【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面硬さと表面粗さの両方を一度の操作で測定する触覚センサとそれを用いた表面形態計測システム並びに表面形態計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ロボットハンド分野や医療分野などで用いられている表面状態を検出する触覚センサは圧電素子の特性を利用したものが多い。近年、人間との共存を想定したロボットの実用化や医療技術の更なる進歩に伴い、より人間の感覚に近い触覚センサの必要性が高まってきている。
【０００３】ロボットハンドに応用可能な触覚センサとして、例えば、特開２００２−３１５７４号公報（以下、イ号公報という。）には、「触覚センサ」として「圧電素子と一定の周波数で発振する振動子とが絶縁部材を介した積層構造で一体的に接合され、前記圧電素子の両端の電極に出力信号を取り出す手段が設けられていることを特徴とする触覚センサ」が開示されている。
【０００４】以下、図１０を参照し、イ号公報を引用しながら開示された技術について説明する。
図１０において、触覚センサ２６は、一定の周波数で発振する振動子２７と、その両面の電極２７ａ，２７ｂと、圧覚及びすべり覚などの触覚を検出するための圧電素子２８と、その両面の電極２８ａ，２８ｂとが絶縁シート２９を介して積層された構造となっている。また、電極２８ｂには圧電素子２８及び電極２８ｂを保護するための保護シート３０が設けられており、電極２７ａ側にはロボットハンド等に取付けるためのセンサ取付板３１が設置されている。
【０００５】このような構成の触覚センサ２６は、図示しないが、一定の周波数で発振する発振回路が電極２７ａ，２７ｂに接続され、電極２８ａ，２８ｂは増幅回路、スイッチ回路及びノイズカットフィルタを介して発振回路の発振周波数のみの信号を通過させるバンドパスフィルタに接続されている。さらに、バンドパスフィルタからは、圧覚を検出するための波動整形回路とすべり覚を検出するための差動アンプが分岐した形で接続された回路構成によって圧覚とすべり覚を同時に検出することができる。
【０００６】触覚センサ２６を被測定物に対して垂直方向に押し当てた状態で水平方向になぞりながら移動すると、振動子２７の振動が押圧に応じて圧電素子２８に伝達された圧覚の信号波形と、表面状態に応じて変化するすべり覚の信号波形との合成波形が得られる。この合成波形はバンドパスフィルタにより発振回路で発振した周波数の信号のみを通過させることによって圧覚検出用の信号波形を分離することができ、さらに、分離された圧覚検出用の信号波形を合成波形から差動アンプを用いて引算するとすべり覚検出用の信号波形が得られる。圧覚の強弱については信号レベルの大小を参照することで判断できるようにしている。
【０００７】また、生体などの硬さを測定する触覚センサ等として、特開平１０−２３４６７９号公報（以下、ロ号公報という。）には、「触覚センサ」として、「振動子と、この振動子を含む機械的振動部の振動特性を測定する機械的振動測定手段とを有し、前記機械的振動部を被測定物に接触させたときに生じる前期機械的振動部の共振状態を検出することで、前記被測定物の硬さを測定する触覚センサにおいて、前記機械的振動部に関連して設置され、前記機械的振動部に負荷を与えるための加圧体と、この加圧体の機械的インピーダンスを制御する制御手段と、を具備したことを特徴とする触覚センサ」が開示されている。
このロ号公報に開示された発明では、センサ側の機械的インピーダンスを変化させて振動特性を変化させることにより、生体のような柔らかい組織の硬さを比較する場合に良好な分解能を有する触覚センサを提供することができる。
【０００８】さらに、特開平１１−２８１５５５号公報（以下、ハ号公報という。）には、「触覚センサプローブ」として、「圧電体と、この圧電体を挟んで設けられ、該圧電体に電圧を印加する一対の電極と、この一対の電極に電圧を供給する発振回路とを有する触覚センサプローブであって、前記一対の電極のうち少なくとも一方は前記圧電体上に形成された薄膜状の電極であるとともに、前記薄膜状の電極を介して前記圧電体が被検体に接触可能に構成されていることを特徴とする触覚センサプローブ」が開示されている。
このハ号公報に開示された発明では、圧電体の機械的、電気的特性を維持した状態で安定に且つ感度よく生体等の被検体の持つ硬さ柔らかさを表す機械的インピーダンス特性情報を得ることができる。
【０００９】そして、特開平１１−１３２９２８号公報（以下、ニ号公報という。）には、「触覚センサプローブ」として、「測定対象物の硬さを測定する触覚センサを有する触覚センサプローブにおいて、前記触覚センサに接合された弾性部材と、前記弾性部材に接して設けられた圧電素子とを有し、前記圧電素子によって前記触覚センサに加わる圧力を検出するとともに、前記圧電素子によって前記触覚センサに加わる圧力を打ち消す方向に前記触覚センサに加わる力と同一の大きさの力を発生させることを特徴とする触覚センサプローブ」が開示されている。
このニ号公報に開示された発明では、接触圧の影響を受けずに対象物の硬さを検出でき、またこの手段に関する構造が単純かつ制御が簡単な触覚センサプローブを提供することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術においては、まず、イ号公報に記載の従来技術においては、確かに発振回路を伴った振動子を圧電素子に接合した触覚センサを用いて、被測定物との接触による信号情報を分離することで圧覚とすべり覚に関する情報を同時に得ることができるが、発振回路等を設けているので装置の構造が複雑になるという課題があった。
また、圧覚についてはこの強弱を信号レベルの大小を参照することで判断できるが、具体的な定量化の手段に関する思想は開示されていない。一方、すべり覚の評価方法については明細書に記載されていないので詳細は不明であるが、信号パターンから判断するものと考えられ、すべり覚の定量化についての思想も開示されていない。
一方、ロ号公報、ハ号公報及びニ号公報に記載の従来技術においては、測定対象物の硬さ或いは柔らかさを測定するものであり、表面の粗さに関する情報を同時に得ることができないという課題があった。
【００１１】本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、構造が簡単で、人間の指のように対象物を撫でることにより対象物の表面硬さと表面粗さを同時に精度良く計測、定量評価することができる触覚センサとそれを用いた表面形態計測システム並びに表面形態計測方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である触覚センサは、ポリマー圧電体フィルムと、このポリマー圧電体フィルムから延設される第１の電気信号線と、ポリマー圧電体フィルムに加えてこのポリマー圧電体フィルムと第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材と、この弾性部材を固定する基板と、この基板の一部に設置される歪ゲージと、この歪ゲージから延設される第２の電気信号線とを有するものである。
【００１３】上記構成の触覚センサにおいては、対象物の被測定面をなぞる際にポリマー圧電体フィルムに生じる圧力変動を電気信号として第１の電気信号線から取り出し、また、同時に対象物の被測定面をなぞる際に生じる接触圧を歪ゲージから電気信号として第２の電気信号線から取り出すという作用を有する。
また、非導電性の弾性部材による被覆は、弾性を保ちながら触覚センサの形状を変化させて衝撃を和らげてポリマー圧電体フィルムを保護する作用を有する。
【００１４】また、請求項２記載の発明である触覚センサは、ポリマー圧電体フィルムと、このポリマー圧電体フィルムに接続される導電性繊維と、この導電性繊維から延設される第１の電気信号線と、ポリマー圧電体フィルムや導電性繊維、さらには導電性繊維と第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材と、この弾性部材を固定する基板と、この基板の一部に設置される歪ゲージと、この歪ゲージから延設される第２の電気信号線とを有するものである。
【００１５】上記構成の触覚センサにおいては、請求項１に記載の発明の作用に加えて、導電性繊維によってポリマー圧電体フィルムに加わる歪を低減する作用を有する。
【００１６】請求項３記載の発明である触覚センサを用いた表面形態計測システムは、ポリマー圧電体フィルムと、このポリマー圧電体フィルムから延設される第１の電気信号線と、ポリマー圧電体フィルムと第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材と、この弾性部材を固定する基板と、この基板の一部に設置される歪ゲージと、この歪ゲージから延設される第２の電気信号線とを有する触覚センサを備え、第１の電気信号線及び第２の電気信号線に接続されこの第２の電気信号線から得られる歪ゲージ信号に基づいて第１の電気信号線から得られる圧電体センサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分する信号分離部と、この信号分離部に接続され第１信号部に基づいて表面硬さを演算する第１の演算部と、信号分離部に接続され第２信号部に基づいて表面粗さを演算する第２の演算部とを有するものである。
【００１７】上記構成の触覚センサを用いた表面形態計測システムにおいては、信号分離部は触覚センサから得られる歪ゲージ信号に基づいて、時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分して、第１の演算部は第１信号部からそして第２の演算部は第２信号部からというように表面硬さと表面粗さは同じ信号の別々の部分から演算する作用を有する。
【００１８】請求項４記載の発明である表面形態計測方法は、ポリマー圧電体フィルムと歪ゲージを備える触覚センサを被測定物に接触させる工程と、ポリマー圧電体フィルムから圧電体センサ信号を計測するとともに歪ゲージから歪ゲージ信号を計測する工程と、歪ゲージ信号に基づいて圧電体センサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分する工程と、第１信号部を用いて表面硬さの演算を行う工程と、第２信号部を用いて表面粗さを演算する工程とを有するものである。
【００１９】上記構成の表面形態計測方法においては、触覚センサを被測定物に接触させてポリマー圧電体フィルムから圧電体センサ信号と歪ゲージから歪ゲージ信号を同時に計測し、この歪ゲージ信号に基づいて圧電体センサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に容易に区分し、第１信号部に基づいて表面硬さを演算し、第２信号部に基づいて表面粗さを演算する作用を有する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る触覚センサの実施の形態を図１及び図２に基づき説明する。（請求項１及び請求項２に対応）
図１は本実施の形態に係る触覚センサの概念図である。図１において、触覚センサ１は、対象物の被測定面をなぞる際に生じる圧力変動を感知するポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）センサ２と接触圧を感知する歪ゲージ３が基板４に固定されている。また、図示していないが、ＰＶＤＦセンサ２と歪ゲージ３には各々で発生する出力信号を取り出すためのリード線が各々に接続されている。
【００２１】ＰＶＤＦセンサ２は人間の指頭の形状を想定してシリコンゴムで覆われているが、このシリコンゴムを用いることによってＰＶＤＦセンサ２を人間の皮膚の感触に近づけることができると同時に、液体シリコンゴムの鋳造によって種々の形状に型取ることができるため様々な形状のセンサに対応できる。さらに、シリコンゴムは非導電性であるので、電源ノイズや生体の電気ノイズを低減する効果がある。なお、シリコンゴム以外にも非導電性の弾性部材を用いてもよい。
本実施の形態においては、ＰＶＤＦセンサ２の表面を市販のガーゼで覆うと、人間の指紋を模擬することにもなり、かつ、ＰＶＤＦセンサ２を保護するため効果的である。
【００２２】次に、図２を用いてＰＶＤＦセンサ２の内部構造について説明する。図２は本実施の形態に係る触覚センサのＰＶＤＦセンサの内部を示す外形図である。図２において触覚受感器５は、ＰＶＤＦフィルム６に導電性繊維７を接着し、銅シール８を介してリード線９を取付けている。また、導電性繊維７及び銅シール８とＰＶＤＦフィルム６との間には絶縁シート１０が設けられている。なお、触覚受感器５の片面についてのみ説明したが、図示していない裏面についても同様の構造を有している。
このように触覚受感器５では、ＰＶＤＦフィルム６とリード線９の間に導電性繊維７を設けることによって、リード線を直接接続した場合に比べてＰＶＤＦフィルム６の破損をより効果的に防ぐことができ、さらに、安定した信号を得ることが可能である。図２においては導電性繊維７を用いた例を示したが、導電性繊維７を設けることなく、ＰＶＤＦフィルム６の両面に銅シール８を貼りつけて電極としてそれぞれからリード線９を延設してもよい。
【００２３】また、触覚受感器５は所定の型に入れ、上述のシリコンゴムによって覆われるが、この埋め込みの際には、触覚受感器５をシリコンゴムの表面近傍に埋没することによってセンサの感度を向上させることができる。
このように構成された本実施の形態に係る触覚センサにおいては、歪ゲージ３が基板に固定されており、この歪ゲージの出力信号を参照しながらＰＶＤＦセンサの出力信号を処理することができるので、ＰＶＤＦセンサによる表面硬度と表面粗さの測定の精度を向上させることができる。
【００２４】続いて、図３及び図４を参照しながら本発明に係る表面形態計測システムの実施の形態について説明する。（請求項３に対応）
図３は本実施の形態に係る表面形態計測システムの概念図である。本実施の形態の表面形態計測システム１１は、ＰＶＤＦセンサ２と歪ゲージ３を有する触覚センサ１を備えており、ＰＶＤＦセンサ２はリード線２ａを介してＰＶＤＦセンサ信号入力部１３に接続され、歪ゲージ３はリード線３ａを介して歪ゲージ信号入力部１２に接続されている。歪ゲージ信号入力部１２とＰＶＤＦセンサ信号入力部１３はＰＶＤＦセンサ信号分離部１４に接続されて歪ゲージ信号とＰＶＤＦセンサ信号を送信する。ＰＶＤＦセンサ信号分離部１４には、表面硬さ演算部１５、表面粗さ演算部１６が接続され、さらにこれらに表示部１７が接続されている。
歪ゲージ信号入力部１２やＰＶＤＦセンサ信号入力部１３においては信号の０Ｖ調整や増幅度の調整などを行ったり、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換を行い、その後の信号処理のための調整を行う。
【００２５】ＰＶＤＦセンサ信号分離部１４では歪ゲージ３によって発生する歪ゲージ信号に基づいて、ＰＶＤＦセンサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分する。そして、この信号分離部で得られた第１信号部と第２信号部に関する情報は演算部へ送信され、表面硬さ演算部１５では第１信号部に基づいて表面硬さを演算し、表面粗さ演算部１６では第２信号部に基づいて表面粗さを演算することができる。このＰＶＤＦセンサ信号分離部１４における信号の区分の方法及び信号の定量評価の方法については、後に図５乃至８を参照しながら詳細に説明する。
また、表示部１７は、歪ゲージ信号入力部１２、ＰＶＤＦセンサ信号入力部１３、ＰＶＤＦセンサ信号分離部１４、表面硬さ演算部１５及び表面粗さ演算部１６で得られる信号情報や演算結果を表示することができる。
【００２６】図４は本実施の形態に係る表面形態計測システムの実施例である。図４において、触覚センサ１のＰＶＤＦセンサ２のリード線９はデジタルオシロスコープ１８に接続されている。一方、歪ゲージ３のリード線１９はブリッジボックス２０及びシグナルコンディショナー２１を介してデジタルオシロスコープ１８に接続されている。ブリッジボックス２０は、歪ゲージ３の抵抗変化を電圧信号に変換するものであり、シグナルコンディショナー２１は増幅用のアンプである。
デジタルオシロスコープ１８では、測定中のＰＶＤＦセンサ信号と歪ゲージ信号を観察及び記録することができる。また、信号の０Ｖ調整や増幅度の調整なども行うことができる。
デジタルオシロスコープ１８で記録したデータはＵＳＢケーブル２２を通してコンピュータ２３へ転送される。このコンピュータ２３では、歪ゲージ信号に基づいて、ＰＶＤＦセンサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分し、第１信号部に基づいて表面硬さを、第２信号部に基づいて表面粗さを演算し、その結果を表示することができる。デジタルオシロスコープ１８は、測定中のＰＶＤＦセンサ信号と歪ゲージ信号をよりわかりやすく観察したり、記録するためのものであるので、それぞれのセンサからＡ／Ｄ変換カードを用いてコンピュータに入力してもよい。
【００２７】ここで、図５乃至図８を用いて、本実施の形態に係る触覚センサを用いた表面形態計測システムによる表面形態の評価方法について詳しく説明する。
図５は本実施の形態に係る触覚センサを用いた表面形態計測システムを用いて御影石を計測した出力図であり、図６は同じくナイロンたわしを計測した出力図である。
図５（ａ）乃至（ｃ）は御影石のＰＶＤＦセンサ信号波形を示すチャート図であり、また、図６（ａ）乃至（ｃ）も同じくナイロンたわしのＰＶＤＦセンサ信号波形を表示するチャート図である。いずれの対象物のＰＶＤＦセンサ信号においてもある時間を境に出力パターンに相違が現れているが、この相違は触覚センサによる「押す」動作と「なぞる」動作の相違を反映している。そこで、接触圧をモニタする歪ゲージ信号の時間に対する変化を利用して「押す」動作を反映した部分と「なぞる」動作を反映した部分に区分する。
【００２８】歪ゲージ信号は、触覚センサが被測定物の表面に接触した瞬間から時間の経過とともに徐々に低下し、その後一定の値を示した後、また被測定物から離れるときに上昇する出力パターンを示す。従って、歪ゲージ信号が時間軸に対して最初に低下し始める時間を用いて、この時間より前の部分をＰＶＤＦセンサ信号の第１信号部２４、すなわち「押す」動作を反映した部分とし、後の部分をＰＶＤＦセンサ信号の第２信号部２５、すなわち「なぞる」動作を反映した部分とする。
この前半の「押す」動作の信号部と後半の「なぞる」動作の信号部の区分の方法としては、歪ゲージ信号の出力変化が５％となった時点を、図３ではＰＶＤＦセンサ信号分離部１４が、そして図４ではコンピュータ２３が検出する。その時点を境界として、ＰＶＤＦセンサ信号を区分している。このように歪ゲージの出力信号の絶対値に基づいてＰＶＤＦセンサ信号を区分してもよいし、歪ゲージ信号の微分値をＰＶＤＦセンサ信号分離部１４あるいはコンピュータ２３において算出しこの微分値が所定の値となる時間を読み取り、その時点を境界として区分してもよい。
【００２９】図５の（ｂ）は上述の方法で区分した御影石のＰＶＤＦセンサ信号の第１信号部であり、（ｃ）は同じく御影石のＰＶＤＦセンサ信号の第２信号部である。また、図６の（ｂ）は同じくナイロンたわしのＰＶＤＦセンサ信号の第１信号部であり、（ｃ）はナイロンたわしのＰＶＤＦセンサ信号の第２信号部である。
図５の御影石のＰＶＤＦセンサ出力を見ると、第１信号部の出力が大きく、第２信号部の出力が小さい。これは、御影石の硬度が高く、表面に触覚センサが接触する瞬間でセンサ出力が大きくなる一方、なぞる場合には、表面は滑らかで摩擦力が小さいため第２信号部のセンサ出力は小さくなることを示している。御影石とは逆に、ナイロンたわしはその逆の特性を備えているため、図６に示されるように第１信号部の出力が小さく第２信号部の出力が大きくなっている。
【００３０】このように図５及び図６を参照することによって、定性的にはＰＶＤＦセンサ出力の大小をある程度把握できる。さらに、本願明細書においては、このような定性的な評価を進めて、第１信号部及び第２信号部を用いて表面硬さ及び表面粗さを定量的に示す評価指数の演算方法について説明する。
ＰＶＤＦセンサ信号（Ｖ（ｎ））の「押す」動作を反映した第１信号部の極大値ｍ点の平均値を変数Ｆｐとして次式（１）で定義し、この変数Ｆｐを表面硬さの評価指数とする。
【数１】
また、同様に、ＰＶＤＦセンサ信号（Ｖ（ｎ））の「なぞる」動作を反映した第２信号部の絶対値Ｎ点の平均値を変数Ｍｓとして次式（２）で定義し、この変数Ｍｓを表面粗さの評価指数とする。また、第２信号部のデータは、第２信号部の始まりから０．５秒間を使用すると測定誤差などの影響の少ない結果を得ることができる。なお、この０．５秒間という第２信号部のデータ長さについては測定対象などを考慮しながら修正するとよい。
【数２】
【００３１】図７（ａ）は本実施に係る表面形態計測システムを用いて計測された表面硬さの評価指数Ｆｐの平均値であり、（ｂ）は同じく表面粗さＭｓの平均値である。但し、式（１）において極大値点の数ｍは５とし、また、式（２）においては、サンプリングレートが５ＫＨｚの条件で第２信号部の始まりから０．５秒間のデータを用いたので絶対値Ｎは２５００となった。極大値点の数ｍについては、本実施の形態においては５を選択したが、この５に限定するものではなく波形から極大値の数を参照しながら決定するとよい。また、サンプリングレートも５ＫＨｚに固定する必要はなく、測定対象などによって調整するとよい。
なお、図７（ａ）及び（ｂ）には、図５及び図６において示した御影石及びナイロンたわし以外にも測定を行った発泡スチロールとスポンジについての結果も併せて表示している。
図７（ａ）の表面硬さの評価指数Ｆｐの平均値は、スポンジ、ナイロンたわし、発泡スチロールそして御影石の順に大きくなっており定量的に評価されていることがわかる。一方、図７（ｂ）の表面粗さの評価指数Ｍｓの平均値は、御影石、スポンジ、ナイロンたわしそして発泡スチロールの順に大きくなっており、表面硬さの評価指数Ｆｐの平均値と同様に定量的に評価されていることがわかる。
【００３２】図８（ａ）は本実施例に係る表面形態計測システムを用いて対象物を５回測定し算出された表面硬さの評価指数Ｆｐの平均値とそれにおける標準偏差であり、（ｂ）は同じく表面粗さの評価指数Ｍｓの平均値とそれにおける標準偏差である。
表面硬さの評価指数Ｆｐでは、スポンジ、ナイロンたわし、発泡スチロールそして御影石の順に平均値は大きくなっており、また、表面硬さが小さい方が標準偏差は小さく再現性が優れている。一方、表面粗さの評価指数Ｍｓでは、御影石、スポンジ、ナイロンたわしそして発泡スチロールの順に平均値は大きくなっており、また、表面粗さが小さい方が標準偏差は小さく再現性が優れている。これらの測定において再現性を上げるには対象の被測定物への触覚センサの押し付け力やなぞり速度を一定にするとよい。なお、本実施例では、歪ゲージの出力電圧が４Ｖとなるように、また、なぞる速度は人間の指の平均なぞり速度である約１７５ｍｍ／ｓｅｃとなるようにしてデータを採集した。
【００３３】このように構成された本実施の形態に係る触覚センサを用いた表面形態計測システムにおいては、簡単な構造を有する触覚センサを用いて対象の被測定物上をなぞることによって、ＰＶＤＦセンサ及び歪ゲージからＰＶＤＦセンサ信号と歪ゲージ信号を同時に計測することができる。続いて、入力部においてこれらの信号を入力及び調整した後、ＰＶＤＦ信号分離部において、歪ゲージ信号の時間軸に対する変化に基づいて、ＰＶＤＦセンサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に容易に区分することができる。演算部では、第１信号部に基づいて表面硬さを、第２信号部に基づいて表面粗さを演算するが、その際には、表面硬さと表面粗さを示す評価指数を用いて定量的にかつ容易に精度良く評価することができる。
【００３４】最後に、本発明に係る表面形態計測方法の実施の形態を図９に基づき説明する。（請求項４に対応）
図９は本実施の形態に係る表面形態計測方法を示すフローチャート図である。図９において、ステップＳ１は、触覚センサを被測定物に接触させる工程を示している。
次に、ステップＳ２は、ＰＶＤＦセンサと歪ゲージによる計測の工程を示している。このステップＳ２では、対象の被測定物上を人間が指でなぞるように触覚センサを押し付けてなぞる動作を行い、ＰＶＤＦセンサからＰＶＤＦセンサ信号を、歪ゲージから歪ゲージ信号を各々のリード線を通して同時に取り出すものである。
ステップＳ３は、ＰＶＤＦセンサ信号の分離の工程を示している。このステップＳ３では、ステップＳ２において測定した歪ゲージ信号の時間に対する変化を利用して、ＰＶＤＦセンサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分する。
【００３５】触覚センサを対象の被測定物上に押し当てなぞる動作を行うと、ＰＶＤＦセンサ信号には最初の押し当てる部分とその後のなぞる部分とで相違が生じるが、これらの区分は歪ゲージ信号の時間に対する変化を利用すると容易に行うことができる。歪ゲージ信号の時間に対する変化の境界を求めるには、例えば歪ゲージ信号の絶対値に対して５％の出力変化が生じた場合などのように信号出力の絶対値を基にしてある時点を求める方法の他、歪ゲージ信号の出力変化、すなわち微分値に対して所定の値となった時点を選択するなどの方法がある。いずれの方法を選択するかについては、測定対象などを考慮して決定するとよい。
【００３６】ステップＳ４は、第１信号部を用いた表面硬さの演算の工程を示している。このステップＳ４では、ＰＶＤＦセンサ信号（Ｖ（ｎ））の第１信号部における極大値ｍ点の平均値を表面硬さの評価指数Ｆｐとして前述の式（１）で算出する。
ステップＳ５は、第２信号部を用いた表面粗さの演算の工程を示している。このステップＳ５では、表面粗さのＰＶＤＦセンサ信号（Ｖ（ｎ））の第２信号部における絶対値Ｎ点の平均値を表面粗さの評価指数Ｍｓとして前述の式（２）で算出する。極大値数のｍあるいは、絶対値数のＮの選択については、測定対象などを考慮し、また、計測から得られた波形などを考慮しながら行うとよい。
最後に、ステップＳ６は、表面硬さと表面粗さの表示の工程を示している。このステップＳ６では、ディスプレイ装置などにステップＳ４及びステップＳ５において算出された表面硬さと表面粗さを表示するものである。
【００３７】このように構成された表面形態計測方法においては、歪ゲージ信号を用いてＰＶＤＦセンサ信号を第１信号部と第２信号部に区分してそれぞれから表面硬さを示す評価指数と表面粗さを示す評価指数を算出することによって、精度良く定量的に表面硬さと表面粗さを評価できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１及び請求項２に記載の触覚センサにおいては、対象物の被測定面からポリマー圧電体フィルムに生じる圧力変動を計測しながら、歪ゲージを用いて接触圧をモニターすることができる。そのため、歪ゲージの出力信号を用いてポリマー圧電体フィルムの出力信号を処理することが可能となり、表面硬度と表面粗さの測定精度を向上させることができる。
また非導電性の弾性部材は電気ノイズの低減に効果的であり、さらに弾性部材の形状を変化させることによって様々な形状を有する触覚センサを作成することが可能である。
【００３９】また、特に、本発明の請求項２に記載の触覚センサにおいては、導電性繊維によってポリマー圧電体フィルムの破損を防ぐことができる。
【００４０】本発明の請求項３に記載の触覚センサを用いた表面形態計測システムにおいては、信号分離部において、触覚センサから同時に得られる歪ゲージ信号と圧電体センサ信号から、歪ゲージ信号に基づいて圧電体センサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に容易に区分することができ、さらに、第１の演算部によって表面硬さを、第２の演算部によって表面粗さを演算することによって表面形態に関する情報を精度良く定量的に評価することができる。
【００４１】本発明の請求項４に記載の表面形態計測方法においても、被測定物の表面形態に関する情報である表面硬さと表面粗さを同時に計測、演算して精度良く定量的に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る触覚センサの概念図である。
【図２】本実施の形態に係る触覚センサのＰＶＤＦセンサの内部を示す外形図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る表面形態計測システムの構成図である。
【図４】本実施の形態の実施例に係る表面形態計測システムの構成図である。
【図５】本実施例に係る表面形態計測システムを用いて御影石を計測した結果を示すチャート図である。
【図６】本実施例に係る表面形態計測システムを用いてナイロンたわしを計測した結果を示すチャート図である。
【図７】（ａ）は本実施例に係る表面形態計測システムを用いて計測された表面硬さＦｐの平均値であり、（ｂ）は同じく表面粗さＭｓの平均値である。
【図８】（ａ）は本実施例に係る表面形態計測システムを用いて対象物を５回測定し算出された表面硬さＦｐの平均値とそれにおける標準偏差を示すグラフであり、（ｂ）は同じく表面粗さＭｓの平均値とそれにおける標準偏差を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態に係る表面形態計測方法を示すフローチャート図である。
【図１０】触覚センサの従来技術を説明するための触覚センサの断面図である。
【符号の説明】
１…触覚センサ ２…ＰＶＤＦセンサ ２ａ…リード線 ３…歪ゲージ ３ａ…リード線 ４…基板 ５…触覚受感器 ６…ＰＶＤＦフィルム ７…導電性繊維 ８…銅シール ９…リード線 １０…絶縁体シート １１…表面形態計測システム １２…歪ゲージ信号入力部 １３…ＰＶＤＦセンサ信号入力部 １４…ＰＶＤＦセンサ信号分離部 １５…表面硬さ演算部 １６…表面粗さ演算部 １７…表示部 １８…デジタルオシロスコープ １９…リード線 ２０…ブリッジボックス ２１…シグナルコンディショナー ２２…ＵＳＢケーブル ２３…コンピュータ ２４…第１信号部 ２５…第２信号部 ２６…触覚センサ ２７…振動子 ２７ａ，２７ｂ…電極 ２８…圧電素子 ２８ａ，２８ｂ…電極 ２９…絶縁シート ３０…保護シート ３１…センサ取付板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a tactile sensor that measures both surface hardness and surface roughness in a single operation, a surface morphology measurement system using the tactile sensor, and a surface morphology measurement method.
[0002]
[Prior art]
In general, many tactile sensors that detect the surface state used in the robot hand field, the medical field, and the like use characteristics of a piezoelectric element. In recent years, with the practical application of robots that are assumed to coexist with humans and further advances in medical technology, the need for tactile sensors that are closer to human sensation has been increasing.
As a tactile sensor applicable to a robot hand, for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-31574 (hereinafter referred to as “A”) discloses a “tactile sensor” that “oscillates at a constant frequency with a piezoelectric element. A tactile sensor ", wherein the element is integrally joined to the element in a laminated structure via an insulating member, and means for extracting an output signal are provided at the electrodes at both ends of the piezoelectric element."
Hereinafter, the disclosed technology will be described with reference to FIG.
In FIG. 10, a tactile sensor 26 includes a vibrator 27 that oscillates at a constant frequency, electrodes 27a and 27b on both surfaces thereof, a piezoelectric element 28 for detecting a tactile sense such as a pressure sense and a slip sense, and an electrode on both surfaces thereof. 28a and 28b are laminated with an insulating sheet 29 interposed therebetween. A protective sheet 30 for protecting the piezoelectric element 28 and the electrode 28b is provided on the electrode 28b, and a sensor mounting plate 31 for mounting on a robot hand or the like is provided on the electrode 27a side.
In the tactile sensor 26 having such a configuration, although not shown, an oscillating circuit which oscillates at a constant frequency is connected to the electrodes 27a and 27b, and the electrodes 28a and 28b are connected through an amplifier circuit, a switch circuit and a noise cut filter. Connected to a band-pass filter that passes a signal having only the oscillation frequency of the oscillation circuit. Further, from the bandpass filter, the pressure sense and the slip sense can be simultaneously detected by a circuit configuration in which a wave shaping circuit for detecting the pressure sense and a differential amplifier for detecting the slip sense are connected in a branched form. .
When the tactile sensor 26 is moved while tracing in the horizontal direction while being pressed against the object to be measured in the vertical direction, the vibration of the vibrator 27 causes the signal waveform of the pressure sensation transmitted to the piezoelectric element 28 in response to the pressing. And a signal waveform of the slippery sense that changes according to the surface state is obtained. This synthesized waveform can separate the signal waveform for pressure sense detection by passing only the signal of the frequency oscillated by the oscillation circuit by the band-pass filter, and further separates the separated signal waveform for pressure sense detection from the synthesized waveform. When subtraction is performed using a differential amplifier, a signal waveform for slip detection can be obtained. The level of pressure sense can be determined by referring to the level of the signal level.
As a tactile sensor for measuring the hardness of a living body or the like, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-234679 (hereinafter referred to as “B”) discloses a “tactile sensor” as a “tactile sensor”. Mechanical vibration measuring means for measuring the vibration characteristics of the mechanical vibrating section including the vibrator, and detecting a resonance state of the mechanical vibrating section generated when the mechanical vibrating section is brought into contact with an object to be measured. Thus, in the tactile sensor for measuring the hardness of the object to be measured, a pressurizing body installed in relation to the mechanical vibrating unit and for applying a load to the mechanical vibrating unit, A tactile sensor, comprising: a control unit that controls mechanical impedance.
According to the invention disclosed in this publication, the tactile sensor has a good resolution when comparing the hardness of a soft tissue such as a living body by changing the vibration characteristic by changing the mechanical impedance on the sensor side. Can be provided.
Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-281555 (hereinafter referred to as “C”) discloses a “tactile sensor probe” which includes a “piezoelectric body and a piezoelectric body interposed therebetween, and a voltage applied to the piezoelectric body. And a oscillating circuit for supplying a voltage to the pair of electrodes, wherein at least one of the pair of electrodes is a thin-film electrode formed on the piezoelectric body. And a tactile sensor probe, wherein the piezoelectric body is configured to be able to contact the subject via the thin-film electrode.
According to the invention disclosed in this publication, mechanical impedance characteristic information representing the hardness and softness of a subject such as a living body is obtained stably and sensitively while maintaining the mechanical and electrical characteristics of the piezoelectric body. be able to.
Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 11-132929 (hereinafter referred to as Japanese Patent Application Publication No. H11-12928) describes a "tactile sensor probe" as a "tactile sensor probe having a tactile sensor for measuring hardness of an object to be measured. An elastic member joined to the tactile sensor, and a piezoelectric element provided in contact with the elastic member, while detecting the pressure applied to the tactile sensor by the piezoelectric element, the piezoelectric element to the tactile sensor A tactile sensor probe that generates a force having the same magnitude as the force applied to the tactile sensor in a direction to cancel the applied pressure is disclosed.
According to the invention disclosed in this publication, it is possible to provide a tactile sensor probe that can detect the hardness of an object without being affected by a contact pressure, and has a simple structure and simple control relating to this means.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional technology, first, in the conventional technology described in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-209, a contact with an object to be measured is certainly achieved by using a tactile sensor in which a vibrator having an oscillation circuit is bonded to a piezoelectric element. By separating the signal information by the above method, information on the pressure sense and the slip sense can be obtained at the same time, but there is a problem that the structure of the device becomes complicated due to the provision of the oscillation circuit and the like.
In addition, the sense of pressure can be determined by referring to the magnitude of the signal level, but no specific idea of quantification means is disclosed. On the other hand, since the method of evaluating the slip perception is not described in the specification, the details are unknown, but it is considered that the judgment is made based on the signal pattern, and the idea of quantifying the slip perception is not disclosed.
On the other hand, in the prior arts described in B publications, C publications and D publications, the hardness or softness of an object to be measured is measured, and information on the surface roughness cannot be obtained at the same time. There were challenges.
The present invention has been made in view of such a conventional situation, and has a simple structure, and the surface hardness and the surface roughness of the object can be simultaneously and accurately determined by stroking the object like a human finger. It is an object of the present invention to provide a tactile sensor capable of measurement and quantitative evaluation, a surface morphology measurement system and a surface morphology measurement method using the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a tactile sensor according to the first aspect of the present invention includes a polymer piezoelectric film, a first electric signal line extending from the polymer piezoelectric film, and a polymer piezoelectric film. A non-conductive elastic member covering a connecting portion between the polymer piezoelectric film and the first electric signal line, a substrate fixing the elastic member, a strain gauge installed on a part of the substrate, A second electric signal line extending from the strain gauge.
[0013] In the tactile sensor having the above-described structure, the pressure fluctuation generated in the polymer piezoelectric film when tracing the measured surface of the object is taken out from the first electric signal line as an electric signal. The contact pressure generated when tracing the surface is extracted from the strain gauge as an electric signal from the second electric signal line.
Further, the coating with the non-conductive elastic member has an effect of changing the shape of the tactile sensor while maintaining the elasticity, cushioning the impact, and protecting the polymer piezoelectric film.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a tactile sensor, comprising: a polymer piezoelectric film; conductive fibers connected to the polymer piezoelectric film; and a first electric wire extending from the conductive fibers. A signal line, a non-conductive elastic member covering a polymer piezoelectric film or a conductive fiber, and a connection portion between the conductive fiber and the first electric signal line; a substrate fixing the elastic member; It has a strain gauge provided on a part of the substrate and a second electric signal line extending from the strain gauge.
The tactile sensor having the above structure has an effect of reducing the strain applied to the polymer piezoelectric film by the conductive fiber, in addition to the effect of the first aspect of the present invention.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a surface morphometry system using a tactile sensor, comprising: a polymer piezoelectric film; a first electric signal line extending from the polymer piezoelectric film; A non-conductive elastic member that covers a connection portion between the elastic member and the first electric signal line, a substrate that fixes the elastic member, a strain gauge that is provided on a part of the substrate, and an extension extending from the strain gauge. And a tactile sensor having a second electric signal line connected to the first electric signal line and the second electric signal line. The first electric signal line is connected to the first electric signal line based on a strain gauge signal obtained from the second electric signal line. A signal separating unit that divides a piezoelectric sensor signal obtained from the electric signal line into a first signal unit in a front part and a second signal unit in a rear part on a time axis, and a first signal unit connected to the signal separating unit. Calculating the surface hardness based on A computing section of, and has a second calculator for calculating the surface roughness based on the second signal portion is connected to the signal separating unit.
In the surface morphology measuring system using the tactile sensor having the above-described configuration, the signal separating unit is configured to detect the first signal unit in the front part and the first signal unit in the rear part on the time axis based on the strain gauge signal obtained from the tactile sensor. Dividing into two signal parts, the first calculation part calculates from the first signal part, the second calculation part calculates from the second signal part, and the surface hardness and the surface roughness are calculated from different parts of the same signal. Has an action.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a surface morphology measuring method, wherein a tactile sensor having a polymer piezoelectric film and a strain gauge is brought into contact with an object to be measured, and a piezoelectric sensor signal is measured from the polymer piezoelectric film. Measuring a strain gauge signal from the strain gauge together with the step of dividing the piezoelectric sensor signal into a first signal portion in a front portion and a second signal portion in a rear portion on a time axis based on the strain gauge signal; It has a step of calculating the surface hardness using one signal part and a step of calculating the surface roughness using the second signal part.
In the surface morphology measuring method having the above-described structure, the tactile sensor is brought into contact with the object to be measured, and simultaneously the piezoelectric sensor signal from the polymer piezoelectric film and the strain gauge signal from the strain gauge are measured. Thus, the piezoelectric sensor signal is easily divided on the time axis into a first signal part in the front part and a second signal part in the rear part, and the surface hardness is calculated based on the first signal part. It has the function of calculating the surface roughness based on the calculated value.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a tactile sensor according to the present invention will be described below with reference to FIGS. (Corresponding to claim 1 and claim 2)
FIG. 1 is a conceptual diagram of a tactile sensor according to the present embodiment. In FIG. 1, a tactile sensor 1 includes a polyvinylidene fluoride (hereinafter, referred to as PVDF) sensor 2 for sensing pressure fluctuations generated when tracing a measured surface of an object and a strain gauge 3 for sensing contact pressure on a substrate 4. Fixed. Although not shown, a lead wire for extracting an output signal generated from each of the PVDF sensor 2 and the strain gauge 3 is connected to each of them.
Although the PVDF sensor 2 is covered with silicone rubber assuming the shape of a human fingertip, the use of this silicone rubber makes it possible to bring the PVDF sensor 2 closer to the feel of human skin, and at the same time, the liquid Since silicone rubber can be molded into various shapes by casting, it can be applied to sensors having various shapes. Furthermore, since silicone rubber is non-conductive, it has the effect of reducing power supply noise and biological noise. Note that a non-conductive elastic member may be used other than the silicon rubber.
In the present embodiment, covering the surface of the PVDF sensor 2 with commercially available gauze is effective in simulating a human fingerprint and protecting the PVDF sensor 2.
Next, the internal structure of the PVDF sensor 2 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an external view showing the inside of the PVDF sensor of the tactile sensor according to the present embodiment. In FIG. 2, the tactile sensor 5 has a conductive fiber 7 adhered to a PVDF film 6 and a lead wire 9 attached via a copper seal 8. An insulating sheet 10 is provided between the conductive fibers 7 and the copper seal 8 and the PVDF film 6. Although only one surface of the tactile sensor 5 has been described, the back surface (not shown) has the same structure.
As described above, in the tactile sensor 5, by providing the conductive fibers 7 between the PVDF film 6 and the lead wire 9, breakage of the PVDF film 6 is more effectively prevented as compared with the case where the lead wire is directly connected. And it is possible to obtain a stable signal. FIG. 2 shows an example in which the conductive fiber 7 is used. However, without providing the conductive fiber 7, a copper seal 8 is attached to both surfaces of the PVDF film 6, and lead wires 9 are extended from each of the electrodes as electrodes. You may.
The tactile sensation sensor 5 is put into a predetermined mold and covered with the above-mentioned silicone rubber. In this embedding, the tactile sensation sensor 5 is buried in the vicinity of the surface of the silicon rubber to thereby provide a sensor. Sensitivity can be improved.
In the tactile sensor according to the present embodiment thus configured, the strain gauge 3 is fixed to the substrate, and the output signal of the PVDF sensor can be processed while referring to the output signal of the strain gauge. In addition, the accuracy of measurement of surface hardness and surface roughness by a PVDF sensor can be improved.
Next, an embodiment of a surface morphology measuring system according to the present invention will be described with reference to FIGS. (Corresponding to claim 3)
FIG. 3 is a conceptual diagram of the surface morphology measuring system according to the present embodiment. The surface morphology measurement system 11 of the present embodiment includes a tactile sensor 1 having a PVDF sensor 2 and a strain gauge 3, and the PVDF sensor 2 is connected to a PVDF sensor signal input unit 13 via a lead wire 2a, The gauge 3 is connected to a strain gauge signal input unit 12 via a lead wire 3a. The strain gauge signal input unit 12 and the PVDF sensor signal input unit 13 are connected to a PVDF sensor signal separation unit 14 and transmit a strain gauge signal and a PVDF sensor signal. A surface hardness calculator 15 and a surface roughness calculator 16 are connected to the PVDF sensor signal separation unit 14, and a display unit 17 is connected to them.
In the strain gauge signal input unit 12 and the PVDF sensor signal input unit 13, the signal is adjusted to 0 V, the amplification is adjusted, the A / D (analog / digital) conversion is performed, and the adjustment for the subsequent signal processing is performed. Do.
The PVDF sensor signal separating section 14 divides the PVDF sensor signal into a first signal section at the front and a second signal section at the rear on the time axis based on the strain gauge signal generated by the strain gauge 3. Then, information on the first signal portion and the second signal portion obtained by the signal separation portion is transmitted to the calculation portion, and the surface hardness calculation portion 15 calculates the surface hardness based on the first signal portion, and calculates the surface hardness. The roughness calculating section 16 can calculate the surface roughness based on the second signal section. The method of dividing the signal and the method of quantitatively evaluating the signal in the PVDF sensor signal separation unit 14 will be described later in detail with reference to FIGS.
The display unit 17 displays signal information and calculation results obtained by the strain gauge signal input unit 12, the PVDF sensor signal input unit 13, the PVDF sensor signal separation unit 14, the surface hardness calculation unit 15, and the surface roughness calculation unit 16. Can be displayed.
FIG. 4 shows an example of the surface morphology measuring system according to the present embodiment. In FIG. 4, the lead wire 9 of the PVDF sensor 2 of the tactile sensor 1 is connected to a digital oscilloscope 18. On the other hand, a lead wire 19 of the strain gauge 3 is connected to a digital oscilloscope 18 via a bridge box 20 and a signal conditioner 21. The bridge box 20 converts a resistance change of the strain gauge 3 into a voltage signal, and the signal conditioner 21 is an amplifier for amplification.
The digital oscilloscope 18 can observe and record the PVDF sensor signal and the strain gauge signal during measurement. Also, it is possible to perform 0V adjustment of the signal, adjustment of the amplification degree, and the like.
Data recorded by the digital oscilloscope 18 is transferred to the computer 23 through the USB cable 22. In the computer 23, based on the strain gauge signal, the PVDF sensor signal is divided on the time axis into a first signal portion in a front portion and a second signal portion in a rear portion, and the surface hardness is determined based on the first signal portion. , The surface roughness can be calculated based on the second signal portion, and the result can be displayed. Since the digital oscilloscope 18 is for observing and recording the PVDF sensor signal and the strain gauge signal under measurement in a more easily understood manner, the digital oscilloscope 18 can be input to a computer from each sensor using an A / D conversion card. Good.
Here, a method of evaluating a surface morphology by a surface morphology measuring system using a tactile sensor according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 5 is an output diagram of measuring granite using the surface morphology measurement system using the tactile sensor according to the present embodiment, and FIG. 6 is an output diagram of measuring a nylon scourer.
5 (a) to 5 (c) are chart diagrams showing granite PVDF sensor signal waveforms, and FIGS. 6 (a) to 6 (c) are also chart diagrams showing PVDF sensor signal waveforms of nylon scourers. . A difference appears in the output pattern of the PVDF sensor signal of any object at a certain time, but this difference reflects a difference between a “push” operation and a “tracing” operation by the tactile sensor. Therefore, using the change of the strain gauge signal for monitoring the contact pressure with respect to time, it is divided into a portion reflecting the "pressing" operation and a portion reflecting the "tracing" operation.
The strain gauge signal gradually decreases with the passage of time from the moment when the tactile sensor comes into contact with the surface of the object to be measured, and thereafter shows a constant value, and then increases when leaving the object to be measured. Indicates a pattern. Therefore, using the time when the strain gauge signal first begins to decrease with respect to the time axis, the portion before this time is defined as the first signal portion 24 of the PVDF sensor signal, that is, the portion reflecting the “push” operation, and Is a second signal portion 25 of the PVDF sensor signal, that is, a portion reflecting the “tracing” operation.
As a method of dividing the signal portion of the first half "push" operation and the signal portion of the second half "tracing" operation, the point at which the output change of the strain gauge signal becomes 5% is shown in FIG. 14 and in FIG. 4 by the computer 23. The PVDF sensor signal is divided using the time as a boundary. As described above, the PVDF sensor signal may be divided based on the absolute value of the output signal of the strain gauge, or the differential value of the strain gauge signal is calculated by the PVDF sensor signal separating unit 14 or the computer 23, and the differential value is determined by a predetermined value. The value time may be read and the time point may be classified as a boundary.
FIG. 5B shows a first signal part of a granite PVDF sensor signal divided by the above-described method, and FIG. 5C shows a second signal part of the granite PVDF sensor signal. FIG. 6B shows a first signal portion of the PVDF sensor signal of the nylon scrubber, and FIG. 6C shows a second signal portion of the PVDF sensor signal of the nylon scrubber.
Looking at the granite PVDF sensor output in FIG. 5, the output of the first signal unit is large and the output of the second signal unit is small. This is because while the hardness of granite is high and the sensor output increases at the moment when the tactile sensor contacts the surface, when tracing, the sensor output of the second signal part decreases because the surface is smooth and the frictional force is small. Is shown. Contrary to granite, nylon scourers have the opposite characteristics, so that the output of the first signal section is small and the output of the second signal section is large, as shown in FIG.
By referring to FIG. 5 and FIG. 6, the magnitude of the PVDF sensor output can be qualitatively grasped to some extent. Further, in the specification of the present application, a method of calculating an evaluation index that quantitatively indicates the surface hardness and the surface roughness using the first signal portion and the second signal portion by performing such qualitative evaluation will be described. I do.
The average value of the maximum value m points of the first signal portion reflecting the “push” operation of the PVDF sensor signal (V (n)) is defined as a variable Fp by the following equation (1). The evaluation index.
(Equation 1)
Similarly, the average value of the absolute value N points of the second signal portion reflecting the “tracing” operation of the PVDF sensor signal (V (n)) is defined as a variable Ms by the following equation (2). Is the evaluation index of the surface roughness. When the data of the second signal section is used for 0.5 seconds from the beginning of the second signal section, a result having less influence such as a measurement error can be obtained. It should be noted that the data length of the second signal portion of 0.5 seconds may be corrected in consideration of a measurement target or the like.
(Equation 2)
FIG. 7A shows the average value of the evaluation index Fp of the surface hardness measured using the surface morphometry system according to the present embodiment, and FIG. 7B shows the average value of the surface roughness Ms. . However, in Equation (1), the number m of the maximum value points is set to 5, and in Equation (2), the data for 0.5 second from the beginning of the second signal section is used under the condition that the sampling rate is 5 KHz. The absolute value N was 2500. In the present embodiment, 5 is selected as the number m of the maximum value points. However, the number is not limited to 5, and may be determined by referring to the number of the maximum values from the waveform. Also, the sampling rate does not need to be fixed at 5 KHz, and may be adjusted depending on the measurement target or the like.
7 (a) and 7 (b) also show the results of measurements on styrofoam and sponge other than the granite and nylon scourers shown in FIGS. 5 and 6.
The average value of the evaluation index Fp of the surface hardness in FIG. 7A increases in the order of sponge, nylon scourer, styrofoam, and granite, indicating that the evaluation is quantitative. On the other hand, the average value of the evaluation index Ms of the surface roughness in FIG. 7 (b) increases in the order of granite, sponge, nylon scrubber and styrofoam, and is quantitative similarly to the average value of the evaluation index Fp of the surface hardness. It can be seen that the evaluation was made.
FIG. 8A shows the average value and the standard deviation of the evaluation index Fp of the surface hardness calculated by measuring the object five times using the surface morphometry system according to the present embodiment. b) is the average value of the evaluation index Ms of the surface roughness and the standard deviation therefrom.
In the evaluation index Fp of the surface hardness, the average value increases in the order of sponge, nylon scourer, styrofoam, and granite, and the smaller the surface hardness, the smaller the standard deviation and the better the reproducibility. On the other hand, in the surface roughness evaluation index Ms, the average value increases in the order of granite, sponge, nylon scourer, and styrene foam, and the smaller the surface roughness, the smaller the standard deviation and the better the reproducibility. In order to improve the reproducibility in these measurements, the pressing force and the tracing speed of the tactile sensor on the object to be measured should be constant. In the present embodiment, data was collected so that the output voltage of the strain gauge was 4 V and the tracing speed was approximately 175 mm / sec, which is the average tracing speed of a human finger.
In the surface morphology measuring system using the tactile sensor according to the present embodiment thus configured, the PVDF sensor is traced on the object to be measured by using the tactile sensor having a simple structure. In addition, a PVDF sensor signal and a strain gauge signal can be simultaneously measured from the strain gauge. Subsequently, after inputting and adjusting these signals at the input unit, the PVDF signal separation unit converts the PVDF sensor signal into the first signal unit at the front part on the time axis based on the change with respect to the time axis of the strain gauge signal at the PVDF signal separation unit. It can be easily divided into the second signal part of the rear part. The calculation unit calculates the surface hardness based on the first signal unit and calculates the surface roughness based on the second signal unit. In this case, the calculation unit uses the evaluation index indicating the surface hardness and the surface roughness to determine the surface hardness. The evaluation can be performed accurately and easily.
Finally, an embodiment of the surface morphology measuring method according to the present invention will be described with reference to FIG. (Corresponding to claim 4)
FIG. 9 is a flowchart illustrating a surface morphology measuring method according to the present embodiment. In FIG. 9, step S1 shows a step of bringing the tactile sensor into contact with the object to be measured.
Next, step S2 shows a measurement process using a PVDF sensor and a strain gauge. In this step S2, an operation of pressing and tracing the tactile sensor as if a human traces a finger on the object to be measured is performed, and a PVDF sensor signal from the PVDF sensor and a strain gauge signal from the strain gauge are simultaneously transmitted through the respective lead wires. It is something to take out.
Step S3 shows a step of separating the PVDF sensor signal. In step S3, the PVDF sensor signal is divided into a first signal part in a front part and a second signal part in a rear part on a time axis by using a change with time of the strain gauge signal measured in step S2.
When an operation of tracing the tactile sensor against the object to be measured is performed, a difference occurs between the first tracing part and the subsequent tracing part in the PVDF sensor signal. This can be easily performed by using the change with respect to time. To determine the boundary of the change of the strain gauge signal with respect to time, a certain time point is obtained based on the absolute value of the signal output, for example, when an output change of 5% with respect to the absolute value of the strain gauge signal occurs. In addition to the method, there is a method of selecting an output change of the strain gauge signal, that is, a point in time at which a differential value reaches a predetermined value. Which method is selected may be determined in consideration of a measurement target or the like.
Step S4 shows a process of calculating the surface hardness using the first signal portion. In this step S4, the average value of the local maximum value m points in the first signal portion of the PVDF sensor signal (V (n)) is calculated as the surface hardness evaluation index Fp by the above-described equation (1).
Step S5 shows a process of calculating the surface roughness using the second signal portion. In this step S5, the average value of the absolute value N points of the PVDF sensor signal (V (n)) of the surface roughness in the second signal portion is calculated as the surface roughness evaluation index Ms by the above-described equation (2). The selection of the maximum value number m or the absolute value number N may be performed in consideration of the measurement target and the like, and also in consideration of the waveform obtained from the measurement.
Finally, step S6 shows a process of displaying the surface hardness and the surface roughness. In step S6, the surface hardness and the surface roughness calculated in steps S4 and S5 are displayed on a display device or the like.
In the surface morphology measuring method configured as described above, the PVDF sensor signal is divided into the first signal portion and the second signal portion using the strain gauge signal, and the evaluation index indicating the surface hardness and the surface index are respectively obtained. By calculating the evaluation index indicating the roughness, the surface hardness and the surface roughness can be accurately and quantitatively evaluated.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, in the tactile sensor according to the first and second aspects of the present invention, while using the strain gauge to measure the pressure fluctuation generated in the polymer piezoelectric film from the measured surface of the object, the contact is measured. The pressure can be monitored. Therefore, the output signal of the polymer piezoelectric film can be processed using the output signal of the strain gauge, and the measurement accuracy of the surface hardness and the surface roughness can be improved.
Further, a non-conductive elastic member is effective in reducing electric noise, and it is possible to produce a tactile sensor having various shapes by changing the shape of the elastic member.
In particular, in the tactile sensor according to the second aspect of the present invention, it is possible to prevent the polymer piezoelectric film from being damaged by the conductive fibers.
According to a third aspect of the present invention, in the surface morphology measuring system using the tactile sensor, the signal separating unit uses the strain gauge signal based on the strain gauge signal and the piezoelectric sensor signal simultaneously obtained from the tactile sensor. In this way, the piezoelectric sensor signal can be easily divided on the time axis into a first signal part in the front part and a second signal part in the rear part. By calculating the surface roughness by the calculation unit, information on the surface morphology can be accurately and quantitatively evaluated.
In the surface morphology measuring method according to the fourth aspect of the present invention, the surface hardness and the surface roughness, which are information on the surface morphology of the object to be measured, are simultaneously measured and calculated, and the quantitative evaluation is performed with high accuracy. Can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a tactile sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an external view showing the inside of a PVDF sensor of the tactile sensor according to the present embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of a surface morphometry system according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a surface morphology measurement system according to an example of the present embodiment.
FIG. 5 is a chart showing the results of measuring granite using the surface morphology measurement system according to the present embodiment.
FIG. 6 is a chart showing the results of measuring nylon scourers using the surface morphology measuring system according to the present embodiment.
FIG. 7A shows the average value of the surface hardness Fp measured using the surface morphology measurement system according to the present embodiment, and FIG. 7B shows the average value of the surface roughness Ms.
FIG. 8A is a graph showing the average value of the surface hardness Fp calculated by measuring the object five times using the surface morphology measuring system according to the present embodiment and the standard deviation thereof, and FIG. 7) is a graph showing the average value of the surface roughness Ms and the standard deviation therewith.
FIG. 9 is a flowchart illustrating a surface morphology measuring method according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a tactile sensor for describing a conventional technique of the tactile sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Tactile sensor 2 ... PVDF sensor 2a ... Lead wire 3 ... Strain gauge 3a ... Lead wire 4 ... Substrate 5 ... Tactile sensor 6 ... PVDF film 7 ... Conductive fiber 8 ... Copper seal 9 ... Lead wire 10 ... Insulator Sheet 11: Surface morphology measurement system 12: Strain gauge signal input unit 13: PVDF sensor signal input unit 14: PVDF sensor signal separation unit 15: Surface hardness calculation unit 16: Surface roughness calculation unit 17: Display unit 18: Digital oscilloscope DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 ... Lead wire 20 ... Bridge box 21 ... Signal conditioner 22 ... USB cable 23 ... Computer 24 ... 1st signal part 25 ... 2nd signal part 26 ... Tactile sensor 27 ... Vibrators 27a and 27b ... Electrode 28 ... Piezoelectric element 28a, 28b ... electrode 29 ... insulating sheet 30 ... protection sheet 31 ... sensor mounting plate
