СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВЕКТОРА СИЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКОГО ТАКТИЛЬНОГО ДАТЧИКА
METHOD OF RECONSTRUCTING FORCE VECTOR USING OPTICAL TACTILE SENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к оптическому тактильному датчику и более конкретно к способу восстановления вектора силы с использованием оптического тактильного датчика.
Предшествующий уровень техники
При рассмотрении понятия контактного состояния контактной поверхности с использованием тактильного датчика имеют в виду вектор с тремя компонентами, представляющими величину и направление силы, действующей в каждой точке контактной поверхности. Это представлено как f(x, y) в системе координат (фиг.1). Здесь f является вектором и поэтому фактически имеет три компоненты х, у и z в каждой точке. При подробном выражении каждой компоненты это можно представить как f(х, у)=[fx(х, у), fy(х, у), fz(х, у)]. Так как распределение силы имеет три компоненты в каждой точке контакта, чтобы восстановить распределение сил, действующих в каждой точке контактной поверхности при использовании тактильного датчика, необходимо получить информацию для каждой контактной точки на контактной поверхности по меньшей мере с тремя степенями свободы.
Была предложена конструкция оптического тактильного датчика, который может измерять трехмерное распределение вектора силы. Принцип оптического тактильного датчика будет объяснен со ссылкой на фиг.2. Оптический тактильный датчик содержит прозрачный гибкий корпус и телекамеру на приборах с зарядовой связью. Путем фотографирования сферических маркеров 3, 4, расположенных в прозрачном гибком корпусе, с помощью телекамеры на приборах с зарядовой связью измеряется информация о внутренней деформации гибкого корпуса, когда сила прикладывается к поверхности гибкого корпуса, и восстанавливается распределение вектора силы из полученной информации.
Получают изображения сферических маркеров с помощью телекамеры на приборах с зарядовой связью в z-направлении, при этом поверхность гибкого корпуса рассматривается как плоскость х-y, а направление, перпендикулярное к плоскости х-y, является осью z. Перемещение точки, которое измеряется, когда прикладывается сила, вычисляется как вектор перемещения в плоскости х-y. Однако трудно восстановить распределение вектора силы на основе информации о деформации, потому что количество информации является недостаточным. Следовательно, N×N красных сферических маркеров и синих сферических маркеров располагают на различной глубине в гибком корпусе в качестве точек, которые должны быть измерены для получения двух наборов двумерных векторов перемещения с различной глубиной в качестве двух частей различной информации, что позволяет увеличить количество информации для восстановления распределения вектора силы.
Однако время вычислений, которое требуется для получения векторов сил, пропорционально увеличивается, в четыре раза по сравнению с размером (количество информации, относящейся к поведению маркеров) контактной поверхности, составляющей поверхность датчика. Таким образом, время расчетов становится больше для большей контактной поверхности, и существует вероятность не обеспечить возможность считывания в реальном времени. Кроме того, даже если поверхность датчика имеет относительно малую площадь, при высокой плотности измерений количество информации, относящейся к поведению маркеров, становится значительным, время, которое требуется для расчета распределения вектора силы, становится больше, и нет возможности осуществлять считывание в реальном времени. Соответственно когда рассматриваются возможность применения оптического тактильного датчика, появляется проблема сокращения времени вычислений для получения распределения вектора силы (см., например, публикацию заявки WO 02/18893 А1).
Сущность изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа для уменьшения времени расчетов при вычислении вектора силы даже в случае, когда контактная поверхность датчика имеет большую площадь или плотность измерений для контактной поверхности является высокой.
Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания способа восстановления вектора силы, в котором использован оптический тактильный датчик. Способ содержит следующие шаги: получение изображения маркера путем формирования изображения поведения окрашенных маркеров, когда объект контактирует с контактной поверхностью гибкого корпуса, получение информации (например, вектор перемещения, который является одним примером информации о перемещении маркера), относящейся к поведению маркера, на основе изображения маркера, причем количество информации является большим, чем число векторов силы, которые получаются, и получение векторов силы как выходных векторов при введении в передаточную функцию полученной информации, относящейся к поведению маркера, при этом на стадии получения векторов силы вычисляется исключающая информация для векторов сил, относящаяся к поведению маркера, который дает малый вклад в вычисление вектора силы. Например, если расстояние между точкой приложения силы и маркером является существенным, при вычислении вектора силы влияние маркера, удаленного от точки приложения силы, считается несущественным, и считается, что удаленный маркер дает слабый вклад в вычисление вектора силы.
В предпочтительном аспекте, на стадии получения векторов силы рассчитывают векторы сил на основе только информации, относящейся к поведению маркеров вблизи от точки, в которой требуется получить векторы сил. При использовании только информации о маркере вблизи от требуемого положения возможно сформировать компактную матрицу, которая представляет собой передаточную функцию. Для матрицы возможно упростить расчеты, приравнивая к нулю элемент, отражающий информацию о маркере для положения, удаленного на расстояние, большее конкретного заданного. В другом предпочтительном аспекте на стадии получения векторов сил вычисляются исключающие элементы векторов сил, которые близки к нулю в элементах матрицы. При этом аналогично возможно упростить вычисления для матрицы.
В еще одном предпочтительном варианте реализации изобретения, точка, в которой должны получать векторы сил, состоит из одной или более пробных точек, и, кроме того, множество пробных точек расположены вокруг пробных точек, составляющих точку, в которой получаются векторы сил. Векторы силы, действующие во множестве пробных точек для силы, у и вокруг точки, где требуется получить векторы сил, вычисляют с использованием информации, относящейся к поведению маркера вблизи точки. При расчете векторов силы учитываются только векторы силы, действующие в точке, где должны получать векторы силы. Предпочтительно пробные точки располагаются более разреженно по мере удаления от точки, где должны быть получены векторы силы.
В еще одном предпочтительном аспекте способ восстановления вектора силы содержит следующие этапы: получение изображения маркера путем фотографирования поведения окрашенных маркеров, когда объект вступает в контакт с контактной поверхностью гибкого корпуса, получение информации, относящейся к поведению маркера на основе изображения маркера, причем информация содержит больше величин, чем число векторов силы, которые получаются, и получение векторов силы, действующих на контактную поверхность, на основе полученной информации, относящейся к поведению маркеров, и передаточной функции, при этом получение векторов силы содержит этап задания малой области конкретного размера в изображении маркера и расположение множества пробных точек вектора силы внутри и вне малой области, этап вычисления векторов силы, действующих в множестве пробных точек, на основе информации о маркере внутри малой области и передаточной функции, и стадию принятия векторов сил, действующих по меньшей мере на некоторые пробные точки множества пробных точек, расположенных внутри малой области. Предпочтительно пробные точки расположены плотно внутри малой области и разреженно на расстоянии от малой области.
В предпочтительном аспекте согласно изобретению предложено устройство для восстановления вектора силы, содержащее: средство для получения изображения маркера путем фотографирования поведения окрашенных маркеров, когда объект вступает в контакт с контактной поверхностью гибкого корпуса; средство для получения информации, относящейся к поведению маркера на основе изображения маркера, причем информация содержит больше величин, чем число полученных векторов силы; средство для определения малой области заданного размера в изображении маркера и расположения множества пробных точек вектора силы внутри и вне малой области; средство для расчета векторов силы, действующих во множестве пробных точек, путем передачи информации о маркере внутри малой области к передаточной функции; средство для принятия векторов сил, действующих по меньшей мере в некоторых пробных точках множества пробных точек, расположенных внутри малой области.
Кроме того, согласно настоящему изобретению предложена программа для компьютерного конструирования устройства для восстановления вектора силы, содержащего средство для получения изображения маркера путем фотографирования поведения окрашенных маркеров, когда объект вступает в контакт с контактной поверхностью гибкого корпуса; средство для получения информации, относящейся к поведению маркера на основе изображения маркера, причем информация содержит больше величин, чем число получаемых векторов силы; средство для определения малой области заданного размера в изображении маркера и расположения множества пробных точек вектора силы внутри и вне малой области; средство для расчета векторов силы, действующих во множестве пробных точек, путем передачи информации о маркере внутри малой области к передаточной функции; средство для принятия векторов сил, действующих по меньшей мере на некоторые пробные точки множества пробных точек, расположенных внутри малой области.
Оптический тактильный датчик содержит тактильную часть, состоящую из прозрачного гибкого корпуса, и множество групп маркеров, расположенных внутри гибкого корпуса, причем каждая группа маркеров состоит из набора окрашенных маркеров, при этом маркеры, составляющие различные группы маркеров, имеют различную окраску для каждой группы. По меньшей мере одна из характеристик: смещение, деформация и наклон окрашенных маркеров, когда гибкий корпус касается объекта, наблюдается при фотографировании поведения окрашенных маркеров. Информацию о деформации внутри прозрачного гибкого корпуса получают из информации о поведении окрашенных маркеров, когда вступающий в контакт объект касается датчика, при этом получают информацию о форме вступающего в контакт объекта на основании информации о деформации, а также о силе, действующей на контактной границе раздела (включая поверхность гибкого корпуса и поверхность вступающего в контакт объекта). В соответствии с настоящим изобретением возможно по отдельности собирать множество видов информации с помощью простого метода, называемого «цветовое кодирование», и при этом возможно получать множество видов тактильной информации с помощью оптической системы. В соответствии с настоящим изобретением независимую наблюдаемую информацию, число наблюдаемых величин которой равно или больше числа неизвестных, получают при использовании цветового кодирования, и возможно оценить и восстановить векторы силы путем решения обратной задачи.
Окрашенные маркеры фотографируют с помощью фотографического устройства, в предпочтительном примере - телекамеры на приборах с зарядовой связью, и осуществляют обработку изображения с помощью процессора. Например, изображение во время контакта корпуса с объектом и изображение в предыдущем состоянии (т.е. состоянии, когда внешняя сила не действует на прозрачный гибкий корпус) сравнивают и определяют величину смещения маркеров (вектор перемещения). С другой стороны, маркеры размещены в прозрачном гибком корпусе так, что обычно они не могут быть распознаны (в состоянии, когда внешняя сила не действует на прозрачный гибкий корпус), и конфигурация такова, что маркеры распознают в ответ на деформацию смещения и наклон маркеров, вызванный деформацией вблизи от положений, в которых существует каждый маркер в том случае, когда объект контактирует с прозрачным гибким корпусом, и информацию детектируют при появлении окрашенных маркеров. В другом предпочтительном аспекте поведение маркеров (например, ступенчатых полосовых маркеров) может быть получено на основе изменения интенсивности маркера.
Оптический тактильный датчик сохраняет передаточную функцию, в соответствии с которой векторы сил или распределение векторов сил, приложенных к поверхности гибкого корпуса, восстанавливаются на основе информации, касающейся поведения маркеров (например, векторов перемещения каждого маркера, когда объект вступает в контакт с поверхностью), полученной с помощью устройства фотографирования. Передаточная функция представляет собой функцию, которая связывает информацию о силе, приложенной к поверхности датчика, с информацией, касающейся поведения маркеров (например, вектора перемещения). Информацию об изображении маркеров получают путем фотографирования окрашенных маркеров, когда объект контактирует с чувствительной поверхностью гибкого корпуса, и информацию, касающуюся поведения маркеров, получают из информации об изображении маркеров. Вектор силы получают на выходе при введении полученной информации в передаточную функцию. Количество наблюдаемых величин, относящихся к информации, касающейся поведения маркеров, которая вводится в передаточную функцию, больше, чем количество полученных векторов силы.
Способы получения матрицы, составляющей передаточную функцию, включают вычисления, основанные на теории упругости, реальные измерения и моделирование.
В одном предпочтительном варианте реализации устройство формирования изображения расположено на стороне, противоположной стороне контакта с объектом прозрачного гибкого корпуса. В случае, когда существует множество окрашенных маркеров, имеющих различную окраску, требуется проводить удобную обработку после формирования изображения путем выбора маркеров только определенного цвета и наблюдения за ними по отдельности. Выбор маркера определенного цвета производится, например, с использованием цветного светофильтра. Требуется создать светоэкранирующий слой на чувствительной поверхности для стабилизации изображения маркеров.
Ниже поясняется расположение маркеров. В предпочтительном варианте реализации множество групп маркеров размещено в прозрачном гибком корпусе, причем каждая группа маркеров состоит из большого числа маркеров. Маркеры, составляющие различные группы маркеров, имеют различную окраску в каждой группе, и группы маркеров имеют различное пространственное расположение. Примером такого различного пространственного расположения служит множество групп маркеров, расположенных в виде слоев внутри гибкого корпуса. Примером маркеров, расположенных в виде слоев, составляющих группы маркеров, являются микроскопические сферические частицы и сферические маркеры, составляющие группу маркеров для каждого слоя, и имеющие окраску, отличную друг от друга. Другим примером такого различного пространственного расположения служит множество групп маркеров, расположенных так, что они пересекаются друг с другом. Еще одним примером такого различного пространственного расположения служит вариант, когда каждая группа маркеров представляет собой плоскую группу, содержащую множество плоскостей, проходящих в одном и том же направлении, но эти направления и окраска являются различными для каждой группы маркеров. Форма окрашенных маркеров особо не ограничивается, и предпочтительными примерами может быть сферическая, цилиндрическая, колоновидная, полосовидная или плоская форма. Подробное описание маркеров представлено в заявке WO 02/18893. Кроме того, формы и/или расположения маркеров не ограничиваются.
В соответствии с настоящим изобретением возможно обеспечить малый размер матрицы, которая является передаточной функцией для векторов силы, и, возможно, сократить время расчетов при вычислении векторов силы. Следовательно, становится возможным проводить считывание в реальном времени, даже если используют датчик, имеющий контактную поверхность большой площади.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает распределение векторов сил, приложенных между тактильным датчиком и объектом, находящимся с ним в контакте;
фиг.2 - принцип действия оптического тактильного датчика, сверху показано изображение, полученное с помощью камеры на приборах с зарядовой связью, прозрачного гибкого корпуса, снизу показан вид сбоку прозрачного гибкого корпуса, который имеет два вида групп маркеров, размещенных в нем, и когда сила прикладывается к прозрачному гибкому корпусу снизу, маркер перемещается слева к положению справа;
фиг.3 - схему оптического тактильного датчика согласно изобретению;
фиг.4 - схему действия вектора силы, приложенного к контактной поверхности (плоская поверхность), и перемещение маркера согласно изобретению;
фиг.5 - схему действия вектора силы, приложенного к контактной поверхности (свободно искривленная поверхность) и перемещение маркера, согласно изобретению;
фиг.6 - схему способа получения передаточной функции, используемой при восстановлении распределения вектора силы, согласно изобретению;
фиг.7 - схему способа, обеспечивающего сокращение времени расчетов для восстановления вектора силы, согласно изобретению;
фиг.8 - схему действия силы с внешней стороны выделенной области, причем сверху показан вид сбоку прозрачного гибкого корпуса, в котором располагаются маркеры, снизу показан вид того же объекта сверху, при этом, так как расстояние между пробными точками силы меньше по сравнению с выделенной областью, соответствующие выделенные области для соседних пробных точек силы перекрываются (обозначение ячеек 1, 2, 3) согласно изобретению;
фиг.9 - схему улучшенного способа сокращения вычислений, где черные круги и белые круги представляют пробные точки силы, причем черные круги представляют результаты вычислений, используемые после вычислений, согласно изобретению;
фиг.10 - схему, показывающую увеличенное количество маркеров, согласно изобретению;
фиг.11 - схему, показывающую увеличенное количество маркеров, причем показано перемещение маркера по отношению к силе, приложенной в одной точке, согласно изобретению;
фиг.12 - схему способа увеличения скорости, показанного на фиг.7, согласно изобретению;
фиг.13 - схему улучшенного способа увеличения скорости, согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения
[А] Конструкция оптического тактильного датчика
Оптический тактильный датчик согласно настоящему изобретению содержит прозрачный гибкий корпус 1 (фиг.3), изготовленный из прозрачного эластичного материала, и искривленную поверхность 2 или поверхность для считывания. Прозрачный гибкий корпус 1 снабжен множеством окрашенных маркеров 3, 4, введенных в прозрачный гибкий корпус 1 вблизи от поверхности 2 и вдоль искривленной поверхности 2. Чувствительная часть состоит из прозрачного гибкого корпуса 1 и окрашенных маркеров 3, 4, расположенных внутри гибкого корпуса. Прозрачный гибкий корпус 1 предпочтительно изготовлен из силиконовой резины, но также он может быть выполнен из другого эластичного материала, например из других типов резины или эластомера.
Окрашенные маркеры 3, 4 содержат две группы окрашенных маркеров, которые размещены соответственно на различной глубине от поверхности 2. Окрашенные маркеры 3, составляющие одну группу маркеров, и окрашенные маркеры 4, составляющие другую группу маркеров, имеют различную окраску. Например, одна группа маркеров содержит множество синих маркеров 3, и другая группа маркеров содержит множество красных маркеров 4.
Когда объект 5 контактирует с прозрачным гибким корпусом 1, окрашенные маркеры 3, 4, расположенные внутри прозрачного гибкого корпуса 1, смещаются благодаря внутренней деформации гибкого корпуса. Датчик также снабжен камерой 6 в качестве фотографирующего устройства и источником света 7. Оптическая камера 6 расположена на стороне, противоположной стороне контакта с объектом 5, поэтому прозрачный гибкий корпус 1 расположен между оптической камерой 6 и объектом 5, и поведение или перемещение маркеров 3, 4 фотографируется камерой 6. Источник света 7 может передавать световое излучение по волноводу, например по оптическому волокну. Изображения маркеров 3, 4, полученные с помощью камеры 6 как средства формирования изображения, передаются на компьютер 8, и изображения маркеров отображаются на дисплее. Процессор компьютера 8 просчитывает информацию о маркере (вектора перемещения в качестве информации о перемещении), касающуюся поведения (смещения, деформации или наклона) маркеров. Процессор восстанавливает распределение сил, приложенных к поверхности 2 со стороны объекта 5, используя информацию о маркере (информацию о перемещении) и передаточную функцию, которая сохраняется в памяти устройства компьютера 8.
Камера как устройство фотографирования является цифровой камерой, а именно камерой для вывода данных изображения в виде электрических сигналов, и в одном предпочтительном варианте реализации она представляет собой телекамеру на приборах с зарядовой связью. Также возможно применять, например, цифровую камеру, использующую датчик изображения типа КМОП (C-MOS). Если три типа маркеров представляют собой красные, зеленые и синие маркеры, существует два способа восприятия этих трех цветов по отдельности. Первый способ состоит в использовании для выделения цветных светофильтров, при этом каждый маркер может рассматриваться как индивидуально сфотографированный при рассмотрении сигнала «красный-зеленый-синий», выходящего из камеры. Второй способ представляет собой способ, когда элементы формирования изображения воспринимают только интенсивность света, и изготавливаются световые источники «красный-зеленый и синий». Когда красный светится, свет отражается только от красных маркеров, в то время как красный свет поглощается маркерами двух других цветов и поэтому камера эффективно воспринимает только красные маркеры. Если это также осуществляется в течение отдельного времени для зеленого и синего цвета, может быть получена информация, эквивалентная той, которая получается при использовании первого способа.
[В] Способ восстановления распределения вектора силы на контактной поверхности
Для получения распределения вектора силы, приложенной к поверхности датчика, на основе информации, полученной от оптического тактильного датчика (векторов перемещения маркеров), касающейся поведения маркеров, требуется преобразование информации М (информации о перемещении), касающейся поведения маркеров, в информацию F о силе. Преобразование информации М о поведении маркеров в информацию F о силе производится на основе уравнения F=HM. Ниже описан способ (фиг.4 и 5) восстановления распределения вектора силы на основе информации о маркерах, в основе которого лежит метод получения распределения вектора силы на основе векторов перемещения маркеров. На фиг.4 показана плоская чувствительная поверхность, а на фиг.5 показана произвольная искривленная чувствительная поверхность. Для упрощения рассматривается только двумерное сечение (направление вдоль оси у исключается). Алгоритм является таким же для общего трехмерного пространства.
Обозначение f относится к вектору силы, приложенной к контактной поверхности, и обозначения m и n относятся к вектору перемещения синего маркера и вектору перемещения красного маркера в элементе телекамеры на приборах с зарядовой связью. Рассматриваются дискретные конечные точки (четыре точки на фиг.4 и фиг.5). Как упоминалось выше, распределение вектора силы имеет три компоненты (x-компоненту, y-компоненту и z-компоненту), но рассматриваются только две компоненты (х-компонента и z-компонента). В общем, получение изображения с помощью камеры означает проецирование трехмерного объекта на пиксельную плоскость двумерной плоскости таким образом, что на плоскость проецируется только перемещение маркеров в горизонтальном направлении (х-компонента и y-компонента). Перемещение маркера наблюдается только в х-направлении.
Восемь компонент f=[fx(1), fx(2), fx(3), fx(4), fz(1), fz(2), fz(3), fz(4)] представляют собой распределение полученных векторов сил, где m=[m(1), m(2), m(3), m(4)] и n=[n(1), n(2), n(3), n(4)] являются векторами перемещения, которые измеряются. Векторы m и n представлены как X. А именно Х=[m(1), m(2), m(3), m(4), n(1), n(2), n(3), n(4)]. Векторы перемещения m и n наблюдаются, когда единичная сила (величина равна 1) в направлении х прикладывается в точке 1, они представлены как Мх(1).
А именно Мх(1)=[m(1), m(2), m(3), m(4), n(1), n(2), n(3), n(4)], когда f=[1,0,0,0,0,0,0,0]. Аналогично вектор смещения каждого маркера, когда единичная сила в z-направлении приложена в точке 1, представляется как Mz(1), вектор перемещения каждого маркера, когда единичная сила в х-направлении приложена в точке 2, представляется как Мх(2), и т.д. В случае линейного гибкого корпуса, когда соотношение линейной суммы сохраняется между приложенными силами и деформациями (большинство гибких корпусов удовлетворяют этим характеристикам), векторы перемещения представляются как
Х=Мх(1)×fx(1)+Mz(1)×fz(1)+Mx(2)×fx(2)+…+Mz(4)×fx(4),
где заданы общие силы f=[fx(1), fx(2), fx(3), fx(4), fz(1), fz(2), fz(3), fz(4)]. Наоборот, тот факт, что векторы перемещения могут быть представлены, как упомянуто выше, означает, что суперпозиция сил сохраняется, следовательно, гибкий корпус является линейным гибким корпусом.
Когда уравнение представляется в матричной форме, X=H×f, где Н=[Мх(1); Мх(2); …; Mz(4)]. Н называется передаточной функцией, потому что Н представляет собой отображение, которое преобразует силу f в деформацию х. Форма матрицы, записанной с элементами, является следующей:
где Hmx(x1, x2) представляет собой величину смещения в направлении х маркера m на определенной глубине с координатой x=x1 с единичной силой в направлении х, приложенной к поверхности в точке с координатой х=х2. Аналогично Hnz(x1, х2) представляет величину смещения в направлении z маркера n на определенной глубине с координатой x=x1 с единичной силой в направлении z, приложенной к поверхности в точке с координатой х=х2.
Это простое перемножение матриц, где х соответствует матрице 1×8, Н соответствует квадратной матрице 8×8, и f содержит 1×8 компонент. Таким образом, f может быть получена при умножении наблюдаемой х на обратную матрицу Н. А именно f=inv(H)×X (уравнение 1), где inv представляет собой обратную матрицу (обратную обобщенную матрицу).
Форма матрицы, записанной с элементами, является следующей:
где Imx(1,1) и т.п. представляют каждый элемент inv(H), а также вклад m(1) для вычисления fx(1).
Важный момент состоит в том, что количество наблюдаемых данных должно быть равно или больше количества неизвестных при определении неизвестных с использованием обратной матрицы, определяемой передаточной функцией. Если требования не выполнены, довольно трудно получить обратную матрицу, т.к. число неизвестных избыточно, и неизвестные не могут быть получены точно. В примере, показанном на фиг.4, если существует только один слой маркеров, компоненты векторов силы не могут быть точно определены, потому что наблюдаются только четыре компоненты вектора перемещения, в то время как должно быть получено распределение восьми векторов сил (это случай с традиционным типом распределения по поверхности тактильного датчика). Для решения этой проблемы в настоящем изобретении используются два слоя различно окрашенных групп маркеров, чтобы увеличить число независимых наблюдаемых данных до восьми путем наблюдения перемещения каждого маркера в двух группах маркеров, расположенных в виде слоев.
В случае трехмерного пространства (где к чертежу добавляется ось у) в точке вектор силы имеет три степени свободы, и вектор горизонтального перемещения маркеров имеет две степени свободы. Если число пробных точек равно четырем, количество неизвестных равно двенадцати, где 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)], при этом количество наблюдаемых векторов перемещения равно восьми и является несущественным, где m=[mx(1), my(1), mx(2), my(2), mx(3), my(3), mx(4), my(4)].
За счет использования двух слоев маркеров возможно получить шестнадцать наблюдаемых данных путем наблюдения маркеров, расположенных в виде слоев, и определить двенадцать неизвестных. Из-за избыточности количества полученной информации может осуществляться устойчивая интерполяция. При использовании перечисленных выше алгоритмов векторы силы экстраполируются на основе изображения, созданного телекамерой на приборах с зарядовой связью. Даже при использовании других способов измерения настоящего изобретения, в которых применяются, например, другие типы конфигураций маркеров, независимые наблюдаемые величины, определяющие информацию, количество которых равно или больше количества неизвестных, собираются при использовании цветного кодирования, и возможно оценить и восстановить векторы сил с помощью устойчивого решения обратной задачи.
[С] Передаточная функция для восстановления распределения вектора силы
Из приведенного выше описания ясно, что для оптического тактильного датчика настоящего изобретения особенно важно получить передаточную функцию (матрицу Н), представляющую соотношение между поверхностным напряжением и внутренней деформацией гибкого корпуса. В этом отношении оптический тактильный датчик настоящего изобретения по сути отличается от традиционных тактильных датчиков матричного типа. Хотя традиционный тактильный датчик матричного типа (датчик Shimojo, например) содержит слоистый гибкий корпус, расположенный на элементе датчика, он измеряет только силу, приложенную к каждому расположенному упорядоченным образом элементу датчика, и не вычисляет распределение векторов сил, приложенных к поверхности гибкого корпуса.
Ниже описан способ получения передаточной функции. Основой теории упругости является уравнение, которое устанавливает связь между силой, приложенной к поверхности (х=0, х, y=0, y, z=0, z) внутренней микроскопической области (микрокуб xyz), и деформацией микроскопической области (dx/dx, dy/dx, dz/dx, dx/dy, dy/dy, dz/dy, dx/dz, dy/dz, dy/dz). Весь гибкий корпус состоит из неограниченного числа микроскопических областей (проинтегрированных по пространству).
В гибком корпусе, имеющем характеристическую форму (полубесконечный гибкий корпус) в качестве функции, определяющей силу, приложенную к поверхности, и внутреннюю деформацию, функции, в которой упомянутое выше уравнение, которое действует в микроскопической области, может выполняться в любых областях внутренней части гибкого корпуса, было найдено численное уравнение. В этом случае матрица Н может быть получена введением в аргумент функции координат разделенных поверхностей гибкого корпуса и координат внутренних маркеров.
Численное уравнение представляет собой функцию G, с помощью которой может быть получена внутренняя деформация на основе поверхностного напряжения в форме m(x2, y2)=G(f(x1), х2, у2), где f(x1) представляет собой поверхностное напряжение и m(х2, y2) представляет внутреннюю деформацию. Например, когда сила приложена в точке 1 (фиг.4), смещение маркера 2 может быть получено с помощью выражения m(2, y2)=G(f(1), 2, y2), где y2 представляет собой известную глубину маркера.
Однако такая характеристическая форма является редкой, например, даже для сферического корпуса функция для соотношения между поверхностным напряжением и внутренней деформацией не может быть найдена. В соответствии с рассматриваемым оптическим тактильным датчиком получается матрица Н, использующая упомянутое выше уравнение, в предположении, что гибкий корпус имеет полубесконечную форму. Было найдено, что поверхностное напряжение не может быть правильно получено, когда уравнение для полубесконечного гибкого корпуса применяется для произвольной искривленной поверхности, такой как полусферическая поверхность. Следовательно, необходимо связать поверхностное напряжение со внутренней деформацией любым другим способом.
Первый способ состоит в определении связи между поверхностным напряжением и внутренней деформацией с помощью численного моделирования. В соответствии с доступным программным обеспечением для моделирования упругости путем разделения гибкого корпуса на ячейки возможно численно рассчитать упругую деформацию, которая поддерживает соотношение между поверхностным напряжением и деформацией каждой ячейки (упомянутой выше микроскопической области), и соотношение между соседними ячейками, где силы, имеющие одну и ту же величину, приводятся в действие на границе раздела. Следовательно, путем разделения поверхности датчика на ячейки возможно вычислить величину перемещения маркеров, когда единичная сила прикладывается к каждой ячейке в x-направлении, y-направлении и z-направлении путем моделирования.
Второй способ состоит в реальном приложении силы к поверхности (фиг.5). Силы F1, F2, F3, F4 …, Fn, имеющие известную величину, прикладываются к произвольной искривленной поверхности гибкого корпуса. Векторы перемещения (перемещения маркеров, вызванные каждой известной силой) M1, М2, М3, М4, …, Mn маркеров, относящиеся к каждой приложенной силе, измеряются и сохраняются. F1 представляет три вектора F1x, F1y, F1z, и векторы перемещения соответствующих маркеров получаются как M1x, M1y, M1z, когда эти силы прикладываются. Матрица Н получается на основе сил, имеющих известную величину, и полученной информации (вектор перемещения). Второй способ будет объяснен подробно.
Во-первых, многочисленные пробные точки расположены дискретно на поверхности гибкого корпуса. В предпочтительном варианте реализации пробные точки расположены таким образом, чтобы покрывать всю площадь поверхности. В другом варианте реализации многочисленные дискретные пробные точки располагаются (концентрическим образом на виде сверху) в соответствии с криволинейными координатами. В другом аспекте пробные точки размещены так, что создают сетчатую структуру на виде сверху.
В каждой пробной точке получается информация, которая связывает силы, имеющие известную величину, приложенные в х-направлении, y-направлении и z-направлении, с соответствующими векторами перемещения маркеров, когда прикладываются силы. В одном предпочтительном способе силы, имеющие предварительно заданную величину, независимо прикладываются в каждой пробной точке в х-направлении, y-направлении и z-направлении, и каждый вектор перемещения маркеров измеряется и сохраняется. Ориентации векторов сил в х-направлении, y-направлении и z-направлении, приложенных в пробных точках, не ограничиваются, поскольку произвольная сила, приложенная к поверхности, может быть представлена с помощью этих векторов сил.
В одном случае в пробной точке создается тангенциальная плоскость, х-направление и y-направление определяются в ортогональном направлении по отношению друг у другу в этой плоскости, и z-направление определяется как ортогональное по отношению к плоскости. С другой стороны, плоскость х-y определяется независимо от формы поверхности, и z-направление определяется как ортогональное по отношению к плоскости х-y.
Силы, приложенные в каждой пробной точке, имеют известную величину, и в предпочтительном варианте силу постоянной величины, например 100 гс, прикладывают в пробной точке в х-направлении, y-направлении и z-направлении соответственно, и измеряют векторы перемещения для каждого варианта. Не является необходимым, чтобы силы, приложенные в каждой пробной точке, имели одну и ту же величину, поскольку величина каждой силы известна. Вектор смещения маркеров может измеряться на основе сил, имеющих различные величины, и затем величина вектора смещения может быть нормирована.
Поскольку в итоге получается информация, связывающая силы в х-направлении, y-направлении и z-направлении с перемещением векторов маркеров, направления сил, приложенных в каждой точке образца, не ограничиваются х-направлением, y-направлением и z-направлением. В предположении, что гибкий корпус представляет собой линейный гибкий корпус, также рассматривается следующий способ. Во-первых, приложение силы в точке в z-направлении и величину перемещения каждого маркера измеряют и сохраняют. Далее приложение силы в точке в xy-направлении и компонента в х-направлении могут быть получены путем вычитания компоненты силы в z-направлении из компоненты в xz-направлении. То же осуществляют и для y-направления.
Как упомянуто выше, матрица Н может быть получена путем моделирования или измерения, причем матрица Н представляет собой передаточную функцию, которая связывает информацию о силе F с информацией М, относящейся к поведению маркера (информация о перемещении). Оптический тактильный датчик содержит устройство памяти и процессор. Полученную матрицу Н сохраняют в устройстве памяти. Изображение маркера получают с помощью устройства для фотографирования, когда объект контактирует с прозрачным гибким корпусом, и произвольная сила прикладывается к поверхности датчика. Вектор перемещения маркера измеряют на основе полученного изображения маркера с помощью процессора. Измеренный вектор перемещения маркера является входным для матрицы Н и вычисляется с помощью процессора, таким образом давая на выходе вектор силы, которая прикладывается к поверхности гибкого корпуса.
[D] Способ сокращения времени расчетов
Если количество элементов матрицы Н увеличивается, время для вычисления распределения силы на основе информации о перемещении становится больше. Это происходит из-за использования информации о перемещении для всех маркеров при получении силы, приложенной в конкретной точке. В действительности, в случае принятия первоначально описанного алгоритма матрица Н становится гигантской, и требуется время для матричной операции для уравнения 1. Например, в случае сетки 100×100 существует 10000 точек наблюдения, это означает, что матрица Н становится гигантской матрицей 10000×10000. В общем, для поверхности датчика, разделенной на N×N элементов, так как количество точек наблюдения соответствует возведению N в квадрат, размер матрицы Н становится равным произведению N, возведенного в квадрат, на N, возведенного в квадрат. Таким образом, для матричной операции с уравнением 1 требуется время, в четыре раза большее N. Поэтому необходимо сократить время расчетов.
В предложенном способе выделяют часть матрицы Н и используют ее. Соответствующее соотношение для силы, приложенной ко всем точкам сетки, и перемещения всех маркеров описывается в матрице Н. Однако в действительности возможно игнорировать поведение маркера при условии, что расстояние между точками приложения силы и маркером существенно. Если это делается в предположении, что приемлемо использовать (фиг.7 и 8) только с первого по второй маркеры при расчетах f(1), и использовать только с первого по третий маркеры при расчетах f(2), возможно сделать размер матрицы небольшим. Новая матрица в этом примере является следующей.
Исходное уравнение 1 f=inv(H)x является следующим:
Это уравнение становится следующим, если игнорировать вклад в точках, отделенных расстоянием:
Места в матрице с нулевыми значениями представляют собой точки, отделенные расстоянием, которые должны быть проигнорированы. Вычисление может выполняться с большей скоростью, потому что нет необходимости проводить для них расчеты. Это увеличение скорости обеспечивает ускоренное действие, поскольку размер сетки N становится больше, как описано выше.
Это эквивалентно использованию выделенной области поверхности, содержащей место, в котором требуется получить векторы сил. Р представляет собой место (фиг.7), где требуется получить вектор силы, и область круга А1 представляет собой область маркеров, используемых для получения векторов сил. В этой ситуации в двумерном изображении всей контактной поверхности устанавливается область вблизи от точки, где требуется получать распределение вектора силы. Благодаря тому, что область вблизи от точки, где требуется получить вектора силы, установлена, соседняя область не обязательно определяется на основе только расстояния в двумерном изображении. Т.е. расстояние между точками приложения силы и маркером представляет собой пространственное расстояние, и в аналогичных случаях, когда группы маркеров расположены в виде слоев внутри гибкого корпуса, могут быть варианты, когда требуется учитывать глубину, на которой расположен маркер. В частности, в датчике, имеющем плоскую контактную поверхность, если контактная поверхность представляет собой плоскость х-y, то область, расположенная вблизи места, где требуется получить векторы сил, не обязательно определяется с использованием только расстояния на плоскости х-y, также возможно определить трехмерное расстояние, включающее направление z. Если расстояние в направлении z можно проигнорировать, приблизительно может быть определена область на основе двумерного расстояния на плоскости х-y.
В случае контактной поверхности, которая является произвольной искривленной поверхностью, вклад мест, отделенных расстоянием, не всегда является малым. Поэтому предлагается другой способ сокращения времени расчетов. Прежде всего, передаточная функция (обратная матрица) получается путем реального измерения или моделирования. Способ получения этого типа передаточной функции уже был описан. Например, при рассмотрении элементов матрицы для передаточной функции на основе реального измерения, если отдельный элемент матрицы близок к нулю, маркер, соответствующий элементу, может считаться маркером, который можно проигнорировать для получения отдельного вектора силы. Возможно рассчитать вектор силы с частями, в которых отдельный элемент матрицы передаточной функции, который приближается к нулю, автоматически исключается из расчетов. Например, для элементов матрицы устанавливается порог, представляющий собой величину, до которой возможно игнорировать восстановление вектора силы, и значения элементов матрицы, меньшие установленного порога, приравниваются к нулю.
Ниже описан улучшенный способ сокращения расчетов. Было предпринято исследование и при использовании описанного выше способа сокращения расчетов было определено, что имеются случаи, когда точность измерения векторов сил снижалась. В соответствии с описанным выше способом сокращения расчетов считается, что расчет вряд ли подвергается воздействию перемещения маркера, отдаленного от точки, в которой требуется получать силу. Используется только информация для маркера внутри области круга А1, выделенной на фиг.7, при этом информация, относящаяся к маркеру части А2 вне выделенной области, не используется.
Тем не менее, в действительности маркер внутри выделенной области также перемещается благодаря силе вне выделенной области. Перемещение маркера из-за силы вне выделенной области также ошибочно вычисляется как сила, возникшая внутри области, что приводит к уменьшению точности. Для устранения этого недостатка предлагается следующий способ.
По отношению к точке выделенной отдельной области изображения это то же самое, что и для упомянутого выше способа сокращения расчетов. Упомянутый выше способ связан только с информацией внутри выделенной области, в то время как улучшенный способ подходит и для пробных точек вне выделенной области, для силы, которая вычисляется. По отношению к перемещению маркера обрабатывается только информация внутри выделенной области. Пробные точки являются точками для принятия во внимание действия силы со стороны внешней области. Т.е. на перемещение маркера внутри выделенной области можно воздействовать до определенной степени за счет силы, приложенной вне выделенной области. Во время восстановления векторов силы на основе информации о перемещении маркеров внутри выделенной области путем расчета силы, действующей не только внутри выделенной области, но также силы, действующей вне выделенной области, восстанавливается сила, действующая внутри выделенной области, в то же время принимается во внимание сила, действующая вне выделенной области.
Пробные точки силы вне области размещаются разреженно на расстоянии от выделенной области. Это происходит потому, что считается, что представление возможно с меньшим количеством пробных точек, так как действие становится слабее с увеличением расстояния от области. Малая область (фиг.9), соответствующая пробным точкам, состоящая из 5×5 точек, располагается в изображении тактильной части датчика. Пробные точки размещаются плотно внутри малой области. Пробные точки для силы также располагаются вне малой области. Пробные точки для силы вне малой области располагаются более разреженно на расстоянии от малой области. В местах, близких к малой области, пробные точки располагаются плотно, с такой же плотностью, как внутри малой области, и, поскольку отделение от малой области увеличивается, пробные точки располагаются более разреженно.
Затем векторы силы для пробных точек, расположенных внутри и вне малой области, вычисляются на основе информации о перемещении маркеров внутри малой области. Среди вычисленных векторов силы только результаты по меньшей мере для некоторых векторов силы внутри малой области принимаются и сохраняются как результаты окончательных вычислений. В примере на фиг.9 векторы силы для пробных точек, расположенные как матрица 3×3 внутри малой области 5×5, сохраняются как результаты окончательных вычислений. Пробные точки вне малой области и пробные точки внутри малой области, которые не принимаются во внимание, отбрасываются. Выделенная малая область затем последовательно сдвигается по мере получения векторов силы для области, таким образом получается распределение вектора силы для всей области измерений датчика. На фиг.9 используются векторы силы для части пробных точек малой области, но также возможно использовать вектора силы для всех пробных точек внутри малой области. На фиг.9 используются также векторы силы для множества пробных точек для части малой области, но также возможно использовать только векторы силы для одной пробной точки внутри малой области. На фиг.9 показана малая область 5×5 точек, но размер выделенной области не ограничен. Используя этот способ, усовершенствованный по сравнению с описанным выше способом сокращения вычислений, можно увеличить количество расчетов, но существенно сократить время расчетов по сравнению с принятым ранее способом с увеличением скорости расчетов.
Ниже приведено описание для усовершенствованного способа (фиг.10, 11, 12, 13). На фиг.10 для упрощения описания усовершенствованного способа количество точек для маркеров увеличено по сравнению с фиг.4 и фиг.5. Благодаря увеличенному количеству точек для маркеров существует соответствующее увеличение числа элементов в уравнениях и по этой причине на фиг.11 показаны только перемещения вдоль направлений х, z для маркера n, соответствующего силе для одной отдельной точки. Это эквивалентно ситуации, когда выделяются только части, соответствующие элементам Imx(1,1), Imx(2,1), Imx(3,1), Imx(4,1), Imx(1,2), Imx(2,2), Imx(3,2) и Imx(4,2) матрицы inv(H) в уравнении 3, и количество точек для маркеров увеличивается. Это представляется следующим уравнением. F в левой части уравнения представляет силу, m в правой части представляет вектор перемещения, и левый член справа представляет элементы, выделенные из inv(H), соответствующие силе F в отдельной точке и маркеру m.
10
14
Способ увеличения скорости перед усовершенствованием использует только информацию о перемещении маркеров, которая имеется вблизи точек, к которым прикладывается полученная сила, и, как показано на фиг.12, используется только информация о перемещении для маркеров с m по m. Это представляется следующим уравнением.
1
9
15
23
Информация о перемещении для маркеров с m по m и с m по m в приведенном выше уравнении не вносит вклад в получаемую силу F, и, как описано далее, возможно уменьшить количество элементов.
8
2
5
9
11
14
В этом отношении в качестве иллюстрации на фиг.13 показан способ увеличения скорости после усовершенствования. Т.е. не только F, но также F, F, F, F и F располагаются как пробные точки силы. Как показано с помощью уравнения, происходит увеличение количества элементов, относящихся к силе F, и это возможно представить следующим образом.
x8
z8
В вычисленных с помощью компьютера векторах используются только векторы силы для F и F.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение может широко применяться в тактильных датчиках, и, в частности, предпочтительно может использоваться в датчике, где требуется считывание в реальном времени.