WO2019220942A1 - 光学式触覚センサ - Google Patents

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▲晋▼誠 許
アレクサンダー シュミッツ
ソフォン ソムロア
ティト プラドノ トモ
重樹 菅野
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Definitions

  • the present invention relates to an optical tactile sensor, and more particularly to an optical tactile sensor that can detect a minute change in external force with a relatively simple configuration.
  • a tactile sensor that detects the pressing force or shear force acting on the contact part And the like, and the operation control of the robot is performed based on the detection value of the touch sensor or the like.
  • an optical tactile sensor that calculates an external force based on the displacement of the marker by imaging a marker that is displaced by the addition of an external force with a camera is known.
  • this optical tactile sensor for example, as shown in Patent Document 1, a sensor surface to which an external force is applied by contact of a person or an object and translucency in which different types of markers are provided inside are provided.
  • the force distribution is calculated from the movement information of the marker for the marker in the marker layer facing the portion where the sheet layer becomes bright.
  • the present invention has been devised in order to solve such a problem.
  • the object of the present invention is to facilitate the downsizing of the entire sensor with a relatively simple configuration, and even with a small change in the applied external force. It is an object of the present invention to provide a high-performance optical tactile sensor that can detect the magnitude and distribution of an external force through simple calculation processing.
  • the present invention mainly includes a contact deformation part made of a light-shielding material that can be elastically deformed by the action of an external force, a light source that supplies light to a space formed inside the contact deformation part, A light detection unit that detects a change in the amount of light from the light source accompanying elastic deformation of the contact deformation unit, and an arithmetic processing unit that calculates an external force acting on the contact deformation unit based on a detection result of the light detection unit;
  • the contact deformation portion includes an inner cover that forms a first space in which the light detection portion is accommodated, and a light that is supplied from the light source outside the inner cover.
  • the outer cover is arranged so as to cover the inner cover with a gap of two spaces therebetween, and the inner cover can be elastically deformed integrally with the outer cover by an external force acting on the outer cover. And having a translucent part that transmits the light in the second space to the first space, and in the arithmetic processing unit, the translucent part when an external force acts on the contact deformation part The magnitude of the external force is obtained based on the change in the state of the amount of light accompanying the displacement.
  • the light supplied from the light source to the second space is transmitted to the first space where the light detection unit is disposed through the light transmission part partially formed on the inner cover, and the magnitude and direction of the external force. Accordingly, the translucent portion is displaced by elastic deformation of the inner cover. Thereby, before and after the action of the external force, the magnitude of the light amount in the light detection unit and the central portion change, and the magnitude of the external force can be calculated three-dimensionally based on these state changes. For this reason, it is not necessary to calculate the three-dimensional movement vector of each marker as compared with the conventional method of imaging the marker with a camera, and the translucent part is arranged two-dimensionally along a plane, with a simple calculation.
  • the size and distribution of the three-dimensional external force can be obtained, and the entire apparatus can be reduced in size and thickness. Furthermore, if the size of the translucent part is reduced and the light detection part can detect the amount of light for each fine detection area, the size and distribution of fine external force can be changed with a simpler structure without using a lens or the like. Can be detected with high accuracy.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of the sensor main body portion of FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an optical tactile sensor according to the present embodiment.
  • the optical tactile sensor 10 is connected to a substrate 11 on which a predetermined electronic circuit is printed, a sensing unit 12 which is placed on the substrate 11 and serves as a detection site for external force, and a sensing unit 12.
  • an arithmetic processing unit 13 that calculates the magnitude and distribution of the external force acting on the sensing unit 12 based on detection by the sensing unit 12.
  • the sensing unit 12 includes a contact deformation unit 14 made of a light-shielding material that can be elastically deformed by the action of an external force, a light source 15 that supplies light to the inside of the contact deformation unit 14, and a light source that accompanies elastic deformation of the contact deformation unit 14. 15 and a light detection unit 16 that detects a change in the amount of light from 15.
  • the contact deformation portion 14 includes a gap serving as an inner cover 18 that forms a first space S1 in which the light detection portion 16 is accommodated, and a second space S2 to which light from the light source 15 is supplied outside the inner cover 18. And an outer cover 19 arranged so as to cover the inner cover 18 in a state of being separated from each other.
  • the inner cover 18 is not particularly limited, the inner cover 18 has a shape of a hollow container having a rectangular shape in a plan view opened at the lower end side in FIG. 1 and has a light shielding property and is elastically deformable. Further, as shown in FIG. 2, a large number of holes 21 are partially formed in the top wall at the upper end in FIG. 1 of the inner cover 18 in a regular arrangement state having the same pitch in the vertical and horizontal directions. Has been. These holes 21 penetrate between the inside and outside of the inner cover 18 and are disposed relative to the light detection unit 16. For this reason, light from the second space S2 located outside the inner cover 18 is introduced into the first space S1 that is the inner space of the inner cover 18 through the hole 21, and the amount of the introduced light is changed to the first space.
  • the light detection unit 16 arranged in S1. Since the inner cover 18 is made of a light-shielding material, light transmission between the outer second space S2 and the inner first space S1 is performed only through the hole 21. As described above, the hole portion 21 constitutes a light transmitting portion that transmits the light in the second space S2 to the first space S1.
  • the translucent portion is not limited to the hole portion 21 of the present embodiment.
  • the light transmitting portion has a similar function such as partially forming the light-shielding inner cover 18 with a translucent material. As long as it plays, various aspects can be taken.
  • the outer cover 19, like the inner cover 18, is in the shape of a hollow container having a square shape in plan view with the lower end side in FIG. 1 open, and has light shielding properties and is elastically deformable. For this reason, the light from the light source 15 irradiated to the second space S ⁇ b> 2 between the inner cover 18 and the outer cover 19 does not leak outside the outer cover 19, but only through the hole 21 formed in the inner cover 18.
  • the light detection unit 16 is reached.
  • the inner cover 18 and the outer cover 19 are not shown in the drawing, a part of them is connected, and when an external force acts on the surface of the outer cover 19 that is a contact site where a person or an object can contact, the size of the inner cover 18 and the outer cover 19 increases.
  • the inner cover 18 can be elastically deformed integrally with the outer cover 19 in accordance with the sheath direction. For this reason, as shown in FIG. 3, the holes 21 can be displaced in the three orthogonal directions along with the elastic deformation of the inner cover 18 due to the action of the external force F on the outer cover 19.
  • the light source 15 is not particularly limited, and is configured by LED lights installed at a plurality of positions on the substrate 11 between the inner cover 18 and the outer cover 19, and between the inner cover 18 and the outer cover 19.
  • the second space S2 can be irradiated with light.
  • the light detection unit 16 is electrically connected to the substrate 11 and is not particularly limited, but is constituted by a C-MOS sensor. As will be described later, the light detection unit 16 generates an electrical signal in accordance with the received light amount in addition to other imaging elements such as a CCD as long as the light amount can be detected for each detection region within a predetermined range. It is also possible to apply general photoelectric conversion elements.
  • the arithmetic processing unit 13 is configured by a computer including an arithmetic processing device such as a CPU and a storage device such as a memory and a hard disk, and the three orthogonal axes that act on the contact deformation unit 14 based on the detection result of the light detection unit 16.
  • the external force in each direction is calculated. That is, the arithmetic processing unit 13 calculates the magnitude and distribution of the external force in each direction based on the change in the light amount detected by the light detection unit 16 before and after the external force is applied to the contact deformation unit 14.
  • the shear direction along the surface of the contact deformation portion 14 is the x-axis direction and the y-axis direction
  • the pressing direction orthogonal to the surface of the contact deformation portion 14 is the z-axis direction.
  • the arithmetic processing unit 13 includes a pressing force calculation unit 23 that calculates the magnitude of the pressing force that is an external force in the z-axis direction with respect to the contact deformation unit 14, and the x-axis direction with respect to the contact deformation unit 14. And a shear force calculation unit 24 that calculates a shear force that is an external force in the y-axis direction.
  • the pressing force is calculated by the pressing force calculator 23 and the shear force is calculated by the shear force calculator 24.
  • Each of these detection areas A q is assigned an area that can cover a range in which one opposing hole 21 is displaced, that is, the number of pixels, and each of the one opposing hole 21 passes through the corresponding hole 21.
  • the distribution of the amount of light accompanying the change in the state of the light to be detected can be detected for each detection region Aq .
  • 5 ⁇ 5 pixels are allocated to each of the 16 divided detection areas A 1 to A 16 . Then, the pressing force and the shearing force are obtained for each of the detection areas A 1 to A 16 , and the distribution of the external force that has acted on the contact deformation portion 14 is specified in units of the detection area A q .
  • the pixel located at the center is set as the origin, and the right side in the figure on the x axis is the right side.
  • the lower direction in the figure on the direction and the y-axis is the positive direction.
  • each pixel P (i in the same detection region A q with respect to a reference state where no external force is acting on the contact deformation unit 14. , J)
  • the pressing force is obtained based on the increase in the total sum of the light amounts S i, j detected.
  • the total sum SR q of the light amounts S i, j for 25 pixels is obtained in each of the 16 divided detection areas A 1 to A 16 .
  • a preset gain is obtained by subtracting a preset total light quantity SB q of the same detection region A q in the reference state from a total light quantity SR q after the action of an external force. by multiplying the C, quantity S i before and after external force action, on the basis of a change in j, the pressing force Fz q of each region a q is obtained.
  • the shearing force calculating unit 24 first, for each of the detection areas A q respectively, the detection area A each pixel constituting the q P (i, j) amount detected by the S i, with j, from the reference state The movement distances Dx and Dy in the x-axis direction and the y-axis direction of the central portion of the light are obtained, and the shear force in these directions is obtained according to the movement distances Dx and Dy.
  • each corresponding hole 21 is set to be opposed to the central pixel P (0, 0) serving as the origin, and the central pixel P ( 0,0) is the central portion of the light in the reference state.
  • the movement distance Dx in the x-axis direction is the distance from the coordinates in the x-axis direction, that is, the origin, to the detected light amount S i, j for each pixel P (i, j) in the detection region A q.
  • the sum of the values obtained by multiplying the distance i is obtained by dividing by the sum SR q of the light amounts S i, j at each pixel P (i, j) in the same detection area A q .
  • the movement distance Dy in the y-axis direction is obtained by setting the detected light amount S i, j to the coordinate in the y-axis direction, that is, the separation distance j from the origin, for each pixel P (i, j) in the detection area A q.
  • the sum of the multiplied values is obtained by dividing by the sum SR q of the light amounts S i, j at each pixel P (i, j) in the same detection area A q .
  • the moving distance Dx, for Dy in the detection areas A q is not limited to the calculation method described above, may be obtained using other techniques.
  • K 1 to K 5 and P 1 to P 5 are preset gains.
  • the pressing force of the external force acting on the outer cover 19 is detected by detecting the change in the light transmission state by the holes 21 formed in large numbers along the upper surface of the inner cover 18 in FIG.
  • the magnitude and distribution of the external force can be obtained with a simple calculation. Therefore, it is possible to promote downsizing and thinning of the entire sensor.

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Abstract

光学式触覚センサ１０は、弾性変形可能な遮光性材料からなる接触変形部１４と、接触変形部１４に光を供給する光源１５と、接触変形部１４の弾性変形に伴う光源１５からの光量変化を検出する光検出部１６と、当該検出結果に基づいて接触変形部１４に作用した外力を算出する演算処理部１３とを備える。接触変形部１４は、光検出部１６が収容される第１空間Ｓ１を形成する内側カバー１８と、光源１５からの光が供給される第２空間Ｓ２を隔てた状態で内側カバー１８を外側から覆う外側カバー１９とからなる。内側カバー１８は、外側カバー１９と一体的に弾性変形可能に設けられるとともに、第２空間Ｓ２の光を第１空間Ｓ１に透過させる透光部２１を部分的に有する。演算処理部１３では、接触変形部１４に外力が作用した際の透光部２１の変位に伴う光量の状態変化に基づき外力の大きさが求められる。

Description

光学式触覚センサ
　本発明は、光学式触覚センサに係り、更に詳しくは、比較的簡易な構成で微細な外力の変化の検出をも可能にする光学式触覚センサに関する。
　人間と共存しながら所定の作業をするロボットには、ロボットの周囲の環境中に存在する人や物がロボットに接触した際に、当該接触部分に作用する押圧力やせん断力を検出する触覚センサ等が設けられ、当該触覚センサ等の検出値に基づいて、ロボットの動作制御を行っている。
　前記触覚センサとしては、外力の付加により変位するマーカをカメラで撮像することで、マーカの変位に基づき外力を算出する光学式触覚センサが知られている。この光学式触覚センサとしては、例えば、特許文献１に示されるように、人や物の接触により外力が付加されるセンサ面と、互いに異なる種類のマーカが内部に設けられた透光性を有する弾性体からなるマーカ層と、センサ面とマーカ層の間に配置され、センサ面に外力が作用した場合に、当該作用部位が外力の大きさに応じた明るさに変化するシート層と、センサ面の反対側に配置され、マーカ層内のマーカ及びシート層を撮影するカメラと、カメラの撮影結果に基づいて、センサ面の力分布を算出する演算部とを備えている。当該演算部では、シート層が明るくなった部位に対向するマーカ層内のマーカについて、当該マーカの移動情報から力分布を算出する。
特開２００７－１４７４４３号公報
　しかしながら、前記光学式触覚センサにあっては、三次元の力分布を求めるために、マーカ層内に多数のマーカを三次元的に立体配置しなければならない。このことは、センサ全体の厚みが増大し、ロボットに搭載される際のセンサの小型化の阻害となる。また、センサ面に外力が作用する前後での各マーカの追跡が必要であり、しかも、カメラの撮影結果から各マーカの三次元の移動ベクトルを求める際の演算処理が複雑になることから、力分布を算出するための各処理に対する負荷が高くなる。この問題は、微細な外力をも検出可能にするように各マーカのサイズを小さくして高性能化を図る際に顕著となる。
　本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、比較的簡易な構成でセンサ全体の小型化を促進するとともに、作用する外力の微小変化でも、簡単な演算処理で、外力の大きさや分布を検出可能となる高性能の光学式触覚センサを提供することにある。
　前記目的を達成するため、本発明は、主として、外力の作用によって弾性変形可能な遮光性材料からなる接触変形部と、当該接触変形部の内部に形成された空間に光を供給する光源と、前記接触変形部の弾性変形に伴う前記光源からの光量の変化を検出する光検出部と、当該光検出部の検出結果に基づいて、前記接触変形部に作用した外力を算出する演算処理部とを備えた光学式触覚センサにおいて、前記接触変形部は、前記光検出部が収容される第１空間を形成する内側カバーと、当該内側カバーの外側で、前記光源からの光が供給される第２空間となる隙間を隔てた状態で前記内側カバーを覆うように配置された外側カバーとからなり、前記内側カバーは、前記外側カバーに作用した外力により、当該外側カバーと一体的に弾性変形可能に設けられるとともに、前記第２空間の光を前記第１空間に透過させる透光部を部分的に有し、前記演算処理部では、前記接触変形部に外力が作用した際の前記透光部の変位に伴う前記光量の状態変化に基づいて、前記外力の大きさを求める、という構成を採っている。
　本発明によれば、光源から第２空間に供給された光が、内側カバーに部分的に形成された透光部を通じて光検出部を配置した第１空間に透過し、外力の大きさ及び方向に応じ、内側カバーの弾性変形により透光部が変位する。これにより、外力の作用前後において、光検出部での光量の大きさや中心部分に変化が生じ、これらの状態変化に基づいて、前記外力の大きさが三次元的に算出可能となる。このため、マーカをカメラで撮像する従来手法に対し、各マーカの三次元的な移動ベクトルの算出が不要となり、透光部を二次元的に平面に沿って配置するだけで、簡単な演算により、三次元の外力の大きさや分布を求めることができ、且つ、装置全体の小型化、薄型化を図ることができる。更に、透光部のサイズを小さくし、光検出部で微細な検出領域毎に光量の検出を可能にすると、レンズ等を用いることなく、より簡易な構成で微細な外力の大きさや分布の変化を精度よく検出できる。
本実施形態に係る光学式触覚センサの概略構成図。 図１のセンサ本体部分のＡ－Ａ線に沿う断面図。 外力が作用した際の前記センサ本体の変形状態の一例を表す概念図。 光検出部の検出領域を説明するための概略平面図。 光検出部の一検出領域での各ピクセルの位置及び検出光量の定義を説明するための概略平面図。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
　図１には、本実施形態に係る光学式触覚センサの概略構成図が示されている。この図において、前記光学式触覚センサ１０は、所定の電子回路がプリントされた基板１１と、当該基板１１に載置されるとともに、外力の検知部位となるセンシング部１２と、センシング部１２に繋がり、センシング部１２での検知に基づき、センシング部１２に作用した外力の大きさや分布を演算する演算処理部１３とからなる。
　前記センシング部１２は、外力の作用によって弾性変形可能な遮光性材料からなる接触変形部１４と、接触変形部１４の内部に光を供給する光源１５と、接触変形部１４の弾性変形に伴う光源１５からの光量の変化を検出する光検出部１６とを備えている。
　前記接触変形部１４は、光検出部１６が収容される第１空間Ｓ１を形成する内側カバー１８と、内側カバー１８の外側で、光源１５からの光が供給される第２空間Ｓ２となる隙間を隔てた状態で内側カバー１８を覆うように配置された外側カバー１９とからなる。
　前記内側カバー１８は、特に限定されるものではないが、図１中下端側が開放する平面視方形の中空容器状をなし、遮光性を有するとともに弾性変形可能となっている。また、内側カバー１８の図１中上端の頂壁には、図２にも示されるように、多数の孔部２１が、縦横方向にそれぞれ同一ピッチとなる規則的な配列状態で部分的に形成されている。これら孔部２１は、内側カバー１８の内外間で貫通しており、光検出部１６に相対配置されている。このため、内側カバー１８の外側に位置する第２空間Ｓ２からの光が、孔部２１を通して内部カバー１８の内部空間となる第１空間Ｓ１に導入され、当該導入光の光量が、第１空間Ｓ１に配置された光検出部１６で検出されることになる。なお、内側カバー１８は遮光性材料によって形成されていることから、外側の第２空間Ｓ２と内側の第１空間Ｓ１との間の光の透過は、孔部２１を通してのみ行われる。以上により、孔部２１は、第２空間Ｓ２の光を第１空間Ｓ１に透過させる透光部を構成する。
　なお、前記透光部としては、本実施形態の孔部２１に限定されるものではなく、例えば、遮光性を有する内側カバー１８を部分的に透光性材料によって形成する等、同様の作用を奏する限りにおいて、種々の態様を採ることができる。
　前記外側カバー１９は、内側カバー１８と同様、図１中下端側が開放する平面視方形の中空容器状をなし、遮光性を有するとともに弾性変形可能となっている。このため、内側カバー１８と外側カバー１９の間の第２空間Ｓ２に照射された光源１５からの光は、外側カバー１９の外側に漏れずに、内側カバー１８に形成された孔部２１のみを通じて光検出部１６に達することになる。
　以上の内側カバー１８及び外側カバー１９は、図示省略しているが、それらの一部分が繋がっており、人や物が接触可能な接触部位となる外側カバー１９の表面に外力が作用すると、その大きさや方向に応じて、外側カバー１９とともに内側カバー１８が一体的に弾性変形可能になっている。このため、図３に示されるように、外側カバー１９への外力Ｆの作用による内側カバー１８の弾性変形に伴い、各孔部２１が直交３軸方向に変位可能となる。
　前記光源１５は、特に限定されるものではないが、内側カバー１８と外側カバー１９の間の基板１１上の複数位置に設置されたＬＥＤライトによって構成され、内側カバー１８と外側カバー１９の間の第２空間Ｓ２に光を照射可能となっている。
　前記光検出部１６は、基板１１に電気的に接続されており、特に限定されるものではないが、Ｃ－ＭＯＳセンサによって構成されている。なお、光検出部１６としては、後述するように、所定範囲の検出領域毎に光量を検出可能な限りにおいて、ＣＣＤ等の他の撮像素子の他に、受光した光量に応じて電気信号を発生する光電変換素子全般を適用することもできる。
　前記演算処理部１３は、ＣＰＵ等の演算処理装置及びメモリやハードディスク等の記憶装置等からなるコンピュータによって構成され、光検出部１６の検出結果に基づいて、接触変形部１４に作用した直交３軸方向の外力をそれぞれ算出するようになっている。つまり、演算処理部１３では、接触変形部１４への外力の作用前後で光検出部１６により検出された光量の変化に基づき、各方向の外力の大きさ及び分布が演算により求められる。なお、以下の説明において、直交３軸のうち、接触変形部１４の表面に沿うせん断方向をｘ軸方向、ｙ軸方向とし、接触変形部１４の表面に直交する押圧方向をｚ軸方向とする。
　この演算処理部１３は、図１に示されるように、接触変形部１４に対するｚ軸方向の外力である押圧力の大きさを算出する押圧力演算部２３と、接触変形部１４に対するｘ軸方向及びｙ軸方向の外力であるせん断力を算出するせん断力演算部２４とを有している。
　ここでは、各孔部２１に対向する光検出部１６が、図４に示されるように、複数の検出領域Ａｑ（ｑ＝１，２，・・・，ｒ－１，ｒ）に区分され、検出領域Ａｑ毎に、押圧力演算部２３で押圧力が求められるとともに、せん断力演算部２４でせん断力が求められる。
　これら各検出領域Ａｑは、相対する１個の孔部２１が変位する範囲をカバー可能な面積すなわちピクセル数が割り当てられ、当該相対する１個の孔部２１それぞれについて、当該孔部２１を通過する光の状態変化に伴う光量の分布を検出領域Ａｑ毎に検出可能となっている。
　例えば、模式的に表した図５の構成例の場合、１６区分された各検出領域Ａ１～Ａ１６それぞれについて、５×５ピクセル分が割り当てられる。そして、検出領域Ａ１～Ａ１６それぞれについて、押圧力とせん断力が求められ、接触変形部１４に作用した外力の分布が検出領域Ａｑ単位で特定されることになる。
　なお、以下の説明において、検出領域Ａｑ内の各ピクセル表記に際して、図５に示されるｘ－ｙ座標系を用い、中央に位置するピクセルを原点とし、ｘ軸における同図中右方を正方向、ｙ軸における同図中下方を正方向とする。更に、ｘ軸座標ｉ、ｙ軸座標ｊとし、ピクセルの位置をＰ（ｉ，ｊ）（ｉ＝－ｍ，－ｍ＋１，０，・・・，ｍ－１，ｍ）（ｊ＝－ｎ，－ｎ＋１，０，・・・，ｎ－１，ｎ）と表す。なお、図５の例では、ｉ＝－２，－１，０，１，２となり、ｊ＝－２，－１，０，１，２となる。
　また、検出領域Ａｑ内の各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）でそれぞれ検出される光量をＳｉ，ｊと表す。
　前記押圧力演算部２３では、光検出部１６の各検出領域Ａｑそれぞれについて、接触変形部１４に外力が作用していない基準状態に対し、同一の検出領域Ａｑ内の各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）で検出された光量Ｓｉ，ｊの総和の増大分に基づいて押圧力が求められる。
　具体的に、先ず、光検出部１６の各検出領域Ａｑ（ｑ＝１，２，・・・，ｒ－１，ｒ）において、外力作用後に、当該検出領域Ａｑ内の各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）で検出された光量Ｓｉ，ｊの総和ＳＲｑが求められる。つまり、図５の例では、１６区分された各検出領域Ａ１～Ａ１６それぞれにおいて、２５ピクセル分の光量Ｓｉ，ｊの総和ＳＲｑが求められる。
　そして、次式で表すように、外力作用後の光量の総和ＳＲｑから、予め設定された前記基準状態における同一検出領域Ａｑの光量の総和ＳＢｑを減算した値に、予め設定されたゲインＣを乗じることにより、外力作用前後での光量Ｓｉ，ｊの変化に基づいて、各領域Ａｑの押圧力Ｆｚｑが求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　前記せん断力演算部２４では、先ず、各検出領域Ａｑそれぞれについて、当該検出領域Ａｑを構成する各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）で検出された光量Ｓｉ，ｊを用い、基準状態からの光の中心部分のｘ軸方向及びｙ軸方向における移動距離Ｄｘ，Ｄｙを求め、当該各移動距離Ｄｘ，Ｄｙに応じて、これら各方向のせん断力を求めるようになっている。
　ここで、ｘ軸方向の移動距離Ｄｘとｙ軸方向の移動距離Ｄｙは、次式により求められる。なお、各検出領域Ａｑにおいて、前記基準状態では、対応する各孔部２１が前記原点となる中央のピクセルＰ（０，０）に相対するように設定されており、当該中央のピクセルＰ（０，０）が、基準状態における光の中心部分となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　つまり、上式において、ｘ軸方向の移動距離Ｄｘは、検出領域Ａｑの各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）について、検出された光量Ｓｉ，ｊに、ｘ軸方向の座標すなわち原点からの離間距離ｉを乗じた値の総和を、同一の検出領域Ａｑ内の各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）での光量Ｓｉ，ｊの総和ＳＲｑで除算することで求められる。
　同様に、ｙ軸方向の移動距離Ｄｙは、検出領域Ａｑの各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）について、検出された光量Ｓｉ，ｊに、ｙ軸方向の座標すなわち原点からの離間距離ｊを乗じた値の総和を、同一の検出領域Ａｑ内の各ピクセルＰ（ｉ，ｊ）での光量Ｓｉ，ｊの総和ＳＲｑで除算することで求められる。
　各検出領域Ａｑにおける前記移動距離Ｄｘ，Ｄｙについては、前述の算出手法に限定されるものではなく、他の手法を用いて求めても良い。
　そして、次式により、各検出領域Ａｑにおけるｘ軸方向のせん断力Ｆｘｑとｙ軸方向のせん断力Ｆｙｑとが求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　上式において、Ｋ１～Ｋ５、Ｐ１～Ｐ５は、予め設定されたゲインである。
　以上の本実施形態によれば、内側カバー１８の図１中上面に沿って多数形成された孔部２１による光の透過状態の変化を検知することにより、外側カバー１９に作用した外力の押圧力及びせん断力の分布を求めるようになっているため、三次元的に配置された多数のマーカを用いた従来手法とは異なり、簡単な演算で外力の大きさ及び分布を求めることができ、しかも、センサ全体の小型化や薄型化を促進することができる。
　なお、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
　１０　光学式触覚センサ
　１３　演算処理部
　１４　接触変形部
　１５　光源
　１６　光検出部
　１８　内側カバー
　１９　外側カバー
　２１　孔部（透光部）
　２３　押圧力演算部
　２４　せん断力演算部
　Ａｑ　検出領域
　Ｓ１　第１空間
　Ｓ２　第２空間

Claims (4)

  1. 　外力の作用によって弾性変形可能な遮光性材料からなる接触変形部と、当該接触変形部の内部に形成された空間に光を供給する光源と、前記接触変形部の弾性変形に伴う前記光源からの光量の変化を検出する光検出部と、当該光検出部の検出結果に基づいて、前記接触変形部に作用した外力を算出する演算処理部とを備えた光学式触覚センサにおいて、
    　前記接触変形部は、前記光検出部が収容される第１空間を形成する内側カバーと、当該内側カバーの外側で、前記光源からの光が供給される第２空間となる隙間を隔てた状態で前記内側カバーを覆うように配置された外側カバーとからなり、
    　前記内側カバーは、前記外側カバーに作用した外力により、当該外側カバーと一体的に弾性変形可能に設けられるとともに、前記第２空間の光を前記第１空間に透過させる透光部を部分的に有し、
    　前記演算処理部では、前記接触変形部に外力が作用した際の前記透光部の変位に伴う前記光量の状態変化に基づいて、前記外力の大きさを求めることを特徴とする光学式触覚センサ。
  2. 　前記透光部は、所定の平面内の複数箇所で前記光検出部に相対するように設けられ、
    　前記光検出部は、前記各透光部から前記第１空間に透過した光について、前記接触変形部の変位前後の光量の変化を前記透光部毎に検出可能な検出領域に区分され、
    　前記演算処理部では、前記検出領域毎に前記外力の大きさを算出し、前記接触変形部に作用した外力の分布を求めることを特徴とする請求項１記載の光学式触覚センサ。
  3. 　前記演算処理部は、前記接触変形部に対する押圧力を算出する押圧力演算部を有し、
    　前記押圧力演算部では、前記接触変形部に前記外力が作用していない基準状態に対する前記検出領域内の光量の総和の増大分に基づいて、前記押圧力の大きさを求めることを特徴とする請求項２記載の光学式触覚センサ。
  4. 　前記演算処理部は、前記接触変形部に対するせん断力を算出するせん断力演算部を有し、
    　前記せん断力演算部では、前記接触変形部に前記外力が作用していない基準状態に対する前記検出領域内の光量の中心部分の移動距離に基づいて、前記せん断力の大きさを求めることを特徴とする請求項２記載の光学式触覚センサ。
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