JP3634194B2 - 摩擦係数測定方法、最大横ずれ力測定方法及びそれらの測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、接触瞬間に摩擦係数又は最大横ずれ力を検出する、摩擦係数測定方法、最大横ずれ力測定方法及びそれらの測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
人間が指で物体を持ち上げるとき、摩擦係数が未知であっても最小把持力より僅かに大きい把持力しか用いないことが知られている[(1)R.S.Johansson and G.Westling,“Roles of Glabrous Skin Receptors and Sensorimotor Memory in Automatic Control of Precision Grip when Lifting Rougher or More Slippery Objects,”Exp.Brain Res.,56,pp.550−564,1984.]。その力の大きさは、表面の摩擦係数が1以下のとき、その摩擦係数によらず最小把持力の数割増程度以内である。
【0003】
このような把持をロボットに行わせるためにロボットの指を実際に滑らせて摩擦係数を知覚したり、滑りはじめの振動を検出したりする方法[(2)M.R.Tremblay and M.R.Cutkosky,”Estimating Friction Using Incipient Slip Sensing During a Manipulation Task,”Proc.ICRA,pp.429−434,1993.]がこれまで提案されていたが、それを実行するためには把持動作以上に高度な制御がロボットハンドに要求されるものであった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、安定した摩擦係数の検出をロボットハンドで実行するためには、把持動作以上に高度な制御がロボットハンドに要求される。
【0005】
本発明は、これらの問題を解決するためのもので、これまでの触覚センサでは注目されていなかった対象物の表面に沿った方向の応力と歪みの成分を測定することにより、触覚センサを対象物に押し当てた瞬間に、その対象物の表面に沿った方向の応力と歪みの成分を観測することにより、その摩擦係数又は最大横ずれ力を安定に検出することができる摩擦係数測定方法、最大横ずれ力測定方法及びそれらの測定装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕摩擦係数測定方法において、対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと、前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stのデータの出力を、直方体の空洞と、この直方体の空洞に連通する通路と、この通路に接続される超音波の送信子と受信子から得る触覚センサを、前記対象物に押し付け、前記対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stに関するデータを前記触覚センサより出力し、前記StとSnと摩擦係数μとの関係から摩擦係数μを得るようにしたものである。
【0007】
〔2〕最大横ずれ力測定方法において、対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと、前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stのデータの出力を、直方体の空洞と、この直方体の空洞に連通する通路と、この通路に接続される超音波の送信子と受信子から得る触覚センサを、前記対象物に押し付け、前記対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stに関するデータを前記触覚センサより出力し、前記Stと前記Snとに基づいて前記対象物の最大横ずれ力を得るようにしたものである。
【0008】
〔3〕摩擦係数測定装置において、対象物に押し付けられる、この対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと、前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stのデータの出力を、直方体の空洞と、この直方体の空洞に連通する通路と、この通路に接続される超音波の送信子と受信子から得る触覚センサと、この触覚センサにより前記対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snを求める手段と、この触覚センサにより前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stを求める手段と、前記StとSnと摩擦係数μとの関係から摩擦係数μを求める手段とを具備するようにしたものである。
【0009】
〔4〕最大横ずれ力測定装置において、対象物に押し付けられる、この対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと、前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stのデータの出力を、直方体の空洞と、この直方体の空洞に連通する通路と、この通路に接続される超音波の送信子と受信子から得る触覚センサと、この触覚センサにより前記対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snを求める手段と、この触覚センサにより前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stを求める手段と、前記Stと前記Snとに基づいて前記対象物の最大横ずれ力を得るようにしたものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。
【0011】
図1は本発明の実施例を示す摩擦係数測定及び最大横ずれ力測定システムの模式図、図2はそのシステムの位相比較器の構成を示す図である。
【0012】
図1において、1は対象物、2は触覚センサ、3は触覚センサ2のセンシング部、4はそのセンシング部3に設けられる直方体空洞(共鳴空洞)、5は触覚センサ基部、6は超音波振動子からなる超音波の送信子、7は超音波振動子からなる超音波の受信子、8は通路(パス:トンネル)、10は共鳴周波数検出処理装置であり、この共鳴周波数検出処理装置10は、信号発生装置(DDS)11、位相比較器12、コンピュータ(プロセッサ)13から構成されている。
【0013】
以下、上記した触覚センサの原理について説明する。
【0014】
図3は本発明の対象物の接触表面における垂直応力分布Tn(x)及びせん断応力の分布Ts(x)の説明図であり、図3(a)はその対象物への触覚センサ2の接触状態を示す模式図、図3(b)はその垂直応力分布Tn(x)及びせん断応力の分布Ts(x)を示す図である。
【0015】
これらの図に示すように対象物(物体)1が触覚センサ2に垂直に押し当てられたものとする。Hertz接触を仮定してよいのであれば、垂直応力分布Tn(x)の関数形状は、図3(b)に示すように半楕円状になる。もし、物体1の表面の摩擦形状がゼロであれば、触覚センサ2が両側へ押し広げられる傾向が生じ、接触にずれが生じる。
【0016】
一方、摩擦係数が十分大きく、滑りがどこにも生じなければ、その時のせん断応力の分布Ts(x)は、図3(b)に示すように中心からの距離に対して単調増加することが知られている。
【0017】
ここで、思考実験として摩擦が∞から有限値μに突然変化したとすると、Ts(x)<μTn(x)となる領域wはそのままで、その外側では滑りが生じるはずである。そして、この領域wの大きさは表面の摩擦係数に依存することになり、このwの大きさは、直下の弾性体内部での水平方向歪みや応力に強く影響する。
【0018】
図4は本発明の接触中央部における横方向応力及び歪み(tangential stress and strain)のFEM結果を示す図であり、図4(a)はFEMにおいて設定した弾性体と、弾性体表面に仮定した(接触力による)垂直応力の模式図、図4(b)は図4(a)のように弾性体を設定して剛体との接触を与えたときの応力と歪みをより厳密な条件で有限要素法により求め、接触中心深さ0.7mmにおける水平方向歪みStと応力Ttを対象面のμに対してプロットしたものである。なお、図4(a)に付されている寸法の単位はmmである。
【0019】
これらの図から明らかなように、μが1以下の場合には摩擦係数によって大きく値が変化することが分かる。
【0020】
従って、触覚センサを対象物に押し当てたときの垂直応力と水平方向歪みの比
St/Tn
を観測すれば、1以下のμについてはそれを推定できることが分かる。なお水平方向歪みSt の観測点が接触中心である場合、物体の横方向荷重は水平方向歪みStに影響しない。
【0021】
次に、本発明の触覚センサの具体的な動作について図1〜図4を参照しながら説明する。
【0022】
検出子は直方体空洞(共鳴空洞)4と超音波の送信子6・受信子7、およびそれらと直方体空洞4をつなぐ通路8(パス:トンネル)から構成される。
【0023】
超音波の送信子6から音波を発生すると、一般に通路8と直方体空洞4の接続部において反射が生じ、受信子7で観測される音圧は小さいが、直方体空洞4内に定在波が生じる周波数(共鳴周波数)に限り、強い音圧が観測される。
【0024】
一方、直方体空洞4の一辺の長さをそれぞれaおよびb(a>b)とすると、共鳴が生じるのは空気の音波長の半分がaあるいはbと等しくなるときである。
【0025】
したがって、aとbの長さが異なるように直方体空洞4を作製し、それぞれの辺の長さに対応する共鳴周波数、ω1 ,ω2 を観測していれば、その周波数の変化から
St =Δa/a=−Δω1 /ω1
Sn=Δb/b=−Δω2 /ω2
のように直方体空洞4の縦、および横変形率が求められる。
【0026】
共鳴周波数は、電子回路により10ms程度の観測時間で検出され、その後の演算はコンピュータ13で行われる。共鳴周波数の取得方法は次のようである。
【0027】
コンピュータ(プロセッサ)13は信号発生装置(IC回路)11により正弦波信号を発生する。発生信号を共鳴周波数付近でスイープし、音圧振幅が極大となる周波数をサーチし、それを共鳴周波数とする。ただし、実施例においては、共振周波数において観測音波の位相が特定の値をとり、かつそれが周波数に対して敏感に変化することを利用し、振幅ではなく位相比較器12により位相から共鳴周波数を求めている。
【0028】
ここで、位相比較器12の構成と共鳴周波数検出の原理について説明すると、図2に示すように、位相比較器12は、位相シフタ12Aと、乗算器12B、ローパスフィルタ(LPF)12Cからなり、もとの正弦波信号の位相を一定値だけシフトさせる回路である。出力は2つの入力信号Si1 ,Si2 を乗算した信号の低周波数成分だけを取り出したもので、乗算される信号の位相差が丁度90°の時は出力はゼロ、それ以下では正、それ以上では負の値が出力されることになる。したがって、共鳴周波数において、超音波送信子6の駆動波形の位相と受信波形の位相が丁度90°になるように位相シフタ12Aを調整しておけば、位相比較器12の出力が正であるか、負であるかによって、現在の周波数が共振周波数より高いのか、低いのかがわかることになる。このことから、受信信号が一定以上の振幅をもち、かつ位相比較器12の出力が常にゼロになるように周波数をコントロールしてやれば、その周波数は常に共鳴周波数と等しいことになる。これが共鳴周波数検出の原理である。
【0029】
そして、St ,Snはコンピュータ13に取り込まれ、そこから各瞬間ごとの(静止)摩擦係数が計算される。
【0030】
以下、摩擦係数測定方法及び最大横ずれ力測定方法について詳細に説明する。
【0031】
図5は本発明の実施例を示す摩擦係数測定フローチャート、図6はそこで用いる対応表1を示す図である。
【0032】
ここで、本発明の摩擦係数測定の手順を示す。この方法は、(a)摩擦係数が接触圧に依存しない。(b)対応表1が接触圧に依存しない。という2点を仮定した簡単な方法である。
【0033】
(1)まず、上記した対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stを検出する(ステップS1)。
【0034】
(2)次に、実験的に得られたSt/Snと摩擦係数μとの図6に示される対応表1から摩擦係数μを求める。ここでは、線形補間によって計算する(ステップS2)。なお、上記摩擦係数μは、必ずしも上記した対応表1によらなくても、それに対応する関係式によって求めるようにしてもよい。
【0035】
なお、その場合の接触力Fnは、Fn=ASn(ただし、Aは定数)であるから、耐えられる横ずれ力の最大値は、Fmax=μASnである。また、FmaxをASnで割れば、「その把持力における(静止)摩擦係数」になる。
【0036】
因みに、「(静止)摩擦係数」は、横方向の力の最大値を垂直方向の力で割ったものであり、粗い金属表面同志などでは一定値になることが知られているが、ゴム状材料の場合には、一般に垂直力に依存する。
【0037】
図7は本発明の実施例を示す最大横ずれ力測定フローチャート、図8はそこで用いる対応表2を示す図である。
【0038】
ここでは、本発明の最大横ずれ力測定の手順を示す。この方法は、摩擦係数が把持力に依存することを前提とした、より精度の高い方法である。
【0039】
(1)まず、上記した対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stを検出する(ステップS11)。
【0040】
(2)次に、その瞬間の状態(把持力)において耐えられる横ずれ力の最大値Fmaxを、予め実験によって得られている図8に示す対応表2から算出する(ステップS12)。なお、上記滑りが生じない横ずれ力の最大値Fmaxは、必ずしも上記した対応表2によらなくても、それに対応する近似関係式によって求めるようにしてもよい。
【0041】
以下、本発明の実験結果について説明する。
【0042】
摩擦係数の異なる2種類の対象物を用意し、本願発明者等によって提案された図9に示すような、音響共鳴型テンソルセル(ARTC)を用いた実験センサに対象物を接触させて、空洞の変形を観測した。
【0043】
この実験センサは、例えば、高さL1 (14mm)のシリコンラバー20の表面よりL2 (5mm)の深さに直方体空洞(共鳴空洞)21が形成され、そのシリコンラバー20の底部にはその実験センサ基部22を具備している。そして、図1により説明したように、直方体空洞21に連通される通路25と、その通路25に接続される超音波の送信子・受信子24と、そこから得られるデータを取り込む共鳴周波数検出処理装置26が設けられる。その実験センサの表面に対象物23が押し付けられるようになっている。
【0044】
このようにして、直方体空洞21の各軸方向の伸び率が測定可能である。
【0045】
1つの対象面は清浄なアクリルであり、その摩擦係数は実験で与えた接触力の範囲では1.7から4.7であった。もう一方は粉末を塗布して滑り易くした場合で、その摩擦係数の実測値は0.2程度であった。
【0046】
図10は図9の装置による二つのサンプルの摩擦係数特性図である。
【0047】
上記の説明では対象物の表面に丸い触覚センサの接触を仮定していたが、ここでは平面の接触について実験を行った。
【0048】
図11は本発明の押し当て力を増加させていったときに観測された空洞共鳴の変形率を示す図である。
【0049】
共鳴空洞の横方向の伸び率(tangential strain)と、各3軸方向の伸び率の和(isometric strain)を同時にプロットした。
【0050】
変形の等方成分は対象の摩擦係数には依存しない。しかし横方向伸び率のみを拡大表示した図12を見ると、明らかな違いが見られることが分かる。この結果から物体を把持した際の空洞変形の横成分と等方成分との両方を観測していれば、そこから瞬時に摩擦係数を推定可能であると期待できる。
【0051】
また、上記したことから明らかなように、最大横ずれ力を検出することができる。
【0052】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0053】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、対象物の表面に沿った方向の応力と歪みの成分を観測することにより、触覚センサを対象物に押し当てた瞬間に、その摩擦係数を安定に検出することができる。
【0054】
また、より基本的な計測量である「最大の横ずれ力」を安定に検出することができ、それに基づいて一般的な材料の性質を解析することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す摩擦係数測定及び最大横ずれ力測定システムの模式図である。
【図2】本発明の実施例を示す摩擦係数測定及び最大横ずれ力測定システムの位相比較器の構成を示す図である。
【図3】本発明の対象物の接触表面における垂直応力分布Tn(x)及びせん断応力の分布Ts(x)の説明図である。
【図4】本発明の接触中央部における横方向応力及び歪みのFEM結果を示す図である。
【図5】本発明の実施例を示す摩擦係数測定フローチャートである。
【図6】本発明の実施例を示す摩擦係数測定で用いる対応表1を示す図である。
【図7】本発明の実施例を示す最大横ずれ力測定フローチャートである。
【図8】本発明の実施例を示す最大横ずれ力測定で用いる対応表2を示す図である。
【図9】音響共鳴型テンソルセル(ARTC)を用いた実験センサに対象物を接触させて、空洞の変形を観測する装置を示す図である。
【図10】図9の装置による二つのサンプルの摩擦係数特性図である。
【図11】本発明の押し当て力を増加させていったときに観測された空洞共鳴の変形率を示す図である。
【図12】本発明の空洞共鳴の横方向の歪み(あるいは変形率)を示す図である。
【符号の説明】
1,23 対象物(物体)
2 触覚センサ
3 触覚センサのセンシング部
4,21 直方体空洞(共鳴空洞)
5 触覚センサ基部
6 超音波振動子からなる超音波の送信子
7 超音波振動子からなる超音波の受信子
8,25 通路(パス:トンネル)
10,26 共鳴周波数検出処理装置
11 信号発生装置(DDS)
12 位相比較器
12A 位相シフタ
12B 乗算器
12C ローパスフィルタ(LPF)
13 コンピュータ(プロセッサ)
20 シリコンラバー
22 実験センサ基部
24 送信子・受信子
Claims (4)
- (a)対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと、前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stのデータの出力を、直方体の空洞と、該直方体の空洞に連通する通路と、該通路に接続される超音波の送信子と受信子から得る触覚センサを、前記対象物に押し付け、
(b)前記対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stに関するデータを前記触覚センサより出力し、
(c)前記StとSnと摩擦係数μとの関係から摩擦係数μを得ることを特徴とする摩擦係数測定方法。 - (a)対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと、前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stのデータの出力を、直方体の空洞と、該直方体の空洞に連通する通路と、該通路に接続される超音波の送信子と受信子から得る触覚センサを、前記対象物に押し付け、
(b)前記対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stに関するデータを前記触覚センサより出力し、
(c)前記Stと前記Snとに基づいて前記対象物の最大横ずれ力を得ることを特徴とする最大横ずれ力測定方法。 - (a)対象物に押し付けられる、該対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと、前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stのデータの出力を、直方体の空洞と、該直方体の空洞に連通する通路と、該通路に接続される超音波の送信子と受信子から得る触覚センサと、
(b)該触覚センサにより前記対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snを求める手段と、
(c)該触覚センサにより前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stを求める手段と、
(d)前記StとSnと摩擦係数μとの関係から摩擦係数μを求める手段とを具備することを特徴とする摩擦係数測定装置。 - (a)対象物に押し付けられる、該対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snと、前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stのデータの出力を、直方体の空洞と、該直方体の空洞に連通する通路と、該通路に接続される超音波の送信子と受信子から得る触覚センサと、
(b)該触覚センサにより前記対象物の表面に対して垂直な方向の変形率Snを求める手段と、
(c)該触覚センサにより前記対象物の表面に対して平行な方向の変形率Stを求める手段と、
(d)前記Stと前記Snとに基づいて前記対象物の最大横ずれ力を得ることを特徴とする最大横ずれ力測定装置。
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