(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から力が加えられる受力層と、
互いに異なる種類のマーカーをそれぞれ含む複数のマーカー群が内部に設けられた弾性及び透光性を有するマーカー層と、
前記受力層と前記マーカー層との間に配置されており、前記受力層に力が加えられた場合に、その力が加えられた領域が力の大きさに応じた明るさに変化するシート層と、
前記マーカー層に対して前記受力層と反対側に配置されており、前記マーカー層内の各マーカー及び前記シート層を撮影する撮影装置と、
前記撮影装置による撮影結果に基づいて、前記シート層において所定の明るさよりも明るい受力領域を判定する判定手段と、
前記判定手段において所定の明るさよりも明るい受力領域と判定された領域内にあるマーカーを、前記マーカー層内の各マーカーのなかで前記受力層における力分布を求めるための計算に用いられるマーカーに決定する決定手段と、
前記撮影装置による撮影結果から得られる前記決定手段で決定されたマーカーの移動情報に基づいて、前記受力層における力分布を算出する算出手段とを備えていることを特徴とする光学式触覚センサ。
【請求項２】
遮光性及び可撓性を有する材料で形成されていると共に、前記マーカー層、前記シート層及び前記撮影装置を収容し且つその一側面が前記受力層となる筐体と、
前記筐体内において前記マーカー層に対して前記受力層と反対側に配置された第１の光源とをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の光学式触覚センサ。
【請求項３】
前記シート層は、
弾性及び透光性を有する弾性部材と、
前記弾性部材内に光を供給する第２の光源とを有しており、
前記弾性部材のマーカー層側の面には凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式触覚センサ。
【請求項４】
前記シート層は、感圧塗料による印刷層を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式触覚センサ。
【請求項５】
前記シート層は、弾性及び透光性を有する弾性部材をさらに有しており、
前記印刷層は、前記弾性部材の前記マーカー層と反対側の面に配置されていると共に、前記弾性部材の前記マーカー層と同じ側の面には凹凸が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光学式触覚センサ。
【請求項６】
前記シート層は、応力発光塗料による印刷層を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式触覚センサ。
【請求項７】
前記シート層は、弾性及び透光性を有する弾性部材をさらに有しており、
前記印刷層は、前記弾性部材の前記マーカー層と反対側の面に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式触覚センサ。
【請求項８】
前記シート層は、弾性及び透光性を有すると共に、感圧塗料または応力発光塗料が混ぜ合わされて製造された弾性部材を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式触覚センサに関し、特に比較的大きな領域の圧力分布の計測に有効な光学式触覚センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
接触面の接触状態に基づいて接触面の各点に加わる力を検出する触覚センサが知られている。ここで、接触面の各点に加わる力は大きさ及び方向を有する３成分のベクトルで表される。これを図１の座標系でf(x,y)と表すことにする。ただしfはベクトルであるため、実際には各点においてx,y,z３成分を持つ。それぞれの成分を明示的に示す場合にはf(x,y)=[fx(x,y),fy(x,y),fz(x,y)]と表す。力分布が各接触点において３成分を持つことから、触覚センサによって接触面の力分布を再構成するためには少なくとも接触面の各点に対して３自由度以上の情報を得なければならない。
【０００３】
そこで、本出願の発明者は、３次元ベクトル分布の計測が可能な光学式触覚センサを開発した。この光学式触覚センサの原理について、図２に基づいて説明する。この光学式触覚センサでは、透明弾性体で形成されたマーカー層５２０内に、複数の赤色マーカー５２１及び複数の青色マーカー５２２が高さの異なる２つの平行面内に配置されている。そして、外部から力が加えられた場合には、その力による各赤色マーカー５２１及び各青色マーカー５２２の動作がＣＣＤカメラ等で撮影される。このようにして得られる各マーカーの移動情報に基づいて、弾性体の表面に力が加わった時のマーカー層５２０の内部の変形情報が計測され、力分布が再構築される。
【０００４】
マーカー層５２０の表面をｘｙ平面、垂直方向をｚ軸にとりＣＣＤカメラを用いてｚ方向から各マーカーを撮影することにより、力が加わった際の測定点の移動をｘｙ平面方向の移動ベクトルとして計測する。マーカーの移動情報から力ベクトル分布を再構築するために、マーカー層５２０の内部の異なった深さに測定点として赤色マーカー及び青色マーカーをそれぞれN×N個配設することで深さの異なった２次元移動ベクトルを２つ求め、それぞれ異なった情報として扱うことで、情報量を増やして力ベクトル分布を求める。
【０００５】
このような光学式触覚センサの用途としては、例えば椅子の座面に用いることで座っている人間の臀部に加わる圧力分布の計測、ベッドに用いることで寝ている人間の圧力分布の計測、床面に用いることで歩行計測または重心動揺計測などに適用することが考えられ、大面積の力分布計測が行われる。ここで、この光学式触覚センサによる大面積の力分布計測の実用化や応用を考えた場合には、力分布を求めるための計算時間の短縮が課題となるので、本発明者は上記計算時間を短縮するための手法を提案している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ２００５／０２９０２７  Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、上記課題を解決するための研究をさらに行った結果、光学式触覚センサの有する全てのマーカーの移動情報を用いて力分布を算出するのではなく、外部から力が加えられた受力領域を判定し、その領域内にあるマーカーの移動情報だけを用いて力分布を算出すると、上記計算時間の大幅な短縮が可能であることを見出した。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
本発明の光学式触覚センサは、外部から力が加えられる受力層と、互いに異なる種類のマーカーをそれぞれ含む複数のマーカー群が内部に設けられた弾性及び透光性を有するマーカー層と、前記受力層と前記マーカー層との間に配置されており、前記受力層に力が加えられた場合に、その力が加えられた領域が力の大きさに応じた明るさに変化するシート層と、前記マーカー層に対して前記受力層と反対側に配置されており、前記マーカー層内の各マーカー及び前記シート層を撮影する撮影装置と、前記撮影装置による撮影結果に基づいて、前記シート層において所定の明るさよりも明るい受力領域を判定する判定手段と、前記判定手段において所定の明るさよりも明るい受力領域と判定された領域内にあるマーカーを、前記マーカー層内の各マーカーのなかで前記受力層における力分布を求めるための計算に用いられるマーカーに決定する決定手段と、前記撮影装置による撮影結果から得られる前記決定手段で決定されたマーカーの移動情報に基づいて、前記受力層における力分布を算出する算出手段とを備えている。
【０００８】
この構成によると、受力層において力が加えられた領域に対応した受力領域内にあるマーカーの移動情報だけに基づいて力分布が算出される。従って、全てのマーカーの移動情報に基づいて力分布が算出される場合と比較して、力分布を求めるための計算時間を大幅に短縮することができる。
【０００９】
また、本発明の光学式触覚センサにおいて、前記マーカー層、前記シート層及び前記撮影装置を収容し且つ遮光性を有する筐体と、前記筐体内において前記マーカー層に対して前記受力層と反対側に配置された第１の光源とをさらに備えていてもよい。この構成によると、受力領域を正確に判定することができる。
【００１０】
また、本発明の光学式触覚センサにおいて、前記シート層は、弾性及び透光性を有する弾性部材と、前記弾性部材内に光を供給する第２の光源とを有しており、前記弾性部材のマーカー層側の面には凹凸が形成されていてもよい。
【００１１】
また、本発明の光学式触覚センサにおいて、前記シート層は、感圧塗料による印刷層を有していてもよい。この構成によると、シート層には光源を設けなくてもよいので、製造コストを低減できる。
【００１２】
また、本発明の光学式触覚センサにおいて、前記シート層は、弾性及び透光性を有する弾性部材をさらに有しており、前記印刷層は、前記弾性部材の前記マーカー層と反対側の面に配置されていると共に、前記弾性部材の前記マーカー層と同じ側の面には凹凸が形成されていてもよい。
【００１３】
また、本発明の光学式触覚センサにおいて、前記シート層は、応力発光塗料による印刷層を有していてもよい。この構成によると、シート層には光源を設けなくてもよいので、製造コストを低減できる。
【００１４】
また、本発明の光学式触覚センサにおいて、前記シート層は、弾性及び透光性を有する弾性部材をさらに有しており、前記印刷層は、前記弾性部材の前記マーカー層と反対側の面に配置されていてもよい。
【００１５】
また、本発明の光学式触覚センサにおいて、前記シート層は、弾性及び透光性を有すると共に、感圧塗料または応力発光塗料が混ぜ合わされて製造された弾性部材を有していてもよい。この構成によると、シート層には光源を設けなくてもよいので、製造コストを低減できると共に、シート層の製造が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式触覚センサの構成を示す図である。
【００１７】
図３に示す光学式触覚センサ１は、遮光性を有する筐体４０と、筐体４０内に収容されたシート層１０、マーカー層２０及びＣＣＤカメラ３０と、コンピュータ（図示しない）に記憶された演算部６０とを有している。筐体４０は、可撓性を有する材料で形成された直方体形状の箱状の部材である。ここで、本実施の形態では、筐体４０の上面部４１が、外部から力が加えられる受力層すなわちセンサ面４５となる。また、光学式触覚センサ１は、筐体４０内においてマーカー層２０に対して受力層１０と反対側に配置された白色ＬＥＤ５０と、シート層１０内に配置された緑色ＬＥＤ５１とを有している。
【００１８】
シート層１０は、筐体４０の上面部４１とマーカー層２０との間に配置されている。シート層１０は、弾性及び透光性を有するシリコンゴムで形成されており、その下面（マーカー層２０側の面）には多数の突起１１が設けられている。従って、筐体４０の上面部４１に外部から力が加えられた場合には、その受力領域に対応したシート層１０が撓み、その領域内の突起１１がマーカー層２０の上面に押し付けられて変形する。ここで、上述したように、シート層１０内には緑色ＬＥＤ５１が配置されており、筐体４０の上面部４１に力が加えられた場合には、その力が加えられた受力領域が力の大きさに応じた明るさに変化する。
【００１９】
マーカー層２０は、弾性及び透光性を有するシリコンゴムで形成されており、その上端部近傍には多数のマーカーが埋設されている。多数のマーカーは、２つのマーカー群にそれぞれ含まれる２種類のものに区別され、互いに異なる深さの部分にそれぞれ埋設されている。ここで、本実施の形態では、２つのマーカー群には互いに異なる色を有するマーカーが含まれており、一方のマーカー群には赤色マーカー２１が含まれ、他方のマーカー群には青色マーカー２２が含まれている。
【００２０】
ＣＣＤカメラ３０は、筐体４０内の下端部近傍に配置されており、マーカー層２０内の各マーカー２１、２２及びシート層１０を撮影するものである。ＣＣＤカメラ３０は、ディジタル式カメラすなわち画像データを電気信号として出力するカメラである。本発明に係る撮影装置は、ＣＣＤカメラに限定されるものではなく、例えばC-MOS式イメージセンサを用いたディジタルカメラでもよい。
【００２１】
ここで、マーカー層２０は、好ましくはシリコンゴムから形成されるが、他のゴム類やエラストマー等の他の弾性部材から形成されてもよい。また、マーカーが埋設されていることによってマーカー層２０の変形が阻害されてはならないので、各マーカー２１、２２は、弾性部材（好ましくは、弾性体と同等の弾性定数を有するもの）から形成されていることが好ましく、さらに好ましくはマーカー層２０と同じ材料から構成され、一つの好ましい態様では、シリコンゴムに色素を加えたものから構成される。また、各マーカーは、マーカー層２０の変形を阻害しない程度に十分に微小なものであれば、各マーカーの材質は特に限定されない。また、マーカー層２０の各部分がマーカーを構成するものであってもよい。本実施の形態では、マーカー層２０が２つのマーカー群を有する場合を示すが、マーカー群の数は限定されない。
【００２２】
また、光学式触覚センサ１は、上述したように、筐体４０の上面部４１に力が加えられた場合に、ＣＣＤカメラ３０により得られる撮影結果に基づいて、筐体４０の上面部４１における力分布を算出する演算部６０を有している。演算部６０には、判定部６１と、決定部６２と、移動情報検出部６３と、算出部６４とが形成されている。
【００２３】
判定部６１は、ＣＣＤカメラ３０による撮影結果に基づいて、シート層１０において所定の明るさよりも明るい受力領域を判定する。光学式触覚センサ１では、筐体４０の上面部４１に外部から力が加えられた場合には、その受力領域内の突起１１が大きく変形する。その結果、シート層１０の受力領域の明るさが、力が加えられる前と比較して明るくなる。ここで、判定部６１には、受力領域を判定する際に用いられる閾値が設定されている。つまり、判定部６１では、閾値に対応した所定の明るさよりも明るい領域を受力領域と判定する。
【００２４】
決定部６２は、マーカー層２０内の各マーカーのなかで筐体４０の上面部４１における力分布を求めるための計算に用いられるマーカーを決定する。つまり、決定部６２は、判定部６１において所定の明るさよりも明るい受力領域と判定された領域内にあるマーカーを決定する。
【００２５】
移動情報検出部６３は、決定部６２で決定されたマーカーに関する移動情報をＣＣＤカメラ３０による撮影結果に基づいて検出する。
【００２６】
算出部６４は、移動情報検出部６３で検出されたマーカーの移動情報に基づいて、筐体４０の上面部４１における力分布を算出する。ここで、算出部６４は、各マーカーの移動情報から筐体４０の上面部４１に加えられた力ベクトルまたは力ベクトル分布を再構成するための伝達関数を格納している。伝達関数は、筐体４０の上面部４１に加えられた力情報と各マーカーの移動情報とを関連づける関数である。
【００２７】
次に、筐体４０の上面部４１に力が加えられた場合について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は、筐体４０の上面部４１に力が加えられた状態を示す図である。ここでは、矩形状部材７０が筐体４０の上面部４１の中央部近傍に載せられた場合を示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態における受力領域を示す図である。
【００２８】
矩形状部材７０が筐体４０の上面部４１の中央部近傍に載せられると、矩形状部材７０の下面から上面部４１に力が加わる。ここで、筐体４０の上面部４１に力が加えられる受力領域Ｌ（図４（ｂ）で破線で囲まれた領域）は、矩形状部材７０と上面部４１とが接触している領域である。すると、シート層１０の下面の受力領域Ｌ内の突起１１が、図４（ａ）に示すように、マーカー層２０の上面に押し付けられて変形する。このとき、シート層１０の受力領域Ｌの明るさが力の大きさに応じた明るさに変化する。
【００２９】
また、上述したように、判定部６１には受力領域Ｌを判定する際に用いられる閾値が設定されている。従って、判定部６１は、その閾値に対応した所定の明るさよりも明るい領域すなわち矩形状部材７０と上面部４１との接触領域を、受力領域Ｌと判定する。すると、決定部６２は、マーカー層２０内の各マーカーのなかで、受力領域Ｌ内にある１５個の赤色マーカー２１及び１５個の青色マーカー２２を、力分布を求めるための計算に用いられるマーカーに決定する。
【００３０】
その後、移動情報検出部６３において、３０個のマーカーに関する移動情報がＣＣＤカメラ３０による撮影結果に基づいて検出される。そして、算出部６４では、その移動情報に基づいて、筐体４０の上面部４１における力分布が算出される。つまり、光学式触覚センサ１では、受力領域Ｌ内の３０個のマーカーの移動情報だけが筐体４０の上面部４１における力分布を算出するために用いられる。
【００３１】
次に、センサ面の大面積化が図られた大面積触覚センサ１０１について、図５〜図７を参照して説明する。図５（ａ）は、光学式触覚センサの概略構成を示し、図５（ｂ）は、大面積触覚センサの概略構成を示している。ここで、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、筐体の図示が省略されている。また、図５（ｂ）に示す大面積触覚センサ１０１では、センサ面の全体及び複数のＣＣＤカメラは１つの筐体内に収容されると共に、複数のＣＣＤカメラは１つの演算部に接続される。
【００３２】
大面積触覚センサ１０１は、図５に示すように、上述した光学式触覚センサ１が複数組み合わされることによって構成される。複数の光学式触覚センサ１のセンサ面４５が互いに同一面に配置されるように、各センサ面４５の端縁同士を当接させて敷き詰めることで、大面積触覚センサ１０１のセンサ面１４５が形成される。図５では、光学式触覚センサ１の平面視矩形状のセンサ面４５が図示されている。光学式触覚センサ１のセンサ面４５の形状は矩形状に限定されないが、複数のセンサ面を敷き詰める際には、光学式触覚センサ１のセンサ面４５は矩形状であることが好ましい。また、本実施の形態では、平面状のセンサ面１４５を有する大面積触覚センサ１０１を示すが、センサ面は平面に限定されず、自由曲面からなるセンサ面であってもよい。
【００３３】
ここで、大面積触覚センサ１０１では、複数のＣＣＤカメラ３０が用いられるので、各ＣＣＤカメラ３０によって取得された画像情報を統合する必要がある。図６は、複数台のＣＣＤカメラによって取得された画像情報の統合について説明するための図である。
【００３４】
大面積触覚センサ１０１では、複数台のＣＣＤカメラ３０が、各撮影領域が互いに部分的に重複するように配置される。そして、複数台のＣＣＤカメラ３０によって、各撮影領域の画像がそれぞれ取得される。そして、一方の撮影領域Ａと他方の撮影領域Ｂとの重複撮影領域Ｅ内のマーカーが互いに一致するように、各ＣＣＤカメラによる画像情報を合成することで画像情報の統合を行う。
【００３５】
図６では、２台のＣＣＤカメラの各撮影領域が図示されている。つまり、図６では、撮影領域Ａにおいて重複撮影領域Ｅに対応する領域に含まれる赤色マーカー２１及び青色マーカー２２と、撮影領域Ｂにおいて重複撮影領域Ｅに対応する領域に含まれる赤色マーカー２１及び青色マーカー２２とを一致させるようにして、２台のＣＣＤカメラ３０によって撮影された各画像が合成される。
【００３６】
図７は、図５（ｂ）に示す４台のＣＣＤカメラの撮像領域を示す図である。各ＣＣＤカメラ３０で取得した撮影領域をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、領域Ａと領域Ｂ、領域Ａと領域Ｃ、領域Ｂと領域Ｄ、領域Ｃと領域Ｄのそれぞれにおいて重複撮影領域Ｅが形成されるように、各撮影領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの画像情報が統合される。なお、図７ではマーカーは省略してある。
【００３７】
ここで、大面積触覚センサ１０１の基本的な構成は、光学式触覚センサ１の構成と同様である。つまり、大面積触覚センサ１０１においても、センサ面１４５に力が加えられた場合には、シート層において、その力が加えられた受力領域の明るさが力の大きさに応じた明るさに変化する。そして、大面積触覚センサ１０１では、複数のCCDカメラの各撮影領域における受力領域内のマーカーの移動情報だけが力分布を算出するために用いられる。このように、大面積触覚センサ１０１では、マーカー層に埋設されるマーカーの数が光学式触覚センサ１と比較して著しく多くなるので、受力領域内のマーカーの移動情報だけに基づいて力分布を算出することによって、計算時間を大幅に短縮することができる。
【００３８】
次に、センサ面に加えられた力ベクトル分布の再構成法について、図８を参照して説明する。
【００３９】
光学式触覚センサ１によって得られたマーカーの移動情報（例えば、マーカーの移動情報の一つである移動ベクトル）からセンサ面に加えられた力ベクトル分布を求めるには、マーカーの移動情報Ｍから力情報Ｆへの変換が必要となる。マーカー情報Ｍから力情報Ｆへの変換は、式Ｆ＝ＨＭによって行なわれる。ここでは簡単のため二次元断面（図のy軸方向は考えない）について考えるが、一般的な三次元の場合でもアルゴリズムは同一である。
【００４０】
fはセンサ面にかかる力ベクトル、m,nはそれぞれBlue, Redの色付けをしたマーカーのCCD素子上での移動ベクトルを表す。適当な離散化によって有限な点数（図８では４点）について考える。前述のように力ベクトルはそれぞれ３成分(x,y,z成分)をもつが、ここでは２成分(x,z成分)を考える。ここでは、説明の便宜上、図のようにx方向成分のみ観測されたとする。 
【００４１】
f=[fx(1),fx(2),fx(3),fx(4),fz(1),fz(2),fz(3),fz(4)]の８成分が求めたい力分布であり、
m=[m(1),m(2),m(3),m(4)], n=[n(1),n(2),n(3),n(4)]が観測される移動ベクトルである。このm,nをまとめてxと書くことにする。
すなわち、x=[m(1),m(2),m(3),m(4),n(1),n(2),n(3),n(4)]となる。
ここで、点1においてx方向単位力（大きさ１の力）が加えられたときに観察される各マーカーの移動ベクトルm,nをまとめてMx(1)と書く。
すなわち、
Mx(1)=[m(1),m(2),m(3),m(4),n(1),n(2),n(3),n(4)]  
when f=[1,0,0,0,0,0,0,0]
【００４２】
同様に、点1においてz向単位力が加えられたときに観察される各マーカーの移動ベクトルをMz(1)、点２おいてx方向単位力が加えられたときに観察される各マーカーの移動ベクトルをMx(2)等、以下同様に定める。線形弾性体（加えられた力分布と変位の間に線形加算関係が成り立つ弾性体。多くの弾性体はこの性質を満たす）の場合、一般的な力          f=[fx(1),fx(2),fx(3),fx(4),fz(1),fz(2),fz(3),fz(4)]が与えられたときに生じる移動ベクトルxは次のように書かれる。
X=Mx(1)*fx(1)+Mz(1)*fz(1)+Mx(2)*fx(2)+…+Mz(4)*fz(4)
【００４３】
これを行列形式で書くと、X=H*fとなる。ただしH=[Mx(1);Mx(2);…;Mz(4)]。このHを、力fから変位xに伝達させるための写像と言う意味で伝達関数と呼ぶ。
要素ごとに書くと次のようになる。
【数１】
0004708979.tif 000002
ただしHmx(x1,x2)は，座標x=x2の表面に加わったx方向単位力による座標x=x1における、mマーカーがある深さでのx方向変位量を表す。同様に、Hnz(x1,x2)は座標x=x2の表面に加わったz方向単位力による座標x=x1における，nマーカーがある深さでのx方向変位量を表す。
【００４４】
観測されたxからfを求めるにはHの逆行列をかけてやればよい。すなわち
f=inv(H)*x（式１）である。ただしinvは逆行列（一般には一般化逆行列）を表す。
要素ごとに書くと数２のようになる。
【数２】
0004708979.tif 000003
ただしImx(1,1)等はinv(H)の各要素であるが，結局のところfx(1)を計算するためのm(1)の寄与を表す。
【００４５】
伝達関数によって定まった行列の逆行列を使うことで未知数を定める場合、未知数の個数を観測されたデータの個数が上回っているか同数である必要がある。この問題を解決するために色分けした２層のマーカー群を用意し、２層のマーカー群の各マーカーの移動を取ることによって独立な観測データ数を８つまで増やしている。
【００４６】
一般的な三次元の場合(この図ではy軸が追加された場合)、一点における力ベクトルは3自由度、マーカーの水平移動ベクトルは２自由度である。もしサンプリング点が同様に４点であったとすると、未知数は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)]の１２個存在するのに対して、観測される値は移動ベクトルm=[mx(1),my(1),mx(2),my(2),mx(3),my(3),mx(4),my(4)]の８個であり、やはり足りない。これを２層に分けて観測することにより16個の観測データを得ることができ、これにより12個の未知数を同定することになる。以上のようなアルゴリズムを用いて、CCD画像から力ベクトルを推定する。他のマーカーを用いた他の測定方式でも、観測されるデータが異なるだけで、色分けという工夫によって未知数の数より多い独立な観測値（マーカーの振る舞いに関する情報）を集め、逆問題を安定に解くことによって力ベクトルを推定する点では同じである。
【００４７】
次に、伝達関数（行列H）を求めるための手法を説明する。ある特徴的な形の弾性体（例えば半無限弾性体）においては、表面に加わる力と内部変位の関数として、前述の微小領域で満たすべき関係式を弾性体内部のあらゆる場所で満たすことができる関数が数式の形で発見されている。このような形の場合には、この関数にメッシュ状に区切った弾性体表面（センサ面）の座標と内部マーカーの座標を代入すれば行列Hが求まる。
【００４８】
ここで数式の形で発見されているとは、表面応力をf(x1)、内部変位をm(x2,y2)とした場合に、m(x2,y2) = G(f(x1),x2,y2)という形で内部変位を表面応力から求める関数Gが発見されているということである。このとき例えば図８で点1に力が加わったときのマーカー2における変位はm(2,y2) = G(f(1), 2,y2)によってもとまる。ただしy2はマーカーの深さ（既知）である。弾性体形状によっては、弾性体形状を半無限大弾性体と仮定することによって上述のような数式を用いてH行列を取得できる。
【００４９】
以上のように、本実施の形態の光学式触覚センサ１では、センサ面において力が加えられた受力領域内にあるマーカーの移動情報だけに基づいて力分布が算出される。従って、全てのマーカーの移動情報に基づいて力分布が算出される場合と比較して、力分布を求めるための計算時間を大幅に短縮することができる。特に、複数の光学式触覚センサ１が組み合わされた大面積触覚センサ１０１において有効である。
【００５０】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る光学式触覚センサ２０１について、図９を参照して説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式触覚センサの構成を示す図である。
【００５１】
本実施の形態の光学式触覚センサ２０１が、第１の実施の形態に係る光学式触覚センサ１と大きく異なる点は、光学式触覚センサ２０１のシート層２１０は、弾性及び透光性を有する弾性部材２１１と、弾性部材２１１のマーカー層２０と反対側の面に配置された感圧塗料による印刷層２１２とを有している点である。ここで、弾性部材２１１のマーカー層２０と同じ側の面には突起２１１ａが形成されている。また、感圧塗料は、力が加えられると、その領域が緑色に変化するものである。この構成によると、シート層には光源を設けなくてもよいので、製造コストを低減できる。
【００５２】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る光学式触覚センサ３０１について、図１０を参照して説明する。図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る光学式触覚センサの構成を示す図である。
【００５３】
本実施の形態の光学式触覚センサ３０１が、第１の実施の形態に係る光学式触覚センサ１と大きく異なる点は、光学式触覚センサ３０１のシート層３１０は、弾性及び透光性を有する弾性部材３１１と、弾性部材３１１のマーカー層２０と反対側の面に配置された応力発光塗料による印刷層３１２とを有している点である。また、応力発光塗料は、力が加えられると、その領域が緑色に変化するものである。この構成によると、シート層には光源を設けなくてもよいので、製造コストを低減できる。
【００５４】
次に、本発明の第４の実施の形態に係る光学式触覚センサ４０１について、図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の第４の実施の形態に係る光学式触覚センサの構成を示す図である。
【００５５】
本実施の形態の光学式触覚センサ４０１が、第１の実施の形態に係る光学式触覚センサ１と大きく異なる点は、光学式触覚センサ４０１のシート層４１０は、弾性及び透光性を有すると共に、感圧塗料または応力発光塗料が混ぜ合わされた材料で形成されている点である。この構成によると、シート層には光源を設けなくてもよいので、製造コストを低減できると共に、シート層の製造が容易になる。
【００５６】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の第１の実施の形態では、シート層内には緑色ＬＥＤが配置されており、マーカー層内には赤色マーカー及び青色マーカーが埋設されているが、これらの色の組み合わせは変更可能である。つまり、例えば、シート層内には赤色ＬＥＤが配置されており、マーカー層内には青色マーカー及び緑色マーカーが埋設されていてもよい。
【００５７】
また、上述の第２、３の実施の形態では、シート層は、弾性部材及び印刷層を有しているが、弾性部材は有していないで、感圧塗料または応力発光塗料による印刷層だけを有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】触覚センサと接触対象の間に生じる力ベクトル分布を示す図である。
【図２】光学式触覚センサの原理図を示しており、上図は透明弾性体の平面図であり、下図は透明弾性体の側面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光学式触覚センサの構成を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、筐体４０の上面部４１に力が加えられた状態を示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態における受力領域を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、光学式触覚センサの概略構成を示し、図５（ｂ）は、大面積触覚センサの概略構成を示している。
【図６】複数台のＣＣＤカメラによって取得された画像情報の統合について説明するための図である。
【図７】図５に示す４台のＣＣＤカメラの撮像領域を示す図である。
【図８】センサ面にかかる力ベクトルとマーカーの移動を説明する図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る光学式触覚センサの構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る光学式触覚センサの構成を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る光学式触覚センサの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１、２０１、３０１、４０１  光学式触覚センサ
１０、２１０、３１０、４１０  シート層
２０  マーカー層
２１  赤色マーカー
２２  青色マーカー
３０  ＣＣＤカメラ
４０  筐体
５０  白色ＬＥＤ
５１  緑色ＬＥＤ
６０  演算部
６１  判定部
６２  決定部
６３  移動情報検出部
６４  算出部
１０１  大面積触覚センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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