KR20070036015A - 광학식 촉각센서 - Google Patents

Abstract

대면적 힘벡터 분포계측을 가능하게 하는 광학식 촉각센서를 제공한다. 대면적 힘벡터 분포계측을 가능하게 하기 위한 정보통합 방법을 제공한다. 투명탄성체(1)와 그 투명탄성체(1) 내부에 설치된 복수의 마커(3,4)로 구성된 촉각부와, 투명탄성체(1)의 촉각면(2)에 물체(5)가 접촉한 때의 마커의 거동을 촬영하여 마커화상을 취득하는 복수의 촬영장치(6)를 갖는 광학식 촉각센서에서의 마커화상 통합방법이다. 화상 통합방법은 복수의 촬영장치의 각 촬영장치(6)에 의해, 각 촬영장치(6)가 중복 촬영영역(11)을 갖도록 투명탄성체(1)의 부분영역 A, B, C, D를 촬영하여 부분화상을 취득하는 단계와, 중복 촬영영역 내의 동일 마커가 일치하도록 각 촬영장치(6)로 취득된 부분화상을 통합하는 단계를 갖는다.

Description

광학식 촉각센서{OPTICAL TACTILE SENSOR}

본 발명은 광학식 촉각센서에 관한 것으로, 비교적 큰 영역에서의 힘의 작용방향을 구하는데 유용하게 사용되는 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. 힘의 분포가 각 접촉점에서 3성분을 갖는 것으로부터, 접촉센서에 의해 접촉면의 힘 분포를 재구성하기 위해서는 적어도 접촉면의 각 점에 대하여 3 자유도 이상의 정보를 얻어야만 한다.

본 출원의 발명자들은 3차원 벡터분포의 계측이 가능한 광학식 촉각센서를 개발하였다. 광학식 촉각센서의 원리를 도2에 의거하여 설명하면 다음과 같다. 광학식 촉각센서는 투명탄성체(1)와 CCD카메라를 이용하여 구성된다. 투명탄성체 내부에 배치된 구상마커(3,4)를 CCD카메라로 촬영함으로서 표면에 힘이 가해질 때의 탄성체 내부의 변형 정보를 계측하고, 힘 분포를 재구축한다.

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), 청색 구상마커(4)를 측정점으로 해서 N×N개를 배열하는 것에 의해서 깊이가 다른 2차원 이동벡터를 2개 구하고, 각기 상이한 정보로 취급함으로서 정보량을 증가시켜 용이하게 힘벡터 분포를 구한다.

이와 같은 광학식 촉각센서는 당초에 인간형 로봇(humanoid robot)에서의 롯봇 핸드에 적용하는 등의 용도로 고려되었으며, 광학식 촉각센서의 응용과 관련하여서는 소형의 조립형 센서를 중심으로 해서 연구되었다. 그러나, 이러한 광학식 촉각센서는 3차원 힘벡터 분포의 계측이 가능함과 아울러 센서면이 탄성체로 구성되어 로봇 핸드 만이 아니라 다양한 분야에서의 활용이 기대되고 있다.

그 중 하나로, 광학식 촉각센서를 이를테면 환경형 촉각센서로 이용하는 것이 거론되고 있다. 본 명세서에는 로봇 핸드 등으로 조립되는 것으로 이용되는 조립형 촉각센서에 반해서, 환경에 고정하여 사용하도록 하는 촉각센서를 환경형 촉각센서로 명명한다. 그러나 환경에 고정하여 사용하는 환경형 촉각센서의 경우에는, 예를 들면 의자의 착석면, 베드, 침상 등에 센서를 적용하는 것이 상정되는 것으로부터, 대면적 힘분포 계측이 필요하게 되는 것으로 고려되기에, 로봇 핸드 등으로의 조립을 전제로 했던 종래의 소형 광촉각 센서를 그대로 적용할 수는 없다.

[특허문헌1: 국제공개공보 WO02/18893 A1]

[발명의 개시]

[발명이 해결하고자 하는 과제]

본 발명의 목적은 대면적 힘분포 계측을 가능하게 하는 광학식 촉각센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 대면적 힘분포 계측을 가능하게 하기 위한 마커정보 취득방법 및 마커화상 통합방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 대면적 힘분포 계측을 가능하게 하는 광학식 촉각센서에서의 힘벡터 재구축 방법을 제공하는 데 있다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 창안된 것으로, 투명탄성체와 그 투명탄성체 내에 설치된 복수의 마커로 구성된 촉각부와, 투명탄성체의 촉각면(접촉면)에 물체가 접촉한 때의 마커 거동을 촬영하여 마커화상을 취득하는 촬영수단을 구비한 광학식 촉각센서에 있어서, 상기 촬영수단은 복수의 촬영장치로 구성되는 것과 아울러 복수의 촬영장치의 각 촬영장치는 각 촬영장치에 의해 취득되는 각 촬영영역이 부분적으로 중복되는 중복 촬영영역을 갖도록 구성하고, 광학식 촉각센서는 이에 더하여 복수의 촬영장치에 의해 취득된 각 마커의 화상을 통합하는 화상통합수단을 구비하며, 그 화상통합수단은 중복 촬영영역에서 동일마커를 일치시키도록 하여 각 촬영영역을 통합해서 통합화상을 생성시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 일 실시예에서는, 촉각부는 다수의 소면적 촉각부를 조합시킨 것으로 구성된 대면적 촉각부이다. 통상적으로, 「대면적」,「소면적」이라 하는 표현은 상대적인 것으로, 본 명세서에서 「대면적」이란 로봇 핸드에 조립되는 촉각부에 비교해서 큰 것을 의미하고, 「소면적」이란 「대면적」에 비교해서 적은 것을 의미한다. 「대면적」으로서는 의자의 좌판면, 베드면, 침상면 등을 예로 들 수 있는 바, 물론 이 보다도 적은 면적의 것도 대면적에 포함된다.

또한 바람직하게는, 촉각센서는 한 개의 소면적 촉각부와 그 소면적 촉각부에 대응하는 한 개의 촬영수단으로 되는 유닛을 구비하고, 그 유닛을 복수개 조합시킨 것으로 구성된다. 촉각센서를 센서유닛을 구성하는 함으로서 임의의 면적을 갖는 촉각부를 마련하는 것도 가능하다.

본 발명에서 채택한 다른 기술수단은, 투명탄성체와 그 투명탄성체 내에 설치된 복수의 마커로 구성된 촉각부와, 투명탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 마커의 거동을 촬영하여 마커의 화상을 취득하는 촬영수단을 구비하는 광학식 촉각센서를 이용한 마커화상의 취득방법으로서, 이러한 마커화상 취득방법은 촬영수단으로서 복수의 촬영장치를 설치하여 복수의 촬영장치의 각각에 의해서 각 촬영장치가 중복 촬영영역을 갖도록 투명탄성체의 부분영역을 촬영해서 부분 마커화상을 취득하는 단계와, 상기 중복 촬영영역 내의 동일마커가 일치하도록 각 촬영수단으로 취득된 부분 마커화상을 통합하여 통합 마커화상을 생성하는 단계를 구비하고 있다.

본 발명이 채택한 또 다른 기술수단은, 투명탄성체와 그 투명탄성체 내에 설치된 복수의 마커로 구성된 촉각부와, 투명탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 마커거동을 촬영하여 마커화상을 취득하는 복수의 촬영장치를 갖는 광학식 촉각센서에서의 마커화상 통합방법으로서, 화상통합 방법은 복수의 촬영장치의 각 촬영장치에 의해 각 촬영장치가 중복 촬영영역을 구비하도록 투명탄성체의 부분영역을 촬영하여 부분화상을 취득하는 단계와, 그 중복 촬영영역 내의 동일 마커가 일치하도록 각 촬영장치로 취득된 부분화상을 통합하는 단계로 이루어진다.

촉각부의 구성으로는, 바람직하기로는 촉각부는 투명탄성체와 그 투명탄성체 내에 설치된 복수의 마커군으로 구성되며, 각 마커군은 각기 다수의 유색마커로 구성되고, 상이한 마커군을 구성하는 마커는 매 군마다 서로 다른 색을 구비하며, 탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 그 유색마커의 거동을 촬영수단으로 촬영하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 센싱용의 마커를 이용하여 각 촬영수단의 캘리브레이션을 수행하는 것을 포함한다. 본 발명은 복수의 촬영장치를 갖는 것으로서, 촬영수단의 캘리브레이션이 필요하게 되는바, 본 발명은 필수 구성요소로서 센싱용의 마커를 구비하고, 그 마커를 캘리브레이션용의 마커로 겸용하는 것이 가능하다. 또한 본 발명에는 이러한 광학식 촉각센서를 이용한 힘벡터 재구성법도 포함한다. 힘벡터 산출에 기여도가 낮은 마커의 거동에 관한 정보를 생략하여 힘벡터를 산출함으로서 힘벡터의 계산시간을 단축시킨다.

[발명의 효과]

본 발명은 복수의 촬영수단을 이용하여 마커 거동에 관한 정보를 취득하도록 한 것으로, 촉각부의 면적이 큰 경우에도 양호하게 대응하는 것이 가능하다. 그런데, 본 발명에 속한 센서를 이용함으로써, 대면적 힘벡터 분포계측이 가능하게 되어 얻어진 마커정보로부터 큰 면적을 갖는 촉각면에 가해진 힘을 구하는 것이 가능하게 된다. 한편, 각 촬영수단에 의해 취득된 화상정보의 통합 및 각 촬영수단의 캘리브레이션에 센싱용의 마커를 이용하는 것이 가능하여 보다 적은 구성요소로 센서를 구성할 수가 있다.

[발명을 실시하기 위한 가장 바람직한 실시예]

[A]광학식 촉각센서의 기본구성

본 발명에 따른 광학식 촉각센서는, 촉각부와 촬영수단을 구비하고, 촉각부는 투명탄성체와 그 투명탄성체 내에 설치된 복수의 마커군으로 구성되며, 각 마커군은 각기 다수의 유색마커로 구성되고, 서로 다른 마커를 구성하는 마커는 매 군마다 서로 다른 색을 구비하며, 상기 탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 유색마커의 거동을 촬영수단으로 촬영하여 마커화상을 취득하고, 그 마커화상으로부터 얻어지는 마커의 거동에 관한 정보를 이용하여 촉각면에 가해진 힘을 구하도록 구성되어 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 일예로는 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 인식할 수 없도록 하는 배치상태로 마커를 투명탄성체에 매설하여 놓고, 투명탄성체에 물체가 접촉한 때에 각 마커 존재위치 주변에서의 왜곡에 의해 생기는 마커의 변위, 변형, 기울기에 대응하여 마커가 인식되도록 구성하고, 유색마커의 겉보기 등으로부터 정보를 검출한다. 또는 다른 바람직한 실시 형태로서, 마커(예를 들면, 계단상의 띠형상 마커의 경우)의 거동은 마커의 휘도변화로 취득된다.

광학식 촉각센서에는, 촬영수단으로 취득된 마커의 거동에 관한 정보(예를 들면, 접촉면에 물체가 접촉한 때의 각 마커의 이동정보로 되는 이동벡터)로부터 접촉면에 가해진 힘벡터 내지 힘벡터의 분포를 재구성하기 위한 전달함수가 저장된다. 전달함수는 접촉면에 가해진 힘 정보와 마커의 거동에 관한 정보(예를 들면, 이동벡터)를 관련짓는 함수이다. 탄성체의 접촉면에 물체가 접촉한 때에 그 유색마커를 촬영하여 마커화상을 취득하고, 그러한 마커화상으로부터 마커의 거동에 관한 정보를 취득하여 취득한 정보를 전달함수에 입력함으로서 힘벡터를 출력하여 구하게 된다. 전달함수로 입력되는 마커의 거동에 관한 정보의 수는 구하려는 힘벡터의 수보다도 많다.

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 촉각면상에 배치된 센서점에 x방향, y방향, z방향의 소정 힘이 가해진 때의 마커 거동에 관한 정보(예를 들면 이동벡터)로부터 구해진다.

도3은 본 발명에 따른 광학식 촉각센서 장치의 원리도로서, 센서장치는 투광성 탄성부재로 이루어지는 투명탄성체(1)를 구비하며, 투명탄성체(1)는 곡면상의 접촉면(센서면)(2)을 구비하고 있다. 투명탄성체((1)에는 접촉면(2)에 근접하여 그 곡면을 따라 다수의 유색마커(3,4)가 매설되며, 투명탄성체(1)와 유색마커로 촉각센서부를 구성하고 있다.

유색마커는 두개의 유색마커군으로 구성되며, 두개의 마커군은 접촉면(2)으로부터 서로 다른 깊이에 각각 매설되어 있다. 일측의 마커군을 구성하는 유색마커(3)와 타측의 마커군을 구성하는 유색마커(4)는 서로 다른 색(예를 들면 한 쪽은 적색이고, 다른 쪽은 청색)을 구비하고 있다.

투명탄성체(1)의 접촉면(2)에 물체(5)가 접촉하면, 투명탄성체(1) 내부에 설치된 유색마커(3,4)가 변위 또는 왜곡이 일어나도록 구성되어 있다. 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 반대쪽[접촉면(2)으로부터 이격된 쪽)에 위치하도록 구성되어 마커(3,4)이 변위, 왜곡을 카메라(6)로 촬영하도록 구성되어 있다. 광원(7)은 도파관(광파이버)를 이용하여 전달하는 것이 바람직하다. 촬영수단에 의해 취득된 마커(3,4)의 화상이 컴퓨터(8)로 송신되어 마커화상이 컴퓨터(8)의 표시부에 표시되어 마커화상으로부터의 마커거동(변위, 왜곡, 기울기)에 관한 마커정보(예를 들면, 이동정보의 하나로 되는 이동벡터)가 컴퓨터(8)의 연산부에 의해서 계측된다. 컴퓨터(8)의 기억부에는 상기의 전달함수가 저장되어 연산부에 의해 전달함수 및 마커정보(예를 들면 이동정보)를 이용하여 물체(5)로부터 접촉면(2)에 작용한 힘분포를 재구축한다.

촬영수단으로서의 카메라는 디지탈식 카메라, 즉 화상데이타를 전기신호로서 출력하는 카메라로서, 바람직한 일 예로는 CCD카메라가 바람직하다. 마커는 바람직하게는 탄성부재로 형성되며, 더욱 바람직하기로는 투명탄성체(1)와 동일한 재료로 구성되는 바, 바람직한 일실시예로 실리콘 고무에 색소가 첨가되어 이루어진다. 마커에 의해서 탄성체 본체의 변형이 저해되어서는 않되기 때문에 마커도 탄성부재(바람직하기로는 탄성체와 동등한 탄성계수를 갖는 것)로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 마커는 탄성체 본체의 변형을 저해하지 않을 정도로 충분히 미세한 것이라면 마커 재질은 특별히 한정되지 않는다. 또한 탄성체의 일부분이 마커를 구성하도록 할 수도 있다.

본 발명에서는 투명탄성체(1) 중에 광학적인 마커를 다수 분포시켜서 탄성체(1)에 물체가 접촉하는 것에 의한 탄성체(1)의 변형에 의해서 그 마커에 변위, 왜곡 및 기울어짐이 발생하는 상황을 카메라로 촬영하는 것에 의해서, 접촉대상의 정보나 접촉에 의해서 초래된 탄성체 내부의 변위, 왜곡 정보를 검출한다. 도3에서는 2개의 마커군을 표시하고 있으나, 마커군의 수는 한정되지 않고, 예를 들면 촉각면(2)을 따라 3층상으로 3개의 마커군을 배치하는 것도 가능하다.

촬영수단으로서는, 디지탈식 카메라, 즉 화상데이타를 전기신호로 해서 출력하는 카메라로서 바람직한 일예로는 CCD 카메라가 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.)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 마커 만을 포착한다. 이를 시분할로 적색, 청색에 대해서도 수행하면 (1)과 동등한 정보가 얻어지게 된다.]방법의 두 가지가 있다.

[B] 환경형 촉각센서의 구성

본 발명에 따른 환경형 촉각센서의 실시예를 설명한다. 환경형 촉각센서는 복수의 센서유닛으로 구성되어 있다. 도4의 좌측에 도시된 바와 같이, 센서유닛은 하나의 소면적 촉각부(10)와 소면적 촉각부(10)를 촬영하는 촬영수단으로 되는 한 개의 CCD카메라(6)로 구성되어 있다. 소면적 촉각부(10)는 상기의 기본 구성으로 설명한 바와 같이, 투명탄성체와 투명탄성체 내부에 설치된 유색마커로 구성되며, 투명탄성체의 촉각면에 물체가 접촉하면 투명탄성체의 내부에 설치된 유색마커가 이동하고, 유색마커의 이동을 CCD카메라(6)로 촬영하도록 구성되어 있다. 그리고, 도4의 우측에 도시된 바와 같이, 복수의 센서유닛을 조합하여 센서면의 대면적화를 도모하게 된다. 소면적 촉각부(10)를 서로 동일한 면을 형성하도록 촉각부의 주연부끼리 맞닿게 해서 펼쳐지도록 함으로서 대면적 촉각부(100)를 형성한다. 도시된 바의 형태에서, 소면적 촉각부(10)는 평면도상에서 장방형의 형상을 취하고 있다. 소면적 촉각부의 형상은 장방형으로 한정되지는 않으며, 복수의 소면적 촉각부를 맞대어 잇는 경우에는 장방형 촉각부가 유리하다. 또한, 도시된 바에 따르면, 평면상의 촉각부(10)를 구비한 소면적 촉각부가 나타나 있으나, 촉각면(10)은 평면으로 한정되지는 않고 자유곡면으로 되는 촉각면으로도 가능하다.

복수의 CCD카메라를 이용함으로서, 각각의 카메라에 의해서 취득된 화상정보를 통합할 필요가 있다. 도5는 복수 대의 카메라 화상의 통합에 대하여 설명하는 도면이다. 이와 같은 화상은, 예를 들면 컴퓨터(8)의 화상에 표시된다. 먼저, 복수 대의 카메라(6)에 의해 각 촬영영역이 부분적으로 중첩되도록 소면적 촉각부(10)의 화상을 각각 취득한다. 이어서, 중복 촬영영역(11) 중의 마커가 서로 일치하도록 각 카메라 화상을 합성하는 것으로 화상정보의 통합을 행한다. 도5에서, 흑점은 청색마커이고, 백점은 적색마커로서 카메라(1)의 촬영영역과 카메라(2)의 촬영영역은 중복 촬영영역(11)을 구비하고 있다. 카메라(1)의 촬영영역에서의 중복 촬영영역(11)에 대응하는 영역에 포함되는 청색마커 및 적색마커와, 카메라(2)의 촬영영역에서의 중복 촬영영역(11)에 대응하는 영역에 포함되는 청색마커 및 적색마커를 일치시키도록 하여 카메라(1)에 의해 촬영된 부분화상과 카메라(2)에 의해 촬영된 부분화상을 합성한다. 여기서는 구상마커에 기초하여 설명하고 있으나, 후술하는 다른 형상의 마커를 이용하여도 동일한 화상을 통합하는 것이 가능하다.

도4에 도시된 4대의 CCD카메라로 촬영한 화상이 도6에 도시되어 있다. 각 CCD카메라로 취득된 촬영영역을 각각 A, B, C, D라 하면, 영역A와 영역B, 영역A와 영역C, 영역B와 영역D, 영역C와 영역D 각각에서 중복 촬영영역(11)이 형성되어서 각 촬영영역 A, B, C, D를 통합한다. 한편, 도6에서는 마커는 생략되어 있다. 각 카메라는 카메라 마다에 미리 정해진 영역에서의 마커 거동을 촬영하도록 구성되어 있고, 그와 같이 정해진 영역은 서로 충복되는 영역을 구비하고 있다. 일예로, 각 카메라는 각 카메라에 의해 취득된 각각의 소벙 부분영역의 화상을 통합하는 것으로, 투명탄성체 전체의 화상을 취득할 수 있도록 구성된다.

복수 대의 촬영수단(CCD카메라)를 이용하는 경우, 카메라의 캘리브레이션에 대하여 설명한다. 카메라 캘리브레이션은 일반적으로 얻어진 화상에 초래되는 렌즈에 의한 왜곡의 보정과 세계좌표계에서 카메라의 위치와 방향을 구하기 위해서 행한다. 렌즈의 왜곡은 광각 렌즈를 이용한 경우에는 당연히 발생하는 것으로서, 카메라의 위치·방향은 화상정보를 이용하여 결정하는 것이 가장 정확하다. 본 촉각센서에서는 화상정보와 실제의 위치와의 관계를 구하는 것이 필요한 것으로 되어, 카메라 캘리브레이션을 수행할 필요가 있다. 통상적으로 복수 대의 카메라를 이용한 계측계에서는 다음과 같은 순서를 밟을 필요가 있다. 우선 세계좌표계에 대해서 이미 알고 있는 위치로 간격을 분할하고 있는 원고지 모양이나 흑백의 타일상 모양을 배치하고, 그것을 촬영한다. 다음, 그 촬영화상을 이용하여 렌즈 왜곡이 없는 경우에 촬영되어 질 화상과의 어긋남을 계산해서 렌즈왜곡과 카메라 위치·방향을 구한다. 여기서, 동일하게 복수 대의 카메라를 이용하여 환경형 촉각센서에서는, 상기의 「이미 알고 있는 위치로 간격을 분할하고 있는 원고지 모양이나 흑백의 타일상 모양」은 이미 센싱용의 유색마커로서 배치되어 화상으로 취득이 가능한 상태로 되어 있다. 따라서 본래 계측계를 구축하기 전에 수행하지 않으면 안되는 카메라 캘리브레이션을 계측계를 구축한 후 언제라도 수행하는 것이 가능하게 된다.

[C]촉각면에 가해진 힘 분포의 재구성법

광학식 촉각센서에 의해 얻어진 마커의 거동에 관한 정보(예를 들면, 마커 이동정보의 하나로 되는 이동벡터)로부터 접촉면에 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 도7 및 도8를 참조해서 마커의 이동벡터로부터 힘벡터 분포를 구하는 방법에 기초하여 설명하면 아래와 같다. 도7과 도8에서 도7은 평면상 촉각면이고, 도8은 자유곡면상 접촉면을 표시하고 있는 점을 제외하고는 실질적으로 동일한 내용이다. 여기서는 단순화하기 위해서 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(도7 및 도8에서는 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, 점1에서이 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 단위힘이 가해진 때에 관찰되는 각 마커의 이동벡터를 Mz(1), 점2에서 x방향 단위힘이 가해진 때에 관찰되는 각 마커의 이동벡터를 Mx(2) 등, 이하 동일한 방식으로 정해진다. 선형탄성체(가해진 힘분포와 변위 사이에 선형가산함수가 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)]이부여된 때에 발생되는 이동벡터x는 다음과 같이 표기된다.

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

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.

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.

전달함수에 의해서 정해진 행열의 역행열을 사용하는 것으로 미지수를 정하는 경우, 미지수의 개수를 관측된 데이타의 개수가 상회하거나 동일한 수로 될 필요가 있다. 이같은 문제를 해결하기 위해 색분리된 2층 마커군을 사용하고, 2층의 마커군의 각 마커의 이동을 취하는 것에 의해 독립된 관측 데이타수를 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 노이즈에 대해서 한층 세심한 추정을 행하는 것이 가능한 것으로 고려된다. 이상과 같은 알고리즘을 이용하여 CCD화상으로부터 힘벡터를 추정한다. 다른 마커를 이용한 여타의 추정방식에서도 관측되는 데이타가 다를 뿐으로, 색분리라고 하는 과정에 의해서 미지수의 수보다도 많은 독립된 관측치(마커의 거동에 관한 정보)를 수집하여, 역문제를 안정적으로 해결하는 것에 의해서 힘벡터를 추정하는 점은 동일하다.

[D] 힘벡터 분포의 재구성에 사용하는 전달함수

이어서, 전달함수(행열 H)를 구하기 위한 방법을 설명한다. 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 수식의 형으로 발견되고 있는 것은, 표면응력을 f(x1), 내부변위를 m(x2,y2)로 하는 경우에, m(x2,y2)=G(F(x1),x2,y2)라 하는 형으로 내부변위를 표면응력으로부터 구하는 함수G가 발견되고 있는 것으로 된다. 이때, 예컨대 도4, 도5에서 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.

탄성체 형상에 따라, 탄성체 형상을 반 무한대 탄성체로 가정하는 것에 의해 상기와 같은 수식을 이용하여 H행열을 취득가능하다. 그러나 예를 들면 반구와 같은 자유곡면에 대하여 동일하게 반 무한대 탄성체의 식을 적용하는 것은 곤란하게 된다. 따라서, 어떠한 특별한 수단으로 표면응력과 내부변위를 연관시킬 필요가 있다.

이를 위해서 제안하는 제1 방법, 수치 시뮬레이션으로 표면응력과 내부변위를 연관시키는 방법이다. 제안하는 센서로 적용하는 경우에는, 우선 표면을 메쉬로 구획하고, 각 메쉬에 단위응력(x방향, y방향, z방향)이 가해진 때의 마커 이동량을 시뮬레이션하여 계산한다.

제2 방법은 실제로 힘을 가하는 것이다. 자유곡면을 갖는 탄성체의 접촉면에 이미 알고 있는 힘 F1, F2, F3, F4 … Fm을 가한다. 가해진 각각의 힘에 대한 마커의 이동벡터 M1, M2, M3, M4 … Mn을 계측하여 이를 보존한다. F1은 F1x, F2y, 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. 이하, 구체적으로 설명한다.

탄성표면체((접촉면)상에 다수의 샘플점을 분산해서 배치한다. 바람직하기로는, 샘플점은 접촉면의 전영역을 커버하도록 배치된다. 일 실시예로는, 접촉면상에 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.

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.

이와 같이 해서, 탄성체 이론에 근거하여 수식, 시뮬레이션 또는 실측에 의해 힘정보F와 마커의 거동에 관한 정보(예를 들면, 이동정보)M를 결부시키는 전달함수로 특정한 행열H을 작성한다. 광학식 촉매센서는 기억수단, 연산처리수단을 구비하여, 미리 작성된 행열H은 기억수단에 저장되어 진다. 투명탄성체의 접촉면에 물체가 접촉하여 접촉면에 임의의 화상으로부터 연산처리수단에 의해 마커이동벡터를 계측한다. 계측된 마커이동벡터를 행열H로 입력하여 연산처리수단으로 계산하는 것으로, 탄성체의 접촉면에 작용한 힘벡터 분포가 출력된다.

[E]계산시간 단축법

여기서, 행열H의 요소 수가 커지게 되면, 이동정보로부터 힘분포를 계산하는 시간이 길어지게 된다. 이는 어떠한 점에 가해진 힘을 구하는 경우에, 전체의 마커 이동정보를 이용하는 데서 기인한다. 실제로 상기의 알고리즘을 적용하는 경우, H행열이 거대해져서 (식1)의 행열연산에 시간이 걸린다. 일예를 들면, 메쉬가 100x100인 경우, 관측점이 10,000점으로 되기 때문에 H행열은 10,000 x 10,000이라고 하는 거대한 행열로 된다. 일반적으로, 센서면을 NxN으로 구획한 경우, 관측점이 N의 2승개로 되기 때문에 H행열의 크기는 N의 2승×N의 2승으로 된다. 이와 같이 되면, (식1)의 행열연산에는 N의 4승의 시간이 걸리는 것으로 된다. 이는 본 발명에 따른 환경형 촉각센서(대면적 촉각부를 갖는 경우가 많을 것으로 고려된다.)에서는 현저하게 드러난다. 따라서, 계산시간을 단축하기 위한 방법이 필요하게 된다.

제안하는 방법은, H행열의 일부를 잘라내어 이용하는 것이다. 상기한 바와 같이, H행열에는 모든 격자점에 가해지는 힘과 모든 마커의 이동과의 대응관계가 기술되고 있다. 그러나, 현실적인 문제점으로서, 예컨대 힘이 해지는 점과 마커와의 거리가 충분히 떨어져 있으면 영향을 무시하는 것이 가능하다. 그렇다면 도4, 도5에서, f(1)을 계산함에 있어서는 1∼2번째의 마커만의 이동량을 사용하면 된다고 가정하는 것에 의해 행열의 크기를 적게하는 것이 가능하다. 이러한 예에 관한 새로운 행열은 아래와 같이 된다.

원래의 (식1) f=inv(H)*x는 수학식2과 같이 된다.

상기 식은 거리가 떨어진 지점의 기여를 무시하는 것에 의해서 수학식4와 같이 된다.

0은 위치한 지점이 무시되어야 할 거리만큼 떨어진 점이다. 이 부분은 계산할 필요가 없기 때문에, 고속으로 계산하는 것이 가능하다. 이러한 고속화는 상기와 같이 격자 크기 N가 크게 되는 만큼 가속도적으로 효과를 발휘한다.

이는 힘벡터를 구하고자 하는 장소를 포함하는 면적을 따로 떼어내어 사용하는 것과 유사하다.(도10) 도면에서는, 접촉면 전체의 2차원 화상에 있어서, 힘벡터 분포를 구하고자 하는 장소의 부근영역을 설정하고 있다. 여기서 힘벡터를 구하고자 하는 장소의 부근영역을 설정하는 경우에, 반드시 부근영역은 2차원 화상에서의 거리 만에 근거하여 판단되는 것은 아니다. 즉, 힘이 가해지는 점과 마커와의 거리는 공간적인 거리로서, 마커군이 탄성체 내에 적층되어 있는 경우에는, 마커가 설치된 깊이를 고려한 편이 바람직한 경우로도 된다.

촉각면이 자유곡면인 경우에는, 거리가 떨어진 장소의 기여가 적다고 일률적으로 단언할 수는 없다. 이에 따라 계산시간을 단축하는 다른 방법을 제안한다. 우선 실측 또는 시뮬레이션에 의해 전달함수(역행열)을 구한다. 이와 같은 전달함수의 작성법은 앞서 설명되었다. 예를 들면, 실측치를 기초로 하여 전달함수의 행열 요소를 발견한 때에 행열의 어느 요소가 0에 근접하면 해당 요소와 적산되는 마커는, 어느 힘벡터를 구하는 데에 무시하여도 무방한 마커로 고려되어 진다. 전달함수로 행열의 어느 요소가 0에 가까운 부분을 자동적으로 계산하는 것을 생략하고 힘벡터를 계산하는 것이 가능하다. 예를 들면, 힘벡터의 재구성에서 무시가능한 정도의 지표를 보이는 임계치를 행열요소에 대하여 설정하고, 그 임계치보다 적은 값을 갖는 행열요소의 값을 0으로 한다.

이어서 계산 단축화 방법에 대하여 설명한다. 화상의 어느 영역을 분리해 낸다고 하는 점에 대해서는, 상기의 계산시간 단축법과 동일하다. 상기의 방법에서는 분리 영역이 있고, 그 내부의 정보에 대해서만 다루었음에 비하여, 개량된 방법에서는 분리영역 외에도 계산하는 힘의 샘플링 점을 고려한다. 마커의 이동에 관해서는 어디까지나 분리영역 내의 정보만을 취급한다. 이는 상기의 영역 외부로부터의 힘의 영향을 고려하여 주기 위한 샘플점으로 된다. 즉, 분리영역 내에 있어서의 마커의 이동은 분리영역 외부에 가해지는 힘의 영향을 어느 정도 받고 있다고 여겨지기 때문에 분리영역 내에서의 마커의 이동정보에 따라서 힘벡터의 재구성시에 있어서 분리영역 내로 작용하고 있는 힘만이 아니라 분리영역 외부에 작용하고 있는 힘을 다시 산출하는 것으로 분리영역 밖에 작용한 힘을 고려한 상태로 분리영역 내에 작용한 힘을 재구축하는 것이다.

또한 영역 외의 힘의 샘플점은 분리영역으로부터 멀어짐에 따라 드물게 되도록 설정한다. 이는 영역으로부터 멀어지면 멀어진 만큼 영향은 경미하게 되기 때문에 소수의 샘플링 점으로 대표되도록 하여도 무방한 것으로 고려되기 때문이다. 도11에 도시된 바에 따라 설명하면, 5×5점의 샘플링 점에 대응하는 소영역을 촉각부의 화상으로 설정한다. 소영역 내에 샘플링점을 조밀하게 배치한다. 소영역 외부로도 힘의 샘플링점을 배치한다. 소영역 외의 힘의 샘플링점은 소영역으로부터 멀어짐에 따라 드물게 배치한다. 도시된 바와 같이, 소영역에 인접하는 부위에서는 소영역 내부와 동일한 밀도로 샘플링점을 조밀하게 배치하고, 그 소영역으로부터 멀어짐에 따라 샘플링점을 성기게 배치하도록 되어 있다.

그리고 소영역 내부에서의 마커의 이동정보를 이용하여 소영역 내외로 배치된 샘플링점에서의 힘벡터를 계산한다. 계산된 힘벡터 중에서 소영역 내부에 있는 힘벡터의 적어도 일부의 결과만을 최종적인 계산결과로 채택해서 보존한다. 도11의 경우에서는, 5×5의 소영역에서 3×3의 힘샘플링점에 관한 힘벡터를 최종적인 계산결과로 보존한다. 소영역 외부의 샘플링점 및 소영역 내에서 채택되지 않은 샘플링점의 힘벡터는 제거한다. 이어서, 분리된 소영역을 겹치지 않게 순차적으로 취하여 힘벡터를 취득함으로서 센서의 계측영역 전체에 걸쳐서 힘벡터 분포를 취득한다. 도9에서는 소영역의 일부 샘플링 점에서의 힘벡터를 채용하고 있는 바, 소영역 내의 전체 샘플링점에서 힘벡터를 채용할 수도 있다. 또한, 도9에서는 소영역의 일부의 복수 샘플링점에서 힘벡터를 채용하고 있는 바, 소영역 내의 하나의 샘플링점에서의 힘벡터만을 채용하여도 된다. 도11에서는 5×5점의 소영역을 보여주고 있으나, 분리 소영역의 크기는 특별히 한정되지 않는다. 이와 같이 개량된 방법에 의하면, 상기의 계산시간 단축법에 비교하여 결과적으로 계산량이 증가하기는 하나, 고속화 방법 적용 전에 비교해 볼 때 계산시간이 상당히 단축된다.

개량된 방법에 대하여, 도12 내지 도15를 참조하여 설명한다. 도12에는 개량방법의 설명 편의를 위하여 도7, 도8에 도시된 것에 비교하여 마커점 수를 증가시킨 것이다. 마커점 수를 증가시킴에 의해 대응하는 수식 중의 요소 수가 증가하게 되므로 도13에서는 어느 한 점의 힘에 대한 마커 n의 x, z방향으로만 표기한다. 수학식3에서 행열 inv(H)의 요소 Imx(1,1), Imx(2,1), Imx(3,1), Imx(4,1), Imz(1,2), Imz(2,2), Imz(3,2), Imz(4,2)에 대응하는 부분만을 추출하여 마커점 수를 증가시키는 것과 등가로 된다.

개량 전의 고속화 방법은 구하고자 하는 힘이 가해지는 점 근방에 존재하는 마커의 이동정보만을 이용하는 것으로서, 도14에서와 같이 m₁₀ ∼m₁₄ 의 마커 이동정보만을 이용하는 것이다. 이에 대하여, 개량 후의 고속화 방법을 도면으로 표현하면 도13과 같다. 즉, 힘의 샘플링점으로서, F₈만으로 되지 않고, F₂,F₅,F₉,F₁₁,F₁₄를 배치한다. 그리고 계산된 힘벡터에 있어서 F_x8, F_z8에 관한 힘벡터 만을 채용한다.

[F] 마커군의 다른 실시예

광학식 센서의 촉각부는, 바람직한 예로서 투명탄성체로는 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 구비하고, 있다. 이와 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 등이 거론되어 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 도16 내지 도19에 도시된 바에 따라 설명한다. 이러한 마커의 상세한 구성에 대해서는 국제공개공보 WO 02/18893A1의 기재를 참조하는 것이 가능하다. 또한 마커의 형상이나 배치 형태는 도시된 것 또는 상기 국제공개공보에 기재된 것에 한정되지는 않는다.

도16에는 미소 단면을 갖는 극세원통체(極細圓筒體) 또는 극세원주체(極細圓柱體)로 이루어진 색마커가 도시되고 있다. 투명탄성체(1)의 두께 내부에는 촉각면(2)으로부터 상이한 깊이에 다수의 청색마커(30)를 수직으로 배치하여 구성한 청색마커군과, 다수의 적색마커(40)를 수직으로 배열하여 구성한 적색마커군이 각각 촉각부(2)를 따라서 촉각면(2)으로부터 상이한 깊이로 적층상으로 배치되어 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.

도17의 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 형성하는 바, 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. 도17의 윗쪽에는 2색의 띠상 면마커를 도시하고 있는 바, 3색을 갖는 면마커를 사용할 수도 있다. 도17의 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.

도18에는 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. 도면에서 띠상마커의 면부는 관측방향을 따라서 연장되어 있는 바, 그 띠상마커의 면부는 관측방향에 대하여 경사지게 연장되어도 무방하다.

도19는 복수의 평면마커를 갖는 촉각부를 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 광법위하게 적용이 가능하며, 특히 의자의 좌판부에 센서를 설치하여 앉아있는 착석자의 둔부에 가해지는 압력분포의 계측하거나, 베드에 센서를 설치하여 누워있는 사람의 압력분포를 계측하거나, 바닥면에 센서를 설치하여 보행계측이나 중심동요계측 등에 유용하게 이용될 수 있다.

[도면의 간단한 설명]

도1은 촉각센서와 접촉대상 사이에 발생하는 힘벡터 분포를 보인 것이다.

도2는 광학식 촉각센서의 원리도이다. 윗쪽은 투명탄성체의 평면도(CCD 화상)이고, 아랫쪽은 투명탄성체의 측면도이다. 투명탄성체로는 2종류의 마커군이 매설되어 있다. 투명탄성체의 아랫쪽으로부터 힘이 작용하면 마커는 좌측 도면으로부터 우측 도면과 같이 이동한다.

도3은 본 발명에 다른 광학식 촉각센서에 대한 개략도이다.

도4는 센서면의 대면적화를 설명하는 개략도이다. 좌측은 CCD카메라 1대와 탄성체부로 구성된 1유닛을 나타낸다. 우측은 1유닛을 연결하여 대면적화를 행한 것을 보여주고 있다.

도5는 복수의 촬영수단에 의해서 취득한 화상정보의 통합방법을 보인 것이다.

도6은 도4에 도시된 센서에 의해 취득된 화상정보의 개략도이다.

도7은 접촉표면(평면)에 걸리는 힘벡터와 마커의 이동에 대한 설명도이다.

도8은 접촉표면(자유곡면)에 걸리는 힘벡터와 마커의 이동에 대한 설명도이다.

도9는 힘벡터 분포의 재구성에 이용되는 전달함수의 작성법에 대한 설명도이다.

도10은 통합된 복수 대의 카메라에 의해 촬영된 화상으로서, 힘벡터 재구축의 계산시간 단축법에 대한 설명도이다. 어느 점에 가해지는 힘을 구하는 경우, 그 근방영역에 있는 마커의 이동정보만을 이용하여 힘을 계산한다.

도11은 계산단축법에서 개량방법의 개념도이다. 도면에서 흑점 및 백점은 힘의 샘플링점을 표시하며, 흑점은 계산 후 이용하는 계산결과를 표시한다.

도12는 마커점 수를 증가시킨 것을 나타내는 도면이다.

도13은 마커점 수를 증가시킨 것을 나타내는 도면으로서, 어느 한 점에 대한 마커의 이동에 주목한 것이다.

도14는 도13에 의거하여 도10에 도시된 고속화 방법을 설명하는 도면이다.

도15는 도13에 의거하여 개량된 방법을 설명하는 도면이다.

도16은 마커의 다른 실시예(원주상 마커)를 도시하고 있다.

도17은 마커의 다른 실시예에 대한 것으로, 윗쪽은 계단상의 띠상마커이고, 아랫쪽은 피라미드 형상의 마커를 보인 것이다.

도18은 마커의 다른 실시예(교차상 띠편마커)를 보인 것이다.

도19는 마커의 다른 실시예(색 구분된 평면마커)를 보인 것이다.

[부호의 설명]

1. 투명탄성체

2. 촉각면(접촉면)

3. 마커

4.마커

5. 물체

6. 촬영수단

7. 광원

8. 컴퓨터

10. 소면적 촉각부

100. 대면적 촉각부

11. 중복 촬영영역

Claims (17)

1. 투명탄성체와 그 투명탄성체 내부에 설치된 복수의 마커로 구성된 촉각부와, 상기 투명탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 마커의 거동을 촬영하여 마커화상을 취득하는 촬영수단을 갖는 광학식 촉각센서에 있어서,

   상기 촬영수단은 복수의 촬영장치로 구성됨과 아울러 복수의 촬영장치의 각 촬영장치는 각 촬영장치에 의해 취득되는 각 촬영영역이 부분적으로 중복되는 중복 촬영영역을 구비하도록 설정하고,

   광학식 촉각센서는,

   상기 복수의 촬영장치에 의해 취득된 각 마커화상을 통합하는 화상통합수단을 구비하며,

   상기 화상통합수단은, 중복 촬영영역에서의 동일한 마커를 일치시키도록 각 각 촬영영역을 통합하여 통합화상을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 광학식 촉각센서는 각 촬영장치에 의해 취득된 화상을 표시하는 화상표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항 있어서, 상기 촉각부는 복수의 소면적 촉각부를 조합시켜 구성된 대면적 촉각부로 이루어짐을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
4. 제3항에 있어서, 촉각센서는 한 개의 소면적 촉각부와 그 소면적 촉각부에 대응하는 한 개의 촬영수단으로 되는 유닛을 구비하고, 그 유닛을 복수개 조합시킨 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉각부는 투명탄성체와 투명탄성체 내부에 설치된 복수의 마커군으로 구성되며, 각 마커군은 각각 다수의 유색마커로 구성되고, 서로 다른 마커군을 구성하는 마커는 매 군마다 서로 상이한 색을 구비하며, 그 탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 유색마커 거동을 촬영수단으로 촬영하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서.
6. 투명탄성체와 그 투명탄성체 내부에 설치된 복수의 마커로 구성된 촉각부와, 투명탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 마커 거동을 촬영하여 마커화상을 취득하는 촬영수단을 갖는 광학식 촉각센서를 이용한 마커화상의 취득방법으로서,

   상기 마커화상취득 방법은,

   촬영수단으로서 복수의 촬영장치를 설치하고, 복수의 촬영장치의 각 촬영장치에 의해 각 촬영장치가 중복 촬영영역을 갖도록 투명탄성체의 부분영역을 촬영하여 부분 마커화상을 취득하는 단계와,

   중복 촬영영역 내의 동일 마커가 일치하도록 각 촬영수단으로 취득된 부분 마커화상을 통합하여 통합 마커화상을 생성하는 단계,

   를 갖는 광학식 촉각센서를 이용한 마커정보 취득방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 촉각부는 투명탄성체와 투명탄성체 내부에 설치된 복수의 마커군으로 구성되며, 각 마커군은 각각 다수의 유색마커로 구성되며, 상이한 마커군을 구성하는 마커는 매 군마다 서로 상이한 색을 구비하고, 탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 유색마커 거동을 촬영수단으로 촬영하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서를 이용한 마커정보 취득방법.
8. 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마커를 이용하여 각 촬영장치의 캘리브레이션을 행하는 것을 특징으로 하는 광학식 촉각센서를 이용한 마커정보 취득방법.
9. 투명탄성체와 그 투명탄성체 내부에 설치된 복수의 마커로 구성된 촉각부와, 투명탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 마커 거동을 촬영하여 마커화상을 취득하는 복수의 촬영장치를 갖는 광학식 촉각센서에서의 마커화상 통합방법으로서,

   상기 화상통합방법은,

   복수의 촬영장치의 각 촬영장치에 의해 각 활상장치가 중복 촬영영역을 갖도록 투명탄성체의 부분영역을 촬영하여 부분화상을 취득하는 단계와,

   중복 촬영영역 내의 동일마커가 일치하도록 각 촬영장치로 취득된 부분화상을 통합하는 단계,

   를 구비하는 광학식 촉각센서를 이용한 화상통합 방법.
10. 청구항5에 기재된 광학식 촉각센서를 이용한 힘벡터 재구성 방법으로서,

    탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 유색마커 거동을 촬영하여 마커화상을 취득하는 단계와,

    상기 마커화상으로부터 구하려는 힘벡터이 갯수 보다도 많게 마커의 거동에 관한 정보를 취득하는 단계와,

    취득된 마커의 거동에 관한 정보를 전달함수로 입력하여 힘벡터를 출력해서 얻는 단계를 구비하고,

    힘벡터를 얻는 단계는 힘벡터의 산출에 기여도가 낮은 마커의 거동에 관한 정보를 생략하여 힘벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 힘벡터 재구성 방법.
11. 제10항에 있어서, 힘벡터를 얻는 단계는 힘벡터를 구하려는 위치 근방의 마커 거동에 관한 정보반을 이용하여 힘벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 힘벡터 재구성 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 힘벡터를 구하려는 위치는 하나 또는 복수의 샘플링점으로 구성되는 것을 특징으로 하는 힘벡터 재구성 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 힘벡터를 구하려는 위치의 주위에 복수의 힘 샘플링점을 배치하는 단계와,

    힘벡터를 구하려는 위치 근방의 마커거동에 관한 정보를 이용하여 힘벡터를 구하려는 위치 및 힘벡터를 구하려는 위치 주위의 복수의 힘 샘플링점에 작용한 힘벡터를 각각 산출하는 단계와,

    산출된 힘벡터에서, 그 힘벡터를 구하려는 위치로 작용한 힘벡터 만을 채용하는 단계,

    를 구비하는 것을 특징으로 하는 힘벡터 재구성 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 힘벡터를 구하려는 위치 주위의 샘플링점은, 힘벡터를 구하려는 위치에 있는 샘플링점으로부터 멀어짐에 따라 성기게 배치되는 것을 특징으로 하는 힘벡터 재구성 방법.
15. 제10항에 있어서, 힘벡터를 얻는 단계는, 전달함수를 구성하는 행열의 요소 중에서 0에 근접하는 요소를 생략하고 힘벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 힘벡터 재구성 방법.
16. 제5항에 기재된 광학식 촉각센서를 이용한 힘벡터 재구성법으로서,

    탄성체의 촉각면에 물체가 접촉한 때의 유색마커 거동을 촬영하여 마커화상을 취득하는 단계와,

    그 마커화상으로부터, 구하려는 힘벡터의 갯수 보다도 많은 마커 거동에 관한 정보를 취득하는 단계와,

    상기 마커화상으로부터 소정 크기의 소영역을 설정하여 그 소영역 내외로 복수의 힘벡터 샘플링점을 배치하는 단계와,

    상기 소영역 내의 마커정보를 전달함수로 부여하여 복수의 힘벡터 샘플링점에 작용한 힘벡터를 채용하는 단계,

    를 구비하는 것을 특징으로 하는 힘벡터 재구축 방법.
17. 제16항에 있어서, 샘플링점은 소영역 내에 밀집배치되고, 상기 소영역으로부터 멀어짐에 따라 성기게 배치한 것을 특징으로 하는 힘벡터 재구축 방법.