專利名稱：使用光學(xué)式觸覺傳感器的力矢量再構(gòu)成法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)式觸覺傳感器，詳細(xì)說就是涉及使用光學(xué)式觸覺傳感器的力矢量再構(gòu)成法。
背景技術(shù)：
在考慮通過觸覺傳感器來了解接觸面的接觸狀態(tài)時(shí)，加在接觸面各點(diǎn)上的力是具有大小和方向的三分量的矢量。在圖1的座標(biāo)系中把它表示為f(x，y)。其中由于f是矢量，所以實(shí)際上在各點(diǎn)其具有x、y、z這三分量。在把各自的分量明確進(jìn)行表示時(shí)，則表示為f(x，y)＝[fx(x，y)，fy(x，y)，fz(x，y)]。由于力分布在各接觸點(diǎn)具有三分量，所以，為了通過觸覺傳感器而把接觸面的力分布進(jìn)行再構(gòu)成時(shí)，至少對(duì)于接觸面的各點(diǎn)必須得到大于或等于三個(gè)的自由度的信息。
本申請(qǐng)的發(fā)明者等開發(fā)了能測(cè)量三維矢量分布的光學(xué)式觸覺傳感器。光學(xué)式觸覺傳感器的原理可根據(jù)圖2進(jìn)行說明。光學(xué)式觸覺傳感器是使用透明彈性體1和CCD照相機(jī)的結(jié)構(gòu)。通過把配置在透明彈性體內(nèi)部的球狀標(biāo)志3、4由CCD照相機(jī)進(jìn)行攝影，來測(cè)量向表面加力時(shí)彈性體內(nèi)部的變形信息，再構(gòu)筑力的分布。
把彈性體表面取為xy平面，把垂直方向取為z軸，通過使用CCD照相機(jī)從z方向?qū)η驙顦?biāo)志進(jìn)行攝影，把加力時(shí)測(cè)量點(diǎn)的移動(dòng)作為xy平面方向的移動(dòng)矢量來進(jìn)行測(cè)量。但原封不動(dòng)則信息量少，根據(jù)變形信息來再構(gòu)筑力矢量分布是困難的，所以在彈性體內(nèi)部不同的深度把紅色球狀標(biāo)志3、蘭色球狀標(biāo)志4作為測(cè)量點(diǎn)，通過分別配置N×N個(gè)，來求出兩個(gè)深度不同的二維移動(dòng)矢量，通過把其作為各自不同的信息處理來增加信息量就容易求出力矢量分布。
但為了求力矢量所需要的時(shí)間是與構(gòu)成傳感器面的接觸面大小(關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息量)的4次冪成比例地大，若接觸面大則就因?yàn)檫@點(diǎn)計(jì)算時(shí)間就長(zhǎng)，就有可能不能實(shí)時(shí)讀出。即使傳感器面是比較小的面積，但在測(cè)量密度高的情況下則關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息量就多，為了計(jì)算力矢量分布所需要的時(shí)間就長(zhǎng)，就不能進(jìn)行實(shí)時(shí)讀出。因此，在考慮光學(xué)式觸覺傳感器的實(shí)用化和應(yīng)用時(shí)，如何把用于求力矢量分布的計(jì)算時(shí)間縮短就是重要的課題。
專利文獻(xiàn)1國(guó)際公開公報(bào)WO02/18893A1發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種手法，其即使在傳感器的接觸面是大面積或接觸面的測(cè)量密度高的情況下，也能縮短用于力矢量計(jì)算的計(jì)算時(shí)間。
為了解決該目的，本發(fā)明采用的技術(shù)手段是使用光學(xué)式觸覺傳感器的力矢量再構(gòu)成法，其包括取得標(biāo)志圖像步驟，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時(shí)對(duì)該有色標(biāo)志的動(dòng)作進(jìn)行攝影并取得標(biāo)志圖像；取得信息步驟，其根據(jù)該標(biāo)志圖像取得比要求出的力矢量個(gè)數(shù)多的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息(例如作為標(biāo)志移動(dòng)信息之一的移動(dòng)矢量)；取得力矢量步驟，其通過把取得的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息向傳遞函數(shù)中輸入而把力矢量作為輸出來取得，取得力矢量的步驟，其在力矢量的計(jì)算中省去有關(guān)貢獻(xiàn)度低的標(biāo)志動(dòng)作的信息來計(jì)算力矢量。例如只要加力點(diǎn)與標(biāo)志的距離充分離開，則在力矢量的計(jì)算中就能考慮從加力點(diǎn)離開的標(biāo)志其影響小，就能考慮離開的標(biāo)志其在力矢量的計(jì)算中貢獻(xiàn)度低。
作為理想形式之一是取得力矢量的步驟，其僅使用有關(guān)在要求出的力矢量位置近旁的標(biāo)志動(dòng)作的信息來計(jì)算力矢量。通過僅使用希望位置近旁的標(biāo)志信息，能把傳遞函數(shù)，即矩陣小型化。矩陣中由于是希望的標(biāo)志，所以通過把反映離開大于或等于一定程度位置標(biāo)志信息的矩陣要素設(shè)定為0，就能減輕矩陣的計(jì)算。作為其他的理想形式是，得到力矢量的步驟省去該矩陣要素中接近0的要素來計(jì)算力矢量。這樣也同樣地能減輕矩陣的計(jì)算。
作為其他的理想形式是，該要求出的力矢量位置是由一個(gè)或多個(gè)采樣點(diǎn)所構(gòu)成，且在構(gòu)成該要求出的力矢量位置的采樣點(diǎn)周圍配置多個(gè)力的采樣點(diǎn)，使用要求出的力矢量位置近旁的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息來分別計(jì)算在該要求出的力矢量位置和該位置周圍的多個(gè)力采樣點(diǎn)上作用的力矢量，在計(jì)算出的力矢量中僅采用作用在該要求出的力矢量位置上的力矢量。且更理想的是該采樣點(diǎn)隨著從該要求出的力矢量位置離開而被稀疏配置。
作為其他的理想形式是，力矢量再構(gòu)成法包括取得標(biāo)志圖像步驟，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時(shí)對(duì)該有色標(biāo)志的動(dòng)作進(jìn)行攝影并取得標(biāo)志圖像；取得信息步驟，其根據(jù)該標(biāo)志圖像取得比要求出的力矢量個(gè)數(shù)多的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息；得到力矢量步驟，其根據(jù)取得的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息和傳遞函數(shù)來取得作用在該接觸面上的力矢量，得到力矢量步驟包括配置采樣點(diǎn)步驟，其根據(jù)該標(biāo)志圖像設(shè)定規(guī)定大小的小區(qū)域，在該小區(qū)域內(nèi)外配置多個(gè)力矢量的采樣點(diǎn)；計(jì)算力矢量步驟，其根據(jù)該小區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志信息和傳遞函數(shù)來計(jì)算該多個(gè)力矢量的作用在采樣點(diǎn)上的力矢量；采用力矢量步驟，其采用作用在該小區(qū)域內(nèi)配置的多個(gè)采樣點(diǎn)中至少一部分采樣點(diǎn)上的力矢量。更理想的是采樣點(diǎn)在該小區(qū)域內(nèi)被稠密配置，隨著從該小區(qū)域離開而稀疏配置。
本發(fā)明提供一種力矢量再構(gòu)筑裝置，其包括取得標(biāo)志圖像部件，其在物體接觸到該彈性體的接觸面時(shí)對(duì)該有色標(biāo)志的動(dòng)作進(jìn)行攝影，并取得標(biāo)志圖像；取得信息部件，其根據(jù)該標(biāo)志圖像取得比要求出的力矢量個(gè)數(shù)多的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息；配置采樣點(diǎn)部件，其根據(jù)該標(biāo)志圖像設(shè)定規(guī)定大小的小區(qū)域，在該小區(qū)域內(nèi)外配置多個(gè)力矢量的采樣點(diǎn)；計(jì)算力矢量部件，其把該小區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志信息給予傳遞函數(shù)來計(jì)算該多個(gè)力矢量的作用在采樣點(diǎn)上的力矢量；采用力矢量部件，其采用作用在該小區(qū)域內(nèi)配置的多個(gè)采樣點(diǎn)中至少一部分采樣點(diǎn)上的力矢量。
本發(fā)明還提供一種程序，其用于使構(gòu)成力矢量再構(gòu)成裝置的計(jì)算機(jī)具有下面的功能取得標(biāo)志圖像部件，其在物體接觸到該彈性體的接觸面時(shí)對(duì)該有色標(biāo)志的動(dòng)作進(jìn)行攝影，并取得標(biāo)志圖像；取得信息部件，其根據(jù)該標(biāo)志圖像取得比要求出的力矢量個(gè)數(shù)多的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息；配置采樣點(diǎn)部件，其根據(jù)該標(biāo)志圖像設(shè)定規(guī)定大小的小區(qū)域，在該小區(qū)域內(nèi)外配置多個(gè)力矢量的采樣點(diǎn)；計(jì)算力矢量部件，其把該小區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志信息給予傳遞函數(shù)來計(jì)算該多個(gè)力矢量的作用在采樣點(diǎn)上的力矢量；采用力矢量部件，其采用作用在該小區(qū)域內(nèi)配置的多個(gè)采樣點(diǎn)中至少一部分采樣點(diǎn)上的力矢量。
光學(xué)式觸覺傳感器具有由透明彈性體和設(shè)置在該彈性體內(nèi)的多個(gè)標(biāo)志組構(gòu)成的觸覺部，各標(biāo)志組分別由多個(gè)有色標(biāo)志構(gòu)成，構(gòu)成不同標(biāo)志組的標(biāo)志其每組具有相互不同的顏色。通過對(duì)該有色標(biāo)志的動(dòng)作進(jìn)行攝影，來觀測(cè)在物體接觸到了該彈性體時(shí)該有色標(biāo)志至少一個(gè)或一個(gè)以上的變位、變形、傾斜。根據(jù)接觸對(duì)象與傳感器接觸時(shí)的有色標(biāo)志的信息，能檢測(cè)透明彈性體內(nèi)部的變形信息、據(jù)此計(jì)算的接觸對(duì)象的形狀和接觸界面(包含彈性體的面、接觸對(duì)象的面這雙方)上作用的力的信息。根據(jù)本發(fā)明，通過把多種信息進(jìn)行“分色”的簡(jiǎn)單方法就能進(jìn)行個(gè)別采集，能通過光學(xué)式同時(shí)得到多種觸覺信息。根據(jù)本發(fā)明，通過“分色”能收集超過未知數(shù)的數(shù)的獨(dú)立觀測(cè)值(關(guān)于標(biāo)志的動(dòng)作的信息)，通過穩(wěn)定地解逆問題，而能推定并再構(gòu)筑力矢量。
有色標(biāo)志通過攝影設(shè)備，其一個(gè)最好的例就是CCD照相機(jī)而被攝影，并進(jìn)行圖像處理。例如，把物體接觸時(shí)與在此以前狀態(tài)(沒有外力作用在透明彈性體上的狀態(tài))的圖像進(jìn)行比較，檢測(cè)標(biāo)志的移動(dòng)信息(例如移動(dòng)矢量)?；蛟谄匠r(shí)(沒有外力作用在透明彈性體上的狀態(tài))以不能識(shí)認(rèn)標(biāo)志的配置狀態(tài)預(yù)先把標(biāo)志埋設(shè)在透明彈性體內(nèi)，在物體接觸到了透明彈性體時(shí)，根據(jù)由各標(biāo)志存在位置周邊的變形而引起的標(biāo)志的變位、變形、傾斜來識(shí)認(rèn)標(biāo)志，根據(jù)有色標(biāo)志的外觀等來檢測(cè)信息?；蚴瞧渌睦硐胄问绞前褬?biāo)志(例如是臺(tái)階狀的帶狀標(biāo)志時(shí))的動(dòng)作作為標(biāo)志亮度的變化來取得。
光學(xué)式觸覺傳感器中容納有傳遞函數(shù)，其用于根據(jù)由該攝影設(shè)備取得的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息(例如物體接觸到了接觸面時(shí)各標(biāo)志的移動(dòng)信息，即移動(dòng)矢量)再構(gòu)成加在接觸面上的力矢量乃至力矢量分布。傳遞函數(shù)是與加在接觸面上的力信息和關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息(例如移動(dòng)矢量)相關(guān)聯(lián)的函數(shù)。在物體接觸到了彈性體的接觸面時(shí)對(duì)該有色標(biāo)志進(jìn)行攝影并取得標(biāo)志圖像，根據(jù)該標(biāo)志圖像取得關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息，通過把取得的信息輸入到傳遞函數(shù)中來把力矢量作為輸出來求。向傳遞函數(shù)中輸入的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息的數(shù)量比要求出的力矢量的數(shù)量多。
作為構(gòu)成該傳遞函數(shù)的矩陣的制作法，能從彈性體理論導(dǎo)出的公式進(jìn)行計(jì)算，也有通過實(shí)測(cè)進(jìn)行計(jì)算的和通過模擬進(jìn)行計(jì)算的。
該攝影設(shè)備理想的形式是配置在物體接觸該透明彈性體一側(cè)的相反側(cè)位置上。且在是具有相互不同顏色的多個(gè)有色標(biāo)志的情況下，最好是通過僅選擇某有色標(biāo)志來個(gè)別進(jìn)行捕捉以謀求攝影后處理上的便利。有色標(biāo)志的選擇例如通過使用濾色片來進(jìn)行。為了使標(biāo)志圖像穩(wěn)定化，最好在該接觸面上設(shè)置遮光層。
對(duì)標(biāo)志的配置結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。透明彈性體中埋設(shè)多個(gè)標(biāo)志組，各標(biāo)志組分別由多個(gè)標(biāo)志構(gòu)成，構(gòu)成不同標(biāo)志組的標(biāo)志其每組具有相互不同的顏色，且該標(biāo)志組具有相互不同空間的配置。作為該不同空間的配置例能舉出在該彈性體的壁厚內(nèi)層合狀地配置的多個(gè)標(biāo)志組。層合狀標(biāo)志組的具體例是構(gòu)成該標(biāo)志組的標(biāo)志是球狀的微細(xì)小片，構(gòu)成各層標(biāo)志組的球狀標(biāo)志具有相互不同的顏色。其他的空間配置的例能舉出相互交叉配置的多個(gè)標(biāo)志組。作為又其他的空間配置能舉出各標(biāo)志組由向相同方向延伸的多面組構(gòu)成，該面的延伸方向和顏色是每個(gè)各標(biāo)志組相互不同。有色標(biāo)志的形狀沒有特別的限制，若舉合適的例則考慮是球狀、圓筒狀、圓柱狀、帶片狀、平面狀各形狀。關(guān)于這些標(biāo)志的詳細(xì)情況能參照國(guó)際公開公報(bào)WO02/18893A1中的記載。且標(biāo)志的形狀和配置形式并不限定于是圖示的或是所述國(guó)際公開公報(bào)中所記載的。
根據(jù)本發(fā)明，能把用于計(jì)算力矢量的傳遞函數(shù)，即矩陣的尺寸縮小，這樣，就能縮短計(jì)算力矢量的計(jì)算時(shí)間。因此，即使是具備大面積接觸面的傳感器，也能實(shí)時(shí)進(jìn)行讀出。


圖1是表示在觸覺傳感器與接觸對(duì)象之間產(chǎn)生的力矢量分布的圖；圖2是光學(xué)式觸覺傳感器的原理圖，上圖是透明彈性體的平面圖(CCD圖像)，下圖是透明彈性體的側(cè)面圖，在透明彈性體中埋設(shè)了兩種標(biāo)志組，在有力從下方作用在透明彈性體上時(shí)，標(biāo)志從左圖向右圖地移動(dòng)；圖3是本發(fā)明光學(xué)式觸覺傳感器的模式圖；圖4是說明作用在接觸表面(平面)上的力矢量與標(biāo)志移動(dòng)的圖；圖5是說明作用在接觸表面(自由曲面)上的力矢量與標(biāo)志移動(dòng)的圖；圖6是在力矢量分布的再構(gòu)成中使用的傳遞函數(shù)制作法的說明圖；圖7是力矢量再構(gòu)筑的計(jì)算時(shí)間縮短法的說明圖；圖8是表示來自切出區(qū)域外的力的影響的圖，上圖是埋設(shè)了標(biāo)志的透明彈性體的側(cè)面圖，下圖是其平面圖，在此，由于對(duì)于切出區(qū)域來說力的采樣點(diǎn)的間隔小，所以對(duì)于相鄰力的采樣點(diǎn)的各自切出區(qū)域其是重疊的(參照網(wǎng)格1、2、3)；圖9是計(jì)算縮短法中改善手法的概念圖，圖中黑球和白球表示力的采樣點(diǎn)，黑球表示計(jì)算后利用的計(jì)算結(jié)果；圖10是表示增加標(biāo)志點(diǎn)數(shù)的圖；圖11是表示增加標(biāo)志點(diǎn)數(shù)的圖，是關(guān)注對(duì)于某一點(diǎn)的力而標(biāo)志移動(dòng)的圖；圖12是根據(jù)圖11來說明圖7所示高速化手法的圖；圖13是根據(jù)圖11來說明改善手法的圖。
具體實(shí)施例方式光學(xué)式觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)圖3是本發(fā)明光學(xué)式觸覺傳感器裝置的原理圖，傳感器裝置具有由透光性彈性部件構(gòu)成的透明彈性體1，透明彈性體1具有曲面狀的接觸面(傳感器面)2。透明彈性體1內(nèi)接近接觸面2處沿接觸面2曲面地埋設(shè)有多個(gè)有色標(biāo)志3、4，由透明彈性體1和有色標(biāo)志構(gòu)成觸覺部。最好透明彈性體1是由硅橡膠形成的，但也可以是由其他橡膠類和彈性材料等其他彈性部件形成。
有色標(biāo)志由兩個(gè)有色標(biāo)志組構(gòu)成，兩個(gè)標(biāo)志組分別被埋設(shè)在距離接觸面2不同的深度處。構(gòu)成一個(gè)標(biāo)志組的有色標(biāo)志3和構(gòu)成另一個(gè)標(biāo)志組的有色標(biāo)志4具有相互不同的顏色(例如一方是紅色而另一方是蘭色)。
當(dāng)物體5接觸到透明彈性體1的接觸面2時(shí)，設(shè)置在透明彈性體1內(nèi)部的有色標(biāo)志3、4就產(chǎn)生變位或是變形。傳感器裝置還具備作為攝影設(shè)備照相機(jī)6和光源7。光學(xué)式照相機(jī)6把透明彈性體1夾在中間地被配置在物體5接觸側(cè)的相反側(cè)(從接觸面2離開的一側(cè))位置上，通過照相機(jī)6把標(biāo)志3、4的變位、變形進(jìn)行攝影。光源7也可以使用波導(dǎo)管(光纖)進(jìn)行引導(dǎo)。通過攝影設(shè)備取得的標(biāo)志3、4的圖像被發(fā)送到計(jì)算機(jī)8，標(biāo)志圖像被顯示在計(jì)算機(jī)8的顯示部上，來自標(biāo)志圖像的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作(變位、變形、傾斜)的標(biāo)志信息(例如作為移動(dòng)信息之一的移動(dòng)矢量)通過計(jì)算機(jī)8的運(yùn)算部進(jìn)行測(cè)量。在計(jì)算機(jī)8的存儲(chǔ)部中容納有所述的傳遞函數(shù)，通過運(yùn)算部并使用該傳遞函數(shù)和該標(biāo)志信息(例如移動(dòng)信息)就能再構(gòu)筑從物體5向接觸面2作用的力的分布。
作為攝影設(shè)備的照相機(jī)是數(shù)字式照相機(jī)，即把圖像數(shù)據(jù)作為電信號(hào)進(jìn)行輸出的照相機(jī)，作為理想例之一的是CCD照相機(jī)。本發(fā)明的攝影設(shè)備并不限定于是CCD照相機(jī)，例如其也可以是使用C-MOS式圖像傳感器的數(shù)碼照相機(jī)。作為標(biāo)志是準(zhǔn)備了Red、Green、Blue這三種時(shí)，為了個(gè)別地捕捉它們，有(1)通過攝影器件的濾色片區(qū)分(這時(shí)只要看照相機(jī)的RGB輸出，就能原封不動(dòng)地個(gè)別攝影各標(biāo)志)的方法(2)攝影器件僅捕捉光的強(qiáng)度，作為光源準(zhǔn)備Red、Green、Blue(使Red發(fā)光時(shí)，由于僅具有來自Red的標(biāo)志反射光，而其他兩種的標(biāo)志光被吸收，所以結(jié)果是照相機(jī)僅捕捉Red的標(biāo)志。把其通過時(shí)間分割對(duì)Green、Blue也進(jìn)行時(shí)，就能得到與(1)等價(jià)的信息)的方法這兩個(gè)。
加在接觸面上的力矢量分布再構(gòu)成法為了根據(jù)由光學(xué)式觸覺傳感器得到的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息(例如標(biāo)志的移動(dòng)信息之一的移動(dòng)矢量)來求出加在接觸面上的力矢量分布，就需要從關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息(例如移動(dòng)信息)M向力信息F進(jìn)行變換。從標(biāo)志信息M向力信息F的變換是通過式子F＝HM來進(jìn)行的。以下把關(guān)于從標(biāo)志信息再構(gòu)成力矢量分布的手法，一邊參照?qǐng)D4、圖5一邊根據(jù)從標(biāo)志的移動(dòng)矢量求力矢量分布的手法進(jìn)行說明。圖4和圖5除了圖4表示的是平面狀接觸面，而圖5表示的是自由曲面狀的接觸面之外，實(shí)質(zhì)上其內(nèi)容相同。在此為了簡(jiǎn)單，考慮的是二維斷面(沒考慮圖的y軸方向)，但在一般的三維情況下，算法也是相同的。
f是表示作用在接觸表面上的力矢量，m、n分別表示涂有Blue、Red色標(biāo)的標(biāo)志在CCD元件上的移動(dòng)矢量。通過適當(dāng)?shù)碾x散化考慮有限的點(diǎn)數(shù)(圖4、圖5中是4點(diǎn))。如前所述，力矢量各自具有三分量(x、y、z分量)，但在此考慮二分量(x、z分量)。且一般來說照相機(jī)的攝影是指把三維物體向像素面的二維平面上投影，所以該平面狀的標(biāo)志移動(dòng)僅投影并觀測(cè)的水平方向(x、y分量)，在此如圖那樣僅觀測(cè)x方向的分量。
即f＝[fx(1)，fx(2)，fx(3)，fx(4)，fz(1)，fz(2)，fz(3)，fz(4)]這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)]是被觀測(cè)的移動(dòng)矢量。把該m、n匯總而寫成x。
即x＝＝[m(1)，m(2)，m(3)，m(4)，n(1)，n(2)，n(3)，n(4)]。
在此，把在點(diǎn)1上加上x方向單位力(大小是1的力)時(shí)被觀測(cè)的各標(biāo)志移動(dòng)矢量m、n進(jìn)行匯總，寫成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]同樣地，把在點(diǎn)1上加上z方向單位力時(shí)被觀測(cè)的各標(biāo)志移動(dòng)矢量寫成Mz(1)，把在點(diǎn)2上加上x方向單位力時(shí)被觀測(cè)的各標(biāo)志移動(dòng)矢量寫成Mx(2)等，以下是同樣的規(guī)定。在是線性彈性體(在所加的力分布與變位之間線性加法關(guān)系成立的彈性體。很多的彈性體滿足該性質(zhì))的情況下，給予一般的力f＝[fz(1)，fx(2)，fx(3)，fx(4)，fz(1)，fz(2)，fz(3)，fz(4)]時(shí)所產(chǎn)生的移動(dòng)矢量x，其能被如下書寫。
X＝Mx(1)*fx(1)+Mz(1)*fz(1)+Mx(2)*fx(2)+...+Mz(4)*fz(4)(相反這樣進(jìn)行表示是力的“重合”成立，即其是線性彈性體的條件。)把它以矩陣形式書寫時(shí)，則成為X＝H*f。但H＝[Mx(1)；Mx(2)；...Mz(4)]。該H有用于從力f向變位x傳遞的映射的意思，所以被叫做傳遞函數(shù)。
按照每個(gè)要素書寫時(shí)，則如下。
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)表示的是由加在座標(biāo)x＝x2表面上的x方向單位力所引起的座標(biāo)x＝x1上在有m標(biāo)志的深度處的x方向變位量。同樣地，Hnz(x1，x2)表示的是加在座標(biāo)x＝x2表面上的z方向單位力所引起的座標(biāo)x＝x1上在有n標(biāo)志的深度處的x方向變位量。
這是單純的矩陣乘法，x是1*8、H是8×8的正方矩陣，f具有1*8的分量。因此，為了從觀測(cè)到的x求f，只要加上H的逆矩陣便可。即是f＝inv(H)*x(式1)。但inv表示的是逆矩陣(一般來說是一般化逆矩陣)。
按照每個(gè)要素書寫時(shí)，則如式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，結(jié)果是其表示的是用于計(jì)算fx(1)的m(1)的作用。
在此，重要的是，這樣通過使用由傳遞函數(shù)決定的矩陣的逆矩陣來決定未知數(shù)的情況下，被觀測(cè)的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)超過需要使未知數(shù)的個(gè)數(shù)或是相同的個(gè)數(shù)。若這點(diǎn)不被滿足則不能求出逆矩陣，即要求出的未知數(shù)產(chǎn)生了冗長(zhǎng)性，不能一次求出。在該例的情況下若標(biāo)志是僅一層的話，則對(duì)于要求出的力矢量分量8個(gè)來說，移動(dòng)矢量分量是僅4個(gè)，力矢量分量不能一次決定(現(xiàn)有的面分布型觸覺傳感器就是該狀況)。為了解決該問題，要準(zhǔn)備分色的兩層標(biāo)志組，通過取得兩層標(biāo)志組的各標(biāo)志的移動(dòng)，使獨(dú)立的觀測(cè)數(shù)據(jù)增加到8個(gè)。
在一般的三維情況下(該圖是追加了y軸的情況)，一點(diǎn)上的力矢量是3個(gè)自由度，標(biāo)志的水平移動(dòng)矢量是2個(gè)自由度。假如采樣點(diǎn)同樣地是4點(diǎn)時(shí)，則未知數(shù)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個(gè)，相對(duì)地，被觀測(cè)的值移動(dòng)矢量是m＝[mx(1)，my(1)，mx(2)，my(2)，mx(3)，my(3)，mx(4)，my(4)]這8個(gè)，還是不足。通過把它分為兩層來觀測(cè)，能得到16個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，這樣，就同定12個(gè)未知數(shù)。由于作為信息是冗長(zhǎng)的，所以對(duì)于噪聲更能進(jìn)行頑強(qiáng)的推定。使用以上的算法根據(jù)CCD圖像來推定力矢量。即使是使用其他標(biāo)志的其他測(cè)量方法，也僅是觀測(cè)的數(shù)據(jù)不同，通過在分色上想辦法來收集比未知數(shù)的數(shù)量多的獨(dú)立觀測(cè)值(關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息)，而在通過穩(wěn)定地解逆問題來推定力矢量的點(diǎn)上在本質(zhì)上沒有變化。
在力矢量分布的再構(gòu)成中使用的傳遞函數(shù)根據(jù)上述說明了解到，對(duì)于本光學(xué)式觸覺傳感器來說得到表示表面應(yīng)力與內(nèi)部變位關(guān)系的傳遞函數(shù)(矩陣H)，這在本質(zhì)上是重要的。這與現(xiàn)有被提案的矩陣狀觸覺傳感器的多數(shù)是不同的點(diǎn)。現(xiàn)有的矩陣狀觸覺傳感器中配置成矩陣狀的各傳感器元素，其僅是測(cè)量加在自身上的力。
下面說明用于求傳遞函數(shù)的手法。彈性體理論所基本表示的是，其是在彈性體內(nèi)部的微小區(qū)域(例如微小的立方體ΔxΔyΔz)的表面(x＝0，Δx、y＝0，Δy、z＝0，Δz)上所加的力與該微小區(qū)域的變形(dΔx/dx，dΔy/dx，dΔz/dx，dΔx/dy，dΔy/dy，dΔz/dy，dΔx/dz，dΔy/dz，dΔz/dz)之間應(yīng)滿足的關(guān)系式。彈性體整體就是由無(wú)數(shù)該微小區(qū)域集合(空間上的積分)而構(gòu)成的。
在具有某種特征的形的彈性體(例如半無(wú)限彈性體)中，作為加在表面上的力與內(nèi)部變位的函數(shù)，發(fā)現(xiàn)了把在所述微小區(qū)域應(yīng)滿足的關(guān)系式能在彈性體內(nèi)部的所有部位都滿足的函數(shù)公式形式。在這種形的情況下，只要把分割成網(wǎng)格狀的彈性體表面(接觸面)的座標(biāo)和內(nèi)部標(biāo)志的座標(biāo)代入到該函數(shù)中，就能求出矩陣H。
在此，以公式的形式被發(fā)現(xiàn)是指把表面應(yīng)力設(shè)定為fx(1)，把內(nèi)部變位設(shè)定為m(x2，y2)時(shí)，以m(x2，y2)＝G(fx(1)，x2，y2)的形式發(fā)現(xiàn)了從表面應(yīng)力來求內(nèi)部變位的函數(shù)G。這時(shí)例如在圖4、圖5中向1點(diǎn)加力時(shí)，標(biāo)志2的變位則通過m(x2，y2)＝G(fx(1)，x2，y2)來求。其中y2是標(biāo)志的深度(已知)。
但這種特殊的形非常稀少，舉一例來說，連關(guān)于應(yīng)用上認(rèn)為重要的球形狀都不能發(fā)現(xiàn)其表面應(yīng)力與內(nèi)部變形的函數(shù)?，F(xiàn)有本光學(xué)式觸覺傳感器通過把彈性體形狀假定是半無(wú)限大彈性體，則使用上述的公式就取得了H矩陣。但了解到例如對(duì)于半球這樣的自由曲面同樣地應(yīng)用半無(wú)限大彈性體的公式并使用取得的H矩陣，則不能正確地得到表面應(yīng)力。需要以某種其他的手段來聯(lián)系表面應(yīng)力和內(nèi)部變位。
因此，提案的第一手法是通過數(shù)值模擬來聯(lián)系表面應(yīng)力和內(nèi)部變位的手法?，F(xiàn)在已經(jīng)在市場(chǎng)上販賣的彈性體模擬軟件程序是把彈性體分割成網(wǎng)格狀，把滿足各網(wǎng)格(所述的微小區(qū)域)應(yīng)滿足的表面應(yīng)力與變形的關(guān)系，滿足相鄰網(wǎng)格之間應(yīng)滿足的關(guān)系(在相鄰網(wǎng)格的分界面上有相同大小的力在作用)的彈性體變形通過數(shù)值計(jì)算而能求出。因此，在適用提案的傳感器時(shí)，首先是把表面分割成網(wǎng)格，模擬計(jì)算在各網(wǎng)格上加有單位應(yīng)力(x方向、y方向、z方向)時(shí)的標(biāo)志的移動(dòng)量。
第二手法是實(shí)際上加力。向具有自由曲面的彈性體接觸面上加已知的力F1、F2、F3、F4、...Fn。測(cè)量對(duì)于所加各自力的標(biāo)志的移動(dòng)矢量M1、M2、M3、M4、...Mn，并進(jìn)行保存。F1是F1x、F1y、F1z這三個(gè)矢量，在加這些力時(shí)各自對(duì)應(yīng)的標(biāo)志的移動(dòng)矢量是M1x、M1yM1z。使用已知的力和得到的信息(移動(dòng)矢量)來制作矩陣H。以下進(jìn)行具體說明。
在彈性體表面(接觸面)上離散地配置多個(gè)采樣點(diǎn)。理想的是把采樣點(diǎn)配置成覆蓋接觸面整個(gè)區(qū)域。作為形式之一是接觸面上離散的多個(gè)采樣點(diǎn)的配置是使用極座標(biāo)進(jìn)行配置(俯視圖是配置成同心狀)。其他形式是采樣點(diǎn)配置成俯視圖網(wǎng)格狀。
在各采樣點(diǎn)上取得在x方向、y方向、z方向上分別作用的已知大小的力和作用了該力的各自情況下的標(biāo)志移動(dòng)矢量的有關(guān)信息。其理想方法之一是在各采樣點(diǎn)上分別加x方向、y方向、z方向規(guī)定的力，分別測(cè)量該時(shí)標(biāo)志的移動(dòng)矢量，并進(jìn)行保存。加在采樣點(diǎn)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觸面上的任意的力的，其方向并不被限定。
作為形式之一是通過采樣點(diǎn)來取與接觸面接觸的接面，在該接面內(nèi)把相互正交的方向設(shè)定為是x方向、y方向，把z方向取在對(duì)于該接面垂直的方向上?；蚴且部梢耘c接觸面形狀無(wú)關(guān)系地來設(shè)定xy平面，把z方向取在對(duì)于該xy平面垂直的方向上。
加在各采樣點(diǎn)上的力是已知的力，其理想形式之一是把規(guī)定大小的力，例如100[gf]分別從x方向、y方向、z方向加在采樣點(diǎn)上，測(cè)量各自情況下的標(biāo)志移動(dòng)矢量。只要加在各采樣點(diǎn)上的力是已知的力，則也可以不一定是相同大小的力，根據(jù)不同的已知的力來測(cè)量標(biāo)志移動(dòng)矢量時(shí)，只要在后面把標(biāo)志移動(dòng)矢量的大小進(jìn)行正規(guī)化便可。
結(jié)果是只要取得x方向、y方向、z方向上的力與標(biāo)志的移動(dòng)矢量相關(guān)聯(lián)的信息，則加在各采樣點(diǎn)上的力就不被限定為是x方向、y方向、z方向上的力。通過把彈性體考慮為是線性的，下面的方法也能被考慮。首先保存對(duì)一點(diǎn)向z方向上加力時(shí)標(biāo)志的移動(dòng)量，然后向xz方向加力，通過把對(duì)于力的z方向分量的移動(dòng)信息減去，這樣來求x方向分量。y方向也是同樣的。
這樣，根據(jù)彈性體理論的公式，并通過模擬或?qū)崪y(cè)來制作把力信息F和關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息(例如移動(dòng)信息)M連接起來的傳遞函數(shù)，即矩陣H。光學(xué)式觸覺傳感器具有存儲(chǔ)裝置和運(yùn)算處理裝置，預(yù)先制作的矩陣H被容納在存儲(chǔ)裝置中。在物體接觸在透明彈性體的接觸面上，有任意的力作用在接觸面上的情況下，通過攝影設(shè)備來取得標(biāo)志圖像。根據(jù)取得的標(biāo)志圖像并利用運(yùn)算處理裝置來測(cè)量標(biāo)志移動(dòng)矢量。把測(cè)量的標(biāo)志移動(dòng)矢量輸入到矩陣H中并通過運(yùn)算處理裝置進(jìn)行計(jì)算，把作用在彈性體接觸面上的力矢量分布進(jìn)行輸出。
計(jì)算時(shí)間縮短法在此，當(dāng)矩陣H的要素?cái)?shù)大時(shí)，則根據(jù)移動(dòng)信息計(jì)算力分布的時(shí)間就長(zhǎng)。這是由在求加在某點(diǎn)上的力時(shí)要使用所有的標(biāo)志移動(dòng)信息而引起的。實(shí)際上在適用所述算法的情況下，H矩陣是巨大的，(式1)的矩陣運(yùn)算耗費(fèi)時(shí)間。舉一例來說，在網(wǎng)格是100×100的情況下，觀測(cè)點(diǎn)就是10000點(diǎn)，所以H矩陣就是10000×10000的巨大矩陣。一般來說把傳感器面分割成N×N時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)就是N的2次冪個(gè)，所以H矩陣的尺寸就是N的2次冪×N的2次冪。這樣一來，為了(式1)的矩陣運(yùn)算就需要N的4次冪時(shí)間。因此需要用于縮短計(jì)算時(shí)間的手法。
提案的手法是把H矩陣的一部分切出來使用。如上所述，敘述了H矩陣的向所有的格子點(diǎn)上加的力與所有的標(biāo)志移動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但作為現(xiàn)實(shí)問題是例如所加力的點(diǎn)與標(biāo)志的距離只要充分離開，就能忽視其影響。這樣一來，例如在圖4、圖5中，通過假定為了計(jì)算f(1)僅使用1～2號(hào)碼標(biāo)志的移動(dòng)量、為了計(jì)算f(2)僅使用1～3號(hào)碼標(biāo)志的移動(dòng)量便可，而能把矩陣的尺寸縮小。該例的新矩陣如下。
原來的(式1)f＝inv(H)*x就成為了式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)]]>該式通過忽視離開了距離之處的作用而成為了式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的地方是離開了應(yīng)忽視距離的點(diǎn)。由于該部分不需要計(jì)算，所以能更高速地計(jì)算。該高速化如前所述，在格子尺寸N越大的情況下越能表現(xiàn)加速度上的效果。
這與把包含要求出力矢量部位的某面積切出來使用是等價(jià)的。圖7中P是要求出的力矢量部位，圓區(qū)域A1是為了求力矢量而使用的標(biāo)志范圍。圖中，在接觸面整體的二維圖像中設(shè)定了要求出的力矢量分布部位的近旁區(qū)域。在此，設(shè)定了要求出的力矢量部位的近旁區(qū)域的情況下，近旁區(qū)域也不一定僅根據(jù)二維圖像中的距離進(jìn)行判斷。即加力的點(diǎn)與標(biāo)志的距離是空間距離，在標(biāo)志組是層合在彈性體內(nèi)的情況下，有時(shí)候最好考慮標(biāo)志設(shè)置的深度。具體說就是具有平面狀接觸面的傳感器把接觸面設(shè)定為是xy平面，要求出的力矢量部位的近旁區(qū)域也不一定僅通過xy平面上的距離就能判斷，其也可以通過包含z方向的立體距離來判斷。只要是能忽視z方向距離的情況下，也可以根據(jù)xy平面上的二維距離來設(shè)定近旁區(qū)域。
在接觸面是自由曲面的情況下，也不能一概斷言離開了距離的部位的作用就小。于是縮短計(jì)算時(shí)間的其他方法被提案。首先，通過實(shí)測(cè)或模擬來求傳遞函數(shù)(逆矩陣)。這種傳遞函數(shù)的制作法已經(jīng)敘述過。例如看根據(jù)實(shí)測(cè)的傳遞函數(shù)矩陣的要素時(shí)，只要矩陣的某要素接近0，則與該要素相乘的標(biāo)志就能被考慮成是在求某力矢量中也可以被忽視的標(biāo)志。能把傳遞函數(shù)中矩陣的某要素接近0部分自動(dòng)地從計(jì)算中省略來計(jì)算力矢量。例如在力矢量的再構(gòu)成中對(duì)于矩陣要素設(shè)定表示能忽視程度的指標(biāo)的界限值，把具有比該界限值小的值的矩陣要素的值設(shè)定為0。
下面說明計(jì)算縮短化方法的改善。發(fā)明者等進(jìn)一步反復(fù)銳意研究的結(jié)果是了解到，在使用上述計(jì)算縮短化方法時(shí)有力矢量測(cè)量精度降低的情況。上述的計(jì)算縮短化方法幾乎沒考慮從要求出的力的點(diǎn)離開的標(biāo)志動(dòng)作的影響，而是僅使用了圖7中切出的圓區(qū)域A1內(nèi)的標(biāo)志信息，而沒使用關(guān)于切出區(qū)域以外部分A2的標(biāo)志動(dòng)作信息。
但實(shí)際上，由來自切出區(qū)域外的力也使區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志進(jìn)行移動(dòng)?？紤]由于想把由來自該切出區(qū)域外的力引起的標(biāo)志移動(dòng)也作為區(qū)域內(nèi)發(fā)生的力進(jìn)行計(jì)算，所以就產(chǎn)生了精度降低的問題。為了解決這種不好的情況，就改善了如下的手法。
在把圖像的某區(qū)域切出來的點(diǎn)上與所述計(jì)算時(shí)間縮短法是相同的。所述方法中有切出區(qū)域，僅對(duì)其內(nèi)部信息進(jìn)行處理，相對(duì)地改善手法是在切出區(qū)域外也準(zhǔn)備計(jì)算的力的采樣點(diǎn)。關(guān)于標(biāo)志的移動(dòng)最終是僅處理切出區(qū)域內(nèi)的信息。其成為用于考慮來自所述區(qū)域外的力的影響的采樣點(diǎn)。即為了考慮切出區(qū)域內(nèi)標(biāo)志的移動(dòng)在某種程度上受到加在切出區(qū)域外的力的影響，在根據(jù)切出區(qū)域內(nèi)標(biāo)志的移動(dòng)信息進(jìn)行力矢量的再構(gòu)成時(shí)，通過不僅計(jì)算作用在切出區(qū)域內(nèi)的力，也計(jì)算作用在切出區(qū)域外的力，來一邊考慮作用在切出區(qū)域外的力，一邊再構(gòu)筑作用在切出區(qū)域內(nèi)的力。
隨著區(qū)域外力的采樣點(diǎn)從切出區(qū)域離開，進(jìn)行稀疏地設(shè)定。這是由于考慮到越從區(qū)域離開其影響就越輕微，所以也可以使少數(shù)采樣點(diǎn)來代表的緣故。根據(jù)圖9進(jìn)行說明時(shí)，則是把與5×5點(diǎn)的采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的小區(qū)域設(shè)定在觸覺部的圖像中。把采樣點(diǎn)稠密地配置在小區(qū)域內(nèi)。在小區(qū)域外也配置了力的采樣點(diǎn)。小區(qū)域外的力的采樣點(diǎn)是隨著從小區(qū)域離開而進(jìn)行稀疏地配置。圖中在與小區(qū)域鄰接的部位是把采樣點(diǎn)稠密地配置成與小區(qū)域內(nèi)相同的密度，隨著從該小區(qū)域離開而把采樣點(diǎn)進(jìn)行稀疏地配置。
使用小區(qū)域內(nèi)標(biāo)志的移動(dòng)信息，來計(jì)算配置在小區(qū)域內(nèi)外的采樣點(diǎn)的力矢量。在計(jì)算的力矢量中，僅把位于小區(qū)域內(nèi)的力矢量的至少一部分結(jié)果作為最終的計(jì)算結(jié)果來采用，并進(jìn)行保存。圖9中，把5×5小區(qū)域的3×3的力的采樣點(diǎn)的力矢量作為最終的計(jì)算結(jié)果保存。小區(qū)域外的采樣點(diǎn)和小區(qū)域內(nèi)未被采用的采樣點(diǎn)的力矢量則被舍棄。通過把切出的小區(qū)域順次錯(cuò)開并取得力矢量，就取得了傳感器測(cè)量區(qū)域整體的力矢量分布。圖9中是采用了小區(qū)域一部分采樣點(diǎn)的力矢量，但也可以是采用小區(qū)域內(nèi)所有采樣點(diǎn)的力矢量。圖9中是采用了小區(qū)域一部分的多個(gè)采樣點(diǎn)的力矢量，但也可以是僅采用小區(qū)域內(nèi)一個(gè)采樣點(diǎn)的力矢量。圖9表示了5×5點(diǎn)的小區(qū)域，但切出的小區(qū)域的大小并沒有限制。根據(jù)該改善手法，與所述計(jì)算時(shí)間縮短法相比，其結(jié)果是計(jì)算量增加了，但與高速化手法適用前相比則是充分縮短了計(jì)算時(shí)間。
對(duì)于改善手法，根據(jù)圖10到圖13進(jìn)行說明。圖10為了方便進(jìn)行改善手法的說明，其與圖4、圖5所示的相比增加了標(biāo)志點(diǎn)數(shù)。通過增加標(biāo)志點(diǎn)數(shù)而使對(duì)應(yīng)的式中的要素?cái)?shù)增加了，所以在圖11中僅記述了標(biāo)志n對(duì)于某一點(diǎn)力的x、z方向的移動(dòng)。僅取出了與式3中矩陣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)對(duì)應(yīng)的部分，這與增加標(biāo)志點(diǎn)數(shù)是等價(jià)的。把它以數(shù)學(xué)式表示則如下。左邊F表示的是力，右邊m表示的是移動(dòng)矢量，右邊左項(xiàng)是根據(jù)inv(H)取出的某一點(diǎn)的力F、與標(biāo)志m對(duì)應(yīng)的要素。
Fx8Fz8=x1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11x12x13x14x15x16x17x18x19x20x21x22x23z1z2z3z4z5z6z7z8z9z10z11z12z13z14z15z16z17z18z19z20z21z22z23m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15m16m17m18m19m20m21m22m23]]>
改善前的高速化手法是通過僅使用位于要求出的力所加的點(diǎn)近旁的標(biāo)志移動(dòng)信息，如圖12所示那樣僅使用m10～m14的標(biāo)志移動(dòng)信息。把它以數(shù)學(xué)式表示則如下。
Fx8Fz8=000000000x10x11x12x13x14000000000000000000z10z11z12z13z14000000000m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15m16m17m18m19m20m21m22m23]]>上述數(shù)學(xué)式中的從m1到m9、從m15到m23的標(biāo)志移動(dòng)信息對(duì)要求出的力F沒有作用，能如下面那樣減去要素?cái)?shù)。
Fx8Fz8=x10x11x12x13x14z10z11z12z13z14m10m11m12m13m14=invH8m10m11m12m13m14]]>
相對(duì)地把改善后的高速化手法在圖中進(jìn)行表現(xiàn)時(shí)，則成為圖13。即作為力的采樣點(diǎn)不僅配置F8，還配置F2，F(xiàn)5，F(xiàn)9，F(xiàn)11，F(xiàn)14。若進(jìn)一步以數(shù)學(xué)式表示時(shí)，則關(guān)于力F的要素增加，能如下地進(jìn)行表現(xiàn)。
Fx2Fz2Fx5Fz5Fx7Fz7Fx8Fz8Fx9Fz9Fx11Fz11Fx14Fz14=invH2invH5invH7invH8invH9invH11invH14m10m11m12m13m14]]>在計(jì)算的力矢量中僅采用Fx8、Fz8的力矢量。
本發(fā)明能廣泛地在觸覺傳感器中適用，特別是在需要實(shí)時(shí)讀出的傳感器中能被恰當(dāng)?shù)乩谩?br> 權(quán)利要求
1.一種力矢量再構(gòu)成法，其特征在于，其是使用了光學(xué)式觸覺傳感器的力矢量再構(gòu)成法，該傳感器具有由透明彈性體和設(shè)置在該彈性體內(nèi)的多個(gè)標(biāo)志組構(gòu)成的觸覺部，各標(biāo)志組分別由多個(gè)有色標(biāo)志構(gòu)成，構(gòu)成不同標(biāo)志組的標(biāo)志的每組具有相互不同的顏色，該力矢量再構(gòu)成法包括取得標(biāo)志圖像步驟，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時(shí)對(duì)該有色標(biāo)志的動(dòng)作進(jìn)行攝影并取得標(biāo)志圖像；取得信息步驟，其根據(jù)該標(biāo)志圖像取得比要求出的力矢量個(gè)數(shù)多的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息；取得力矢量步驟，其通過把取得的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息向傳遞函數(shù)中輸入而把力矢量作為輸出來取得，取得力矢量的步驟在力矢量的計(jì)算中省去有關(guān)貢獻(xiàn)度低的標(biāo)志動(dòng)作的信息來計(jì)算力矢量。
2.如權(quán)利要求1所述的力矢量再構(gòu)成法，其特征在于，取得力矢量的步驟，其僅使用有關(guān)在要求出的力矢量位置近旁的標(biāo)志動(dòng)作的信息來計(jì)算力矢量。
3.如權(quán)利要求2所述的力矢量再構(gòu)成法，其特征在于，該要求出的力矢量位置是由一個(gè)或多個(gè)采樣點(diǎn)所構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的力矢量再構(gòu)成法，其特征在于，其包括配置采樣點(diǎn)的步驟，其在要求出的該力矢量位置周圍配置多個(gè)力的采樣點(diǎn)；計(jì)算步驟，其使用有關(guān)在要求出的力矢量位置近旁的標(biāo)志動(dòng)作信息，來分別計(jì)算在該要求出的力矢量位置和該要求出的力矢量位置周圍的多個(gè)力采樣點(diǎn)上起作用的力矢量；采用步驟，其在計(jì)算出的力矢量中，僅采用在該要求出的力矢量位置上起作用的力矢量。
5.如權(quán)利要求4所述的力矢量再構(gòu)成法，其特征在于，在該要求出的力矢量位置周圍的采樣點(diǎn)隨著從位于該要求出的力矢量的采樣點(diǎn)離開而被稀疏配置。
6.如權(quán)利要求1所述的力矢量再構(gòu)成法，其特征在于，在構(gòu)成該傳遞函數(shù)的矩陣要素中省略接近于0的要素來計(jì)算力矢量。
7.如權(quán)利要求1到6任一項(xiàng)所述的力矢量再構(gòu)成法，其特征在于，該傳遞函數(shù)是根據(jù)實(shí)測(cè)制作的。
8.一種力矢量再構(gòu)成法，其特征在于，其是使用了光學(xué)式觸覺傳感器的力矢量再構(gòu)成法，該傳感器具有由透明彈性體和設(shè)置在該彈性體內(nèi)的多個(gè)標(biāo)志組構(gòu)成的觸覺部，各標(biāo)志組分別由多個(gè)有色標(biāo)志構(gòu)成，構(gòu)成不同標(biāo)志組的標(biāo)志的每組具有相互不同的顏色，該力矢量再構(gòu)成法包括取得標(biāo)志圖像步驟，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時(shí)對(duì)該有色標(biāo)志的動(dòng)作進(jìn)行攝影并取得標(biāo)志圖像；取得信息步驟，其根據(jù)該標(biāo)志圖像取得比要求出的力矢量個(gè)數(shù)多的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息；配置采樣點(diǎn)步驟，其根據(jù)該標(biāo)志圖像設(shè)定規(guī)定大小的小區(qū)域，在該小區(qū)域內(nèi)外配置多個(gè)力矢量的采樣點(diǎn)；計(jì)算力矢量步驟，其把該小區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志信息給予傳遞函數(shù)來計(jì)算該多個(gè)力矢量在采樣點(diǎn)上起作用的力矢量；采用力矢量步驟，其采用在該小區(qū)域內(nèi)配置的多個(gè)采樣點(diǎn)的至少一部分采樣點(diǎn)上起作用的力矢量。
9.如權(quán)利要求8所述的力矢量再構(gòu)成法，其特征在于，采樣點(diǎn)在該小區(qū)域內(nèi)被稠密配置，隨著從該小區(qū)域離開而稀疏配置。
10.一種力矢量再構(gòu)成裝置，其特征在于，其是使用了光學(xué)式觸覺傳感器的力矢量再構(gòu)成裝置，該傳感器具有由透明彈性體和設(shè)置在該彈性體內(nèi)的多個(gè)標(biāo)志組構(gòu)成的觸覺部，各標(biāo)志組分別由多個(gè)有色標(biāo)志構(gòu)成，構(gòu)成不同標(biāo)志組的標(biāo)志的每組具有相互不同的顏色，該力矢量再構(gòu)成裝置包括取得標(biāo)志圖像部件，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時(shí)對(duì)該有色標(biāo)志的動(dòng)作進(jìn)行攝影并取得標(biāo)志圖像；取得信息部件，其根據(jù)該標(biāo)志圖像取得比要求出的力矢量個(gè)數(shù)多的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息；配置采樣點(diǎn)部件，其根據(jù)該標(biāo)志圖像設(shè)定規(guī)定大小的小區(qū)域，在該小區(qū)域內(nèi)外配置多個(gè)力矢量的采樣點(diǎn)；計(jì)算力矢量部件，其把該小區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志信息給予傳遞函數(shù)來計(jì)算該多個(gè)力矢量在采樣點(diǎn)上起作用的力矢量；采用力矢量部件，其采用在該小區(qū)域內(nèi)配置的多個(gè)采樣點(diǎn)中至少一部分采樣點(diǎn)上起作用的力矢量。
11.如權(quán)利要求10所述的力矢量再構(gòu)成裝置，其特征在于，采樣點(diǎn)在該小區(qū)域內(nèi)被稠密配置，隨著從該小區(qū)域離開而稀疏配置。
12.如權(quán)利要求10、11任一項(xiàng)所述的力矢量再構(gòu)成裝置，其特征在于，該裝置具有容納該傳遞函數(shù)的存儲(chǔ)部件。
13.一種程序，用于實(shí)現(xiàn)各種功能，其中，在使用了光學(xué)式觸覺傳感器的力矢量再構(gòu)成裝置中，該傳感器具有由透明彈性體和設(shè)置在該彈性體內(nèi)的多個(gè)標(biāo)志組構(gòu)成的觸覺部，各標(biāo)志組分別由多個(gè)有色標(biāo)志構(gòu)成，構(gòu)成不同標(biāo)志組的標(biāo)志的每組具有相互不同的顏色，該程序用于使構(gòu)成力矢量再構(gòu)成裝置的計(jì)算機(jī)具有下面的功能取得標(biāo)志圖像部件，其在物體接觸到該彈性體的接觸面時(shí)對(duì)該有色標(biāo)志的動(dòng)作進(jìn)行攝影，并取得標(biāo)志圖像；取得信息部件，其根據(jù)該標(biāo)志圖像取得比要求出的力矢量個(gè)數(shù)多的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息；配置采樣點(diǎn)部件，其根據(jù)該標(biāo)志圖像設(shè)定規(guī)定大小的小區(qū)域，在該小區(qū)域內(nèi)外配置多個(gè)力矢量的采樣點(diǎn)；計(jì)算力矢量部件，其把該小區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志信息給予傳遞函數(shù)來計(jì)算該多個(gè)力矢量在采樣點(diǎn)上的起作用力矢量；采用力矢量部件，其采用在該小區(qū)域內(nèi)配置的多個(gè)采樣點(diǎn)的至少一部分采樣點(diǎn)上起作用的力矢量。
14.如權(quán)利要求13所述的用于使計(jì)算機(jī)具有功能的程序，其中，其使采樣點(diǎn)在該小區(qū)域內(nèi)被稠密配置，隨著從該小區(qū)域離開而稀疏配置。
全文摘要
一種力矢量再構(gòu)成法，其縮短用于計(jì)算力矢量的計(jì)算時(shí)間。其是使用了光學(xué)式觸覺傳感器的力矢量再構(gòu)成法。其包括取得標(biāo)志圖像步驟，其在物體接觸到了該彈性體的接觸面時(shí)對(duì)該有色標(biāo)志的動(dòng)作進(jìn)行攝影并取得標(biāo)志圖像；取得信息步驟，其根據(jù)該標(biāo)志圖像取得比要求出的力矢量個(gè)數(shù)多的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息；以及取得力矢量步驟，其通過把取得的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息向傳遞函數(shù)中輸入而把力矢量作為輸出來取得，其僅使用要求出的力矢量位置(P)近旁區(qū)域(A1)的關(guān)于標(biāo)志動(dòng)作的信息來計(jì)算力矢量。
文檔編號(hào)G01L1/24GK1853094SQ20048002677
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月16日
發(fā)明者溝田晃一, 神山和人, 梶本裕之, 川上直樹, 館暲 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東京大學(xué)Tlo