(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物との接触部である前記対象物の形状に応じて変形可能な膜（６）と、
前記膜の対象物が接触する側とは反対側から前記膜を保持する部材（７、８）と、
前記膜の形状に関する情報を抽出する形状抽出手段（４、５、１１）と、
前記膜を基準としたとき、前記対象物が接触する側とは反対側にある空間の圧力に関する情報を抽出する圧力抽出手段（１０、１９、２０）と、
前記膜の形状に関する情報及び前記圧力に関する情報を用いて力に関する情報を計測する力計測手段と、
を備えることを特徴とする６軸力計測装置。
【請求項２】
前記空間が、前記膜と前記部材とで構成される閉空間であることを特徴とする請求項１に記載の６軸力計測装置。
【請求項３】
前記圧力抽出手段が、任意の時点の前記閉空間の圧力を求める際に、前記任意の時点における前記閉空間の体積と、前記任意の時点よりも前の時点における前記閉空間の圧力と体積を利用し、それらの物理量を含んだ関数から前記任意の時点における前記閉空間の圧力を抽出することを特徴とする請求項２に記載の６軸力計測装置。
【請求項４】
前記閉空間の体積が、前記膜の形状から求めた体積であることを特徴とする請求項２又は３に記載の６軸力計測装置。
【請求項５】
前記膜の一部あるいは全てを撮像可能な撮像手段を備え、
前記閉空間の体積は、前記撮像手段で撮像した、前記膜の一部あるいは全てから抽出した体積であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の６軸力計測装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の６軸力計測装置を利用して、前記６軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測する６軸力計測方法であって、
前記形状抽出手段によって前記膜の形状を抽出するステップと、
前記圧力抽出手段によって前記空間の圧力を抽出するステップと、
前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割するステップと、
一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出するステップと、
前記力学量に関する式と前記空間の圧力から前記膜に作用する張力を求めるステップと、
前記膜に作用する張力と前記空間の圧力から前記６軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを抽出するステップと
を含むことを特徴とする６軸力計測方法。
【請求項７】
前記力学量に関する式が、前記要素に作用する力及びモーメントのつり合いの式であることを特徴とする請求項６に記載の６軸力計測方法。
【請求項８】
前記膜の形状に基づき、前記膜が対象物に接触していない非接触領域に関する情報を抽出するステップを含み、
前記力学量に関する式が、前記膜が対象物に接触していない非接触領域に関する情報を用いて求めた式であることを特徴とする請求項６又は７に記載の６軸力計測方法。
【請求項９】
前記非接触領域に関する情報を抽出するステップでは、前記膜と前記部材の接触部からある距離以内に含まれる領域を前記非接触領域とすることを特徴とする請求項８に記載の６軸力計測方法。
【請求項１０】
前記膜に作用する張力方向に関する情報を抽出するステップを含み、
前記力学量に関する式が、前記膜に作用する張力方向に関する情報を用いて求めた式であることを特徴とする請求項６又は７に記載の６軸力計測方法。
【請求項１１】
前記膜に作用する張力方向に関する情報を抽出するステップは、前記膜に設けたマーカ（１２）の位置情報から前記張力方向に関する情報を抽出するステップであることを特徴とする請求項１０に記載の６軸力計測方法。
【請求項１２】
前記マーカの位置情報が、前記マーカを撮像手段で撮影することによって抽出した前記マーカの位置情報であることを特徴とする請求項１１に記載の６軸力計測方法。
【請求項１３】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の６軸力計測装置と、
前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割する膜要素分割手段と、
一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出する力学式導出手段と、
前記力学量に関する式と前記反対側の空間の圧力から前記膜に作用する張力を求める張力抽出手段と、
前記膜に作用する張力と前記反対側の空間の圧力から前記６軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを抽出する６軸力抽出手段と
を備えることを特徴とする６軸力計測システム。
【請求項１４】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の６軸力計測装置と、
前記膜のうち、前記反対側の面に配置されたマーカ部と、
前記膜に対象物が接触した際の前記マーカ部の挙動を撮影するマーカ部撮像手段と、
光の強度の解析による３次元形状情報の取得手段と、
光の明るさの解析による触覚情報を抽出する触覚情報抽出手段と
を備えることを特徴とする光学式触覚センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光学式触覚センサを利用して、力学量及び前記光学式触覚センサに作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測する力学量計測方法であって、
前記触覚情報抽出手段を用いて力学量を計測するステップと、
前記６軸力計測装置を用いて前記光学式触覚センサに作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測するステップと
を含むことを特徴とする力学量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、６軸力計測装置、６軸力計測方法、６軸力計測システム、光学式触覚センサ、力学量計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボット事業において、人と協調し、環境に適応できる自律型ロボットの開発に力を注がれ、その実用化も少しずつ近づいている。産業用ロボットとは異なり、ロボットが自律して行動するためには、人と同様に環境を認識する能力が必要となり、触覚センサの開発が数多く進められている。中でも、ロボットが対象物と接触した際の接触力を計測するタイプのセンサは最も多く存在し、その原理は抵抗式、静電容量式、圧電式、超音波式等、様々である。しかし、これらの原理のセンサは、多数の素子を接触表面に配列するものが多く、構造の簡易化や小型化が困難であり、ロボットに搭載する上で課題を多く残している。
【０００３】
一方で、接触表面を弾性体で構成し、弾性体の変形情報から接触力の情報を取得するセンサも存在する。多くの素子を必要としないため、構造の簡略化や小型化をする上で有利であり、さらに、接触表面が弾性体であるため、周囲の環境や接触物に対して馴染み易いことは大きな利点と考えられる。例えば、平面形状を持つ接触表面の弾性体内部に二層のマーカを設け、そのマーカを撮像手段で撮影することで、マーカの位置情報から三軸力分布を取得するセンサが開発されている。（例えば、特許文献１参照）また、接触部が複数の柱状の突起が設けられた弾性体で構成され、対象物が接触することで弾性体が内部のアクリル板と接触し、板内部に照射される光の散乱現象を撮像手段で撮影し解析することで、三軸力分布を取得するセンサが開発されている。（例えば、特許文献２参照）他にも、対象物の接触によって変形する弾性体膜を、数種類の色を持つ光を照射し撮像手段で撮影することで、弾性体膜の変形状態を抽出し接触力の大きさや方向を算出するセンサも存在する。（例えば、特許文献３参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ２００５／０２９０２８号公報
【特許文献２】特開平７−１２８１６３号公報
【特許文献３】特開２００９−１４５０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記で述べたセンサは、接触力の計測は可能であるものの、法線力やせん断力のみの計測に限定し、モーメントの計測を考慮していないものも多い。ロボットが周囲の環境をより正確に認識するためには、多次元の力情報を取得可能なセンサであることが望ましい。また、多くの素子を接触表面に使用するセンサや、弾性体表面の内部に比較的固い板が配置されている構造のセンサ（例えば、特許文献２参照）の殆どは、対象物の接触に対して接触表面が十分に変形することが困難であり、すなわち対象物に馴染みにくい構造を持つ。例えば、ロボットの指のように対象物との安定した接触状態を要求される分野へセンサを適用する場合、十分な接触領域を確保できないため困難であると言える。
【０００６】
接触表面の弾性体の変形情報を利用するセンサの場合、これらの問題を解決できる可能性があるが、弾性体の変形情報から力の情報を取得する方法に問題が生じる場合が多い。弾性体の応力と歪みの関係は一般に解析が複雑であるため、応力と歪みの間に線形関係を仮定する手法や、予め取得した変形情報と力の情報から、実験的に応力と歪みの関係を推定する手法があるが、これらの手法では弾性体が大変形や複雑な変形を生じた場合に、使用した応力・歪み関係が本来の関係から離れていき、計測精度が悪化してしまう可能性がある。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、対象物との接触部分を弾性体で構成することで対象物に対して馴染み易い構造を実現し、弾性体の変形情報から力の情報を取得する際に、応力と歪みの関係の使用しないことで弾性体の持つ複雑な変形特性の影響を受けにくい手法を使用し、さらに対象物の形状に依存せず６軸方向の力の計測を可能とする、６軸力計測装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、従来の触覚センサの能力を備えたまま、同時に６軸力の計測を可能とする新しい触覚センサ、力学量計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、対象物との接触部である前記対象物の形状に応じて変形可能な膜（６）と、前記膜の対象物が接触する側とは反対側から前記膜を固定する部材（７、８）と、前記膜の形状を抽出する形状抽出手段（４、５、１１）と、前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出する圧力抽出手段（１０、１９、２０）とを含む６軸力計測装置をその要旨とする。
【０００９】
従って、請求項１に記載の発明によると、変形可能な膜と、それを保持する部材と、形状抽出手段と、圧力抽出手段の４つで構成されており、比較的小さく簡単な構造で処理することができる。よって、従来の光学式触覚センサのシステムと組み合わせる際やその他の分野への応用の際に、他の６軸力計測装置よりも容易に応用可能となる。
【００１０】
また、対象物との接触部である膜は、対象物の形状に応じて変形可能であるため、対象物に馴染みやすいことが挙げられる。したがって、対象物との安定した接触の維持や対象物を傷つけない接触が可能となる。
【００１１】
なお、「変形可能な膜」は、シリコ−ンゴムなどのシリコ−ン樹脂から形成されることが好ましいが、他のゴム類やエラストマ−などの他の弾性体から形成されていてもよい。
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記膜と前記部材が、前記膜の対象物が接触する側とは反対側に前記膜と前記部材で構成される閉空間を有することをその要旨とする。
【００１２】
従って、請求項２に記載の発明によると、前記膜と前記部材が、前記膜と前記部材で構成される閉空間を有するため、前記圧力抽出手段によって圧力を抽出する際に、閉空間であれば抽出が比較的容易となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記圧力抽出手段が、任意の時点の前記閉空間の圧力を求める際に、前記任意の時点における前記閉空間の体積と、前記任意の時点よりも前の時点における前記閉空間の圧力と体積を利用し、それらの物理量を含んだ関数から前記任意の時点における前記閉空間の圧力を抽出することをその要旨とする。
【００１４】
従って、請求項３に記載の発明によると、前記圧力抽出手段によって圧力を抽出する際に、圧力センサなどの専用の装置が不要となる。従って、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記閉空間の体積が、前記膜の形状から求めた体積であることをその要旨とする。
従って、請求項４に記載の発明によると、前記閉空間の体積を前記膜の形状から求めることが可能なため、前記閉空間の体積を求めるための手段や装置を新たに必要としない。従って、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項において、前記閉空間の体積が、前記閉空間の一部あるいは全てを撮像手段（４）で撮影することによって抽出した体積であることをその要旨とする。
【００１７】
従って、請求項５に記載の発明によると、前記閉空間の体積を撮像手段で撮影することによって抽出可能なため、比較的小型な装置によって実現される。従って、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
【００１８】
「撮像手段」としては、画像情報を電気信号として出力するカメラを用いることが好ましく、特にデジタルカメラを用いることが好ましい。ここで、「デジタル式カメラ」としては、ＣＣＤカメラや、Ｃ−ＭＯＳ式イメ−ジセンサを用いたデジタルカメラなどが挙げられる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項において、請求項１〜５のいずれか１項に記載の６軸力計測装置を利用して、前記６軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測する方法であって、前記形状抽出手段によって前記膜の形状を抽出するステップと、前記圧力抽出手段によって前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出するステップと、前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割するステップと、一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出するステップと、前記力学量に関する式と前記反対側の空間の圧力から前記膜に作用する張力を求めるステップと、前記膜に作用する張力と前記反対側の空間の圧力から前記６軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメント抽出するステップとを含むことをその要旨とする。
【００２０】
従って、請求項６に記載の発明によると、前記形状抽出手段によって前記膜の形状を抽出し、次に前記圧力抽出手段によって前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出し、さらに前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割し、それを用いて一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出した後に、前記力学量に関する式と前記反対側の空間の圧力から前記膜に作用する張力を求め、最後に前記膜に作用する張力と前記反対側の空間の圧力から前記６軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを抽出する。即ち、単純な装置と手段によって６軸力の計測が可能となり、リアルタイムでの６軸力計測が可能となる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記力学量に関する式が、前記要素に作用する力及びモーメントのつり合いの式であることをその要旨とする。
従って、請求項７に記載の発明によると、前記力学量に関する式が、前記要素に作用する力及びモーメントのつり合いの式であるため、前記膜が有する複雑な応力歪み関係を使用としない。したがって、前記膜が大変形や複雑な変形をしても、計測精度を保持したまま計測可能である。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７において、前記力学量に関する式が、非接触領域抽出手段によって抽出した前記膜が対象物に接触していない非接触領域に関する情報を用いて求めた式であることをその要旨とする。
【００２３】
従って、請求項８に記載の発明によると、前記力学量に関する式が、非接触領域抽出手段によって抽出した前記膜が対象物に接触していない非接触領域に関する情報を用いて求めた式であるため、本来前記力学量に関する式は、前記膜に対して前記膜の張力及び圧力のみを考慮し、対象物の接触によって生じる接触力の影響が問題となるが、その影響を防ぐことが可能となる。
【００２４】
請求項９に記載の発明は、請求項６〜８のいずれか１項において、前記力学量に関する式が、張力方向抽出手段によって求めた前記膜に作用する張力方向に関する情報を用いて求めた式であることをその要旨とする。
【００２５】
従って、請求項９に記載の発明によると、前記力学量に関する式が、張力方向抽出手段によって求めた前記膜に作用する張力方向に関する情報を用いて求めた式であるため、実際に前記膜に作用している張力の挙動をより正確に考慮することが可能となる。
【００２６】
請求項１０に記載の発明は、請求項６〜９のいずれか１項において、前記非接触領域抽出手段が、前記膜と前記部材の接触部からある距離以内に含まれる領域を前記非接触領域とすることをその要旨とする。
【００２７】
従って、請求項１０に記載の発明によると、前記非接触領域抽出手段が、前記膜と前記部材の接触部からある距離以内に含まれる領域を前記非接触領域とするため、このような条件を設けることで、前記非接触領域の抽出を簡略化することが可能となる。
【００２８】
請求項１１に記載の発明は、請求項６〜１０のいずれか１項において、前記張力方向抽出手段が、前記膜にマーカ（１２）を設け、前記マーカの位置情報から前記張力方向に関する情報を抽出する手段であることをその要旨とする。
【００２９】
従って、請求項１１に記載の発明によると、前記膜に設けられたマーカによって、前記膜に作用する張力方向を抽出可能であるため、複雑な装置や手段を必要とせず比較的容易な方法で実現できる。
【００３０】
請求項１２に記載の発明は、請求項６〜１１のいずれか１項において、前記マーカの位置情報が、前記マーカを撮像手段で撮影することによって抽出した前記マーカの位置情報であることをその要旨とする。
【００３１】
従って、請求項１２に記載の発明によると、前記マーカの位置情報を撮像手段で撮影することによって抽出可能であるため、比較的小型な装置によって実現される。従って、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
【００３２】
「撮像手段」としては、画像情報を電気信号として出力するカメラを用いることが好ましく、特にデジタルカメラを用いることが好ましい。ここで、「デジタル式カメラ」としては、ＣＣＤカメラや、Ｃ−ＭＯＳ式イメ−ジセンサを用いたデジタルカメラなどが挙げられる。
【００３３】
請求項１３に記載の発明は、対象物との接触部である前記対象物の形状に応じて変形可能な膜と、前記膜の対象物が接触する側とは反対側から前記膜を固定する部材と、前記膜の形状を抽出する形状抽出手段と、前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出する圧力抽出手段とを含む６軸力計測装置と、前記膜の形状を抽出する前記形状抽出手段と、前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出する前記圧力抽出手段と、前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割するステップと膜要素分割手段と、一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出する力学式導出手段と、前記力学量に関する式と前記反対側の空間の圧力から前記膜に作用する張力を求める張力抽出手段と、前記膜に作用する張力と前記反対側の空間の圧力から前記６軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを抽出する６軸力抽出手段とを備えることを特徴とする６軸力計測装置を利用した６軸力計測システムをその要旨とする。
【００３４】
従って、請求項１３に記載の発明によると、前記形状抽出手段によって前記膜の形状を抽出し、次に前記圧力抽出手段によって前記膜の対象物が接触する側とは反対側の空間の圧力を抽出し、さらに前記膜の形状から前記膜をいくつかの要素に分割し、それを用いて一つあるいは複数の前記要素に対して力学量に関する式を導出した後に、前記力学量に関する式と前記反対側の空間の圧力から前記膜に作用する張力を求め、最後に前記膜に作用する張力と前記反対側の空間の圧力から前記６軸力計測装置に作用する任意の軸方向の力及びモーメントを抽出する。即ち、単純な装置と手段によって６軸力の計測が可能となり、リアルタイムでの６軸力計測が可能となる。
【００３５】
請求項１４に記載の発明は、前記６軸力計測装置が備える前記膜（接触部）の対象物が接触する側とは反対側に配置されたマーカ部と、前記膜に対象物が接触した際の前記マーカ部の挙動を撮影する撮像手段とを備えたことを特徴とする触覚情報抽出手段と、請求項１〜５のいずれか１項に記載の６軸力計測装置からなる光学式触覚センサをその要旨とする。
【００３６】
従って、請求項１４に記載の発明によると、触覚部（接触部）にマーカ部が配置され、その挙動を撮像手段によって撮影するような光学式触覚センサと、本発明の６軸力計測方法・装置を組み合わせることが可能である。形状計測装置の膜にマーカ部を配置し、それを形状計測装置が持つ撮像手段によって撮影すれば、マーカ部を持つ光学式触覚センサの機能を果たすことが可能である。即ち、この６軸力計測方法・装置は、触覚センサへの応用だけでなく、従来の触覚センサの機能を保持したまま６軸力計測を可能とする装置を実現できる。
【００３７】
請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の光学式触覚センサを利用して、力学量及び前記光学式触覚センサに作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測する方法であって、前記触覚情報抽出手段を用いて力学量を計測するステップと、前記６軸力計測方法を用いて前記光学式触覚センサに作用する任意の軸方向の力及びモーメントを計測するステップとを含むことを特徴とする、光学式触覚センサを利用した力学量計測方法をその要旨とする。
【００３８】
従って、請求項１５に記載の発明によると、触覚部（接触部）にマーカ部が配置され、その挙動を撮像手段によって撮影するような光学式触覚センサと、本発明の６軸力計測方法・装置を組み合わせることが可能である。形状計測装置の膜にマーカ部を配置し、それを形状計測装置が持つ撮像手段によって撮影すれば、マーカ部を持つ光学式触覚センサの機能を果たすことが可能である。即ち、この６軸力計測方法・装置は、触覚センサへの応用だけでなく、従来の触覚センサの機能を保持したまま６軸力計測を可能とする方法を実現できる。
【００３９】
前記力学量としては、例えば、滑り、摩擦係数、形状、対象物の位置、対象物の姿勢からなる群から選ばれる１種以上が挙げられる。
（発明の効果）
以上詳述したように、請求項１に記載の発明によれば、６軸力計測装置の製作が容易になり、形状計測装置の小型化が容易になる。また，従来の光学式触覚センサのシステムやその他の分野への応用が容易になる。
【００４０】
請求項２に記載の発明によれば、前記圧力抽出手段によって圧力を抽出する際に、閉空間であるため抽出が比較的容易となる。
請求項３に記載の発明によれば、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
【００４１】
請求項４に記載の発明によれば、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
請求項５に記載の発明によれば、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
請求項６に記載の発明によれば、単純な装置と手段によって６軸力の計測が可能となり、リアルタイムでの６軸力計測が可能となる。
【００４２】
請求項７に記載の発明によれば、前記膜が大変形や複雑な変形をしても、計測精度を保持したまま計測可能である。
請求項８に記載の発明によれば、前記力学量に関する式に対して、対象物の接触によって生じる接触力の影響を防ぐことが可能となる。
【００４３】
請求項９に記載の発明によれば、実際に前記膜に作用している張力の挙動をより正確に考慮することが可能となる。
請求項１０に記載の発明によれば、前記非接触領域の抽出を簡略化することが可能となる。
【００４４】
請求項１１に記載の発明によれば、複雑な装置や手段を必要とせず比較的容易な方法で、前記膜に作用する張力方向を抽出可能である。
請求項１２に記載の発明によれば、装置の更なる簡略化や小型化が可能となる。
【００４５】
請求項１３に記載の発明によれば、単純な装置と手段によって６軸力の計測が可能となり、リアルタイムでの６軸力計測が可能となる。
請求項１４に記載の発明によれば、６軸力計測装置及び６軸力計測装置を触覚センサへ応用するとともに、従来の触覚センサの機能を保持したまま６軸力計測を可能とする方法を装置できる。
【００４６】
請求項１５に記載の発明によれば、６軸力計測装置及び６軸力計測装置を触覚センサへ応用するとともに、従来の触覚センサの機能を保持したまま６軸力計測を可能とする方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明における６軸力計測装置を示す全体斜視図。
【図２】圧力センサを用いたタッチパッドの全体斜視図。
【図３】膜が有するマーカ位置を示す図。
【図４】６軸力計測システムの構成を示すブロック図。
【図５】６軸力計測システムによる処理の概略を示すフローチャート。
【図６】張力方向抽出手段における、マーカ位置及びその他の記号を示す図。
【図７】６軸力抽出時における、膜の分割方法とその記号を示す図。
【図８】６軸力抽出時における、一つの膜に作用する張力とその記号を示す全体斜視図。
【図９】６軸力抽出時における、一つの膜に作用する張力とその記号を示す側面図。
【図１０】６軸力抽出時における、複数の膜に作用する張力とその記号を示す側面図。
【図１１】６軸力抽出時における、膜の端に作用する張力の関係を示す図。
【図１２】６軸力抽出時における、膜の端に作用する張力と作用する６軸力の関係を示す図。
【図１３】タッチパッドに対して物体がＺ軸と平行に接触してきた時の、力のＺ軸方向成分を示す図。
【図１４】タッチパッドに対して物体がＸ軸と平行に接触してきた時の、力のＸ軸方向成分を示す図。
【図１５】タッチパッドに対して物体がＸ軸と平行に接触してきた時の、力のＺ軸方向成分を示す図。
【図１６】タッチパッドに対して物体がＺ軸と平行に接触してきた後にＺ軸周りに回転した時の、力のＺ軸方向成分を示す図。
【図１７】タッチパッドに対して物体がＺ軸と平行に接触してきた後にＺ軸周りに回転した時の、Ｚ軸周りのモーメントを示す図。
【図１８】圧縮性流体及び箱を用いたタッチパッドの全体斜視図。
【図１９】膜が有するドットパターンを示す図。
【図２０】光学式触覚センサによる処理の概略を示すフローチャート。
【図２１】６軸力計測装置の半球状のタッチパッドに対して操作者の指が接触する状態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
［第１の実施形態］
以下、本発明を６軸力計測システムに具体化した第１の実施形態を、図１〜図１７に基づき詳細に説明する。
【００４９】
図１に示されるように、６軸力計測装置１を構成するケ−シング２の先端側には、平板と半球を接合したような形状を持つタッチパッド３（接触部）が設けられている。ケ−シング２内には、撮像手段としてのＣＣＤカメラ４が配置されている。
ＣＣＤカメラ４は、タッチパッド３を中心として、物体Ｗ１と接触する側とは反対側に配置されている。
【００５０】
ケ−シング２内には、照明５が配置されている。照明５は、タッチパッド３において、物体Ｗ１と接触する側とは反対側に配置されている。ＣＣＤカメラ４は、タッチパッド３の背面側から撮影するようになっている。
【００５１】
図２に示されるように、タッチパッド３は、接触部としての弾性変形可能な膜６、膜６の端が全て密着している光透過性の板７、膜６と板７を固定するための固定具８で構成されており、板７と固定具８で膜６を挟んで固定した状態になっている。
【００５２】
膜６は、半球状の部分６ａと、その周囲を囲む平板状の部分６ｂとを備える。半球状の部分６ａは、物体Ｗ１と接触する側（図１における下側）に突出している。
板７は、膜６における「物体Ｗ１と接触する側とは反対側」に位置し、平板状の部分６ｂと当接しているが、半球状の部分６ａとの間には、閉空間が存在する。
【００５３】
板７には管９が接続されており、管９の他方の端には圧力抽出手段としての圧力センサ１０が接続されている。ここで、膜６、板７、管９、圧力センサ１０で囲まれた空間は外気との行き来が遮断された閉空間となり、液体１１で満たされている。
【００５４】
図２及び図３に示されるように、膜６の物体Ｗ１と接触する側とは反対側にはマーカ１２が配置されている。
ここで、ＣＣＤカメラ４、照明５、液体１１は形状抽出手段の一部としての役割を果たしている。したがって、他の形状抽出手段を使用する場合は、ＣＣＤカメラ４、照明５、液体１１は無くても良い。また、ＣＣＤカメラ４、マーカ１２は張力方向抽出手段の一部としての役割を果たしている。したがって、他の張力方向抽出手段を使用する場合は、ＣＣＤカメラ４、マーカ１２は設けなくても良い。
【００５５】
ＣＣＤカメラ４は、赤、緑、青の３チャンネルのＣＣＤカメラである。２チャンネル以上のカメラであれば良く、ＣＣＤカメラでなくＣ−ＭＯＳカメラであっても良い。
照明５は、同軸落射照明（ＣＣＳ製：ＬＦＶ−５０ＳＷ２）を使用した。また、照明５から照射された光が板７で反射した際に、その成分がＣＣＤカメラ４内に進入するのを防ぐために、照明５に偏光板（ＣＣＳ製：ＰＬ−ＬＦＶ−５０ＳＷ２）を装着し、ＣＣＤカメラ４に偏光フィルタ−を装着した。また、照明５は、光が照射される位置（光源位置）と光が照射される方向が分かるものであれば、他の点光源や面光源であっても良い。
【００５６】
膜６の厚さは、膜６の曲げモーメントが計測する力と比較して十分小さくなる程度まで薄くなっていることが望ましい。膜６の形状は物体Ｗ１と接触する側から見て半球状であるが、物体Ｗ１と接触する側から見て凸形状となっていれば、他の形状であっても良い。そして、タッチパッド３に物体Ｗ１が接触していない状態では、膜６の端（膜６と固定具８の接触部分の境界）には、せん断力は作用していないように膜６を設けている。
【００５７】
また、膜６は透明シリコ−ンゴム（信越シリコ−ン製：ＫＥ−１９５０−１０）に黒色の着色剤を混ぜて形成した厚さ０.５ｍｍの黒色の膜と、透明シリコ−ンゴム（信越シリコ−ン製：ＫＥ−１９５０−１０）に白色の着色剤を混ぜて形成した厚さ０.５ｍｍの白色の膜を張り合わせて形成したものである。従って、膜６は物体Ｗ１と接触する側は黒色を有し、その反対側は白色を有する。
【００５８】
板７は透明なアクリル板であるが、光透過性であり計測時に変形しない程の硬さを持っていれば他の材質でも良い。
固定具８は金属製にタッチパッドの大きさの円形の穴を空けた板であるが、計測時に変形しない程の硬さを持っていれば他の材質でも良い。
【００５９】
管９は、内径２ｍｍ、外径４ｍｍのシリコーンゴム製チューブであるが、閉空間の圧力変化に対して大きく変化しないものであれば、他の形状や材質であっても良い。ただし、内径は大きいほど望ましい。圧力センサ１０は、ダイアフラム式の圧力変換器で計測範囲がゲージ圧で０Ｐａ〜２００ｋＰａの圧力センサを使用したが、他の種類や他の計測範囲を有するセンサであっても良い。
液体１１は水道水に赤色顔料（ＺＥＢＲＡ製：JK−０５）を溶かした赤色半透明の水であるが、特許文献（特願２０１０−１８０９２８）に適するものであれば、他の材料で構成されていても良い。
【００６０】
マーカ１２は、半径０．５ｍｍ程度の円形であり黒色を有しているが、ＣＣＤカメラ４によって撮影した際にその位置情報が取得できるものであれば、他の色や形状を有していても良い。また、マーカ１２は膜６の端（膜６と固定具８の接触部分の境界）に沿って２ｍｍ程度離れた位置に等間隔に３６個設けられているが、他の個数や間隔で設けられていても良い。
【００６１】
図４に示されるように、６軸力計測装置１を備える６軸力計測システム１３は、６軸力計測システム１３全体を制御する制御部１４を備えている。制御部１４はＣＰＵ１５を備えており、ＣＰＵ１５には、ＲＯＭ１６、ＲＡＭ１７及び入出力ポ−ト（Ｉ／Ｏポ−ト）１８が接続されている。ＣＰＵ１５は、６軸力計測システム１３全体を制御するための各種処理を実行し、その処理結果を所定の制御信号として出力するようになっている。ＲＯＭ１６には、６軸力計測システム１３を制御するための制御プログラムなどが記憶されている。また、ＲＡＭ１７には、６軸力計測システム１３の動作に必要な各種の情報が一時的に記憶されるようになっている。さらに、入出力ポ−ト１８には、前記ＣＣＤカメラ４、前記照明５及び前記圧力センサ１０が接続されている。ＣＰＵ１５には、前記タッチパッド３を撮影することでＣＣＤカメラ４から入力される画像情報が、入出力ポ−ト１８を介して入力されるようになっている。それとともに、ＣＰＵ１５は、照明５を点灯させるための信号を、入出力ポ−ト１８を介して照明５に対して出力するようになっている。
【００６２】
図４に示されるＣＰＵ１５は、入出力ポ−ト１８を介して一定時間ごと（本実施形態では１００ｍｓごと）に入力されたＣＣＤカメラ４からの画像情報を画像処理するようになっている。なお、一定時間ごとに取得した画像情報は、ＲＡＭ１７の記憶領域に一定期間記憶されるとともに、古いものから順次消去されるようになっている。また、画像処理ソフトウェアとしては、市販のもの（ＭＶＴｅｃ社製：ＨＡＬＣＯＮ）が用いられている。そして、ＣＰＵ１５は、撮影された画像から膜６の形状及び膜６の端に作用する張力の方向を抽出し、膜６の形状から物体Ｗ１が膜６に接触していない非接触領域を抽出する。さらに、ＣＰＵ１５は圧力センサ１０からのアナログ信号を入力し、液体１１の圧力を抽出する。最後にＣＰＵ１５は、これらの情報から板７に作用する６軸力を計算し抽出する。即ち、ＣＰＵ１５は、情報抽出手段としての機能を有している。
【００６３】
次に、６軸力計測システム１３による板７に作用する６軸力の計測方法を説明する。
図５に示されるように、ステップＳ１１０においてタッチパッド３が物体Ｗ１に接触すると（ステップＳ１１０）タッチパッド３を通して撮影した画像の変化で接触を判断する。ＣＰＵ１５は、タッチパッド３の挙動を撮影することでＣＣＤカメラ４から入力される画像情報を取り込み（ステップＳ１２０）、形状抽出手段を用いて膜６の形状を抽出し（ステップＳ１３０）、画像情報から用いてマーカ１２の位置情報を算出し、膜６の端に作用する張力の方向を抽出する（ステップＳ１４０）。次にＣＰＵ１５は、取得した膜６の形状情報を用いて非接触領域抽出手段によって物体Ｗ１が膜６に接触していない非接触領域を抽出する（ステップＳ１５０）そして、ＣＰＵ１５は、圧力センサ１０からのアナログ信号を入力し、液体１１の圧力を抽出する（ステップＳ１６０）。最後にＣＰＵ１５は、得られた膜６の形状情報、膜６の端に作用する張力の方向、膜６の非接触領域及び膜６と板７の間の空間に作用する圧力情報を基に、板７に作用する６軸力を計算し抽出する（ステップＳ１７０）。
【００６４】
このように、ステップＳ１１０からステップＳ１７０までの処理を行うことで、板７に作用する６軸力が計測可能となる。
ここで、撮影された画像から膜６の形状を、単体のカメラを使い、カメラに写る異なる二つチャンネルの光の強度の解析に基づいて抽出する方法（ステップＳ１３０）は、特許文献（特願２０１０−１８０９２８）あるいは非特許文献（Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Shape Sensing by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of 2020 IEEE Conference on Automation Science and Engineering, Aug, 2010）に記載の形状抽出手段による方法である。
【００６５】
また、画像情報から用いてマーカ１２の位置情報を算出し、膜６の端に作用する張力の方向を抽出する方法（ステップＳ１４０）は以下の通りである。
まず、図６に示すように板７の中心Ｑ１を原点にＸ、Ｙ、Ｚ軸を定義する。次に、Ｘ―Ｙ面上にあり、Ｘ軸と２π（ｉ＋１／２）／Ｎ１（ｒａｄ）の角を成す軸をＵ１（ｉ）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ１）と定義する。ただしＮ１はマーカ１２の個数である。ではそして、膜６の端（膜６と固定具８の接触部分の境界）とＵ１（ｉ）軸の交点の位置ベクトルをＥ（ｉ）と定義する。
タッチパッド３に物体Ｗ１が接触していない状態では、タッチパッド３は半球状の形状を保っており、膜６の端（膜６と固定具８の接触部分の境界）にはせん断力は作用していない。したがって、この状態におけるＮ１個のマーカ１２の位置ベクトルをＤ１（ｉ）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ１）と定義し記憶しておく。次に、タッチパッド３に物体Ｗ１が接触すると、マーカ１２の位置が変化し、この時のマーカ１２の位置ベクトルをＤ２（ｉ）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ１）と定義する。ここで、各Ｅ（ｉ）の位置に作用する張力の方向はベクトル（Ｄ１（ｉ）―Ｅ（ｉ））に対して∠Ｄ１（ｉ）Ｅ（ｉ）Ｄ２（ｉ）の角を成すものとし、この角をφ１（ｉ）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ１）とする。さらに、膜６の端（膜６と固定具８の接触部分の境界）上でＥ（ｉ）とＥ（ｉ＋１）の間の任意の点Ｄ３に作用する張力の方向は、その点からＥ（ｉ）までの距離をＬ１（ｉ）とし、その点からＥ（ｉ＋１）までの距離をＬ２（ｉ）としたとき、その点に作用する張力の方向は、φ１（ｉ）とφ１（ｉ＋１）の一次結合として次のように与えられるφ２を用いて表す。
【００６６】
φ２＝（φ１（ｉ）・Ｌ２（ｉ）＋φ１（ｉ＋１）・Ｌ１（ｉ））／（Ｌ１（ｉ）＋Ｌ２（ｉ））（式１）
φ２は、膜６に物体Ｗ１が接触していない状態における張力の方向と、物体Ｗ１が接触した状態における張力の方向が成す角を表現している。したがって、φ２によって膜６の端（膜６と固定具８の接触部分の境界）に作用する張力の方向を表すことが出来る。
【００６７】
次に、取得した膜６の形状情報を用いて非接触領域抽出手段によって物体Ｗ１が膜６に接触していない非接触領域を抽出する方法（ステップＳ１５０）は、非特許文献（Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Acquisition of Tactile Information by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of IEEE/RSJ 2010 International Conference on Intelligent Robots and Systems, Oct, 2010）に記載の触領域抽出手段を利用し、膜６の形状の物体Ｗ１が接触する側から見て凸の領域を非接触領域として抽出する。さらに、膜６上の領域において、Ｚ軸方向に対してδ１以下の範囲の領域も非接触領域として抽出する。本実施例ではδ１＝４．６２ｍｍとしたが、他の値でも良い。
【００６８】
また、圧力センサ１０からのアナログ信号を入力し、液体１１の圧力を抽出する際に（ステップＳ１６０）、液体１１の圧力は全領域において一定であると仮定する。すなわち、液体１１の体積力は無いものとして扱う。
【００６９】
なお、ＣＰＵ１５が得られた膜６の形状情報、膜６の端に作用する張力の方向、膜６の非接触領域及び膜６と板７の間の空間に作用する圧力情報を基に、板７に作用する６軸力を計算し抽出する方法（ステップＳ１７０）は以下の通りである。
【００７０】
図７に示すように、膜６上に上記で定義したＺ軸に対して一定の間隔δ２を持つ等高線を引いていき、それを順にＡ１（１）、Ａ１（２）、Ａ１（３）、．．．と定義していく。本実施例ではδ２＝０．１５４ｍｍとしたが、他の値でも良い。次に、Ｘ―Ｙ面上にあり、Ｘ軸と２πｉ／Ｎ２（ｒａｄ）の角を成す軸をＵ２（ｉ）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ２）と定義する。本実施例ではＮ２＝７２としたが、他の値でも良い。そして、膜６の端（膜６と固定具８の接触部分の境界）とＵ２（ｉ）軸の交点をＢ１（ｉ）と定義する。ここで、Ｂ１（ｉ）から各Ａ１（ｉ）と垂直に交わるように膜６上に線Ｂ２（ｉ）を引いていき、この線Ｂ２（ｉ）の傾きのＺ方向成分が０になる時の地点をＢ３（ｉ）とする。また、Ｂ３（ｉ）とＢ３（ｉ＋１）を結ぶ線分をＡ２（ｉ）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ２−１）と定義し、Ｂ３（Ｎ２）とＢ３（１）を結ぶ線分をＡ２（Ｎ２）とする。
【００７１】
次に、膜６を複数の要素に分割していく。Ａ１（ｊ）、Ａ１（ｊ＋１）、Ｂ２（ｉ）、Ｂ２（ｉ＋１）の４本の線で囲まれた要素をＭ（ｉ，ｊ）と定義する（ただし、ｉ＝Ｎ２の場合は、上記の定義においてｉ＋１の代わりに１を挿入する）。ここで、Ｎ３（ｉ）を、Ａ２（ｉ）よりもＺ軸方向に低い位置にある等高線Ａ１（ｉ）の中で、最もＺ軸方向に高い位置にある等高線がＡ１（Ｎ３（ｉ））となるように定義する。そして、Ａ１（Ｎ３（ｉ））、Ａ２（ｉ）、Ｂ２（ｉ）、Ｂ２（ｉ＋１）の４本の線で囲まれた要素をＭ（ｉ，Ｎ３（ｉ））と定義する（ただし、ｉ＝Ｎ２の場合は、上記の定義においてｉ＋１の代わりに１を挿入する）。
【００７２】
次に、分割された各要素Ｍ（ｉ，ｊ）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ２）（ｊ＝１，２，．．．Ｎ３（ｉ））に対して力の釣り合いの式を立てる。図８に示すように、要素Ｍ（ｉ，ｊ）の各辺に作用している張力をＦ１（ｉ，ｊ）、Ｆ１（ｉ，ｊ＋１）、Ｆ２（ｉ，ｊ）、Ｆ２（ｉ＋１，ｊ）と定義する。さらに、各要素は十分小さいので、各張力の作用する点は要素Ｍ（ｉ，ｊ）の各辺の中点に作用するもの仮定する。
【００７３】
ここで、各要素に作用するせん断力を考えると、一般にせん断力は各要素に対して殆ど対称的に作用し、さらに張力Ｆ２のせん断成分は構造上作用しにくいので、張力Ｆ２のせん断方向は０と近似する。この近似により、張力Ｆ２の方向は、等高線Ａ１と平行な方向、すなわちＺ軸とは垂直な方向となる。
【００７４】
これらの仮定と近似を使用しながら、各要素Ｍ（ｉ，ｊ）をＵ３（ｉ）−Ｚ平面に投影した図９について考える、ただしＵ３（ｉ）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ２）はＸ―Ｙ面上にあり、Ｘ軸と２π（ｉ＋１／２）／Ｎ２（ｒａｄ）の角を成す軸であると定義する。Ｍ（ｉ，ｊ）をＵ３（ｉ）−Ｚ平面に投影した際、Ｆ１（ｉ，ｊ）及びＦ１（ｉ，ｊ＋１）のＵ３（ｉ）−Ｚ平面成分をそれぞれＦ３（ｉ，ｊ）及びＦ３（ｉ，ｊ＋１）とし、Ｆ２（ｉ，ｊ）及びＦ２（ｉ＋１，ｊ）の合力をＦ４（ｉ，ｊ）とする。この時、上記の近似によりＺ軸とは垂直な方向に作用しているので、Ｆ４（ｉ，ｊ）はＵ３（ｉ）方向成分のみとなる。以上により、Ｚ方向及びＵ３（ｉ）方向の釣り合いの式はそれぞれ次の（式２）及び（式３）によって与えられる。
【００７５】
Ｆ３（ｉ，ｊ＋１）・ｓｉｎΘ（ｉ，ｊ＋１）＝Ｆ３（ｉ，ｊ）・ｓｉｎΘ（ｉ，ｊ）−Ｐ・Ｓ１（ｉ，ｊ）（式２）
Ｆ４（ｉ，ｊ）＝Ｆ３（ｉ，ｊ）・ｃｏｓΘ（ｉ，ｊ）−Ｆ３（ｉ，ｊ＋１）・ｃｏｓΘ（ｉ，ｊ＋１）＋Ｐ・Ｓ２（ｉ，ｊ）（式３）
ここで、Ｐは膜６と板７の間の空間に作用している圧力であり、Ｓ１（ｉ，ｊ）は要素Ｍ（ｉ，ｊ）をＺ軸に垂直な面に投影した時の面積であり、Ｓ２（ｉ，ｊ）は要素Ｍ（ｉ，ｊ）をＵ３（ｉ）軸に垂直な面に投影した時の面積である。Θ（ｉ，ｊ）及びΘ（ｉ，ｊ＋１）は、図９に示すように要素Ｍ（ｉ，ｊ）の両端の、Ｕ３（ｉ）軸に対する角である。また、Ｓ１（ｉ，ｊ）、Ｓ２（ｉ，ｊ）、Θ（ｉ，ｊ）、Θ（ｉ，ｊ＋１）は、形状抽出手段によって得られた膜６の形状情報を基に取得可能であり、圧力Ｐは圧力センサ１０によって取得している。
【００７６】
次に、図１０に示すように、要素Ｍ（ｉ，ｊ）（ｊ＝１，２，．．．Ｎ３（ｉ））を組み合わせて一つの要素として考える。ここでＮ３（ｉ）は、Ｍ（ｉ，ｊ）（ｊ＝１，２，．．．Ｎ３（ｉ））は物体Ｗ１が接触していない非接触領域内の要素であり、Ｍ（ｉ，Ｎ３（ｉ）＋１）は接触領域内の要素であるように定義する。ここで、非接触領域及び接触領域は非接触領域抽出手段を用いて抽出した領域である。図１０に示すように、Ｍ（ｉ，ｊ）（ｊ＝１，２，．．．Ｎ３（ｉ））を結合した要素に関して、Ｚ方向及びＵ３（ｉ）方向の釣り合いの式はそれぞれ次の（式４）及び（式５）によって与えられる。
【００７７】
Ｆ３（ｉ，Ｎ３（ｉ）＋１）・ｓｉｎΘ（ｉ，Ｎ３（ｉ）＋１）＝Ｆ３（ｉ，１）・ｓｉｎΘ（ｉ，１）−Ｐ・（Ｓ１（ｉ，１）＋Ｓ１（ｉ，２）＋．．．＋Ｓ１（ｉ，Ｎ３（ｉ）））（式４）
Ｆ４（ｉ，１）＋Ｆ４（ｉ，２）＋．．．＋Ｆ４（ｉ，Ｎ３（ｉ））＝Ｆ３（ｉ，１）・ｃｏｓΘ（ｉ，１）−Ｆ３（ｉ，Ｎ３（ｉ）＋１）・ｃｏｓΘ（ｉ，Ｎ３（ｉ）＋１）＋Ｐ・（Ｓ２（ｉ，１）＋Ｓ２（ｉ，２）＋．．．＋Ｓ２（ｉ，Ｎ３（ｉ）））（式５）
また、（式２）及び（式３）を連立して解くことによって、Ｆ４（ｉ，ｊ）（ｊ＝１，２，．．．Ｎ３（ｉ））をＦ３（ｉ，１）と既知数であるＰ、Ｓ１及びΘによって次の（式６）の様に表すことが出来る。
【００７８】
Ｆ４（ｉ，ｊ）＝（ｓｉｎΘ（ｉ，１）／ｔａｎΘ（ｉ，ｊ）−ｓｉｎΘ（ｉ，１）／ｔａｎΘ（ｉ，ｊ＋１））・Ｆ３（ｉ，１）＋Ｐ・（１／ｔａｎΘ（ｉ，ｊ＋１）・（Ｓ１（ｉ，１）＋Ｓ１（ｉ，２）＋．．．＋Ｓ１（ｉ，ｊ））−１／ｔａｎΘ（ｉ，ｊ）・（Ｓ１（ｉ，１）＋Ｓ１（ｉ，２）＋．．．＋Ｓ１（ｉ，ｊ−１））＋Ｓ２（ｉ，ｊ））（ｊ＝１，２，．．．Ｎ３（ｉ））（式６）
次に、Ｆ３（ｉ，Ｎ３（ｉ）＋１）の作用する点Ｃ１を支点として、Ｕ３（ｉ）−Ｚ面上でのモーメントの釣り合いを考える。モーメントの釣り合いを導出するために、要素に作用する各力の作用点と点Ｃ１までの距離を求める必要がある。Ｆ４（ｉ，ｊ）（ｊ＝１，２，．．．Ｎ３（ｉ））はＺ軸に対して垂直であり、要素Ｍ（ｉ，ｊ）の辺の中点に作用していると上記で近似したので、Ｆ４（ｉ，ｊ）の作用点から点Ｃ１までの距離Ｌ３（ｉ，ｊ）は次の（式７）のように与えられる。
【００７９】
Ｌ３（ｉ，ｊ）＝δ２・（Ｎ３（ｉ）−ｉ＋１／２）（式７）
（式７）より、点Ｃ１を支点としたＵ３（ｉ）−Ｚ面上でのモーメントの釣り合いは、次の（式８）で与えられる。
Ｌ４（ｉ，ｊ）・Ｆ５（ｉ，１）＝（Ｌ３（ｉ，１）・Ｆ４（ｉ，１）−Ｌ５（ｉ，１）・Ｐ・Ｓ１（ｉ，１）−Ｌ６（ｉ，１）・Ｐ・Ｓ２（ｉ，１））＋（Ｌ３（ｉ，２）・Ｆ４（ｉ，２）−Ｌ５（ｉ，２）・Ｐ・Ｓ１（ｉ，２）−Ｌ６（ｉ，２）・Ｐ・Ｓ２（ｉ，２））＋．．．＋（Ｌ３（ｉ，Ｎ３（ｉ））・Ｆ４（ｉ，Ｎ３（ｉ））−Ｌ５（ｉ，Ｎ３（ｉ））・Ｐ・Ｓ１（ｉ，Ｎ３（ｉ））−Ｌ６（ｉ，Ｎ３（ｉ））・Ｐ・Ｓ２（ｉ，Ｎ３（ｉ）））（式８）
ここで、Ｆ５（ｉ，１）はスカラーであるＦ３（ｉ，１）にその方向も含めたベクトルであり、Ｌ４（ｉ，ｊ）は点Ｃ１からＦ５（ｉ，１）の作用点までのベクトルである。Ｌ５（ｉ，ｊ）は点Ｃ１から要素Ｍ（ｉ，ｊ）の重心位置までのＵ３（ｉ）方向成分の距離であり、Ｌ６（ｉ，ｊ）は点Ｃ１から要素Ｍ（ｉ，ｊ）の重心位置までのＺ方向成分の距離である。Ｌ４（ｉ，ｊ）、Ｌ５（ｉ，ｊ）及びＬ６（ｉ，ｊ）は、形状抽出手段によって得られた膜６の形状情報を基に取得可能であり、Ｆ５（ｉ，１）はＦ３（ｉ，１）と膜６の形状情報を基に取得可能である。
【００８０】
以上の導出により、（式４）、（式５）、（式６）、（式８）を連立することで、膜６の端に作用する張力であるＦ５（ｉ，１）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ２）を代数的に求めることが出来る。ただし、Ｆ５（ｉ，１）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ２）は膜６の端に作用する張力のＵ３（ｉ）−Ｚ面上成分であり、すなわちせん断方向成分が含まれていない。ここで、図１１に示すように、膜６の端（膜６と固定具８の接触部分の境界）に作用する張力の方向を表すφ２を利用することで、せん断方向の張力ベクトルＦ６（ｉ）の大きさは次の（式９）のように与えられるものとする。
【００８１】
Ｆ６（ｉ）＝（Ｆ３（ｉ，１）・ｃｏｓΘ（ｉ，１）・ｔａｎφ３）（式９）
ただし、φ３は角φ２をＸ−Ｙ面上に投影した時の角度である。さらに、張力ベクトルＦ６（ｉ）の方向はＵ３（ｉ）軸とＺ軸に垂直であると仮定する。したがって、せん断方向成分も含んだ膜６の端に作用する張力ベクトルＦ７（ｉ）が、次の（式１０）のように表される。
【００８２】
Ｆ７（ｉ）＝Ｆ５（ｉ，１）＋Ｆ６（ｉ）（式１０）
最後に、導出された膜６の端に作用する張力ベクトルＦ７（ｉ）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ２）と、圧力Ｐを用いて、板７の中心Ｑ１作用するに６軸力を計算し抽出する。
【００８３】
Ｆ８＝Ｆ７（１）＋Ｆ７（２）＋．．．＋Ｆ７（Ｎ２）＋Ｐ・Ｓ３（式１１）
Ｍ１＝Ｌ７（１）・Ｆ７（１）＋Ｌ７（２）・Ｆ７（２）＋．．．＋Ｌ７（Ｎ２）・Ｆ７（Ｎ２）（式１２）
ここで、Ｆ８は板７の中心Ｑ１作用する力ベクトル（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向成分）であり、Ｍ１は板７の中心Ｑ１作用するモーメントベクトル（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸周りの成分）である。Ｌ７（ｉ）（ｉ＝１，２，．．．Ｎ２）は、図１２に示すようにＱ１からＦ７（ｉ）の作用点までのベクトルである。  Ｓ３は、板７に液体１１が接触している領域の面積である。
【００８４】
以上の過程により、板７の中心Ｑ１作用するに６軸力の抽出が完了した。
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態の６軸力計測装置１および６軸力計測システム１３では、タッチパッド３と、ＣＣＤカメラ４と、照明５及び圧力センサ１０の４つで構成されており、比較的小さく簡単な構造で処理することができる。ロボットへ搭載する光学式触覚センサやその他の分野への応用の際に、比較的容易に応用可能となる。
【００８５】
（２）本実施形態では、タッチパッド３に作用する６軸力を抽出可能であるため、多次元の力情報を必要とする分野においても応用可能である。
（３）本実施形態では、タッチパッド３は弾性体の膜６と板７、及びそれらの間の空間を満たす液体１１によって構成されているため、物体Ｗ１に馴染みやすく、接触の際に十分な接触領域を確保できる。したがって、例えばロボットハンドの指先などのように物体Ｗ１と安定した接触を維持するような部分への応用も可能である。
【００８６】
（４）本実施形態では、弾性体が持つ応力と歪みの関係は非常に複雑であるが、この関係を使用せずに６軸力を抽出可能であるため、弾性体が大変形や複雑な変形をした場合においても、その影響を比較的受けずに６軸力の抽出が可能となる。
【００８７】
（５）本実施形態では、６軸力計測システム１３による計測は実用性のある精度を達成可能であると考えられる。図１３、図１４、図１５、図１６及び図１７に、６軸力計測システム１３による板７に作用する力の計測結果を示す。図１３は、タッチパッド３に対して、物体Ｗ１がＺ軸と平行に接触してきた時の、板７に作用する力のＺ軸方向成分であり、最大誤差は０．８Ｎ程度である。図１４及び図１５は、タッチパッド３に対して、物体Ｗ１がＸ軸と平行に接触してきた時の、板７に作用する力のＸ軸方向成分及びＺ軸方向成分であり、最大誤差はそれぞれ０．８Ｎ、０．７Ｎ程度である。図１６及び図１７は、タッチパッド３に対して、物体Ｗ１がＺ軸と平行に接触してきた後にＺ軸周りに回転した時の、板７に作用する力のＺ軸方向成分及びＺ軸周りのモーメントであり、最大誤差はそれぞれ１Ｎ、４Ｎｍｍ程度である。これらの誤差の原因は、形状計測手段によって得られた膜６の形状の計測誤差によって、その後の力の抽出にも誤差が生じたからであると考えられる。従って、ＣＣＤカメラ４の空間分解能を上げる等によって形状計測手段の計測精度を向上させることによって、６軸力の計測精度も向上すると考えられる。以上の結果から、６軸力計測システム１３による計測は実用性のある精度を十分に達成可能であることを示している。
［第２の実施形態］
次に、図１〜１８に基づき第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と共通している箇所については、同一の番号を付す代わりに、その詳細な説明を省略する。本実施形態は、前記第１の実施形態内における液体１１の圧力の抽出（ステップＳ１６０）を別の方法で行う実施形態である。
【００８８】
タッチパッド３において、図１８に示すように、圧力センサ１０の代わりに、圧縮性流体１９の封入された箱２０を装着させる。
ここで、管９と箱２０の接続部は、液体１１の移動は可能であるが、タッチパッド３の姿勢の変化によって圧縮性流体１９が管９を通過して反対側へ侵入しない程度まで管９を狭くする。また、箱２０は外気に対して圧縮性流体１９が移動できないように密閉されているものである。
【００８９】
次に、本実施形態における液体１１の圧力の抽出方法は以下の通りである。（ステップＳ１６０）ある時刻Ｔ１において、箱２０に封入された圧縮性流体１９の体積をＶ１とし、その時の液体１１の圧力をＰ１として、Ｐ１は予め計測しておく。次にそれ以降の時刻における任意の時刻Ｔ２での圧縮性流体１９の体積をＶ２とし、その時の液体１１の圧力をＰ２とすると、Ｐ２はＰ１、Ｖ１及びＶ２の関数Ｇ１によって与えられるとする。
【００９０】
本実施例では関数Ｇ１として、以下のボイルの法則（式１３）あるいはファンデルワールス式（式１４）を使用して導出する。
Ｐ２＝Ｐ１・Ｖ１／Ｖ２（式１３）
（Ｐ２＋Ｈ１／Ｖ２）・（Ｖ２−Ｈ２）＝（Ｐ１＋Ｈ１／Ｖ１）・（Ｖ１−Ｈ２）（式１４）
ここで、Ｈ１及びＨ２は係数であり、予め実測値を使用して同定することが可能である。あるいは、関数Ｇ１として予め実測値を使用して推定した関数を使用しても良い。
【００９１】
次に、上記の圧力抽出方法において、体積Ｖ１及びＶ２を求める方法は以下の第一の方法及び第二の方法の通りである。ここで、膜６、板７、管９及び箱２０によって囲まれた空間の、時刻Ｔ１における体積をＶ３とし、時刻Ｔ２における体積をＶ４とする。
【００９２】
第一の方法として、液体１１を非圧縮性流体にすることで、以下の関係式（式１５）が成り立つ。
Ｖ３−Ｖ１＝Ｖ４−Ｖ２（式１５）
したがって、（式１５）よりＶ１を予め計測しておくことで、任意の時刻Ｔ２における体積Ｖ２が抽出される。
【００９３】
次に、第二の方法として、箱２０を光透過性の材料によって構成し、圧縮性流体１９の色は液体１１と異なる色にすることで、箱２０の内部をＣＣＤカメラ４によって撮影し、画像処理を行うことによって、任意の時刻Ｔ１、Ｔ２において、Ｖ１及びＶ２を推定することが可能である。
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００９４】
（１）本実施形態の６軸力計測装置１および６軸力計測システム１３では、圧力センサ１０を使用せずに液体１１の圧力を抽出するため、６軸力計測装置１の構造をさらに簡略化可能となり、小型化の面でも有利となる。
［第３の実施形態］
次に、図１〜１９に基づき第３の実施形態を説明する。
【００９５】
なお、第１又は第２の実施形態と共通している箇所については、同一の番号を付す代わりに、その詳細な説明を省略する。
本実施形態は、前記第１又は第２の実施形態を光学式触覚センサへ応用したシステムである。
【００９６】
図１９に示されるように、膜６の半球状の部分において物体Ｗ１と接触する側とは反対側に、マーカ部としてのドットパタ−ン２１を配置する。
ここで、ドットパターン２１は、格子状の模様や、三角形の網目状、六角形の網目状（ハニカム状）などの他の模様であってもよい。
【００９７】
これによって、６軸力計測装置１は６軸力計測システム１３を可能とした状態で、マーカ部（１２）の配置された膜と撮像手段からなる力学量抽出装置及び力学量抽出方法と組み合わせた光学式触覚センサ２２としても成立する。
【００９８】
本実施例では、力学量抽出装置及び力学量抽出方法として特許文献（特開２００５−２５７３４３号公報）に記載の光学式触覚センサ、光学式触覚センサを利用したセンシング方法を使用したが、他の力学量抽出装置及び力学量抽出方法でも良い。
【００９９】
次に、光学式触覚センサ２２による６軸力及び他の触覚情報の同時計測方法を説明する。
図２０に示されるように、ステップＳ１８０においてタッチパッド３が物体Ｗ１に接触すると、ＣＰＵ１５は、タッチパッド３の挙動を撮影することでＣＣＤカメラ４から入力される画像情報を取り込み（ステップＳ１９０）、画像処理を行う（ステップＳ２００）。次に、ＣＰＵ１５は、ドットパタ−ン２１の挙動から触覚情報を抽出する（ステップＳ２１０）。そして、ＣＰＵ１５は、取得された画像を用いてステップＳ１３０〜Ｓ１７０と同一の方法で板７に作用する６軸力を抽出する（ステップＳ２２０）。
【０１００】
ステップＳ２００及びステップＳ２１０において触覚情報を抽出する例としては、特許文献（特開２００５−２５７３４３号公報）に記載の触覚情報抽出手段によって接触力や滑りが抽出可能であり、特許文献（特願２０１０−１８０９２８）あるいは非特許文献（Y.Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Shape Sensing by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of 2020 IEEE Conference on Automation Science and Engineering, Aug, 2010）に記載の形状抽出手段を利用することで、物体Ｗ１の形状情報が抽出可能であり、非特許文献（Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Acquisition of Tactile Information by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of IEEE/RSJ 2010 International Conference on Intelligent Robots and Systems, Oct, 2010）に記載の触領域抽出手段及び物体姿勢抽出手段を利用することで、物体Ｗ１とタッチパッド３の間の接触領域及び、物体Ｗ１のタッチパッド３に対する位置及び角度の変化に関する情報が抽出可能である。
【０１０１】
以上のステップ１８０〜２２０によって、光学式触覚センサ２２による６軸力及び他の触覚情報の同時計測が可能となる。
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【０１０２】
（１）本実施形態の６軸力計測装置１および６軸力計測システム１３では、タッチパッド３と、ＣＣＤカメラ４と、照明５、管９及び圧力センサ１０で構成されており、比較的小さく簡単な構造で処理することができる。よって、従来の光学式触覚センサのシステムと組み合わせる際やその他の分野への応用の際に、他の６軸力計測装置よりも容易に応用可能となる。例えば、膜６にマーカ部を配置したことで、その挙動を撮像手段によって撮影するような光学式触覚センサと、本発明の６軸力計測方法・装置を組み合わせることが可能である。即ち、この６軸力計測方法・装置は、触覚センサへの応用だけでなく、従来の触覚センサの機能を保持したまま６軸力計測を可能とする装置及びシステムを実現できる。
［第４の実施形態］
次に、図１〜２１に基づき第４の実施形態を説明する。
【０１０３】
なお、第１、第２又は第３の実施形態と共通している箇所については、同一の番号を付す代わりに、その詳細な説明を省略する。
本実施形態は、前記第１、第２又は第３の実施形態をヒューマンインターフェースへ応用したシステムである。
【０１０４】
図２１に、６軸力計測装置１のタッチパッド３が有する膜６の半球状の部分に対して操作者の指Ｗ２が接触するようなヒューマンインターフェース２２を示す。タッチパッド３に指Ｗ２が接触している際、前記第１、第２又は第３の実施形態と同様の方法を用いることで、タッチパッド３及び指Ｗ２に作用する６軸力、タッチパッド３及びは指Ｗ２の形状、タッチパッド３と指Ｗ２の間の接触領域、タッチパッド３と指Ｗ２の間の滑りに関する情報、タッチパッド３に対する指Ｗ２の位置及び角度の変化に関する情報を抽出する。これにより操作者が作用する様々な情報を、タッチパッド３を介して様々な機器へ伝達する。
【０１０５】
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態のヒューマンインターフェース２２では、６軸力計測装置１のみで構成されているため、比較的小さく簡単な構造で処理することができる。また、タッチパッド３が有する柔軟性により、操作者への馴染み易さを実現できる。そして、操作者が作用する６軸力、形状、接触領域、滑り、位置及び角度の変化、等の多くの情報を伝達可能であり、多くの情報を様々な機器へ伝達可能である。したがって、マウス、タッチパネル、タッチペン、ジョイスティック等の従来のヒューマンインターフェースよりも多機能であるため、より柔軟且つ快適な情報伝達が期待される。
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
【０１０６】
・上記各実施形態では、膜６は異なる２色の膜を張り合わせてあるが、光の遮断性が強ければ、１色の膜であってもよい。また、膜には特に模様が着色されていないが、何か着色されていても良い。
【０１０７】
・上記各実施形態では、照明５は同軸落射照明であったが、光が照射される位置（光源位置）と光が照射される方向が分かるものであれば、他の点光源や面光源であっても良い。
【０１０８】
・上記各実施形態では、タッチパッド３の形状が板と半球を張り合わせた形状を有しているが、内部に液体１１を封入可能で、ＣＣＤカメラ４から膜６が重なって見えなければ、他の形状でも良い。
【０１０９】
・上記各実施形態では、形状抽出手段として特許文献（特願２０１０−１８０９２８）あるいは非特許文献（Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Shape Sensing by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of 2020 IEEE Conference on Automation Science and Engineering, Aug, 2010）に記載の形状抽出手段を使用したが、膜６の形状を抽出可能であれば、他の方法でも良い。
【０１１０】
・上記各実施形態では、圧力抽出手段として圧力センサ１０、箱２０あるいはＣＣＤカメラ４を使用して抽出したが、液体１１の圧力を抽出可能であれば、他の方法でも良い。
・上記各実施形態では、非接触領域抽出手段として非特許文献（Y. Ito, Y. Kim , C. Nagai and G. Obinata, “Acquisition of Tactile Information by Vision-based Tactile Sensor for Dexterous Handling of Robot Hands” In Proceedings of IEEE/RSJ 2010 International Conference on Intelligent Robots and Systems, Oct, 2010）に記載の非接触領域抽出手段を使用したが、膜６の非接触領域を抽出可能であれば、他の方法でも良い。
（産業上の利用可能性）
例えば、本発明の６軸力計測システムを用いれば、接触部が弾性体と液体で構成されており、多次元の力の計測が可能であるため、環境に対応し人と協調するようなロボットへの応用が期待される。また、６軸力計測装置は比較的簡易な構造であり、必要となる構成材料も少ないため、例えば弾性体と撮像手段を使用した触覚センサへ組み合わせて応用することも可能である。さらに、６軸力計測装置は構造の簡易性から更なる小型化も期待でき、接触部の馴染み易さもあるため、医療分野への応用も考えられる。内視鏡の先端部へ搭載することで、人体の内側から接触力の情報を抽出が可能となり、また、手術ロボットの指先や、癌検診用の器具の接触部等にも応用できる可能性がある。他にも、多次元の力情報が抽出可能であることを活かし、ヒューマンインターフェースとして様々な機器の操作部へ応用することも可能である。
【符号の説明】
【０１１１】
１…形状計測装置
２…ケ−シング
３…接触部としてのタッチパッド
４…ＣＣＤカメラ
５…照明
６…接触部としての膜
７…板
８…固定具としての金属板
９…管
１０…圧力センサ
１１…光減衰手段としての液体
１２…張力方向を抽出するためのマーカ
１３…６軸力計測システム
１９…圧縮性流体
２０…箱
２１…ドットパターン
２２…ヒューマンインターフェース
Ｗ１…物体
Ｗ２…操作者の指
【図３】
0005825604.tif 000002
【図４】
0005825604.tif 000003
【図５】
0005825604.tif 000004
【図１９】
0005825604.tif 000005
【図２０】
0005825604.tif 000006
【図１】
0005825604.tif 000007
【図２】
0005825604.tif 000008
【図６】
0005825604.tif 000009
【図７】
0005825604.tif 000010
【図８】
0005825604.tif 000011
【図９】
0005825604.tif 000012
【図１０】
0005825604.tif 000013
【図１１】
0005825604.tif 000014
【図１２】
0005825604.tif 000015
【図１３】
0005825604.tif 000016
【図１４】
0005825604.tif 000017
【図１５】
0005825604.tif 000018
【図１６】
0005825604.tif 000019
【図１７】
0005825604.tif 000020
【図１８】
0005825604.tif 000021
【図２１】
0005825604.tif 000022