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专利名称：使用光学式触觉传感器的力矢量再构成法的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学式触觉传感器，详细说就是涉及使用光学式触觉传感器的力矢量再构成法。
背景技术：
在考虑通过触觉传感器来了解接触面的接触状态时，加在接触面各点上的力是具有大小和方向的三分量的矢量。在图1的座标系中把它表示为f(x，y)。其中由于f是矢量，所以实际上在各点其具有x、y、z这三分量。在把各自的分量明确进行表示时，则表示为f(x，y)＝[fx(x，y)，fy(x，y)，fz(x，y)]。由于力分布在各接触点具有三分量，所以，为了通过触觉传感器而把接触面的力分布进行再构成时，至少对于接触面的各点必须得到大于或等于三个的自由度的信息。
本申请的发明者等开发了能测量三维矢量分布的光学式触觉传感器。光学式触觉传感器的原理可根据图2进行说明。光学式触觉传感器是使用透明弹性体1和CCD照相机的结构。通过把配置在透明弹性体内部的球状标志3、4由CCD照相机进行摄影，来测量向表面加力时弹性体内部的变形信息，再构筑力的分布。
把弹性体表面取为xy平面，把垂直方向取为z轴，通过使用CCD照相机从z方向对球状标志进行摄影，把加力时测量点的移动作为xy平面方向的移动矢量来进行测量。但原封不动则信息量少，根据变形信息来再构筑力矢量分布是困难的，所以在弹性体内部不同的深度把红色球状标志3、兰色球状标志4作为测量点，通过分别配置N×N个，来求出两个深度不同的二维移动矢量，通过把其作为各自不同的信息处理来增加信息量就容易求出力矢量分布。
但为了求力矢量所需要的时间是与构成传感器面的接触面大小(关于标志动作的信息量)的4次幂成比例地大，若接触面大则就因为这点计算时间就长，就有可能不能实时读出。即使传感器面是比较小的面积，但在测量密度高的情况下则关于标志动作的信息量就多，为了计算力矢量分布所需要的时间就长，就不能进行实时读出。因此，在考虑光学式触觉传感器的实用化和应用时，如何把用于求力矢量分布的计算时间缩短就是重要的课题。
专利文献1国际公开公报WO02/18893A1发明内容本发明的目的在于提供一种手法，其即使在传感器的接触面是大面积或接触面的测量密度高的情况下，也能缩短用于力矢量计算的计算时间。
为了解决该目的，本发明采用的技术手段是使用光学式触觉传感器的力矢量再构成法，其包括取得标志图像步骤，其在物体接触到了该弹性体的接触面时对该有色标志的动作进行摄影并取得标志图像；取得信息步骤，其根据该标志图像取得比要求出的力矢量个数多的关于标志动作的信息(例如作为标志移动信息之一的移动矢量)；取得力矢量步骤，其通过把取得的关于标志动作的信息向传递函数中输入而把力矢量作为输出来取得，取得力矢量的步骤，其在力矢量的计算中省去有关贡献度低的标志动作的信息来计算力矢量。例如只要加力点与标志的距离充分离开，则在力矢量的计算中就能考虑从加力点离开的标志其影响小，就能考虑离开的标志其在力矢量的计算中贡献度低。
作为理想形式之一是取得力矢量的步骤，其仅使用有关在要求出的力矢量位置近旁的标志动作的信息来计算力矢量。通过仅使用希望位置近旁的标志信息，能把传递函数，即矩阵小型化。矩阵中由于是希望的标志，所以通过把反映离开大于或等于一定程度位置标志信息的矩阵要素设定为0，就能减轻矩阵的计算。作为其他的理想形式是，得到力矢量的步骤省去该矩阵要素中接近0的要素来计算力矢量。这样也同样地能减轻矩阵的计算。
作为其他的理想形式是，该要求出的力矢量位置是由一个或多个采样点所构成，且在构成该要求出的力矢量位置的采样点周围配置多个力的采样点，使用要求出的力矢量位置近旁的关于标志动作的信息来分别计算在该要求出的力矢量位置和该位置周围的多个力采样点上作用的力矢量，在计算出的力矢量中仅采用作用在该要求出的力矢量位置上的力矢量。且更理想的是该采样点随着从该要求出的力矢量位置离开而被稀疏配置。
作为其他的理想形式是，力矢量再构成法包括取得标志图像步骤，其在物体接触到了该弹性体的接触面时对该有色标志的动作进行摄影并取得标志图像；取得信息步骤，其根据该标志图像取得比要求出的力矢量个数多的关于标志动作的信息；得到力矢量步骤，其根据取得的关于标志动作的信息和传递函数来取得作用在该接触面上的力矢量，得到力矢量步骤包括配置采样点步骤，其根据该标志图像设定规定大小的小区域，在该小区域内外配置多个力矢量的采样点；计算力矢量步骤，其根据该小区域内的标志信息和传递函数来计算该多个力矢量的作用在采样点上的力矢量；采用力矢量步骤，其采用作用在该小区域内配置的多个采样点中至少一部分采样点上的力矢量。更理想的是采样点在该小区域内被稠密配置，随着从该小区域离开而稀疏配置。
本发明提供一种力矢量再构筑装置，其包括取得标志图像部件，其在物体接触到该弹性体的接触面时对该有色标志的动作进行摄影，并取得标志图像；取得信息部件，其根据该标志图像取得比要求出的力矢量个数多的关于标志动作的信息；配置采样点部件，其根据该标志图像设定规定大小的小区域，在该小区域内外配置多个力矢量的采样点；计算力矢量部件，其把该小区域内的标志信息给予传递函数来计算该多个力矢量的作用在采样点上的力矢量；采用力矢量部件，其采用作用在该小区域内配置的多个采样点中至少一部分采样点上的力矢量。
本发明还提供一种程序，其用于使构成力矢量再构成装置的计算机具有下面的功能取得标志图像部件，其在物体接触到该弹性体的接触面时对该有色标志的动作进行摄影，并取得标志图像；取得信息部件，其根据该标志图像取得比要求出的力矢量个数多的关于标志动作的信息；配置采样点部件，其根据该标志图像设定规定大小的小区域，在该小区域内外配置多个力矢量的采样点；计算力矢量部件，其把该小区域内的标志信息给予传递函数来计算该多个力矢量的作用在采样点上的力矢量；采用力矢量部件，其采用作用在该小区域内配置的多个采样点中至少一部分采样点上的力矢量。
光学式触觉传感器具有由透明弹性体和设置在该弹性体内的多个标志组构成的触觉部，各标志组分别由多个有色标志构成，构成不同标志组的标志其每组具有相互不同的颜色。通过对该有色标志的动作进行摄影，来观测在物体接触到了该弹性体时该有色标志至少一个或一个以上的变位、变形、倾斜。根据接触对象与传感器接触时的有色标志的信息，能检测透明弹性体内部的变形信息、据此计算的接触对象的形状和接触界面(包含弹性体的面、接触对象的面这双方)上作用的力的信息。根据本发明，通过把多种信息进行“分色”的简单方法就能进行个别采集，能通过光学式同时得到多种触觉信息。根据本发明，通过“分色”能收集超过未知数的数的独立观测值(关于标志的动作的信息)，通过稳定地解逆问题，而能推定并再构筑力矢量。
有色标志通过摄影设备，其一个最好的例就是CCD照相机而被摄影，并进行图像处理。例如，把物体接触时与在此以前状态(没有外力作用在透明弹性体上的状态)的图像进行比较，检测标志的移动信息(例如移动矢量)。或在平常时(没有外力作用在透明弹性体上的状态)以不能识认标志的配置状态预先把标志埋设在透明弹性体内，在物体接触到了透明弹性体时，根据由各标志存在位置周边的变形而引起的标志的变位、变形、倾斜来识认标志，根据有色标志的外观等来检测信息。或是其他的理想形式是把标志(例如是台阶状的带状标志时)的动作作为标志亮度的变化来取得。
光学式触觉传感器中容纳有传递函数，其用于根据由该摄影设备取得的关于标志动作的信息(例如物体接触到了接触面时各标志的移动信息，即移动矢量)再构成加在接触面上的力矢量乃至力矢量分布。传递函数是与加在接触面上的力信息和关于标志动作的信息(例如移动矢量)相关联的函数。在物体接触到了弹性体的接触面时对该有色标志进行摄影并取得标志图像，根据该标志图像取得关于标志动作的信息，通过把取得的信息输入到传递函数中来把力矢量作为输出来求。向传递函数中输入的关于标志动作的信息的数量比要求出的力矢量的数量多。
作为构成该传递函数的矩阵的制作法，能从弹性体理论导出的公式进行计算，也有通过实测进行计算的和通过模拟进行计算的。
该摄影设备理想的形式是配置在物体接触该透明弹性体一侧的相反侧位置上。且在是具有相互不同颜色的多个有色标志的情况下，最好是通过仅选择某有色标志来个别进行捕捉以谋求摄影后处理上的便利。有色标志的选择例如通过使用滤色片来进行。为了使标志图像稳定化，最好在该接触面上设置遮光层。
对标志的配置结构进行说明。透明弹性体中埋设多个标志组，各标志组分别由多个标志构成，构成不同标志组的标志其每组具有相互不同的颜色，且该标志组具有相互不同空间的配置。作为该不同空间的配置例能举出在该弹性体的壁厚内层合状地配置的多个标志组。层合状标志组的具体例是构成该标志组的标志是球状的微细小片，构成各层标志组的球状标志具有相互不同的颜色。其他的空间配置的例能举出相互交叉配置的多个标志组。作为又其他的空间配置能举出各标志组由向相同方向延伸的多面组构成，该面的延伸方向和颜色是每个各标志组相互不同。有色标志的形状没有特别的限制，若举合适的例则考虑是球状、圆筒状、圆柱状、带片状、平面状各形状。关于这些标志的详细情况能参照国际公开公报WO02/18893A1中的记载。且标志的形状和配置形式并不限定于是图示的或是所述国际公开公报中所记载的。
根据本发明，能把用于计算力矢量的传递函数，即矩阵的尺寸缩小，这样，就能缩短计算力矢量的计算时间。因此，即使是具备大面积接触面的传感器，也能实时进行读出。


图1是表示在触觉传感器与接触对象之间产生的力矢量分布的图；图2是光学式触觉传感器的原理图，上图是透明弹性体的平面图(CCD图像)，下图是透明弹性体的侧面图，在透明弹性体中埋设了两种标志组，在有力从下方作用在透明弹性体上时，标志从左图向右图地移动；图3是本发明光学式触觉传感器的模式图；图4是说明作用在接触表面(平面)上的力矢量与标志移动的图；图5是说明作用在接触表面(自由曲面)上的力矢量与标志移动的图；图6是在力矢量分布的再构成中使用的传递函数制作法的说明图；图7是力矢量再构筑的计算时间缩短法的说明图；图8是表示来自切出区域外的力的影响的图，上图是埋设了标志的透明弹性体的侧面图，下图是其平面图，在此，由于对于切出区域来说力的采样点的间隔小，所以对于相邻力的采样点的各自切出区域其是重叠的(参照网格1、2、3)；图9是计算缩短法中改善手法的概念图，图中黑球和白球表示力的采样点，黑球表示计算后利用的计算结果；图10是表示增加标志点数的图；图11是表示增加标志点数的图，是关注对于某一点的力而标志移动的图；图12是根据图11来说明图7所示高速化手法的图；图13是根据图11来说明改善手法的图。
具体实施例方式光学式触觉传感器的结构图3是本发明光学式触觉传感器装置的原理图，传感器装置具有由透光性弹性部件构成的透明弹性体1，透明弹性体1具有曲面状的接触面(传感器面)2。透明弹性体1内接近接触面2处沿接触面2曲面地埋设有多个有色标志3、4，由透明弹性体1和有色标志构成触觉部。最好透明弹性体1是由硅橡胶形成的，但也可以是由其他橡胶类和弹性材料等其他弹性部件形成。
有色标志由两个有色标志组构成，两个标志组分别被埋设在距离接触面2不同的深度处。构成一个标志组的有色标志3和构成另一个标志组的有色标志4具有相互不同的颜色(例如一方是红色而另一方是兰色)。
当物体5接触到透明弹性体1的接触面2时，设置在透明弹性体1内部的有色标志3、4就产生变位或是变形。传感器装置还具备作为摄影设备照相机6和光源7。光学式照相机6把透明弹性体1夹在中间地被配置在物体5接触侧的相反侧(从接触面2离开的一侧)位置上，通过照相机6把标志3、4的变位、变形进行摄影。光源7也可以使用波导管(光纤)进行引导。通过摄影设备取得的标志3、4的图像被发送到计算机8，标志图像被显示在计算机8的显示部上，来自标志图像的关于标志动作(变位、变形、倾斜)的标志信息(例如作为移动信息之一的移动矢量)通过计算机8的运算部进行测量。在计算机8的存储部中容纳有所述的传递函数，通过运算部并使用该传递函数和该标志信息(例如移动信息)就能再构筑从物体5向接触面2作用的力的分布。
作为摄影设备的照相机是数字式照相机，即把图像数据作为电信号进行输出的照相机，作为理想例之一的是CCD照相机。本发明的摄影设备并不限定于是CCD照相机，例如其也可以是使用C-MOS式图像传感器的数码照相机。作为标志是准备了Red、Green、Blue这三种时，为了个别地捕捉它们，有(1)通过摄影器件的滤色片区分(这时只要看照相机的RGB输出，就能原封不动地个别摄影各标志)的方法(2)摄影器件仅捕捉光的强度，作为光源准备Red、Green、Blue(使Red发光时，由于仅具有来自Red的标志反射光，而其他两种的标志光被吸收，所以结果是照相机仅捕捉Red的标志。把其通过时间分割对Green、Blue也进行时，就能得到与(1)等价的信息)的方法这两个。
加在接触面上的力矢量分布再构成法为了根据由光学式触觉传感器得到的关于标志动作的信息(例如标志的移动信息之一的移动矢量)来求出加在接触面上的力矢量分布，就需要从关于标志动作的信息(例如移动信息)M向力信息F进行变换。从标志信息M向力信息F的变换是通过式子F＝HM来进行的。以下把关于从标志信息再构成力矢量分布的手法，一边参照图4、图5一边根据从标志的移动矢量求力矢量分布的手法进行说明。图4和图5除了图4表示的是平面状接触面，而图5表示的是自由曲面状的接触面之外，实质上其内容相同。在此为了简单，考虑的是二维断面(没考虑图的y轴方向)，但在一般的三维情况下，算法也是相同的。
f是表示作用在接触表面上的力矢量，m、n分别表示涂有Blue、Red色标的标志在CCD元件上的移动矢量。通过适当的离散化考虑有限的点数(图4、图5中是4点)。如前所述，力矢量各自具有三分量(x、y、z分量)，但在此考虑二分量(x、z分量)。且一般来说照相机的摄影是指把三维物体向像素面的二维平面上投影，所以该平面状的标志移动仅投影并观测的水平方向(x、y分量)，在此如图那样仅观测x方向的分量。
即f＝[fx(1)，fx(2)，fx(3)，fx(4)，fz(1)，fz(2)，fz(3)，fz(4)]这8分量是要求出的力分布，m＝[m(1)，m(2)，m(3)，m(4)]，n＝[n(1)，n(2)，n(3)，n(4)]是被观测的移动矢量。把该m、n汇总而写成x。
即x＝＝[m(1)，m(2)，m(3)，m(4)，n(1)，n(2)，n(3)，n(4)]。
在此，把在点1上加上x方向单位力(大小是1的力)时被观测的各标志移动矢量m、n进行汇总，写成Mx(1)。即Mx(1)＝[m(1)，m(2)，m(3)，m(4)，n(1)，n(2)，n(3)，n(4)]。
whenf＝[1，0，0，0，0，0，0，0]同样地，把在点1上加上z方向单位力时被观测的各标志移动矢量写成Mz(1)，把在点2上加上x方向单位力时被观测的各标志移动矢量写成Mx(2)等，以下是同样的规定。在是线性弹性体(在所加的力分布与变位之间线性加法关系成立的弹性体。很多的弹性体满足该性质)的情况下，给予一般的力f＝[fz(1)，fx(2)，fx(3)，fx(4)，fz(1)，fz(2)，fz(3)，fz(4)]时所产生的移动矢量x，其能被如下书写。
X＝Mx(1)*fx(1)+Mz(1)*fz(1)+Mx(2)*fx(2)+...+Mz(4)*fz(4)(相反这样进行表示是力的“重合”成立，即其是线性弹性体的条件。)把它以矩阵形式书写时，则成为X＝H*f。但H＝[Mx(1)；Mx(2)；...Mz(4)]。该H有用于从力f向变位x传递的映射的意思，所以被叫做传递函数。
按照每个要素书写时，则如下。
m(1)m(2)m(3)m(4)n(1)n(2)n(3)n(4)=Hmx(1,1)Hmz(1,1)Hmx(1,2)Hmz(1,2)Hmx(1,3)Hmz(1,3)Hmx(1,4)Hmz(1,4)Hmx(2,1)Hmz(2,1)Hmx(2,2)Hmz(2,2)Hmx(2,3)Hmz(2,3)Hmx(2,4)Hmz(2,4)Hmx(3,1)Hmz(3,1)Hmx(3,2)Hmz(3,2)Hmx(3,3)Hmz(3,3)Hmx(3,4)Hmz(3,4)Hmx(4,1)Hmz(4,1)Hmx(4,2)Hmz(4,2)Hmx(4,3)Hmz(4,3)Hmx(4,4)Hmz(4,4)Hnx(1,1)Hnz(1,1)Hnx(1,2)Hnz(1,2)Hnx(1,3)Hnz(1,3)Hnx(1,4)Hnz(1,4)Hnx(2,1)Hnz(2,1)Hnx(2,2)Hnz(2,2)Hnx(2,3)Hnz(2,3)Hnx(2,4)Hnz(2,4)Hnx(3,1)Hnz(3,1)Hnx(3,2)Hnz(3,2)Hnx(3,3)Hnz(3,3)Hnx(3,4)Hnz(3,4)Hnx(4,1)Hnz(4,1)Hnx(4,2)Hnz(4,2)Hnx(4,3)Hnz(4,3)Hnx(4,4)Hnz(4,4)fx(1)fz(1)fx(2)fz(2)fx(3)fz(3)fx(4)fz(4)]]>其中Hmx(x1，x2)表示的是由加在座标x＝x2表面上的x方向单位力所引起的座标x＝x1上在有m标志的深度处的x方向变位量。同样地，Hnz(x1，x2)表示的是加在座标x＝x2表面上的z方向单位力所引起的座标x＝x1上在有n标志的深度处的x方向变位量。
这是单纯的矩阵乘法，x是1*8、H是8×8的正方矩阵，f具有1*8的分量。因此，为了从观测到的x求f，只要加上H的逆矩阵便可。即是f＝inv(H)*x(式1)。但inv表示的是逆矩阵(一般来说是一般化逆矩阵)。
按照每个要素书写时，则如式2。
fx(1)fz(1)fx(2)fz(2)fx(3)fz(3)fx(4)fz(4)=Imx(1,1)Imx(2,1)Imx(3,1)Imx(4,1)Inx(1,1)Inx(2,1)Inx(3,1)Inx(4,1)Imz(1,2)Imz(2,2)Imz(3,2)Imz(4,2)Inz(1,2)Inz(2,2)Inz(3,2)Inz(4,2)Imx(1,3)Imx(2,3)Imx(3,3)Imx(4,3)Inx(1,3)Inx(2,3)Inx(3,3)Inx(4,3)Imz(1,4)Imz(2,4)Imz(3,4)Imz(4,4)Inz(1,4)Inz(2,4)Inz(3,4)Inz(4,4)Imx(1,1)Imx(2,1)Imx(3,1)Imx(4,1)Inx(1,1)Inx(2,1)Inx(3,1)Inx(4,1)Imz(1,2)Imz(2,2)Imz(3,2)Imz(4,2)Inz(1,2)Inz(2,2)Inz(3,2)Inz(4,2)Imx(1,3)Imx(2,3)Imx(3,3)Imx(4,3)Inx(1,3)Inx(2,3)Inx(3,3)Inx(4,3)Imz(1,4)Imz(2,4)Imz(3,4)Imz(4,4)Inz(1,4)Inz(2,4)Inz(3,4)Inz(4,4)m(1)m(2)m(3)m(4)n(1)n(2)n(3)n(4)]]>其中Imx(1，1)等是inv(H)的各要素，结果是其表示的是用于计算fx(1)的m(1)的作用。
在此，重要的是，这样通过使用由传递函数决定的矩阵的逆矩阵来决定未知数的情况下，被观测的数据的个数超过需要使未知数的个数或是相同的个数。若这点不被满足则不能求出逆矩阵，即要求出的未知数产生了冗长性，不能一次求出。在该例的情况下若标志是仅一层的话，则对于要求出的力矢量分量8个来说，移动矢量分量是仅4个，力矢量分量不能一次决定(现有的面分布型触觉传感器就是该状况)。为了解决该问题，要准备分色的两层标志组，通过取得两层标志组的各标志的移动，使独立的观测数据增加到8个。
在一般的三维情况下(该图是追加了y轴的情况)，一点上的力矢量是3个自由度，标志的水平移动矢量是2个自由度。假如采样点同样地是4点时，则未知数是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)]存在有12个，相对地，被观测的值移动矢量是m＝[mx(1)，my(1)，mx(2)，my(2)，mx(3)，my(3)，mx(4)，my(4)]这8个，还是不足。通过把它分为两层来观测，能得到16个观测数据，这样，就同定12个未知数。由于作为信息是冗长的，所以对于噪声更能进行顽强的推定。使用以上的算法根据CCD图像来推定力矢量。即使是使用其他标志的其他测量方法，也仅是观测的数据不同，通过在分色上想办法来收集比未知数的数量多的独立观测值(关于标志动作的信息)，而在通过稳定地解逆问题来推定力矢量的点上在本质上没有变化。
在力矢量分布的再构成中使用的传递函数根据上述说明了解到，对于本光学式触觉传感器来说得到表示表面应力与内部变位关系的传递函数(矩阵H)，这在本质上是重要的。这与现有被提案的矩阵状触觉传感器的多数是不同的点。现有的矩阵状触觉传感器中配置成矩阵状的各传感器元素，其仅是测量加在自身上的力。
下面说明用于求传递函数的手法。弹性体理论所基本表示的是，其是在弹性体内部的微小区域(例如微小的立方体ΔxΔyΔz)的表面(x＝0，Δx、y＝0，Δy、z＝0，Δz)上所加的力与该微小区域的变形(dΔx/dx，dΔy/dx，dΔz/dx，dΔx/dy，dΔy/dy，dΔz/dy，dΔx/dz，dΔy/dz，dΔz/dz)之间应满足的关系式。弹性体整体就是由无数该微小区域集合(空间上的积分)而构成的。
在具有某种特征的形的弹性体(例如半无限弹性体)中，作为加在表面上的力与内部变位的函数，发现了把在所述微小区域应满足的关系式能在弹性体内部的所有部位都满足的函数公式形式。在这种形的情况下，只要把分割成网格状的弹性体表面(接触面)的座标和内部标志的座标代入到该函数中，就能求出矩阵H。
在此，以公式的形式被发现是指把表面应力设定为fx(1)，把内部变位设定为m(x2，y2)时，以m(x2，y2)＝G(fx(1)，x2，y2)的形式发现了从表面应力来求内部变位的函数G。这时例如在图4、图5中向1点加力时，标志2的变位则通过m(x2，y2)＝G(fx(1)，x2，y2)来求。其中y2是标志的深度(已知)。
但这种特殊的形非常稀少，举一例来说，连关于应用上认为重要的球形状都不能发现其表面应力与内部变形的函数。现有本光学式触觉传感器通过把弹性体形状假定是半无限大弹性体，则使用上述的公式就取得了H矩阵。但了解到例如对于半球这样的自由曲面同样地应用半无限大弹性体的公式并使用取得的H矩阵，则不能正确地得到表面应力。需要以某种其他的手段来联系表面应力和内部变位。
因此，提案的第一手法是通过数值模拟来联系表面应力和内部变位的手法。现在已经在市场上贩卖的弹性体模拟软件程序是把弹性体分割成网格状，把满足各网格(所述的微小区域)应满足的表面应力与变形的关系，满足相邻网格之间应满足的关系(在相邻网格的分界面上有相同大小的力在作用)的弹性体变形通过数值计算而能求出。因此，在适用提案的传感器时，首先是把表面分割成网格，模拟计算在各网格上加有单位应力(x方向、y方向、z方向)时的标志的移动量。
第二手法是实际上加力。向具有自由曲面的弹性体接触面上加已知的力F1、F2、F3、F4、...Fn。测量对于所加各自力的标志的移动矢量M1、M2、M3、M4、...Mn，并进行保存。F1是F1x、F1y、F1z这三个矢量，在加这些力时各自对应的标志的移动矢量是M1x、M1yM1z。使用已知的力和得到的信息(移动矢量)来制作矩阵H。以下进行具体说明。
在弹性体表面(接触面)上离散地配置多个采样点。理想的是把采样点配置成覆盖接触面整个区域。作为形式之一是接触面上离散的多个采样点的配置是使用极座标进行配置(俯视图是配置成同心状)。其他形式是采样点配置成俯视图网格状。
在各采样点上取得在x方向、y方向、z方向上分别作用的已知大小的力和作用了该力的各自情况下的标志移动矢量的有关信息。其理想方法之一是在各采样点上分别加x方向、y方向、z方向规定的力，分别测量该时标志的移动矢量，并进行保存。加在采样点上的力矢量其x方向、y方向、z方向的取得方法，是只要是使用力矢量能表示加在接触面上的任意的力的，其方向并不被限定。
作为形式之一是通过采样点来取与接触面接触的接面，在该接面内把相互正交的方向设定为是x方向、y方向，把z方向取在对于该接面垂直的方向上。或是也可以与接触面形状无关系地来设定xy平面，把z方向取在对于该xy平面垂直的方向上。
加在各采样点上的力是已知的力，其理想形式之一是把规定大小的力，例如100[gf]分别从x方向、y方向、z方向加在采样点上，测量各自情况下的标志移动矢量。只要加在各采样点上的力是已知的力，则也可以不一定是相同大小的力，根据不同的已知的力来测量标志移动矢量时，只要在后面把标志移动矢量的大小进行正规化便可。
结果是只要取得x方向、y方向、z方向上的力与标志的移动矢量相关联的信息，则加在各采样点上的力就不被限定为是x方向、y方向、z方向上的力。通过把弹性体考虑为是线性的，下面的方法也能被考虑。首先保存对一点向z方向上加力时标志的移动量，然后向xz方向加力，通过把对于力的z方向分量的移动信息减去，这样来求x方向分量。y方向也是同样的。
这样，根据弹性体理论的公式，并通过模拟或实测来制作把力信息F和关于标志动作的信息(例如移动信息)M连接起来的传递函数，即矩阵H。光学式触觉传感器具有存储装置和运算处理装置，预先制作的矩阵H被容纳在存储装置中。在物体接触在透明弹性体的接触面上，有任意的力作用在接触面上的情况下，通过摄影设备来取得标志图像。根据取得的标志图像并利用运算处理装置来测量标志移动矢量。把测量的标志移动矢量输入到矩阵H中并通过运算处理装置进行计算，把作用在弹性体接触面上的力矢量分布进行输出。
计算时间缩短法在此，当矩阵H的要素数大时，则根据移动信息计算力分布的时间就长。这是由在求加在某点上的力时要使用所有的标志移动信息而引起的。实际上在适用所述算法的情况下，H矩阵是巨大的，(式1)的矩阵运算耗费时间。举一例来说，在网格是100×100的情况下，观测点就是10000点，所以H矩阵就是10000×10000的巨大矩阵。一般来说把传感器面分割成N×N时，观测点就是N的2次幂个，所以H矩阵的尺寸就是N的2次幂×N的2次幂。这样一来，为了(式1)的矩阵运算就需要N的4次幂时间。因此需要用于缩短计算时间的手法。
提案的手法是把H矩阵的一部分切出来使用。如上所述，叙述了H矩阵的向所有的格子点上加的力与所有的标志移动的对应关系。但作为现实问题是例如所加力的点与标志的距离只要充分离开，就能忽视其影响。这样一来，例如在图4、图5中，通过假定为了计算f(1)仅使用1～2号码标志的移动量、为了计算f(2)仅使用1～3号码标志的移动量便可，而能把矩阵的尺寸缩小。该例的新矩阵如下。
原来的(式1)f＝inv(H)*x就成为了式3。
fx(1)fz(1)fx(2)fz(2)fx(3)fz(3)fx(4)fz(4)=Imx(1,1)Imx(2,1)Imx(3,1)Imx(4,1)Inx(1,1)Inx(2,1)Inx(3,1)Inx(4,1)Imz(1,2)Imz(2,2)Imz(3,2)Imz(4,2)Inz(1,2)Inz(2,2)Inz(3,2)Inz(4,2)Imx(1,3)Imx(2,3)Imx(3,3)Imx(4,3)Inx(1,3)Inx(2,3)Inx(3,3)Inx(4,3)Imz(1,4)Imz(2,4)Imz(3,4)Imz(4,4)Inz(1,4)Inz(2,4)Inz(3,4)Inz(4,4)Imx(1,1)Imx(2,1)Imx(3,1)Imx(4,1)Inx(1,1)Inx(2,1)Inx(3,1)Inx(4,1)Imz(1,2)Imz(2,2)Imz(3,2)Imz(4,2)Inz(1,2)Inz(2,2)Inz(3,2)Inz(4,2)Imx(1,3)Imx(2,3)Imx(3,3)Imx(4,3)Inx(1,3)Inx(2,3)Inx(3,3)Inx(4,3)Imz(1,4)Imz(2,4)Imz(3,4)Imz(4,4)Inz(1,4)Inz(2,4)Inz(3,4)Inz(4,4)m(1)m(2)m(3)m(4)n(1)n(2)n(3)n(4)]]>该式通过忽视离开了距离之处的作用而成为了式4。
fx(1)fz(1)fx(2)fz(2)fx(3)fz(3)fx(4)fz(4)=Imx(1,1)Imx(2,1)00Inx(1,1)Inx(2,1)00Imz(1,2)Imz(2,2)Imz(3,2)0Inz(1,2)Inz(2,2)Inz(3,2)00Imx(2,3)Imx(3,3)Imx(4,3)0Inx(2,3)Inx(3,3)Inx(4,3)00Imz(3,4)Imz(4,4)00Inz(3,4)Inz(4,4)Imx(1,1)Imx(2,1)00Inx(1,1)Inx(2,1)00Imz(1,2)Imz(2,2)Imz(3,2)0Inz(1,2)Inz(2,2)Inz(3,2)00Imx(2,3)Imx(3,3)Imx(4,3)0Inx(2,3)Inx(3,3)Inx(4,3)00Imz(3,4)Imz(4,4)00Inz(3,4)Inz(4,4)m(1)m(2)m(3)m(4)n(1)n(2)n(3)n(4)]]>置0的地方是离开了应忽视距离的点。由于该部分不需要计算，所以能更高速地计算。该高速化如前所述，在格子尺寸N越大的情况下越能表现加速度上的效果。
这与把包含要求出力矢量部位的某面积切出来使用是等价的。图7中P是要求出的力矢量部位，圆区域A1是为了求力矢量而使用的标志范围。图中，在接触面整体的二维图像中设定了要求出的力矢量分布部位的近旁区域。在此，设定了要求出的力矢量部位的近旁区域的情况下，近旁区域也不一定仅根据二维图像中的距离进行判断。即加力的点与标志的距离是空间距离，在标志组是层合在弹性体内的情况下，有时候最好考虑标志设置的深度。具体说就是具有平面状接触面的传感器把接触面设定为是xy平面，要求出的力矢量部位的近旁区域也不一定仅通过xy平面上的距离就能判断，其也可以通过包含z方向的立体距离来判断。只要是能忽视z方向距离的情况下，也可以根据xy平面上的二维距离来设定近旁区域。
在接触面是自由曲面的情况下，也不能一概断言离开了距离的部位的作用就小。于是缩短计算时间的其他方法被提案。首先，通过实测或模拟来求传递函数(逆矩阵)。这种传递函数的制作法已经叙述过。例如看根据实测的传递函数矩阵的要素时，只要矩阵的某要素接近0，则与该要素相乘的标志就能被考虑成是在求某力矢量中也可以被忽视的标志。能把传递函数中矩阵的某要素接近0部分自动地从计算中省略来计算力矢量。例如在力矢量的再构成中对于矩阵要素设定表示能忽视程度的指标的界限值，把具有比该界限值小的值的矩阵要素的值设定为0。
下面说明计算缩短化方法的改善。发明者等进一步反复锐意研究的结果是了解到，在使用上述计算缩短化方法时有力矢量测量精度降低的情况。上述的计算缩短化方法几乎没考虑从要求出的力的点离开的标志动作的影响，而是仅使用了图7中切出的圆区域A1内的标志信息，而没使用关于切出区域以外部分A2的标志动作信息。
但实际上，由来自切出区域外的力也使区域内的标志进行移动。考虑由于想把由来自该切出区域外的力引起的标志移动也作为区域内发生的力进行计算，所以就产生了精度降低的问题。为了解决这种不好的情况，就改善了如下的手法。
在把图像的某区域切出来的点上与所述计算时间缩短法是相同的。所述方法中有切出区域，仅对其内部信息进行处理，相对地改善手法是在切出区域外也准备计算的力的采样点。关于标志的移动最终是仅处理切出区域内的信息。其成为用于考虑来自所述区域外的力的影响的采样点。即为了考虑切出区域内标志的移动在某种程度上受到加在切出区域外的力的影响，在根据切出区域内标志的移动信息进行力矢量的再构成时，通过不仅计算作用在切出区域内的力，也计算作用在切出区域外的力，来一边考虑作用在切出区域外的力，一边再构筑作用在切出区域内的力。
随着区域外力的采样点从切出区域离开，进行稀疏地设定。这是由于考虑到越从区域离开其影响就越轻微，所以也可以使少数采样点来代表的缘故。根据图9进行说明时，则是把与5×5点的采样点对应的小区域设定在触觉部的图像中。把采样点稠密地配置在小区域内。在小区域外也配置了力的采样点。小区域外的力的采样点是随着从小区域离开而进行稀疏地配置。图中在与小区域邻接的部位是把采样点稠密地配置成与小区域内相同的密度，随着从该小区域离开而把采样点进行稀疏地配置。
使用小区域内标志的移动信息，来计算配置在小区域内外的采样点的力矢量。在计算的力矢量中，仅把位于小区域内的力矢量的至少一部分结果作为最终的计算结果来采用，并进行保存。图9中，把5×5小区域的3×3的力的采样点的力矢量作为最终的计算结果保存。小区域外的采样点和小区域内未被采用的采样点的力矢量则被舍弃。通过把切出的小区域顺次错开并取得力矢量，就取得了传感器测量区域整体的力矢量分布。图9中是采用了小区域一部分采样点的力矢量，但也可以是采用小区域内所有采样点的力矢量。图9中是采用了小区域一部分的多个采样点的力矢量，但也可以是仅采用小区域内一个采样点的力矢量。图9表示了5×5点的小区域，但切出的小区域的大小并没有限制。根据该改善手法，与所述计算时间缩短法相比，其结果是计算量增加了，但与高速化手法适用前相比则是充分缩短了计算时间。
对于改善手法，根据图10到图13进行说明。图10为了方便进行改善手法的说明，其与图4、图5所示的相比增加了标志点数。通过增加标志点数而使对应的式中的要素数增加了，所以在图11中仅记述了标志n对于某一点力的x、z方向的移动。仅取出了与式3中矩阵inv(H)的要素Imx(1，1)，Imx(2，1)，Imx(3，1)，Imx(4，1)，Imz(1，2)，Imz(2，2)，Imz(3，2)，Imz(4，2)对应的部分，这与增加标志点数是等价的。把它以数学式表示则如下。左边F表示的是力，右边m表示的是移动矢量，右边左项是根据inv(H)取出的某一点的力F、与标志m对应的要素。
Fx8Fz8=x1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11x12x13x14x15x16x17x18x19x20x21x22x23z1z2z3z4z5z6z7z8z9z10z11z12z13z14z15z16z17z18z19z20z21z22z23m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15m16m17m18m19m20m21m22m23]]>
改善前的高速化手法是通过仅使用位于要求出的力所加的点近旁的标志移动信息，如图12所示那样仅使用m10～m14的标志移动信息。把它以数学式表示则如下。
Fx8Fz8=000000000x10x11x12x13x14000000000000000000z10z11z12z13z14000000000m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15m16m17m18m19m20m21m22m23]]>上述数学式中的从m1到m9、从m15到m23的标志移动信息对要求出的力F没有作用，能如下面那样减去要素数。
Fx8Fz8=x10x11x12x13x14z10z11z12z13z14m10m11m12m13m14=invH8m10m11m12m13m14]]>
相对地把改善后的高速化手法在图中进行表现时，则成为图13。即作为力的采样点不仅配置F8，还配置F2，F5，F9，F11，F14。若进一步以数学式表示时，则关于力F的要素增加，能如下地进行表现。
Fx2Fz2Fx5Fz5Fx7Fz7Fx8Fz8Fx9Fz9Fx11Fz11Fx14Fz14=invH2invH5invH7invH8invH9invH11invH14m10m11m12m13m14]]>在计算的力矢量中仅采用Fx8、Fz8的力矢量。
本发明能广泛地在触觉传感器中适用，特别是在需要实时读出的传感器中能被恰当地利用。
权利要求
1.一种力矢量再构成法，其特征在于，其是使用了光学式触觉传感器的力矢量再构成法，该传感器具有由透明弹性体和设置在该弹性体内的多个标志组构成的触觉部，各标志组分别由多个有色标志构成，构成不同标志组的标志的每组具有相互不同的颜色，该力矢量再构成法包括取得标志图像步骤，其在物体接触到了该弹性体的接触面时对该有色标志的动作进行摄影并取得标志图像；取得信息步骤，其根据该标志图像取得比要求出的力矢量个数多的关于标志动作的信息；取得力矢量步骤，其通过把取得的关于标志动作的信息向传递函数中输入而把力矢量作为输出来取得，取得力矢量的步骤在力矢量的计算中省去有关贡献度低的标志动作的信息来计算力矢量。
2.如权利要求1所述的力矢量再构成法，其特征在于，取得力矢量的步骤，其仅使用有关在要求出的力矢量位置近旁的标志动作的信息来计算力矢量。
3.如权利要求2所述的力矢量再构成法，其特征在于，该要求出的力矢量位置是由一个或多个采样点所构成。
4.如权利要求3所述的力矢量再构成法，其特征在于，其包括配置采样点的步骤，其在要求出的该力矢量位置周围配置多个力的采样点；计算步骤，其使用有关在要求出的力矢量位置近旁的标志动作信息，来分别计算在该要求出的力矢量位置和该要求出的力矢量位置周围的多个力采样点上起作用的力矢量；采用步骤，其在计算出的力矢量中，仅采用在该要求出的力矢量位置上起作用的力矢量。
5.如权利要求4所述的力矢量再构成法，其特征在于，在该要求出的力矢量位置周围的采样点随着从位于该要求出的力矢量的采样点离开而被稀疏配置。
6.如权利要求1所述的力矢量再构成法，其特征在于，在构成该传递函数的矩阵要素中省略接近于0的要素来计算力矢量。
7.如权利要求1到6任一项所述的力矢量再构成法，其特征在于，该传递函数是根据实测制作的。
8.一种力矢量再构成法，其特征在于，其是使用了光学式触觉传感器的力矢量再构成法，该传感器具有由透明弹性体和设置在该弹性体内的多个标志组构成的触觉部，各标志组分别由多个有色标志构成，构成不同标志组的标志的每组具有相互不同的颜色，该力矢量再构成法包括取得标志图像步骤，其在物体接触到了该弹性体的接触面时对该有色标志的动作进行摄影并取得标志图像；取得信息步骤，其根据该标志图像取得比要求出的力矢量个数多的关于标志动作的信息；配置采样点步骤，其根据该标志图像设定规定大小的小区域，在该小区域内外配置多个力矢量的采样点；计算力矢量步骤，其把该小区域内的标志信息给予传递函数来计算该多个力矢量在采样点上起作用的力矢量；采用力矢量步骤，其采用在该小区域内配置的多个采样点的至少一部分采样点上起作用的力矢量。
9.如权利要求8所述的力矢量再构成法，其特征在于，采样点在该小区域内被稠密配置，随着从该小区域离开而稀疏配置。
10.一种力矢量再构成装置，其特征在于，其是使用了光学式触觉传感器的力矢量再构成装置，该传感器具有由透明弹性体和设置在该弹性体内的多个标志组构成的触觉部，各标志组分别由多个有色标志构成，构成不同标志组的标志的每组具有相互不同的颜色，该力矢量再构成装置包括取得标志图像部件，其在物体接触到了该弹性体的接触面时对该有色标志的动作进行摄影并取得标志图像；取得信息部件，其根据该标志图像取得比要求出的力矢量个数多的关于标志动作的信息；配置采样点部件，其根据该标志图像设定规定大小的小区域，在该小区域内外配置多个力矢量的采样点；计算力矢量部件，其把该小区域内的标志信息给予传递函数来计算该多个力矢量在采样点上起作用的力矢量；采用力矢量部件，其采用在该小区域内配置的多个采样点中至少一部分采样点上起作用的力矢量。
11.如权利要求10所述的力矢量再构成装置，其特征在于，采样点在该小区域内被稠密配置，随着从该小区域离开而稀疏配置。
12.如权利要求10、11任一项所述的力矢量再构成装置，其特征在于，该装置具有容纳该传递函数的存储部件。
13.一种程序，用于实现各种功能，其中，在使用了光学式触觉传感器的力矢量再构成装置中，该传感器具有由透明弹性体和设置在该弹性体内的多个标志组构成的触觉部，各标志组分别由多个有色标志构成，构成不同标志组的标志的每组具有相互不同的颜色，该程序用于使构成力矢量再构成装置的计算机具有下面的功能取得标志图像部件，其在物体接触到该弹性体的接触面时对该有色标志的动作进行摄影，并取得标志图像；取得信息部件，其根据该标志图像取得比要求出的力矢量个数多的关于标志动作的信息；配置采样点部件，其根据该标志图像设定规定大小的小区域，在该小区域内外配置多个力矢量的采样点；计算力矢量部件，其把该小区域内的标志信息给予传递函数来计算该多个力矢量在采样点上的起作用力矢量；采用力矢量部件，其采用在该小区域内配置的多个采样点的至少一部分采样点上起作用的力矢量。
14.如权利要求13所述的用于使计算机具有功能的程序，其中，其使采样点在该小区域内被稠密配置，随着从该小区域离开而稀疏配置。
全文摘要
一种力矢量再构成法，其缩短用于计算力矢量的计算时间。其是使用了光学式触觉传感器的力矢量再构成法。其包括取得标志图像步骤，其在物体接触到了该弹性体的接触面时对该有色标志的动作进行摄影并取得标志图像；取得信息步骤，其根据该标志图像取得比要求出的力矢量个数多的关于标志动作的信息；以及取得力矢量步骤，其通过把取得的关于标志动作的信息向传递函数中输入而把力矢量作为输出来取得，其仅使用要求出的力矢量位置(P)近旁区域(A1)的关于标志动作的信息来计算力矢量。
文档编号G01L1/24GK1853094SQ20048002677
公开日2006年10月25日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月16日
发明者沟田晃一, 神山和人, 梶本裕之, 川上直树, 馆暲 申请人:株式会社东京大学Tlo