JP 2007‑518966 A 2007.7.12(57)【要約】【課題】
自由曲面からなる触覚部を備えた光学式触覚センサを提供する。
【解決手段】
触覚部と撮影手段とを備えた光学式触覚センサであって、該触覚部は透明弾性体１と該弾性体内に設けた複数のマーカー群とから構成されている。各マーカー群はそれ
ぞれ多数の有色マーカーから構成されており、異なるマーカー群を構成するマーカーは群毎で互いに異なる色を有しており、該弾性体の表面２は自由曲面であり、該マーカー群は該自由曲面に沿って配設されている。該弾性
体に物体が接触した際の該有色マーカーの振る舞いを該
撮影手段で撮影する。触覚センサは、好ましい例では、
指型触覚センサである。
【選択図】
図３

(2)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12【特許請求の範囲】【請求項１】
センシング部と、撮影装置と、力ベクトル分布再構成装置と、を備えた光学式触覚セン
サであって、該センシング部は、透明弾性体と該弾性体内に設けた複数のマーカー群とから構成されており、各マーカー群はそれぞれ多数の有色マーカーから構成されており、異なるマーカ
ー群を構成するマーカーは群毎で互いに異なる色を有しており、該弾性体の表面は自由曲
面であり、該撮影装置は、該弾性体の自由曲面からなる表面に物体が接触した際の該有色マーカーの振る舞いを撮影してマーカー画像情報を取得し、10

該力ベクトル分布再構成装置は、該マーカー画像情報から取得されたマーカーの振る舞
いに関する情報から該表面に加えられた力ベクトルを再構成するための伝達関数を格納しており、該伝達関数を用いてマーカーの振る舞いに関する情報から該表面に加えられた力を再構成する、
光学式触覚センサ。
【請求項２】
請求項１において、該伝達関数は実測によって求めたものである、光学式触覚センサ。
【請求項３】
請求項１において、該伝達関数はシミュレーションによって求めたものである、光学式
触覚センサ。

20【請求項４】
請求項１乃至３いずれかにおいて、該伝達関数は、該表面上に配置したサンプル点に複数の所定の方向の所定の大きさの力がそれぞれ加えられた時のマーカーの振る舞いに関する情報から求めたものである、光学式触覚センサ。
【請求項５】
請求項４において、前記所定の方向は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を含む、光学式触覚センサ。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかにおいて、該センサは指型センサであり、指先の肉部が透明弾性体で形成されており、該透明弾性体の表面が指先の表面を形成している、光学式触覚セ30

ンサ。
【請求項７】
請求項６において、該透明弾性体の背部には爪状基部が設けてあり、該爪状基部は該弾性体を支持している、光学式触覚センサ。
【請求項８】
請求項７において、該撮影装置は該爪状基部に装着されており、該指先の表面に対向している、光学式触覚センサ。
【請求項９】
請求項７において、該撮影装置は、爪体の端部に装着されており、該指先の表面に対向している、光学式触覚センサ。

40【請求項１０】
請求項１乃至５いずれかにおいて、該透明弾性体の表面は、球状あるいは球の部分の形状を有している、光学式触覚センサ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０いずれかにおいて、前記力ベクトル分布再構成装置は、記憶装置とプロセッサを有し、該記憶装置は該伝達関数を格納しており、該プロセッサはマーカーの画像情報からマーカーの振る舞いに関する情報を計算し、該伝達関数を用いてマーカーの振る舞いに関する情報から力ベクトル分布を計算する、光学式触覚センサ。
【請求項１２】
請求項１１において、前記力ベクトル再構成装置は、第１プロセッサと第２プロセッサ

50

(3)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12を有し、該第１プロセッサはマーカーの画像情報からマーカーの振る舞いに関する情報を計算し、該第２プロセッサは、該伝達関数を用いてマーカーの振る舞いに関する情報から力ベクトル分布を計算する、光学式触覚センサ。
【請求項１３】
請求項１乃至１２いずれかにおいて、前記マーカーの振る舞いは、マーカーの変位、ひずみ、傾きの少なくともいずれか一つ以上を含む、光学式触覚センサ。
【請求項１４】
請求項１乃至１３いずれかにおいて、前記マーカーの振る舞いは、マーカーの移動情報として取得される、光学式触覚センサ。
【請求項１５】10

請求項１乃至１３いずれかにおいて、前記マーカーの振る舞いは、マーカーの輝度の変化として取得される、光学式触覚センサ。
【請求項１６】
請求の範囲１乃至１５いずれかにおいて、該マーカー群は互いに異なる空間的配列を有している、光学式触覚センサ。
【請求項１７】
1つ あ る い は 複 数 の 透 明 弾 性 体 で あ り 、 各 透 明 弾 性 体 は 自 由 曲 面 か ら な る 表 面 を 有 す る
指先の肉部を構成しており；
各弾性体内に設けられた複数のマーカー群であって、各マーカー群はそれぞれ多数の有色マーカーから構成されており、異なるマーカー群を構成するマーカーは群毎で互いに異20なる色を有しており；
1つ あ る い は 複 数 の 撮 影 装 置 で あ っ て 、 該 1つ あ る い は 複 数 の 弾 性 体 の 自 由 曲 面 か ら な る
表面に物体が接触した際の該有色マーカーの振る舞いを撮影してマーカーの画像情報を求め；
マーカーの画像情報から求めたマーカーの振る舞いに関する情報から該表面に加えられた力を求める力ベクトル分布再構成装置と；からなる指型光学式触覚センサ。
【請求項１８】
請求項１７において、前記センサは、１つあるいは複数の爪状基部を有し、各爪状基部は前記１つあるいは複数の透明弾性体のそれぞれの背部に設けてあり、各爪状基部は各透30明弾性体を支持している、指型光学式触覚センサ。
【請求項１９】
請求項１８において、前記１つあるいは複数の撮影装置のそれぞれは、各爪状基部に装着されており、指先表面に対向している、指型光学式触覚センサ。
【請求項２０】
請求項１８において、前記１つあるいは複数の撮影装置のそれぞれは、各爪体の基端部位に装着されており、指先表面に対向している、指型光学式触覚センサ。
【請求項２１】
請求項１７乃至２０いずれかにおいて、該力ベクトル分布再構成装置は、該取得されたマーカーの振る舞いに関する情報から表面に加えられた力ベクトルを再構成するための伝

40

達関数を格納しており、該伝達関数を用いてマーカーの振る舞いに関する情報から該表面に加えられた力を求める、指型光学式触覚センサ。
【請求項２２】
請求項２１において、前記力ベクトル分布再構成装置は、記憶装置とプロセッサを有し、該記憶装置は該伝達関数を格納しており、該プロセッサはマーカーの画像情報からマーカーの振る舞いに関する情報を計算し、該伝達関数を用いてマーカーの振る舞いに関する情報から力ベクトル分布を計算する、指型光学式触覚センサ。
【請求項２３】
請求項２２において、前記力ベクトル再構成装置は、ローカルプロセッサとセントラル
プロセッサを有し、該ローカルプロセッサはマーカーの画像情報からマーカーの振る舞い

50

(4)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

に関する情報を計算し、該セントラルプロセッサは、該伝達関数を用いてマーカーの振る舞いに関する情報から力ベクトル分布を計算する、指型光学式触覚センサ。
【請求項２４】
請求項１乃至２３いずれかに記載された光学式触覚センサを用いた力ベクトル分布再構
成法であって、
該弾性体のセンシング面に物体が接触した際の該有色マーカーを撮影して１つあるいは複数のマーカー画像を取得するステップと、
該マーカー画像から、求めたい力ベクトルの個数よりも多い、マーカーの振る舞いに関する情報を取得するステップと、
該伝達関数を用いて、取得した情報から力ベクトル分布を再構成するステップと、10を有することを特徴とする力ベクトル分布再構成法。
【請求項２５】
請求項２４において、前記伝達関数は、弾性体の表面上に多数のサンプル点を離散状に配設するステップと、各サンプル点において複数の所定の方向に所定の大きさの力が加えられた時のマーカーの振る舞いに関する情報を取得するステップと、各サンプル点において所定の方向に加える既知の所定の大きさの力と、マーカーの振る舞いに関する情報とから伝達関数を作成するステップと、から求められることを特徴とする力ベクトル分布再構成法。
【請求項２６】20

請求項２５において、前記所定の方向は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を含むことを特徴とする力ベクトル分布再構成法。
【請求項２７】
請求項１乃至２３に記載された光学式触覚センサにおける伝達関数の作成法であって、弾性体の表面上に多数のサンプル点を離散状に配設するステップと、各サンプル点において複数の所定の方向に所定の大きさの力が加えられた時のマーカーの振る舞いに関する情報を取得するステップと、各サンプル点において所定の方向に加える既知の所定の大きさの力と、マーカーの振る舞いに関する情報とから伝達関数を作成するステップと、を有することを特徴とする伝達関数作成法。

30【請求項２８】
請求項２７において、前記所定の方向は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を含むことを特徴とする伝達関数作成法。
【請求項２９】
センシング部と、撮影装置と、記憶装置と、１つあるいは複数のプロセッサと、を備えた光学式触覚センサであって、
該センシング部は、透明弾性体と該弾性体内に設けた複数のマーカー群とから構成されており、各マーカー群はそれぞれ多数の有色マーカーから構成されており、異なるマーカ
ー群を構成するマーカーは群毎で互いに異なる色を有しており、該弾性体の表面は自由曲
面であり、

40

該撮影装置は、該弾性体の自由曲面からなる表面に物体が接触した際の該有色マーカーの振る舞いを撮影してマーカーの画像情報を取得し、該記憶装置は、該マーカーの振る舞いに関する情報から表面に加えられた力ベクトルを再構成するための伝達関数を格納しており、
前記１つあるいは複数のプロセッサは、マーカーの画像情報からマーカーの振る舞いに関する情報を計算し、該伝達関数を用いてマーカーの振る舞いに関する情報から力ベクトル分布を計算する、
光学式触覚センサ。
【発明の詳細な説明】【技術分野】50

(5)JP 2007‑518966 A 2007.7.12【０００１】
本発明は、光学式触覚センサに係り、好ましくは、ロボットハンド用の触覚センサに用いられる触覚センサに関するものである。
【背景技術】【０００２】
触覚センサによって接触面の接触状態を知ることを考える時、接触面の各点にかかる力は大 き さ と 方 向 を 持 っ た ３ 成 分 の ベ ク ト ル で あ 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 。
【０００３】

10

本出願の発明者等は、３次元力ベクトル分布の計測が可能な光学式触覚センサを提案してい る 。 こ の 光 学 式 触 覚 セ ン サ は 国 際 公 開 公 報 Ｗ Ｏ 02/18893 A1に 開 示 さ れ て お り 、 開 示 事
項は引用によって本明細書に組み込まれる。かかる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。光学式触覚センサは、透明弾性体とＣＣＤカメラを用いて構成されている。透明弾性体内部に配置された球状マーカーをＣＣＤカメラで撮影することで、弾性体の表面に力が加わった時の弾性体内部の変形情報を計測し、該情報から力分布を再構成する。
【０００４】
弾性体表面をｘｙ平面、垂直方向をｚ軸にとりＣＣＤカメラを用いてｚ方向から球状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

20

ルとして計測する。しかしながら、このままでは情報量が少なく変形情報から力ベクトル
分布を再構成することが困難であるため、弾性体内部の異なった深さに赤色球状マーカー、 青 色 球 状 マ ー カ ー を 測 定 点 と し て 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】
上述の光学式触覚センサにおいては、一般に、平面状の表面を備えた光学式触覚センサが採用される。当該表面は二次元画像情報として撮影されるので、二次元画像情報に対応する平面状の表面の採用は自然な選択である。また、平面状の表面を備えたセンサにおいては、力ベクトル分布の再構成が比較的容易である。

30【０００６】
このタイプの光学式触覚センサは、３次元力ベクトル分布を計測することができる、そして、物体と接触する柔軟な表面を備えた弾性体を有している、という点において有利である。例えば、この光学式触覚センサをヒューマノイドのロボットハンドに設けた場合には、グラスを壊したり落としたりすることなく掴む必要がある。ガラスの落下を防止するためには、ガラスの表面と平行する方向に作用する力を感知する必要がある。このことは、
上記光学式触覚センサによって可能である。ここで、光学式触覚センサの多種の用途を考えた時に、平面状の表面ではなく、自由な任意の形状の表面を備えた触覚センサを作成する必要がある。しかしながら、該自由曲面状の表面に作用した力ベクトル分布を求めるのは困難である。これに関連して、下条等：液状感圧ゴムを用いた自由曲面型触覚センサの40

開 発 、 日 本 ロ ボ ッ ト 学 会 学 術 講 演 会 、 １ G24,2002に は 、 自 由 曲 面 を 備 え た 触 覚 セ ン サ が 開示されている。しかしながら、このセンサでは、力ベクトル分布を獲得することはできない。
【発明の開示】【発明が解決しようとする課題】【０００７】
本発明の目的は、自由曲面からなる表面を備えた光学式触覚センサを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、マーカー情報から自由曲面状の表面に作用した力ベクトル分布を再

50

(6)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

構成することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、ロボットハンド用の触覚センサ、あるいはコンピュータ用インターフェースとして用いることができる触覚センサを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、それによってマーカー情報を用いて力ベクトル分布を計算することができる伝達関数を求める方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】【００１１】
本発明は、触覚部と撮影装置とを備えた光学式触覚センサに関する。該触覚部は透明弾性

10

体と該弾性体内に設けた複数のマーカー群とから構成されており、各マーカー群はそれぞれ多数の有色マーカーから構成されており、異なるマーカー群を構成するマーカーは群毎で互いに異なる色を有している。該弾性体は自由曲面状の表面（非平面の表面）を有している。撮影装置は、該弾性体の接触面に物体が接触した際の弾性体内の該有色マーカーの振る舞いを撮影してマーカーの画像情報を取得する。センサは、マーカーの振る舞いに関する情報（例えば、マーカーの移動ベクトル）から力ベクトル分布を再構成する力ベクト
ル分布再構成手段を有する。マーカーの振る舞いに関する情報はマーカーの画像情報から得ることができる。
【００１２】
該有色マーカーの振る舞いを撮影することで、該弾性体に物体が接触した際における該有

20

色マーカーの変位、ひずみ、傾きの少なくとも一つ以上を観測する。接触対象がセンサに接触した時の有色マーカーの情報から、透明弾性体内部のひずみ情報、さらにそこから計算された接触対象の形状や接触界面（弾性体の面、接触対象の面の双方を含む）に働く力の情報を検出するものである。本発明によれば、複数種類の情報を「色分け」というシンプルな方法によって個別に採集でき、光学式で複数種類の触覚情報を同時に得ることができる。そして、本発明によれば、「色分け」によって未知数の数以上の独立の観測情報を集め、逆問題を安定に解くことによって、力ベクトルを推定して再構成することができる。
【００１３】
有色マーカーは撮影装置、一つの好ましい例ではＣＣＤカメラ、によって撮影され、画像30処理される。例えば、物体接触時とそれ以前の状態（透明弾性体に外力が作用していない状態）の画像を比較し、マーカーの移動情報を検出する。あるいは、通常時（透明弾性体に外力が作用していない状態）では、マーカーが認識できないような配設態様でマーカー
を透明弾性体に埋設しておき、透明弾性体に物体が接触した時に各マーカー存在位置周辺
におけるひずみにより生じるマーカーの変位、変形、傾きに応じてマーカーが認識される
ように構成し、有色マーカーの見え方等から情報を検出する。あるいは、他の好ましい態
様では、マーカー（例えば、階段状の帯状マーカーの場合）の振る舞いは、マーカーの輝度の変化として取得される。
【００１４】
力ベクトル分布再構成装置には、該撮影装置で取得されたマーカーの振る舞いに関する情40報（例えば、表面に物体が接触した時の各マーカーの移動ベクトル）から弾性体の表面に加えられた力ベクトルないし力ベクトル分布を再構成するための伝達関数が格納されている。伝達関数は、センサの表面に加えられた力情報とマーカーの振る舞いに関する情報（
例えば、移動ベクトル）とを関連付ける関数である。弾性体のセンシング表面に物体が接触した際の該有色マーカーを撮影してマーカー画像を取得し、該マーカー画像情報から、
マ ー カ ー の 振 る 舞 い に 関 す る 情 報 を 取 得 す る 。 1つ の 態 様 で は 、 マ ー カ ー の 振 る 舞 い に 関する情報は、弾性体に物体が接触した接触状態におけるマーカー情報と、弾性体に物体が接 触 し て い な い ノ ー マ ル 状 態 に お け る マ ー カ ー 情 報 と を 比 較 す る こ と で 得 ら れ る 。 1つ の態様では、通常状態におけるマーカー情報は、位置情報や輝度情報のような数値情報として記憶装置に記憶される。マーカーの振る舞いに関する情報は、接触状態におけるマーカ

50

(7)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

ーの画像情報と予め格納されているノーマル状態のマーカー情報とから得ることができる。
【００１５】
取得した情報を伝達関数に入力することで、力ベクトルを出力として求める。伝達関数に入力されるマーカーの振る舞いに関する情報の数は、求めたい力ベクトルの数よりも多い。一般に、力ベクトル分布再構成装置は、記憶装置とプロセッサを有するコンピュータから構成される。該記憶装置には伝達関数が格納されており、プロセッサによって計算が実行 さ れ る 。 1つ の 態 様 で は 、 力 ベ ク ト ル 分 布 再 構 成 装 置 は 、 マ ー カ ー 画 像 情 報 か ら マ ー カーの振る舞いに関する情報を計算する第１プロセッサと、マーカーの振る舞いに関する情報 か ら 力 ベ ク ト ル を 計 算 す る 第 ２ プ ロ セ ッ サ と を 有 す る 。 1つ の 態 様 で は 、 該 第 １ プ ロ セ

10

ッサはローカルプロセッサであり、該第２プロセッサはセントラルプロセッサである。
【００１６】
伝達関数は、弾性体の形状によっては、弾性体理論から導かれる式に基づいて算出することもできるが、弾性体の表面が自由曲面の場合には、伝達関数は、実測あるいはシミュレーションによって作成することが望ましい。実測あるいはシミュレーションによる伝達関数は、表面上に配置したサンプル点に、例えば、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の所定の力が加えられた時のマーカーの振る舞いに関する情報（例えば、移動ベクトル）から求められる。
【００１７】
実測により伝達関数を求めるステップは、以下のステップを有する。センサの表面上に多20数のサンプル点を離散状に配設する。各サンプル点において所定の複数の方向に所定の大きさの力が加えられた時のマーカーの振る舞いに関する情報を取得する。一つの好ましい態様では、所定の方向は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を含む。各サンプル点においてｘ方向、ｙ方向、ｚ方向のような所定の方向に加える既知の所定の大きさの力と、マーカーの振る舞いに関する情報とから、伝達関数を作成する。
【００１８】
自由曲面の表面を有する光学式触覚センサは、一つの好ましい態様では、指型センサである。指型センサにおいては、指先の肉部が透明弾性体で形成されており、該透明弾性体の表面がセンサの表面を形成している。さらに好ましくは、該透明弾性体の背部には爪状基部が設けてあり、該爪状基部には、カメラのような撮影装置が設けてある。他の好ましい

30

態様では、センサは、ローカルプロセッサとセントラルプロセッサを備えている。該ロー
カルプロセッサはマーカーの画像情報からマーカーの振る舞いに関する情報を計算し、該セントラルプロセッサは、該伝達関数を用いてマーカーの振る舞いに関する情報から力ベクトル分布を計算する。好ましくは、ローカルプロセッサはロボットの手の甲あるいは手のひらに搭載される。
【００１９】
他の態様では、自由曲面の表面を有する光学式触覚センサは、コンピュータインターフェ
ー ス と し て 用 い ら れ る 。 イ ン タ ー フ ェ ー ス と し て は 、 ３ Dグ ラ フ ィ ッ ク を 作 成 す る モ デ リ
ングツールのインターフェースが例示される。このようなインターフェースに採用する光
学式触覚センサは、一つの好ましい態様では、球状あるいは球の部分の形状の弾性体から40構成され、球面あるいは球面の部分の表面を有する。
【００２０】
該撮影装置は、望ましい態様では、該透明弾性体の物体が接触する側とは反対側に位置して配設される。また、互いに異なる色を有する複数の有色マーカーがある場合に、ある有色マーカーのみを選択して個別に捉えることで撮影後の処理の便宜を図ることが望ましい。有色マーカーの選択は、例えば、カラーフィルタを用いることで行なう。また、マーカーの画像を安定化させるためには、該センシング表面に遮光層を設けることが望ましい。
【００２１】
好ましい態様では、該透明弾性体には、複数のマーカー群が埋設されており、各マーカー
群はそれぞれ多数のマーカーから構成されており、異なるマーカー群を構成するマーカー

50

(8)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12は群毎で互いに異なる色を有しており、さらに、該マーカー群は互いに異なる空間的配列を有している。この異なる空間的配列の例としては、該弾性体の肉厚内で積層状に配設された複数のマーカー群が挙げられる。積層状のマーカー群の具体例では、該マーカー群を構成するマーカーは球状の微細小片であり、各層のマーカー群を構成する球状マーカーは互いに異なる色を有する。他の空間的配列の例では、互いに交差するように配設された複数のマーカー群が挙げられる。さらに他の空間的配列としては、各マーカー群は同じ方向に延出する複数の面の群から構成されており、該面の延出方向および色は、各マーカー群
毎で互いに異なるものが挙げられる。有色マーカーの形状は特には限定されないが、好適な例を挙げると球状、円筒状、円柱状、帯片状、平面状の形状が考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】

10【００２２】
図３は本発明に係る光学式触覚センサ装置の構成を示す。センサ装置は、透光性弾性部材からなる透明弾性体１を備えており、透明弾性体１は曲面状の表面２、すなわちセンシン
グのための表面を有している。透明弾性体１には、表面２に近接して、表面２の曲面に沿うようにして多数の有色マーカー３，４が埋設されており、透明弾性体１と弾性体内に配設した有色マーカー３，４とでセンシング部を構成している。
【００２３】
有色マーカーは、２つの有色マーカー群から構成されており、２つのマーカー群は表面２から異なる深さに夫々埋設されている。一方のマーカー群を構成する有色マーカー３と、他方のマーカー群を構成する有色マーカー４とは互いに異なる色を有している。例えば、

20

１つのマーカー群は複数の青マーカー３からなり、もう１つのマーカー群は複数の赤マー
カー４からなる。
【００２４】
透明弾性体１に物体５が接触すると、透明弾性体１の内部に設けられた有色マーカー３，
４が内部歪みによって移動する。センサ装置はさらに、撮影装置としてのカメラ６及び光源７を備えている。光学式カメラ６は、透明弾性体１を挟むようにして、物体５が接触する側とは反対側に位置させて配設されており、マーカー３，４の変位や振る舞いをカメラ
６で撮影するようになっている。光源７は、例えば光ファイバのような導波管を用いて導くものであってもよい。撮影装置によって取得されたマーカー３，４の画像が力ベクトル
分布再構成装置を構成するコンピュータ８に送信される。力ベクトル分布再構成装置は、

30

プロセッサ、記憶部、表示部、入力部、出力部、その他の汎用コンピュータに搭載されている装置を含む。プロセッサは、画像中のマーカーの移動や動きに関するマーカー情報（
例えば、移動ベクトル）を計算する。プロセッサはさらに、マーカー情報（例えば、移動
情報）と記憶部に格納された伝達関数とを用いて物体５から表面２に作用した力分布を再構成する。
【００２５】
透明弾性体１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。マーカーは、好ましくは、弾性部材から形成され、さらに好ましくは、透明弾性体１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。マーカーによって弾性体本体の変形が40阻害されてはならないので、マーカーも弾性部材（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い。また、マーカーは、弾性体本体の変形を阻害しない程度に十分に微小なものであれば、マーカーの材質は特に限定されない。
また、弾性体の部分がマーカーを構成するものであってもよい。
【００２６】
本発明では、透明弾性体１の中に光学的なマーカーを多数分布させ、弾性体１に物体が接触することによる弾性体１の変形による該マーカーの振る舞い（移動）に関する情報は撮影装置で検出される。ここで、マーカー移動は、物体が弾性体に接触した結果としての弾性体の変形によって引き起こされる。図３では２つのマーカー群を示したが、マーカー群の数は限定されず、たとえば、表面２に沿って３層状に三つのマーカー群を配設してもの

50

(9)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12でもよい。
【００２７】
撮影装置としてのカメラは、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り、一つの好ましい例では、ＣＣＤカメラである。本発明に係る撮影
装 置 は Ｃ Ｃ Ｄ 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 。 マ ー カ ー と し て Red，
Green， Blueの ３ 種 類 用 意 し た と き 、 こ れ ら を 個 別 に 捉 え る た め に は 、 撮 像 素 子 の カ ラ ーフ ィ ル タ で 分 け る （ こ の 場 合 カ メ ラ の RGB出 力 を 見 れ ば そ の ま ま 各 マ ー カ ー を 個 別 に 撮 影
し た こ と に な る ） と い う 第 １ の 方 法 と 、 撮 像 素 子 は 光 の 強 度 の み 捉 え 、 光 源 と し て Red， G
reen，

10

Blueを 用 意 す る （ Redを 光 ら せ た と き に は Redの マ ー カ ー か ら の み 反 射 光 が 有 り 、 他 の 二 種
類 の マ ー カ ー は 光 を 吸 収 す る た め ， 結 果 的 に カ メ ラ は Redの マ ー カ ー の み 捉 え る 。 こ れ を
時 分 割 で Green， Blueに 対 し て も 行 え ば (1)と 等 価 な 情 報 が 得 ら れ る 。 ） と い う 第 ２ の 方 法の二つが有る。
【００２８】
光学式触覚センサによって得られたマーカーの振る舞いに関する情報（例えば、マーカーの移動ベクトル）からセンサの表面に加えられた力ベクトル分布を求めるには、マーカーの振る舞いに関する情報（例えば、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。以下に、マーカ
ー情報から力ベクトル分布を再構成する手法について、図４を参照しながら、マーカーの20

移動ベクトルから力ベクトル分布を求める手法に基づいて説明する。図４では、接触面から開始する４本の矢線が力ベクトルを表し、８本の水平状の矢線がマーカーの観測された
移 動 ベ ク ト ル を 表 す 。 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。
【００２９】
fは 接 触 表 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４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 。 ま た 一 般 に カ メ ラ に よ る 撮 影 は 、 三 次 元 物 体 を 画 素 面 の 二 次
元 平 面 上 に 射 影 す る と 言 う こ と で あ る か ら 、 そ の 平 面 状 で の マ ー カ ー の 移 動 は 水 平 方 向 (x30,y成 分 )の み が 射 影 さ れ て 観 測 さ れ る が 、 こ こ で は 図 の よ う に x方 向 成 分 の み 観 測 さ れ た とする。
【００３０】
す な わ ち 、 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 。

40

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]【００３１】
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。

50

(10)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

X=Mx(1)*fx(1)+Mz(1)*fz(1)+Mx(2)*fx(2)+… +Mz(4)*fz(4)．
逆にこのように表せるということが、力の「重ね合わせ」が成り立つ、すなわち線形弾性体であることの条件である。
【００３２】
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】
10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

20

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。
【００３３】
こ れ は 単 純 な 行 列 の 掛 け 算 で あ り 、 xは 1*8、 Hは 8x8の 正 方 行 列 、 fは 1*8の 成 分 を 持 つ 。 この た め 、 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 ） 。 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に示すようになる。
【数２】
30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)40の寄与を表す。
【００３４】
ここで重要なことは、このように、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と言うことである。もしこれが満たされない場合、逆行列を求めることが出来ず、すなわち求めたい未知数に冗長性が生じ、一意には求まらなくなる。図４に示す例の 場 合 、 も し も マ ー カ ー が １ 層 し か な け れ ば 、 求 め た い 力 ベ ク ト ル 成 分 8つ に 対 し て 移 動
ベ ク ト ル 成 分 が 4つ し か な く 、 力 ベ ク ト ル 成 分 が 一 意 に 定 ま ら な い （ 従 来 の 面 分 布 型 触 覚
センサはこの状況にある）。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

50

(11)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

つまで増やしている。
【００３５】
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 １ ２ 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 出 来 、 こ れ に よ り 12個の未知数を同定することになる。情報としては冗長であるため、頑強な推定を行うことがで き る と 考 え ら れ 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10定する。例えば図１０〜１３に示す他のマーカーを用いた他の測定方式でも、測定方式は実質的に同じである。
【００３６】
上記の説明から、本光学式触覚センサにとって表面応力と内部変位の関係を示す伝達関数（ 行 列 H） を 得 る こ と が 本 質 的 に 重 要 で あ る こ と が わ か る 。 こ れ は 、 従 来 提 案 さ れ て き た
マトリクス状触覚センサの多くとは異なる点である。従来のマトリクス状触覚センサ（例えば下條らによるセンサ）は弾性体層をセンサエレメントの上に配置してはいるものの、各アレイ状のセンサエレメントが自身に加わる力を計測するにとどまっており、弾性体表面に加わる力ベクトル分布の計算には至っていない。
【００３７】

20

次に、伝達関数を求めるための手法を説明する。弾性体理論が基本的に示すのは、弾性体
内 部 の 微 小 領 域 （ 例 え ば 微 小 立 方 体 Δ xΔ yΔ z） の 表 面 (x=0,Δ x， y=0,Δ y， z=0,Δ z)に 加
わ る 力 と そ の 微 小 領 域 の ひ ず み (dΔ x/dx,dΔ y/dx,dΔ z/dx,dΔ x/dy,dΔ y/dy,dΔ z/dy,dΔ
x/dz,dΔ y/dz,dΔ y/dz)の 間 で 満 た す べ き 関 係 式 で あ る 。 弾 性 体 全 体 は こ の 微 小 領 域 が 無
数に集まって（空間的に積分されて）構成されるものである。
【００３８】
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出来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、この関数に細か く 区 切 っ た 弾 性 体 表 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 。

30【００３９】
こ こ で の 数 式 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で あ る 。 こ の と き 例 え ば 図 ４
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
求 ま る 。 た だ し y2は マ ー カ ー の 深 さ （ 既 知 ） で あ る 。
【００４０】
しかしこのような特徴的な形は極めて稀であり、一例を挙げれば応用上重要と思われる球形状に関してすら表面応力と内部変位の関数は発見されていない。従来本光学式触覚セン
サで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行列を取得していた。しかし例えば半球のような自由曲面に対して同様に半無限大弾性体

40の 式 を 当 て は め て 取 得 し た H行 列 を 用 い る と 、 表 面 応 力 が 正 し く 得 ら れ な い こ と が 分 か った。何らかの別手段で表面応力と内部変位を関連付ける必要がある。
【００４１】
そのために提案する第一の手法は、数値シミュレーションによって表面応力と内部変位を関連付ける手法である。現在既に市販されている弾性体シミュレーションソフトウエアは弾性体をメッシュ状に区切り、各メッシュ（前述の微小領域）が満たすべき表面応力とひずみの関係、隣り合ったメッシュ同士が満たすべき関係（隣り合ったメッシュの境界面では同じ大きさの力が働く等）を満たす弾性体変形を数値計算によって求めることが出来る。よって、表面をメッシュに区切り、各メッシュに単位応力が、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に、が加わった際のマーカーの移動量をシミュレーションで計算する。

50

(12)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12【００４２】
第二の手法は図５に示すように実際に力を加えることである。自由曲面を有する弾性体の表 面 に 、 既 知 の 力 F1,F2,F3,F4… Fnを 加 え る 。 加 え ら れ た そ れ ぞ れ の 力 に 対 す る マ ー カ ーの 移 動 ベ ク ト ル （ そ れ ぞ れ の 既 知 の 力 に よ っ て 引 き 起 こ さ れ る マ ー カ ー の 移 動 ） M1,M2,M3,M4,..Mnを 計 測 し 、 こ れ を 保 存 す る 。 F1は 、 F1ｘ 、 F１ ｙ 、 F1ｚ の ３ つ の ベ ク ト ル で あ り、 こ れ ら の 力 を 加 え た と き に 夫 々 対 応 す る マ ー カ ー の 移 動 ベ ク ト ル は M1x,M1y,M1zと な る。 既 知 の 力 と 得 ら れ た 情 報 （ 移 動 ベ ク ト ル ） を 用 い て 行 列 Hを 作 成 す る 。 伝 達 関 数 Hは 、 マーカーの各移動を用いて用意される。以下具体的に説明する。
【００４３】
弾性体表面上に多数のサンプル点を離散的に配置する。好ましくは、サンプル点は表面の10

全域をカバーするように配置される。一つの態様では、表面上の離散的な多数のサンプル
点の配設は、極座標を用いて配設される（平面視同心状に配設される）。他の態様では、サンプル点は平面視格子状に配設される。
【００４４】
各サンプル点において、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向にそれぞれ作用する既知の大きさの力と、かかる力が作用したそれぞれの場合のマーカーの移動ベクトルとを関連付ける情報を取得する。一つの好ましい方法では、各サンプル点にｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の所定の力をそれぞれ加え、その時のマーカーの移動ベクトルをそれぞれ計測して、保存する。サンプ
ル点に加える力ベクトルのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の取り方は、力ベクトルを用いて、表面に加えられる任意の力を表示できるものであれば、その方向は限定されない。

20【００４５】
一つの態様では、サンプル点を通って表面に接する接面を取り、該接面内で互いに直交する方向をｘ方向、ｙ方向とし、該接面に対して鉛直方向にｚ方向を取る。あるいは、表面の形状と無関係に、ｘｙ平面を設定し、該ｘｙ平面に鉛直状にｚ方向を取っても良い。
【００４６】
各サンプル点に加える力は既知の力であり、一つの好ましい態様では、一定の大きさの力、 例 え ば 100[gf]を そ れ ぞ れ ｘ 方 向 、 ｙ 方 向 、 ｚ 方 向 か ら サ ン プ ル 点 に 加 え て 、 そ れ ぞ れの場合のマーカーの移動ベクトルを計測する。また、各サンプル点に加える力は既知の力であれば、必ずしも同じ大きさの力でなくてもよく、異なる既知の力に基づいてマーカーの移動ベクトルを計測した場合には、後で、マーカーの移動ベクトルの大きさを正規化す

30

ればよい。
【００４７】
また、結果的にｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の力とマーカーの移動ベクトルとを関連付ける情報が取得できれば、各サンプル点に加える力は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の力には限定されない。弾性体は線形であると考えることで、次のような方法も考えられる。まず一点に対してｚ方向に加えた時のマーカー移動量を保存し、次にｘｚ方向に力を加え、力のｚ方向成分に対する移動情報を差し引くことでｘ方向成分とする。ｙ方向も同様である。数式を用いて説明すると、
Mz(n,m)（ 格 子 点 n,mに 対 し て ｚ 方 向 に 力 を 加 え た 際 の マ ー カ ー の 移 動 ） 、
Mx(n,m)（ 格 子 点 n,mに 対 し て x方 向 に 力 を 加 え た 際 の マ ー カ ー の 移 動 ） 、

40

Mxz(n,m)（ 格 子 点 n,mに 対 し て xｚ 方 向 に 力 を 加 え た 際 の マ ー カ ー の 移 動 ） と す る と 、 Mxz(n,m)=Mx(n,m)+Mz(n,m)と 考 え る こ と が で き 、 Mz(n,m)と Mxz(n,m)が わ か れ ば Mx(n,m)も 計 算可能である。また、同様に、一点に力を加えるのではなく、複数の格子点に力が加わっていてもそれぞれを分けることが可能である。
【００４８】
こ の よ う に し て 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン あ る い は 実 測 に よ っ て 、 力 情 報 Fと マ ー カ ー の 振 る 舞
い に 関 す る 情 報 （ 例 え ば 、 移 動 情 報 ） Mと を 結 び 付 け る 伝 達 関 数 で あ る 行 列 Ｈ を 作 成 す る。 光 学 式 触 覚 セ ン サ は 記 憶 装 置 、 プ ロ セ ッ サ を 有 し て お り 、 予 め 作 成 さ れ た 行 列 Hは 記 憶装置に格納されている。透明弾性体に物体が当接して、センサの表面に任意の力が作用した場合に、撮影装置によってマーカー画像を取得する。取得したマーカー画像からプロセ

50

(13)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

ッサによって、マーカー移動ベクトルを計測する。計測されたマーカー移動ベクトルを行列Ｈに入力してプロセッサで計算することで、弾性体の表面に作用した力ベクトル分布が出力される。
【００４９】
自由曲面を備えた光学式触覚センサの幾つかの実施例について説明する。半球状触覚セン
サを図６に示す。触覚センサの触覚部を構成する透明弾性体１は、半球形状であり、円形
平面状の底面と半球面状の表面を有している。半球面状の表面が表面２を構成している。
透明弾性体１は半径が２５ｍｍの半球体であり、透明弾性体としてシリコーンを使用して製作されている。透明弾性体１の表面２には黒色の遮光層を設けてある。遮光層を設けることで、ＣＣＤカメラによって撮影されるマーカー画像を安定化させることができる。

10【００５０】
センシング表面２から２ｍｍの深さに、表面２の曲面に沿って多数の青色球状マーカー３を配設して青色球状マーカー群を構成し、さらに、表面２から３．５ｍｍの深さに、青色
球状マーカー群に沿って、多数の赤色球状マーカー４を配設して赤色球状マーカー群を構成した。マーカーの間隔は４ｍｍである。マーカー３，４は着色されたプラスチック球である。弾性透明体１の底面は透明アクリル板９に固定されている。透明アクリル板９を通して、該底面に対向するように、ＣＣＤカメラが配設されている。ＣＣＤカメラに近接した部位に図示しない光源が設けてある。透明アクリル板９を通して弾性体１の内部のマーカー３，４の変位をＣＣＤカメラで撮影する。映像はＮＴＳＣ形式で出力されＵＳＢ接続のキャプチャユニットを通してコンピュータに送信される。

20【００５１】
図面では、半球状の触覚部を示したが、触覚部はその表面が球面あるいは球面の部分を有するものであればよく、触覚部は実質的に球状あるいは球の一部を切り欠いた形状のものでもよい。触覚部の形状が球面に近ければ近いほど、大きな視野角を有する撮影装置が必要となるが、視野角の大きい撮影装置としては、魚眼レンズを用いた撮影装置が例示される。
【００５２】
球面あるいは球面の部分の表面を有する触覚センサは、一つの好ましい態様では、マウスやキーボード等の入力手段、その他のコンピュータインターフェースを構成する。より具体的な例では、球面あるいは球面の部分からなる表面を有する光学式触覚センサは、コン

30

ピ ュ ー タ 画 面 上 で 粘 土 を 扱 う よ う に し て ３ Dグ ラ フ ィ ッ ク を 作 成 す る モ デ リ ン グ ツ ー ル のインターフェースに用いることができる。表面を手で押し込んだり、摘んだり、擦ったりすることで、表面に加わった力をセンサが感知し、その情報をコンピュータの処理部に送信し、画面に表示された物体の形状を変形させたり、物体の表面を研磨したりすることができる。
【００５３】
指型触覚センサを図７に示す。指型触覚センサは、人間の指先と類似の形状を有しており、指先の肉部に相当する部位を透明弾性体１で形成し、指先の表面に相当する部位を表面２とし、指先の肉部の反対側の表面には、アルミニウム材で形成した爪状部材１０が設けてある。指型触覚センサは、高さ２３ｍｍ、縦３５ｍｍ、横２３ｍｍの全体形状を有して40おり、透明弾性体１にはシリコーンを用いた。透明弾性体１の表面２は、実際の指先の肉の表面ないし輪郭と同様に、曲面状の表面から構成されている。
【００５４】
指先の肉部を構成する透明弾性体１内には、曲面状の表面２から２ｍｍの深さに、多数の青色球状マーカー３が表面２に沿って３ｍｍ間隔で配設されており、多数の青色球状マー
カー３が青色球状マーカー群を構成している。曲面状の表面２から３ｍｍの深さに、多数の赤色球状マーカー４が青色球状マーカー群に沿って、２ｍｍ間隔で配設されており、多数の赤色球状マーカー４が赤色球状マーカー群を構成している。表面２には黒色の遮光層が設けてある。遮光層を設けることで、ＣＣＤカメラによって撮影されるマーカー画像を安定化させることができる。

50

(14)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12【００５５】
爪状基部１０の基端側には、指先の表面を構成する表面２と対向するように傾斜状に延出する傾斜片１１が一体形成されており、傾斜片１１が撮影装置６０の取付部を構成している。撮影装置６０は先端にＣＣＤ素子を備えたビデオスコープであり、ビデオスコープの基端側はコンピュータに接続されている。傾斜片１１には、ＣＣＤ素子が指先の表面、すなわち表面２及びマーカー３，４に対向するように装着される。傾斜片１１の弾性体側には、弾性体とＣＣＤ素子との間に位置して透明アクリル板９が配設されている。ＣＣＤ素子の近傍には、図示しない光源が設けてある。弾性体１内部のマーカー３，４をビデオス
コープを使用して撮影し、映像はコンピュータに送信される。
【００５６】

10

さらに、傾斜片１１の端部には、ロボットハンドに対して触覚センサ体を着脱自在に装着して支持させるための装着部１２が形成されている。図７に示すものでは、装着部１２は螺子孔を有しており、ロボットハンド側に設けた図示しない螺子が該螺子孔に螺合することで、触覚センサ体が支持される。図７の指型触覚センサにおいては、実際の指先にある末節骨に相当する部材はないが、装着部１２は、末節骨と中節骨のジョイント部に位置しており、装着部１２が関節あるいは骨の一部に相当すると考えることもできる。
【００５７】
触覚部をロボットハンドに装着する手段は、上述のものに限定されない。固定用螺子孔が設 け ら れ て い る 部 位 に CCD素 子 等 の 撮 影 装 置 を 設 け て も よ い 。 あ る い は 、 光 フ ァ イ バ の 先
端を透明弾性体に臨ませることで、撮影装置を構成するＣＣＤ素子を弾性体から離隔した20

部位に配設するものであってもよい。例えば、ロボットの５本の指の先端にそれぞれ指型
触覚センサを設け、各指型触覚センサからのマーカー情報を共通の（例えば一つの）ＣＣ
Ｄ素子で撮像して、コンピュータに送信するものでもよい。
【００５８】
しかしながら、ビデオスコープと光ファイバを備えた指型触覚センサは、広い視野角を得ることができないという欠点がある。コンパクトな指型触覚センサを提供するためには、
視野角は、９０度あるいはそれより大きいことが望ましい。もし視野角が十分でないと、
マーカーを離れた場所から撮影する必要があり、センサを小型化することができない。さらに、光ファイバあるいはビデオスコープのレンズは、約６０度の視野角しか有していない。さらに、光ファイバでは、十分な解像度を得ることが難しい。

30【００５９】
図８に上記問題を解決するための指型触覚センサの実施例を示す。指型触覚センサは、人の指先の形状と類似の形状を有している。指先の肉に対応する部分は透明弾性体１から形成されており、指先表面に対応する部分が表面２を構成している。指先の肉部の表面に対向する表面にはアルミニウムからなる爪状部材１００が設けてある。透明弾性体１はシリコーンから形成されている。透明弾性体１の表面２は、実際の指先の表面あるいは輪郭と類似の曲面を有している。透明弾性体１において、青色マーカー群を構成する多数の青色
球状マーカーと、赤色マーカー群を構成する多数の赤色球状マーカーとが、該曲面から異なる深さに配置されている。表面２には、黒色の遮光層が設けてある。爪状部材１００は、透明弾性体１の背面に設けてあり、透明弾性体１を支持している。

40【００６０】
撮影装置６０は、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子のような撮影素子と９０度以上（実施例では
１１０度である）の視野角を備えたレンズとからなる。爪状部材１００は、撮影装置６０を装着するための開口を有している。撮影素子は、レンズを埋設されたマーカー３，４及
び表面に向けるようにして、爪状部材１００の開口に装着される。爪状部材１００と透明弾性体２の間には、プレート７０が設けてある。プレート７０はライトガイドあるいは光源として働く。
【００６１】
図９には指型触覚センサの他の実施例が示してある。図９に示すように、５本の指の各指には、マーカーを備えた透明弾性体とカメラのような撮影装置を有する触覚部が設けてあ

50

(15)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

る。図９の指型触覚センサは、ローカルプロセッサとセントラルプロセッサ（図示せず）とを有している。ローカルプロセッサは末端に設けてあり、例えば手の裏あるいは手の平に対応する部位に設けてある。ローカルプロセッサとしては、ＦＰＧＡ装置が例示される。セントラルプロセッサは基端に設けてある。指先に搭載された各カメラは、ローカルプ
ロセッサに電気的に接続されており、各カメラによって得られた各データはローカルプロ
セッサに送信され、そこで、得られたマーカーの画像情報からマーカー移動に関する情報が計算される。ローカルプロセッサはセントラルプロセッサに電気的に接続されており、マーカー移動に関する情報はセントラルプロセッサに送信され、そこで、マーカー移動に関する情報から力ベクトル分布が計算される。画像情報は大量の情報を含むので、ＵＳＢ
及びＩＥＥＥ１３９４のようなデータ転送標準を通して画像情報を望ましい速度で転送す

10

ることは難しい。図９に示す形態では、力ベクトル分布を再構成するために必要な情報（
例えば、マーカー移動に関する情報）は、カメラの近くに設けたローカルプロセッサにより抽出され、抽出された情報、その量は元の画像情報よりも大きく低減されている、がセントラルプロセッサに転送される。
【００６２】
本発明について、一つの好ましい態様である球状マーカーに基づいて説明したが、マーカーの形状や配設構成は前述のものに限定されない。他のマーカーの形状および配設構成について図１０乃至図１３に基づいて説明する。これらのマーカーの詳細については、国際公 開 公 報 Ｗ Ｏ 02/18893 A1の 記 載 を 参 照 す る こ と が で き る 。 ま た 、 マ ー カ ー の 形 状 や 配 設
態様は、図示のものあるいは前記国際公開公報に記載されたものに限定されるものではな20い。図１１、図１２では、便宜上、平面状の接触面を備えた触覚センサ体が示してあるが、これらのマーカーの配設構成を自由曲面の表面を有する触覚センサに採用することができる。
【００６３】
図１０には、微小断面を有する極細円筒体あるいは極細円柱体からなる色マーカーが示してある。透明弾性体１の厚さ内には、表面２から異なる深さにおいて、二つのマーカー群が配置されている。多数の青色マーカー３０を垂直状に配設して構成した青色マーカー群
は、表面２の近傍に埋設されている。多数の赤色マーカー４０を垂直状に配設して構成した赤色マーカー群は、青色マーカー群よりも深い部位に埋設されている。マーカーは、弾性体に接触する物体とカメラとを結ぶ仮想線に沿って延出している。各マーカーの配設態

30

様は図示のものに限定されず、また、互いに異なる色を有する３つ以上のマーカー群を設けてもよい。
【００６４】
図１１上図には、弾性体１内に階段状に配設された傾斜面状の面マーカー３００，４００が示してある。好ましくは、弾性体１の部分（階段状の界面）がマーカー３００，４００を形成するが、別体の面マーカーを弾性体１内に埋設してもよい。階段状の界面は２つの同じ方向を持った面群に分けることが出来る。それぞれの群を同一色に着色しておく（一方の界面３００が青、他方の界面４００が赤）。ある点における２色の輝度の観測によってその点における力ベクトルの水平、垂直成分を情報として含んだ観測値が得られる。これらをセンシングすることによって力ベクトルの面分布を再構成することが出来る。図１40

１上図には、２色の帯状の面マーカーを図示したが、３色を有する面マーカーを用いてもよい。図１２下図のように底面に微細な立方体の集まったいわゆるピラミッド構造を用い、 同 一 方 向 を 向 い た ３ 組 の 面 群 を そ れ ぞ れ 同 一 色 に 着 色 す れ ば （ 例 え ば Red, Green, Blue）、３色輝度の比率で接触面水平にかかる力の自由度を、３色の合計輝度によって面垂直にかかる力をそれぞれ求めることが出来る。
【００６５】
図１２には、弾性体内で、複数の並設された赤色薄肉帯片からなるマーカー群、複数の並設された青色薄肉帯片からなるマーカー群の２つのマーカー群を、それぞれのマーカーが互いに交差（図示のものでは直交）するように配設したものを示している。複数のマーカ
ー群の空間的配設関係はこれに限定されない。また、マーカーを構成する帯片の表裏を異

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(16)

JP 2007‑518966 A 2007.7.12なる色から形成してもよい。図１１では、帯片マーカーの面部は、観測方向に沿って延出しているが、該帯片マーカーの面部は、観測方向に対して傾斜状に延出するものでもよい。
【００６６】
図１３は、複数の平面マーカーを有するセンシング部を示している。平面マーカーは常時は隠蔽マーカーによって隠蔽されている。平面マーカーは複数の部位に区画されており、各区画には互いに異なる色が付してあり、各平面マーカーにおける同色を有する区画がマーカー群を構成している。該平面マーカーと該隠蔽マーカーとは、互いに間隔を存して該
透明弾性体に設けてあり、該透明弾性体に力が作用しない状態においては該平面マーカーが隠蔽されて観測されない。剪断歪みが生じると、隠蔽マーカーと有色マーカーの位置が10

ずれて、色づくように構成されている。図示のものでは、円形マーカーは、円の中心から三等分されて三つの扇状部に分割されており、それぞれ赤、緑、青に塗り分けられており、発生した色からひずみの方向を知ることが出来る。
【産業上の利用可能性】【００６７】
本発明は触覚センサに広く適用することができ、好適な例としてはロボットハンド用の触覚センサやコンピュータ用インターフェースに用いられる。
【図面の簡単な説明】【００６８】【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。

20【図２】光学式触覚センサの原理図である。
【図３】本発明に係る光学式触覚センサの模式図である。
【図４】接触表面にかかる力ベクトル分布とマーカーの移動を説明する図である。
【図５】力ベクトル分布の再構成に用いる伝達関数の作成法の説明図である。
【図６】半球状触覚センサの実施例を示す図である。
【図７】指型触覚センサの実施例を示す図である。
【図８】指型触覚センサの他の実施例を示す図である。
【図９】指型触覚センサのさらに他の実施例を示す図である。
【図１０】マーカーの他の実施例を示す図である。
【図１１】マーカーの他の実施例を示す図である。
【図１２】マーカーの他の実施例を示す図である。
【図１３】マーカーの他の実施例を示す図である。

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(17)
【図１】

【図３】

【図２】

【図４】

【図５】

【図６】

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

(18)
【図７】

【図８】

【図９】

【図１１】

【図１０】

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

(19)
【図１２】

【図１３】

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

(20)【国際調査報告】

JP 2007‑518966 A 2007.7.12

(21)JP 2007‑518966 A 2007.7.12

フロントページの続き(81)指定国

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特許法第３０条第１項適用申請有り(72)発明者 川上 直樹
東京都文京区白山２−３５−２ マンション橘２Ｆ(72)発明者 舘 ▲すすむ▼
茨城県つくば市梅園２−３１−１４
Ｆターム(参考) 2F051 AA10 AB03 BA07 DA03
3C007 DS02 ES06 ES07 EV14 KS31 KS34 KT02 KT05 KW01 KW03
KX08