KR20060076293A - 광학식 촉각센서 및 그 센서를 이용한 힘벡터 분포 재구성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면의 각 점에서 복수의 자유도에 관한 정보를 얻는 것이 가능한 촉각센서에 관한 것이다. 광학식 촉각센서에는 센서부와 촬영장치가 구비되며, 상기 센서부는 투명탄성체와 투명탄성체 내부에 설치된 다수의 마커로 구성되고, 각 마커군은 다수의 유색마커로 구성되며, 마커들은 마커군들 사이에 서로 다른 색을 띤다. 탄성체는 자유곡면으로 이루어진 표면을 구비한다. 투명탄성체의 곡면으로 이루어진 표면에 물체가 접촉하는 때의 유색마커의 거동은 촬영장치를 통해서 마커의 화상정보로 얻어지게 된다. 상기 센서는, 마커의 화상정보로부터 얻어지는 마커거동에 관한 정보로부터 상기 표면에 가해진 힘을 재구축하는 힘벡터 분포 재구성 장치를 구비하고 있다.

Description

광학식 촉각센서 및 그 센서를 이용한 힘벡터 분포 재구성 방법{OPTICAL TACTILE SENSOR AND METHOD OF RECONSTRUCTING FORCE VECTOR DISTRIBUTION USING THE SENSOR}

본 발명은 광학식 촉각센서에 관한 것으로, 특히 로봇핸드용 촉각센서로 사용되는데 적합한 촉각센서에 관한 것이다.

촉각센서에 의해 접촉면의 접촉상태를 인식하는 것을 고려할 때, 접촉면의 각 점에 걸리는 힘은 크기와 방향을 갖는 3성분의 벡터로 된다. 이는 도1의 좌표계에서 f(x, y)로 표시된다. 여기서 f는 벡터이므로, 실제로는 각 점에 있어서 x,y,z 3성분을 갖는다. 각각의 성분을 명시적으로 표시하는 경우에는 f(x,y)=[fx(x,y),fy(x,y),fz(x,y)]로 표시된다.

본 출원의 발명자들은 3차원 벡터분포의 계측이 가능한 광학식 촉각센서를 제안하고 있다. 이러한 광학식 촉각센서는 국제공개공보 WO 02/18893 A1에 개시되어 있으며, 그 개시사항은 본 명세서 중에 포함되어 있다. 광학식 촉각센서의 원리를 도2에 의거하여 설명하면 다음과 같다. 광학식 촉각센서는 투명탄성체(1)와 CCD카메라를 이용하여 구성된다. 투명탄성체 내부에 배치된 구상마커(3,4)를 CCD카메라로 촬영함으로써 표면에 힘이 가해질 때의 탄성체 내부의 변형 정보를 계측하고, 그 정보로부터 힘분포를 재구성한다.

탄성체 표면을 xy평면, 수직방향을 z축으로 하여 CCD카메라를 이용해서 z방향으로부터 구상마커를 촬영하는 것에 의해, 힘이 가해진 경우의 측정점의 이동을 평면방향의 이동벡터로 계측한다. 그런데, 이 정도로는 정보량이 적어서 변형정보로부터 힘벡터 분포를 재구축하는 것이 곤란하기 때문에, 탄성체 내부의 서로 다른 깊이에 적색 구상마커(3)와 청색 구상마커(4)를 측정점으로 해서 N×N개를 배열하는 것에 의해서 깊이가 다른 2차원 이동벡터를 2개 구하고, 각기 상이한 정보로 취급함으로서 정보량을 증가시켜 힘벡터 분포를 구한다.

상기와 같은 광학식 촉각센서에서는 3차원 힘벡터 분포를 계측하는 것이 가능하고, 물체와 접촉하는 유연한 표면을 갖는 탄성체를 구비하고 있다고 하는 점에 있어서 유리하다. 예를 들면, 이와 같은 광학식 촉각센서를 인간형 로봇핸드에 설치한 경우에는 글래스를 깨지게 하거나 떨어뜨리지 않는 상태로 파지할 필요가 있다. 글래스의 낙하를 방지하기 위해서는 글래스의 표면과 평행한 방향으로 작용하는 힘을 감지할 필요가 있다. 이와 같은 것은 상기 광학식 촉각센서에 의해서 가능하다. 여기서, 광학식 촉각센서의 다양한 용도를 고려할 때에 평면상의 표면이 아닌 임의의 자유로운 형상으로 이루어진 표면을 구비한 촉각센서를 제작할 필요가 있다. 그런데, 그와 같은 자유곡면상의 표면에 작용한 힘벡터 분포를 구하는 것은 곤란하다. 이와 관련하여, 시모조(Shimojo) 등이 일본 로봇학회 강연회 1 G24, 2002에서 발표한 "액상 감압고무를 이용한 자유곡면형 촉각센서의 개발"에는, 자유곡면을 구비한 촉각센서가 개시되고 있다. 그러나 상기 센서의 경우에는 힘벡터 분포를 획득하는 것이 불가능하다.

[발명의 개시]

본 발명의 목적은 자유곡면으로 이루어진 표면을 갖는 광학식 촉각센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 마커정보로부터 자유곡면상의 표면에 작용한 힘벡터 분포를 재구성하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 로봇핸드용의 촉각센서, 혹은 컴퓨터용 인터페이스로 이용하는 것이 가능한 촉각센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 그와 같이 해서 얻어진 마커정보를 이용하여 힘벡터 분포를 계산하는 것이 가능한 전달함수를 구하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 촉각부와 촬영장치를 구비한 광학식 촉각장치에 관한 것이다. 상기 촉각부는 투명탄성체와 그 투명탄성체 내부에 설치된 복수의 마커군으로 구성되며, 각 마커군은 각각 다수의 유색마커로 구성되고, 상이한 마커군을 구성하는 마커군은 매 군마다 서로 다른 색을 구비하고 있다. 상기 탄성체는 자유곡면상의 표면(비평탄 표면)을 구비하고 있다. 촬영장치는 상기 탄성체의 접촉면에 물체가 접촉한 때 탄성체 내부의 유색마커 거동을 촬영하여 마커의 화상정보를 취득한다. 센서는 마커의 거동에 관련된 정보(예를 들면, 마커의 이동벡터)로부터 힘벡터 분포를 재구성하는 힘벡터 분포 재구성 수단을 갖는다. 마커의 거동에 관한 정보는 마커의 화상정보로부터 얻어질 수 있다.

유색마커의 거동을 촬영하는 것으로, 탄성체에 물체가 접촉한 때에 상기 유색마커의 변위, 왜곡, 기울기 중에서 적어도 하나 이상을 관측한다. 접촉대상이 센서에 접촉한 때의 유색마커의 정보로부터 투명탄성체 내부의 왜곡정보, 또한 그로부터 계산된 접촉대상의 형상이나 접촉계면(탄성체의 면과 접촉대상의 면 양측을 포함한다.)으로 작용하는 힘의 정보를 검출한다. 본 발명에 따르면, 여러 종류의 정보를 「색구분」이라고 하는 간단한 방법에 의해 개별적으로 수집할 수가 있고, 광학식으로 여러 종류의 촉각정보를 동시에 얻는 것이 가능하다. 본 발명에서는 「색구분」에 의해서 미지수의 수 이상의 독립된 관측치(마커의 거동에 관한 정보)를 모으고, 문제점을 안정적으로 해결하는 것에 의해서 힘벡터를 추정해서 재구축하는 것이 가능하다.

유색마커는 촬영수단, 바람직한 일 예로는 CCD카메라에 의해 촬영되어 화상처리된다. 예를 들면, 물체 접촉시와 그 이전의 상태(투명탄성체에 외력이 작용하지 않는 상태)의 화상을 비교하여 마커의 이동정보(예를 들면 이동벡터)를 검출한다. 경우에 따라서는 평상시(투명탄성체에 외력이 작용하지 않는 상태)에는, 마커가 인식될 수 없도록 하는 배치상태로 마커를 투명탄성체에 매설하여 놓고, 투명탄성체에 물체가 접촉한 때에 각 마커 존재위치 주변에서의 왜곡에 의해 생기는 마커의 변위, 왜곡, 기울기에 대응하여 마커가 인식되도록 구성하여서 유색마커의 겉보기 등으로부터 정보를 검출한다. 또는 다른 바람직한 실시 형태로서, 마커(예를 들면, 계단상의 띠형상 마커의 경우)의 거동은 마커의 휘도변화로 취득된다.

힘벡터 재구성 장치에는, 촬영수단에 의해서 취득된 마커의 거동에 관한 정보(예를 들면, 표면에 물체가 접촉한 때의 각 마커의 이동정보로 되는 이동벡터)로부터 탄성체의 표면에 가해진 힘벡터 내지 힘벡터의 분포를 재구성하기 위한 전달함수가 저장된다. 전달함수는 센서의 표면에 가해진 힘 정보와 마커의 거동에 관한 정보(예를 들면, 이동벡터)를 관련짓는 함수이다. 탄성체의 센싱 표면에 물체가 접촉한 때에 그 유색마커를 촬영하여 마커화상을 취득하고, 그러한 마커 화상정보로부터 마커의 거동에 관한 정보를 취득한다. 하나의 실시형태로, 마커의 거동에 관한 정보는 탄성체에 물체가 접촉한 접촉상태에서의 마커정보와, 탄성체에 물체가 접촉하지 않는 통상상태에서의 마커정보를 비교하여서 얻어진다. 일예로, 통상 상태에서의 마커정보는 위치정보 및 휘도정보와 같은 수치정보로서 기억장치에 기억된다. 마커의 거동에 관한 정보는 접촉상태에서의 마커의 화상정보와 미리 저장되어 있는 통상 상태의 마커정보로부터 얻어질 수가 있다.

취득된 정보를 전달함수로 입력하는 것에 의해서, 힘벡터를 출력하여 구한다. 전달함수로 입력되는 마커의 거동에 관한 정보의 수는 구하려는 힘벡터의 수보다도 많다. 일반적으로 힘벡터 분포 재구성 장치는, 기억장치와 프로세서를 갖는 컴퓨터로 구성된다. 기억장치에는 전달함수가 저장되고, 프로세서에 의해서 계산이 실행된다. 힘벡터 분포 재구성 장치의 일실시 형태로는, 마커 화상정보로부터 마커의 거동에 관한 정보를 계산하는 제1 프로세서와, 마커의 거동에 관한 정보로부터 힘벡터를 계산하는 제2 프로세서를 구비한다. 일 예로, 제1 프로세서는 로컬 프로세서로, 제2 프로세서는 센트럴 프로세서로 이루어진다.

전달함수는, 탄성체의 형상에 의해 탄성체 이론으로부터 도출되는 식에 근거하여 계산하는 것이 가능하며, 탄성체의 촉각면이 자유곡면인 경우에 전달함수는 실측 또는 시뮬레이션에 의해 작성하는 것이 바람직하다. 실측 또는 시뮬레이션에 의한 전달함수는 촉각면 상에 배치된 샘플점으로, 예를 들면 x방향, y방향, z방향의 소정 힘이 가해진 때의 마커 거동에 관한 정보(예를 들면 이동벡터)로부터 구해진다.

실측에 의해 전달함수를 구하는 단계는, 아래와 같다. 센서의 표면상에 다수의 샘플점을 산발적으로 배치한다. 각 샘플점에서 소정의 복수 방향으로 소정 크기의 힘이 가해진 때의 마커 거동에 관한 정보를 취득한다. 하나의 바람직한 형태에서, 소정 방향은 x방향, y방향, z방향을 포함한다. 각 샘플점에서의 x방향, y방향, z방향과 같은 소정방향으로 가해지는 기지(旣知)의 소정 크기의 힘과 마커거동에 관한 정보로부터 전달함수를 도출해 낸다.

자유곡면으로 이루어진 표면을 갖는 광학식 센서의 바람직한 일 실시형태로는 지형(指型)센서(손가락 센서)를 들 수 있다. 센서의 선단 손가락부는 투명탄성체로 형성되고, 그 투명탄성체의 표면에 센서의 표면이 형성되어 있다. 보다 바람직하기로는, 상기 투명탄성체의 배면부에는 손톱형 받침부가 설치되고, 그 손톱형 받침부에는 카메라와 같은 촬영장치가 설치되어 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 센서는 로컬 프로세서와 센트럴 프로세서를 구비하고 있다. 상기 로컬 프로세서는 마커의 화상정보로부터 마커의 거동에 관한 정보를 계산하고, 상기 센트럴 프로세서는 전달함수를 이용하여 마커의 거동에 관한 정보로부터 힘벡터 분포를 계산한다. 로컬 프로세서는 로봇의 손등 부위나 손바닥 부위에 탑재하는 것이 바람직하다.

다른 실시예의 경우, 자유곡면의 표면을 갖는 광학식 촉각센서는 컴퓨터 인터페이스로서 이용된다. 인터페이스로서는 3D 그래픽을 작성하는 모델링 툴의 인터페이스가 예시되고 있다. 이와 같은 인터페이스에 채용하는 광학식 센서의 바람직한 일예로는 구상 또는 구의 부분 형상을 갖는 탄성체로 구성되고, 구면 또는 부분적인 구표면을 갖는다.

촬영수단은, 바람직하기로는, 상기 투명탄성체의 물체가 접촉하는 측과는 반대측에 위치시킨다. 또한 서로 상이한 색을 갖는 복수의 유색마커가 존재하는 경우에는 어떠한 유색마커만을 선택하여 개별적으로 받아들여서 촬영 후 처리의 편의를 도모하는 것이 바람직하다. 유색마커의 선택은, 예를 들면 칼라필터를 이용하는 것으로 행해진다. 또한 마커의 화상을 안정화시키기 위해서는 센싱 표면에 차광층을 설치하는 것이 바람직하다.

바람직한 실시 형태로서, 투명탄성체에는 복수의 마커군이 매설되고, 각 마커군은 각각 다수의 마커로 구성되며, 상이한 마커군을 구성하는 마커는 매 군마다 서로 상이한 색을 구비함과 아울러 상기 마커군은 서로 상이한 공간적 배열을 하고 있다. 이 같은 상이한 공간적 배열의 예로서는, 탄성체의 두께 내부에 적층상으로 배치된 복수의 마커군을 들 수 있다. 적층상 마커군의 구체적인 예로서 마커군을 구성하는 마커는 구상의 미세한 조각이고, 각 층의 마커군을 구성하는 구상마커는 서로 상이한 색을 갖는다. 다른 공간적 배열의 예로는, 서로 교차하도록 배열된 복수의 마커군을 들 수 있다. 또 다른 공간적 배열로는 각 마커군은 동일한 방향으로 연장되는 복수 면의 군으로 구성되며, 그 면의 연장방향 및 색은 각 마커군 마다 서로 상이한 것을 들 수 있다. 유색마커의 형상은 특별히 한정되지는 않으며, 적절한 형태로는 구상, 원통상, 원주상, 띠상, 평면상 등을 들 수 있다.

[도면의 간단한 설명]

도1은 촉각센서와 접촉대상 사이에 발생하는 힘벡터 분포를 보인 것이다.

도2는 광학식 촉각센서의 원리도이다.

도3은 본 발명에 따른 광학식 촉각센서에 대한 개략도이다.

도4는 접촉표면에 걸리는 힘벡터 분포와 마커의 이동을 설명하는 것이다.

도5는 힘벡터 분포의 재구성에 이용하는 전달함수의 작성법에 관한 설명도이다.

도6은 반구상 촉각센서의 실시예에 대한 도면이다.

도7은 지형 촉각센서의 실시예에 대한 도면이다.

도8은 지형 촉각센서의 다른 실시예에 대한 도면이다.

도9는 지형 촉각센서에 대한 또 다른 실시예에 대한 도면이다.

도10은 마커의 다른 실시예에 대한 도면이다.

도11은 마커의 또 다른 실시예에 대한 도면이다.

도12는 마커의 또 다른 실시예에 대한 도면이다.

도13은 마커의 또 다른 실시예에 대한 도면이다.

[바람직한 실시예에 대한 상세한 설명]

도3은 본 발명에 따른 광학식 촉각센서 장치의 구성을 보여주고 있다. 센서장치는 투광성 탄성부재로 이루어지는 투명탄성체(1)를 구비하며, 투명탄성체(1)는 곡면상의 표면(2), 즉 센싱을 위한 표면을 구비하고 있다. 투명탄성체(1)에는 표면(2)에 근접하여 그 표면(2)의 곡면을 따라 다수의 유색마커(3,4)가 매설되며, 투명탄성체(1)와 탄성체 내부에 설치된 유색마커(3, 4)로 센싱부를 구성하고 있다.

유색마커는 두 개의 유색마커군으로 구성되며, 두 개의 마커군은 접촉면(2)으로부터 서로 다른 깊이에 각각 매설되어 있다. 일측의 마커군을 구성하는 유색마커(3)와 타측의 마커군을 구성하는 유색마커(4)는 서로 다른 색을 구비하고 있다. 예를 들면 하나의 마커군은 복수의 청마커(3)로 되고, 다른 하나의 마커군은 복수의 적마커(4)로 된다.

투명탄성체(1)에 물체(5)가 접촉하면, 투명탄성체(1) 내부에 설치된 유색마커(3,4)가 내부 왜곡에 의해서 이동한다. 또한 센서장치는 촬영수단으로서의 카메라(6) 및 광원(7)을 구비하고 있다. 광학식 카메라(6)는 투명탄성체(1)의 일측에 위치함에 있어서, 물체(5)가 접촉하는 쪽과는 반대쪽에 위치하도록 구성되어 마커(3,4)의 거동을 카메라(6)로 촬영하도록 구성되어 있다. 광원(7)은 예를 들면 광파이버 등과 같은 도파관을 이용하는 것이 바람직하다. 촬영수단에 의해 취득된 마커(3,4)의 화상이 힘벡터 분포 재구성 장치를 구성하는 컴퓨터(8)로 송신되어 진다. 힘벡터 분포 재구성 장치는, 프로세서, 기억부, 표시부, 입력부, 출력부, 그 외의 다른 범용 컴퓨터에 탑재되고 있는 장치를 포함한다. 프로세서는 화상 중의 마커의 이동이나 움직임에 관한 마커 정보(예를 들면, 이동벡터)를 계산한다. 또한 프로세서는 마커정보(예를 들면, 이동정보)와 기억부에 저장된 전달함수를 이용하여 물체(5)로부터 표면(2)으로 작용한 분력 분포를 재구성한다.

투명탄성체(1)는 바람직하기로는 실리콘 고무로 형성되는 바, 그 외의 고무나 엘라스토머 등의 탄성부재로 형성될 수도 있다. 마커는 바람직하기로는 탄성부재로 형성되며, 더욱 바람직하기로는 투명탄성체와 동일한 재료로 구성되는 바, 하나의 구체적인 일 실시형태로서 실리콘 고무에 색소가 가해진 것으로 구성된다. 마커에 의해서 탄성체 본체의 변형이 저해되지는 않기 때문에 마커도 탄성부재(바람직하기로는, 탄성체와 동등한 탄성계수를 갖는 것)로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 마커는 탄성체 본체의 변형을 저해하지 않을 정도로 충분히 적은 미소한 것이면 재질은 특별하게 한정되지는 않는다. 또한 탄성체의 부분이 마커를 구성하는 것으로 되는 것이 유리하다.

본 발명은, 투명탄성체(1)의 내부에 광학적인 마커를 다수 분포시켜서 탄성체(1)에 물체가 접촉하는 것에 의한 탄성체(1)의 변형에 따른 마커의 거동(이동)에 관한 정보를 촬영장치로 검출한다. 여기서, 마커이동은, 물체가 탄성체에 접촉한 결과로서 탄성체의 변형에 의해서 초래되어 진다. 도3에서는 2개의 마커군이 표시되고 있는바, 마커군의 수는 한정되지 않으며, 예를 들면 표면(2)을 따라서 3개층상으로 3개의 마커군을 배치하여도 무방하다.

촬영수단으로서는, 디지탈식 카메라, 즉 화상데이타를 전기신호로 해서 출력하는 카메라로서 바람직한 일예로는 CCD카메라가 있다. 본 발명에 따른 촬영수단은 CCD카메라에 한정되지는 않으며, 예를 들면 C-MOS식 이미지 센서를 이용한 디지탈 카메라도 사용될 수 있다. 마커로서 적(Red), 녹(Green), 청(Blue)의 3종류를 적용한 경우, 이들을 개별적으로 포착하기 위해서는 (1)촬영소자의 칼라필터로 분리하는(이 경우 카메라의 RGB출력을 관찰하면 그 자체로 각각의 마커를 개별적으로 촬영한 것으로 된다.) 제1 방법과, (2)촬영소자는 빛의 강도만을 포착하고, 광원으로 적, 녹, 청을 사용하는 [적색을 비추는 때에는 적색 마커로부터만 반사되는 빛이 존재하고, 다른 두 종류의 마커는 빛을 흡수하기 때문에 결과적으로 카메라는 적색의 마커만을 포착한다. 이를 시분할로 적색, 청색에 대해서도 수행하면 (1)과 동등한 정보가 얻어지게 된다.] 제2 방법의 두 가지가 있다.

광학식 촉각센서에 의해 얻어진 마커의 거동에 관한 정보(예를 들면, 마커 이동정보의 하나로 되는 이동벡터)로부터 센서의 표면에 가해진 힘벡터 분포를 구함에 있어서는, 마커의 거동에 관한 정보(예를 들면, 이동정보) M으로부터 힘정보 F로의 변환이 필요하게 된다. 마커정보 M으로부터 힘정보 F로의 변환은 식 F = HM에 의해 이루어진다. 마커정보로부터 힘벡터 분포를 재구성하는 방법에 대하여 도4를 참조해서 마커의 이동벡터로부터 힘벡터 분포를 구하는 방법에 의거하여 설명하면 아래와 같다. 도4에는 접촉면으로부터 시작하는 4개의 화살표가 힘벡터를 표시하고 있으며, 8개의 수평한 화살표가 마커의 관측된 이동벡터를 표시한다. 여기서는 단순화를 위해 2차원 단면(도면에서 y축 방향은 고려하지 않는다.)에 대해서 고려되고 있으나, 일반적인 3차원의 경우에도 알고리즘은 동일하다.

f는 접촉표면에 가해지는 힘벡터, m,n은 각각 청색과 적색이 부여된 마커의 CCD소자상에서의 이동벡터를 표시한다. 적절한 분산을 통해서 제한된 점 숫자(도4에서는 4개 점)에 대하여 살펴본다. 상기한 바와 같이, 힘벡터는 각각 3성분(x,y,z성분)을 구비하며, 여기서 2성분(x,z성분)을 고찰한다. 또한 일반적으로 카메라를 이용한 촬영은 3차원 물체를 화소면의 2차원 평면상에 투영하는 것을 이르는 것으로서 그 평면상에서의 마커의 이동은 수평방향(x,y성분)만이 투영되어 관측되어지므로 여기서는 도면에서와 같이 x방향성분만 관측되어 진다.

f=[fx(1),fx(2),fx(3),fx(4),fz(1),fz(2),fz(3),fz(4)]의 8성분이 구하고자 하는 힘분포로 되고, m=[m(1),m(2),m(3),m(4)], n= [n(1),n(2),n(3),n(4)]가 관측되는 이동벡터로 된다. 상기 m,n을 통합해서 x로 표기한다.

즉, x=[m(1),m(2),m(3),m(4),n(1),n(2),n(3),n(4)]로 된다. 여기서, 점1에서의 x방향 단위힘(크기1의 힘)이 가해진 때에 관찰되는 각 마커의 이동벡터 m,n을 통합해서 Mx(1)으로 표기한다. 즉,

Mx(1)=[m(1),m(2),m(3),m(4),n(1),n(2),n(3),n(4)]

여기서, f=[1,0,0,0,0,0,0,0,0]

이와 동일하게, 점1에서의 z방향 단위 힘이 가해진 때에 관찰되는 각 마커의 이동벡터를 Mz(1), 점2에서 x방향 단위 힘이 가해진 때에 관찰되는 각 마커의 이동벡터를 Mx(2) 등, 이하 동일한 방식으로 정해진다. 선형탄성체(가해진 힘분포와 변위 사이에 선형 가산함수가 성립하는 탄성체. 많은 탄성체가 이러한 성질을 만족한다.)의 경우 일반적인 힘 f=[fx(1),fx(2),fx(3),fx(4),fz(1),fz(2),fz(3),fz(4)]이 부여된 때에 발생되는 이동벡터x는 다음과 같이 표기된다.

X=Mx(1)*fx(1)+Mz(1)*fz(1)+Mx(2)*fx(2)+…+Mz(4)*fz(4).

역으로 이와 같이 표현된다고 하는 것은 힘의 「중합」이 성립하는 것이고, 이는 다시 말하면 선형탄성체로 되는 조건이다.

이것을 행열 형식으로 표기하면, X=H*f로 된다. 여기서, H=[Mx(1);Mx(2),…Mz(4)]. 상기 H를 힘f로부터 변위x로 전달시키기 위한 사상(寫象)이라고 하는 의미에서 전달함수로 명명된다.

요소별로 표기하면 아래와 같다.

여기서 Hmx(x1,x2)은, 좌표x=x2의 표면에 가해진 x방향 단위힘에 의한 좌표x=x1에서의, m마커가 위치하고 있는 깊이에서의 x방향 변위량을 표시한다. 이와 동일하게, Hnz(x1,x2)는 좌표 x=x2의 표면에 가해진 z방향 단위힘에 의한 좌표x=x1에서의, n마커가 위치하고 있는 깊이에서의 x방향 변위량을 표시한다.

이는 단순한 행열의 곱셈으로서, x는 1*8, H는 8x8의 정방행열, f는 1*8의 성분을 갖는다. 이에 관측된 x로부터 f를 구하는 데는 H의 역행열을 곱해주면 된다. 즉, f=inv(H)*x(식1)로 된다. 여기서 inv는 역행열(통상적으로는 일반화 역행열)을 표시한다. 요소별로 표기하면 아래의 수학식2와 같이 된다.

상기 식에서 Imx(1,1) 등은 inv(H)의 각 요소로서, 결과적으로는 지점f(x)를 계산하기 위한 m(1)의 기여를 표시한다.

여기서 중요한 것은, 이와 같이 전달함수에 의해서 정해진 행열의 역행열을 사용하는 것으로 미지수를 정하는 경우, 미지수의 개수를 관측된 데이타의 개수가 상회하거나 동일한 수로 될 필요가 있다는 점이다. 만일 이것이 만족되지 않는 경우, 역행열을 구하는 것이 불가능하게 된다. 즉, 구하고자 하는 미지수가 장황하게 되어 구할 수 없게 된다. 도4에 도시된 예의 경우, 만일 마커가 1층 밖에 없으면 구하려는 힘벡터 성분 8개에 대하여 이동벡터 성분이 4개밖에 없어서, 힘벡터 성분이 의도대로 정해지지 않는다(종래의 면분포형 촉각센서는 이와 같은 상황이 존재한다.). 이같은 문제를 해결하기 위해 색구분된 2층 마커군을 사용하고, 2층의 마커군의 각 마커의 이동을 취하는 것에 의해 독립된 관측 데이타 수 8개까지 증가시키고 있다.

일반적인 3차원의 경우(도면에서는 y축이 추가된 경우), 한 점에 있어서의 힘벡터는 3자유도, 마커의 수평이동 벡터는 2자유도이다. 만일 샘플링 점이 동일하게 4점으로 되면 미지수는,

f=[fx(1),fy(1),fz(1),fx(2),fy(2),fz(2),fx(3),fy(3),fz(3),fx(4),fy(4),fz(4)]의 12개가 존재함에 대하여 관측되는 값은 이동벡터

m=[mx(1),my(1),mx(2),my(2),mx(3),my(3),mx(4),my(4)]의 8개가 되어 부족하다. 이것을 2층으로 분리하여 관측하는 것에 의해 16개의 관측데이타를 얻는 것이 가능하고, 이에 따라 12개의 미지수를 한꺼번에 정할 수 있게 된다. 정보로서는 장황하게 되기 때문에 정확한 추정을 행하는 것이 가능한가의 여부가 고려되어 진다. 이상과 같은 알고리즘을 이용하여 CCD화상으로부터 힘벡터를 추정한다. 예를 들면 도10 내지 도13에 도시된 다른 마커를 이용한 여타의 추정방식에서도 측정방식은 실질적으로는 동일하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 광학식 촉각센서에 의한 표면응력과 내부변위의 관계를 표시하는 전달함수(행열H)를 얻는 것이 본질적으로 중요한 것임을 알 수 있다. 바로 이점은 종래에 제안되어 오던 매트릭스상 촉각센서의 대부분과는 차이를 나타낸다. 종래의 매트릭스상 촉각센서(예를 들면, 아래와 같은 센서)는 탄성체층을 센서 엘리멘트의 위에 배치하고 있는 것으로, 각 어레이상의 센서 엘리멘트가 자신에게 가해지는 힘을 계측하기만 할 뿐으로, 탄성체 표면에 가해지는 힘벡터 분포의 계산까지는 행하지 않는다.

이어서, 전달함수를 구하기 위한 수단을 설명한다. 탄성체 이론이 기본적으로 나타내는 바는, 탄성체 내부의 미소영역(예를 들면 미소입방체ΔxΔyΔz)의 표면(x=0,Δx, y=0,Δy,z=0,Δz)에 가해지는 힘과 그 미소영역의 왜곡(dΔx/dx,dΔy/dx,dΔz/dx,dΔx/dy,dΔy/dy,dΔz/dy,dΔx/dz,dΔy/dz,dΔy/dz)의 사이에서 만족되어야 할 관계식이다. 탄성체 전부는 상기 미소영역이 무수하게 모여서(공간적으로 적분되어) 구성되는 것이다.

어떠한 특징적인 형의 탄성체(예를 들면, 반 무한탄성체)에서는, 표면에 가해지는 힘과 내부변위의 함수로서, 상기의 미소영역에서 만족되어야 할 관계식을 탄성체 내부의 모든 장소에서 만족하는 것이 가능한 함수가 수식의 형으로 발견되고 있다. 이와 같은 형의 경우에는 상기 함수로 메쉬상으로 구획한 탄성체 표면(접촉면)의 좌표와 내부마커의 좌표를 대입하면 행열H가 구해진다.

여기서 수식은, 표면응력을 f(x1), 내부변위를 m(x2,y2)로 하는 경우에, m(x2,y2)=G(F(x1),x2,y2)라 하는 형으로 내부변위를 표면응력으로부터 구하는 함수G이다. 이때, 예컨대 도4에서 점1에 힘이 가해진 때의 마커(2)에서의 변위는 m(2,y2)=G(f(1),2,y2)에 의해서 구해진다. 여기서 y2는 마커의 깊이(이미 알고 있는)이다.

그러나 이와 같은 특징적인 형은 극히 희박한 것으로, 일예를 들자면 응용상 중요한 것으로 고려되는 구형상에 대하여 조차 표면응력과 내부변위의 함수는 발견되어지지 않는다. 종래의 광학식 촉각센서에서는 탄성체 형상을 반 무한대 탄성체로 가정하는 것에 의해 상기와 같은 수식을 이용하여 H행열을 취득하였다. 그러나 예를 들면 반구와 같은 자유곡면에 대하여 동일하게 반 무한대 탄성체의 식을 적용해서 얻어진 H행열을 사용하면, 표면응력이 옳바르게 얻어지지 않는다는 사실을 발견하였다. 어떠한 특별한 수단으로 표면응력과 내부변위를 연관시킬 필요가 있다.

이를 위해서 제안하는 제1 방법, 수치 시뮬레이션으로 표면응력과 내부변위를 연관시키는 방법이다. 현재 기시판되고 있는 탄성체 시뮬레이션 소프트웨어는 탄성체를 메쉬상으로 구획하여 각 메쉬(상기 미소영역)가 만족시켜야 하는 표면응력과 왜곡의 관계, 인접한 메쉬끼리가 만족하여야 하는 관계(인접한 메쉬의 경계면에서는 동일한 크기의 응력이 작용하는 등)을 만족하는 탄성체 변형을 수치계산에 의해 구하는 것이 가능하다. 이에 제안하는 센서로 적용하는 경우에는, 우선 표면을 메쉬로 구획하고, 각 메쉬에 단위응력(x방향, y방향, z방향)이 가해진 때의 마커 이동량을 시뮬레이션하여 계산한다.

제2 방법은 도5에 도시된 바와 같이 실제로 힘을 가하는 것이다. 자유곡면을 갖는 탄성체의 표면에 기지의 힘 F1, F2, F3, F4 … Fn을 가한다. 가해진 각각의 힘에 대한 마커의 이동벡터(각각 기지의 힘에 의해서 초래되는 마커의 이동) M1, M2, M3, M4 … Mn을 계측하여 이를 보존한다. F1은 F1x, F1y, F1z의 3개의 벡터로 되고, 이러한 힘으로 가한 때에 각각 대응하는 마커의 이동벡터는 M1x, M1y, M1z로 된다. 이미 알고 있는 힘과 얻어진 정보(이동벡터)를 이용하여 행열H을 작성한다. 전달함수 H는 마커 각각의 이동을 이용하여 마련된다. 이하, 구체적으로 설명한다.

탄성체 표면상에 다수의 샘플점을 분산해서 배치한다. 바람직하기로는, 샘플점은 접촉면의 전 영역을 커버하도록 배치된다. 일 실시예로는, 표면상에 분산된 다수의 샘플점 배치는, 극좌표를 사용하여 배치시킨다(평면에서 볼 때 동일한 중심을 갖도록 배치시킨다). 다른 실시예에서는, 샘플점은 평면에서 볼 때 격자상으로 배치된다.

각 샘플점에서, x방향, y방향, z방향으로 각각 작용하는 이미 알고 있는 크기의 힘과, 이러한 힘이 작용한 각각의 경우의 마커이동 벡터를 연관짓는 정보를 얻는다. 하나의 바람직한 방법으로는, 각 샘플점에 x방향, y방향, z방향의 소정의 힘을 각각 가하여 그 때의 마커 이동벡터를 각각 계측해서 저장한다. 샘플점에 가하는 힘벡터의 x방향, y방향, z방향을 정하는 방법은, 힘벡터를 이용하여 접촉면에 가해지는 임의의 힘을 표시할 수 있다면 그 방향은 제한되지 않는다.

일 실시예로서, 샘플점을 통하여 접촉면에 접하는 접면을 취해서 그 접면 내에서 서로 직교하는 방향을 x방향, y방향으로 정하고, 그 접면에 대해 수직방향으로 z방향을 정한다. 혹은 접촉면이 형상과 무관하게 xy평면을 설정하고, 그 xy평면에 수직하게 z방향을 정해도 무방하다.

각 샘플점에 가해지는 힘은 이미 알고 있는 힘으로서, 하나의 바람직한 형태로는 일정한 크기의 힘, 예를 들면 100[gf]를 각각 x방향, y방향, z방향으로부터 샘플점에 가하여 각각의 경우의 이동벡터를 계측한다. 또한, 각 샘플점에 가하는 힘은 이미 알고 있는 힘인 경우, 반드시 동일한 크기의 힘이 아니어도 무방하고, 서로 다른 이미 알려진 힘을 기초로 하여 마커의 이동벡터를 계측한 경우에는 차후에 마커의 이동벡터의 크기를 정규화(定規化))하면 된다.

그리고 결과적으로 x방향, y방향, z방향의 힘과 마커의 이동벡터를 관련짓는 정보가 취득가능하면, 각 샘플점에 가해지는 힘은 x방향, y방향, z방향의 힘으로는 한정되지 않는다. 탄성체는 선형인 경우라면, 다음과 같은 방법도 고려되어 질 수 있다. 우선 한 점에 대하여 z방향으로 가해진 때의 마커 이동량을 보존하고, 이어서 xz방향으로 힘을 가하여 힘의 z방향성분에 대한 이동정보를 공제함으로서 x방향성분을 얻는다. y방향도 동일하게 얻는다. 수식을 이용해서 설명하면,

Mz(n,m) (격자점 n,m에 대하여 z방향으로 힘을 가한 때의 마커 이동)

Mx(n,m) (격자점 n,m에 대하여 x방향으로 힘을 가한 때의 마커 이동)

Mxz(n,m) (격자점 n,m에 대하여 xz방향으로 힘을 가한 때의 마커 이동)이라 하면, Mxz=Mx(n,m)+Mz(n,m)이라고 할 수 있고, Mz(n,m)과 Mxz(n,m)을 알게 되면 Mx(n,m)도 계산이 가능해 진다. 또한 이와 동일하게, 힘을 가함이 없이, 복수의 격자점에 힘이 가해지게 되어도 각각을 분할하는 것이 가능하다.

이와 같이 해서, 시뮬레이션 또는 실측에 의해 힘정보F와 마커의 거동에 관한 정보(예를 들면, 이동정보)M를 결부시키는 전달함수로 특정한 행열H을 작성한다. 광학식 촉각센서는 기억수단, 연산처리수단을 구비하여, 미리 작성된 행열H은 기억수단에 저장되어 진다. 투명탄성체에 물체가 접촉하여 센서의 표면으로 임의의 힘이 작용한 경우에, 촬영장치에 의해 마커 화상을 취득한다. 취득된 마커 화상으로부터 프로세서에 의해 마커 이동벡터를 계측한다. 계측된 마커 이동벡터를 행열H로 입력하여 연산처리수단으로 계산하는 것으로, 탄성체의 표면에 작용한 힘벡터 분포가 출력된다.

자유곡면을 구비한 광학식 촉각센서의 몇몇 실시예에 대하여 설명한다. 반구상 촉각센서가 도6에 도시되고 있다. 촉각센서의 촉각부를 구성하는 투명탄성체(1)는 반구형상으로서, 원형단면상의 저면과 반구면상의 표면을 구비하고 있다. 반구면상의 표면이 표면(2)을 구성하고 있다. 투명탄성체(1)는 반경이 25mm인 반구체이고, 투명탄성체로서 실리콘을 사용하여 제작된다. 투명탄성체(1)의 표면(2)에는 흑색의 차광층이 형성되어 있다. 차광층을 형성함으로서 CCD 카메라를 이용하여 촬영되는 화상을 안정화시킬 수가 있게 된다.

센싱표면으로부터 2mm 깊이에, 표면(2)의 곡면을 따라서 다수의 청색 구상마커(3)를 배치하여 청색 구상마커군을 구성함과 아울러 표면(2)으로부터 3.5mm 깊이로 청색 구상마커군을 따라 다수의 적색 구상마커(4)를 배치하여 적색 구상마커군을 구성하였다. 마커의 간격은 4mm이다. 마커(3,4)는 착색된 플래스틱구이다. 탄성투명체(9)의 저면은 투명 아크릴판(9)으로 고정되어 있다. 투명아크릴판(9)을 통해서 그 저면으로 대향하도록 CCD카메라가 설치되어 있다. CCD카메라에 근접한 부위로 도시되지 않은 광원이 설치된다. 투명아크릴판(9)을 통해서 탄성체(1) 내부의 마커(3,4)의 변위를 CCD카메라로 촬영한다. 영상은 NTSC형식으로 출력되어 USB접속캡쳐 유닛을 통해서 컴퓨터로 송신된다.

도면에는, 반구상의 촉각부가 도시되고 있지만, 촉각부는 그 표면이 구면 또는 구면의 일부를 구비하는 것이라도 가능하며, 촉각부는 실질적으로 구상 또는 구의 일부를 절결한 형상이라도 무방하다. 촉각부의 형상이 구면에 근접하면 할수록 큰 시야각을 갖는 촬영장치가 필요하게 되는바, 시야각이 큰 촬영장치로서 어안렌즈를 이용한 촬영장치가 예시되고 있다.

구면 혹은 구면의 일부분 표면을 구비하는 촉각센서는, 하나의 바람직한 실시형태에서, 마우스나 키보드 등의 입력수단, 그 외의 컴퓨터 인터페이스를 구성한다. 보다 구체적인 예로서, 구면 혹은 구면의 일부면으로 이루어진 표면을 갖는 광학식 촉각센서는 컴퓨터 화면상에서 점토를 다루듯이 해서 3D 그래픽을 작성하는 모델링 툴의 인터페이스로 이용하는 것이 가능하다. 표면을 손으로 내리 누루거나, 집거나, 문지르거나 하여서 표면에 가해진 힘을 센서가 감지하고, 그 정보를 컴퓨터의 처리부로 송신하여 화면에 표시된 물체의 형상을 변형시키거나 물체의 표면을 연마하거나 하는 것이 가능하다.

지형 촉각센서를 도7에서 보여주고 있다. 지형 촉각센서는 인간의 손가락 선단부와 유사한 형상을 구비하며, 손가락 단부측에 상당하는 부위를 투명탄성체(1)로 형성하고, 손가락 단부의 표면에 상당하는 부위를 표면(2)으로 하고, 손가락 단부측 부위의 반대편 표면에는 알루미늄 재질의 손톱형 부재(10)가 설치된다. 지형 촉각센서는, 높이 23mm, 길이 35mm, 폭23mm의 전체적인 형상을 구비하며, 투명탄성체(1)로 실리콘 고무를 사용하였다. 투명탄성체(1)의 표면(2)은 실제 손가락 선단 두께의 표면 내지는 윤곽과 동일하게 곡면상의 표면으로 구성되어 있다.

손가락 두께부를 구성하는 투명탄성체(1) 내부에는 곡면상의 표면(2)으로부터 2mm 깊이로 다수의 청색 구상마커(3)가 표면을 따라 3mm 간격으로 배치되어, 다수의 청색 구상마커(3)가 청색 구상마커군을 구성하고 있다. 곡면상의 표면(2)으로부터 3mm 깊이에는 다수의 적색 구상마커(4)가 청색 구상마커군을 따라 2mm 간격으로 배치되어, 다수의 적색 구상마커(4)가 적색 구상마커군을 구성하고 있다. 표면(2)에는 흑색의 차광층이 설치되어 있다. 차광층을 설치함으로서 CCD 카메라에 의해 촬영되는 마커 화상을 안정화시킬 수 있게 된다.

손톱형 받침부(10)의 기단측에는, 손가락 선단부 표면을 구성하는 표면(2)과 대향하도록 경사지게 연장된 경사편(11)이 일체로 형성되어 촬영장치(60)의 고정부를 구성하고 있다. 촬영장치(60)는 선단에 CCD 소자를 구비한 비디오스코프이고, 비디오스코프의 기단측은 컴퓨터에 접속되어 있다. 경사편(11)에는 CCD소자가 손가락 단부의 표면, 즉 표면(2) 및 마커(3,4)에 대향하도록 장착된다. 경사편(11)의 탄성체 측에는 탄성체와 CCD 소자와의 사이에 위치하는 투명아크릴판(9)이 배치되어 있다. CCD소자의 근방에는 도시되지 않은 광원이 설치되어 있다. 탄성체(1) 내부의 마커(3,4)를 비디오스코프를 사용하여 촬영하고, 영상은 컴퓨터로 송신된다.

그리고 경사편(110의 단부에는, 로봇핸드에 대해서 촉각센서체를 분리가능하게 장착되도록 하는 장착부(12)가 형성되어 있다. 도7에 도시된 형태에서, 장착부(12)는 나사공이 구비되어 있어서 로봇핸드측에 설치된 나사(도면 미도시)가 그 나사공에 나사결합을 이룸으로서 촉각센서체의 지지가 이루어지게 된다. 도7의 지형 촉각센서에서는, 실제의 손가락 단부로 되는 말절골(末節骨)에 상당하는 부재는 없는 바, 장착부(12)는 말절골과 중절골(中節骨)의 연결부에 위치하고 있는 것으로, 장착부(12)가 관절이나 골(骨)의 일부에 상당하는 것으로 고려될 수도 있을 것이다.

촉각부를 로봇핸드에 장착하는 방법은, 상기 방법에 한정되지 않는다. 고정용 나사공이 형성되어 있는 부위에 CCD 소자 등과 같은 촬영장치를 설치할 수도 있다. 또는 광파이버의 선단을 투명탄성체에 다다르게 함으로서 촬영장치를 구성하는 CCD 소자를 탄성체로부터 이격시킨 부위에 배치하는 형태도 허용가능하다. 예를 들면, 로봇의 5개 손가락 선단에 각각 지형 촉각센서를 설치하고, 각 지형 촉각센서로부터의 마커정보를 공통의 (예를 들면, 하나의) CCD 소자로 촬영하여 컴퓨터로 송신하는 것도 바람직하다.

그런데, 비디오스코프와 광파이버를 구비한 지형 촉각센서는, 넓은 시야각을 얻는 것이 가능하지 못하다는 결점이 있다. 콤팩트한 지형 촉각센서를 제공하기 위해서는, 시야각이 90도 또는 그보다 클 것이 요망된다. 만일, 시야각이 충분하지 않으면, 마커를 이격된 장소로부터 촬영할 필요가 있어서 센서를 소형화하는 것이 불가능하게 된다. 그리고 광파이버나 비디오스코프의 렌즈는 약 60도의 시야각을 구비하고 있을 뿐이다. 또한 광파이버는 충분한 해상도를 얻는 것이 곤란하다.

도8에는 상기 문제를 해결하기 위한 지형 센서의 실시예가 도시되고 있다. 지형 센서는 사람의 손가락 단부 형상과 유사한 형상으로 되어 있다. 손가락 단부의 몸체부에 대응하는 부분은 투명탄성체(1)로 형성되며, 손가락 단부 표면에 대응하는 부분은 표면(2)을 구성하고 있다. 손가락 단부의 몸체부 표면에 대향하는 표면에는 알루미늄 재질의 손톱형 부재(100)가 형성된다. 투명탄성체(1)는 실리콘 고무로 형성되어 있다. 투명탄성체(1)의 표면(2)은 실제의 손가락 단부 표면 또는 윤곽과 유사한 곡면을 갖고 있다. 투명탄성체(1)에 있어서, 청색마커군을 구성하는 다수의 청색 구상마커와, 적색 마커군을 구성하는 다수의 적색 구상마커는, 그 곡면으로부터 상이한 깊이에 배치되어 있다. 표면(2)에는 흑색의 차광층이 형성되어 있다. 손톱형 부재(100)는 투명탄성체(1)의 배변에 형성되어 투명탄성체(1)를 지지하고 있다.

촬영장치(60)는 CCD 소자나 CMOS 소자와 같은 촬영소자와 90도 이상(실시예에서는 110도이다.)의 시야각을 구비한 렌즈로 구성된다. 손톱형 부재(100)는 촬영장치(60)를 장착하기 위한 개구(開口)를 구비하고 있다. 촬영소자는, 렌즈를 매설한 마커(3,4) 및 표면으로 향하도록 하여 손톱형 부재(100)의 개구에 장착시킨다. 손톱형 부재(100)와 투명탄성체(2)의 사이에는 플레이트(70)가 설치되어 있다. 플레이트(70)는 라이트 가이드 또는 광원으로의 역할을 한다.

도9에는 지형 촉각센서의 다른 실시예를 보여주고 있다. 도9에 도시된 바와 같이, 5개의 각 손가락에는 마커를 구비한 투명탄성체와 카메라와 같은 촬영장치를 갖는 촉각부가 설치되어 있다. 도9의 지형 촉각센서는 로컬 프로세서와 센트럴 프로세서(도면 미도시)를 구비하고 있다. 로컬 프로세서는 말단부에 설치되는 데, 예를 들면 손등이나 손바닥에 대응하는 부위에 설치된다. 로컬 프로세서로는 FPGA 장치를 예로 들 수 있다. 센트럴 프로세서는 기단에 설치된다. 손가락 단부에 탑재된 각 카메라는 로컬 프로세서에 전기적으로 접속되어 있어서 그 곳에서 얻어진 마커의 화상정보로부터 마커이동에 관한 정보가 계산되어 진다. 로컬 프로세서는 센트럴 프로세서에 전기적으로 접속되어 마커이동에 관한 정보는 센트럴 프로세서로 송신되고, 그 곳에서 마커 이동에 관한 정보로부터 힘벡터 분포에 대한 계산이 이루어진다. 화상정보는 대량의 정보를 포함하기 때문에 USB 및 IEEE1394와 같은 데이타 전송표준을 통하여 화상정보를 소정의 속도로 전송하는 것이 곤란하다. 도9에 도시된 형태에서는 힘벡터 분포를 재구성하기 위하여 필요한 정보(예를 들면 마커 이동에 관한 정보)는 카메라 근방에 설치한 로컬 프로세서에 의해서 추출되는 바, 추출된 정보의 양은 원래의 화상정보 보다도 크게 저감되어진 상태로 센트럴 프로세서로 전송되어 진다.

본 발명에서는 하나의 바람직한 형태라 할 수 있는 구상마커에 근거하여 설명이 이루어졌으나, 본 발명에서 사용되는 마커의 형상이나 배치 구성은 상기 형태에 한정되지는 않는다. 다른 마커 형상 및 배치구성에 대하여 도10 내지 도13에 도시된 바에 따라 설명한다. 이러한 마커의 상세한 구성에 대해서는 국제공개공보 WO02/18893A1의 기재를 참조하는 것이 가능하다. 또한 마커의 형상이나 배치 형태는 도시된 것 또는 상기 국제공개공보에 기재된 것에 한정되지는 않는다. 도11 및 도12에는 편의상 평면상의 접촉면을 구비한 촉각센서체가 도시되고 있으나, 이러한 마커의 배치구성을 자유곡면의 표면을 갖는 촉각센서에 채용하는 것이 가능하다.

도10에는 미소 단면을 갖는 극세원통체(極細圓筒體) 또는 극세원주체(極細圓柱體)로 이루어진 색마커가 도시되고 있다. 다수의 청색마커(30)를 수직상으로 배치하여 구성한 청색 마커군은 표면(2) 근방에 매설되어 있다. 다수의 적색마커(40)를 수직상으로 배열하여 구성한 적색 마커군은 청색 마커군 보다도 깊은 부위에 매설되어 있다. 마커는 탄성체에 접촉하는 물체와 카메라를 연결하는 가상선을 따라서 연장되어 있다. 각 마커의 배치 형태는 도시된 바에 한정되지 않으며, 또한 서로 다른 색을 갖는 3개 이상의 마커군을 설정하여도 무방하다.

도11의 윗쪽은 탄성체(1) 내에 계단상으로 배치된 경사면상의 면마커(300, 400)가 도시되고 있다. 바람직하기로는, 탄성체(1)의 부분(계단상의 계면)이 마커(300, 400)를 형성하는바, 별개의 면마커를 탄성체(1) 내에 매설할 수도 있다. 계단상의 계면은 2개의 동일한 방향을 갖는 면군에 분할하는 것이 가능하다. 각각의 군을 동일한 색을 착색하여 놓는다[한쪽의 계면(300)은 청, 다른 쪽의 계면(400)은 적]. 어떠한 점에 있어서 2색의 휘도 관측에 의해서 그 점에서의 힘벡터의 수평, 수직성분을 정보로서 포함하는 관측치가 얻어진다. 이러한 것을 센싱하는 것에 의해서 힘벡터의 면분포를 재구성하는 것이 가능하다. 도11의 윗쪽에는 2색의 띠상 면마커를 도시하고 있는 바, 3색을 갖는 면마커를 사용할 수도 있다. 도11의 아랫쪽에서와 같이 저면에 미세한 입방체가 집합된 소위 피라미드 구조를 사용하여 동일방향을 향하는 3조의 면군을 각각 동일한 색을 착색하면(예를 들면, 적, 녹, 청), 3색 휘도의 비율로 접촉면에 수평으로 작용하는 힘의 자유도와, 3색의 합계휘도에 의해서 면에 수직으로 작용하는 힘을 각각 구할 수가 있다.

도12에는 탄성체 내부에 복수 개가 병설된 적색 박막띠편으로 이루어진 마커군, 복수 개가 병설된 청색 박막띠편으로 이루어진 마커군의 2개의 마커군을, 각각의 마커가 서로 교차(도시된 바에 따르면 직교)하도록 배치한 것이 보여지고 있다. 복수의 마커군에 대한 공간적인 배치관계는 도시된 형태에 한정되지 않는다. 또한 마커를 구성하는 내외 표면을 서로 다른 색으로 형성하여도 된다. 도11에서 띠상마커의 면부는 관측방향을 따라서 연장되어 있는바, 그 띠상마터의 면부는 관측방향에 대하여 경사지게 연장되어도 무방하다.

도13 복수의 평면마커를 갖는 센싱부를 보여주고 있다. 평면마커는 평상시에는 은폐마커에 의해서 은폐되어 있다. 평면마커는 여러 개의 부위로 구획되어 있으며, 각 구획부에는 서로 다른 색이 부여되며, 각 평면마커에서의 동일한 색을 갖는 구획이 마커군을 구성하고 있다. 상기 평면마커와 은폐마커는 서로 간격을 두고 투명탄성체에 설치되며, 그 투명탄성체에 힘이 작용하지 않는 상태에서는 평면마커가 은폐되어 관측되지 않는다. 전단왜곡이 발생하면, 은폐마커와 유색마커의 위치가 엇갈리게 되어 색깔이 드러나게 된다. 도시된 바에 따르면, 원형마커는 원의 중심으로부터 3등분 되어 3개의 부채꼴로 분할되어, 각각 적, 녹, 청으로 나뉘어 채색되어 발생한 색으로부터 찌그러진 방향을 알 수가 있다.

본 발명은 촉각센서로 광범위하게 적용이 가능하며, 특히 로봇핸드용의 촉각센서나 컴퓨터용 인터페이스에 유용하게 적용될 수 있다.

Claims (29)

1. 센싱부와, 촬영장치 및 힘벡터 분포 재구성 장치를 구비한 광학식 촉각센서로서,

   상기 센싱부는 투명탄성체와 그 투명탄성체 내부에 설치된 복수의 마커군으로 구성되고, 각 마커군은 각각 다수의 유색마커로 구성되며, 상이한 마커군을 구성하는 마커는 매 군마다 서로 다른 색을 구비하고, 그 탄성체의 표면은 자유곡면이며,

   상기 촬영장치는 탄성체의 자유곡면으로 되는 표면에 물체가 접촉한 때의 유색마커 거동을 촬영하여 마커 화상정보를 취득하고,

   상기 힘벡터 분포 재구성 장치는, 상기 마커화상으로부터 취득된 마커의 거동에 관한 정보로부터 그 표면에 가해진 힘벡터를 재구성하기 위하여 전달함수를 저장하고, 상기 전달함수를 이용하여 마커의 거동에 관한 정보로부터 그 표면에 가해진 힘을 재구성하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 전달함수는 실측에 의해 구한 것임을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 전달함수는 시뮬레이션에 의해 구한 것임을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전달함수는 그 표면상에 배치한 샘플점에 복수의 소정 방향과 소정 크기를 갖는 힘이 각각 가해진 때의 마커 거동에 관한 정보로부터 구한 것임을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
5. 제4항에 있어서, 상기 소정 방향은 x방향, y방향, z방향을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 지형 센서이고, 손가락 단부의 몸체가 투명탄성체로 형성되며, 그 투명탄성체의 표면이 손가락 단부의 표면을 형성함을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
7. 제6항에 있어서, 상기 투명탄성체의 배면부에는 손톱형 받침부가 설치되고, 그 손톱형 받침부는 탄성체를 지지함을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
8. 제7항에 있어서, 상기 촬영장치는 손톱형 받침부에 장착되고, 손가락 선단의 표면에 대향하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
9. 제7항에 있어서, 상기 촬영장치는 손톱체의 단부에 장착되어 손가락 단부의 표면에 대향하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투명탄성체의 표면은 구상 또는 구상의 부분 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘벡터 분포 재구성 장치는, 기억장치와 프로세서를 구비하고, 상기 기억장치에는 전달함수가 저장되며, 상기 프로세서는 마커의 화상정보로부터 마커의 거동에 관한 정보를 계산하고, 그 전달함수를 이용하여 마커의 거동에 관한 정보로부터 힘벡터 분포를 계산하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
12. 제11항에 있어서, 상기 힘벡터 재구성 장치는, 제1 프로세서와 제2 프로세서를 구비하고, 제1 프로세서는 마커의 화상정보로부터 마커의 거동에 관한 정보를 계산하고, 제2 프로세서는 상기 전달함수를 이용하여 마커의 거동에 관한 정보로부터 힘벡터를 계산하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마커의 거동은 마커의 변위, 왜곡, 기울기 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마커의 거동은 마커의 이동정보로 취득됨을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마커의 거동은 마커의 휘도변화로 취득됨을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마커군은 서로 다른 공간적 배열을 구비함을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
17. 하나 또는 복수의 투명탄성체로 이루어지고, 각 투명탄성체는 자유곡면으로 되는 표면을 갖는 손가락 선단의 몸체부를 구성하며;

    각 탄성체 내부에 설치된 복수의 마커군으로 이루어지고, 각 마커군은 각각 다수의 유색마커로 구성되며, 상이한 마커군을 구성하는 마커는 매 군마다 서로 상이한 색을 구비하고;

    하나 또는 복수의 촬영장치로 이루어지고, 상기 하나 또는 복수의 탄성체의 자유곡면으로 되는 표면에 물체가 접촉한 때의 유색마커의 거동에 관한 정보로부터 그 표면에 가해진 힘을 구하는 힘벡터 분포 재구성 장치;

    로 구성됨을 특징으로 하는 지형 광학식 촉각센서.
18. 제17항에 있어서, 상기 센서는 하나 또는 복수의 손톱형 받침부를 구비하고, 각 손톱형 받침부는 하나 또는 복수의 투명탄성체의 각 배면부에 설치되며, 각 손톱형 받침부는 각 투명탄성체를 지지하는 것을 특징으로 하는 지형 광학식 촉각센서.
19. 제18항에 있어서, 상기 하나 또는 복수의 촬영장치의 각각은 각 손톱형 받침부에 장착되고, 손가락 선단 표면으로 대향하는 것을 특징으로 하는 지형 광학식 촉각센서.
20. 제18항에 있어서, 상기 하나 또는 복수의 촬영장치 각각은 각 손톱체의 기단부에 장착되고, 손가락 선다 표면으로 대향하는 것을 특징으로 하는 지형 광학식 촉각센서.
21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘벡터 분포 재구성 장치는, 그 취득된 마커의 거동에 관한 정보로부터 표면에 가해진 힘벡터를 재구성하기 위한 전달함수가 저장되고, 그 전달함수를 이용하여 마커의 거동에 관한 정보로부터 그 표면에 가해진 힘을 구하는 것을 특징으로 하는 지형 광학식 촉각센서.
22. 제21항에 있어서, 상기 힘벡터 분포 재구성 장치는, 기억장치와 프로세서를 구비하고, 기억장치는 전달함수를 저장하며, 프로세서는 마커의 화상정보로부터 마커의 거동에 관한 정보를 계산하고, 전달함수를 이용하여 마커의 거동에 관한 정보로부터 힘벡터 분포를 계산하는 것을 특징으로 하는 지형 광학식 촉각센서.
23. 제22항에 있어서, 상기 힘벡터 재구성 장치는, 로컬 프로세서와 센트럴 프로세서를 구비하고, 로컬 프로세서는 마커의 화상정보로부터 마커의 거동에 관한 정보를 계산하고, 센트럴 프로세서는 전달함수를 이용하여 마커의 거동에 관한 정보로부터 힘벡터 분포를 계산하는 것을 특징으로 하는 지형 광학식 촉각센서.
24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 광학식 촉각센서로 이용된 힘벡터 분포 재구성 방법으로서,

    상기 탄성체의 센싱면에 물체가 접촉한 때의 유색마커를 촬영하여 하나 또는 복수의 마커화상을 취득하는 단계와,

    상기 마커화상으로부터 구하려는 힘벡터의 갯수 보다도 많은 마커의 거동에 관한 정보를 취득하는 단계와,

    상기 전달함수를 이용하여 취득한 정보로부터 힘벡터 분포를 재구성하는 단계,

    를 구비하는 것을 특징으로 하는 힘벡터 분포 재구성 방법.
25. 제24항에 있어서, 상기 전달함수는,

    탄성체의 표면상에 다수의 샘플점을 분산하여 배치하는 단계와,

    각 샘플점에서 복수의 소정 방향으로 소정 크기의 힘이 가해진 때의 마커의 거동에 관한 정보를 취득하는 단계와,

    각 샘플점에서 소정의 방향으로 가하는 기지의 소정 크기의 힘과, 마커의 거동에 관한 정보로부터 전달함수를 작성하는 단계,

    로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 힘벡터 분포 재구성 방법.
26. 제25항에 있어서, 상기 소정 방향은 x방향, y방향, z방향을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘벡터 분포 재구성 방법.
27. 제1항 내지 제23항에 기재된 광학식 촉각센서에서의 전달함수 작성방법으로서,

    탄성체의 표면상에 타수의 샘플점을 분산하여 배치하는 단계와,

    각 샘플점에서 복수의 소정 방향으로 소정 크기의 힘이 가해진 때의 마커의 거동에 관한 정보를 취득하는 단계와,

    각 샘플점에서 소정의 방향으로 가하는 기지의 소정 크기의 힘과, 마커의 거동에 관한 정보로부터 전달함수를 작성하는 단계,

    를 구비하는 것을 특징으로 하는 전달함수 작성방법.
28. 제27항에 있어서, 상기 소정 방향은 x방향, y방향, z방향을 포함하는 것을 특징으로 하는 전달함수 작성방법.
29. 센싱부와, 촬영장치와, 기억장치와 하나 또는 복수의 프로세서를 구비한 광학식 촉각센서로서,

    상기 센싱부는 투명탄성체와 그 투명탄성체 내부에 설치된 복수의 마커군으로 구성되고, 각 마커군은 각각 다수의 유색마커로 구성되며, 상이한 마커군을 구성하는 마커는 매 군마다 서로 다른 색을 구비하며, 그 탄성체의 표면은 자유곡면이고,

    상기 촬영장치는 탄성체의 자유곡면으로 되는 표면에 물체가 접촉한 때의 유색마커 거동을 촬영하여 마커 화상정보를 취득하고,

    상기 기억장치는 마커의 거동에 관한 정보로부터 표면으로 가해진 힘벡터를 재구성하기 위한 전달함수가 저장되고,

    상기 하나 또는 복수의 프로세서는 마커의 화상정보로부터 마커의 거동에 관한 정보를 계산하고, 전달함수를 이용하여 마커의 거동에 관한 정보로부터 힘벡터 분포를 계산하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.