(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その先端側に物体が直接接触しうる凸状曲面を有し、その基端側に平坦面を有する光透過性弾性体からなり、前記凸状曲面上にマーカー部が配置された触覚部と、
透明かつ前記光透過性弾性体よりも相対的に硬質であり、平坦な弾性体側接合面を有し、前記光透過性弾性体の基端側にある前記平坦面に前記弾性体側接合面が面接触した状態で接合された押さえ部材と、
前記押さえ部材を介して前記触覚部の背面側に配置され、前記凸状曲面に物体が接触した際の前記マーカー部の挙動を、前記触覚部の背面側から撮影する撮像手段と
を備え、
前記凸状曲面を基準とした前記マーカー部の深さまたは高さは、１０００μｍ以下である
ことを特徴とする光学式触覚センサ。
【請求項２】
前記マーカー部は、格子状に配置された複数の溝または複数の突条からな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】
前記触覚部は、成形面に複数の成形溝または複数の成形突条を有する成形型を用い、その成形面に未硬化の弾性体材料を接触させて硬化させることにより、形成され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】
光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体が接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備えた光学式触覚センサを利用して、複数種類の力学量をセンシングする方法であって、
前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出するステップと、
前記接触領域の大きさから法線力を求めるステップと、
前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求めるステップと、
前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めるステップと
を含むことを特徴とする、光学式触覚センサを利用したセンシング方法。
【請求項５】
光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体が接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備えた光学式触覚センサと、
前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出する情報抽出手段と、
前記接触領域の大きさから法線力を求め、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求め、かつ、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めることが可能な力学量測定手段と
を備えることを特徴とするセンシングシステム。
【請求項６】
前記触覚部において前記物体が接触する箇所の表面上にマーカー部を配置し、
前記撮像手段は、前記触覚部に前記物体が接触した際の前記マーカー部の挙動を撮影し、
前記情報抽出手段は、前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記マーカー部の変形に関する情報を抽出し、
前記力学量測定手段は、前記マーカー部の変形に関する情報からトルクを求めることが可能である
ことを特徴とする請求項５に記載のセンシングシステム。
【請求項７】
光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体が接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備えた光学式触覚センサを利用した物体操作力制御方法であって、
前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出するステップと、
前記接触領域の大きさから法線力を求め、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求め、かつ、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めるステップと、
前記力学量測定手段により求められた複数種類の力学量に基づいて、前記物体に与えるべき適切な操作力を算出するステップと、
前記複数種類の力学量を、算出された適切な操作力に近づけるような制御を行うステップと
を含むことを特徴とする、光学式触覚センサを利用した物体操作力制御方法。
【請求項８】
センサ支持体と、
前記センサ支持体を駆動するアクチュエータと、
光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体に接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備え、前記センサ支持体に支持された光学式触覚センサと、
前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出する情報抽出手段と、
前記接触領域の大きさから法線力を求め、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求め、かつ、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めることが可能な力学量測定手段と、
前記力学量測定手段により求められた複数種類の力学量に基づいて、前記物体に与えるべき適切な操作力を算出する操作力算出手段と、
前記操作力算出手段により算出された適切な操作力で前記センサ支持体を駆動するように前記アクチュエータをフィードバック制御するアクチュエータ駆動制御手段と
を備えたことを特徴とする物体操作力制御装置。
【請求項９】
センサ支持体と、
前記センサ支持体を駆動するアクチュエータと、
光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体に接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備え、前記センサ支持体に支持された光学式触覚センサと、
前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出する情報抽出手段と、
前記接触領域の大きさから法線力を求め、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求め、かつ、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めることが可能な力学量測定手段と、
前記力学量測定手段により求められた複数種類の力学量に基づいて、前記物体に与えるべき適切な把持力を算出する把持力算出手段と、
前記把持力算出手段により算出された適切な把持力で前記センサ支持体を駆動するように前記アクチュエータをフィードバック制御するアクチュエータ駆動制御手段と
を備えたことを特徴とする物体把持力制御装置。
【請求項１０】
複数の指と、
前記複数の指を駆動するアクチュエータと、
光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体に接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備え、前記複数の指のうちの少なくとも１つの指の先端部に支持された光学式触覚センサと、
前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出する情報抽出手段と、
前記接触領域の大きさから法線力を求め、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求め、かつ、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めることが可能な力学量測定手段と、
前記力学量測定手段により求められた複数種類の力学量に基づいて、前記物体に与えるべき適切な把持力を算出する把持力算出手段と、
前記把持力算出手段により算出された適切な把持力で前記複数の指を駆動するように前記アクチュエータをフィードバック制御するアクチュエータ駆動制御手段と
を備えたことを特徴とするロボットハンド。
【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、光学式触覚センサを利用したセンシング方法、センシングシステム、物体操作力制御方法、物体操作力制御装置、物体把持力制御装置及びロボットハンドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒューマノイドロボットが人と共存する社会が現実味を帯びてきているものの、それを実現するための課題はまだ多く残されている。ロボット自体の運動性能や知能を向上させることももちろん重要であるが、人とロボットとの間でのコミュニケーション技術のレベルを向上させることが、人とロボットとが共存するための近道ではないかと考えられる。
【０００３】
そのコミュニケーション技術としては、人の指示でタスクをこなすロボットの遠隔操縦技術が中核的な位置を占めている。ロボットの遠隔操縦において、タスクをスムースに遂行するためのキー技術としては、触覚センサを用いて触覚情報を検出することが挙げられる。例えば、触覚センサによって対象物（物体）の重量や摩擦係数を検出し、検出した重量や摩擦係数に基づいてロボットハンドの把持力を調整することが考えられている。これにより、物体を、潰さないように、かつ滑り落とさないように把持することができるものと期待されている。
【０００４】
摩擦係数（滑り）を検出する原理としては、人間の指先が滑りを検出する原理と同様の原理を用いることが考えられている（例えば、非特許文献１参照）。即ち、ロボットハンドの触覚部と物体との間に生じる接触領域から「固着領域」と「滑り領域」とをそれぞれ抽出することにより、滑りやすさの状態（摩擦係数）を検出するという原理である。
【０００５】
この原理を用いた従来型のセンサとしては、曲面状弾性体の内部に複数個の歪ゲージを配列して、各歪ゲージの出力から弾性体内部の圧力分布または歪の分布を測定し、接触領域の滑り・固着状態を計測するといった機械式触覚センサがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、従来型のセンサとしては、透明弾性体の変形をＣＣＤカメラなどの撮像手段で捉えるタイプの光学式触覚センサがある。例えば、直方体状の透明弾性体の内部に球形状のマーカー部を複数層埋設し、各マーカー部の変位をＣＣＤカメラで計測することによって、接触領域付近に生じる３次元の力ベクトルやトルクを計測できるものがある（例えば、特許文献２、非特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−２５４８８４号公報（図５など）
【特許文献２】特願２００２−５２３５６８号公報
【非特許文献１】広光、前野「物体把持時におけるヒト指腹部の固着・滑り分布と触覚受容器応答」，日本機械学会論文集，２００２年３月，６８巻，６６７号Ｃ編，ｐ．９１４−９１９
【非特許文献２】神山、梶本、稲見、川上、舘、「触覚カメラ−弾性を持った光学式３次元触覚センサの作成−」，電気学会論文集Ｅ編，２００３年１月，１２３巻，１号，ｐ．１６−２２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、機械式触覚センサは、歪ゲージを変形させてセンシングを行うものであるため、耐久性に問題がある。さらに、複数の歪ゲージを弾性体内部に配列する必要があるため、製作手順が複雑になったり、配線が困難になったりするなどの問題がある。
【０００８】
一方、上記光学式触覚センサは、透明弾性体の対象物（物体）への接触面が平面となるため、対象物と触覚部との間に生じる摩擦係数の検出を行うことが困難である。また、仮に前記接触面を曲面に変更しようとしても、製作が非常に困難になることが予想される。このほかにも、指型の触覚センサが従来提案されているが、接触状態や接触圧しか測定できず、摩擦係数までを含めた多次元の力学量を同時に測定することができない。
【０００９】
また、多次元の力学量を測定する手段としては、互いに形式の異なる機械式触覚センサと光学式触覚センサとを組み合わせて用いることが従来提案されている（非特許文献１参照）。しかし、このような手段では、２種類のセンサが必要となるため、小型化を図ることは困難である。
【００１０】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製作が容易であり、小型化も容易な光学式触覚センサを提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することが可能な光学式触覚センサを利用したセンシング方法、センシングシステム、物体操作力制御方法、物体操作力制御装置、物体把持力制御装置及びロボットハンドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、その先端側に物体が直接接触しうる凸状曲面を有し、その基端側に平坦面を有する光透過性弾性体からなり、前記凸状曲面上にマーカー部が配置された触覚部と、透明かつ前記光透過性弾性体よりも相対的に硬質であり、平坦な弾性体側接合面を有し、前記光透過性弾性体の基端側にある前記平坦面に前記弾性体側接合面が面接触した状態で接合された押さえ部材と、前記押さえ部材を介して前記触覚部の背面側に配置され、前記凸状曲面に物体が接触した際の前記マーカー部の挙動を、前記触覚部の背面側から撮影する撮像手段とを備え、前記凸状曲面を基準とした前記マーカー部の深さまたは高さは、１０００μｍ以下であることを特徴とする光学式触覚センサをその要旨とする。
【００１２】
従って、請求項１に記載の発明によると、光透過性弾性体の挙動を撮像手段によって画像情報として捉えるため、大きな情報量を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、複数種類の力学量（例えば、法線力、接線力、摩擦係数及びトルクなど）を同時に測定する場合であっても、形式の異なる複数種類のセンサを組み合わせて用いたりしなくて済む。このため、光学式触覚センサの小型化が容易になる。また、マーカー部を光透過性弾性体の内部に設けたり、複数個の歪ゲージを光透過性弾性体の内部に配列したりする必要がないため、光学式触覚センサの製作が容易になる。
【００１３】
また、物体との接触時に一番変形しやすい部分は、凸状曲面である。そして、凸状曲面から触覚部の内側に行くに従って、変形量は小さくなる。このため、マーカー部を凸状曲面上に配置した本発明によれば、マーカー部を触覚部の内部に配置した場合よりも、マーカー部に大きな変形が生じやすい。よって、マーカー部の変形の様子を撮像手段によって撮影することで、触覚部に作用する力を正確に求めることができる。即ち、光透過性弾性体の内部に生じる歪みを検出する方法に比べて、検出精度が高くなる。
【００１４】
なお、「光透過性弾性体」は、シリコーンゴムなどのシリコー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ーなどの他の光透過性弾性体から形成されていてもよい。また、「光透過性弾性体」は、透明であってもよいし、半透明であってもよい。
【００１５】
また、前記センサにおける「マーカー部」は、光透過性弾性体の内部ではなく凸状曲面上にのみ配置されることがよい。換言すると、マーカー部は、凸状曲面上において１層のみ配置されることがよい。マーカー部を内部に配置する場合、特にマーカー部を内部に複数層配置する場合、光学式触覚センサの製作が困難になるからである。また、マーカー部は、光透過性弾性体に別の材料を付着（例えば、塗布、貼付、印刷など）させることで構成されるものであってもよいし、別の材料を付着させることになる光透過性弾性体自身に形成されるものであってもよいが、特に後者の方が好ましい。光透過性弾性体に別の材料を付着させることでマーカー部を構成すると、凸状曲面に物体が接触した際にマーカー部が脱落するおそれがあるためである。また、光透過性弾性体に別の部材を付着させる必要があるため、光学式接触センサの製造コストが上昇するおそれがあるためである。なお、光透過性弾性体自身に形成されるマーカー部としては、溝、突条、突起、窪みなどが挙げられる。また、マーカー部は、無色であってもよいし、着色されていてもよい。
【００１６】
「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式イメージセンサを用いたデジタルカメラなどが挙げられる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記マーカー部は、格子状に配置された複数の溝または複数の突条からなることをその要旨とする。
【００１８】
従って、請求項２に記載の発明によると、マーカー部が格子状に配置された複数の溝または複数の突条からなっているため、触覚部に力が作用してマーカー部が変形する様子を容易に識別することができる。よって、マーカー部の変形の様子を撮像手段によって撮影することで、触覚部に作用する力を容易に求めることができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記触覚部は、成形面に複数の成形溝または複数の成形突条を有する成形型を用い、その成形面に未硬化の弾性体材料を接触させて硬化させることにより、形成されることをその要旨とする。
【００２０】
従って、請求項３に記載の発明によると、触覚部全体の形成と同時に、成形溝によって突条が形成され、成形突条によって溝が形成される。このため、凸状曲面であるにもかかわらず、触覚部の製造が容易になる。また、光透過性弾性体に別の材料を付着させる付着工程が省略できる分だけ、製造コストも低減できる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体が接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備えた光学式触覚センサを利用して、複数種類の力学量をセンシングする方法であって、前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出するステップと、前記接触領域の大きさから法線力を求めるステップと、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求めるステップと、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求め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センシング方法をその要旨とする。
【００２２】
従って、請求項４に記載の発明によると、撮像手段からの画像情報が画像処理されると、接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報が抽出されるとともに、固着領域の大きさに関する情報が抽出され、それらの情報に基づいて法線力、接線力、摩擦係数が求められる。即ち、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体が接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備えた光学式触覚センサと、前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出する情報抽出手段と、前記接触領域の大きさから法線力を求め、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求め、かつ、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めることが可能な力学量測定手段とを備えることを特徴とするセンシングシステムをその要旨とする。
【００２４】
従って、請求項５に記載の発明によると、撮像手段からの画像情報が画像処理されると、情報抽出手段によって接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報が抽出されるとともに、固着領域の大きさに関する情報が抽出される。そして、力学量測定手段によって、それらの情報に基づいて法線力、接線力、摩擦係数が求められる。即ち、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することができる。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記触覚部において前記物体が接触する箇所の表面上にマーカー部を配置し、前記撮像手段は、前記触覚部に前記物体が接触した際の前記マーカー部の挙動を撮影し、前記情報抽出手段は、前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記マーカー部の変形に関する情報を抽出し、前記力学量測定手段は、前記マーカー部の変形に関する情報からトルクを求めることが可能であることをその要旨とする。
【００２６】
従って、請求項６に記載の発明によると、マーカー部は、一番変形しやすい位置である触覚部において物体が接触する箇所の表面上に配置されているため、触覚部にトルクが作用するのと略同時に変形する。このため、マーカー部の変形の度合いが触覚部の変形の度合いに略一致する。よって、１種類のセンサによって複数種類の力学量（法線力、接線力、摩擦係数）を同時に測定することができるだけでなく、マーカー部の変形の様子を撮像手段によって撮影することで、トルクも正確に求めることができる。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体が接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備えた光学式触覚センサを利用した物体操作力制御方法であって、前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出するステップと、前記接触領域の大きさから法線力を求め、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求め、かつ、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めるステップと、前記力学量測定手段により求められた複数種類の力学量に基づいて、前記物体に与えるべき適切な操作力を算出するステップと、前記複数種類の力学量を、算出された適切な操作力に近づけるような制御を行う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物体操作力制御方法をその要旨とする。
【００２８】
従って、請求項７に記載の発明によると、撮像手段からの画像情報が画像処理されると、接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報が抽出されるとともに、固着領域の大きさに関する情報が抽出され、それらの情報に基づいて法線力、接線力、摩擦係数が求められる。即ち、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することができる。そして、測定した力学量に基づいて物体に与えるべき適切な操作力を調整することができる。これにより、物体に適切な力を加えて所望の操作を行うことができる。
【００２９】
ここで、「操作力」とは、触覚部を物体に接触させた状態で、物体を押したり、回転させたり、把持したりする力をいう。
【００３０】
請求項８に記載の発明は、センサ支持体と、前記センサ支持体を駆動するアクチュエータと、光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体に接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備え、前記センサ支持体に支持された光学式触覚センサと、前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出する情報抽出手段と、前記接触領域の大きさから法線力を求め、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求め、かつ、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めることが可能な力学量測定手段と、前記力学量測定手段により求められた複数種類の力学量に基づいて、前記物体に与えるべき適切な操作力を算出する操作力算出手段と、前記操作力算出手段により算出された適切な操作力で前記センサ支持体を駆動するように前記アクチュエータをフィードバック制御するアクチュエータ駆動制御手段とを備えたことを特徴とする物体操作力制御装置をその要旨とする。
【００３１】
従って、請求項８に記載の発明によると、撮像手段からの画像情報が画像処理されると、情報抽出手段によって接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報が抽出されるとともに、固着領域の大きさに関する情報が抽出される。そして、力学量測定手段によって、それらの情報に基づいて法線力、接線力、摩擦係数が求められる。即ち、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することができる。そして、操作力算出手段は、測定した力学量に基づいて物体に与えるべき適切な操作力を算出することができる。これにより、物体に適切な力を加えて所望の操作を行うことができる。
【００３２】
また、物体に与えるべき適切な操作力が途中で変化した場合でも、アクチュエータ駆動制御手段によって行われるフィードバック制御により、物体に対する適切な操作を維持することができる。
【００３３】
請求項９に記載の発明は、センサ支持体と、前記センサ支持体を駆動するアクチュエータと、光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体に接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備え、前記センサ支持体に支持された光学式触覚センサと、前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出する情報抽出手段と、前記接触領域の大きさから法線力を求め、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求め、かつ、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めることが可能な力学量測定手段と、前記力学量測定手段により求められた複数種類の力学量に基づいて、前記物体に与えるべき適切な把持力を算出する把持力算出手段と、前記把持力算出手段により算出された適切な把持力で前記センサ支持体を駆動するように前記アクチュエータをフィードバック制御するアクチュエータ駆動制御手段とを備えたことを特徴とする物体把持力制御装置をその要旨とする。
【００３４】
従って、請求項９に記載の発明によると、撮像手段からの画像情報が画像処理されると、情報抽出手段によって接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報が抽出されるとともに、固着領域の大きさに関する情報が抽出される。そして、力学量測定手段によって、それらの情報に基づいて法線力、接線力、摩擦係数が求められる。即ち、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することができる。そして、操作力算出手段は、測定した力学量に基づいて物体に与えるべき適切な把持力を算出することができる。これにより、物体を、潰さないように、かつ滑り落とさないように把持することができる。
【００３５】
また、物体に与えるべき適切な把持力が途中で変化した場合でも、アクチュエータ駆動制御手段によって行われるフィードバック制御により、物体を、潰さないように、かつ滑り落とさないように把持し続けることができる。
【００３６】
請求項１０に記載の発明は、複数の指と、前記複数の指を駆動するアクチュエータと、光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体に接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備え、前記複数の指のうちの少なくとも１つの指の先端部に支持された光学式触覚センサと、前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、前記物体と前記触覚部との間に生じる接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出するとともに、前記接触領域内に生じる前記物体と前記触覚部との固着領域の大きさに関する情報を抽出する情報抽出手段と、前記接触領域の大きさから法線力を求め、前記接触領域の形状及び前記接触領域の重心から接線力を求め、かつ、前記接触領域の大きさに対する前記固着領域の大きさの割合から摩擦係数を求めることが可能な力学量測定手段と、前記力学量測定手段により求められた複数種類の力学量に基づいて、前記物体に与えるべき適切な把持力を算出する把持力算出手段と、前記把持力算出手段により算出された適切な把持力で前記複数の指を駆動するように前記アクチュエータをフィードバック制御するアクチュエータ駆動制御手段とを備えたことを特徴とするロボットハンドをその要旨とする。
【００３７】
従って、請求項１０に記載の発明によると、撮像手段からの画像情報が画像処理されると、情報抽出手段によって接触領域の大きさ、形状及び重心に関する情報が抽出されるとともに、固着領域の大きさに関する情報が抽出される。そして、力学量測定手段によって、それらの情報に基づいて法線力、接線力、摩擦係数が求められる。即ち、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することができる。そして、操作力算出手段は、測定した力学量に基づいて物体に与えるべき適切な把持力を算出することができる。これにより、複数の指によって、物体を、潰さないように、かつ滑り落とさないように把持することができる。ゆえに、より人間の手に近いロボットハンドを備えたヒューマノイドロボットを実現することができる。
【００３８】
また、物体に与えるべき適切な把持力が途中で変化した場合でも、アクチュエータ駆動制御手段によって行われるフィードバック制御により、物体を、潰さないように、かつ滑り落とさないように把持し続けることができる。
【発明の効果】
【００３９】
以上詳述したように、請求項１〜請求項３に記載の発明によれば、光学式触覚センサの製作が容易になり、光学式触覚センサの小型化が容易になる。
【００４０】
請求項４に記載の発明によれば、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することができる。
【００４１】
請求項５または請求項６に記載の発明によれば、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することができる。
【００４２】
請求項７に記載の発明によれば、物体に適切な力を加えて所望の操作を行うことができる。
【００４３】
請求項８に記載の発明によれば、物体に適切な力を加えて所望の操作を行うことができる。また、物体に与えるべき適切な操作力が途中で変化した場合でも、アクチュエータ駆動制御手段によって行われるフィードバック制御により、物体に対する適切な操作を維持することができる。
【００４４】
請求項９に記載の発明によれば、物体を、潰さないように、かつ滑り落とさないように把持することができる。また、物体に与えるべき適切な把持力が途中で変化した場合でも、アクチュエータ駆動制御手段によって行われるフィードバック制御により、物体を、潰さないように、かつ滑り落とさないように把持し続けることができる。
【００４５】
請求項１０に記載の発明によれば、より人間の手に近いロボットハンドを備えたヒューマノイドロボットを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
［第１の実施形態］
【００４７】
以下、本発明を多次元力学量センシングシステムに具体化した第１の実施形態を、図１〜図８に基づき詳細に説明する。
【００４８】
図１，図２に示されるように、光学式触覚センサ１１を構成する円筒状のケーシング１０の先端側には、半球状をなすタッチパッド１２（触覚部）が設けられている。ケーシング１０内には、撮像手段としてのＣＣＤカメラ１３が配置されている。ＣＣＤカメラ１３は、タッチパッド１２において、物体Ｗ１（図３参照）と接触する側とは反対側に配置されている。ＣＣＤカメラ１３は、タッチパッド１２に物体Ｗ１が接触した際のグリッドパターン１９の挙動（変位や歪み）を背面側から撮影するようになっている。従って、ＣＣＤカメラ１３の焦点は、グリッドパターン１９のあるタッチパッド１２の凸状曲面１５に合っている。
【００４９】
さらに、ケーシング１０内には、グリッドパターン１９を照らすリング状の照明１４が配置されている。本実施形態において、照明１４は、複数の発光ダイオードによって構成されているが、光ファイバなどによって構成されていてもよい。なお、タッチパッド１２、ＣＣＤカメラ１３及び照明１４は同軸上に配置されている。
【００５０】
図１に示されるように、タッチパッド１２は、先端側に凸状曲面１５を有し、基端側に平坦面１６を有する透明弾性体１７（光透過性弾性体）からなっている。透明弾性体１７の基端側には、透明弾性体１７よりも相対的に硬質の押さえ板１８（押さえ部材）が透明な接着剤により接合されている。押さえ板１８はケーシング１０の一端に接合されている。本実施形態においては、押さえ板１８として透明のアクリル板が用いられている。なお、押さえ板１８において、タッチパッド１２が接合される側の反対側には、前記ＣＣＤカメラ１３が配置されている。本実施形態において、透明弾性体１７は、透明シリコーンゴム（ＧＥ東芝シリコーン製：ＹＥ５８２２）によって形成されている。また、透明弾性体１７の高さＨ１は１３ｍｍに設定され、透明弾性体１７の凸状曲面１５の曲率半径は２０ｍｍ〜３０ｍｍ（本実施形態では３０ｍｍ）に設定されている。
【００５１】
図２に示されるように、タッチパッド１２において物体Ｗ１（図３参照）が接触する箇所の表面上、即ち、凸状曲面１５上には、マーカー部としてのグリッドパターン１９が配置されている。グリッドパターン１９は、透明弾性体１７が物体Ｗ１に接触したときに、変位や歪みを起こす。具体的には、グリッドパターン１９は、格子状に配置された複数の溝２０からなっている。本実施形態において、グリッドパターン１９は、３００μｍピッチの格子状に配置された深さ１００μｍの複数の溝２０からなっている。即ち、グリッドパターン１９は、透明弾性体１７と同一の材料によって構成されている。なお、溝２０の深さは、例えば５０μｍに設定されていてもよい。また、本実施形態においては、グリッドパターン１９の形成にあたり、透明弾性体１７とは別の材料は特に用いていないが、別の材料を用いてもよい。
【００５２】
このタッチパッド１２は、略半球面状の成形面を有する金属製の成形型（図示略）に、未硬化の透明シリコーンゴム（弾性体材料）を流し込み、その透明シリコーンゴムの一部を成形面に接触させて硬化させることにより、形成されたものである。なお、成形面には、高さ１００μｍの複数の成形突条が格子状に配置されている。これにより、タッチパッド１２が形成されるのに伴い、透明弾性体１７の凸状曲面１５に、格子状に配置された複数の溝２０が形成される。
【００５３】
図３に示されるように、光学式触覚センサ１１を備えるセンシングシステム２１は、センシングシステム２１全体を制御する制御部２２を備えている。制御部２２はＣＰＵ２３を備えており、ＣＰＵ２３には、ＲＯＭ２４、ＲＡＭ２５及び入出力ポート（Ｉ／Ｏポート）２６が接続されている。ＣＰＵ２３は、センシングシステム２１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。ＲＯＭ２４には、センシングシステム２１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、ＲＡＭ２５には、センシングシステム２１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、入出力ポート２６には、前記ＣＣＤカメラ１３及び前記照明１４が接続されている。ＣＰＵ２３には、前記グリッドパターン１９の挙動を撮影することでＣＣＤカメラ１３から入力される画像情報が、入出力ポート２６を介して入力されるようになっている。それとともに、ＣＰＵ２３は、照明１４を点灯させるための信号を、入出力ポート２６を介して照明１４に対して出力するようになっている。
【００５４】
図３に示されるＣＰＵ２３は、入出力ポート２６を介して一定時間ごと（本実施形態では３３ｍｓごと）に入力されたＣＣＤカメラ１３からの画像情報を画像処理するようになっている。これにより、グリッドパターン１９が格子状の模様として認識されるようになっている（図４参照）。なお、一定時間ごとに取得した画像情報は、ＲＡＭ２５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、タッチパッド１２が物体Ｗ１に接触すると、ＣＰＵ２３は、物体Ｗ１とタッチパッド１２との間に生じる接触領域Ａ１（図５参照）の大きさ（面積）、形状及び重心に関する情報（即ち、幾何学的情報）を抽出するようになっている。また、ＣＰＵ２３は、接触領域Ａ１内に生じる物体Ｗ１とタッチパッド１２との固着領域Ａ２（図５参照）の大きさ（面積）に関する情報（即ち、幾何学的情報）を抽出するようになっている。即ち、ＣＰＵ２３は、情報抽出手段としての機能を有している。ここで、固着領域Ａ２とは、タッチパッド１２が物体Ｗ１に接触した状態で、グリッドパターン１９が動かない領域をいう。また、タッチパッド１２が物体Ｗ１に接触した状態でグリッドパターン１９が動く領域を、滑り領域Ａ３（図５参照）という。
【００５５】
なお、接触領域Ａ１、固着領域Ａ２及び滑り領域Ａ３を判定する方法は以下の通りである。
【００５６】
タッチパッド１２が物体Ｗ１に接触した状態をＣＣＤカメラ１３にて撮影した画像（図５参照）では、グリッドパターン１９が格子状の模様として認識されるとともに、接触領域Ａ１が他の部分よりも明るく見える。よって、画像の輝度の違いに基づいて接触領域Ａ１の面積を計測することができる。なお、本実施形態において、グリッドパターン１９を照らす前記照明１４としては、接触領域Ａ１と非接触領域との輝度の差が大きくなる白色光を発するものが用いられている。これにより、接触領域Ａ１をより鮮明に識別することができる。
【００５７】
次に、今回撮影された画像から１ステップ前（３３ｍｓ前）に撮影された画像を減算し、コントラストを上げるように画像の補正を加えると、グリッドパターン１９が動く滑り領域Ａ３が格子状の模様として表示される。一方、固着領域Ａ２では、格子状の模様が表示されず、ホワイトノイズ的な画像が表示される。その結果、両者の境界が明確になるので、画像より固着領域Ａ２と滑り領域Ａ３との境界を求めることができる。以上の処理により、固着領域Ａ２と滑り領域Ａ３とを分離して計測することができる。
【００５８】
そして、図３に示されるＣＰＵ２３は、接触領域Ａ１の大きさに対する固着領域Ａ２の大きさの割合から、物体Ｗ１と透明弾性体１７との間の摩擦係数（滑りやすさ）を測定するようになっている。具体的には、例えばＣＰＵ２３は、摩擦係数と、接触領域Ａ１の大きさに対する固着領域Ａ２の大きさの割合との関係を示すデータを前記ＲＯＭ２４から読み出す。そして、ＣＰＵ２３は、計測された接触領域Ａ１の大きさに対する固着領域Ａ２の大きさの割合に対応する摩擦係数のデータを選択することによって、接触領域Ａ１付近の摩擦係数を測定することができる。なお、接触領域Ａ１の大きさに対する固着領域Ａ２の大きさの割合が高い程、滑り領域Ａ３が小さくなるため、摩擦係数が大きくなる。なお、摩擦係数を他の方法によって求めてもよい。
【００５９】
また、ＣＰＵ２３は、接触領域Ａ１の大きさから法線力を求めるようになっている。法線力は、前記タッチパッド１２の前記透明弾性体１７によって物体Ｗ１を押圧したときに、物体Ｗ１に対して鉛直方向に作用する力である。具体的には、例えばＣＰＵ２３は、接触領域Ａ１の面積と法線力との関係を示すデータをＲＯＭ２４から読み出す。そして、ＣＰＵ２３は、計測された接触領域Ａ１の面積に対応する法線力のデータを選択することによって、接触領域Ａ１付近に作用する法線力の大きさ及び方向を測定することができる。なお、法線力を他の方法によって求めてもよい。即ち、ＣＰＵ２３は、力学量測定手段としての機能を有している。
【００６０】
さらに、図３に示されるＣＰＵ２３は、接触領域Ａ１の形状及び重心から接線力を求めるようになっている。接線力は、透明弾性体１７によって物体Ｗ１を押圧したときに、物体Ｗ１に対して水平方向に作用する力である。具体的には、例えばＣＰＵ２３は、接線力と、接触領域Ａ１の形状及び重心との関係を示すデータをＲＯＭ２４から読み出す。そして、ＣＰＵ２３は、計測された接触領域Ａ１の形状及び重心に対応する接線力のデータを選択することによって、接触領域Ａ１付近に作用する接線力の大きさ及び方向を測定することができる。なお、接線力を他の方法によって求めてもよい。
【００６１】
また、ＣＰＵ２３は、前記ＣＣＤカメラ１３からの画像情報を画像処理することにより、グリッドパターン１９の変形に関する情報を抽出するようになっている。そして、ＣＰＵ２３は、グリッドパターン１９の変形に関する情報からトルクを求めるようになっている。具体的には、例えばＣＰＵ２３は、グリッドパターン１９が変形する前（物体Ｗ１に接触する前）の画像（図６参照）と変形した後（物体Ｗ１に接触した後）の画像（図７参照）とを比較し、格子のねじれ（角度θ）を計測する。次に、ＣＰＵ２３は、角度θとトルクとの関係を示すデータをＲＯＭ２４から読み出す。そして、ＣＰＵ２３は、計測された角度θに対応するトルクのデータを選択することによって、接触領域Ａ１付近に作用するトルクの大きさ及び方向を測定することができる。なお、トルクを他の方法によって求めてもよい。
【００６２】
次に、センシングシステム２１による力学量（法線力、接線力、摩擦係数及びトルク）の測定方法を説明する。
【００６３】
図８に示されるように、ステップＳ１１０においてタッチパッド１２が物体Ｗ１に接触すると、ＣＰＵ２３は、グリッドパターン１９の挙動を撮影することでＣＣＤカメラ１３から入力される画像情報を取り込み（ステップＳ１２０）、画像処理を行う（ステップＳ１３０）。そして、ＣＰＵ２３は、画像に表示された接触領域Ａ１と非接触領域との輝度の違いに基づいて接触領域Ａ１を測定し、接触領域Ａ１の大きさ、形状及び重心に関する情報を抽出する（ステップＳ１４０）。次に、ＣＰＵ２３は、今回撮影された画像から１ステップ前（３３ｍｓ前）に撮影された画像を減算し、コントラストを上げるように画像の補正を加えることで表示されるホワイトノイズ的な画像から固着領域Ａ２を測定し、固着領域Ａ２の大きさに関する情報を抽出する（ステップＳ１５０）。
【００６４】
そして、ＣＰＵ２３は、接触領域Ａ１の大きさに対する固着領域Ａ２の大きさの割合から、物体Ｗ１と透明弾性体１７との間の摩擦係数を算出する（ステップＳ１６０）。また、ＣＰＵ２３は、接触領域Ａ１の大きさから法線力を求め（ステップＳ１７０）、接触領域Ａ１の形状及び重心から接線力を求める（ステップＳ１８０）。さらに、ＣＰＵ２３は、グリッドパターン１９の格子のねじれ（角度θ）トルクを求め（ステップＳ１９０）、ここでの処理を終了する。なお、ステップＳ１６０〜ステップＳ１９０の処理の順番を変更してもよい。
【００６５】
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。
【００６６】
（１）本実施形態の光学式触覚センサ１１では、透明弾性体１７の挙動をＣＣＤカメラ１３によって画像情報として捉えるため、大きな情報量を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、複数種類の力学量（法線力、接線力、摩擦係数及びトルク）を同時に測定する場合であっても、形式の異なる複数種類のセンサを組み合わせて用いたりしなくて済む。このため、光学式触覚センサ１１の小型化、低コスト化が容易になる。さらに、光学式触覚センサ１１は、従来のように歪ゲージを変形させたりして力学量を測定する訳ではないため、耐久性の面でも問題はない。また、グリッドパターン１９を、透明弾性体１７の内部に設けたり、複数個の歪みゲージを透明弾性体１７の内部に配列したりせずに、透明弾性体１７の凸状曲面１５上に配置すれば済む。しかも、光学式触覚センサ１１を構成する基本的な部品は、透明弾性体１７、照明１４及びＣＣＤカメラ１３であって、比較的少ない。よって、光学式触覚センサ１１の製作が容易になる。
【００６７】
また、物体Ｗ１との接触時に一番変形しやすい部分は、凸状曲面１５である。そして、凸状曲面１５からタッチパッド１２の内側に行くに従って、変形量は小さくなる。このため、グリッドパターン１９を凸状曲面１５上に配置した本実施形態によれば、グリッドパターン１９をタッチパッド１２の内部に配置した場合よりも、グリッドパターン１９に大きな変形が生じやすい。よって、グリッドパターン１９の変形の様子をＣＣＤカメラ１３によって撮影することで、タッチパッド１２に作用する力を正確に求めることができる。即ち、透明弾性体１７の内部に生じる歪みを検出する方法に比べて、検出精度が高くなる。
【００６８】
（２）本実施形態のセンシングシステム２１では、ＣＣＤカメラ１３からの画像情報が画像処理されると、ＣＰＵ２３によって接触領域Ａ１の大きさ、形状及び重心に関する情報が抽出されるとともに、固着領域Ａ２の大きさに関する情報が抽出される。そして、ＣＰＵ２３によって、それらの情報に基づいて法線力、接線力、摩擦係数及びトルクが求められる。即ち、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することができる。
【００６９】
（３）本実施形態では、凸状曲面１５上に配置されるグリッドパターン１９が、格子状に配置された複数の溝２０からなっている。つまり、凸状曲面１５上には凹凸が形成される。これにより、透明弾性体１７が物体Ｗ１に接触したときに、グリッドパターン１９が物体Ｗ１の表面に引っ掛かりやすくなるため、凸状曲面１５上のグリッドパターン１９付近の摩擦係数が大きくなる。従って、タッチパッド１２の物体Ｗ１に対するグリップが向上する。
【００７０】
（４）本実施形態では、透明弾性体１７の基端側が平面（平坦面１６）となっており、その基端側に押さえ板１８が接合されている。よって、透明弾性体１７の基端部の変形が防止されるため、光学式触覚センサ１１による力学量の測定をより正確に行うことができる。また、押さえ板１８により、タッチパッド１２を安定的に保持することができる。しかも、タッチパッド１２が安定的に保持されることから、ＣＣＤカメラ１３によるグリッドパターン１９の撮影が容易になる。
［第２の実施形態］
【００７１】
次に、図９，図１０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。
【００７２】
前記第１の実施形態の光学式触覚センサ１１は、センシングシステム２１に用いられていた。しかし、本実施形態の光学式触覚センサ１１は、ロボットハンド３１（物体操作力制御装置、物体把持力制御装置）に用いられている。
【００７３】
図９に示されるように、ロボットハンド３１を構成するハンド本体３２は、一対の指３４，３５（センサ支持体）を備えている。なお、本実施形態では、ハンド本体３２に２本の指３４，３５が設けられているが、２本以上設けられていてもよく、例えば人の手のように５本設けられていてもよい。また、ハンド本体３２には、第１のサーボモータ３６（アクチュエータ）、第２のサーボモータ３７（アクチュエータ）及び第３のサーボモータ３８（アクチュエータ）が設けられている。指３４，３５は、第１のサーボモータ３６の駆動によって開閉する方向（即ち図９の左右方向）に移動するようになっている。また、指３４，３５は、第２のサーボモータ３７の駆動によって、指３４，３５を開閉する方向とは直交する方向、かつ水平方向（即ち図９の前後方向）に移動するようになっている。さらに、指３４，３５は、第３のサーボモータ３８の駆動によって、鉛直方向（即ち図９の上下方向）に移動するようになっている。
【００７４】
図９に示されるように、一方の指３５には前記光学式触覚センサ１１が支持され、他方の指３４には光学式触覚センサ１１と外形が略等しい指先部材３９が支持されている。指先部材３９及び光学式触覚センサ１１は、互いに向かい合うように配置されている。なお、指先部材３９の代わりに光学式触覚センサ１１を設けるようにしてもよい。つまり、各指３４，３５のいずれか１つに光学式触覚センサ１１を設けてもよいし、各指３４，３５にそれぞれ光学式触覚センサ１１を設けてもよい。
【００７５】
また、ロボットハンド３１全体を制御する制御部２２は、前記第１の実施形態の構成に加え、各サーボモータ３６〜３８を駆動し、各指３４，３５の位置、速度及び力などを制御するモータドライバ４１を備えている。モータドライバ４１はＣＰＵ２３によって制御されるようになっている。モータドライバ４１は、ＣＰＵ２３から出力された駆動信号に基づいて、各サーボモータ３６〜３８に対して所定の波形を有する電流を流すようになっている。
【００７６】
図９に示されるＣＰＵ２３は、同ＣＰＵ２３により求められた法線力、接線力、摩擦係数及びトルクに基づいて、物体Ｗ１に与えるべき適切な把持力（操作力）の大きさ及び方向を算出するようになっている。例えば、必要以上の法線力が物体Ｗ１に加えられ、物体Ｗ１を潰してしまう可能性がある場合、ＣＰＵ２３は、法線力（第１のサーボモータ３６の駆動により指３４，３５が閉じようとする力）を小さくするようになっている。一方、法線力が小さく、物体Ｗ１が滑り落ちてしまう可能性がある場合、ＣＰＵ２３は、法線力を大きくするようになっている。即ち、ＣＰＵ２３は、操作力算出手段及び把持力算出手段としての機能を有している。そして、ＣＰＵ２３は、算出された適切な把持力に基づいて、第１〜第３のサーボモータ３６〜３８の駆動をモータドライバ４１に対して指令するようになっている。これにより、各指３４，３５が、適切な把持力で物体Ｗ１を把持するようになる。つまり、ＣＰＵ２３は、把持力をフィードバック制御するようになっている。即ち、ＣＰＵ２３は、アクチュエータ駆動制御手段としての機能を有している。
【００７７】
次に、ロボットハンド３１によって物体Ｗ１を把持する方法を説明する。
【００７８】
図１０において、ステップＳ１１０〜ステップＳ１９０までの処理が終了し、法線力、接線力、摩擦係数及びトルクが測定されると、ＣＰＵ２３は、ステップＳ２１０の処理へ移行する。ステップＳ２１０において、ＣＰＵ２３は、求められた法線力、接線力、摩擦係数及びトルクに基づいて、物体Ｗ１に与えるべき適切な把持力を算出する。そして、ＣＰＵ２３は、算出された適切な把持力で、第１〜第３のサーボモータ３６〜３８の駆動をモータドライバ４１に指令するようになっている。これにより、各指３４，３５が適切な把持力で物体Ｗ１を把持するようになる。
【００７９】
そして、ステップＳ２１０の処理を終了したＣＰＵ２３は、ステップＳ１２０〜Ｓ２１０の処理を再び行う。この処理は、各指３４，３５が物体Ｗ１を把持している間、一定時間ごとに行われる。つまり、ＣＰＵ２３は、把持力をフィードバック制御する。
【００８０】
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。
【００８１】
（５）本実施形態のロボットハンド３１では、ＣＣＤカメラ１３からの画像情報が画像処理されると、ＣＰＵ２３によって接触領域Ａ１の大きさ、形状及び重心に関する情報が抽出されるとともに、固着領域Ａ２の大きさに関する情報が抽出される。そして、ＣＰＵ２３によって、それらの情報に基づいて法線力、接線力、摩擦係数及びトルクが求められる。即ち、１種類のセンサによって複数種類の力学量を同時に測定することができる。そして、測定した力学量に基づいて物体Ｗ１に与えるべき適切な把持力を算出することができる。これにより、各指３４，３５によって、物体Ｗ１を、潰さないように、かつ滑らないように把持することができる。しかも、光学式触覚センサ１１のタッチパッド１２は半球状をなしているため、物体Ｗ１の形状に影響されることなく、物体Ｗ１を把持することができる。ゆえに、より人間の手に近いロボットハンド３１を備えたヒューマノイドロボットを実現することができる。
【００８２】
（６）本実施形態では、物体Ｗ１に与えるべき適切な操作力が途中で変化した場合でも、ＣＰＵ２３によって行われるフィードバック制御により、物体Ｗ１を、潰さないように、かつ滑らないように把持し続けることができる。しかも、光学式触覚センサ１１は、透明弾性体１７の挙動をＣＣＤカメラ１３によって画像情報として捉えるため、大きな情報量を比較的速く処理することができる。よって、物体Ｗ１に与えるべき適切な操作力が急激に変化した場合でも、物体Ｗ１を、潰さないように、かつ滑らないように把持し続けることができる。
【００８３】
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
【００８４】
・上記各実施形態では、グリッドパターン１９は格子状の模様であったが、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。
【００８５】
・上記各実施形態において、グリッドパターン１９を、光透過性材料からなるカバー層によって覆うようにしてもよい。
【００８６】
・上記各実施形態では、タッチパッド１２が成形型によって形成されるのに伴い、透明弾性体１７の凸状曲面１５に複数の溝２０が形成されるようになっていた。しかし、タッチパッド１２が形成された後で、複数の溝２０を形成（例えば切削形成）するようにしてもよい。
【００８７】
・上記各実施形態では、照明１４は白色光を発するようになっていたが、青色光、赤色光などの他のものであってもよい。
【００８８】
・上記第２の実施形態では、指３４，３５を駆動するアクチュエータとして、第１〜第３のサーボモータ３６〜３８を用いたが、油圧シリンダ、空気圧シリンダ、超音波モータなどをアクチュエータとして用いてもよい。
【００８９】
次に、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００９０】
（１）請求項１乃至３，６のいずれか１項において、さらに前記マーカー部を照らす照明を備えたこと。
【００９１】
（２）技術的思想（１）において、前記照明はリング状であること。
【００９２】
（３）技術的思想（１）または（２）において、前記照明は白色光を発すること。
【００９３】
（４）技術的思想（１）乃至（３）のいずれか１つにおいて、前記照明は複数の発光ダイオードを用いて構成されていること。
【００９４】
（５）請求項１乃至３，６のいずれか１項において、前記マーカー部は無色であること。
【００９５】
（６）請求項６において、前記マーカー部は、格子状に配置された複数の溝または複数の突条からなること。
【００９６】
（７）請求項２または技術的思想（６）において、前記溝の深さまたは前記突条の高さは、１００μｍ〜１０００μｍであること。
【００９７】
（８）請求項１乃至３，６のいずれか１項において、前記マーカー部は着色されていること。
【００９８】
（９）請求項１乃至３，６のいずれか１項において、前記マーカー部は光透過性材料からなるカバー層によって覆われていること。
【００９９】
（１０）請求項１乃至３，６のいずれか１項において、前記マーカー部は、３００μｍ〜１０００μｍピッチの格子状に配置された深さ１００μｍ〜１０００μｍの複数の溝であること。
【０１００】
（１１）請求項１乃至１０のいずれか１項において、前記撮像手段はＣＣＤカメラであること。
【０１０１】
（１２）請求項１乃至１０のいずれか１項において、前記撮像手段は前記触覚部の背面側に配置され、前記凸状曲面上、または、前記触覚部において物体が接触する箇所の表面上に配置されたマーカー部を背面側から撮像すること。
【０１０２】
（１３）請求項１乃至１０のいずれか１項において、前記光透過性弾性体は透明であること。
【０１０３】
（１４）請求項１乃至１０のいずれか１項において、前記光透過性弾性体はシリコーン樹脂からなること。
【０１０４】
（１５）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記光透過性弾性体の前記凸状曲面の曲率半径は５ｍｍ〜５０ｍｍであること。
【０１０５】
（１６）請求項１乃至１０のいずれか１項において、前記光透過性弾性体はその先端側に凸状曲面を有し、基端側に平坦面を有すること。
【０１０６】
（１７）請求項１乃至１０のいずれか１項において、前記光透過性弾性体はその先端側に凸状曲面を有し、基端側に平坦面を有するとともに、前記基端側には、さらに、前記光透過性弾性体よりも相対的に硬質の押さえ部材が接合され、前記撮像手段はさらにその基端側に配置されていること。
【０１０７】
（１８）光透過性弾性体からなる触覚部と、前記触覚部において物体に接触する箇所の挙動を撮影する撮像手段とを備えた光学式触覚センサの製造方法であって、成形面に複数の成形溝または複数の成形突条を有する成形型を用い、その成形面に未硬化の弾性体材料を接触させて硬化させることにより、前記触覚部を形成することを特徴とする光学式触覚センサの製造方法。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
例えば本発明の光学式触覚センサ及びそれを利用したセンシングシステムによれば、人とロボットとの間での触覚情報の双方向情報伝達が容易になる可能性がある。例えば、ボールを投げるなどの指先の微妙な動きや感覚をロボットに学習させることができるロボットティーチングマシンに応用できる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明における光学式触覚センサを示す全体斜視図。
【図２】タッチパッドの全体斜視図。
【図３】センシングシステムの構成を示すブロック図。
【図４】タッチパッドが物体に接触していない場合のグリッドパターンの状態を示す図。
【図５】タッチパッドが物体に接触した際のグリッドパターンの状態を示す図。
【図６】タッチパッドにトルクが作用していない場合のグリッドパターンの状態を示す図。
【図７】タッチパッドにトルクが作用した際のグリッドパターンの状態を示す図。
【図８】センシングシステムによる処理の概略を示すフローチャート。
【図９】ロボットハンドの構成を示すブロック図。
【図１０】ロボットハンドによる処理の概略を示すフローチャート。
【符号の説明】
【０１１０】
１１…光学式触覚センサ
１２…触覚部としてのタッチパッド
１３…撮像手段としてのＣＣＤカメラ
１５…凸状曲面
１７…光透過性弾性体としての透明弾性体
１９…マーカー部としてのグリッドパターン
２０…溝
２１…センシングシステム
２３…情報抽出手段、力学量測定手段、操作力算出手段、把持力算出手段及びアクチュエータ駆動制御手段としてのＣＰＵ
３１…物体操作力制御装置、物体把持力制御装置としてのロボットハンド
３４，３５…センサ支持体としての指
３６…アクチュエータとしての第１のサーボモータ
３７…アクチュエータとしての第２のサーボモータ
３８…アクチュエータとしての第３のサーボモータ
Ａ１…接触領域
Ａ２…固着領域
Ｗ１…物体
【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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