JP5013507B2 - Tactile sensor using reflection image - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tactile sensor allowing high-resolution sensing by making the best use of the resolution of a camera. <P>SOLUTION: The tactile sensor comprises elastically deformable transparent silicone rubber 1, an image pattern 2 as a real image, and the camera 3. The interface between the transparent silicone rubber 1 and the air forms a reflecting surface 4 owing to a refractive index distribution, thereby allowing the image of the image pattern 2 to be reflected by the reflecting surface 4 and to enter the camera 3. The deformation of the flexible reflecting surface 4 caused by an object deforming the transparent silicone rubber 1 is measured by observing the distortion of a reflected image. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、反射像を用いた触覚センサに関するものである。 The present invention relates to a tactile sensor using a reflected image.

近年、ロボット工学の発展に伴い、多くの触覚センサが開発されている。従来の触覚センサには、接触状態を計測するセンサや、力分布を計測するセンサなどがある。力を計測する触覚センサとして、1 点の力を測定する6 軸力センサや、接触状態を計測するセンサ、力の分布を計測する触覚センサなどがある。多くの分布型の力センサでは、センサユニットの数とユニットに伴う配線数が問題となる。また、個々に小さなセンサを分布させるため、各センサユニット自体は計測面に近い場所に配置されるため、測定を繰り返すほどセンサ自体はストレスを受けることとなり劣化を免れない。 In recent years, with the development of robotics, many tactile sensors have been developed. Conventional tactile sensors include a sensor that measures a contact state and a sensor that measures a force distribution. As tactile sensors that measure force, there are 6-axis force sensors that measure force at one point, sensors that measure contact state, and tactile sensors that measure force distribution. In many distributed force sensors, the number of sensor units and the number of wires associated with the units are problematic. In addition, since small sensors are distributed individually, each sensor unit itself is arranged at a location close to the measurement surface. Therefore, the sensor itself is subjected to stress as the measurement is repeated, and deterioration is unavoidable.

また、研究レベルにおいては光学式の分布型触覚センサとしていくつか研究されている(特許文献1)。これらセンサはセンシング部分をカメラに集約することで、ユニットと配線を計測面から無くすことができた好例である。しかし、測定スポットとして点列や格子列で構成されたマーカを用いており、センシングをこれらのマーカに依拠しているため、カメラの解像度を十分に生かしているとはいえない。
国際公開公報WO02/18893 A1
Further, several researches have been made as optical distributed tactile sensors at the research level (Patent Document 1). These sensors are good examples where the unit and wiring can be eliminated from the measurement surface by consolidating the sensing part into the camera. However, since a marker composed of a point array or a grid array is used as a measurement spot and sensing is based on these markers, it cannot be said that the resolution of the camera is sufficiently utilized.
International Publication WO02 / 18893 A1

本発明の目的は、カメラの解像度を十分に活かした高解像度のセンシングを可能とする触覚センサを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a tactile sensor that enables high-resolution sensing that fully utilizes the resolution of a camera.

本発明の他の目的は、耐破壊性を備えた触覚センサを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a tactile sensor having fracture resistance.

本発明の他の目的は、省配線化できる触覚センサを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a tactile sensor that can reduce wiring.

本発明の他の目的は、接触状態と形状分布(力分布)を同時に計測できる触覚センサを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a tactile sensor capable of simultaneously measuring a contact state and a shape distribution (force distribution).

本発明の触覚センサは、変形可能な反射面を有するセンサ本体と、画像パターンと、前記画像パターンの前記反射面における反射像を、光てこを用いて取得する像取得要素と、からなる、反射像を用いた触覚センサ、である。「変形可能な反射面」とは、対象物がセンサ本体に接触することで、反射面が変形することを意味する。対象物がセンサ本体に接触することで変形するという意味において、変形可能な反射面は、柔軟な反射面である。また、変形可能な反射面は、好ましくは、弾性変形可能な反射面である。尚、1回の測定で良い場合には、変形可能な反射面は塑性変形するものでもよい。また、変形可能な反射面は、好ましくは、センサ本体の表面(界面)に形成される。像取得要素によって、対象物がセンサ本体に接触する前の反射像、及び、対象物がセンサ本体に接触した時の反射像を取得することで、対象物がセンサ本体に接触した時の反射像の変形を取得することができる。 The tactile sensor of the present invention comprises a sensor body having a deformable reflective surface, an image pattern, and an image acquisition element that acquires a reflected image of the image pattern on the reflective surface using an optical lever. A tactile sensor using an image. The “deformable reflecting surface” means that the reflecting surface is deformed when the object comes into contact with the sensor body. In the sense that the object is deformed by contacting the sensor body, the deformable reflecting surface is a flexible reflecting surface. The deformable reflecting surface is preferably an elastically deformable reflecting surface. If only one measurement is required, the deformable reflecting surface may be plastically deformed. Further, the deformable reflecting surface is preferably formed on the surface (interface) of the sensor body. By the image acquisition element, the reflection image before the object contacts the sensor body and the reflection image when the object contacts the sensor body by acquiring the reflection image when the object contacts the sensor body. Can be obtained.

本発明の触覚センサ装置は、変形可能な反射面を有するセンサ本体と、画像パターンと、前記画像パターンの前記反射面における反射像を、光てこを用いて取得する像取得要素と、前記像取得要素によって取得した反射像から、対象物がセンサ本体の接触面に接触した時の反射像の変形を取得し、反射像の変形から前記反射面の変形を算出する反射面再構成手段と、からなる、反射像を用いた触覚センサ装置、である。反射面再構成手段は、コンピュータから構成することができる。 The tactile sensor device of the present invention includes a sensor main body having a deformable reflection surface, an image pattern, an image acquisition element that acquires a reflection image of the image pattern on the reflection surface using an optical lever, and the image acquisition. from the reflected image obtained by the element to obtain a deformation of the reflected image when the object is in contact with the contacted surface of the sensor body, and a reflecting surface reconstruction means for calculating the deformation of the reflecting surface from the deformation of the reflected image, A tactile sensor device using a reflected image. The reflecting surface reconstruction means can be configured from a computer.

一つの好ましい態様では、前記センサ本体は透明であり、前記反射像を結像する光線は、前記センサ本体内を伝播する。すなわち、画像パターンから反射面に入射する光線、及び、反射面から像取得要素に向けて反射される光線、はセンサ本体の媒質中を伝播する。 In one preferred embodiment, the sensor body is transparent, and the light beam that forms the reflected image propagates through the sensor body. That is, light rays incident on the reflection surface from the image pattern and light rays reflected from the reflection surface toward the image acquisition element propagate in the medium of the sensor body.

一つの好ましい態様では、前記反射面は、前記センサ本体の界面によって形成され、前記センサ本体の材質は、前記界面が反射面を形成するような屈折率を有する材質から選択される。より具体的には、センサ本体の媒質の屈折率が、センサ本体の表面との間で界面を形成する媒質の屈折率より大きくなるように、センサ本体の材質を選択する。 In one preferred embodiment, the reflective surface is formed by an interface of the sensor body, and the material of the sensor body is selected from materials having a refractive index such that the interface forms a reflective surface. More specifically, the material of the sensor body is selected so that the refractive index of the medium of the sensor body is larger than the refractive index of the medium that forms an interface with the surface of the sensor body.

一つの好ましい態様では、前記センサ本体は、少なくとも一部に透明弾性体を含み、前記変形可能な反射面が透明弾性体の界面により形成されている。一つの態様では、センサ本体全体が透明弾性体から構成されている。透明弾性体として、シリコーンゴムが例示される。 In one preferable aspect, the sensor body includes a transparent elastic body at least in part, and the deformable reflecting surface is formed by an interface of the transparent elastic body. In one aspect, the whole sensor main body is comprised from the transparent elastic body. Silicone rubber is illustrated as a transparent elastic body.

一つの態様では、前記センサ本体の表面の部分あるいは全部が、膜から形成されていると共に、前記膜の内側には流動体が充填されており、前記変形可能な反射面が前記膜から形成されている。一つの態様では、センサ本体は、膜と、当該膜内に密閉された流動体と、からなる。 In one aspect, a part or all of the surface of the sensor body is formed from a film, and the fluid is filled inside the film, and the deformable reflective surface is formed from the film. ing. In one embodiment, the sensor body is composed of a membrane and a fluid sealed in the membrane.

一つの態様では、前記センサ本体は変形可能な板状体を有し、前記変形可能な反射面が前記板状体の表面から形成される。 In one aspect, the sensor body has a deformable plate-like body, and the deformable reflecting surface is formed from the surface of the plate-like body.

一つの態様では、前記画像パターンおよび/あるいは前記像取得要素は、前記センサ本体の外部に位置している。好ましくは、画像パターン、像取得要素の両方がセンサ本体の外部に位置している。一つの態様では、前記透明なセンサ本体は、複数の面を備えており、前記複数の面の少なくとも一つの面が前記変形可能な反射面を形成し、前記複数の面の少なくとも一つの面が画像パターンからの光線が入射するパターン面を形成し、前記複数の面の少なくとも一つの面が反射面からの反射光が出射する撮影面を形成している。前記画像パターンは、前記パターン面に対向ないし近接して配設され、前記像取得要素は、前記撮影面に対向ないし近接して配設されている。画像パターン、像取得手段は、それぞれ、パターン面、撮影面に接触あるいは付着していても、または、パターン面、撮影面から離間していてもよい。さらに、一つの好ましい態様では、前記透明なセンサ本体は、互いに平行な複数のパターン面からなるパターン面群と、互いに平行な複数の撮影面からなる撮影面群と、を有しており、各パターン面と各撮影面とは交互に配設されている。 In one embodiment, the image pattern and / or the image acquisition element are located outside the sensor body. Preferably, both the image pattern and the image acquisition element are located outside the sensor body. In one aspect, the transparent sensor body includes a plurality of surfaces, at least one of the plurality of surfaces forms the deformable reflective surface, and at least one surface of the plurality of surfaces is A pattern surface on which light rays from the image pattern are incident is formed, and at least one of the plurality of surfaces forms a photographing surface from which reflected light from the reflecting surface is emitted. The image pattern is disposed facing or close to the pattern surface, and the image acquisition element is disposed facing or close to the imaging surface. The image pattern and the image acquisition unit may be in contact with or attached to the pattern surface and the imaging surface, respectively, or may be separated from the pattern surface and the imaging surface. Furthermore, in one preferable aspect, the transparent sensor main body includes a pattern surface group composed of a plurality of pattern surfaces parallel to each other, and a photographing surface group composed of a plurality of photographing surfaces parallel to each other, The pattern surface and each imaging surface are alternately arranged.

一つの態様では、前記画像パターンおよび/あるいは前記像取得要素は、前記センサ本体の内部に位置している。図15に、画像パターン及び像取得要素がセンサ本体の内部に位置している触覚センサを例示する。 In one embodiment, the image pattern and / or the image acquisition element is located inside the sensor body. FIG. 15 illustrates a tactile sensor in which an image pattern and an image acquisition element are located inside the sensor body.

好ましくは、前記反射面は、対象物が接触する被接触面(センサ面)である。すなわち、変形可能な反射面に対象物が接触することで、当該反射面が変形して反射像が変形する。 Preferably, the reflection surface is a contacted surface (sensor surface) with which an object contacts. That is, when the target object comes into contact with the deformable reflection surface, the reflection surface is deformed and the reflected image is deformed.

一つの態様では、前記透明なセンサ本体がプリズムを構成している。すなわち、プリズムの少なくとも一つの面が反射面、少なくとも一つの面がパターン面、少なくとも一つの面が撮影面を形成する。 In one embodiment, the transparent sensor body constitutes a prism. That is, at least one surface of the prism forms a reflecting surface, at least one surface forms a pattern surface, and at least one surface forms a photographing surface.

一つの態様では、前記画像パターンは、発光素子により形成される。前記発光素子としては、LED、レーザが例示される。一つの態様では、前記画像パターンは、液晶ディスプレイによって生成される。一つの態様では、前記画像パターンは、動的に可変である。 In one embodiment, the image pattern is formed by a light emitting element. Examples of the light emitting element include an LED and a laser. In one embodiment, the image pattern is generated by a liquid crystal display. In one embodiment, the image pattern is dynamically variable.

一つの態様では、前記像取得要素は、カメラである。一つの態様では、前記像取得要素は、固体撮像素子を含む。固体撮像素子としては、CCDやCMOS素子が例示される。一つの態様では、前記像取得要素は、PD(フォトディテクタ)を含む。 In one aspect, the image acquisition element is a camera. In one embodiment, the image acquisition element includes a solid-state image sensor. Examples of the solid-state imaging device include a CCD and a CMOS device. In one embodiment, the image acquisition element comprises a PD (Photodetector).

本発明によれば、センサ本体の反射面における反射特性を活かすことで、光てこを用いた高解像度触覚センサを構成することができ、カメラの解像度を充分に活かしたセンシングが可能となる。 According to the present invention, it is possible to configure a high-resolution tactile sensor using an optical lever by making use of the reflection characteristics on the reflection surface of the sensor body, and sensing that makes full use of the resolution of the camera is possible.

本発明の触覚センサは、反射面を有するセンサ本体(好ましくは、透明弾性体を少なくとも一部に含む)と、画像パターンと、像取得要素とから成り、センサの全体構成がシンプルであると共に、センサの構成要素である画像パターン及び像取得要素を、対象物が接触する本体の外部に配置することができる。したがって、本発明によれば、画像パターン及び像取得要素が、対象物の接触の影響を受け難く、破壊に強いセンサを提供することができる。また、触覚センサを構成するいずれかの構成要素が劣化した場合にも、容易に交換することができる。また、配線は画像パターン及び像取得要素についてのみ行えばよいので、対象物が接触する本体に配線を施す必要がある従来のセンサに比べて省配線化できる。 The tactile sensor of the present invention includes a sensor body having a reflecting surface (preferably including a transparent elastic body at least in part), an image pattern, and an image acquisition element. The image pattern and the image acquisition element, which are constituent elements of the sensor, can be arranged outside the main body with which the object comes into contact. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a sensor in which the image pattern and the image acquisition element are hardly affected by the contact of the object and are resistant to destruction. Further, even when any of the constituent elements constituting the tactile sensor is deteriorated, it can be easily replaced. Further, since wiring only needs to be performed for the image pattern and the image acquisition element, it is possible to save wiring compared to a conventional sensor that needs to be wired on the main body that the object contacts.

本発明によれば、画像パターンおよび像取得要素を外部に配置することで、センサの構成要素の構成の選択に融通が利く。光てこと変形可能な反射面という単純な組み合わせによる構成のため、画像パターンの入射光が入射されるパターン面と反射面からの反射光が出射される撮影面を適宜選択することができる。例えば、パターン面にレーザ光やLight Emission Diode(LED)、液晶ディスプレイ、撮影面にPhoto Detector(PD)やカメラを配置することが考えられる。画像パターン、カメラをLED、PDに置き換えることで処理の高速化が可能となる。 According to the present invention, by arranging the image pattern and the image acquisition element outside, the selection of the configuration of the components of the sensor is flexible. Due to the simple combination of the light beam and the deformable reflecting surface, the pattern surface on which the incident light of the image pattern is incident and the imaging surface on which the reflected light from the reflecting surface is emitted can be appropriately selected. For example, it is conceivable to arrange a laser beam or light emission diode (LED) on the pattern surface, a liquid crystal display, and a photo detector (PD) or camera on the imaging surface. The processing speed can be increased by replacing the image pattern and camera with LED and PD.

パターンを動的に変更可能にすることでフィードバック計測が可能な触覚センサを提供することができる。動的なパターンは、一つの態様では、液晶ディスプレイにより生成することができる。また、センサ本体のパターン面及び撮影面を、複数の面群から構成し、各パターン面と各撮影面とを交互に配設することで、センサ本体を薄型化することができる。 A tactile sensor capable of feedback measurement can be provided by making the pattern dynamically changeable. The dynamic pattern can be generated by a liquid crystal display in one embodiment. Further, the sensor body can be made thin by configuring the pattern surface and the imaging surface of the sensor body from a plurality of surface groups and arranging the pattern surfaces and the imaging surfaces alternately.

本発明によれば、屈折率分布を用いた反射面により、接触状態と形状分布(力分布)を同時に計測可能な触覚センサを構成することができる。また、形状分布から弾性理論に基づき接触圧を計算することも可能である。 According to the present invention, it is possible to configure a tactile sensor that can simultaneously measure a contact state and a shape distribution (force distribution) by a reflecting surface using a refractive index distribution. It is also possible to calculate the contact pressure from the shape distribution based on the elasticity theory.

本発明は透明弾性体を利用することにより、非接触状態を測定可能な触覚センサを提供することができる。また、他の光学デバイスとの組み合わせが可能であり、例えば、光学プロジェクタを併用することにより、触覚入力視覚出力のユーザインターフェイスを構成可能である。 The present invention can provide a tactile sensor capable of measuring a non-contact state by using a transparent elastic body. Also, it can be combined with other optical devices. For example, by using an optical projector together, a user interface for tactile input visual output can be configured.

[A]本発明の構成
図1に本発明の触覚センサの一つの実施形態を示す。本発明に係る触覚センサは、透明弾性体1、実像としての画像パターン2、カメラ3から成る。センサ面となる透明弾性体の表面と空気との間の界面の屈折率分布に基づいて、透明弾性体の表面が柔軟な反射面(鏡面)4を構成する。柔軟な反射面4に対象物5が接触して変形を与えることで、反射面4が歪む。反射面4に映る像をカメラ3から観測することにより反射面4の変形を計測する。本発明の触覚センサは、光てこの原理と柔軟な反射面を組み合わせて用いるものである。光てことは、反射の特性を利用することにより、変位を拡大する手法のことである。本発明では、光てこを用いることにより反射面の変形を精度よく検出し、カメラの解像度を十分に活かすことができる触覚センサを構成した。
[A] Configuration of the Present Invention FIG. 1 shows one embodiment of a tactile sensor of the present invention. The tactile sensor according to the present invention includes a transparent elastic body 1, an image pattern 2 as a real image, and a camera 3. Based on the refractive index distribution at the interface between the surface of the transparent elastic body serving as the sensor surface and air, the surface of the transparent elastic body constitutes a flexible reflecting surface (mirror surface) 4. When the object 5 comes into contact with the flexible reflecting surface 4 and is deformed, the reflecting surface 4 is distorted. The deformation of the reflecting surface 4 is measured by observing the image reflected on the reflecting surface 4 from the camera 3. The tactile sensor of the present invention uses an optical lever principle and a flexible reflecting surface in combination. The optical lever is a technique for enlarging displacement by utilizing the characteristic of reflection. In the present invention, a tactile sensor capable of accurately detecting the deformation of the reflecting surface by using an optical lever and sufficiently utilizing the resolution of the camera is configured.

触覚センサの構成をより具体的に説明する。図1では、触覚センサの本体は、透明弾性体1から構成されており、透明弾性体1は、第1面10、第2面11、第3面12の3つの面を備えたプリズムを形成している。第1面10、第2面11、第3面12は、透明弾性体1に外力が作用しない状態では、平面を形成している。第2面11と第3面12は、第2面11の一端縁と第3面12の一端縁とが直角に交わるように延出しており、第1面10は、第2面11の他端縁と第3面12の他端縁とを連結するように延出している。第2面11を通して透明弾性体1に入射される入射光は、反射面4を形成する第1面10で全反射されて、反射光として、第3面12から出射するように構成されている。第2面11に近接して画像パターン2が配設されている。画像パターン2は、第2面11に接触していてもよく、あるいは、画像パターン2は、間隔を存して第2面11に対向していてもよい。第3面12に対向してカメラ3が配設されている。 The configuration of the tactile sensor will be described more specifically. In FIG. 1, the main body of the tactile sensor is composed of a transparent elastic body 1, and the transparent elastic body 1 forms a prism having three surfaces: a first surface 10, a second surface 11, and a third surface 12. is doing. The first surface 10, the second surface 11, and the third surface 12 form a plane when no external force acts on the transparent elastic body 1. The second surface 11 and the third surface 12 extend so that one end edge of the second surface 11 and one end edge of the third surface 12 intersect at a right angle. It extends so that an end edge and the other end edge of the 3rd surface 12 may be connected. Incident light that is incident on the transparent elastic body 1 through the second surface 11 is totally reflected by the first surface 10 that forms the reflective surface 4 and is emitted from the third surface 12 as reflected light. . The image pattern 2 is disposed in the vicinity of the second surface 11. The image pattern 2 may be in contact with the second surface 11, or the image pattern 2 may be opposed to the second surface 11 with a gap. The camera 3 is disposed to face the third surface 12.

一つの好ましい態様では、透明弾性体1として透明なシリコーンゴムが例示され、柔軟な反射面4はシリコーンゴムにより形成される。したがって、シリコーンゴムが空気と接する境界における屈折率の分布から、この界面が反射面としての反射特性を持つこととなる。この鏡面反射特性を利用することにより、柔軟な反射面4を備えた分布型触覚センサを構成する。 In one preferred embodiment, transparent silicone rubber is exemplified as the transparent elastic body 1, and the flexible reflective surface 4 is formed of silicone rubber. Therefore, from the refractive index distribution at the boundary where the silicone rubber is in contact with air, this interface has reflection characteristics as a reflection surface. By using this specular reflection characteristic, a distributed tactile sensor having a flexible reflecting surface 4 is configured.

透明弾性体1としてのシリコーンゴムについて説明したが、透明弾性体1を形成し得る材料としては、その他に、ガラスやアクリルなど、光学的に透明な材料が例示される。また、透明弾性体1の反射面4を形成する面との間で界面を形成する外界も空気雰囲気には限定されず、空気以外の気体、液体、真空が考えられる。界面が反射面(鏡面)4として機能するためには、界面近傍における屈折率の分布が重要であることは当業者に容易に理解される。透明弾性体1の屈折率が、透明弾性体1との間で界面を形成する空間の屈折率よりも大きければ界面が反射面4を形成することができる。したがって、透明弾性体1を形成する物質及び透明弾性体1の面との間で界面を形成する空間の屈折率を適切に選択することで、透明弾性体1の面を反射面4として機能させることができる。例えば、空気の層が別の物質からなる層に変われば、反射を起こす条件も変化する。透明弾性体1としてシリコーンゴムを採用した場合には、必要な条件はシリコーンゴムより屈折率が小さいものが存在することになる。ここで、空気の屈折率は1.000292であり、シリコーンゴムが1.5程度である。真空は1であり、多くの気体は1に近く、透明弾性体1の面が反射面4を形成できる。水の屈折率は1.33となり、空気に比べると条件は悪くなるが、カメラの配向および画像パターンからの入射光の角度を適切に選択することで反射像の観察は可能である。 Although the silicone rubber as the transparent elastic body 1 has been described, other materials that can form the transparent elastic body 1 include optically transparent materials such as glass and acrylic. Moreover, the external world which forms an interface between the surface which forms the reflective surface 4 of the transparent elastic body 1 is not limited to an air atmosphere, Gas other than air, a liquid, and a vacuum can be considered. It is easily understood by those skilled in the art that the refractive index distribution in the vicinity of the interface is important for the interface to function as the reflecting surface (mirror surface) 4. If the refractive index of the transparent elastic body 1 is larger than the refractive index of the space forming the interface with the transparent elastic body 1, the interface can form the reflecting surface 4. Therefore, the surface of the transparent elastic body 1 is made to function as the reflecting surface 4 by appropriately selecting the refractive index of the space forming the interface between the material forming the transparent elastic body 1 and the surface of the transparent elastic body 1. be able to. For example, if the air layer is changed to a layer made of another substance, the conditions causing the reflection also change. When silicone rubber is employed as the transparent elastic body 1, necessary conditions include those having a refractive index smaller than that of silicone rubber. Here, the refractive index of air is 1.000292, and the silicone rubber is about 1.5. The vacuum is 1, many gases are close to 1, and the surface of the transparent elastic body 1 can form the reflecting surface 4. Although the refractive index of water is 1.33 and the condition is worse than that of air, the reflected image can be observed by appropriately selecting the orientation of the camera and the angle of incident light from the image pattern.

[B]本発明の原理
本発明に係るセンサでは、光てこが重要な役割を果たす。この光てこを実現するための柔軟な反射面をどのように作るかがポイントとなる。反射面自体の変形前後で異なる反射像が得られるという柔軟な反射面の性質を用いることにより、その変位を計測することにより反射面自体の変形を、幾何光学を用いて求める。以降はこれら各要素について詳述する。
[B] Principle of the Invention The optical lever plays an important role in the sensor according to the present invention. The point is how to create a flexible reflecting surface to realize this optical lever. By using the property of the flexible reflecting surface that allows different reflected images to be obtained before and after the deformation of the reflecting surface itself, the deformation of the reflecting surface itself is obtained by measuring its displacement using geometric optics. Hereinafter, each of these elements will be described in detail.

[B−1]反射条件
光てこ方式とは、反射の特性を利用することにより、カンチレバーなどの先端にレーザなどの光源を照射し、反射面の変位を拡大する方式のことをいう。柔軟な反射面として、一つの好ましい実施態様では透明なシリコーンゴムを用いる。図3のようなシリコーンゴムと空気との境界を考えるとき、それぞれの屈折率をn,nとして、入射角、屈折角をΦ,Φとおくと、シリコーンゴムが空気と接する境界における屈折率の分布から、式(1)を満たすとき全反射をおこし、この界面が反射面としての反射特性を持つこととなる。この鏡面反射特性を利用することにより、柔軟な反射面を持つセンサを構成する。
[B-1] The reflection condition light lever method refers to a method of irradiating the tip of a cantilever or the like with a light source such as a laser to increase the displacement of the reflecting surface by utilizing the characteristic of reflection. As a flexible reflective surface, one preferred embodiment uses transparent silicone rubber. When considering the boundary between the silicone rubber and air, such as in FIG. 3, the respective refractive index n s, a n a, the incident angle, the refraction angle [Phi s, by placing the [Phi a, boundaries silicone rubber is in contact with air From the refractive index distribution in FIG. 5, total reflection occurs when Expression (1) is satisfied, and this interface has reflection characteristics as a reflection surface. By using this specular reflection characteristic, a sensor having a flexible reflection surface is configured.

[B−2]反射像の変形
光学式センサとしてカメラを用いるものの中には、マーカを追跡することにより変形を捉えるものがある(特許文献1)。しかしこれらはマーカの解像度によってセンサの解像度も制約をうけてしまう。これに対して、本発明に触覚センサは、光てこと柔軟な反射面を組み合わせて用いることで、カメラの解像度を最大限に利用することが可能である。
[B-2] Deformation of Reflected Image Among those using a camera as an optical sensor, there is one that captures deformation by tracking a marker (Patent Document 1). However, the resolution of the sensor is also limited by the resolution of the marker. On the other hand, the tactile sensor according to the present invention can use the resolution of the camera to the maximum extent by using a combination of a light reflector and a flexible reflecting surface.

図1に示すように画像パターン2とカメラ3、透明弾性体1としての透明シリコーンゴムを配置することにより、画像パターン2からの散乱光が透明弾性体1の第1面10(反射面4)で反射し、カメラ3に結像する。このとき、透明シリコーンゴムに接触対象5が触れることによって、透明弾性体1の第1面10(反射面4)が変形する。反射面4が変形を起こすと、画像パターン2の反射像が変形する。この変形から逆問題を解くことにより反射面4自体の変形を測定する。これにより、反射像の全てが情報を持つことになり、カメラの解像度を最大限に利用することができる。 As shown in FIG. 1, the image pattern 2, the camera 3, and the transparent silicone rubber as the transparent elastic body 1 are arranged so that the scattered light from the image pattern 2 is reflected on the first surface 10 (reflection surface 4) of the transparent elastic body 1. And is imaged on the camera 3. At this time, when the contact object 5 touches the transparent silicone rubber, the first surface 10 (the reflection surface 4) of the transparent elastic body 1 is deformed. When the reflecting surface 4 is deformed, the reflected image of the image pattern 2 is deformed. By solving the inverse problem from this deformation, the deformation of the reflecting surface 4 itself is measured. Thereby, all of the reflected images have information, and the resolution of the camera can be utilized to the maximum.

[B−3]幾何光学
図3に示すように、撮影対象となるパターンが平面状(P)に配されているとき、このパターンのある面をパターン面と名付ける(画像パターンからの入射光が入射する面であり、図1の触覚センサにおいて第2面11がパターン面を構成する。)。パターン面と反射面のなす角をα、撮像面と反射面のなす角をβとする。
[B-3] Geometrical optics As shown in FIG. 3, when a pattern to be imaged is arranged in a plane (P 0 P 1 P 2 ), the surface having this pattern is named a pattern surface (image pattern). The incident light from the second surface 11 forms a pattern surface in the tactile sensor of FIG. The angle between the pattern surface and the reflection surface is α 0 , and the angle between the imaging surface and the reflection surface is β 0 .

変形前に平面Pであった面が変形後Pからlの距離にあるQがd沈みこみ、θ傾いているとする。同様にPからl+Δlの距離にあるQ2がd+Δd沈みこみ、θ傾いているとする。このとき、P→Q→R,P→Q→Rと像が映るときを考え、カメラに入射する光線群がパターン面ではα,α、撮像面ではβ,β傾いているとする。Q,Qにおける反射面の傾きがθ→θと連続的にΔθ変化するとき、Q,Qで表される高さ変位Δdは
で表される。
It is assumed that Q 1 , which is a plane P 0 R 0 before the deformation, is subducted by d 1 at a distance of 1 from P 0 after the deformation and is inclined by θ 1 . Similarly P 0 Q2 at a distance of l + .DELTA.l sinks d + [Delta] d from the inclined theta 2. At this time, considering the case where an image is projected as P 1 → Q 1 → R 1 , P 2 → Q 2 → R 2 , the light rays incident on the camera are α 1 and α 2 on the pattern surface, β 1 on the imaging surface, Let β 2 be inclined. When the inclination of the reflecting surface in Q 1 and Q 2 changes Δθ continuously as θ 1 → θ 2 , the height displacement Δd represented by Q 1 and Q k is
It is represented by

また、反射面における入射角と反射角の対称性から、
次にΔlでm=P,w=Rを表す。
と表せる。
Also, from the symmetry of the incident angle and reflection angle on the reflection surface,
Next, m = P 0 P 1 and w = R 0 R 1 are represented by Δl.
It can be expressed.

[B−4]反射面の再構成
本発明の触覚センサにおいて測定できる量はm,w,β,βであり、既知の量はL,α,βである。求めたい量はθ,dの分布である。式(2)より、Δθ,ΔlがわかればΔdが構成でき、Δθ,Δdがわかればθ,dを再構成できる。
[B-4] Reconstruction of Reflecting Surface The amount that can be measured by the tactile sensor of the present invention is m, w, β 1 , β 2 , and the known amounts are L 0 , α 0 , β 0 . The quantity to be obtained is the distribution of θ and d. From equation (2), if Δθ and Δl are known, Δd can be constructed, and if Δθ and Δd are known, θ and d can be reconstructed.

ここで、
とし、Δα→0として2次のテイラー展開からΔαを表すと、式(4)より、
また、式(3)、(5) 、(6)より、
となる。式(2)において、Qをn番目の特徴点とし、n番目のΔdをΔdと表すと、境界面の連続性から、
を仮定する。これにより式(2)は下記のように表せる。
l=0とl=Lではd=0を仮定することができるので、式(6)よりlを求め、(7)よりθを求めることができる。得られたθからΔθを求め、式(9)を用いることでΔdn+1を算出する。これを漸次繰り返すことにより、θ,dの分布θ,dを求める。
here,
And Δα → 0, and Δα from the second-order Taylor expansion,
Also, from equations (3), (5), (6)
It becomes. In the formula (2), the Q 1 and n-th feature point, when the n-th [Delta] d represents the [Delta] d n, from the continuity of the boundary surface,
Assuming As a result, equation (2) can be expressed as follows.
Since the l = 0 and l = L 0 at d = 0 can be assumed, seeking l n from equation (6), can be determined theta n from (7). Δθ n is obtained from the obtained θ n and Δd n + 1 is calculated by using equation (9). By gradually repeating this, the distributions θ n and d n of θ and d are obtained.

[C]シミュレーション
上述の幾何光学に基づき、シミュレーションによってその精度を確認する。なお、変形する形状は横軸1637 [pixel]に対し縦軸13 [pixel]程度の大きさである(図4)。
[C] Simulation Based on the geometric optics described above, the accuracy is confirmed by simulation. The deformed shape is about 13 [pixel] on the vertical axis with respect to 1637 [pixel] on the horizontal axis (FIG. 4).

図4で示すような曲面を上下反転したものを反射面として想定し、α=β=π/4、カメラ中心を無限遠としてβ=β=β、L=1637 [pixel]とする。このとき、変形の中心を通る軸におけるパターン面上の離散点P(n=0...N)が反射面により撮影面(画像パターンからの反射光が出射する面であり、図1の触覚センサにおける第3面12)上で写る点R(n=0...N)を順問題として計算する。このようにして計算されたP,Rを用いて、角度分布θ、深度分布dを式(7)、(9)を用いて近似解として逆問題を解く。この計算結果が図5、図6である。 Assuming that a curved surface as shown in FIG. 4 is vertically inverted as a reflecting surface, α 0 = β 0 = π / 4, camera center at infinity, β 1 = β 2 = β 0 , L 0 = 1637 [pixel ] At this time, the discrete points P n (n = 0... N) on the pattern surface in the axis passing through the center of deformation are imaging surfaces (surfaces from which the reflected light from the image pattern is emitted) by the reflecting surfaces. A point R n (n = 0... N) appearing on the third surface 12) of the tactile sensor is calculated as a forward problem. By using the thus calculated P n, R n, the angular distribution theta n, the depth distribution d n Formula (7), solving the inverse problem as an approximate solution using (9). The calculation results are shown in FIGS.

実線がもとの反射面形状であり、−はΔl,Δdをl=0から上昇系列で加算したもの、△はl=Lから下降系列で加算したものである。図5より、θの分布はほぼ正確にトレースできていることがわかる。また、位置についてはおおまかな形状はトレースできている。なお、誤差率(誤差/真値)は全域で1%程度におさえられている。また、反射面に微分不可能点があっても問題なく測定可能であることを示す。 The solid line is the original reflecting surface shape,-is the sum of Δl and Δd added from 1 = 0 in ascending series, and Δ is the sum of l = L 0 and descending series. FIG. 5 shows that the distribution of θ can be traced almost accurately. In addition, the approximate shape of the position can be traced. Note that the error rate (error / true value) is kept at about 1% over the entire area. In addition, even if there is a non-differentiable point on the reflecting surface, it can be measured without any problem.

[D]実装
上述のシミュレーションに基づき、実際のシステムを構築し、動作を確認する。
[D−1]シリコーンゴムと格子模様
透明なシリコーンゴムとして、付加重合型のシリコーン(信越化学:透明シリコーンRTVゴム)を用いる。透明シリコーンゴムの形状は、図1に示すものと同様である。画像パターンとして、画像パターンを紙に印刷したものをパターン面(画像パターンからの入射光が入射する面であり、図1における第2面11)に貼り付けたものを用いる。このようにして柔軟な反射面を持つ触覚センサを作成する。作成された柔軟な反射面を写すカメラを適切に設置して固定する。
[D] Implementation Based on the above simulation, an actual system is constructed and the operation is confirmed.
[D-1] Addition polymerization type silicone (Shin-Etsu Chemical: transparent silicone RTV rubber) is used as silicone rubber and lattice-patterned transparent silicone rubber. The shape of the transparent silicone rubber is the same as that shown in FIG. As the image pattern, an image pattern printed on paper and pasted on a pattern surface (a surface on which incident light from the image pattern is incident, the second surface 11 in FIG. 1) is used. In this way, a tactile sensor having a flexible reflective surface is created. Install and fix a camera that reflects the created flexible reflecting surface.

[D−2]実験
実装されたセンサを用いて実環境での測定を行う。図7A、図7Bに示すように鉛筆の先端をセンサ面に当て、約0.2 [mm]押し込んだ状態を測定した。実験で用いた像取得要素は、CCDカメラである。
[D-2] Measurement in an actual environment is performed using an experimentally mounted sensor. As shown in FIG. 7A and FIG. 7B, the tip of the pencil was applied to the sensor surface, and the state where it was pushed in by about 0.2 [mm] was measured. The image acquisition element used in the experiment is a CCD camera.

画像パターンとして格子パターンを用いた。このときの中心部の縦一列の格子点を特徴点として対応をとり、理論式に基づき形状を復元した。図8は上昇系列と下降系列の平均を示す。今回用いた格子パターンは2.5 [mm]幅、取得画像サイズは625 x 392 [pixel]、画像における格子の数は縦16個であるから、1[pixel]は0.1[mm]とみなすことができ、平均系列のピーク値は真値に近い値を示している。 A grid pattern was used as the image pattern. At this time, the lattice points in a single vertical column at the center were matched as feature points, and the shape was restored based on a theoretical formula. FIG. 8 shows the average of the ascending sequence and the descending sequence. The grid pattern used this time is 2.5 [mm] wide, the acquired image size is 625 x 392 [pixel], and the number of grids in the image is 16 in length, so 1 [pixel] can be regarded as 0.1 [mm] The peak value of the average series shows a value close to the true value.

上昇系列においてはl=0,L、下降系列においてはl=0,Lが真値に近い。測定される誤差は繰り返し計算によって回避できると考えられる。 In the ascending series, l = 0 and L 0 , and in the descending series, l = 0 and L 0 are close to true values. The measured error can be avoided by repeated calculation.

[E]本発明の特徴
従来用いられてきた触覚センサは配線の問題や、センサ自身の配置など、複雑な構成を要することが多く、触覚センサとしてセンシングできる情報も力センサなら力のみを測定する,といったように一義的なものが大半を占めていた。本発明では透明弾性体と画像パターンとカメラという、大変単純な構成を用いながら、多くの情報、高精度な情報をセンシングできることが特徴としてあげられる。以下に、本発明の特徴をより詳細に説明する。
[E] Features of the Present Invention Conventionally, a tactile sensor that has been used in the past often requires a complicated configuration such as a wiring problem or the arrangement of the sensor itself. If the information that can be sensed as a tactile sensor is also a force sensor, only force is measured. , And so on. The present invention is characterized by being able to sense a large amount of information and highly accurate information while using a very simple configuration of a transparent elastic body, an image pattern, and a camera. Hereinafter, the features of the present invention will be described in more detail.

[E−1]耐破壊性
従来の触覚センサにおいては、センシングに使われる素子を触覚測定点に配置せねばならず、繰り返し測定によりセンサ自身の劣化は不可避である。これに対して本発明では、触覚測定点に存在するものは透明弾性体のみであるため、劣化に対して格段に強くなる。また物理信号を電気信号に変換するセンサ素子そのものが測定点に存在しないため、測定点部分が傷ついたとしても測定点部分にある透明弾性体の交換が容易かつ廉価である。
[E-1] Fracture resistance In a conventional tactile sensor, elements used for sensing must be arranged at tactile measurement points, and deterioration of the sensor itself is unavoidable due to repeated measurement. On the other hand, in the present invention, since only the transparent elastic body is present at the tactile measurement point, it is much stronger against deterioration. Further, since the sensor element itself that converts a physical signal into an electrical signal does not exist at the measurement point, even if the measurement point portion is damaged, the transparent elastic body at the measurement point portion can be easily and inexpensively replaced.

[E−2]省配線化
全てのセンシングは画像パターンとカメラで行われるため、画像パターンおよびカメラへの配線のみで、センサ面すべてのセンシングが可能になる。
[E-2] Reduced wiring Since all sensing is performed by the image pattern and the camera, the entire sensor surface can be sensed only by wiring to the image pattern and the camera.

[E−3]光てこの利用
光てことは反射面と光線を利用することにより、変位を拡大して計測する技術であるが、本発明では柔軟な反射面を構成することにより、反射面の歪みを、光てこを用いて計測することを可能にした。光てこにより歪みは拡大され、高解像度をもつセンサを構成することができる。
[E-3] A light lever is a technique for measuring displacement by enlarging displacement by using a reflection surface and a light beam. In the present invention, a reflection surface is formed by forming a flexible reflection surface. It became possible to measure the distortion of the light using an optical lever. The distortion is magnified by the optical lever, and a sensor having high resolution can be configured.

[E−4]接触状態と形状分布の計測
本発明では、透明弾性体と空気(例えば)との界面での屈折率分布により起こる反射現象を利用して反射面を構成する。そのため、反射面の条件を満たす部分とそうでない部分で挙動が変化する。すなわち図9に示すように、接触部位周辺では界面が反射面として動作し、虚像の歪みから接触による変形が測定され、この情報から形状分布が計算される。同時に条件を満たさない部分では接触対象自体とセンサの接触状態が実像として観測される。これは指を押しつけたときを例にとると、指による押し付けがどのような力分布を与えて変形をおこすかを周辺で測定し、同時に接触している指紋形状を中心で測定することにあたる。
[E-4] Measurement of Contact State and Shape Distribution In the present invention, the reflection surface is configured by utilizing a reflection phenomenon caused by the refractive index distribution at the interface between the transparent elastic body and air (for example). Therefore, the behavior changes between a portion that satisfies the condition of the reflecting surface and a portion that does not. That is, as shown in FIG. 9, the interface acts as a reflecting surface around the contact area, the deformation due to contact is measured from the distortion of the virtual image, and the shape distribution is calculated from this information. At the same time, the contact state between the contact object itself and the sensor is observed as a real image in a portion that does not satisfy the condition. Taking a case where a finger is pressed as an example, this is equivalent to measuring at the periphery what kind of force distribution is applied by the finger and causing deformation, and simultaneously measuring the shape of the fingerprint in contact with the finger.

[E−5]カメラ解像度の活用
従来のカメラを利用した触覚センサ(特許文献1参照)では、主に弾性体内部にマーカとして点列や格子列を配し、このマーカの移動を、カメラを用いてセンシングしていた。そのため、センシングに用いられる情報は点列や格子列により制限され、カメラ自体の解像度の全てを活かしているとは言えなかった。これに対して本発明では反射像を用いることでカメラに入る全ての画像から情報をとりこむことができる。これによりカメラの解像度を最大限活用したセンサを構成する。
[E-5] Utilization of camera resolution In a tactile sensor using a conventional camera (see Patent Document 1), a dot sequence or a grid sequence is mainly arranged as a marker inside an elastic body, and the movement of the marker is controlled by the camera. Sensing using. For this reason, the information used for sensing is limited by point arrays and grid arrays, and it cannot be said that all the resolution of the camera itself is utilized. On the other hand, in the present invention, information can be taken from all the images entering the camera by using the reflected image. This constitutes a sensor that makes the most of the resolution of the camera.

[E−6]動的パターンによるフィードバック計測
画像パターンは静的な画像パターンに限定されるものではなく、動的な可変の画像パターンでもよい。例えば、画像パターンを液晶ディスプレイ(LCD: Liquid Crystal Display)を用いて生成することで、フィードバックを用いた計測が可能になる。すなわち、反射面の変形に伴う画像パターンの虚像の歪みをなくすようにもとの画像パターンを表示させることで零位法を用いた計測を可能にする。
[E-6] The feedback measurement image pattern based on the dynamic pattern is not limited to a static image pattern, and may be a dynamically variable image pattern. For example, it is possible to perform measurement using feedback by generating an image pattern using a liquid crystal display (LCD). That is, it is possible to perform measurement using the null method by displaying the original image pattern so as to eliminate the distortion of the virtual image of the image pattern accompanying the deformation of the reflecting surface.

[E−7]薄型化、処理の高速化
本発明では透明弾性体と空気の界面における反射像を取得することでセンサを構成している。同様の界面はパターンからの経路と、カメラまでの経路にも存在する。ここで反射を起こさないためにカメラとパターンに並行な状態でそれぞれの界面を構成する必要がある。このために本発明の触覚センサの本体はプリズム形状をしているが、このプリズム形状は薄型に構成することができる。図10に薄型のセンサ本体の態様を例示する。図10では、センサ本体は、一方の面が、柔軟な反射面4を構成する第1面10である板状の透明弾性体1と、一方の面が複数の第2面11´、複数の第3面12´を交互に配設することで構成されている透明板状体1´と、からなり、板状の透明弾性体1の他方の面と、透明板状体1´の他方の面とを貼着することで構成されている。複数の第2面11´の群が画像パターン2からの光線が入射する面を構成し、複数の第3面12´の群が反射面4からの反射光が出射する面を構成している。図1における第2面11、第3面12を、それぞれ、複数の第2面11´の群、複数の第3面12´の群、から構成することで、センサ本体の厚さを薄くすることを可能としている。複数の第2面11´の群を構成する各第2面11´は同じ角度で延出している。複数の第3面12´の群を構成する各第3面12´は同じ角度で延出している。第2面11´と第3面´12は図示の例では、互いに直交する方向に延出している。
[E-7] Thinning and high-speed processing In the present invention, a sensor is configured by acquiring a reflection image at the interface between the transparent elastic body and air. Similar interfaces exist in the path from the pattern and the path to the camera. Here, in order not to cause reflection, it is necessary to configure each interface in parallel with the camera and the pattern. For this reason, the main body of the tactile sensor of the present invention has a prism shape, but this prism shape can be made thin. FIG. 10 illustrates an example of a thin sensor body. In FIG. 10, the sensor body has a plate-like transparent elastic body 1 whose one surface is the first surface 10 constituting the flexible reflecting surface 4, one surface having a plurality of second surfaces 11 ′, and a plurality of surfaces. A transparent plate-like body 1 ′ configured by alternately arranging third surfaces 12 ′, and the other surface of the plate-like transparent elastic body 1 and the other side of the transparent plate-like body 1 ′. It is comprised by sticking a surface. A group of a plurality of second surfaces 11 ′ constitutes a surface on which light rays from the image pattern 2 are incident, and a group of a plurality of third surfaces 12 ′ constitutes a surface from which reflected light from the reflecting surface 4 is emitted. . The second surface 11 and the third surface 12 in FIG. 1 are each composed of a group of a plurality of second surfaces 11 ′ and a group of a plurality of third surfaces 12 ′, thereby reducing the thickness of the sensor body. Making it possible. Each 2nd surface 11 'which comprises the group of several 2nd surface 11' is extended at the same angle. Each third surface 12 'constituting a group of a plurality of third surfaces 12' extends at the same angle. The second surface 11 ′ and the third surface ′ 12 extend in directions orthogonal to each other in the illustrated example.

図11は、図10に示す触覚センサに採用される画像パターンと像取得要素の態様を例示するものである。図10において、複数の第2面11´の群は、上記のパターン面を構成し、複数の第3面12´の群は、上記の撮影面を構成する。反射面4からの反射光が出射する面を構成している。図11に示すように、第2面11´に接触あるいは近接させて短冊状の発光要素2´を設け、複数の短冊状の発光要素2´から画像パターンを構成する。短冊状の発光要素2´としては、短冊状のLCDや、LED(Light Emission Diode)等の発光素子、が例示される。図11の触覚センサにおいて、第3面12´に接触あるいは近接させて像取得要素3´を設ける。図11において、カメラの代わりに採用される像取得要素3´としては、ラインCCD(Charge Coupled Device)やPD(Photo
Detector)が例示される。また、LEDやPDは時間方向に分解能が高いため、これらを使用することにより、センシング処理を大幅に高速化することが可能となる。
FIG. 11 illustrates an example of an image pattern and an image acquisition element employed in the tactile sensor shown in FIG. In FIG. 10, a group of a plurality of second surfaces 11 ′ constitutes the pattern surface, and a group of the plurality of third surfaces 12 ′ constitutes the imaging surface. A surface from which the reflected light from the reflecting surface 4 is emitted is configured. As shown in FIG. 11, a strip-shaped light emitting element 2 ′ is provided in contact with or close to the second surface 11 ′, and an image pattern is formed from the plurality of strip-shaped light emitting elements 2 ′. Examples of the strip-shaped light emitting element 2 ′ include a strip-shaped LCD and a light emitting element such as an LED (Light Emission Diode). In the tactile sensor of FIG. 11, an image acquisition element 3 ′ is provided in contact with or close to the third surface 12 ′. In FIG. 11, as the image acquisition element 3 ′ employed instead of the camera, a line CCD (Charge Coupled Device) or PD (Photo
Detector) is exemplified. Also, since LEDs and PDs have high resolution in the time direction, using them makes it possible to greatly speed up the sensing process.

[E−8]非接触観察
触覚センサとは接触状態を測定するセンサであるが、本発明の触覚センサではカメラ、透明のセンサ本体を用いることにより、非接触での観察も可能になる。したがって、本発明の触覚センサは、非接触状態、接触状態を通して対象を観察することができる。図12、図13に非接触観察の例を示す。図12では直接に非接触状態を観察する。図13ではパターン面(画像パターンからの入射光が入射する面であり、図1における第2面11)での反射を利用して非接触状態を観察する。
[E-8] The non-contact observation tactile sensor is a sensor that measures a contact state. However, the tactile sensor of the present invention enables non-contact observation by using a camera and a transparent sensor body. Therefore, the tactile sensor of the present invention can observe the object through the non-contact state and the contact state. 12 and 13 show examples of non-contact observation. In FIG. 12, the non-contact state is directly observed. In FIG. 13, a non-contact state is observed using reflection on a pattern surface (a surface on which incident light from an image pattern is incident, the second surface 11 in FIG. 1).

[E−9]視覚ディスプレイとの併用
本発明の触覚センサでは透明弾性体を用いることにより、光学的に自由度の高いセンサとなっている。つまり、他の光学デバイスとのさまざまな組み合わせが可能となる。一例として、視覚ディスプレイと組み合わせた構成を図14に示す。センサ面に布状のスクリーン素材を設置し、裏からプロジェクタにより投光する。背面から投影することにより、触覚入力の際に自身の指の影ができる等の問題も発生しない。スクリーン素材は軽量であり、接触は離散的なため、変形のセンシングに大きな影響を与えることはない。これにより、触覚による入力と視覚的出力をもつ、インタラクティブなヒューマンインターフェイスデバイスとしても利用することができる。
[E-9] Combined use with visual display The tactile sensor of the present invention is a sensor having a high degree of optical freedom by using a transparent elastic body. That is, various combinations with other optical devices are possible. As an example, FIG. 14 shows a configuration combined with a visual display. A cloth-like screen material is installed on the sensor surface, and light is projected from the back by a projector. By projecting from the back side, there is no problem such as shadowing of one's finger at the time of tactile input. Since the screen material is lightweight and the contact is discrete, it does not significantly affect deformation sensing. As a result, it can also be used as an interactive human interface device having tactile input and visual output.

本発明は触覚センサとして産業上利用可能であり、具体的には、ロボット産業における触覚センサ、衣類等の製品の肌ざわりを数値化する触覚センサ、ユーザインターフェイスとしての触覚センサが例示される。 The present invention can be industrially used as a tactile sensor. Specifically, a tactile sensor in the robot industry, a tactile sensor that quantifies the texture of a product such as clothing, and a tactile sensor as a user interface are exemplified.

本発明に係る触覚センサの概略図である。It is the schematic of the tactile sensor which concerns on this invention. スネルの法則を示す図である。It is a figure which shows Snell's law. センサ断面における幾何光学を示す図である。It is a figure which shows the geometrical optics in a sensor cross section. シミュレーションにおける針状変形を示す図である。It is a figure which shows the acicular deformation | transformation in simulation. シミュレーションにおける角度分布を示す図である。It is a figure which shows angle distribution in simulation. シミュレーションにおける変位分布を示す図である。It is a figure which shows the displacement distribution in simulation. 触覚センサのシリコーンゴムを鉛筆の先端で変形させる様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the silicone rubber of a touch sensor is deform | transformed with the front-end | tip of a pencil. 図7Aにおける取得画像を示す図である。It is a figure which shows the acquired image in FIG. 7A. 実験における復元結果を示す図である。It is a figure which shows the decompression | restoration result in experiment. 接触状態と形状分布を説明する図である。It is a figure explaining a contact state and shape distribution. 触覚センサの薄型化を示す図である。It is a figure which shows thickness reduction of a tactile sensor. 触覚センサの薄型化を示す図である。It is a figure which shows thickness reduction of a tactile sensor. 触覚センサを用いた非接触観察を示す図である。It is a figure which shows non-contact observation using a tactile sensor. 触覚センサを用いた非接触観察を示す図である。It is a figure which shows non-contact observation using a tactile sensor. 触覚センサと視覚ディスプレイとの併用を示す図である。It is a figure which shows combined use with a tactile sensor and a visual display. 触覚センサの他の形態を示す図である。It is a figure which shows the other form of a tactile sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 透明弾性体
2 画像パターン
3 カメラ
4 反射面
5 対象物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent elastic body 2 Image pattern 3 Camera 4 Reflecting surface 5 Object

Claims (8)

変形可能な反射面を有する透明なセンサ本体と、
画像パターンと、
前記画像パターンの前記反射面における反射像を、光てこを用いて取得する像取得要素と、
からなり、
前記センサ本体の媒質を、当該センサ本体との間で界面を形成する外界よりも大きい屈折率を有する材質から選択することで、当該界面から前記反射面が形成されており、前記画像パターンから前記反射面に入射する光線、及び、前記反射面から像取得要素に向けて反射される光線、は前記センサ本体の媒質中を伝播することで前記反射像を結像するように構成されており
前記像取得要素は、前記反射面の変形前と変形時とで異なる反射像を取得する、
反射像を用いた触覚センサ。
A transparent sensor body having a deformable reflective surface;
Image patterns,
An image acquisition element for acquiring a reflection image of the image pattern on the reflection surface using an optical lever;
Consists of
The reflective surface is formed from the interface by selecting the medium of the sensor body from a material having a higher refractive index than the outside that forms the interface with the sensor body, and the image pattern A light ray incident on the reflective surface and a light ray reflected from the reflective surface toward the image acquisition element are configured to form the reflected image by propagating in the medium of the sensor body.
The image acquisition element acquires different reflection images before and after the reflection surface is deformed;
A tactile sensor using reflected images.
前記センサ本体は、少なくとも一部に透明弾性体を含み、前記変形可能な反射面が透明弾性体により形成されている、請求項1に記載の触覚センサ。   The tactile sensor according to claim 1, wherein the sensor body includes a transparent elastic body at least in part, and the deformable reflective surface is formed of a transparent elastic body. 前記センサ本体の表面の部分あるいは全部が、膜から形成されていると共に、前記膜の内側には流体が充填されており、前記変形可能な反射面が前記膜から形成されている、請求項1に記載の触覚センサ。   The part or all of the surface of the sensor body is formed of a film, the inside of the film is filled with fluid, and the deformable reflective surface is formed of the film. The tactile sensor described in 1. 前記画像パターンおよび/あるいは前記像取得要素は、前記センサ本体の外部に位置している、請求項1乃至いずれかに記載の触覚センサ。 The image pattern and / or said image acquisition element is located outside the sensor body, tactile sensor according to any of claims 1 to 3. 前記透明なセンサ本体は、複数の面を備えており、前記複数の面の少なくとも一つの面が前記変形可能な反射面を形成し、前記複数の面の少なくとも一つの面が画像パターンからの光線が入射するパターン面を形成し、前記複数の面の少なくとも一つの面が反射面からの反射光が出射する撮影面を形成している、請求項に記載の触覚センサ。 The transparent sensor body includes a plurality of surfaces, at least one of the plurality of surfaces forms the deformable reflective surface, and at least one of the plurality of surfaces is a light beam from an image pattern. The tactile sensor according to claim 4 , wherein a pattern surface on which light is incident is formed, and at least one of the plurality of surfaces forms a photographing surface from which reflected light from the reflecting surface is emitted. 前記透明なセンサ本体は、互いに平行な複数のパターン面からなるパターン面群と、互いに平行な複数の撮影面からなる撮影面群と、を有しており、各パターン面と各撮影面とは交互に配設されている、請求項に記載の触覚センサ。 The transparent sensor body has a pattern surface group composed of a plurality of pattern surfaces parallel to each other, and an imaging surface group composed of a plurality of imaging surfaces parallel to each other, and each pattern surface and each imaging surface is The tactile sensor according to claim 5 , wherein the tactile sensors are alternately arranged. 前記反射面は、対象物が接触する被接触面である、請求項1乃至いずれかに記載の触覚センサ。 The reflecting surface is contacted surfaces in which the object is in contact, the tactile sensor according to any one of claims 1 to 6. 変形可能な反射面を有する透明なセンサ本体と、
画像パターンと、
前記画像パターンの前記反射面における反射像を、光てこを用いて取得する像取得要素と、
反射面再構成手段と、
からなり、
前記センサ本体の媒質を、当該センサ本体との間で界面を形成する外界よりも大きい屈折率を有する材質から選択することで、当該界面から前記反射面が形成されており、前記画像パターンから前記反射面に入射する光線、及び、前記反射面から像取得要素に向けて反射される光線、は前記センサ本体の媒質中を伝播することで前記反射像を結像するように構成されており
前記像取得要素は、前記反射面の変形前と変形時とで異なる反射像を取得し、
前記反射面再構成手段は、前記像取得要素によって取得した前記反射面の変形前と変形時の反射像から、対象物がセンサ本体の被接触面に接触した時の反射像の変形を取得し、反射像の変形から前記反射面の変形を算出する、反射像を用いた触覚センサ装置。
A transparent sensor body having a deformable reflective surface;
Image patterns,
An image acquisition element for acquiring a reflection image of the image pattern on the reflection surface using an optical lever;
Reflecting surface reconstruction means;
Consists of
The reflective surface is formed from the interface by selecting the medium of the sensor body from a material having a higher refractive index than the outside that forms the interface with the sensor body, and the image pattern A light ray incident on the reflective surface and a light ray reflected from the reflective surface toward the image acquisition element are configured to form the reflected image by propagating in the medium of the sensor body.
The image acquisition element acquires different reflection images before and at the time of deformation of the reflecting surface,
The reflecting surface reconstruction means acquires the deformation of the reflected image when the object comes into contact with the contacted surface of the sensor body from the reflected image before and during the deformation of the reflecting surface acquired by the image acquisition element. A tactile sensor device using a reflection image that calculates the deformation of the reflection surface from the deformation of the reflection image.
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