(57)【要約】  本発明は、物体（Ｏ）の表面への圧力の作用を検出するためのシステム（１）であって、力及びトルクの少なくとも１つのセンサ（２〜４）を提供される物体のサポートと、少なくとも１つの力覚センサの測定に基づいて、物体の表面上の作用点を通過する空間内の直線の座標を計算するように構成される処理ユニット（５）とを備える、システム（１）に関する。処理ユニットは、レイトレーシング計算を用いて、基本ファセットのメッシュに従って前記表面を表わす物体の表面の幾何学的モデルの基本ファセットが、作用点を通過する直線と交差するか否かについて決定する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（Ｏ）の表面に対する圧力の作用を検出するためのシステム（１）であって、
少なくとも１つの力覚センサ（２〜４）を具備する前記物体（Ｏ）のサポートと、
前記圧力の作用を特性解析するためのモジュール（７）であって、少なくとも１つの前記力覚センサの測定を介して、前記物体（Ｏ）の前記表面に作用する前記圧力の作用点（Ｘ）を通過する空間の軸（Ｄ）の座標を計算するように構成されている前記モジュール（７）を有している処理ユニット（５）と、
を備えている前記システム（１）において、
基本ファセットのメッシュに基づく表面を表わす前記物体（Ｏ）の前記表面の、幾何学的モデルの基本ファセットが、前記作用点（Ｘ）を通過する前記軸（Ｄ）と交差するか否かについて、前記圧力の作用を特性解析するための前記モジュール（７）が、レイトレーシング計算によって判定するように構成されていることを特徴とするシステム（１）。
【請求項２】
前記圧力の作用を特性解析するための前記モジュールが、前記基本ファセットが前記作用点を通過する前記軸と交差するとの判定に基づいて、前記基本ファセットを前記作用点の位置と関連付けるように構成されている、請求項１に記載のシステム（１）。
【請求項３】
前記圧力の作用を特性解析するための前記モジュールが、前記作用点の位置と関連付けられた前記基本ファセットについて、前記圧力の作用の法線成分及び接線成分を決定するように構成されている、請求項２に記載のシステム（１）。
【請求項４】
前記圧力の作用を特性解析するための前記モジュールが、前記力覚センサによって測定される力と前記基本ファセットの法線とのスカラー積を計算するように構成されており、
前記レイトレーシング計算が、計算された前記スカラー積が負である場合に限り、前記基本ファセットが前記作用点を通過する前記軸と交差するか否かについて検証するために実施される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム（１）。
【請求項５】
前記圧力の作用を特性解析するための前記モジュールが、前記力覚センサによって測定される力と前記作用点を通過する前記軸と交差すると判定された前記基本ファセットの法線とのスカラー積を計算するように構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム（１）。
【請求項６】
前記物体（Ｏ）の前記表面の前記幾何学的モデルが、ステレオリソグラフィファイル又はＣＡＤファイルによって記述されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム（１）。
【請求項７】
前記システムが、前記物体（Ｏ）の前記表面に対する前記圧力の作用についての、前記圧力の作用を特性解析するための前記モジュール（７）による特性解析に応答して、前記処理ユニット（５）を介して制御されるアクチュエータ（９）を備えている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム（１）。
【請求項８】
物体の表面に対する圧力の作用を検出するための方法であって、前記物体（Ｏ）のサポートに設けられている少なくとも１つの力覚センサの測定を介して、前記物体（Ｏ）の前記表面に作用する圧力の作用点を通過する空間の軸の座標を計算するステップを備えている前記方法において、
前記方法が、基本ファセットのメッシュに基づく表面を表わす、前記物体（Ｏ）の前記表面の幾何学的モデルの基本ファセットが、前記作用点を通過する前記軸と交差するか否かについて、レイトレーシング計算によって判定するステップを備えていることを特徴とする方法。
【請求項９】
コンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータプログラム製品がコンピュータ上で実行される場合に、請求項８に記載の方法の前記ステップを実行可能とされるプログラムコード命令を備えているコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、物体の表面における圧力の作用を検出する分野である。本発明はより詳しくは、接触している２つの本体、すなわち圧力がその表面に局所的に及ぼされる物体及び物体のサポートの作用／反作用の力を定量化することを可能にする力覚センサの使用に基づく検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザと物体の表面との接触位置を決定するために、一般に、物体の表面は、接触を触知可能とするための、すなわち接触に対する感度を有する機器を備えている。
【０００３】
従って、解決策は、電極のネットワークを物体の表面に設けることである。電極との接触は、測定可能なキャパシタンスの変化を発生させる。従って、電極の数によって決定される有限数の接触点のみが検出可能とされ、電極によって触知領域それぞれを覆う必要がある。このような解決策では、物体の外部態様を変更することに加えて、物体の表面全体を触知可能とすることが困難である。最終的に、このような解決策では、作用する支持力を知ることができない。
【０００４】
触知可能とすべき物体への介入を最小限に抑えることができる解決策は、光学的方法である。構造化光によって又は構造化光を用いず撮像可能とされるビデオ画像をセグメント化する方法では、例えば物体を接触している１本以上の指と判別し、そのため当該指を位置付けることができる。しかしながら、これら解決策は、照明条件の影響を受け易く、手が物体によって隠された場合やカメラの視野から外れた場合にオクルージョン問題に悩まされる。そして、このような解決策でも、作用する支持力を知ることができない。
【０００５】
別の解決策は、物体の機械的バランスが、力の合計（支持＋ユーザのアクション）が各瞬間においてゼロであるように、物体の表面にユーザによって及ぼされる力がこの物体上のサポートによって及ぼされる力によって相殺されるということを課すという事実に基づいている。この原理を使用することによって、ユーザによって物体に及ぼされる接触の位置及び力は、サポートについて測定される力及び運動量を使用して決定することができる。
【０００６】
スクリーンを支持する３つの力センサ（又はより多くの）によって測定される力はそのため、例えば特許文献１において述べられるなどの、平坦な表面上の接触点を位置決めすることを可能にする。
【０００７】
この解決策は、触覚をロボットに与え、物体を操作するそれらの能力を向上させるために、平坦でない表面の場合のロボット工学にまで拡張されている。このフレームワークにおける力センサは、ロボットエンドエフェクタによってロボットの本体の残りに伝達される力及び運動量を測定する。
【０００８】
この解決策は、特に非特許文献１に記述されている。
【０００９】
この論文は、３つの力成分及び３つの運動量成分の測定を使用して表面上の接触点の位置を得ることを可能にする数学的展開を提示する。これらの力及び運動量の測定のみでは、接触点を位置付けることを可能にしないが、しかし可能な位置のすべてを、スキュー軸と呼ばれる、空間の軸に縮小する。接触は、物体の表面上で起こるので、探求される点は従って、表面とのスキュー軸の交点にある。この解決策は従って、力センサを有することに加えて、この交点を決定するために、触知できる状態にするための表面の幾何学的形状を知ることを必要とする。
【００１０】
解決策は、物体の表面とのスキュー軸の交点を解析的に計算することを可能にするために数学的な形で記述することができる簡単な幾何学的物体（例えば、球、円柱）について与えられる。この論文は、交点の解析的計算を可能にするために数学的にそれぞれ記述できる一組の簡単な基本的物体に物体を分解する可能性について述べる。そのような数学的記述はしかしながら、この論文で提案される方法が、何であれ任意の形状の物体に適用できないとなるように、複雑な形状の物体にとって必ずしも可能であるとは限らない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第３６５７４７５号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Bicchi、J. K. Salisbury、及びD. L. Brock、「Contact Sensing from Force Measurements」、The International Journal of Robotics Research、Vol. 12、no. 3、249〜262ページ、1993年6月
【非特許文献２】T. Moller及びB. Trumbore、「Fast, Minimum Storage Ray/Triangle Intersection」、ACM SIGGRAPH 2005 Courses、New York、NY、USA、2005年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、目的のためにユーザによってこの表面に及ぼされる接触の位置及び力を決定することによって物体の表面を触知できる状態にしなければならず、これは、物体の表面に機器を取り付ける必要がなく、これは、物体の材料又は形状にかかわらない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この趣旨で、本発明は、物体の表面への圧力の作用を検出するためのシステムであって、少なくとも１つの力覚センサを提供される物体のサポートと、少なくとも１つの力覚センサの測定を介して、物体の表面上の作用点を通過する空間の軸の座標を計算するように構成される圧力の作用を特性解析するためのモジュールを備える処理ユニットとを備える、システムを提案する。圧力の作用を特性解析するためのモジュールはさらに、レイトレーシング計算を用いて、基本ファセットのメッシングに従って前記表面を表わす物体の表面の幾何学的モデルの基本ファセットが、作用点を通過する軸と交差するか否かについて判定するように構成される。
【００１５】
このシステムのある好ましいがしかし限定しない態様は、次の通りであり、
−  圧力の作用を特性解析するためのモジュールはまた、基本ファセットが、作用点を通過する軸と交差するとの判定により、基本ファセットを作用点の位置と関連付けるようにも構成され、
−  圧力の作用を特性解析するためのモジュールはまた、作用点の位置と関連する基本ファセットについて圧力の作用の法線成分及び接線成分を決定するようにも構成され、
−  圧力の作用を特性解析するためのモジュールは、力覚センサによって測定される力と基本ファセットの法線とのスカラー積を計算するように構成され、レイトレーシング計算は、計算されたスカラー積が、負である場合に限り、基本ファセットが、作用点を通過する軸と交差するか否かについて検証するために行われ、
−  圧力の作用を特性解析するためのモジュールは、力覚センサによって測定される力と作用点を通過する軸と交差すると決定された基本ファセットの法線とのスカラー積を計算するように構成され、
−  物体の表面の幾何学的モデルは、ステレオリソグラフィファイル又はＣＡＤファイルによって記述され、
−  それはさらに、圧力の作用を特性解析するためのモジュールによる物体の表面への圧力の作用の特性解析に応答して処理ユニットによって制御されるアクチュエータを備える。
【００１６】
本発明はまた、物体の表面への圧力の作用を検出するための方法及びコンピュータプログラム製品にも関する。
【００１７】
本発明の他の態様、目的、利点及び特徴は、限定しない例として与えられ、付属の図面を参照して与えられる、本発明の好ましい実施形態の次の詳細な記述を読むとき、より良く現れるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】作用する力及び運動量の解析を介して物体の表面に作用する圧力を検出するための問題を定義する図である。
【図２】本発明における、物体の表面に対する圧力の作用を検出するためのシステムを表わす。
【図３ａ】本発明の実施によって触知可能とされる表面を表わす。
【図３ｂ】本発明の実施によって触知可能とされる表面を表わす。
【図３ｃ】本発明の実施によって触知可能とされる表面を表わす。
【図３ｄ】本発明の実施によって触知可能とされる表面を表わす。
【図３ｅ】本発明の実施によって触知可能とされる表面を表わす。
【図３ｆ】本発明の実施によって触知可能とされる表面を表わす。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、物体の表面に及ぼされ、物体のサポートに組み込まれた少なくとも１つの力覚センサを介して測定される力及び運動量の解析を実施する、物体の表面への圧力の作用を検出するためのシステムに関する。物体に対する少なくとも１つのセンサの位置は、知られている。
【００２０】
図１は、デカルト座標系ｉ、ｊ、ｋの原点と受け取られる点Ｏにおいて力覚センサＣを提供されるサポートＳ上に置かれたテーパー形状を有する物体Ｏの図である。圧力の作用は、物体Ｏの表面の１つの点Ｘに及ぼされる。
【００２１】
上文に述べられた論文に示されるように、センサＣによって測定される力Ｆ＝［Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ］及びトルクＭ＝［Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ］に基づいて、物体の表面上の作用点Ｘは、スキュー軸と呼ばれる、空間の軸Ｄに沿って位置し、そのパラメトリック方程式は、Ｘ＝Ｘ０＋Ｄｐによって与えられ、ただしｐは、スカラーパラメータであり、Ｘ０は、軸の原点であり、Ｄは、軸の方向ベクトルである。より詳しくは、
【００２２】
【数１】
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【００２３】
図２を参照すると、本発明によるシステム１は、少なくとも１つの力覚センサ２〜４を提供される物体Ｏのサポートと、少なくとも１つの力覚センサ２〜４の測定値を処理するように構成される処理ユニット５とを備える。各センサ２〜４は、必ずしも３つの軸に従って力及び運動量を測定しないが、しかし物体によってそれに及ぼされる力のすべてを測定する。物体が、いくつかのサポートを有するとき、少なくとも１つの力覚センサが、サポートの各々に提供される。
【００２４】
処理ユニット５は特に、信号を処理ユニット５に伝達する前にこれらの信号をデジタル化する、少なくとも１つのセンサ２〜４によって作成される信号を取得するためのデバイス６を介して少なくとも１つのセンサ２〜４に接続されてもよい。
【００２５】
処理ユニット５は、作用点を位置付けし、この印加点に及ぼされる力を決定する、圧力の作用を特性解析するためのモジュール７を備える。
【００２６】
処理ユニット５はさらに、圧力の作用の特性解析を使用して、ユーザへの感覚リターン（視覚の、音声の、触覚のもしくは他の）を作成する又は物理的アクション（例えばカメラの向きの制御）もしくは仮想的アクション（例えば仮想物体もしくはデジタルコンテンツとの相互作用）を実行することを可能にするアクチュエータ９を対象とした指令を開発することを可能にするモジュール８を備えてもよい。
【００２７】
圧力の作用を特性解析するためのモジュール７は、少なくとも１つの力覚センサの測定を介して、物体の表面上の作用点を通過するスキュー軸の座標を計算するように構成される。
【００２８】
物体の表面とのスキュー軸の交点を決定するために、本発明は、簡単な形状に限定される物体の幾何学的形状の数学的記述を必要とする解析的分解能ではなく、物体の表面との軸の交点を識別し、そのため物体の表面上の作用点を識別するために、スキュー軸の座標を用いて構成されるレイトレーシングアルゴリズムに頼ることを提案する。レイトレーシングアルゴリズムは、特にテクスチャのレンダリングのために、インフォグラフィックにおいて従来使用されるそれらの種類である。
【００２９】
圧力の作用を特性解析するためのモジュール７はそのためより詳しくは、レイトレーシング計算を用いて、基本ファセットのメッシングに従って前記表面を表わす物体の表面の幾何学的モデルの基本ファセットが、作用点を通過する軸と交差するか否かについて判定するように構成される。この決定は、モデルの基本ファセットのすべてについて実行され、ファセットが、スキュー軸と交差するとき、ファセットは、作用点の位置と関連付けられる。
【００３０】
ファセットは、三角形であってもよく、その場合レイトレーシングアルゴリズムは有利には、光線−三角形交差判定アルゴリズムである。非特許文献２には、そのようなアルゴリズムが例示されている。
【００３１】
センサ２〜４によって記録される力の合計はまた、物体の表面に及ぼされる力の３つの成分（軸ｘ、ｙ、及びｚに従って）をも提供する。この力ベクトルは、物体の座標系において表されてもよく、スキュー軸と交差するファセットに対して法線力及び接線力に分解されてもよい。そのため、圧力の作用を特性解析するためのモジュール７はまた、作用点の位置と関連する基本ファセットについて圧力の作用の法線成分及び接線成分を決定するように構成されてもよい。法線成分は特に、仮想環境においてズーム制御を提供するために使用されてもよい。接線成分は、物体の表面上の摩擦係数を示す。この摩擦に起因して、力の接線成分は、表面上で指を滑らす前に現れる。この接線成分はそのため、ユーザの意図の印となり、ユーザの動きを予測することを可能にする。
【００３２】
作用点の位置と関連するファセットは、スキュー軸と交差するファセットである。このような交差は、必ずしも一意的ではなく、多くの場合物体内のスキュー軸の入口点及び出口点に対応する少なくとも２つのファセットがある。力はしかしながら、作用点において、少なくとも１つの力覚センサによって測定される力と基本ファセットの法線とのスカラー積が、負であるように、物体に向かって印加される。
【００３３】
本発明の可能な実施形態では、この特性は、前述のスカラー積が負であるファセットのみにスキュー軸との交差の探索を限定するために使用される。この実施形態では、圧力の作用を特性解析するためのモジュール７は、各基本ファセットについて、力覚センサによって測定される力と基本ファセットの法線とのスカラー積を計算するように構成される。レイトレーシングの計算は次いで、計算されたスカラー積が、負である場合に限り、基本ファセットが、スキュー軸と交差するか否かについて検証するために実行され、それは、デー処理を低減することを可能にする。
【００３４】
別の実施形態では、スカラー積のこの特性が使用されるのは、レイトレーシングの後である。圧力の作用を特性解析するためのモジュール７は次いで、力覚センサによって測定される力とスキュー軸と交差すると決定された基本ファセットの法線とのスカラー積を計算するように構成される。そのため、物体内のスキュー軸の入口点を出口点から区別し、作用点について負のスカラー積の基本ファセットを取り続けることが可能である。
【００３５】
本発明のフレームワークにおいて使用される幾何学的モデルは、必ずしも物体の詳細のすべてを再現しないが、しかし触れることができる表面を表わす。例えば、外部のみに触れることを目的とする中空物体は、固体としてモデル化されてもよい。
【００３６】
このモデルは、多くの方法で得られてもよい。３Ｄプリンティングを介して生成される物体については、プリンタへの物体の表面を記述するステレオリソグラフィファイルが、直接使用されてもよい。そのようなファイルは、特にその表面の法線によって記述されるその中のファセットの各１つにおいてさらに有利であり、それは従って、上文に述べられたスカラー積の計算のために容易に使用することができる。製造される物体のＣＡＤ（コンピュータ支援設計）ファイルがまた、使用されてもよい。
【００３７】
この種の前から存在するファイルがないとき、モデルは、３Ｄスキャナ又は触知できる状態にすべき物体の表面を三次元で再構成することを可能にする任意の撮像手段を使用して構成されてもよい。
【００３８】
本発明は、上文に述べられるなどのシステムに限定されず、またそのようなシステムによって実施される方法にまでも及び、特に物体の表面への圧力の作用を検出する方法であって、物体のサポート上に提供される少なくとも１つの力覚センサの測定を介して、物体の表面上の作用点を通過する空間の軸の座標を計算するステップを含む、方法において、それがさらに、レイトレーシング計算を用いて、基本ファセットのメッシングに従って前記表面を表わす物体の表面の幾何学的モデルの基本ファセットが、作用点を通過する軸と交差するか否かについて判定するステップを含むことを特徴とする、方法にまでも及ぶ。本発明はまた、前記プログラムが、コンピュータ上で実行されるとき、本方法のステップを実行することを可能にするプログラムコード命令を含むコンピュータプログラム製品にも関する。
【００３９】
図３ａ〜図３ｆは、本発明の実施によって触知できる状態にされてもよい異なる表面を示し、これは、物体の設計及び製造の後でさえであり、それの設計に影響を及ぼすことなくである。
【００４０】
図３ａでは、力覚センサは、それを触知できる状態にするためにスクリーンの基部、並びにその輪郭又はその基部に置かれる。スクリーンに表示されるコンテンツとの触覚相互作用を可能にすることに加えて、本発明は、スクリーンのエッジに仮想ボタンを生成し、そのためスクリーンのスイッチオン、音量、明るさ又は任意の他の機能を制御することを可能にする。
【００４１】
ランプの基部又はランプシェードなどの、家具を触知できる状態にすることを可能にする別の応用は、図３ｂに示される。本発明は、例えばランプの基部上で指を滑らすことによって照明の強度を制御する、又はランプシェードの外縁を動き回ることによって光の色を変更することを可能にする。
【００４２】
図３ｃでは、センサは、垂直サポート上に置かれる。そのようなサポートを介して壁に掛けられた湾曲スクリーンはそのため、触知できる状態にされてもよい。
【００４３】
図３ｄでは、球面が、カメラの向きを制御するために又はマッピングソフトウェアなどの、仮想環境においてナビゲートするために使用される。この後者の場合、球面は、地図としての役割を果たし、次いで触れられる位置は当然、到着すべき位置の緯度及び経度又は指し示すべき方向を示す。触れることによって及ぼされる力への同時アクセスはまた、当然ある点上でズームインすることも可能にする。
【００４４】
図３ｅに示されるなどの、彫刻モデル又はレプリカは、単に機器を取り付けられた基部上にそれを置くことによって触知できる状態にされてもよい。次いで、例えばこのモデルのゾーンに触れることによって特定のマルチメディアコンテンツにアクセスすることが可能である。
【００４５】
最後に、図３ｆに示されるように、機械のダッシュボード又はコントロールパネルは、その形状にかかわらずかつその材料又は設計に対する制約なしに、触知できる状態にされてもよい。
【００４６】
本発明の適用分野自体は、特に多様である。本発明は、例えば自動車産業や航空産業において、指令を生成するために、及び、客室又は操縦室の表面を機能的にするために利用可能とされる。本発明は、芸能文化産業において、触知可能な物体を介したデジタルコンテンツとの相互作用を可能にするため利用可能とされる。本発明は、家具産業において、ホームオートメーション（ｄｏｍｏｔｉｃｓ）の適用を提案することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  システム
２  力覚センサ
３  力覚センサ
４  力覚センサ
５  処理ユニット
６  デバイス
７  モジュール
８  モジュール
９  アクチュエータ
Ｃ  力覚センサ
Ｄ  空間の軸
Ｆ  力
Ｍ  トルク
Ｏ  物体、原点
Ｘ  作用点
【図１】
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【図２】
2018534593.tif 000005
【図３Ａ】
2018534593.tif 000006
【図３Ｂ】
2018534593.tif 000007
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
2018534593.tif 000009
【図３Ｅ】
2018534593.tif 000010
【図３Ｆ】
2018534593.tif 000011
【国際調査報告】
2018534593.tif 000012
2018534593.tif 000013
2018534593.tif 000014
2018534593.tif 000015
2018534593.tif 000016
2018534593.tif 000017