i) and E (i + 1) on the end of the membrane 6 (boundary of the contact portion between the membrane 6 and the fixture 8) is E ( When the distance to i) is L1 (i) and the distance from that point to E (i + 1) is L2 (i), the direction of tension acting on that point is φ1 (i) and φ1 (i + 1) Is expressed by using φ2 given as follows as a linear combination.

φ2=(φ1(i)・L2(i)+φ1(i+1)・L1(i))/(L1(i)+L2(i))(式1)
φ2は、膜6に物体W1が接触していない状態における張力の方向と、物体W1が接触した状態における張力の方向が成す角を表現している。したがって、φ2によって膜6の端(膜6と固定具8の接触部分の境界)に作用する張力の方向を表すことが出来る。
φ2 = (φ1 (i) · L2 (i) + φ1 (i + 1) · L1 (i)) / (L1 (i) + L2 (i)) (Formula 1)
φ2 expresses an angle formed by the direction of tension when the object W1 is not in contact with the film 6 and the direction of tension when the object W1 is in contact. Therefore, the direction of tension acting on the end of the membrane 6 (the boundary between the contact portions of the membrane 6 and the fixture 8) can be expressed by φ2.

次に、取得した膜6の形状情報を用いて非接触領域抽出手段によって物体W1が膜6に接触していない非接触領域を抽出する方法(ステップS150)は、非特許文献(Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Acquisition of Tactile Information by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of IEEE/RSJ 2010 International Conference on Intelligent Robots and Systems, Oct, 2010)に記載の触領域抽出手段を利用し、膜6の形状の物体W1が接触する側から見て凸の領域を非接触領域として抽出する。さらに、膜6上の領域において、Z軸方向に対してδ1以下の範囲の領域も非接触領域として抽出する。本実施例ではδ1=4.62mmとしたが、他の値でも良い。   Next, a method (step S150) for extracting a non-contact area where the object W1 is not in contact with the film 6 by the non-contact area extracting means using the acquired shape information of the film 6 is described in a non-patent document (Y. Ito, Y. Kim, C. Nagai and G. Obinata, “Acquisition of Tactile Information by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of IEEE / RSJ 2010 International Conference on Intelligent Robots and Systems, Oct, 2010) By using the touch area extracting means described, a convex area is extracted as a non-contact area when viewed from the side on which the object W1 in the shape of the film 6 contacts. Further, in the region on the film 6, a region in the range of δ1 or less with respect to the Z-axis direction is also extracted as a non-contact region. In this embodiment, δ1 = 4.62 mm, but other values may be used.

また、圧力センサ10からのアナログ信号を入力し、液体11の圧力を抽出する際に(ステップS160)、液体11の圧力は全領域において一定であると仮定する。すなわち、液体11の体積力は無いものとして扱う。   Further, when the analog signal from the pressure sensor 10 is input and the pressure of the liquid 11 is extracted (step S160), it is assumed that the pressure of the liquid 11 is constant in the entire region. That is, the liquid 11 is treated as having no body force.

なお、CPU15が得られた膜6の形状情報、膜6の端に作用する張力の方向、膜6の非接触領域及び膜6と板7の間の空間に作用する圧力情報を基に、板7に作用する6軸力を計算し抽出する方法(ステップS170)は以下の通りである。   Based on the shape information of the film 6 obtained by the CPU 15, the direction of the tension acting on the edge of the film 6, the pressure information acting on the non-contact area of the film 6 and the space between the film 6 and the plate 7, A method for calculating and extracting the 6-axis force acting on the pressure 7 (step S170) is as follows.

図7に示すように、膜6上に上記で定義したZ軸に対して一定の間隔δ2を持つ等高線を引いていき、それを順にA1(1)、A1(2)、A1(3)、...と定義していく。本実施例ではδ2=0.154mmとしたが、他の値でも良い。次に、X―Y面上にあり、X軸と2πi/N2(rad)の角を成す軸をU2(i)(i=1,2,...N2)と定義する。本実施例ではN2=72としたが、他の値でも良い。そして、膜6の端(膜6と固定具8の接触部分の境界)とU2(i)軸の交点をB1(i)と定義する。ここで、B1(i)から各A1(i)と垂直に交わるように膜6上に線B2(i)を引いていき、この線B2(i)の傾きのZ方向成分が0になる時の地点をB3(i)とする。また、B3(i)とB3(i+1)を結ぶ線分をA2(i)(i=1,2,...N2−1)と定義し、B3(N2)とB3(1)を結ぶ線分をA2(N2)とする。   As shown in FIG. 7, contour lines having a constant interval δ2 with respect to the Z axis defined above are drawn on the film 6, and are sequentially drawn as A1 (1), A1 (2), A1 (3), . . . We will define In this embodiment, δ2 = 0.154 mm, but other values may be used. Next, an axis that is on the XY plane and forms an angle of 2πi / N2 (rad) with the X axis is defined as U2 (i) (i = 1, 2,... N2). In this embodiment, N2 = 72, but other values may be used. The intersection of the end of the membrane 6 (the boundary between the contact portion of the membrane 6 and the fixture 8) and the U2 (i) axis is defined as B1 (i). Here, when a line B2 (i) is drawn on the film 6 so as to intersect each A1 (i) perpendicularly from B1 (i), the Z-direction component of the slope of this line B2 (i) becomes zero. Is point B3 (i). Further, a line segment connecting B3 (i) and B3 (i + 1) is defined as A2 (i) (i = 1, 2,... N2-1), and a line connecting B3 (N2) and B3 (1). Let the minutes be A2 (N2).

次に、膜6を複数の要素に分割していく。A1(j)、A1(j+1)、B2(i)、B2(i+1)の4本の線で囲まれた要素をM(i,j)と定義する(ただし、i=N2の場合は、上記の定義においてi+1の代わりに1を挿入する)。ここで、N3(i)を、A2(i)よりもZ軸方向に低い位置にある等高線A1(i)の中で、最もZ軸方向に高い位置にある等高線がA1(N3(i))となるように定義する。そして、A1(N3(i))、A2(i)、B2(i)、B2(i+1)の4本の線で囲まれた要素をM(i,N3(i))と定義する(ただし、i=N2の場合は、上記の定義においてi+1の代わりに1を挿入する)。   Next, the film 6 is divided into a plurality of elements. An element surrounded by four lines A1 (j), A1 (j + 1), B2 (i), and B2 (i + 1) is defined as M (i, j) (however, if i = N2 1 is inserted instead of i + 1 in the definition of Here, the contour line at the highest position in the Z-axis direction is A1 (N3 (i)) among the contour lines A1 (i) at a position lower in the Z-axis direction than A2 (i). Define to be Then, an element surrounded by four lines A1 (N3 (i)), A2 (i), B2 (i), and B2 (i + 1) is defined as M (i, N3 (i)) (however, When i = N2, 1 is inserted instead of i + 1 in the above definition).

次に、分割された各要素M(i,j)(i=1,2,...N2)(j=1,2,...N3(i))に対して力の釣り合いの式を立てる。図8に示すように、要素M(i,j)の各辺に作用している張力をF1(i,j)、F1(i,j+1)、F2(i,j)、F2(i+1,j)と定義する。さらに、各要素は十分小さいので、各張力の作用する点は要素M(i,j)の各辺の中点に作用するもの仮定する。   Next, a force balance equation is applied to each of the divided elements M (i, j) (i = 1, 2,... N2) (j = 1, 2,... N3 (i)). Stand up. As shown in FIG. 8, the tension acting on each side of the element M (i, j) is expressed as F1 (i, j), F1 (i, j + 1), F2 (i, j), F2 (i + 1, j ). Furthermore, since each element is sufficiently small, it is assumed that the point at which each tension acts acts on the midpoint of each side of the element M (i, j).

ここで、各要素に作用するせん断力を考えると、一般にせん断力は各要素に対して殆ど対称的に作用し、さらに張力F2のせん断成分は構造上作用しにくいので、張力F2のせん断方向は0と近似する。この近似により、張力F2の方向は、等高線A1と平行な方向、すなわちZ軸とは垂直な方向となる。   Here, considering the shear force acting on each element, generally the shear force acts almost symmetrically on each element, and the shear component of the tension F2 is difficult to act structurally. Approximate 0. By this approximation, the direction of the tension F2 is a direction parallel to the contour line A1, that is, a direction perpendicular to the Z axis.

これらの仮定と近似を使用しながら、各要素M(i,j)をU3(i)−Z平面に投影した図9について考える、ただしU3(i)(i=1,2,...N2)はX―Y面上にあり、X軸と2π(i+1/2)/N2(rad)の角を成す軸であると定義する。M(i,j)をU3(i)−Z平面に投影した際、F1(i,j)及びF1(i,j+1)のU3(i)−Z平面成分をそれぞれF3(i,j)及びF3(i,j+1)とし、F2(i,j)及びF2(i+1,j)の合力をF4(i,j)とする。この時、上記の近似によりZ軸とは垂直な方向に作用しているので、F4(i,j)はU3(i)方向成分のみとなる。以上により、Z方向及びU3(i)方向の釣り合いの式はそれぞれ次の(式2)及び(式3)によって与えられる。   Using these assumptions and approximations, consider FIG. 9 where each element M (i, j) is projected onto the U3 (i) -Z plane, where U3 (i) (i = 1, 2,... N2 ) Is defined on the XY plane as an axis that forms an angle of 2π (i + 1/2) / N2 (rad) with the X axis. When M (i, j) is projected onto the U3 (i) -Z plane, the U3 (i) -Z plane components of F1 (i, j) and F1 (i, j + 1) are respectively F3 (i, j) and F3 (i, j + 1) is assumed, and the resultant force of F2 (i, j) and F2 (i + 1, j) is assumed to be F4 (i, j). At this time, F4 (i, j) has only a U3 (i) direction component because it operates in a direction perpendicular to the Z-axis by the above approximation. As described above, the balance equations in the Z direction and the U3 (i) direction are given by the following (Expression 2) and (Expression 3), respectively.

F3(i,j+1)・sinΘ(i,j+1)=F3(i,j)・sinΘ(i,j)−P・S1(i,j)(式2)
F4(i,j)=F3(i,j)・cosΘ(i,j)−F3(i,j+1)・cosΘ(i,j+1)+P・S2(i,j)(式3)
ここで、Pは膜6と板7の間の空間に作用している圧力であり、S1(i,j)は要素M(i,j)をZ軸に垂直な面に投影した時の面積であり、S2(i,j)は要素M(i,j)をU3(i)軸に垂直な面に投影した時の面積である。Θ(i,j)及びΘ(i,j+1)は、図9に示すように要素M(i,j)の両端の、U3(i)軸に対する角である。また、S1(i,j)、S2(i,j)、Θ(i,j)、Θ(i,j+1)は、形状抽出手段によって得られた膜6の形状情報を基に取得可能であり、圧力Pは圧力センサ10によって取得している。
F3 (i, j + 1) · sinΘ (i, j + 1) = F3 (i, j) · sinΘ (i, j) −P · S1 (i, j) (Formula 2)
F4 (i, j) = F3 (i, j) .cos.THETA. (I, j) -F3 (i, j + 1) .cos.THETA. (I, j + 1) + P.S2 (i, j) (Formula 3)
Here, P is the pressure acting on the space between the membrane 6 and the plate 7, and S1 (i, j) is the area when the element M (i, j) is projected onto a plane perpendicular to the Z axis. S2 (i, j) is an area when the element M (i, j) is projected onto a plane perpendicular to the U3 (i) axis. Θ (i, j) and Θ (i, j + 1) are angles with respect to the U3 (i) axis at both ends of the element M (i, j) as shown in FIG. Further, S1 (i, j), S2 (i, j), Θ (i, j), and Θ (i, j + 1) can be acquired based on the shape information of the film 6 obtained by the shape extracting means. The pressure P is acquired by the pressure sensor 10.

次に、図10に示すように、要素M(i,j)(j=1,2,...N3(i))を組み合わせて一つの要素として考える。ここでN3(i)は、M(i,j)(j=1,2,...N3(i))は物体W1が接触していない非接触領域内の要素であり、M(i,N3(i)+1)は接触領域内の要素であるように定義する。ここで、非接触領域及び接触領域は非接触領域抽出手段を用いて抽出した領域である。図10に示すように、M(i,j)(j=1,2,...N3(i))を結合した要素に関して、Z方向及びU3(i)方向の釣り合いの式はそれぞれ次の(式4)及び(式5)によって与えられる。   Next, as shown in FIG. 10, the elements M (i, j) (j = 1, 2,... N3 (i)) are combined and considered as one element. Here, N3 (i) is an element in a non-contact area where M (i, j) (j = 1, 2,... N3 (i)) is not in contact with the object W1, and M (i, N3 (i) +1) is defined to be an element in the contact area. Here, the non-contact area and the contact area are areas extracted by using a non-contact area extraction unit. As shown in FIG. 10, with respect to elements obtained by combining M (i, j) (j = 1, 2,... N3 (i)), the balance equations in the Z direction and U3 (i) direction are respectively It is given by (Equation 4) and (Equation 5).

F3(i,N3(i)+1)・sinΘ(i,N3(i)+1)=F3(i,1)・sinΘ(i,1)−P・(S1(i,1)+S1(i,2)+...+S1(i,N3(i)))(式4)
F4(i,1)+F4(i,2)+...+F4(i,N3(i))=F3(i,1)・cosΘ(i,1)−F3(i,N3(i)+1)・cosΘ(i,N3(i)+1)+P・(S2(i,1)+S2(i,2)+...+S2(i,N3(i)))(式5)
また、(式2)及び(式3)を連立して解くことによって、F4(i,j)(j=1,2,...N3(i))をF3(i,1)と既知数であるP、S1及びΘによって次の(式6)の様に表すことが出来る。
F3 (i, N3 (i) +1) · sinΘ (i, N3 (i) +1) = F3 (i, 1) · sinΘ (i, 1) −P · (S1 (i, 1) + S1 (i, 2) ) + ... + S1 (i, N3 (i))) (Equation 4)
F4 (i, 1) + F4 (i, 2) +. . . + F4 (i, N3 (i)) = F3 (i, 1) .cos.THETA. (I, 1) -F3 (i, N3 (i) +1) .cos.THETA. (I, N3 (i) +1) + P. (S2 ( i, 1) + S2 (i, 2) + ... + S2 (i, N3 (i))) (Equation 5)
Further, by simultaneously solving (Equation 2) and (Equation 3), F4 (i, j) (j = 1, 2,... N3 (i)) and F3 (i, 1) are known numbers. The following (formula 6) can be expressed by P, S1, and Θ.

F4(i,j)=(sinΘ(i,1)/tanΘ(i,j)−sinΘ(i,1)/tanΘ(i,j+1))・F3(i,1)+P・(1/tanΘ(i,j+1)・(S1(i,1)+S1(i,2)+...+S1(i,j))−1/tanΘ(i,j)・(S1(i,1)+S1(i,2)+...+S1(i,j−1))+S2(i,j))(j=1,2,...N3(i))(式6)
次に、F3(i,N3(i)+1)の作用する点C1を支点として、U3(i)−Z面上でのモーメントの釣り合いを考える。モーメントの釣り合いを導出するために、要素に作用する各力の作用点と点C1までの距離を求める必要がある。F4(i,j)(j=1,2,...N3(i))はZ軸に対して垂直であり、要素M(i,j)の辺の中点に作用していると上記で近似したので、F4(i,j)の作用点から点C1までの距離L3(i,j)は次の(式7)のように与えられる。
F4 (i, j) = (sinΘ (i, 1) / tanΘ (i, j) −sinΘ (i, 1) / tanΘ (i, j + 1)) · F3 (i, 1) + P · (1 / tanΘ ( i, j + 1) · (S1 (i, 1) + S1 (i, 2) +... + S1 (i, j)) − 1 / tan Θ (i, j) · (S1 (i, 1) + S1 (i, 2) + ... + S1 (i, j-1)) + S2 (i, j)) (j = 1, 2,... N3 (i)) (Equation 6)
Next, the balance of moments on the U3 (i) -Z plane will be considered with the point C1 at which F3 (i, N3 (i) +1) acts as a fulcrum. In order to derive the moment balance, it is necessary to obtain the distance between the point of action of each force acting on the element and the point C1. F4 (i, j) (j = 1, 2,... N3 (i)) is perpendicular to the Z axis and acts on the midpoint of the side of the element M (i, j). Therefore, the distance L3 (i, j) from the operating point of F4 (i, j) to the point C1 is given by the following (Expression 7).

L3(i,j)=δ2・(N3(i)−i+1/2)(式7)
(式7)より、点C1を支点としたU3(i)−Z面上でのモーメントの釣り合いは、次の(式8)で与えられる。
L4(i,j)・F5(i,1)=(L3(i,1)・F4(i,1)−L5(i,1)・P・S1(i,1)−L6(i,1)・P・S2(i,1))+(L3(i,2)・F4(i,2)−L5(i,2)・P・S1(i,2)−L6(i,2)・P・S2(i,2))+...+(L3(i,N3(i))・F4(i,N3(i))−L5(i,N3(i))・P・S1(i,N3(i))−L6(i,N3(i))・P・S2(i,N3(i)))(式8)
ここで、F5(i,1)はスカラーであるF3(i,1)にその方向も含めたベクトルであり、L4(i,j)は点C1からF5(i,1)の作用点までのベクトルである。L5(i,j)は点C1から要素M(i,j)の重心位置までのU3(i)方向成分の距離であり、L6(i,j)は点C1から要素M(i,j)の重心位置までのZ方向成分の距離である。L4(i,j)、L5(i,j)及びL6(i,j)は、形状抽出手段によって得られた膜6の形状情報を基に取得可能であり、F5(i,1)はF3(i,1)と膜6の形状情報を基に取得可能である。
L3 (i, j) = δ2 · (N3 (i) −i + 1/2) (Formula 7)
From (Expression 7), the balance of moments on the U3 (i) -Z plane with the point C1 as a fulcrum is given by the following (Expression 8).
L4 (i, j) .F5 (i, 1) = (L3 (i, 1) .F4 (i, 1) -L5 (i, 1) .P.S1 (i, 1) -L6 (i, 1) P.S2 (i, 1)) + (L3 (i, 2) .F4 (i, 2) -L5 (i, 2) .P.S1 (i, 2) -L6 (i, 2). P · S2 (i, 2)) +. . . + (L3 (i, N3 (i)). F4 (i, N3 (i))-L5 (i, N3 (i)). P.S1 (i, N3 (i))-L6 (i, N3 ( i)) · P · S2 (i, N3 (i))) (Equation 8)
Here, F5 (i, 1) is a vector including the direction of the scalar F3 (i, 1), and L4 (i, j) is a point from the point C1 to the action point of F5 (i, 1). Is a vector. L5 (i, j) is the distance of the U3 (i) direction component from the point C1 to the center of gravity of the element M (i, j), and L6 (i, j) is the element M (i, j) from the point C1. The distance of the Z direction component to the center of gravity position. L4 (i, j), L5 (i, j) and L6 (i, j) can be acquired based on the shape information of the film 6 obtained by the shape extraction means, and F5 (i, 1) is F3. It can be acquired based on (i, 1) and the shape information of the film 6.

以上の導出により、(式4)、(式5)、(式6)、(式8)を連立することで、膜6の端に作用する張力であるF5(i,1)(i=1,2,...N2)を代数的に求めることが出来る。ただし、F5(i,1)(i=1,2,...N2)は膜6の端に作用する張力のU3(i)−Z面上成分であり、すなわちせん断方向成分が含まれていない。ここで、図11に示すように、膜6の端(膜6と固定具8の接触部分の境界)に作用する張力の方向を表すφ2を利用することで、せん断方向の張力ベクトルF6(i)の大きさは次の(式9)のように与えられるものとする。   By the above derivation, (Equation 4), (Equation 5), (Equation 6), and (Equation 8) are combined, and F5 (i, 1) (i = 1) that is the tension acting on the end of the film 6 , 2, ... N2) can be obtained algebraically. However, F5 (i, 1) (i = 1, 2,... N2) is a component on the U3 (i) -Z plane of the tension acting on the end of the film 6, that is, a shear direction component is included. Absent. Here, as shown in FIG. 11, by using φ2 representing the direction of tension acting on the end of the membrane 6 (the boundary between the contact portions of the membrane 6 and the fixture 8), a shear direction tension vector F6 (i ) Is given by the following (Equation 9).

F6(i)=(F3(i,1)・cosΘ(i,1)・tanφ3)(式9)
ただし、φ3は角φ2をX−Y面上に投影した時の角度である。さらに、張力ベクトルF6(i)の方向はU3(i)軸とZ軸に垂直であると仮定する。したがって、せん断方向成分も含んだ膜6の端に作用する張力ベクトルF7(i)が、次の(式10)のように表される。
F6 (i) = (F3 (i, 1) · cosΘ (i, 1) · tanφ3) (Equation 9)
However, φ3 is an angle when the angle φ2 is projected onto the XY plane. Further, it is assumed that the direction of the tension vector F6 (i) is perpendicular to the U3 (i) axis and the Z axis. Therefore, the tension vector F7 (i) acting on the end of the film 6 including the shear direction component is expressed as the following (Equation 10).

F7(i)=F5(i,1)+F6(i)(式10)
最後に、導出された膜6の端に作用する張力ベクトルF7(i)(i=1,2,...N2)と、圧力Pを用いて、板7の中心Q1作用するに6軸力を計算し抽出する。
F7 (i) = F5 (i, 1) + F6 (i) (Formula 10)
Finally, using the tension vector F7 (i) (i = 1, 2,... N2) acting on the end of the derived film 6 and the pressure P, the center Q1 of the plate 7 acts on the 6-axis force. Is calculated and extracted.

F8=F7(1)+F7(2)+...+F7(N2)+P・S3(式11)
M1=L7(1)・F7(1)+L7(2)・F7(2)+...+L7(N2)・F7(N2)(式12)
ここで、F8は板7の中心Q1作用する力ベクトル(X、Y、Z軸方向成分)であり、M1は板7の中心Q1作用するモーメントベクトル(X、Y、Z軸周りの成分)である。L7(i)(i=1,2,...N2)は、図12に示すようにQ1からF7(i)の作用点までのベクトルである。 S3は、板7に液体11が接触している領域の面積である。
F8 = F7 (1) + F7 (2) +. . . + F7 (N2) + P · S3 (Formula 11)
M1 = L7 (1) .F7 (1) + L7 (2) .F7 (2) +. . . + L7 (N2) · F7 (N2) (Formula 12)
Here, F8 is a force vector (X, Y, Z axis direction component) acting on the center Q1 of the plate 7, and M1 is a moment vector (components around the X, Y, Z axes) acting on the center Q1 of the plate 7. is there. L7 (i) (i = 1, 2,... N2) is a vector from Q1 to the action point of F7 (i) as shown in FIG. S3 is the area of the region where the liquid 11 is in contact with the plate 7.

以上の過程により、板7の中心Q1作用するに6軸力の抽出が完了した。
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
(1)本実施形態の6軸力計測装置1および6軸力計測システム13では、タッチパッド3と、CCDカメラ4と、照明5及び圧力センサ10の4つで構成されており、比較的小さく簡単な構造で処理することができる。ロボットへ搭載する光学式触覚センサやその他の分野への応用の際に、比較的容易に応用可能となる。
Through the above process, the extraction of the six-axis force is completed for the center Q1 of the plate 7 to act.
Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The six-axis force measuring device 1 and the six-axis force measuring system 13 of the present embodiment are composed of four touch pads 3, a CCD camera 4, an illumination 5 and a pressure sensor 10, which are relatively small. It can be processed with a simple structure. It can be applied relatively easily when applied to an optical tactile sensor mounted on a robot and other fields.

(2)本実施形態では、タッチパッド3に作用する6軸力を抽出可能であるため、多次元の力情報を必要とする分野においても応用可能である。
(3)本実施形態では、タッチパッド3は弾性体の膜6と板7、及びそれらの間の空間を満たす液体11によって構成されているため、物体W1に馴染みやすく、接触の際に十分な接触領域を確保できる。したがって、例えばロボットハンドの指先などのように物体W1と安定した接触を維持するような部分への応用も可能である。
(2) In the present embodiment, six-axis forces acting on the touch pad 3 can be extracted, so that the present invention can also be applied in fields requiring multidimensional force information.
(3) In this embodiment, since the touch pad 3 is composed of the elastic film 6 and the plate 7 and the liquid 11 filling the space between them, the touch pad 3 is easy to become familiar with the object W1 and is sufficient for contact. A contact area can be secured. Therefore, application to a part that maintains stable contact with the object W1, such as a fingertip of a robot hand, is also possible.

(4)本実施形態では、弾性体が持つ応力と歪みの関係は非常に複雑であるが、この関係を使用せずに6軸力を抽出可能であるため、弾性体が大変形や複雑な変形をした場合においても、その影響を比較的受けずに6軸力の抽出が可能となる。   (4) In this embodiment, the relationship between the stress and strain of the elastic body is very complicated. However, since the 6-axis force can be extracted without using this relationship, the elastic body is greatly deformed or complicated. Even in the case of deformation, 6-axis force can be extracted without being relatively affected by the influence.

(5)本実施形態では、6軸力計測システム13による計測は実用性のある精度を達成可能であると考えられる。図13、図14、図15、図16及び図17に、6軸力計測システム13による板7に作用する力の計測結果を示す。図13は、タッチパッド3に対して、物体W1がZ軸と平行に接触してきた時の、板7に作用する力のZ軸方向成分であり、最大誤差は0.8N程度である。図14及び図15は、タッチパッド3に対して、物体W1がX軸と平行に接触してきた時の、板7に作用する力のX軸方向成分及びZ軸方向成分であり、最大誤差はそれぞれ0.8N、0.7N程度である。図16及び図17は、タッチパッド3に対して、物体W1がZ軸と平行に接触してきた後にZ軸周りに回転した時の、板7に作用する力のZ軸方向成分及びZ軸周りのモーメントであり、最大誤差はそれぞれ1N、4Nmm程度である。これらの誤差の原因は、形状計測手段によって得られた膜6の形状の計測誤差によって、その後の力の抽出にも誤差が生じたからであると考えられる。従って、CCDカメラ4の空間分解能を上げる等によって形状計測手段の計測精度を向上させることによって、6軸力の計測精度も向上すると考えられる。以上の結果から、6軸力計測システム13による計測は実用性のある精度を十分に達成可能であることを示している。
[第2の実施形態]
次に、図1〜17に基づき第2の実施形態を説明する。なお、第1の実施形態と共通している箇所については、同一の番号を付す代わりに、その詳細な説明を省略する。
本実施形態は、前記第1の実施形態内における液体11の圧力の抽出(ステップS160)を別の方法で行う実施形態である。
(5) In the present embodiment, it is considered that the measurement by the six-axis force measurement system 13 can achieve practical accuracy. FIG. 13, FIG. 14, FIG. 15, FIG. 16 and FIG. 17 show the measurement results of the force acting on the plate 7 by the six-axis force measurement system 13. FIG. FIG. 13 shows the Z-axis direction component of the force acting on the plate 7 when the object W1 comes into contact with the touch pad 3 in parallel with the Z-axis, and the maximum error is about 0.8N. 14 and 15 show the X-axis direction component and the Z-axis direction component of the force acting on the plate 7 when the object W1 comes into contact with the touch pad 3 in parallel with the X-axis, and the maximum error is They are about 0.8N and 0.7N, respectively. 16 and 17 show the Z-axis direction component of the force acting on the plate 7 and the Z-axis direction when the object W1 rotates around the Z-axis after contacting the touchpad 3 in parallel with the Z-axis. The maximum error is about 1N and 4Nmm, respectively. The cause of these errors is thought to be that errors in the subsequent force extraction were caused by the measurement error of the shape of the film 6 obtained by the shape measuring means. Therefore, it is considered that the measurement accuracy of the six-axis force is improved by improving the measurement accuracy of the shape measuring means by increasing the spatial resolution of the CCD camera 4 or the like. From the above results, it is shown that the measurement by the 6-axis force measurement system 13 can sufficiently achieve practical accuracy.
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described based on FIGS. In addition, about the location which is common in 1st Embodiment, the detailed description is abbreviate | omitted instead of attaching | subjecting the same number.
This embodiment is an embodiment in which the extraction of the pressure of the liquid 11 in the first embodiment (step S160) is performed by another method.

タッチパッド3において、図18に示すように、圧力センサ10の代わりに、圧縮性流体19の封入された箱20を装着させる。
ここで、管9と箱20の接続部は、液体11の移動は可能であるが、タッチパッド3の姿勢の変化によって圧縮性流体19が管9を通過して反対側へ侵入しない程度まで管9を狭くする。また、箱20は外気に対して圧縮性流体19が移動できないように密閉されているものである。
In the touch pad 3, as shown in FIG. 18, instead of the pressure sensor 10, a box 20 in which a compressive fluid 19 is enclosed is attached.
Here, the connection portion between the tube 9 and the box 20 can move the liquid 11, but the tube cannot be moved to the extent that the compressible fluid 19 passes through the tube 9 and enters the opposite side due to the change in the posture of the touch pad 3. 9 is narrowed. The box 20 is sealed so that the compressive fluid 19 cannot move with respect to the outside air.

次に、本実施形態における液体11の圧力の抽出方法は以下の通りである。(ステップS160)ある時刻T1において、箱20に封入された圧縮性流体19の体積をV1とし、その時の液体11の圧力をP1として、P1は予め計測しておく。次にそれ以降の時刻における任意の時刻T2での圧縮性流体19の体積をV2とし、その時の液体11の圧力をP2とすると、P2はP1、V1及びV2の関数G1によって与えられるとする。   Next, the method for extracting the pressure of the liquid 11 in the present embodiment is as follows. (Step S160) At a certain time T1, the volume of the compressive fluid 19 enclosed in the box 20 is set to V1, the pressure of the liquid 11 at that time is set to P1, and P1 is measured in advance. Next, assuming that the volume of the compressive fluid 19 at an arbitrary time T2 after that is V2, and the pressure of the liquid 11 at that time is P2, P2 is given by the function G1 of P1, V1, and V2.

本実施例では関数G1として、以下のボイルの法則(式13)あるいはファンデルワールス式(式14)を使用して導出する。
P2=P1・V1/V2(式13)
(P2+H1/V2)・(V2−H2)=(P1+H1/V1)・(V1−H2)(式14)
ここで、H1及びH2は係数であり、予め実測値を使用して同定することが可能である。あるいは、関数G1として予め実測値を使用して推定した関数を使用しても良い。
In the present embodiment, the function G1 is derived using the following Boyle's law (Equation 13) or Van der Waals equation (Equation 14).
P2 = P1 · V1 / V2 (Formula 13)
(P2 + H1 / V2) * (V2-H2) = (P1 + H1 / V1) * (V1-H2) (Formula 14)
Here, H1 and H2 are coefficients, and can be identified in advance using actually measured values. Alternatively, a function estimated in advance using actually measured values may be used as the function G1.

次に、上記の圧力抽出方法において、体積V1及びV2を求める方法は以下の第一の方法及び第二の方法の通りである。ここで、膜6、板7、管9及び箱20によって囲まれた空間の、時刻T1における体積をV3とし、時刻T2における体積をV4とする。   Next, in the pressure extraction method described above, the methods for obtaining the volumes V1 and V2 are as described below for the first method and the second method. Here, the volume at time T1 of the space surrounded by the membrane 6, the plate 7, the tube 9 and the box 20 is V3, and the volume at time T2 is V4.

第一の方法として、液体11を非圧縮性流体にすることで、以下の関係式(式15)が成り立つ。
V3−V1=V4−V2(式15)
したがって、(式15)よりV1を予め計測しておくことで、任意の時刻T2における体積V2が抽出される。
As a first method, the following relational expression (Formula 15) is established by making the liquid 11 an incompressible fluid.
V3-V1 = V4-V2 (Formula 15)
Therefore, by measuring V1 in advance from (Equation 15), the volume V2 at an arbitrary time T2 is extracted.

次に、第二の方法として、箱20を光透過性の材料によって構成し、圧縮性流体19の色は液体11と異なる色にすることで、箱20の内部をCCDカメラ4によって撮影し、画像処理を行うことによって、任意の時刻T1、T2において、V1及びV2を推定することが可能である。
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
Next, as a second method, the box 20 is made of a light-transmitting material, and the color of the compressive fluid 19 is different from that of the liquid 11, so that the inside of the box 20 is photographed by the CCD camera 4, By performing image processing, V1 and V2 can be estimated at arbitrary times T1 and T2.
Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

(1)本実施形態の6軸力計測装置1および6軸力計測システム13では、圧力センサ10を使用せずに液体11の圧力を抽出するため、6軸力計測装置1の構造をさらに簡略化可能となり、小型化の面でも有利となる。
[第3の実施形態]
次に、図1〜19に基づき第3の実施形態を説明する。
(1) In the six-axis force measuring device 1 and the six-axis force measuring system 13 of the present embodiment, the pressure of the liquid 11 is extracted without using the pressure sensor 10, and thus the structure of the six-axis force measuring device 1 is further simplified. This is advantageous in terms of miniaturization.
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described based on FIGS.

なお、第1又は第2の実施形態と共通している箇所については、同一の番号を付す代わりに、その詳細な説明を省略する。
本実施形態は、前記第1又は第2の実施形態を光学式触覚センサへ応用したシステムである。
In addition, about the location which is common in 1st or 2nd embodiment, the detailed description is abbreviate | omitted instead of attaching | subjecting the same number.
The present embodiment is a system in which the first or second embodiment is applied to an optical tactile sensor.

図19に示されるように、膜6の半球状の部分において物体W1と接触する側とは反対側に、マーカ部としてのドットパタ−ン21を配置する。
ここで、ドットパターン21は、格子状の模様や、三角形の網目状、六角形の網目状(ハニカム状)などの他の模様であってもよい。
As shown in FIG. 19, a dot pattern 21 as a marker portion is arranged on the opposite side of the hemispherical portion of the film 6 from the side in contact with the object W1.
Here, the dot pattern 21 may be another pattern such as a lattice pattern, a triangular mesh pattern, or a hexagonal mesh pattern (honeycomb pattern).

これによって、6軸力計測装置1は6軸力計測システム13を可能とした状態で、マーカ部(12)の配置された膜と撮像手段からなる力学量抽出装置及び力学量抽出方法と組み合わせた光学式触覚センサ22としても成立する。   As a result, the 6-axis force measurement device 1 is combined with a mechanical quantity extraction device and a mechanical quantity extraction method including the film on which the marker portion (12) is arranged and the imaging means in a state in which the 6-axis force measurement system 13 is enabled. It is also established as an optical tactile sensor 22.

本実施例では、力学量抽出装置及び力学量抽出方法として特許文献(特願2005−257343広報)に記載の光学式触覚センサ、光学式触覚センサを利用したセンシング方法を使用したが、他の力学量抽出装置及び力学量抽出方法でも良い。   In the present embodiment, the mechanical quantity extraction device and the mechanical quantity extraction method use the optical tactile sensor described in the patent document (Japanese Patent Application No. 2005-257343 public information) and the sensing method using the optical tactile sensor. A quantity extraction device and a mechanical quantity extraction method may be used.

次に、光学式触覚センサ22による6軸力及び他の触覚情報の同時計測方法を説明する。
図20に示されるように、ステップS180においてタッチパッド3が物体W1に接触すると、CPU15は、タッチパッド3の挙動を撮影することでCCDカメラ4から入力される画像情報を取り込み(ステップS190)、画像処理を行う(ステップS200)。次に、CPU15は、ドットパタ−ン21の挙動から触覚情報を抽出する(ステップS210)。そして、CPU15は、取得された画像を用いてステップS130〜S170と同一の方法で板7に作用する6軸力を抽出する(ステップS220)。
Next, a method for simultaneously measuring six-axis forces and other tactile information by the optical tactile sensor 22 will be described.
As shown in FIG. 20, when the touch pad 3 touches the object W1 in step S180, the CPU 15 captures image information input from the CCD camera 4 by photographing the behavior of the touch pad 3 (step S190). Image processing is performed (step S200). Next, the CPU 15 extracts tactile information from the behavior of the dot pattern 21 (step S210). Then, the CPU 15 extracts a six-axis force that acts on the plate 7 by the same method as steps S130 to S170 using the acquired image (step S220).

ステップS200及びステップS210において触覚情報を抽出する例としては、特許文献(特願2005−257343広報)に記載の触覚情報抽出手段によって接触力や滑りが抽出可能であり、特許文献(特願2010−180928)あるいは非特許文献(Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Shape Sensing by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of 2020 IEEE Conference on Automation Science and Engineering, Aug, 2010)に記載の形状抽出手段を利用することで、物体W1の形状情報が抽出可能であり、非特許文献(Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Acquisition of Tactile Information by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of IEEE/RSJ 2010 International Conference on Intelligent Robots and Systems, Oct, 2010)に記載の触領域抽出手段及び物体姿勢抽出手段を利用することで、物体W1とタッチパッド3の間の接触領域及び、物体W1のタッチパッド3に対する位置及び角度の変化に関する情報が抽出可能である。   As an example of extracting tactile information in step S200 and step S210, contact force and slip can be extracted by the tactile information extracting means described in the patent document (Japanese Patent Application No. 2005-257343 Public Information). 180928) or non-patent literature (Y. Ito, Y. Kim, C. Nagai and G. Obinata, “Shape Sensing by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of 2020 IEEE Conference on Automation Science and Engineering , Aug, 2010), the shape information of the object W1 can be extracted. Non-patent literature (Y. Ito, Y. Kim, C. Nagai and G. Obinata, “Acquisition of Tactile Information by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands ”In Proceedings of IEEE / RSJ 2010 International Conference on Intelligent Robots and Systems, Oct, 2010) By using the body posture extraction means, the contact region and between the object W1 and touchpad 3, information about the position and angle change of the touch pad 3 of the object W1 can be extracted.

以上のステップ180〜220によって、光学式触覚センサ22による6軸力及び他の触覚情報の同時計測が可能となる。
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
Through the above steps 180 to 220, the 6-axis force and other tactile information can be simultaneously measured by the optical tactile sensor 22.
Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

(1)本実施形態の6軸力計測装置1および6軸力計測システム13では、タッチパッド3と、CCDカメラ4と、照明5、管9及び圧力センサ10で構成されており、比較的小さく簡単な構造で処理することができる。よって、従来の光学式触覚センサのシステムと組み合わせる際やその他の分野への応用の際に、他の6軸力計測装置よりも容易に応用可能となる。例えば、膜6にマーカ部を配置したことで、その挙動を撮像手段によって撮影するような光学式触覚センサと、本発明の6軸力計測方法・装置を組み合わせることが可能である。即ち、この6軸力計測方法・装置は、触覚センサへの応用だけでなく、従来の触覚センサの機能を保持したまま6軸力計測を可能とする装置及びシステムを実現できる。
[第4の実施形態]
次に、図1〜21に基づき第4の実施形態を説明する。
(1) The six-axis force measuring device 1 and the six-axis force measuring system 13 of the present embodiment are configured by the touch pad 3, the CCD camera 4, the illumination 5, the tube 9, and the pressure sensor 10, and are relatively small. It can be processed with a simple structure. Therefore, when combined with a conventional optical tactile sensor system or applied to other fields, it can be applied more easily than other six-axis force measuring devices. For example, by arranging the marker portion on the film 6, it is possible to combine the optical tactile sensor that captures its behavior with the imaging means and the six-axis force measuring method / device of the present invention. That is, this 6-axis force measurement method / device can be applied not only to a tactile sensor, but also to an apparatus and system that enable 6-axis force measurement while maintaining the function of a conventional tactile sensor.
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment will be described based on FIGS.

なお、第1、第2又は第3の実施形態と共通している箇所については、同一の番号を付す代わりに、その詳細な説明を省略する。
本実施形態は、前記第1、第2又は第3の実施形態をヒューマンインターフェースへ応用したシステムである。
In addition, about the location which is common in 1st, 2nd or 3rd embodiment, the detailed description is abbreviate | omitted instead of attaching | subjecting the same number.
The present embodiment is a system in which the first, second, or third embodiment is applied to a human interface.

図21に、6軸力計測装置1のタッチパッド3が有する膜6の半球状の部分に対して操作者の指W2が接触するようなヒューマンインターフェース22を示す。タッチパッド3に指W2が接触している際、前記第1、第2又は第3の実施形態と同様の方法を用いることで、タッチパッド3及び指W2に作用する6軸力、タッチパッド3及びは指W2の形状、タッチパッド3と指W2の間の接触領域、タッチパッド3と指W2の間の滑りに関する情報、タッチパッド3に対する指W2の位置及び角度の変化に関する情報を抽出する。これにより操作者が作用する様々な情報を、タッチパッド3を介して様々な機器へ伝達する。   FIG. 21 shows a human interface 22 in which the operator's finger W2 comes into contact with the hemispherical portion of the film 6 included in the touch pad 3 of the six-axis force measuring device 1. When the finger W2 is in contact with the touch pad 3, by using the same method as in the first, second, or third embodiment, the six-axis force acting on the touch pad 3 and the finger W2, the touch pad 3 And the shape of the finger W2, the contact area between the touch pad 3 and the finger W2, the information regarding the slip between the touch pad 3 and the finger W2, the information regarding the change in the position and angle of the finger W2 with respect to the touch pad 3. As a result, various information that the operator acts on is transmitted to various devices via the touch pad 3.

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
(1)本実施形態のヒューマンインターフェース22では、6軸力計測装置1のみで構成されているため、比較的小さく簡単な構造で処理することができる。また、タッチパッド3が有する柔軟性により、操作者への馴染み易さを実現できる。そして、操作者が作用する6軸力、形状、接触領域、滑り、位置及び角度の変化、等の多くの情報を伝達可能であり、多くの情報を様々な機器へ伝達可能である。したがって、マウス、タッチパネル、タッチペン、ジョイスティック等の従来のヒューマンインターフェースよりも多機能であるため、より柔軟且つ快適な情報伝達が期待される。
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Since the human interface 22 of the present embodiment is configured only by the six-axis force measuring device 1, it can be processed with a relatively small and simple structure. In addition, the flexibility of the touch pad 3 makes it easy to become familiar with the operator. And many information, such as 6 axial force which an operator acts, a shape, a contact area, a slip, a change of a position and an angle, can be transmitted, and many information can be transmitted to various apparatuses. Therefore, since it has more functions than conventional human interfaces such as a mouse, a touch panel, a touch pen, and a joystick, more flexible and comfortable information transmission is expected.
In addition, you may change embodiment of this invention as follows.

・上記各実施形態では、膜6は異なる2色の膜を張り合わせてあるが、光の遮断性が強ければ、1色の膜であってもよい。また、膜には特に模様が着色されていないが、何か着色されていても良い。   In each of the above embodiments, the film 6 is formed by bonding two different color films, but may be a single color film as long as the light blocking property is strong. Further, the film is not particularly colored, but it may be colored.

・上記各実施形態では、照明5は同軸落射照明であったが、光が照射される位置(光源位置)と光が照射される方向が分かるものであれば、他の点光源や面光源であっても良い。   -In each said embodiment, although the illumination 5 was coaxial epi-illumination, if the position (light source position) where light is irradiated and the direction where light is irradiated is known, other point light sources and surface light sources may be used. There may be.

・上記各実施形態では、タッチパッド3の形状が板と半球を張り合わせた形状を有しているが、内部に液体11を封入可能で、CCDカメラ4から膜6が重なって見えなければ、他の形状でも良い。   In each of the above embodiments, the shape of the touch pad 3 has a shape in which a plate and a hemisphere are bonded to each other. However, the liquid 11 can be sealed inside, and the film 6 can be seen from the CCD camera 4 so as not to overlap. The shape may be acceptable.

・上記各実施形態では、形状抽出手段として特許文献(特願2010−180928)あるいは非特許文献(Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Shape Sensing by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of 2020 IEEE Conference on Automation Science and Engineering, Aug, 2010)に記載の形状抽出手段を使用したが、膜6の形状を抽出可能であれば、他の方法でも良い。   In each of the above embodiments, as a shape extraction means, a patent document (Japanese Patent Application No. 2010-180928) or a non-patent document (Y. Ito, Y. Kim, C. Nagai and G. Obinata, “Shape Sensing by Vision-based Tactile Sensor” For Dexterous Handling of Robot Hands ”In Proceedings of 2020 IEEE Conference on Automation Science and Engineering, Aug, 2010), the shape extraction means is used, but other methods may be used as long as the shape of the film 6 can be extracted. .

・上記各実施形態では、圧力抽出手段として圧力センサ10、箱20あるいはCCDカメラ4を使用して抽出したが、液体11の圧力を抽出可能であれば、他の方法でも良い。
・上記各実施形態では、非接触領域抽出手段として非特許文献(Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Acquisition of Tactile Information by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of IEEE/RSJ 2010 International Conference on Intelligent Robots and Systems, Oct, 2010)に記載の非接触領域抽出手段を使用したが、膜6の非接触領域を抽出可能であれば、他の方法でも良い。
(産業上の利用可能性)
例えば、本発明の6軸力計測システムを用いれば、接触部が弾性体と液体で構成されており、多次元の力の計測が可能であるため、環境に対応し人と協調するようなロボットへの応用が期待される。また、6軸力計測装置は比較的簡易な構造であり、必要となる構成材料も少ないため、例えば弾性体と撮像手段を使用した触覚センサへ組み合わせて応用することも可能である。さらに、6軸力計測装置は構造の簡易性から更なる小型化も期待でき、接触部の馴染み易さもあるため、医療分野への応用も考えられる。内視鏡の先端部へ搭載することで、人体の内側から接触力の情報を抽出が可能となり、また、手術ロボットの指先や、癌検診用の器具の接触部等にも応用できる可能性がある。他にも、多次元の力情報が抽出可能であることを活かし、ヒューマンインターフェースとして様々な機器の操作部へ応用することも可能である。
In each of the above-described embodiments, the pressure sensor 10, the box 20, or the CCD camera 4 is used as the pressure extraction unit, but other methods may be used as long as the pressure of the liquid 11 can be extracted.
In each of the above embodiments, non-patent documents (Y. Ito, Y. Kim, C. Nagai and G. Obinata, “Acquisition of Tactile Information by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands The non-contact area extraction means described in “In Proceedings of IEEE / RSJ 2010 International Conference on Intelligent Robots and Systems, Oct, 2010) was used, but other methods can be used as long as the non-contact area of the membrane 6 can be extracted. good.
(Industrial applicability)
For example, if the 6-axis force measurement system of the present invention is used, the contact portion is made of an elastic body and a liquid, and multidimensional force can be measured. Application to is expected. In addition, since the 6-axis force measuring device has a relatively simple structure and requires a small amount of constituent materials, it can be applied in combination with, for example, a tactile sensor using an elastic body and an imaging means. Furthermore, since the 6-axis force measuring device can be expected to be further miniaturized due to the simplicity of the structure, and the contact portion is easily adapted, it can be applied to the medical field. By mounting on the distal end of the endoscope, it is possible to extract information on contact force from the inside of the human body, and there is a possibility that it can also be applied to the fingertips of surgical robots, contact parts of cancer screening instruments, etc. is there. In addition, taking advantage of the ability to extract multidimensional force information, it can also be applied to the operation unit of various devices as a human interface.

1…形状計測装置
2…ケ−シング
3…接触部としてのタッチパッド
4…CCDカメラ
5…照明
6…接触部としての膜
7…板
8…固定具としての金属板
9…管
10…圧力センサ
11…光減衰手段としての液体
12…張力方向を抽出するためのマーカ
13…6軸力計測システム
19…圧縮性流体
20…箱
21…ドットパターン
22…ヒューマンインターフェース
W1…物体
W2…操作者の指
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Shape measuring apparatus 2 ... Case 3 ... Touch pad 4 as a contact part ... CCD camera 5 ... Illumination 6 ... Film 7 as a contact part ... Plate 8 ... Metal plate 9 as a fixture ... Pipe 10 ... Pressure sensor DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Liquid 12 as light attenuating means ... Marker 13 for extracting tension direction ... 6-axis force measurement system 19 ... Compressible fluid 20 ... Box 21 ... Dot pattern 22 ... Human interface W1 ... Object W2 ... Operator's finger

Claims (15)

対象物との接触部である前記対象物の形状に応じて変形可能な膜(6)と、
前記膜の対象物が接触する側とは反対側から前記膜を保持する部材(7、8)と、
前記膜の形状に関する情報を抽出する形状抽出手段(4、5、11)と、
前記膜を基準としたとき、前記対象物が接触する側とは反対側にある空間の圧力に関する情報を抽出する圧力抽出手段(10、19、20)と、
前記膜の形状に関する情報及び前記圧力に関する情報を用いて力に関する情報を計測する力計測手段と、
を備えることを特徴とする6軸力計測装置。
A film (6) that is deformable according to the shape of the object that is a contact portion with the object;
Members (7, 8) for holding the film from the side opposite to the side on which the object of the film contacts;
Shape extraction means (4, 5, 11) for extracting information on the shape of the film;
Pressure extraction means (10, 19, 20) for extracting information on the pressure of the space on the side opposite to the side in contact with the object when the film is used as a reference;
Force measuring means for measuring information on force using information on the shape of the membrane and information on the pressure;
A six-axis force measuring device comprising:
前記空間が、前記膜と前記部材とで構成される閉空間であることを特徴とする請求項1に記載の6軸力計測装置。   The six-axis force measuring device according to claim 1, wherein the space is a closed space constituted by the film and the member. 前記圧力抽出手段が、任意の時点の前記閉空間の圧力を求める際に、前記任意の時点における前記閉空間の体積と、前記任意の時点よりも前の時点における前記閉空間の圧力と体積を利用し、それらの物理量を含んだ関数から前記任意の時点における前記閉空間の圧力を抽出することを特徴とする請求項2に記載の6軸力計測装置。 When the pressure extraction means obtains the pressure of the closed space at an arbitrary time, the volume of the closed space at the arbitrary time and the pressure and volume of the closed space at a time before the arbitrary time are calculated. The 6-axis force measuring device according to claim 2, wherein the pressure in the closed space at the arbitrary time is extracted from a function including those physical quantities. 前記閉空間の体積が、前記膜の形状から求めた体積であることを特徴とする請求項2又は3に記載の6軸力計測装置。 The six-axis force measuring device according to claim 2 or 3, wherein the volume of the closed space is a volume obtained from the shape of the film. 前記膜の一部あるいは全てを撮像可能な撮像手段を備え、
前記閉空間の体積は、前記撮像手段で撮像した、前記膜の一部あるいは全てから抽出した体積であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の6軸力計測装置。
An imaging means capable of imaging part or all of the film;
The six-axis force measuring device according to any one of claims 2 to 4, wherein the volume of the closed space is a volume extracted from a part or all of the film imaged by the imaging means. .
請求項1〜5のいずれか1項に記載の6軸力計測装置を利用して、前記6軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測する6軸力計測方法であって、
前記形状抽出手段によって前記膜の形状を抽出するステップと、
前記圧力抽出手段によって前記空間の圧力を抽出するステップと、
前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割するステップと、
一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出するステップと、
前記力学量に関する式と前記空間の圧力から前記膜に作用する張力を求めるステップと、
前記膜に作用する張力と前記空間の圧力から前記6軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを抽出するステップと
を含むことを特徴とする6軸力計測方法。
A six-axis force measuring method for measuring an arbitrary axial force and moment acting on the six-axis force measuring device using the six-axis force measuring device according to any one of claims 1 to 5. And
Extracting the shape of the film by the shape extraction means;
Extracting the pressure of the space by the pressure extraction means;
Dividing the membrane into several elements from the shape of the membrane;
Deriving an equation relating to a mechanical quantity for one or more of the elements;
Obtaining a tension acting on the membrane from the equation relating to the mechanical quantity and the pressure in the space;
A method for measuring a six-axis force, comprising: extracting an arbitrary axial force and moment acting on the six-axis force measuring device from the tension acting on the membrane and the pressure in the space.
前記力学量に関する式が、前記要素に作用する力及びモーメントのつり合いの式であることを特徴とする請求項6に記載の6軸力計測方法。 The six-axis force measurement method according to claim 6, wherein the formula relating to the mechanical quantity is a formula of balance of force and moment acting on the element. 前記膜の形状に基づき、前記膜が対象物に接触していない非接触領域に関する情報を抽出するステップを含み、
前記力学量に関する式が、前記膜が対象物に接触していない非接触領域に関する情報を用いて求めた式であることを特徴とする請求項6又は7に記載の6軸力計測方法。
Extracting information about a non-contact area where the film is not in contact with an object based on the shape of the film;
The six-axis force measuring method according to claim 6 or 7, wherein the formula related to the mechanical quantity is a formula obtained using information related to a non-contact area where the film is not in contact with an object.
前記非接触領域に関する情報を抽出するステップでは、前記膜と前記部材の接触部からある距離以内に含まれる領域を前記非接触領域とすることを特徴とする請求項8に記載の6軸力計測方法。 The 6-axis force measurement according to claim 8, wherein in the step of extracting information about the non-contact area, an area included within a certain distance from the contact portion between the film and the member is set as the non-contact area. Method. 前記膜に作用する張力方向に関する情報を抽出するステップを含み、
前記力学量に関する式が、前記膜に作用する張力方向に関する情報を用いて求めた式であることを特徴とする請求項6又は7に記載の6軸力計測方法。
Extracting information regarding the direction of tension acting on the membrane,
The six-axis force measuring method according to claim 6 or 7, wherein the formula related to the mechanical quantity is a formula obtained using information related to a direction of tension acting on the film.
前記膜に作用する張力方向に関する情報を抽出するステップは、前記膜に設けたマーカ(12)の位置情報から前記張力方向に関する情報を抽出するステップであることを特徴とする請求項10に記載の6軸力計測方法。 The step of extracting information on the direction of tension acting on the film is a step of extracting information on the direction of tension from position information of a marker (12) provided on the film. 6-axis force measurement method. 前記マーカの位置情報が、前記マーカを撮像手段で撮影することによって抽出した前記マーカの位置情報であることを特徴とする請求項11に記載の6軸力計測方法。 The six-axis force measurement method according to claim 11, wherein the marker position information is position information of the marker extracted by photographing the marker with an imaging unit. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の6軸力計測装置と、
前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割する膜要素分割手段と、
一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出する力学式導出手段と、
前記力学量に関する式と前記反対側の空間の圧力から前記膜に作用する張力を求める張力抽出手段と、
前記膜に作用する張力と前記反対側の空間の圧力から前記6軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを抽出する6軸力抽出手段と
を備えることを特徴とする6軸力計測システム。
The 6-axis force measuring device according to any one of claims 1 to 5,
Membrane element dividing means for dividing the membrane into several elements from the shape of the membrane;
Dynamic equation deriving means for deriving an equation relating to a dynamic quantity for one or a plurality of the elements;
A tension extracting means for obtaining a tension acting on the membrane from the equation relating to the mechanical quantity and the pressure of the space on the opposite side;
6-axis force extracting means for extracting an arbitrary axial force and moment acting on the 6-axis force measuring device from the tension acting on the membrane and the pressure in the space on the opposite side; Force measurement system.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の6軸力計測装置と、
前記膜のうち、前記反対側の面に配置されたマーカ部と、
前記膜に対象物が接触した際の前記マーカ部の挙動を撮影するマーカ部撮像手段と、
光の強度の解析による3次元形状情報の取得手段と、
光の明るさの解析による触覚情報を抽出する触覚情報抽出手段と
を備えることを特徴とする光学式触覚センサ。
The 6-axis force measuring device according to any one of claims 1 to 5,
Among the films, a marker portion disposed on the opposite surface,
Marker part imaging means for photographing the behavior of the marker part when an object comes into contact with the film;
Means for obtaining three-dimensional shape information by analyzing light intensity;
An optical tactile sensor comprising: tactile information extracting means for extracting tactile information by analyzing light brightness.
請求項14に記載の光学式触覚センサを利用して、力学量及び前記光学式触覚センサに作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測する力学量計測方法であって、
前記触覚情報抽出手段を用いて力学量を計測するステップと、
前記6軸力計測装置を用いて前記光学式触覚センサに作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測するステップと
を含むことを特徴とする力学量計測方法。
A mechanical quantity measuring method for measuring a mechanical quantity and an arbitrary axial force and moment acting on the optical tactile sensor using the optical tactile sensor according to claim 14,
Measuring mechanical quantities using the tactile information extracting means;
And measuring an arbitrary axial force and moment acting on the optical tactile sensor using the six-axis force measuring device.
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