JP6505332B2 - 異なる上側レイヤを備えるセンシングシステム - Google Patents

Description

本発明は、特にロボットシステムに使用されるセンシングシステムに関する。

人間にとって危険なエリア（例えば、別の惑星、地下トンネル、地下洞窟）を探査するために、探査ロボットが使用されている。探査ロボットは、搬送先のエリア内の物体を検出し、その物体の特徴を特定する様々なセンサを有する。探査ロボットに使用されるセンサの１つとして、触覚センサがある。触覚センサを使用することにより、特定の物体の存在やそれらの圧力などのいくつかの物理的な特徴を検出することができる。

従来の触覚センサは、ＵＳ２０１０１５５５７９Ａ１に開示するように、弾性表面の下に配置された光源と、その表面から反射された光の量を検出する光検出素子とを有する。このような触覚センサにおいては、力が弾性表面に印加されると、その表面が光源と光検出素子に接近する。このような接近の結果、光検出素子に入射する光の量が増加する。光検出素子によって検出された光量と表面の弾力性とが、表面に印加された力の大きさを算出するために使用される。しかしながら、この形態の場合、ユニット表面の下に配置される光源の数と光検出素子の数が制限され、また、多数の光検出素子から送信されるデータの処理が煩雑である。

上記の問題は、ＷＯ２０１４０１１１２６Ａ１に開示されているモジュールによって解決されている。このモジュールは、光を反射するレイヤに覆われている弾性材料と、ＣＭＯＳ画像センサまたはＣＣＤ画像センサと、少なくとも１つの光源と、レイヤの下に配置されることによって該レイヤを介して周囲環境から分離された一端および光源に接続された他端とを有して光源からの光ビームをレイヤに搬送する複数の第１の光ファイバーケーブルと、レイヤの下に配置され且つ該レイヤに向かって方向付けされることによって該レイヤを介して周囲環境から分離された一端および画像センサの個々の画素と対をなすように画像センサに接続された他端とを有して該レイヤから反射された光ビーム画像センサに伝送する複数の第２の光ファイバーケーブルと、画像処理技術を用いることにより、レイヤの変位に応じて画像センサによって生成されたフォトフレームにおける第２の光ファイバーケーブルに接続されている画素それぞれの光の強度変化に基づいて印加されている個々の力それぞれを算出するプロセッサと、を備える。ＷＯ２０１４０１１１２６Ａ１に開示されているこのモジュールにおいては、弾性材料が物体に接触しているとき、弾性材料とレイヤに変形が生じる（例えば、光ファイバーケーブルに向かってレイヤが変位する）。このような変位の結果、レイヤから反射されて光ファイバーケーブルに向かう光量が変化する。このような光量の変化は、画像センサに生成されたフォトフレームにおける色の変化として検出される。プロセッサは、このフォトフレームに対して画像処理技術を適用し、そのフォトの色の変化を算出し、そして、レイヤの変位量を算出する。算出された変位量に基づいて、弾性材料に印加された力を算出する。しかしながら、この形態の検出は光のレベルに基づいてのみ実行されるため、改良が必要である。
別の特許文献ＵＳ４５４７６６８Ａは、二次元圧力センサを開示している。この圧力センサは、光源と、前記光源からの光を伝送するための複数のファイバーおよび反射光を受け取るための複数のファイバーを有する光伝送ファイバー端配列と、前記光伝送ファイバー端配列から離れて配置され、前記光源からの光を受け取るように配置された前記伝送ファイバーの端を有する伝送ファイバーサブアレイと、前記光伝送ファイバー端配列から離れて配置されや前記受光ファイバーの端を有する受光ファイバーサブアレイと、前記配列上に間をあけて配置された逆反射材料と、前記配列と前記逆反射材料との間に配置され、前記逆反射材料を支持する半透明の変形可能な媒体と、前記配列から遠い側に前記逆反射材料に隣接配置されたフレキシブルメンブレンと、前記受光ファイバーサブアレイに隣接配置され、前記配列から前記受光ファイバーサブアレイまでの前記光ファイバーによって伝送された反射光を検出する手段と、を有する。
別の特許文献ＷＯ２００５０２９０２８Ａ１は、光学式触覚センサを開示している。この光学式触覚センサは、透明な弾性体および前記弾性体内に設けられた複数のマーカーグループを有するセンシング部を有し、異なるマーカーグループを構成するマーカーが各グループに対して異なる色を備える状態でマーカーグループそれぞれが複数の色付きマーカーを含み、前記弾性体が任意の曲面を備える。また、マーカーの画像情報を取得するために弾性体の曲面に物体が接触しているときに色付きマーカーの挙動の画像を撮影する撮影デバイスと、マーカーの像情報から得たマーカーの挙動に応じて情報から表面に加わる力ベクトルを再構築する変換機能を含む力ベクトル分布再構築デバイスと、を有し、前記力ベクトル分布再構築デバイスが変換機能を用いてマーカーの挙動に応じて前記情報から前記表面に加わる力を再構築する。

本発明に係るセンシングシステムは触覚を検知し、少なくとも中間レイヤと、中間レイヤに配置された少なくとも上側レイヤと、中間レイヤの下に配置された少なくとも１つの光源と、中間レイヤの下に配置された少なくとも１つの画像センサと、一端が光源に向いて他端が中間レイヤに向くように配置された複数の光ファイバーケーブルを有して光源からの光を中間レイヤに配置された上側レイヤに伝える第１の光ファイバー束と、一端が画像センサの少なくとも１つの画素と対をなして他端が中間レイヤに向くように配置された複数の光ファイバーケーブルを有して中間レイヤに配置された上側レイヤの像を画像センサに伝える少なくとも第２の光ファイバー束と、画像センサに捕捉された像を画像処理技術を用いて解析して中間レイヤに印加された力を算出する少なくとも１つの制御ユニットと、画像センサと制御ユニットとの間におけるデータ通信用の少なくともデータリンクと、を備える。

本発明に係るセンシングシステムにおいて、光源から受け取る光は、第１の光ファイバー束を介して、中間レイヤを通過して上側レイヤに達する。上側レイヤの像が、第２の光ファイバー束を介して、画像センサに送られる。ここで、上側レイヤを介して中間レイヤに力が印加されている場合、画像センサによって捕捉された上側レイヤでの像フレームの形状（パターン）の変化、色の変化、または輝度の変化を制御ユニットが画像処理技術を用いて解析することにより、上側レイヤを介して中間レイヤに印加された力を算出することができる。

発明の目的

本発明の目的は、ロボットシステムでの使用に適したセンシングシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、触覚を検出することができるセンシングシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、電力消費を抑えたセンシングシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、一定の力を受けているか否かを検出するセンシングシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、力が印加されている印加点や印加領域を検出するセンシングシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、印加された圧力を検出するセンシングシステムを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、センサに対して直交する方向に印加された力や結合した力を検出することができるセンシングシステムを提供することである。

本発明に係るセンシングシステムの例示的な実施の形態が添付の図面に示されている。
センシングシステムの側面図 例示的な実施の形態のセンシングシステムの斜視図 使用中の例示的な実施の形態のセンシングシステムの斜視図 例示的な別の実施の形態のセンシングシステムの側面図 使用中の例示的な別の実施の形態のセンシングシステムの側面図 例示的な別の実施の形態のセンシングシステムの側面図

図示する全ての部品にはそれぞれ符号が付されており、これらの符号に対応する用語が以下に示されている。
センシングシステム （Ｓ）
中間レイヤ （１）
光源 （２）
画像センサ （３）
上側レイヤ （４）
第１の光ファイバー束 （５ａ）
第２の光ファイバー束 （５ｂ）
データリンク （６）
パターン （７）
外側レイヤ （８）
弾性部材 （９）
障害物 （１０）
間隔部材 （１１）

高度なロボット技術の場合、視覚、聴覚、触覚などの感覚は、センサシステムによって検出される。特に、人間にとって危険なエリアまたは人間には到達できないエリアの探査に使用される探査ロボットにおいては、探査エリアの特徴は、これらのセンサシステムによって正確に検出することが可能である。それゆえ、本発明により、触覚を検出することができるセンシングシステムを提供する。

本発明に係るセンシングシステム（Ｓ）は、図１〜図６に示すように、少なくとも中間レイヤ（１）と、中間レイヤ（１）に配置された少なくとも上側レイヤ（４）と、中間レイヤ（１）の下に（上側レイヤ（４）から離れて）配置された少なくとも１つの光源（２）と、中間レイヤ（１）の下に（上側レイヤ（４）から離れて）配置された少なくとも１つの画像センサ（３）（例えば、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサなど）と、一端が光源（２）に向いて他端が中間レイヤ（１）に向くように配置された複数の光ファイバーケーブルを有して光源（２）からの光を中間レイヤ（１）に配置された上側レイヤ（４）に伝える少なくとも第１の光ファイバー束（５ａ）と、一端が画像センサ（３）の少なくとも１つの画素と対をなして他端が中間レイヤ（１）に向くように配置された複数の光ファイバーケーブルを有して中間レイヤ（１）に配置された上側レイヤ（４）の像を画像センサ（３）に伝える少なくとも第２の光ファイバー束（５ｂ）と、画像センサ（３）に捕捉された像を画像処理技術を用いて解析して中間レイヤ（１）に印加された力を算出する少なくとも１つの制御ユニット（図示せず）と、画像センサ（３）と制御ユニットとの間におけるデータ通信用の少なくともデータリンク（６）と、を有する。データリンクは、有線接続であってもよく、また無線接続であってもよい。

本発明の好ましい実施の形態において、上側レイヤ（４）は、図２および図３に示すように、少なくともパターン（７）を有する。好ましくは正方形のチェスボード状のパターン（７）は、図３に示すように、力が印加されると中間レイヤ（１）に向かって変形する。画像センサ（３）に捕捉された上側レイヤ（４）の像フレームは制御ユニットで処理され、それにより変形したパターン（７）の領域が特定され、それにより中間レイヤ（１）に印加された力や圧力の範囲および大きさが算出される。

本発明の別の好ましい実施の形態において、上側レイヤ（４）は、力によって色が変化する材料を有する。例示的な実施の形態において、上側レイヤ（４）は、偏光フィルムを有する。偏光フィルムに力が印加されると、印加された力の大きさに基づく色の変化がフィルム上で観察される。画像センサ（３）によって捕捉された上側レイヤ（４）の像フレームを制御ユニットが画像処理技術を用いて解析することにより、偏光フィルム上の色変化の範囲が検出される。色変化やその色変化の範囲は上側レイヤ（４）に印加された力に関連するので、上側レイヤ（４）を介して中間レイヤ（１）に印加された力や圧力の範囲が算出される。

本発明の別の好ましい実施の形態において、上側レイヤ（４）は、ピエゾクロミック材料（ｐｉｅｚｏｃｈｒｏｍｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）を有する。ピエゾクロミック材料は、圧力によって色が変化する。色は、印加された圧力に応じて様々に変化する。本実施の形態において、画像センサ（３）によって捕捉された上側レイヤ（４）の像フレームを制御ユニットが画像処理技術を用いて解析することにより、ピエゾクロミック材料上の色変化、色変化の領域、その結果としての上側レイヤ（４）を介して中間レイヤ（１）に印加された力や圧力の範囲が算出される。ピエゾクロミック材料は、可逆性（印加された力がなくなると元の色に戻る）であってもよいし、不可逆性（印加された力がなくなると元の色には戻らない）であってもよい。本発明の好ましい実施の形態において、センシングシステム（Ｓ）に使用されるピエゾクロミック材料は可逆性である。したがって、中間レイヤ（１）に印加されている力がなくなるとピエゾクロミック材料は元の色に戻り、異なる力が中間レイヤ（１）に印加されると、その新たに印加された力が検出される。代わりの実施の形態において、上側レイヤ（４）は、周囲環境に対して近い側に配置されて可逆性のピエゾクロミック材料（または上面の他の種類の１つ）を好ましくは含む第１のレイヤと、周囲環境に対して遠い側に配置されて不可逆性のピエゾクロミック材料を含む第２のレイヤとを有する。この実施の形態の場合、外部から中間レイヤ（１）に力が印加されると、同様に第２のレイヤにも力や圧力が印加される。しかしながら、予想の力に比べて大きい力が中間レイヤ（１）に印加された場合、しきい値を超える大きな力が第２のレイヤに印加され、第２のレイヤの色が、その不可逆性のピエゾクロミック材料を原因として永久的に変化する。したがって、予想の力に比べて大きな力が中間レイヤ（１）に印加されたかどうかが検出され、また、第２のレイヤの色変化に基づいて印加された力の大きさが検出される。

本発明の別の好ましい実施の形態において、上側レイヤ（４）は、図４および図５に示すように、弾性であって遮光性の少なくとも外側レイヤ（８）と、外側レイヤ（８）の下に配置されて透明であって、好ましくはゲル状である少なくとも弾性部材（９）と、弾性部材（９）内に配置されて外側レイヤ（８）と異なる色の遮光性粒子状である複数（例えば少なくとも二列）の障害物（ｏｂｓｔａｃｌｅ）（１０）とを有する。図５に示すように、上側レイヤ（４）を介して中間レイヤ（１）に力が印加されると、外側レイヤ（８）が障害物（１０）を左右に押しやり、中間レイヤ（１）に接近する。この挙動の結果、画像センサ（３）によって捕捉される上側レイヤ（４）の像フレームにおいて色変化が見られる。そのような像フレームを制御ユニットが画像処理技術を用いて解析することにより、色変化の範囲が決定される。したがって、上側レイヤ（４）を介して中間レイヤ（１）に印加される力の大きさが算出される。

本発明の別の好ましい実施の形態において、上側レイヤ（４）は、自身に光の一部を蓄積し、光源からの光が消えると光を放出する蛍光体材料および／または他の材料を有する。この実施の形態の場合、光源（２）は一定の間隔で作動し、蛍光体材料および／または同様の材料のエネルギを増加させる。したがって、光源（２）がオフに切り替えられても、蛍光体および／または同様の材料は、一定の時間、光を放出する。この実施の形態の場合、上側レイヤ（４）を介して中間レイヤ（１）に力が印加されると、画像センサ（３）によって捕捉された上側レイヤ（４）の像フレームにおいて力を受けている部分の輝度が、力を受けていない部分に比べて高い。像フレームにおいて異なる画素の輝度を比較することにより、上側レイヤ（４）を介して中間レイヤ（１）に加わる力を算出することが可能である。

本発明の代わりの実施の形態において、上側レイヤ（４）は、部分的に光を伝える（例えば、ミラーフィルムまたはベール（ｖｅｉｌ）のような細かい多孔質構造体）。周知のように、このような構造体は、通常光を伝えるが、光の伝達をブロックする不透明な物体が裏側に配置されると、光を再帰反射する。この実施の形態の場合、第１の光ファイバー束（５ａ）を介して中間レイヤ（１）を通過して上側レイヤ（４）に伝えられた、光源（２）からの光ビームは、通常、周囲環境（および画像センサ（３）に捕捉される像内に存在する周囲環境の像）に伝わる。しかしながら、中間レイヤ（１）に物体が配置されている場合、光ビームは上側レイヤ（４）を通過し、物体に衝突し、その物体に再帰反射される。このような物体の像は、画像センサ（３）によって捕捉される像フレーム内に存在する。画像センサ（３）によって捕捉された像フレームを制御ユニットが画像処理技術を用いて解析することにより、上側レイヤ（４）を介して中間レイヤ（１）に印加される力を算出することが可能である。

本発明の別の代わりの実施の形態において、第１の光ファイバー束（５ａ）および／または第２の光ファイバー束（５ｂ）は、マルチピース束（ｍｕｌｔｉ−ｐｉｅｃｅ ｂｕｎｄｌｅｓ）である。この実施の形態の場合、第１の光ファイバー束（５ａ）および／または第２の光ファイバー束（５ｂ）は、複数の光ファイバーケーブルを含む第１のセクションと、複数の光ファイバーケーブルを含む第２のセクションと、一端が第１のセクションにおける光ファイバーケーブルそれぞれの先端に接続して他端が第２のセクションにおける光ファイバーケーブルそれぞれに先端に接続し、第１および第２のセクションにおける光ファイバーケーブルに比べて大きい直径を備えるキャリア用光ファイバーケーブルとを有する。キャリア用光ファイバーケーブルは、第１のセクションにおける光ファイバーケーブルによって搬送された光を第２のセクションにおける光ファイバーケーブルに伝送するとともに、第２のセクションにおける光ファイバーケーブルによって搬送された光を第１のセクションの光ファイバーケーブルに伝送する。このような方法により、光ファイバーケーブルの長さを長くしなければならない実施の形態の場合、多数の光ファイバーケーブルに代わって、１つまたは限られた数の光ファイバーケーブル（キャリア用ファイバー）を長くするだけで十分である。キャリア用ファイバーの別の実施の形態において、そのキャリア用光ファイバーケーブルの直径は、第１および第２のセクションのものに比べて小さい。この実施の形態においては、第１のセクションにおける光ファイバーケーブルそれぞれと第２のセクションにおける光ファイバーケーブルそれぞれとを正確にペアリングするために（すなわち、異なる光ファイバーケーブルからの光ビームが互いに干渉しないようにするために）、第１の光ファイバー束（５ａ）および／または第２の光ファイバー束（５ｂ）は、キャリア用光ファイバーケーブルと第１のセクションとの間、およびキャリア用光ファイバーケーブルと第２のセクションとの間に入る少なくとも２つの光学要素を有する。この光学要素は、キャリア用光ファイバーケーブルを通過する複数の光ビームの相互干渉を抑制する。

図６に示す代わりの実施の形態において、センシングシステムは、上側レイヤ（４）と中間レイヤ（１）との間に配置され、上側レイヤ（４）と中間レイヤ（１）を互いに間隔をあけた状態で維持する少なくとも２つの間隔部材（１１）を有する。この実施の形態の場合、上側レイヤ（４）は、弾性体であってもよい、または剛体であってもよい。

本発明に係るセンシングシステム（Ｓ）において、光源（２）から受け取る光ビームは、第１の光ファイバー束（５ａ）を介して、中間レイヤ（１）を通過して上側レイヤ（４）に達する。上側レイヤー（４）の像が、第２の光ファイバー束（５ｂ）によって画像センサに送られる。ここで、上側レイヤ（４）を介して中間レイヤ（１）に力が印加されている場合、画像センサ（３）に捕捉された上面（４）での像フレームの形状（および／またはパターン（７））の変化、色の変化、または輝度の変化を制御ユニットが画像処理技術を用いて解析することにより、上側レイヤ（４）を介して中間レイヤ（１）に印加される力を算出することができる。さらに、取得した像内の色変化の領域によって示される変位エリアから、任意の方向（例えば横断する角度）に印加された圧力が算出される。さらに、上側レイヤ（４）のパターン（７）の変化の検出結果を用いることにより、異なる角度（例えば適切な複数の角度）から上側レイヤ（４）に印加された複数の力とそれらの方向を検出することが可能である。

Claims (10)

1. 触覚を検出するセンシングシステムであって、
   少なくとも中間レイヤ（１）と、
   中間レイヤ（１）に配置された少なくとも上側レイヤ（４）と、
   中間レイヤ（１）の下に配置された少なくとも１つの光源（２）と、
   中間レイヤ（１）の下に配置された少なくとも１つの画像センサ（３）と、
   一端が光源（２）に向いて他端が中間レイヤ（１）に向くように配置された複数の光ファイバーケーブルを有し、光源（２）からの光を中間レイヤ（１）に配置された上側レイヤ（４）に伝える少なくとも第１の光ファイバー束（５ａ）と、
   一端が画像センサ（３）の少なくとも１つの画素と対をなして他端が中間レイヤ（１）に向くように配置された複数の光ファイバーケーブルを有し、中間レイヤ（１）に配置された上側レイヤ（４）の像を画像センサ（３）に伝える少なくとも第２の光ファイバー束（５ｂ）と、
   画像センサ（３）に捕捉された像を画像処理技術を用いて解析して中間レイヤ（１）に印加された力を算出する少なくとも１つの制御ユニットと、
   画像センサ（３）と制御ユニットとの間におけるデータ通信用の少なくともデータリンクと、を備え、
   上側レイヤ（４）が、力によって色が変化する材料としての偏光フィルムまたはピエゾクロミック材料を有するセンシングシステム（Ｓ）。
2. 上側レイヤ（４）が、少なくとも１つのパターン（７）を有する、請求項１に記載のセンシングシステム（Ｓ）。
3. パターン（７）が、チェスボード状である、請求項２に記載のセンシングシステム（Ｓ）。
4. ピエゾクロミック材料が可逆性である、請求項１に記載のセンシングシステム（Ｓ）。
5. 上側レイヤ（４）が、周囲環境に対して近い側に配置された第１のレイヤと、周囲環境に対して遠い側に配置され、非可逆性のピエゾクロミック材料を含む第２のレイヤと、を有する請求項１に記載のセンシングシステム（Ｓ）。
6. 第１のレイヤが、可逆性のピエゾクロミック材料を有する、請求項５に記載のセンシングシステム（Ｓ）。
7. 上側レイヤ（４）が、少なくとも外側レイヤ（８）と、外側レイヤ（８）の下に配置された少なくとも弾性部材（９）と、弾性部材（９）内に配置されて外側レイヤ（８）と異なる色の遮光性粒子状である複数の障害物と、を有する、請求項１に記載のセンシングシステム（Ｓ）。
8. 弾性部材（９）が、ゲル状である、請求項７に記載のセンシングシステム（Ｓ）。
9. 触覚を検出するセンシングシステムであって、
   少なくとも中間レイヤ（１）と、
   中間レイヤ（１）に配置された少なくとも上側レイヤ（４）と、
   中間レイヤ（１）の下に配置された少なくとも１つの光源（２）と、
   中間レイヤ（１）の下に配置された少なくとも１つの画像センサ（３）と、
   一端が光源（２）に向いて他端が中間レイヤ（１）に向くように配置された複数の光ファイバーケーブルを有し、光源（２）からの光を中間レイヤ（１）に配置された上側レイヤ（４）に伝える少なくとも第１の光ファイバー束（５ａ）と、
   一端が画像センサ（３）の少なくとも１つの画素と対をなして他端が中間レイヤ（１）に向くように配置された複数の光ファイバーケーブルを有し、中間レイヤ（１）に配置された上側レイヤ（４）の像を画像センサ（３）に伝える少なくとも第２の光ファイバー束（５ｂ）と、
   画像センサ（３）に捕捉された像を画像処理技術を用いて解析して中間レイヤ（１）に印加された力を算出する少なくとも１つの制御ユニットと、
   画像センサ（３）と制御ユニットとの間におけるデータ通信用の少なくともデータリンクと、を備え、
   上側レイヤ（４）が、自身に光の一部を蓄積し、光源からの光が消えると光を放出する蛍光体材料および／または他の材料を有するセンシングシステム（Ｓ）。
10. 触覚を検出するセンシングシステムであって、
    少なくとも中間レイヤ（１）と、
    中間レイヤ（１）に配置された少なくとも上側レイヤ（４）と、
    中間レイヤ（１）の下に配置された少なくとも１つの光源（２）と、
    中間レイヤ（１）の下に配置された少なくとも１つの画像センサ（３）と、
    一端が光源（２）に向いて他端が中間レイヤ（１）に向くように配置された複数の光ファイバーケーブルを有し、光源（２）からの光を中間レイヤ（１）に配置された上側レイヤ（４）に伝える少なくとも第１の光ファイバー束（５ａ）と、
    一端が画像センサ（３）の少なくとも１つの画素と対をなして他端が中間レイヤ（１）に向くように配置された複数の光ファイバーケーブルを有し、中間レイヤ（１）に配置された上側レイヤ（４）の像を画像センサ（３）に伝える少なくとも第２の光ファイバー束（５ｂ）と、
    画像センサ（３）に捕捉された像を画像処理技術を用いて解析して中間レイヤ（１）に印加された力を算出する少なくとも１つの制御ユニットと、
    画像センサ（３）と制御ユニットとの間におけるデータ通信用の少なくともデータリンクと、を備え、
    上側レイヤ（４）が、部分的に光を伝えるセンシングシステム（Ｓ）。

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