Оптический тактильный датчик

Оптический тактильный датчик

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к оптическому тактильному датчику, и, более точно, - к тактильному датчику, используемому для получения сил, приложенных к относительно большей площади.

Предшествующий уровень техники

При рассмотрении понятия контактного состояния контактной поверхности с использованием тактильного датчика имеют в виду вектор с тремя компонентами, представляющими величину и направление силы, действующей в каждой точке контактной поверхности. Это представлено как f(x,y) в системе координат (фиг.1). Здесь f является вектором, и поэтому фактически имеет три компоненты x, y и z в каждой точке. При подробном выражении каждой компоненты это можно представить как f(x,y)=[fx(x,y),fy(x,y),fz(x,y)]. Так как распределение силы имеет три компоненты в каждой точке контакта, чтобы восстановить распределение сил, действующих в каждой точке контактной поверхности при использовании тактильного датчика, необходимо получить информацию для каждой контактной точки на контактной поверхности по меньшей мере с тремя степенями свободы.

Была предложена конструкция оптического тактильного датчика, который может измерять трехмерное распределение вектора силы. Принцип работы оптического тактильного датчика будет объяснен со ссылкой на фиг.2. Оптический тактильный датчик содержит прозрачный гибкий корпус и телекамеру на приборах с зарядовой связью. Путем фотографирования сферических маркеров, расположенных в прозрачном гибком корпусе, с помощью телекамеры на приборах с зарядовой связью измеряется информация о внутренней деформации гибкого корпуса, когда сила прикладывается к поверхности гибкого корпуса и восстанавливается распределение вектора силы из полученной информации.

Получают изображения сферических маркеров с помощью телекамеры на приборах с зарядовой связью в z-направлении, при этом поверхность гибкого корпуса рассматривается как плоскость x-y, а направление, перпендикулярное к плоскости x-y, является осью z. Перемещение точки, которое измеряется, когда прикладывается сила, вычисляется как вектор перемещения в плоскости x-y. Для восстановления распределения вектора силы на основе информации о деформации N×N красных сферических маркеров и синих сферических маркеров располагают на различной глубине в гибком корпусе в качестве точек, для которых проводятся измерения для получения двух наборов двумерных векторов перемещения с различной глубиной в качестве двух частей различной информации, тем самым увеличивается количество информации для восстановления распределения вектора силы.

В качестве использования такого оптического тактильного датчика рассматривается его использование для руки человекоподобного робота и при этом рассмотрение сосредотачивается на маленьком датчике встроенного типа. Однако предполагается, что такой оптический тактильный датчик, который способен измерять трехмерное распределение вектора силы и имеет гибкую поверхность, найдет применение в разнообразных областях, не только для руки робота.

В качестве одного из возможных применений можно рассмотреть использование оптического тактильного датчика как, так называемого, тактильного датчика внешнего типа. В этом описании, в отличие от тактильного датчика встроенного типа, который используется в руке робота, рассматривается тактильный датчик, который используется в фиксированном месте окружающей среды, и определяется как тактильный датчик внешнего типа. Однако в качестве тактильного датчика внешнего типа, который используется в фиксированном месте окружающей среды, предполагается, что будет необходимо измерение распределения силы на большой площади, потому что считается, что такой датчик может применяться, например, на поверхности сиденья стула, поверхности кровати, пола и т.п. Это затрудняет применение традиционно небольшого оптического тактильного датчика, который, встраивается в руку робота (см., например, патент WO 02/188923 A1).

Сущность изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание оптического тактильного датчика, способного измерять распределение силы на большой площади.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа получения информации с помощью маркеров и способа формирования целого изображения с помощью маркеров, который позволяет измерять распределение силы на большой площади.

Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка способа восстановления вектора силы, используемого в оптическом тактильном датчике, способном измерять распределение силы на большой площади.

Поставленная задача в соответствии с настоящим изобретением решена путем создания оптического тактильного датчика, содержащего тактильную часть, имеющую прозрачный гибкий корпус и множество маркеров, расположенных в корпусе, и средство формирования изображения для получения изображения маркера путем фотографирования поведения маркеров, когда объект контактирует с контактной поверхностью прозрачного гибкого корпуса. Оптический тактильный датчик характеризуется тем, что средство формирования изображения содержит множество устройств формирования изображения, каждое из которых выполнено так, что каждая из множества областей формирования изображения, которая записывается с использованием соответствующего устройства формирования изображения, имеет область перекрытия изображения с частичным перекрытием, а оптический тактильный датчик, дополнительно, содержит средство объединения каждого из изображений маркера, которые получены с использованием множества устройств формирования изображения, при этом средство объединения изображений предназначено для объединения области формирования изображения так, что идентичные маркеры в областях перекрытия изображения соответствуют друг другу, посредством чего формируется объединенное изображение.

В соответствии с одним предпочтительным аспектом изобретения тактильная часть содержит тактильную часть большой площади, которая сформирована путем объединения множества тактильных частей малой площади. Следует отметить, что в этом описании под «большой площадью» подразумевается площадь, большая по сравнению с такой тактильной частью, как находящаяся в руке робота, в то время, как под «малой площадью» подразумевается площадь, меньшая по сравнению с «большой площадью». Поверхность сиденья стула, поверхность кровати, поверхность пола и т.п. могут быть отнесены к примерам «большой площади», объекты, которые несколько меньше перечисленных, также включаются в понятие «большая площадь».

Кроме того, предпочтительно, чтобы тактильный датчик содержал блок, состоящий из одной тактильной части малой площади и одного средства формирования изображения, соответствующего тактильной части малой площади. Тактильный датчик сформирован путем объединения множества блоков. Формирование тактильного датчика, использующего чувствительные блоки, обеспечивает создание тактильной части, имеющей требуемую площадь.

Настоящее изобретение касается другой технической методики, включающей способ получения изображения маркера с использованием оптического тактильного датчика, содержащего тактильную часть, имеющую прозрачный гибкий корпус и множество маркеров, расположенных в нем, и средство формирования изображения для получения изображения маркера путем фотографирования поведения маркера, когда объект контактирует с контактной поверхностью прозрачного гибкого корпуса. Способ получения информации о маркере содержит этап использования множества устройств формирования изображения в качестве средств формирования изображения и получения частичного изображения маркера путем фотографирования частичной области прозрачного гибкого корпуса путем использования каждого из множества устройств формирования изображения, так что каждое устройство формирования изображения имеет область перекрытия изображений, и этап формирования объединенного изображения маркера путем объединения частичных изображений маркеров, полученных при использовании средства формирования изображения, так что идентичные маркеры в областях перекрытия фотографий соответствуют друг другу.

Настоящее изобретение использует еще одну техническую методику, включающую способ объединения изображений маркеров, который используется в оптическом тактильном датчике, содержащем тактильную часть, имеющую прозрачный гибкий корпус и множество маркеров, расположенных в корпусе, и множество устройств формирования изображения для получения изображения маркера путем фотографирования поведения маркера, когда объект контактирует с контактной поверхностью прозрачного гибкого корпуса. Способ объединения изображения содержит этап получения частичного изображения путем фотографирования частичной области прозрачного гибкого корпуса с использованием каждого из множества устройств формирования изображения, так что каждое устройство формирования изображения имеет область перекрывающихся изображений, и стадию объединения частичных изображений, полученных с использованием средства формирования изображения, таким образом, что идентичные маркеры в областях перекрытия фотографий соответствуют друг другу.

Что касается конструкции тактильного датчика, предпочтительно, чтобы тактильная часть содержала прозрачный гибкий корпус и множество групп маркеров, расположенных внутри гибкого корпуса, причем каждая группа маркеров содержит множество окрашенных маркеров, при этом маркеры в различных группах маркеров имеют различную окраску. Устройство формирования изображения фотографирует поведение окрашенных маркеров в прозрачном гибком корпусе, когда объект контактирует с поверхностью гибкого корпуса.

Также настоящее изобретение включает калибровку каждого средства формирования изображения при использовании считывающего маркера. Поскольку настоящее изобретение содержит множество устройств формирования изображения, требуется калибровка средств формирования изображения. Поскольку настоящее изобретение имеет в качестве основной компоненты считывающий маркер, этот маркер также может быть использован как калибровочный маркер. Кроме того, настоящее изобретение также включает способ восстановления вектора силы при использовании такого оптического тактильного датчика. Когда вектор силы вычисляется без данных о поведении маркера с меньшим вкладом в вычисления вектора силы, может быть уменьшено время, которое требуется для вычисления вектора силы.

В соответствии с настоящим изобретением, поскольку информация о поведении маркера получается при использовании множества средств формирования изображения, можно предпочтительно управлять даже тактильной частью, имеющей большую площадь. Следовательно, использование датчика в соответствии с настоящим изобретением позволяет измерять распределение вектора силы на большой площади, что, в свою очередь, позволяет определять силу, приложенную к контактной поверхности, имеющей большую площадь, на основе полученной информации о маркере. Кроме того, поскольку считывающий маркер может использоваться для объединения данных об изображении, полученных с помощью средств формирования изображения и калибровки соответствующих средств формирования изображения, датчик может быть сформирован при использовании меньшего числа элементов.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображено распределение векторов сил, приложенных между тактильным датчиком и объектом, находящимся с ним в контакте;

Фиг.2 - принцип оптического тактильного датчика, причем сверху показан вид сверху (изображение, полученное с помощью камеры на приборах с зарядовой связью) прозрачного гибкого корпуса, а снизу показан вид сбоку прозрачного гибкого корпуса, в котором размещены две группы маркеров. Когда сила прикладывается к прозрачному гибкому корпусу снизу, маркер перемещается из положения, показанного на левой схеме, к положению, показанному на правой схеме;

Фиг.3 - схема оптического тактильного датчика согласно изобретению;

Фиг.4 - схема увеличения площади поверхности датчика, причем слева показан блок, содержащий одну камеру на приборах с зарядовой связью и часть гибкого корпуса, а справа показан результат увеличения площади при объединении блоков, согласно изобретению;

Фиг.5 - схема способа объединения данных об изображении, которые получаются при использовании множества средств формирования изображения, согласно изобретению;

Фиг.6 - схема данных об изображении, которые получаются при использовании датчика, показанного на фиг.4, согласно изобретению;

Фиг.7 - схема вектора силы, приложенного к контактной поверхности (плоская поверхность) и перемещение маркера, согласно изобретению;

Фиг.8 - схема вектора силы, приложенного к контактной поверхности (свободно искривленная поверхность) и перемещение маркера, согласно изобретению;

Фиг.9 - схема способа создания передаточной функции для использования при восстановлении распределения вектора силы, согласно изобретению;

Фиг.10 - схема объединенного изображения, полученного при использовании множества камер, и способ уменьшения времени, которое требуется для расчетов при восстановлении вектора силы, в котором, при расчете силы, приложенной в точке, используются данные только для маркеров, расположенных вблизи этой точки, согласно изобретению;

Фиг.11 - схема, объясняющая улучшенный способ с уменьшенным количеством вычислений, на чертеже черные и белые круги представляют выборочные точки для силы, а черный круг показывает результат вычисления, который используется после вычислений, согласно изобретению;

Фиг.12 - схема, показывающая увеличенное количество маркеров, согласно изобретению;

Фиг.13 - схема, показывающая увеличенное количество маркеров и перемещение маркера под действием силы, приложенной в одной точке, согласно изобретению;

Фиг.14 - схема способа увеличения скорости согласно изобретению;

Фиг.15 - схема улучшенного способа согласно изобретению;

Фиг.16 - схема другого варианта реализации маркера (цилиндрический маркер) согласно изобретению;

Фиг.17 - схема еще одного варианта реализации маркера, где верхняя схема показывает ступенчатый полосовой маркер, а нижняя схема показывает пирамидальный маркер, согласно изобретению;

Фиг.18 - схема еще одного варианта реализации маркера (на основе перекрещивающихся полос) согласно изобретению;

Фиг.19 - схема еще одного варианта реализации маркера (плоский маркер на основе выделенных цветов) согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

[А] Основная конструкция оптического тактильного датчика

Оптический тактильный датчик согласно изобретению содержит чувствительную тактильную часть и средство формирования изображения. Тактильная часть содержит прозрачный гибкий корпус и множество групп маркеров, расположенных в указанном корпусе, при этом каждая группа маркеров содержит набор окрашенных маркеров, маркеры, составляющие различные группы маркеров, имеют различную окраску в каждой группе. Средство формирования изображения служит для получения изображения, показывающего поведение окрашенных маркеров, когда поверхность гибкого корпуса находится в контакте с объектом для получения изображений маркеров. Сила, приложенная к поверхности, восстанавливается на основе информации о поведении маркеров, которая получается на основе изображений маркеров.

По меньшей мере одна из характеристик: смещение, деформация и наклон окрашенных маркеров, в том случае, когда гибкий корпус касается объекта, наблюдается при фотографировании поведения окрашенных маркеров. Информацию о деформации внутри прозрачного гибкого корпуса получают из информации о поведении окрашенных маркеров, когда вступающий в контакт объект касается датчика, при этом получают информацию о форме вступающего в контакт объекта на основании информации о деформации, а также о силе, действующей на контактной границе раздела (включая поверхность гибкого корпуса и поверхность вступающего в контакт объекта). В соответствии с настоящим изобретением возможно по отдельности собирать множество видов информации с помощью простого метода, называемого «цветовое кодирование», и при этом возможно получать множество видов тактильной информации с помощью оптической системы. В соответствии с настоящим изобретением независимую наблюдаемую информацию, число наблюдаемых величин которой равно или больше числа неизвестных, получают при использовании цветового кодирования, возможно оценить и восстановить векторы силы путем решения обратной задачи.

Окрашенные маркеры фотографируют с помощью фотографического устройства, в предпочтительном примере - телекамеры на приборах с зарядовой связью, и осуществляют обработку изображения с помощью процессора. Например, изображение во время контакта корпуса с объектом и изображение в предыдущем состоянии (т.е. состоянии, когда внешняя сила не действует на прозрачный гибкий корпус) сравнивают и определяют величину смещения маркеров (вектор перемещения). С другой стороны, маркеры размещены в прозрачном гибком корпусе так, что обычно они не могут быть распознаны (в состоянии, когда внешняя сила не действует на прозрачный гибкий корпус), и конфигурация такова, что маркеры распознают в ответ на деформацию смещения и наклон маркеров, вызванный деформацией вблизи от положений, в которых существует каждый маркер в том случае, когда объект контактирует с прозрачным гибким корпусом, и информацию детектируют при появлении окрашенных маркеров. В другом предпочтительном аспекте поведение маркеров (например, ступенчатых полосовых маркеров) может быть получено на основе изменения интенсивности маркера.

Оптический тактильный датчик сохраняет передаточную функцию, в соответствии с которой векторы сил или распределение векторов сил, приложенных к поверхности гибкого корпуса, восстанавливаются на основе информации, касающейся поведения маркеров (например, векторов перемещения каждого маркера, когда объект вступает в контакт с поверхностью), полученной с помощью устройства фотографирования. Передаточная функция представляет собой функцию, которая связывает информацию о силе, приложенной к поверхности датчика, с информацией, касающейся поведения маркеров (например, вектора перемещения). Видеоинформацию о маркерах получают путем фотографирования окрашенных маркеров, когда объект контактирует с чувствительной поверхностью гибкого корпуса, и информацию, касающуюся поведения маркеров, получают из видеоинформации о маркерах. Вектор силы получают на выходе при введении полученной информации в передаточную функцию. Количество наблюдаемых величин, относящихся к информации, касающейся поведения маркеров, которая вводится в передаточную функцию, больше, чем количество полученных векторов силы.

Передаточная функция, в зависимости от формы гибкого корпуса, может получаться на основе уравнения, полученного из теории упругости. Однако, когда поверхность гибкого корпуса является произвольно искривленной поверхностью, передаточная функция предпочтительно получается путем измерения или моделирования. Передаточная функция, полученная путем измерения или моделирования, может формироваться на основе информации (векторов перемещения), касающейся поведения маркеров, когда силы в x-направлении, y-направлении и z-направлении, имеющие заданную величину, прикладываются к пробным точкам, расположенным на поверхности датчика.

На фиг.3 показана конструкция оптического тактильного датчика настоящего изобретения. Датчик содержит прозрачный гибкий корпус 1, изготовленный из прозрачного эластичного материала, и искривленную поверхность 2 или поверхность для считывания. Прозрачный гибкий корпус 1 снабжен множеством окрашенных маркеров 3, 4, введенных в прозрачный гибкий корпус 1 вблизи от поверхности 2 и вдоль искривленной поверхности 2. Чувствительная часть содержит прозрачный гибкий корпус 1 и окрашенные маркеры 3, 4, расположенные внутри гибкого корпуса.

Окрашенные маркеры 3, 4 содержат две группы окрашенных маркеров, которые размещены соответственно на различной глубине от поверхности 2. Окрашенные маркеры 3, составляющие одну группу маркеров, и окрашенные маркеры 4, составляющие другую группу маркеров, имеют различную окраску. Например, одна группа маркеров состоит из множества синих маркеров 3, и другая группа маркеров состоит из множества красных маркеров 4.

Когда объект 5 контактирует с прозрачным гибким корпусом 1, окрашенные маркеры 3, 4, расположенные внутри прозрачного гибкого корпуса 1, смещаются благодаря внутренней деформации гибкого корпуса. Датчик также снабжен камерой 6 в качестве фотографирующего устройства и источником света 7. Оптическая камера 6 расположена на стороне, противоположной стороне контакта с объектом 5, поэтому прозрачный гибкий корпус 1 расположен между оптической камерой 6 и объектом 5, и поведение или перемещение маркеров 3, 4 фотографируется камерой 6. Источник света 7 может передавать световое излучение по волноводу, например оптическому волокну. Изображения маркеров 3, 4, полученные с помощью камеры 6 как средства формирования изображения, передаются на компьютер 8, и изображения маркеров отображаются на дисплее. Процессор компьютера 8 просчитывает информацию о маркере (вектора перемещения в качестве информации о перемещении), касающуюся поведения (смещения, деформации или наклона) маркеров. Процессор восстанавливает распределение сил, приложенных к поверхности 2 со стороны объекта 5, используя информацию о маркере (информацию о перемещении) и передаточную функцию, которая сохраняется в памяти устройства компьютера 8.

Прозрачный гибкий корпус 1 предпочтительно изготовлен из силиконовой резины, но также он может быть выполнен из другого эластичного материала, из другого типа резины или эластомера. Маркеры предпочтительно изготавливают из эластичного материала, и, более предпочтительно, из того же материала, что и прозрачный гибкий корпус 1. В одном предпочтительном варианте реализации они формируются при добавлении пигмента к силиконовой резине. Так как деформация гибкого корпуса не должна подавляться маркерами, маркеры также предпочтительно изготавливают из эластичного материала (предпочтительно имеющего такую же постоянную упругости, как и гибкий корпус). Материал маркеров особо не ограничивается, поскольку расстояние, до которого деформация гибкого корпуса подавляется, является достаточно малым. Также возможно, чтобы маркеры составляли часть гибкого корпуса.

В настоящем изобретении множество оптических маркеров распределены внутри прозрачного гибкого корпуса 1, и информация о вступающем в контакт объекте и информация о смещении и деформации внутри гибкого корпуса, полученные за счет контакта, фиксируются при фотографировании камерой ситуаций, когда смещение, деформация и наклон возникают в маркерах из-за деформации гибкого корпуса 1 как результат контакта объекта и гибкого корпуса 1 при использовании камеры. На фиг.3 показаны две группы маркеров, но количество групп маркеров не ограничивается, и три группы маркеров могут располагаться в виде слоев вдоль поверхности 2.

Камера, как устройство фотографирования, является цифровой камерой, а именно камерой для вывода данных изображения в виде электрических сигналов, и в одном предпочтительном варианте реализации она представляет собой телекамеру на приборах с зарядовой связью. Также возможно применять, например, цифровую камеру, использующую датчик изображения типа КМОП (C-MOS). Если три типа маркеров представляют собой красные, зеленые и синие маркеры, существует два способа восприятия этих трех цветов по отдельности. Первый способ состоит в использовании для выделения цветных светофильтров, при этом каждый маркер может рассматриваться как индивидуально сфотографированный при рассмотрении сигнала «красный-зеленый-синий», выходящего из камеры. Второй способ представляет собой способ, когда элементы формирования изображения воспринимают только интенсивность света, и изготавливаются световые источники «красный-зеленый и синий». Когда красный светится, свет отражается только от красных маркеров, в то время, как красный свет поглощается маркерами двух других цветов, и поэтому камера эффективно воспринимает только красные маркеры. Если это также осуществляется в течение отдельного времени для зеленого и синего цвета, может быть получена информация, эквивалентная той, которая получается при использовании первого способа.

[В] Тактильный датчик внешнего типа

Ниже описан вариант реализации тактильного датчика внешнего типа в соответствии с настоящим изобретением. Тактильный датчик внешнего типа содержит множество блоков. Как показано слева на фиг.4, блок датчика содержит одну тактильную часть 10 малой площади и одну телекамеру 6 на приборах с зарядовой связью, которая служит средством формирования изображения для фотографирования тактильной части 10 малой площади. Как описано выше в связи с основной структурой, тактильная часть 10 малой площади содержит прозрачный гибкий корпус и окрашенные маркеры, расположенные внутри прозрачного гибкого корпуса. Когда объект вступает в контакт с чувствительной поверхностью прозрачного гибкого корпуса, окрашенные маркеры, расположенные внутри прозрачного гибкого корпуса, перемещаются, и телекамера 6 на приборах с зарядовой связью фотографирует перемещения окрашенных маркеров. Затем, как показано справа на фиг.4, множество блоков датчика объединяются для формирования поверхности датчика, имеющей большую площадь. При настилании тактильных частей 10 малой площади таким образом, чтобы сформировалась плоскость с краями тактильных частей, примыкающими друг к другу, образуется тактильная часть 100 большой площади. Показанная тактильная часть 10 малой площади имеет квадратную форму на виде сверху. Хотя форма тактильной части малой площади не ограничивается квадратной, тактильная часть квадратной формы является преимущественной, когда настилается множество тактильных частей малой площади. Хотя на чертеже показана тактильная часть малой площади, имеющая плоскую чувствительную поверхность 10, чувствительная поверхность 10 не ограничивается плоской формой. Подходящей является чувствительная поверхность, имеющая произвольную искривленную форму.

Поскольку используется множество телекамер 6 на приборах с зарядовой связью, необходимо объединение данных об изображении, полученных с использованием соответствующих телекамер 6. На фиг.5 показана схема, объясняющая объединение изображений, полученных при использовании множества камер. Такое изображение отображается, например, на дисплее компьютера 8. Первоначально, при использовании множества телекамер 6, изображения тактильной части 10 малой площади выполняют таким образом, что соответствующие области фотографий частично перекрывают друг друга. Следовательно, соответствующие изображения, полученные с помощью камер, объединяются, так что маркеры в области перекрытия фотографий 11 соответствуют друг другу, соответственно объединяя данные об изображении. На фиг.5 черный круг представляет синий маркер, а белый круг представляет красный маркер, и области фотографии телекамеры 1 и телекамеры 2 имеют область перекрытия фотографий 11. Синие и красные маркеры внутри области, соответствующей области перекрытия фотографий 11 в области фотографий для камеры 1, а также эти маркеры внутри области, соответствующей области перекрытия фотографий 11 в области фотографий для камеры 2, приводятся в соответствие друг с другом, в результате чего частичные изображения, полученные с использованием камеры 1 и камеры 2, объединяются. Нужно отметить, что хотя здесь дается ссылка на сферический маркер, маркер другой формы, как описано ниже, может аналогично использоваться для объединения изображения.

Изображение, полученное с помощью четырех телекамер на приборах с зарядовой связью (фиг.4), представлено на фиг.6. Предположим, что соответствующие области фотографий, сфотографированные соответствующими телекамерами, на приборах с зарядовой связью обозначены как А, В, С и D, области фотографий А, В, С и D объединяются таким образом, что области перекрывающихся фотографий 11 появляются в областях А и В, областях А и С, областях В и D, областях С и D соответственно. Нужно отметить, что маркеры исключены из фиг.6. Каждая камера конструируется таким образом, чтобы фотографировать поведение маркеров, расположенных в области, размещенной перед камерой, и соответственно размещаемые области имеют взаимно пересекающиеся части. В соответствии с одним аспектом изобретения каждая из соответствующих камер устанавливается впереди так, чтобы фотографировать предварительно заданную частичную область прозрачного гибкого корпуса, и сконструирована так, что объединение изображений соответствующих предварительно заданных частичных областей, полученное при использовании соответствующих камер, позволяет формировать полное изображение прозрачного гибкого корпуса.

Ниже описывается калибровка камеры, которая необходима, когда используется множество средств формирования изображения (телекамер на приборах с зарядовой связью). В общем, калибровка камеры применяется для коррекции искажения, возникающего в полученном изображении из-за линз, а также для определения положения и ориентации камеры во внешней системе координат. Появление искажений из-за линзы является неизбежным при использовании широкой линзы. Положение и ориентация камеры наиболее точно определяются при использовании данных об изображении. В этом тактильном датчике, поскольку должна быть определена корреляция между данными об изображении и реальным положением, необходимо осуществлять калибровку камеры. В общем, в измерительной системе, использующей множество камер, должна осуществляться следующая процедура. Первоначально полосатый или черно-белый керамический образец с известными интервалами размещают в положении, которое известно по отношению к внешней системе координат, и образец фотографируют. Затем вычисляют смещение по сравнению с изображением, которое было бы получено, когда линза не имеет искажения, с использованием полученного изображения, и определяют искажения линзы, положение и ориентацию камеры. В тактильном датчике внешнего типа, который аналогично использует множество камер, полосатый или черно-белый керамический образец с известными интервалами располагают в известном положении как окрашенный маркер для считывания, служащий в качестве изображения. Следовательно, калибровка камеры, которая изначально должна проводиться перед сборкой измерительной системы, может проводиться в любое время после сборки.

[С] Способ восстановления распределения вектора силы на чувствительной поверхности

Для получения распределения вектора силы, приложенной к поверхности датчика, на основе информации, полученной от оптического тактильного датчика (векторов перемещения маркеров), касающейся поведения маркеров, требуется преобразование информации М (информации о перемещении), касающейся поведения маркеров, в информацию F о силе. Преобразование информации М о поведении маркеров в информацию F о силе производится на основе уравнения F=HM. Со ссылкой на фиг.7 и 8 будет описан способ восстановления распределения вектора силы на основе информации о маркерах, в основе которого лежит способ получения распределения вектора силы на основе векторов перемещения маркеров. На фиг.7 показана плоская чувствительная поверхность, а на фиг.8 показана произвольно искривленная чувствительная поверхность. Для упрощения рассматривается только двумерное сечение (направление вдоль оси y исключается), алгоритм является таким же для общего трехмерного пространства.

Обозначение f относится к вектору силы, приложенной к контактной поверхности, а обозначения m и n относятся к вектору перемещения синего маркера и вектору перемещения красного маркера в элементе телекамеры на приборах с зарядовой связью. Рассматриваются дискретные конечные точки (четыре точки на фиг.7 и 8). Как упоминалось выше, распределение вектора силы имеет три компоненты (x компоненту, y компоненту и z компоненту), но рассматриваются только две компоненты (x компонента и z компонента). В общем, получение изображения с помощью камеры означает проецирование трехмерного объекта на пиксельную плоскость двумерной плоскости таким образом, что на плоскость проецируется только перемещение маркеров в горизонтальном направлении (x компонента и y компонента). При этом перемещение маркера наблюдается только в x направлении.

Восемь компонент f=[fx(1), fx(2), fx(3), fx(4), fz(1), fz(2), fz(3), fz(4)] представляют собой распределение полученных векторов сил, где m=[m(1), m(2), m(3), m(4)] и n=[n(1), n(2), n(3), n(4)] являются векторами перемещения, которые измеряются. Вектора m и n представляют как Х. А именно X=[m(1), m(2), m(3), m(4), n(1), n(2), n(3), n(4)]. Вектора перемещения m и n, которые наблюдаются, когда единичную силу (величина равна 1) в направлении x прикладывают в точке 1, представляют как Mx(1).

А именно Mx(1)=[m(1), m(2), m(3), m(4), n(1), n(2), n(3), n(4)], когда f=[1,0,0,0,0,0,0,0]. Аналогично, вектор смещения каждого маркера, когда единичная сила в z-направлении приложена в точке 1, представляют как Mz(1), вектор перемещения каждого маркера, когда единичная сила в x-направлении приложена в точке 2 представляют как Mx(2) и т.д. В случае линейного гибкого корпуса, когда соотношение линейной суммы сохраняется между приложенными силами и деформациями (большинство гибких корпусов удовлетворяют этим характеристикам), векторы перемещения представляются как

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

где даны общие силы f=[fx(1), fx(2), fx(3), fx(4), fz(1), fz(2), fz(3), fz(4)]. Наоборот, тот факт, что векторы перемещения могут быть представлены, как упомянуто выше, означает, что суперпозиция сил сохраняется, следовательно, гибкий корпус является линейным гибким корпусом.

Когда уравнение представляется в матричной форме, X=H×f, где H=[Mx(1); Mx(2); …; Mz(4)]. H называется передаточной функцией, потому что H представляет собой отображение, которое преобразует силу f в деформацию x. Форма матрицы, записанной с элементами, является следующей:

где Hmx(x1,x2) представляет собой величину смещения в направлении x маркера m на определенной глубине с координатой x=x1 с единичной силой в направлении x, приложенной к поверхности в точке с координатой x=x2. Аналогично, Hnz(x1, x2) представляет величину смещения в направлении z маркера n на определенной глубине с координатой x=x1 с единичной силой в направлении z, приложенной к поверхности в точке с координатой x=x2.

Это простое перемножение матриц, где x соответствует матрице 1×8, Н соответствует квадратной матрице 8×8 и f содержит 1×8 компонент. Таким образом, f может быть получена при умножении наблюдаемой х на обратную матрицу Н. А именно f=inv(H)×Х (уравнение 1), где inv представляет собой обратную матрицу (обратную обобщенную матрицу).

Форма матрицы, записанной с элементами, является следующей:

где Imx(1, 1) и т.п. представляют каждый элемент inv(H), а также вклад m(1) для вычисления fx(1).

Важный момент состоит в том, что количество наблюдаемых данных должно быть равно или больше количества неизвестных при определении неизвестных с использованием обратной матрицы, определяемой передаточной функцией. Для решения этой проблемы в настоящем изобретении используются два слоя различно окрашенных групп маркеров, чтобы увеличить число независимых наблюдаемых данных до восьми путем наблюдения перемещения каждого маркера в двух группах маркеров, расположенных в виде слоев.

В случае трехмерного пространства (где добавляется ось y) в точке вектор силы имеет три степени свободы, и вектор горизонтального перемещения маркеров имеет две степени свободы. Если число пробн