JP2015515621A - ロボットおよびデバイス用のマルチポイント高感度触覚センシングモジュール - Google Patents

Abstract

システムは、（人間の感覚レセプタの代わりとしての）光ファイバケーブル（７）、（８）と、（従来のウェブカメラ、カムコーダ、デジタルカメラなどにみられる）低コストのＣＭＯＳ又はＣＣＤの画像センサ（９）と、を備え、画像センサ（９）のそれぞれのピクセル（１０）は、対応する光ファイバケーブル（８）にペアリングされており、光ファイバケーブル（８）では、単一のフォトフレーム上において全ての光ビームをプロセッサに伝達し、当該フォトフレームでは、触覚センシングを提供するために、画像処理技術を用いて座標や変位のレベルが正確に検知される。システムは、コンピュータとともに稼働するか、あるいは独立したプロセッサを含む電子回路とともに個々に稼働する。

Description

本発明は、ロボットおよびデバイスのセンサ（フィードバック機構）に関する。

オートメーションが人間を模倣することは、よく知られている。センサが人間の感覚器官の単純なコピーであるのと同様に、センサからデータを取得するための計算システムも基本的に人間の脳の単純なコピーであることが観察される。直近の１００年における自動化システムが何十万年の進化を遂げてきた人体の能力に到達するために長い道のりを辿っていることは明らかである。

昨今の技術とともに、本発明のトピックである「触覚センシング」においては、近傍のセンサを用いてセンサが感知可能な接近してくる金属又は材料を感知して、それをメインプロセッサに通知することに制限されることが多い。これらのセンサによって送信されるデータが「真」又は「偽」の情報のみを含んでいるものの、レベル情報が欠如し、またそれらが大きい（数ミリメートル直径）場合、これらのセンサはマルチポイントでの用途に効率的でない。

最も開発されたヒューマノイドであっても、現在使用されている手法は、非常に高価な力／トルクセンサであり、これらは関節部（joint）に配置される。これらのセンサは、手足（limb）の途中に障害物がある場合や、対象が把持されている場合において、接触圧力を測定する。この検知（detection）／感覚（sensation）による方法では、手足（腕―肘の関節部や指など）のそれぞれにおいて、１つ以上のセンサおよびデータ取得システムが存在する。

圧力センサが使用される用途においては、幾何学的な寸法が再び問題となる。幾何学的な問題が比較的解消された場合であっても、メインプロセッサへのデータの送信が再び問題となる。現在の用途では、高価なデータ取得カード又はマイクロコントローラが使用されるが、入力数が数百のレベルに達すると、これらの入力は制約／制限の要因となる。知られているように、模倣対象である人間の身体は、指先であっても無数のレセプタを含んでいる。人間の脳は、これらのレセプタからの全てのデータを瞬時に処理する。

本発明に関連する最新および類似のロボット触覚センシング特許は、発明者Ｋｏｙｏｍａ．ｅｔ．ａｌｓの米国特許出願公開第２０１１００６７５０４号であって、２００８年５月２９日に出願され、２０１１年３月２４日に公開されている。触覚センシングとして、オプトカプラ（optocoupler）が提案されているが、ヒューマノイドの各指先におけるこれらのオプトカプラの寸法のために、単一のセンサが提案されている。１つのセンサをマトリックス形式で５ミリメートル間隔にて配置することによって、センサの数を増加させることができる。この場合、１センチメートルに９つのセンサが配置される。

全ての関連および類似の特許は、感度が低い、１平方センチメートルあたりのセンサの数が少ない、データ入力番号に関する制約があるなど、共通の問題を有している。

本発明は、１平方センチメートル当たり、最大１００万以上の数のセンサまで増やすことを目的としている。また、１センチメートル変位ごとに数百万のポイントの全てを測定するとともに、高コストを回避することにより、データを迅速に処理することを目的としている。

オプトカプラシステムのエレメントを示す図 オプトカプラシステムのエレメントの使用領域を最小限にするための光ファイバケーブルアセンブリを象徴的に示す図 ＣＣＤやＣＭＯＳなどの画像センサを象徴的に示す図 オプトカプラの受信部のようにして使用されるＣＣＤやＣＭＯＳなどのタイプのセンサを象徴的に示す図 システムエレメントの一般図 センシング領域における光ファイバケーブルの配列シーケンスを示す図（図５の「Ａ」方向に見た図） 付与される力に比例して生じる変位およびそれに対応する画像を示す図 センサにおける異なる領域を、光ファイバケーブルを通じて、異なる測定領域に仮想的に確立した図 サイズの相違に起因する光ビームをカバーする目的で、光ファイバと受信部の間に配置された光学システムを示す図

オプトカプラは、エンコーダ回路や他の種類の電気的回路において電気的絶縁を形成するために使用されることの多いコンポーネントの１つである。オプトカプラは、通常又は赤外線の光源１と、光レセプタ２とを備える（図１）。オプトカプラには様々な種類がある。例えば、真又は偽の出力を意味する１/０タイプや、反射光の強度に比例した出力を行う別のタイプなどもある。後者のタイプのオプトカプラは、本発明で使用される。光源１によって照射されるビーム／レイ状の光３は障害物５で反射され、レセプタ２に達する。障害物とレセプタの間の距離４に応じて、それぞれ電圧が生じる。これより、電圧の変化を測定することで、距離４を測定することが可能となる。個々の光源とセンサのそれぞれの直径は数ミリメートルあるため、複数のオプトカプラを使用する場合、従来の設計では多くのスペースが必要になる。本発明の第１の目的は、オプトカプラを移動させる（move away）ことにより、少ない面積で多くのレセプタを配置できるようにすることである。直径が１０マイクロメートルより小さい赤外線伝導性の光ファイバケーブル７は、光源１からの光を伝達する一方で、同じ特徴を持つ同等の光ファイバケーブル８は、反射光３をレセプタ２へ伝達する（図２）。光ファイバケーブルは、互いに平行に使用される場合でもノイズや摂動の効果がなく、また、ケーブルが屈曲又は捩れている場合でも効率的な光伝導性を有するといった特徴があるため、移動中の／移動可能なフィールドでの使用が容易である。現在の技術では、標準的な赤外線伝導性の光ファイバケーブルは、９マイクロメートルの直径を有する。計算によれば（円と円の間の損失領域の影響を考慮しても）１平方センチメートルあたり１．５７２．３２７個の光ファイバケーブルを配置することができる。光センサ／レセプタのそれぞれ１つあたりに１つの光源が必要である。図６の配列デザインにおいては、センサに光を伝達する光ファイバケーブル８のそれぞれは、光源からの光を届ける３つの光ファイバケーブル７に接する。これより、光を伝達する光ファイバケーブル７の数は、その他のケーブル８の数の４分の１である。互いに隣接している円の面積の損失と、光を伝達する光ファイバケーブル７の損失を考慮した場合、１平方センチメートル当たり約１．０００．０００個のレセプタが存在することになる。言い換えれば、変位を測定する点／ピクセルが１．０００．０００個存在することになる。

必ずしも全てのレセプタ１が対応する光源１１を必要とするわけではないが、測定点のそれぞれにおいて対応するレセプタ２が必要である。光ファイバケーブル７、８が受光エリアにおける寸法の問題を解決するにもかかわらず、システム全体の寸法が巨大であるという問題が生じる。しかし、本当の問題は寸法の問題よりもむしろ、数百万のデータの処理および取得にある。チャネルが１つである電圧計は１つのデータのみ読むことができ、チャネルが２つのオシロスコープは２つのデータを読むことができ、３２アナログ入力データ取得カードは３２のデータを読むことができる。このように、これらのオプションのいずれもコスト効率の良いものではなく、また、全てのデータを読み取る必要性に対する利便性のある答えに近いものではない。本発明によれば、上述の問題を克服するために、従来のウェブカメラや、類似のビデオカメラやデジタルカメラに用いられるＣＭＯＳ又はＣＣＤのセンサが利用される。このような種類のセンサ９の主な利点は、商品の解像度に応じて、数百万個の感知ピクセル１０を含むことの特徴である（図３）。それぞれの感覚ピクセル１０は、標準的な使用において１６４０万色を検出することができる。したがって、光の変化によって変位を正確に測定することができる。図４において、光源１とセンサ９の接続ロジックが簡単に説明される。これらの画像センサ９は、従来のウェブカメラを分解することにより容易に得ることができる。任意の高解像度Ｗｅｂカメラから分解された画像センサ（ＨＤ−１９２０＊１０８０解像度＝２．０７３．６００ピクセル）は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）を通じて任意のコンピュータに接続可能であり、２００万以上のインパルスをデジタルデータに変換することができる。センサ９の各ピクセル１０を、対応する光ファイバケーブル８とペアリングさせることにより、画像処理技術によって座標と変位のレベルを正確に検出可能な単一のフォトフレーム上において、全ての光ビームをプロセッサに伝送することが保証される。今までの説明によれば、何百万のレセプタを小さな受信エリア内に低コストかつデータを正確に取得しながら配置することが保証される。また、これらの取得したデータを、メイン処理ユニットに１サイクルで送ることができる。しかし、これはまだ触覚センシングとしては十分でない。この時点では、発散および収束している対象物を高い解像度および感度により検知できるに過ぎず、システムは、外力およびその結果として生じる触覚的感覚を検知することはできない。さらに、接触が生じたときには、光源７とレセプタ８のビューはブロックされ、何も検出することができない。この問題を解決するために、弾性係数（ヤング率）の現象を用いる。弾性とは、バネと異なる対象物のバネ特性係数のようなものとして考えることもできる。対象物に力が付与されると、伸張（形状変形）が生じる。この変形は、対象物の構造が不可逆的に損傷されていない場合、付与された力に比例する。したがって、実行時のあるポイントで付与される力は（対象物の弾性係数が既知であれば）そのポイントでの形状変形量により計算することができる。当該システムでは、人間の触覚を模倣するために、光ファイバケーブルの先端を弾性領域と合体するように配置した剛体領域（rigid area）が存在しており、不必要なレベルの貫入を防ぐようにされている。人間の肉と同じ弾性を有する弾性材料１２は層５により覆われている。層５は人間の皮膚を刺激し、周囲の環境を分離し、光の反射（図５）を保証する。したがって、図７に示すような貫入が生じると、弾性材１２の厚みはこれらのポイント１４で減少するため、その領域における反射光の強度は増加する（１７）。その領域における対応するそれぞれの感覚ピクセル１０は、光の強度を検出して、任意の画像処理技術を用いて貫入のレベルを取得する。貫入のレベルと材料１２の弾性係数から、付与された力が算出される。トリガ済みのピクセルの数が計算された後、変形の面積が計算され、変形領域に加えられた力をその面積で割ることにより、圧力の値が得られる。ソフトウェアは、コンピュータ内に既に保存されている閾値と当該圧力レベルを比較することにより、ロボット又はデバイスの反応動作を決定する。

例えば、貫入面積が小さすぎて、対応する光が白色に近い場合（光の強度が高すぎる場合）、針タイプの鋭利な物体が沈み込んだものと理解される。この場合、ロボット又はデバイスはプログラムされたように動作する。これは反射プログラムであり、貫入エリアが引き戻し可能であることを意味する。

ロボットやデバイスに対してより大きな性能が必要とされる場合、あるいは人間の皮膚のように敏感である必要がない場合には、弾性材１２は、より小さな弾性機能を選択することができる。このように選択されたシステムは、より大きな力に対して同様の触覚を有する。新素材の弾性係数および光伝導度に関する補正を計算のために行った後、新しいシステムが動作する。

商業的な温度カメラは温度を測定する赤外線カメラであることが知られている。赤外線カメラで記録した際に温度が増加すると、色が明るく、かつ白くなる。提案されたシステムは、検出フィールドの近くにある任意の熱源を測定する。シャープなボディによる貫入効果は白色として表れるような測定であるため、デバイスやロボットを高温から保護する際に役に立つ。

前述では、ＨＤウェブカメラから得られたセンサは、２００万以上のピクセルを含む。あるいは高解像度デジタルカメラを代わりに使用した場合、単一のコンポーネントに、２０００万以上のピクセルを含めることができる。１つの指先又は身体の他の部分によって、多くのレセプタを強調することができる。この理由のために、異なる感覚器官から入力される光ファイバケーブル８は、画像センサ９における異なる仮想領域１８に配置される。これにより、１つの画像センサを用いて複数の感覚器官の測定を行うことができる。

使用される製品の種類は様々であり、光ファイバケーブル１５の直径とピクセル１０の寸法も一致しないため、問題が生じる。この問題を防ぐために、図９に示すように、光学系１９を通じてビーム／光線を互いに収束させることができる（２０）。この光学系に使用される材料は、赤外線を伝達・透過するものである。

ＣＭＯＳやＣＣＤなどのセンサをデバイスやロボットのメインプロセッサに接続する際に、システムに特化した電子的回路を通じて行うことにより、当該システムは、産業用コンピュータだけでなく、略全てのパーソナルコンピュータにて稼働することができる。

本発明は、単位面積当たりのレセプタの数を劇的に増加させて、圧力と力の値を早く得ることができるので、自動化システムを利用する多くの産業分野に適用することができる。

いくつかの優れたアプリケーション領域としては、ロボットのセンシング（ヒューマノイドの触覚センシングを実現することができる）や、医療（多くのレセプタを用いることで、リモート操作（触覚）で患者に触れる際の感触をより良いものとし、地雷スキャニングや爆弾処理ロボットの検知性能を向上させ、それに応じて、失敗の可能性を減少させ、必要な場合には触覚センシングに温度測定を追加することができる）がある。

１ 赤外線（又は通常）の光源
２ 赤外線（又は通常）の光受信部
３ 障害物からの反射光
４ 光源／受信部と障害物の間の距離
５ 光反射性障害物（システムを周囲環境から分離するセパレータ）
６ 周囲環境
７ 測定領域から離れて配置された光源からの光を伝達する光ファイバケーブル
８ 測定領域から離れて配置された光源からの光を伝達する光ファイバケーブル
９ ウェブカメラ、類似のデジタルカムコーダ、デジタルカメラセンサ（ＣＭＯＳ、ＣＣＤなど）
１０ 個々に働く接続された光を分析するための光捕獲ピクセル
１１ 光源（複数の光源の集まり）
１２ 弾性材料
１３ 剛体領域（光ファイバケーブルの先端が弾性領域と合体するように配置されており、望まないレベルの貫入を防ぐ）
１４ 対象物が弾性領域に貫入したときの形状変形
１５ 光ファイバケーブル７、８からなるケーブルの束
１６ センサによる編集画像（変形のない領域に対応）
１７ センサによる編集画像（変形のある領域に対応）
１８ 光を伝達する光ファイバケーブルによる異なる測定領域に応じて、グループを形成する接続領域
１９ 光ビームを近づける光学システム（システムに使用される各材料は赤外線を伝達する）
２０ 光ビームが収束した束（互いに近付けられている）

Claims (6)

1. ロボットおよびデバイス用のマルチポイント高感度触覚センシングモジュールであって、
   （人間の感覚レセプタの代わりとしての）光ファイバケーブル（７）、（８）と、
   （従来のウェブカメラ、カムコーダ、デジタルカメラなどにみられる）低コストのＣＭＯＳ又はＣＣＤの画像センサ（９）と、を備え、
   画像センサ（９）のそれぞれのピクセル（１０）は、対応する光ファイバケーブル（８）にペアリングされており、光ファイバケーブル（８）では、単一のフォトフレーム上において全ての光ビームをプロセッサに伝達し、当該フォトフレームでは、触覚センシングを提供するために、画像処理技術を用いて座標や変位のレベルが正確に検知される、マルチポイント高感度触覚センシングモジュール。
2. 従来のウェブカメラ、類似のカムコーダ、デジタルカメラにみられるＣＭＯＳ又はＣＣＤの画像センサ（９）として、モジュールに特化した電子回路に埋め込まれたものを使用することができる、請求項１に記載のマルチポイント高感度触覚センシングモジュール。
3. 画像処理を行うプロセッサは、任意の通常のプロセッサ（ウェブカメラ、カムコーダ、デジタルカメラなど）や、モジュールに特化した電子回路に埋め込まれたプロセッサや、および／又は、記憶された画像やビデオに対して意義を与えるためのプロセッサであってもよく、プロセスは、（ＵＳＢ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、無線などを通じて）デバイスに接続されたコンピュータを用いて処理される、請求項１に記載のマルチポイント高感度触覚センシングモジュール。
4. 人間の皮膚に類似する構造を有する弾道ジェルの触覚センシングを行う際の人間の種類に関する要求や、異なる感度レベルを要求するロボットや機械の作業環境に関する要求といった要件に応じて、異なる弾性係数および／又は異なる密度を有する材料（１２）を触覚センシングが要求される器官で使用することができる、請求項１に記載のマルチポイント高感度触覚センシングモジュール。
5. 赤外線又は通常の光のいずれかを利用する、請求項１に記載のマルチポイント高感度触覚センシングモジュール。
6. 赤外線光を用いることにより、接触感触を検知するだけでなく、温度もさらに測定することができる、請求項１から５のいずれか１つに記載のマルチポイント高感度触覚センシングモジュール。

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