CN1571920A - 光学式触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过把利用颜色即光谱的多通道的传感器引入到光学触觉传感器上能得到各点上的多个自由度的信息的触觉传感器。所述触觉传感器是包括触觉部和摄像手段的光学式触觉传感器，所述触觉部由透明弹性体和设置在所述弹性体内的许多标记群构成，各标记群的每群的颜色互相不同，由所述摄像手段对在物体与弹性体接触时的所述有色标记的动作进行摄像。这些标记群最好具有互相不同的空间排列。

Description

光学式触觉传感器

技术领域

本发明涉及光学式触觉传感器，特别是涉及机械手用的触觉式传感器等的触觉传感器。

背景技术

在考虑通过触觉传感器感觉接触面的接触状态时，施加在各接触面的各点的力是具有大小和方向的三个分量的矢量。将所述矢量用图10的座标系表示为f(x、y)。但因为f是矢量，所以实际在各点上具有x、y、z三个分量。在明示地表示各个成分的场合下，表示为f(x、y)＝[fx(x、y)、fy(x、y)、fz(x、y)]。

因为力分布在各接触点上具有三个分量，所以为了通过触觉传感器再构成接触面的力分布而至少对接触面的各点必需得到三个自由度以上的信息。然而实际上使用的许多面形接触传感器，象例如用导电性橡胶的场合那样，在接触面的各点上至多只能得到一个自由度的信息。因此，即使知道大致的力的施加情况及其分布，也很难判别所述力是否对例如表面垂直或是否水平地施加。这是因为对要知道的信息的量只得到1/3信息。

另外作为具体的传感手段光学式触觉传感器近年来正在引人注目。在这种方式中不使用象过去那样的直接测应力的机械元件(压电元件)，传感器本体由透明的弹性体和使光学的行为随着作用在所述弹性体内部的某种力而变化的标记制成。然后想要通过用CCD元件等摄像系统对标记的行为进行摄像推定接触面的状态。作为其优点可以举出：随着近年摄像元件的进步，可以构成比机械的传感器稳定得多、高密度的触觉传感器这一点。然而在所述方式中，在许多场合下，所述信息是上下位移量或压力，不能解决上述信息量的缺漏问题。现有的光学式触觉传感器也同样只不过是只引出一种信息(一元的信息)的器件。

本发明是要解决所述现有的触觉式传感器的不合适的情况的方案，其目的是提供一种通过把利用颜色即光谱的多通道的传感引入到光学式触觉传感器上能在面的各点上得到多自由度的信息的触觉传感器。

发明内容

本发明是为解决所述课题的方案，是一种包括触觉部和摄像手段的光学式触觉式检测器，所述触觉部由透明弹性体和设置在所述弹性体内的多个标记群构成，各标记群由各自的有色标记构成，构成不同的标记群的标记的每组的颜色互相不同，具有能用所述摄影手段对在物体接触在所述弹性体上时的所述有色标记的动作进行摄影的构成。通过对所述有色的标记的行为进行摄影观测在物体接触在所述弹性体上时的所述有色标记的位移、变形和倾斜中的至少一个以上。从接触对象接触在传感器上时的有色标记的信息检测出透明弹性体内部的变形信息、和在进一步根据所述变形信息计算出的接触对象的形状和接触界面(包含弹性体的面，接触对象的面两者)等上作用的力的信息。按照本发明，能通过这个“色区分”的简单方法个别地采集多种信息，同时能用光学式得到多种触觉信息。另外，按照本发明，通过“色区分”收集比未未知数的数目多的独立观测值，因稳定地解决逆问题，而可以在推定力矢量后再构筑力矢量。

有色标记被摄像手段(一个优选的例是CCD摄像机)摄影后进行图像处理。例如通过比较物体接触时与接触前的状态(在透明体上没有外力作用的状态)的图像，检测标记的移动量。或者在常时(在透明弹性体上没有外力作用的状态)预先在不能识别标记那样的配设状态将标记埋设在透明弹性体中，根据在物体接触在透明弹性体上时随着在各标记存在位置周围的变形产生的标记的位移、变形、倾斜来认识标记，根据观察有色标记检测出信息。

所述摄影手段的一个优选的方式是配置与所述透明弹性体的物体接触的侧的相反侧的位置上。另外，在具有互相不同的颜色的多个有色标记的场合下，最好通过选择某个有色标记个别捕捉尽量经济地进行最好处理。有色标记的选择通过用例如滤色器进行。

按照一个优选的方式，在所述透明弹性体内埋设多个标记群，各标记群分别由多个标记构成，构成不同的标记群的标记颜色互相不同，并且所述标记群具有互相不同的空间排列。作为所述不同空间的排列的例子可以举出在所述弹性体的壁厚内配设成层叠状的多个标记群或互相交错配设的多个标记群。通过这样做，使得到的图像变成业已进行某种信息处理(例如提供某种二维信息处理的)的状态。关于它们的优选方式将在实施例栏中详细描述。

对有色标记的形状没有特别的限制，如果举出优选的例子，则可以考虑球状，圆筒状，圆柱状，带片状，平面形状等。关于这些形状的优选方式将在实施方式栏中详细描述。

附图说明

图1是与本发明有关的传感器装置的原理图。

图2是与第一实施方式有关的传感器的原理图。

图3是表示与第一实施方式有关的传感器的制造工序的图。

图4是与第二实施方式有关的传感器的原理图。

图5是例示在与第二实施方式有关的传感器中接触时得到的象的图。

图6是表示与第二实施方式有关的传感器的制造工艺的图。

图7是与第三实施方式有关的传感器的原理图。

图8是表示与第三实施方式的传感器制造工艺的图。

图9是与第五实施方式有关的传感器的原理图。

图10是表示在触觉传感器与接触对象之间产生的力矢量分布的图。

图11是表示用标记移动测定的光学式触觉检测器的图。

图12是表示在沿垂直方向按压一点的场合下再构筑的力矢量分布的图。

图13是在沿水平方向按压一点的场合下再构筑的力矢量分布的图。

图14是表示在按压二点的场合下再构筑的力矢量分布的图。

图15是从横方向看与第四实施方式有关的阶梯方式的图。

图16是通过从图15中所示的弹性体的上面的观测得到的图像，其中(a)示出正常状态，b示出了在接触面上施加水平力的场合，c示出了在接触面上施加垂直力的场合。

图17示出了棱锥形状的底面，朝向同一方向的三组面分别着红、绿和青色，在从上部观察的场合各色混合成白色。

图18示出了倾角不同的各面的着色的图。

图19是表示利用具有方向性的光源观测被白色面散射光的场合的图。

图20是表示具有阶梯状的光学式触觉传感器和导光路膜的组合的传感器的图。

图21是表示施加导光路上的力和由所述力使阶梯面与导光路的接触变化，并观测的图像变化的状态的图。

具体实施方式

下面说明本发明的基本构成。图1是与本发明有关的光学式触觉传感器装置的原理图，传感器装置包括由透光性弹性材料组成的透明弹性体1，在透明弹性体1的内部埋设有色标记2，由透明弹性体1和有色标记2构成触觉部。传感器装置具有当物体3接触在透明体1时能引起设置在透明弹性体1的内部的有色标记2移动或变形的构成。传感器装置还包括作为摄像手段的摄像机4和光源5。光学式摄像机4隔着透明弹性体1位于与物体3所接触的一侧的相反侧定位配置，以便能用摄像机4对标记的变移、变形进行摄像。光源5也可以用光导管(光纤)的光源。

透明弹性体1最好是由硅橡胶构成，但也可由其它橡胶和弹性材料等其它弹性部件构成。标记优选的是由弹性部件构成，更优选的是由与透明体相同的材料构成，在一个优选的方式中，由在硅橡胶上加色素的部件构成。因为不允许标记防碍弹性体的变形，所以标记也由弹性部件(最好具有与弹性相同弹性系数的弹性部件)构成。并且只要标记是在不阻碍弹性本体变形的限度上十分微小的部件，则对标记的材料没有特别限定。并且也可是弹性体的部分所构成标记的部件。

在本发明中，使许多光学的标记在透明弹性体1中分布，随着物体接触在弹性体上引起的弹性体1的变形，通过摄像机对在标记上发生位移和变形和倾斜的情况进行摄影来检测接触对象的信息和由接触引起的弹性体内部的位移、变形的信息。

作为摄影手段的摄像机是数字式摄像机即把图像数据变成电信号输出的摄像机，在一个优选的例中是CCD摄像机。但与本发明有关的摄像手段不限定于CCD摄像机，也可以用例如C-MOS式图像传感器的数字式摄像机。另外，通过颜色识别有色标记识别提高本发明的传感器的智能的最重要的方式之一，最好将滤色器搭载在摄像元件上。并且在摄像元件上没有滤色器的情况下(只能对这时的光强度即黑白图像进行摄像)，作为组装在传感器内部的光源，如果只考虑把具有内包含在标记反射的颜色矢量中的光谱的参量分类，则因为在使各光源发光时拍摄的图像只捕捉来自对应的发光，所以与摄像元件的滤色器进行相同的动作。如果具体地说明上述的情况，则考虑用红、绿、青三种颜色作为标记时，为了个别捕捉这些颜色而有下述二种方法(1)用摄像元件的滤色器分开(这时如果看摄像机的RGB输出，则个别地对其各色按原样摄影)的方法，(2)摄像元件只捕捉光的强度，考虑用红、绿、青作光源(在使发红光时只有从红的标记反射光，其它二种的光标记因吸收光，结果摄像机只捕捉红标记。如果也对绿、青色进行时间分割标记，则得到与(1)等同的信息)的方法。另外，在此所谓红、青、绿这三种颜色只不过是简单地例示，实际上颜色光谱是无限的，标记的“颜色”(确切地说反射光谱)如果是彼此独立的，则理论上可以无限地选择。

本发明的典型的方式在于通过在各标记上附着各自不同的颜色使摄影的图像具有多维或多个自由度的信息。下面描述的实施例是把在标记存在位置附近的位移和变形变换成图像信息的例子。

本发明以用有色标记为特征，但在本发明中主要有两个区分方式。一个是标记本身的窍门少，但通过在PC上进行处理得到的图像便能得到弹性体的变形信息，是所谓的图像处理方式，下述的第一实施方式与此相当。另一个是使标记本身具有智能，得到的图像业已变成某种弹性信息，是所谓智能资料的方式，下述的第二、第三、第四和第五实施方式与此相当。

[第一实施方式]

第一实施方式是使球状标记沿深度方向并列。如图2所示那样，利用颜色区分的球状微细物作为标记，使其按色别分成数层分布。例如如分成RGB(红、绿、青)，则通过摄像机的滤色器将颜色逐层分离后进行捕捉是容易的。在图中，在从弹性体1的物体3所接触的面开始的第一浅的部分(远离摄像机一侧)中埋设由红色的微细状标记构成的标记群2A、在比埋设有标记的层更深的部分中埋设由绿色微细球状标记构成的标记群2B，又在比埋设有标记2B的层更深的部分中(靠近摄像机一侧)埋设青色微细球状标记2C。在图2中，摄像机未示出，但摄像机3与物体3所接触的面的相反侧的面相对地配设。

形成各层的球状标记最好不沿着层的方向(在图中上下方向)互相重合，通过例如使形成各层的球状标记以某种程度的密度随机分布可以得到这种状态。因为如果标记能杂散地定位则各个图像是空间的自相关极小的图像(所谓二值化的白色噪声(白噪声)图像)，所以通过比较物体接触时与接触前的图像可以求出在各地点的图像移动量。具体地说，通过事先摄影的图像接触后的图像的相关计算来检测出各点的移动矢量。为了进行上述的检测，标记最好是使摄像的象素是1×1以上，10×10以下的程度的尺寸。

通过设置在弹性1不同的深度上提供不同的颜色可以测定个别深度的水平移动量。另外，最好使各层中的标记的存在密度越靠近上层(从物体所接触的面远离侧)即越靠近摄像机部分越小，因为第一上层的标记有隐蔽下层的倾向，这对图像处理不是希望的，第二因为上层远离接触表面，所以位移的空间频率低，因此为了计算而不需要高密度的标记。

摄像机最好是应所述用在整个深度中合焦的针孔摄像机或焦点深度深的象机，但如果用带焦点深度浅的摄像机时最好使最下层合焦，因为如上所述那样，上层的位移因空间频率低而捕捉所述位移不需要高分辨率，即使使最下层合焦，上层中的引线污点也不会因此而对图像处理产生影响。

下面就在包括图11中所示的二层标记的传感器中的根据标记的移动测定的矢量的再构成及其结果进行说明。将多个着色的小球(标记)埋入弹性体中，通过CCD摄像机摄影测定各点的移动。因为这时测定的移动是水平移动，所以具有x、y两个分量。因此就能从各标记得到两个自由度的信息。能得到移动矢量的最终的面分布。如上述那样，力矢量在各点具有三个分量，所以仅在对上述那样的面的两个分量的传感器而言，在构成力矢量是不充分的。可是在此当如图11所示那样再准备一层标记时，可以再得到一组移动矢量分布。为了能独立地检测在最终面的各点上四个移动分量，而可以由此再构成三个分量的表面力矢量分布。通过将各自不同的颜色着色在埋入在这些个别层中的标记群上，使各标记群从摄影的图像中分开，可以分别计算各个移动矢量。标记可以是例如微细的白噪声(白色噪声)，也可以是直径数μ的球。在此次试作中标记使用直径1mm左右的球，因此可能产生下层的标记被上层遮蔽这样的问题。为了防止这类问题发生而将各层的标记配置在不互相重合的位置上。

图12至图14是实验结果再构成的矢量。图12是向垂直方向按压接触面的中心一点的场合，图13是向水平方向按压同一点的场合。这两个结果表明，作用在至少一点的力的力能够作为矢量再构成。图14是以二点按压接触面的场合，所述结果表明可以再构成面接触的力分布。本方式的原理简单而制作容易，但因为图像按其原样变成触觉信息，所以必需通过从图像中计算求出水平移动矢量。然而随着近年的计算机的进步，计算负担基本上可以消除，实际上在上述例中，从图像摄影到求出力矢量分布所需的时间在100ms以下(使用PentiumIII^800MHz的PC的场合)，这个时间大致与作为对象的接触面的面积成比例。

下面说明与第一实施方式有关的传感器的优选的一个制造工艺。(1)首先制作混入有有色微细球状标记的各层。这时因为标记对传感器本体的变形没有影响，所以最好通过把色素加在与本体同样的弹性体中来制作，但也可以由弹性特性相同的其它材料构成标记。另外，如果判断为因标记的尺寸非常小而能略去其对传感器本体的变形的影响，则也可以用这样的材料。标记的形状是球状，这时制成的层的厚度最好是与标记的直径相等。从而能保证同一色的标记存在在同一深度上。(2)接着层叠各标记层10A(标记分布的单位体和透明层10B)(没有标记的单位弹性体)。虽然在弹性体本身有自粘接性的场合，可以把透明层作为粘接材料使用，但也可以通过对另外用的弹性体的影响小的透明的粘接材料粘接。在图中示出了三个标记层10A，但如上所述那样，标记的分布密度从上层向下层(即从靠近摄像机侧向远侧逐渐变高。另外下述的标记的尺寸作为全部的应用受必需的分辨率支配，作为应用例当考虑作为机械手的触觉传感器使用的场合，则所述球状标记的直径在一个例中为0.1mm～0.2mm左右。

[第二实施方式]

下面参照图4和图5说明本发明的第二实施方式，在第二实施方式中，标记是具有微小断面的极细的圆筒体或极细的圆柱体，在图示的标记中，标记在透明弹性体的厚度内埋设成垂直状。标记沿着连接与接触在弹性体上的物体和摄像机的假想线延伸出。在弹性体2中通过在规定的深度并列设置大量的标记构成标记群，标记群在不同的深度上配设成三层。

在图示的标记中，在从弹性体1的物体3所接触的面开始第一浅的部分上埋设由红色的极细圆筒状标记构成的标记群20A，在比埋设有标记群20A的层更深的部分上埋设由绿色的极细圆筒状标记构成的标记群20B，并在比埋设有标记群20B的层更深的部分上埋设由青色的极细圆筒状标记构成的标记群20C。

在图4中摄像机未示出，但摄像机与物体3所接触的面相反的面对置地配设。这样，三层标记群按颜色分成各自不同的颜色，在图示的例子中，根据青、绿、红区分颜色，但标记的颜色不受这个限定，只要颜色能识别，颜色就不限定。另外，构成埋设在各层中的标记群20A、20B、20C的各标记最好在各层间(在上下方向)不互相重合。

因为构成标记群的标记具有微小断面，所以正常时在从在图中配置在上侧的摄像机看时什么也看不见。当随着与对象物的接触而在标记的位置发生剪切变形时，由于与此成比例地倾斜，而从上方看时，在弹性体上好象看到突然着色。

在实施方式中，因为标记群深度方向分色排列，所以根据所述深度的剪切变形着色。理想的是例如在单纯地将物体按压弹性体上时，观测以接触点为中心的彩虹模样(图5)。这表明剪切变形随着深度变化，如例如下述那样，可以通过分开作用在接触面上的应力的垂直方向分量和水平方向分量分别检测。在过去的触觉传感器中只是在接触面上的力只在垂直方向作用的假定下计算出，但在所述传感器的场合下，因为垂直应力和水平应力随着向弹性体的深度方向传播而剪切变形的衰减的方式不同，所以通过看剪切变形的深度方向变化可以分开检测这两种应力。

另外，在接触面正在振动的场合，随着其振动状态的不同(象建筑物那样振动)，而在弹性体的内部产生振动的节和腹。这时因为节部分的标记受到最大的剪接变形而产生很大倾斜。因此通过观察图像可以检测弹性体内的振动方式，并检测振动的频率。

下面说明与第二实施方式的传感器的制造工艺。图6是传感器的制造工艺的一例。首先将有色标记的原液放入在底部开有大量微孔的容器内，通过在凝固前挤压出制作高与直径比大的圆筒。另外极细的标记断面的直径作为一个例子是0.1mm～0.5mm，长度作为一个例子是直径的10倍至100倍左右。将所制作的圆筒物放入固化前的透明弹性体原液中。最好使这些工艺一体化在弹性体原液中挤压出标记。并且在固化后切成适当的厚度的薄片。将其逐个制作成彼此具有不同颜色的标记。通过粘接成多层构成传感器。

[第三实施方式]

下面参照图7说明与本发明第三实施方式有关的第三实施方式。用非常薄的带片(例如0.001mn左右)作为标记，通过使它们形成大量平行排列形成标记群。并且使分色的其它标记群与所述标记群排列成不同的角度。虽然在图中的标记群中，作为优选的一种方式，是使二个标记群200A(由多并列设置多个的红色薄壁带片组成的标记群)、200B(由并列设置多个的青色薄壁带片组成的标记群的各自的标记互相正交地排列，但多个标记群的空间配设关系不受其限定。并且分别由不同的颜色形成各标记的带片的里面。

带片标记埋设在具有规定厚度的长方体状的透明弹性体1的厚度内。带片标记相对弹性体1的物体所接触的面延伸出成铅直状，摄像机与物体3所接触的面相反侧对置地配置。因为带片标记非常薄，平常在从上面(从摄像机)看时什么也看不见。当由于与对物体的接触而在标记位置上产生剪切变形时，标记与所述变形成比例地倾斜，与第一实施方式同样，在透明弹性体上好像看到突然着色。

另外，因为所述标记通过改变方向分色排列，所以发生的颜色已包含变形的方向分量信息，例如在图的例子中，在向x方向变形时发色成红色上发色，发生与其90°不同的变形的部分发色成青色。在很多场合下因混合而看成中间色，如果看到摄像机的RGB输出的R和B，则所述的R和B按原样变成为剪切变形的x、y分量。在作为机械手的重要的基本动作之一的把持(为了不使正在把持的对象不落下而继续把持)的任务中，因为可以通过是否看到剪切变形作用在某个方向来推定在接触面上发生的摩擦力，所以可期待该方向的应用。

另外，不限于从正上方观察，也可以考虑成若干角度的斜向观察。这时因为着色层从初始位置倾斜而观察到颜色。可以通过偏心设置着色层，可以回避零点(着色层是垂直的，处在完全无色的状态)。也就是说，因为只观察着色层的单面，所以没有必要在表面和里面上分别着色。另外，通过层叠图7所示的着色层构成传感器也可以。

图8是与第三实施方式有关的传感器制造法的一例。(1)层叠透明弹性体和有色的弹性体。在试作阶段中各个厚度是透明弹性体1mm，色层0.01mm，但为了机械手等的实用，而最好是使透明弹性体为0.1mm，色层为0.001mm左右。在与层叠方向垂直的方向切开(2)(1)中的层叠体。切开的厚度最好与上述透明弹性体的厚度相同。(3)使已切开的各薄片已着色与(1)不同色的弹性体安装后粘接。因为在硅橡胶上含有自粘接性成分，所以如使用硅橡胶，粘接容易，但也可以用其它用途的粘接层。(4)再沿着与两个互相正交的层(上述不同颜色的二个弹性体)正交的面切出在(3)中的层叠体。切出的厚度根据用途和弹性体的硬度而定，但考虑如使层叠的着色层的间隙为1则形成为1～20左右的间隙。在上述制造过程(4)中，也可考虑附加切出象(4′)所述的角度。这时在象图7那样使用时，当从正上方观察时，由于有色层从开始就倾斜，所以可以观察到颜色。也就是说，由于设置偏心，而因为回避了零点(着色层是垂直的，完全无颜色的状态)，所以没有必要分别在着色层的表面和里面着色。

[第四实施方式]

第四实施方式是第三实施方式的改良。排列成带状的场合的最大问题是其制作过程复杂。使其简单化并且具有相同的传感能力的制作过程是下述的所谓的阶梯方式。如图15所示，准备阶梯状的界面(弹性体的部分形成标记)。因为是阶梯状，所能区分出界面具有二个相同方向的面群。将每个组分别着色成相同的颜色(在此分别为红和青)。这样从上部摄影的图像如图6所示那样。如果各带的宽比用摄像元件摄的一个象素小得很多，则作为图像可以作为二种带的颜色混合的单一颜色观测。虽然当传感器本体发生接触时各个带的倾角变化，但这种变化作为颜色变化被观测到。在接触面上施加水平力的场合(图16(b))，因为各带在各自的位置上发生回转运动，在从上部摄影的象上可以观测到一个面群缩小马上就变宽的状态。也就是说作为二色的比率变化被观测。另外，在接触面上施加垂直的力的场合(图16(C))，因为各带的倾角相同，所以虽然二色的比率不变化，但图像的辉度比例却变化。也就是说因为正在观测的各色(红色和青色)的辉度的“差”与“和”分别大致起因于水平、垂直方向力的分量的变化，所以通过在某点的二色辉度的观测可以得到把在所述点的力矢量的水平、垂直分量作为信息包含的观测值。通过传感这些信息可以再构成力矢量的面分布。据认为这种方式在面的倾角所完成的本质的任务这点上是与上述带状传感器相同的，但阶梯状的面与带相比具有能通过使硅酮原液流入模型中用一次工序制作这样的制作上的优点。另外虽然在此为了说明简单而说明了使用二色的带方法，但如图17所示那样，用在底面上聚集有微细立方体的所谓棱柱体构造，如果将朝向同一方向的三组的面群各着色成一个颜色(例如分别为红、绿和青)，则与上述的讨论相同，可以按三色辉度的比率根据三色合计辉度分别求出水平加在接触面上的力的两个自由度和垂直加在面上的力。

下面说明标记的着色法和光源的利用。为了着色图15、17那样的倾角不同的各面群，而可如图18所示那样从各面铅垂方向喷射涂料。然而随着各面变得微细起来，而在包含在涂料中的粒子与各面的大小接近时使用所述方法的着色变得特别困难。在此考虑二种方法。一种是预先在阶梯面上涂布被光发色的感光剂，利用来自与各面垂直方向的平行光使面在选择的倾角上感光。这种方式是在硅片上的微细加工上用的方法。另一个比较简单的方式是预先把各面全部制成白色漫射面，在作为传感器使用时使各色的光从各自的面铅垂方向入射，观察漫散射光(图19)。如果用这种方法，因为在制成阶梯面时可以从开始将硅酮原液着成白色，所以制作工序非常简单，并且在正在作为传感器使用中通过调整各光源的光量可以减各色通道间的干扰，从而能进行更高精度的传感。

阶梯方式的本质是：在阶梯状部位的各点的回转运动与各色的辉度差相对应，上下方向的缩小与各面的平均的倾角即各色的辉度的和相对应，但存在与上下方向缩小对应的灵敏度相对回旋运动降低这样的问题。然而通过以下所述的若干修正可以提高与上下方向位移对应的灵敏度。

在图20中，导光路是由与传感体本体相同的材料或更的透明弹性体制的膜，厚度为0.5mm～1mm左右。当将来自白色光源的白光导入到所述导光路中时，根据与光纤相同的全反射原理光在导光路中恰好充满，并且可以制成不漏到外部的状态。这时使在上述那样的阶梯状的透明弹性体的各阶梯面群上构成只透过红、青的滤色器的透明体把阶梯面向下地配置在导光路上。所述滤波器可以用与上述的着色的面的情况相同的工序制成。所述检测器系统通过导光路与接触对象接触。在不接触时，阶梯面也不与导光路接触。摄像机图像仍是暗的。然而当因与接触对象的接触而导光路与阶梯面的顶点开始接触时，正在充满在导光路内的光通过阶梯面的滤色器作为着色的光被摄像。

图21示出所述状态。阶梯面与导光路的状态随着作用在导光路表面上的矢量分布的方向而变化，在垂直的力施加的场合(图21的右侧)，因为阶梯的顶点左右对称地变形，所以得到红和青同等程度混合的图像。这时图像的辉度表示垂直阻力。而在正在施加靠近水平的力时，阶梯沿横向变形，在导光路与阶梯面的各面的接触时产生非对称性，所述非对称性即红和青的比表示水平方向的力。

这样在把各颜色通道的辉度的差与和变成为传感对象这点上是与上述的相同的，但与上述的相比有以下二个优点。第一是与垂直方向的力对应的灵敏度特别高，第二个优点是，因为上述的方式从开始的非接触状态得到具有某种明亮度的图像，所以作为到摄像元件饱和的传感器的动态范围(机器可能处理的最大信号与最小信号的比)窄，因为这与触觉传感器的精度的下降相连系的作用相对应，图像在不接触的初始状态下非常暗，所以具有摄像机象素本身可以充分使用具有的动态范围这个优点。

[第五实施方式]

下面说明第五实施方式。按照所述实施方式，不制成立体的标记，在透明弹性体的表面上印刷标记，通过使这些标记正确重合后粘接构成。在图9中示出二层重合的标记，但层数不限于二层，可以为任何数目的层。

传感器通过层叠规定厚度的立方体状的单位弹性体10构成。在图示的传感器中，具有能使物体从下方接触而从上方用摄像机摄像的构成，并具有能使物体接触在下层的单位弹性体10的下面上的构成。在下层的单位弹性体10的上面上设置多个真正圆形的平面标记200，在图示的传感器中，将圆形标记200从圆心三等分成三个扇形部200A、200B和200C，彼此涂成不同的颜色，在实施方式的传感器中通过涂成红、绿和青色区分。标记的形状不限于圆形，并且也不限于涂三色区分，也可以用二色或四色以上。另外，平面标记的直径作为一个例子是1mm～2mm左右。

在上层的单位弹性体10的上面上设置与圆形标记20同尺寸和同形状的黑色隐蔽标记6，在从摄像机(从上方)看时，隐蔽标记6与圆形标记6几乎完全重合，使上下的单位弹性体10层叠密着。

平常，下层的有色标记20因被上层的隐蔽标记6遮蔽而看不到，当发生剪切变形时，隐蔽标记6与有色标记20的位置错开，以着色的方式构成。在图示的传感器中，用RGB三色涂敷标记，根据产生的颜色可以知道变形的方向。

本发明可以广泛适用在触角传感器上，作为优选的例子是用在机械手用的触觉传感器上。

Claims (32)

1.一种光学式触觉传感器，是一种包括触觉部和摄像手段的光学式触觉式检测器，其特征在于：所述触觉部由透明弹性体和设置在所述弹性体内的多个标记群构成，各标记群由各自的有色标记构成，构成不同的标记群的标记的每群的颜色与其它群不同，所述触觉部具有能用所述摄影手段对在物体接触在所述弹性体上时的所述有色标记的动作进行摄影的构成。

2.如权利要求1所述的光学式触觉传感器，其特征在于：上述标记的动作包含标记的位移、变形和倾斜中的至少一种以上。

3.如权利要求1或2所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述标记群具有不同的空间排列。

4.如权利要求3所述的光学式触觉传感器，其特征在于：多个标记群在所述弹性体内配设成层叠状。

5.如权利要求3所述的光学式触觉传感器，其特征在于：多个标记群在弹性体内互相交叉地配设。

6.如权利要求4所述的光学式触觉传感器，其特征在于：构成所述标记群的标记是球状的微小片，构成各层的标记群的球状标记的颜色互相不同。

7.如权利要求6所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述摄像手段对着所述触觉部配设在与物体所接触的面的相反侧，各层在所述透明体中边从物体所接触的面离开边层叠，构成各标记群的球状标记的分布密度随着从所述面离开逐渐变低。

8.如权利要求4所述的光学式触觉传感器，其特征在于：构成所述标记群的标记是具有微小断面的微细圆筒体或微细圆柱体，通过使多个微细标记互相平行地配设形成标记群，构成各层的标记群的微细标记的颜色互相不同。

9.如权利要求8所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述微细标记沿观测方向延伸。

10.如权利要求7所述的光学式触觉传感器，其特征在于：构成所述标记群的所述标记是薄壁带状，通过使多个带片标记配设成互相平行状构成标记群，构成各标记群的带片标记的颜色互相不同。

11.如权利要求10所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述标记群是埋设在所述弹性体内的二个标记群。

12.如权利要求11所述的光学式触觉传感器，其特征在于：构成各标记群的带片标记互相正交。

13.如权利要求10、11或12所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述带片标记的面部沿观测方向延伸。

14.如权利要求13所述的光学式触觉传感器，其特征在于：在所述带片标记的多个面部上提供彼此不同的颜色。

15.如权利要求10、11或12所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述带片标记的面部相对观测方向延伸成倾斜状。

16.如权利要求3所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述触觉部具有相对观测方向对置配设的多个平面标记，所述平面标记平时被隐蔽标记隐蔽，所述平面标记被划分成多个部位，在各分区上着上各自不同的颜色，具有在各平面标记中的同色的分区构成上述标记群。

17.如权利要求16所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述平面标记和所述隐蔽标记具有互相存在间隔地配置在所述透明弹性体内并且在力不作用在所述透明弹性体上的状态因所述平面标记被隐蔽而观测不到的构成。

18.如权利要求3所述的光学式触觉传感器，其特征在于：各标记群由向同一方向延伸出的多个面群构成，所述面的延伸出方向和颜色随每个标记群而不同。

19.如权利要求18所述的光学式触觉传感器，其特征在于：构成各标记群的面群的面互相存在间隔地配设，在构成某标记群的面群的面之间配设构成另一标记群的面群的面。

20.如权利要求19所述的光学式触觉传感器，其特征在于：各面的端缘互相邻接。

21.如权利要求18、19或20所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述触觉部具有两个标记群。

22.如权利要求21所述的光学式触觉传感器，其特征在于：各标记群的面群具有相对接触面向互相不同方向延伸出的倾斜面，并且向观测方向看时，所有的面互相平行地延伸出。

23.如权利要求18、19或20所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述触觉部具有三个标记群。

24.如权利要求18、19、20、21、22或23所述的光学式触觉传感器，其特征在于：构成各标记群的各面的端缘通过邻接构成阶梯面，并且由只通过各自颜色的滤色器构成，所述阶梯面具有能通过导光路膜与物体接触地构成，在与所述物体非接触时，所述阶梯面与所述导光路膜不接触，在与物体接触时所述阶梯面与所述导光路膜开始接触，在所述光路内充满的白色光通过所述阶梯面的滤色器变成带色的光被摄像。

25.如权利要求1所述的光学式触觉传感器，其特征在于：还包括光源。

26.如权利要求1所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述摄像手段定位配设在与所述透明弹性体的物体所接触的一侧的相反侧上。

27.如权利要求1所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述标记由弹性构件形成。

28.如权利要求1所述的光学式触觉传感器，其特征在于：所述弹性体的部分构成所述有色标记。

29.一种光学式触觉传感器用的触觉部，其特征在于：由透明弹性体和设置在所述弹性体内的多个标记群构成，各标记群由各自不同的有色标记构成，构成不同的标记群的标记的每群的颜色互相不同。

30.如权利要求29所述的光学式触觉传感器用触觉部，其特征在于：所述标记群具有互相不同的空间排列。

31.一种传感方法，是利用触觉部和摄像手段的光学式触觉传感器传感的方法，其特征在于：所述触觉部由透明弹性体和设置在所述弹性体内的多个标记群构成，各标记群由各自的有色标记构成，构成不同的标记群的标记的颜色互相不同，用所述摄像手段对在所述物体与所述弹性体接触时的所述有色标记摄影后进行图像处理，并观测所述标记的位移、变形和倾斜中的至少一个以上，从而得到多个自由度的触觉信息。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于：在存在具有互相不同颜色的多个有色标记的场合下，通过只选择某个有色标记进行个别捕捉。

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