JP2007315840A - Device and method for measuring mechanical impedance of flexible deformable object - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ポリウレタンフォーム、ゴムなどの柔軟変形物の慣性、剛性、粘性などの機械インピーダンスを計測する技術に関する。 The present invention relates to a technique for measuring mechanical impedance such as inertia, rigidity, and viscosity of a flexible deformation material such as polyurethane foam and rubber.
例えば、様々な工業製品に多用されているポリウレタンフォームに関し、試料の荷重試験による周波数応答からその粘弾性を推定する研究が数多く報告されている。非特許文献1では、分数階微分モデルを用いた粘弾性の推定手法が提案されており、非特許文献2では、実際に分数階微分モデルを用いてポリウレタンフォームの粘弾性の推定を行ったことが報告されている。
しかしながら、上記従来の手法では、柔軟変形物に印加される外力や表面の変位量を計測するために、加速度センサ、荷重センサなど複数のセンサを必要とする。従って、各センサのキャリブレーション精度、計測信号の同期化、ノイズなどの問題をクリアする必要があるなど、高精度で安定した測定を実現するためには多くの手間を要していた。 However, the conventional method requires a plurality of sensors such as an acceleration sensor and a load sensor in order to measure the external force applied to the flexible deformation and the amount of displacement of the surface. Accordingly, it is necessary to clear problems such as calibration accuracy of each sensor, synchronization of measurement signals, noise, and the like, and much labor is required to realize high-accuracy and stable measurement.
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、上記した各種のセンサを使用することなく、柔軟変形物の機械インピーダンスを求めることができる計測装置及び計測方法を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of said point, and makes it a subject to provide the measuring device and measuring method which can obtain | require the mechanical impedance of a flexible deformation | transformation, without using the above-mentioned various sensors. .
上記した課題を解決するため、請求項1記載の本発明では、測定対象物である柔軟変形物を変形させる変位付与体と、
前記変位付与体により前記柔軟変形物を変形させる際の、少なくとも該柔軟変形物の変形前後の画像を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段により取得した画像から、前記柔軟変形物の変位量を求め、この変位量と前記変位付与体の運動方程式を用いて前記柔軟変形物の機械インピーダンスを求める画像処理演算手段と
を具備することを特徴とする柔軟変形物の機械インピーダンス計測装置を提供する。
請求項2記載の本発明では、前記変位付与体は、測定対象物である柔軟変形物に対して、所定位置から、所定速度で衝突させる、機械インピーダンスが既知の物体であることを特徴とする請求項1記載の柔軟変形物の機械インピーダンス計測装置を提供する。
請求項3記載の本発明では、前記既知の物体が、測定対象物である柔軟変形物の上方所定位置に、支持フレームにより支持され、自由落下させられることにより柔軟変形物を変形させる剛体であることを特徴とする請求項2記載の柔軟変形物の機械インピーダンス計測装置を提供する。
請求項4記載の本発明では、変位付与体により柔軟変形物を変形させ、
撮影手段により、少なくとも前記柔軟変形物の変形前後の画像を取得し、
前記撮影手段により取得した画像から、前記柔軟変形物の変位量を求め、この変位量と前記変位付与体の運動方程式を用いて前記柔軟変形物の機械インピーダンスを求めることを特徴とする柔軟変形物の機械インピーダンス計測方法を提供する。
請求項5記載の本発明では、前記変位付与体は、機械インピーダンスが既知の物体であり、測定対象物である柔軟変形物に対して、所定位置から、所定速度で衝突させて前記柔軟変形物を変形させることを特徴とする請求項4記載の柔軟変形物の機械インピーダンス計測方法を提供する。
請求項6記載の本発明では、前記既知の物体が剛体であり、前記柔軟変形物の上方所定位置から自由落下させて前記柔軟変形物を変形させることを特徴とする請求項5記載の柔軟変形物の機械インピーダンス計測方法を提供する。
In order to solve the above-described problem, in the present invention according to
An imaging unit that captures at least images before and after the deformation of the flexible deformation product when the flexible deformation product is deformed by the displacement imparting body;
Image processing calculation means for obtaining a displacement amount of the flexible deformation object from an image acquired by the photographing means and obtaining a mechanical impedance of the flexible deformation object using the displacement amount and an equation of motion of the displacement imparting body. There is provided a mechanical impedance measuring device for a flexible deformed material.
According to the second aspect of the present invention, the displacement imparting body is an object having a known mechanical impedance that is caused to collide at a predetermined speed from a predetermined position with respect to a flexible deformation object as a measurement object. A mechanical impedance measuring device for a flexible deformation according to
In this invention of Claim 3, the said known object is a rigid body which deform | transforms a flexible deformation | transformation by being supported by the support frame in the predetermined position above the flexible deformation | transformation object which is a measuring object, and making it fall freely. A mechanical impedance measuring device for a flexible deformation according to
In this invention of Claim 4, a flexible deformation | transformation object is changed with a displacement provision body,
Acquire at least images before and after the deformation of the flexible deformation object by the photographing means,
A flexible deformation object characterized in that a displacement amount of the flexible deformation object is obtained from an image acquired by the photographing means, and a mechanical impedance of the flexible deformation object is obtained using the displacement amount and an equation of motion of the displacement imparting body. Provide a method for measuring the mechanical impedance of
In this invention of Claim 5, the said displacement imparting body is an object with known mechanical impedance, and it is made to collide with the flexible deformation body which is a measuring object from a predetermined position at a predetermined speed, and the said flexible deformation body. The method of measuring a mechanical impedance of a flexible deformed object according to claim 4 is provided.
6. The flexible deformation according to claim 5, wherein the known object is a rigid body, and the flexible deformation is deformed by freely dropping from a predetermined position above the flexible deformation. A method for measuring mechanical impedance of an object is provided.
本発明によれば、柔軟変形物の変形前後の画像を取得する撮影手段を備えているため、その変位量を求めると共に、変位付与体の運動方程式を用いることで、センサを用いることなく柔軟変形物の慣性、剛性、粘性などの機械インピーダンスを求めることができる。従って、従来のように各種センサのキャリブレーション精度、計測信号の同期化、ノイズなどの問題をクリアするための手間をかけることなく、高精度で安定した計測を行うことができる。 According to the present invention, since the photographing means for acquiring the images before and after the deformation of the flexible deformation object is provided, the displacement amount is obtained and the deformation equation is used without using the sensor by using the equation of motion of the displacement imparting body. Mechanical impedance such as inertia, rigidity, and viscosity of an object can be obtained. Therefore, highly accurate and stable measurement can be performed without taking the trouble of clearing problems such as calibration accuracy of various sensors, synchronization of measurement signals, and noise as in the past.
以下、図面に示した実施形態に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。図1は、本実施形態の機械インピーダンス計測装置の全体構成を示す図であり、測定対象物である柔軟変形物100を支持するための試料載置台10と、試料載置台に付設された支持フレーム20と、該支持フレーム20によって試料載置台10上の柔軟変形物100の上方所定高さに支持される変位付与体であって、機械インピーダンスが既知の物体である剛体30と、撮影手段である高速カメラ40と、該高速カメラ40に接続されたコンピュータからなる画像処理演算手段50を有して構成される。なお、「機械インピーダンス」とは、運動を力に変換するパラメータ(慣性、剛性、粘性)を意味する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a mechanical impedance measuring apparatus according to the present embodiment. A sample mounting table 10 for supporting a flexible
支持フレーム20に支持部31を介して支持されている既知の物体である剛体30を、所定高さから自由落下させて柔軟変形物100に衝突させる。高速カメラ40は、剛体30に付したマーカを、少なくとも柔軟変形物100への衝突前後(変形前後)の2位置で撮影し、好ましくは、剛体30の衝突前から衝突後までを連続的に複数枚撮影する。なお、剛体30は、自由落下させるのではなく、測定対象物である柔軟変形物に対して、所定位置から、所定速度で衝突させることで、例えば、柔軟変形物100に対して、水平方向に所定の距離、離れた位置から所定の速度で衝突させ、その挙動を上記のように高速カメラ40で捉えることも可能である。
A
高速カメラ40により取得された画像データは、画像処理演算手段50に伝送され、処理される。画像処理演算手段50では、まず、剛体30に付設したマーカの衝突前の位置情報と衝突後の位置情報から、剛体30の衝突による柔軟変形物100の沈み込み量(変位量)dXを求める。次に、この変位量dXと、剛体30の運動方程式から、衝突直後から最下点(最も沈み込んだ位置)に至るまでの剛体30の速度、加速度を求める。そして、変位量dX、速度、加速度を用いて最小二乗法により、柔軟変形物100の機械インピーダンスを求める。
The image data acquired by the
図2は、画像処理演算手段50により機械インピーダンスを求める原理を説明するための図である。まず、十分大きな質量M0を持つ機械インピーダンスの既知の物体が垂直に自由落下運動を行い、測定対象物である柔軟変形物100に時刻t0で衝突して表面を変形させる場合を考える。鉛直方向上向きを正とすると、既知の物体の衝突により柔軟変形物100の表面には、強制変位dX(t)=X(t0)−X(t)(X(t)は既知の物体の落下後の位置を示す)が加えられ、その特性は、柔軟変形物100の機械インピーダンスである剛性(K(dX))と粘性(B(dX ))を用いて、変位量dXの関数として次式により表される。なお、式中、F(t)は柔軟変形物100の復元力である。
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of obtaining the mechanical impedance by the image processing calculation means 50. First, consider a case where a known object of mechanical impedance having a sufficiently large mass M 0 performs free fall motion vertically and collides with a
一方、既知の物体の運動方程式は、次式により表される。 On the other hand, the equation of motion of a known object is expressed by the following equation.
式(1),(2)より、既知の物体の形状と質量を基に、高速カメラ40等の撮影手段を用いて、柔軟変形物100に衝突した剛体30の運動を高サンプリングで計測することにより、変位量dX、速度、加速度を計算できる。
From equations (1) and (2), based on the shape and mass of a known object, the motion of the
なお、既知の物体の剛性(K0(dX0))と粘性(B0(dX0 ))が柔軟変形物100より十分に大きい場合(剛体の場合)には、変形量dX0が十分小さくなるので、式(2)は次式のように変形できる。 When the stiffness (K 0 (dX 0 )) and viscosity (B 0 (dX 0 )) of the known object is sufficiently larger than the flexible deformable material 100 (in the case of a rigid body), the deformation amount dX 0 is sufficiently small. Therefore, the equation (2) can be transformed as the following equation.
(試験例)
図1に示した試料載置台10上に、測定対象物である柔軟変形物100として、自動車シートのクッション材(シートバック部)を載置してその粘弾性特性を求めた。シートバック部は、金属製のバネ材の上にポリウレタンと布地を重ねた構造をしてなり、表面から押圧されて生じる変位量に対して、その機械的特性は非線形的に変化することが知られている。このことから、シートバック部の粘弾性特性(剛性(K(dX))と粘性(B(dX)))は、変位量dXに関する非線形多項式として、次式によりモデル化される。
(Test example)
On the sample mounting table 10 shown in FIG. 1, a cushion material (seat back portion) of an automobile seat was placed as the
ここで、ai,bj(i=0,1,2,・・・,m;j=0,1,2,・・・,n)は重み係数である。式(4)を式(1)に代入し、高速カメラ40から得られた画像情報の衝突物体(図1の剛体30)の挙動を用いてシートバック部の粘弾性特性を推定する。なお、本試験例では、粘弾性モデルの次数をm=6,n=5とした。また、安定した粘弾性特性の推定を実現するため、予め実施した準静的な加圧試験において推定した剛性関数の係数を初期値に設定した。
Here, a i and b j (i = 0, 1, 2,..., M; j = 0, 1, 2,..., N) are weighting coefficients. Substituting Equation (4) into Equation (1), the viscoelastic characteristics of the seat back portion are estimated using the behavior of the collision object (the
既知の物体である剛体30は直径165mmであり、支持フレーム20によって自由落下する剛体30とこの剛体30を支持する支持部31とを合わせた重さは6.8kgであった。剛体30を、シートバック部の表面から300mmの高さにセットし、垂直に自由落下させて衝突させた。なお、支持フレーム20における剛体30の支持部31は、剛体30の自由落下に伴って同方向に可動になっている。高速カメラ40は、図1に示したように、シートバック部の幅方向中心線の延長上に設置し、剛体30に貼り付けたマーカを落下直後からサンプリング周波数1kHzで撮影した。また、検証のため、支持部31には、加速度センサ(サンプリング周波数:10kHz)を取り付けた。
The
得られた各画像情報を基に、画像処理演算手段50により求めた、剛体30がシートバック部の表面に衝突した直後から最下点に至るまでの変位量dx、速度、及び加速度を図3(a)〜(c)に示した。いずれも、連続10試行のうちの後半の連続5試行の結果を細線で重ねて描いたものであり、このうち図3(c)の加速度のグラフでは、加速度センサで計測した10試行目の加速度を破線で示した。
FIG. 3 shows the displacement dx, speed, and acceleration from immediately after the
図3から、シートバック部の表面からの変位量が大きくなるにつれ、これに比例するように、加速度に若干のバラツキが見られるが、高速カメラ40で撮影した画像データを用いて、衝突直後からの剛体30の挙動を高い再現性で計測できることがわかる。また、図3(c)の加速度波形に関しては、高速カメラ40の画像データから画像処理演算手段50により求めた加速度(細線)が、加速度センサで計測した加速度(破線)とほぼ一致しており、高速カメラ40を用いた本発明の手法により、剛体30の挙動を精度よく計測できることが検証できた。
As shown in FIG. 3, as the amount of displacement from the surface of the seat back portion increases, the acceleration slightly varies so as to be proportional to this, but immediately after the collision using the image data taken by the high-
次に、上記5試行の計測データから得られた変位量dx、速度、加速度を用いて、画像処理演算手段50において、上記式(1)〜(4)を演算し、粘弾性特性(剛性(K(dX))と粘性(B(dX)))を求めた(推定した)。その結果を図4〜図6に示す。なお、これらの図では、いずれも横軸に変位量dXをとっている。図4は、推定した剛性(K(dX))の平均(実線)に加え、剛性を演算する際に用いた剛性の初期関数(破線)を示している。図5は、推定した粘性(B(dX))の平均を示している。図6は、推定結果から求めたシートバック部の復元力(実線)の平均と高速カメラで計測した10試行目の加速度データを用いて求めた復元力(破線)を示している。
Next, using the displacement dx, velocity, and acceleration obtained from the measurement data of the five trials, the image
図4から、推定した剛性は、初期の剛性に近似しており、また、図5の粘性に関しても、変位量が最大付近で多少のバラツキが見られたものの、全体的に推定した粘性のバラツキは小さく、高い再現性で推定できることがわかった。また、図6に示したように、推定結果から求めたシート復元力が高速カメラ40で計測した復元力とほぼ一致していることから、推定結果の精度の高さを確認することができた。従って、高速カメラ40などの撮影手段と、変位付与体としての既知の物体(例えば、剛体30)の運動方程式を用いることにより、柔軟変形物の機械インピーダンスを推定することができることが検証された。
From FIG. 4, the estimated stiffness approximates the initial stiffness, and the viscosity of FIG. 5 also shows some variation near the maximum displacement, but the estimated viscosity variation as a whole. Is small and can be estimated with high reproducibility. Further, as shown in FIG. 6, the sheet restoring force obtained from the estimation result almost coincides with the restoring force measured by the high-
なお、上記実施例では、柔軟変形物として、自動車シートのシートバック部を取り上げているが、これはあくまで一例であり、自動車、列車、飛行機などの乗物用シートのクッション材のほか、家具用・事務用椅子のクッション材、ベッドパッドなどの寝具に用いられるクッション材、その他の柔軟変形物(例えば、センサなどを取り付けにくい人体など)の機械インピーダンスの推定にも適用できることはもちろんである。 In the above embodiment, the seat back portion of the automobile seat is taken up as the flexible deformation, but this is only an example, and in addition to the cushioning material for the vehicle seat such as an automobile, train, airplane, etc. Needless to say, the present invention can also be applied to the estimation of the mechanical impedance of cushion materials for office chairs, cushion materials used for bedding such as bed pads, and other flexible deformations (for example, human bodies that are difficult to attach sensors or the like).
10 試料載置台
20 支持フレーム
30 剛体
31 支持部
40 高速カメラ
50 画像処理演算手段
100 柔軟変形物
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記変位付与体により前記柔軟変形物を変形させる際の、少なくとも該柔軟変形物の変形前後の画像を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段により取得した画像から、前記柔軟変形物の変位量を求め、この変位量と前記変位付与体の運動方程式を用いて前記柔軟変形物の機械インピーダンスを求める画像処理演算手段と
を具備することを特徴とする柔軟変形物の機械インピーダンス計測装置。 A displacement imparting body for deforming a flexible deformation object as a measurement object;
An imaging unit that captures at least images before and after the deformation of the flexible deformation product when the flexible deformation product is deformed by the displacement imparting body;
Image processing calculation means for obtaining a displacement amount of the flexible deformation object from an image acquired by the photographing means and obtaining a mechanical impedance of the flexible deformation object using the displacement amount and an equation of motion of the displacement imparting body. An apparatus for measuring mechanical impedance of a flexible deformed material.
撮影手段により、少なくとも前記柔軟変形物の変形前後の画像を取得し、
前記撮影手段により取得した画像から、前記柔軟変形物の変位量を求め、この変位量と前記変位付与体の運動方程式を用いて前記柔軟変形物の機械インピーダンスを求めることを特徴とする柔軟変形物の機械インピーダンス計測方法。 Deform the flexible deformation by the displacement imparting body,
Acquire at least images before and after the deformation of the flexible deformation object by the photographing means,
A flexible deformation object characterized in that a displacement amount of the flexible deformation object is obtained from an image acquired by the photographing means, and a mechanical impedance of the flexible deformation object is obtained using the displacement amount and an equation of motion of the displacement imparting body. Mechanical impedance measurement method.
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