JP2023130103A - 形状変化検出センサ、形状演算装置、及び形状演算方法 - Google Patents

Abstract

【課題】荷重等の作用により変形する対象物の形状変化を検出できる形状変化検出センサ、形状演算装置、及び形状演算方法を提供する。【解決手段】計測対象物５０の表面及び該表面下のいずれかに所定の間隔で配設され、外力の作用による伸縮で電気的特性が変化する弾性体６４と、弾性体６４の各々の交点に設けられ、弾性体６４の電気的特性の変化を検出する計測端子Ｍｉと、計測端子Ｍｉに接続された信号線７０を介して入力された弾性体６４における各々の計測端子Ｍｉ間の電気的特性の変化を示す電気信号を測定する測定部１２と、測定部１２で測定された電気的特性に基づいて、外力の作用による計測端子Ｍｉの三次元座標を推定し、当該三次元座標に基づいて、計測対象物５０の内外形状、及び計測端子Ｍｉが配設された位置に作用する力ベクトルを算出する演算部１４と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、荷重等により変形する計測対象物の形状変化を検出するための形状変化検出センサ、形状演算装置、及び形状演算方法に関する。

柔軟なクッションを備えた椅子等は、荷重が作用すると当該荷重に応じて変形する。かかる荷重による変形を定量的に検出することが求められている。

特許文献１には、複数の次元の空間において計測された複数のデータを弾性体の形状データの構成要素と見なし、当該複数のデータをステッチ（接続）することにより形状データを得るデータステッチング装置の発明が開示されている。特許文献１に開示された発明では、形状データを計測対象物の表面を複数の計測パスに沿って計測することによって、ステッチングを行う際に、例えば、計測装置で計測された座標値データ又はカメラ等で撮影された画像データ等を参照している。

特許文献２には、光学式触覚センサを用いた力ベクトル再構成法の発明が開示されている。具体的には、マーカを埋め込んだ透明弾性体の反埋め込み側にＣＣＤカメラを配設し、撮影した映像からマーカの移動情報を検出。検出した移動情報に基づいて算出した移動ベクトルから力ベクトル分布を算出している。

特許文献３には、物質のたわみ特性が材料の角度変化に影響していることに着目して、シートに使用される支持部材の支持力を解析する発明が開示されている。

特許６５０８７２３号公報 特許４２０６０５７号公報 特許５９３７４８２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、光学的な手段で取得した計測対象物の表面形状データを入力して弾性体モデルの解析を行うことから、当該弾性体の表面に荷重を作用させる物体等が存在する場合は表面形状データを得ることが出来ないため、測定可能な条件に大きな制約が生じるおそれがある。

特許文献２に記載の技術は、マーカが埋設可能な計測対象物に適用が限定されることに加え、カメラがマーカを埋設した反対側に配設することを要するので、多様な計測対象物での計測が困難となるおそれがある。

特許文献３に記載の技術は、支持力解析方法であることから、計測対象物から解析片を切り出して測定を行うため、実条件での現象と乖離が生じるおそれがある。更に、計測対象物の内外形状と外力のベクトルを同時に得ることが出来ないため、好適な支持力の解析に難があるという問題があった。

本発明は、上記事情を鑑みて成されたものであり、荷重等の作用により変形する対象物の形状変化を検出できる形状変化検出センサ、形状演算装置、及び形状演算方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る形状変化検出センサは、計測対象物の表面及び該表面下のいずれかに所定の間隔で配設され、外力の作用による伸縮で電気的特性が変化する弾性体と、前記弾性体の各々の交点に設けられ、前記弾性体の電気的特性の変化を検出する計測端子と、前記計測端子に接続された信号線と、を含む。

上記目的を達成するために、請求項２に係る形状演算装置は、計測対象物の表面及び該表面下のいずれかに所定の間隔で配設され、外力の作用による伸縮で電気的特性が変化する弾性体と、前記弾性体の各々の交点に設けられ、前記弾性体の電気的特性の変化を検出する計測端子と、前記計測端子に接続された信号線を介して入力された前記弾性体における各々の計測端子間の電気的特性の変化を示す電気信号を測定する測定部と、前記測定部で測定された電気的特性に基づいて、前記外力の作用による前記計測端子の三次元座標を推定し、該三次元座標に基づいて、前記計測対象物の内外形状、及び前記計測端子が配設された位置に作用する力ベクトルを算出する演算部と、を含む。

請求項３に係る形状演算装置は、前記弾性体は、前記信号線の一部を介して電圧が印加され、前記電気的特性は、前記電圧が印加された際の、前記弾性体において隣接する計測端子の間の抵抗値であり、前記演算部は、三次元座標を推定する対象計測端子と、該対象計測端子に各々隣接する４つの計測端子との間の前記弾性体の抵抗値に基づいて各々算出した距離を半径とし、各々の中心を前記４つの計測端子とする４つの球から選んだ２つの球の交差の複数の組み合わせから各々得られた複数の交線の交点の三次元座標から前記対象計測端子の三次元座標を推定する。

請求項４に係る形状演算装置は、前記演算部は、前記対象計測端子の三次元座標と、前記計測対象物の内外形状を数値モデル化した形状演算モデルとを用いて前記計測対象物の内外形状、及び前記対象計測端子が配設された位置に作用する力ベクトルを演算する。

請求項５に係る形状演算装置は、前記演算部は、所定の時間間隔で記憶部に格納した前記電気信号が示す電気的特性から推定された前記計測端子の三次元座標の時系列での変化に矛盾が生じた場合は、前記矛盾が生じた三次元座標を、矛盾が生じていない三次元座標で内挿補間する。

請求項６に係る形状演算装置は、前記演算部は、前記計測対象物の内外形状の変形モードを予め規定した変形モード規定部を参照して前記計測対象物の内外形状を算出する。

上記目的を達成するために、請求項７に係る形状演算方法は、計測対象物の表面及び該表面下のいずれかに所定の間隔で配設され、外力の作用による伸縮で電気的特性が変化する弾性体の各々の交点に設けられた計測端子により前記弾性体の電気的特性の変化を示す電気信号を測定する工程と、前記測定された電気的特性に基づいて、前記外力の作用による前記計測端子の三次元座標を推定する工程と、該三次元座標に基づいて、前記計測対象物の内外形状、及び前記計測端子が配設された位置に作用する力ベクトルを算出する工程と、を含む。

本発明の形状変化検出センサ、形状演算装置、及び形状演算方法によれば、荷重等の作用により変形する対象物の形状変化を検出できる。

本発明の第１実施形態に係る形状演算装置の構成の一例を示したブロック図である。 演算装置の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る形状演算装置の処理の一例を示したフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る形状演算モデルの概略図である。 （Ａ）は、計測対象物のＡ部位が矢印方向に変形した場合を、（Ｂ）は、形状演算モデルの対応部位Ａ´が計測対象物に追従する形で変形した場合を各々示した説明図である。 形状演算モデルを模式的に展開した状態を示す。 （Ａ）は、変形前の格子形状を、（Ｂ）は、変形後の格子形状を各々示した説明図である。 弾性体の長さと電気抵抗値との関係の一例を示した概略図である。 形状変化検出センサの計測端子の間の電気抵抗を計測する場合の一例を示した説明図である。 結合点についての補正例を示した説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の各々は、３つの球の交線の交点として計測端子の三次元座標を得る説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）の各々は、２つの球の交線の交点として計測端子の三次元座標を得る説明図である。 保存されたデータにおけるデータ矛盾の発生状況の一例を示した概略図である。 本発明の第１実施形態における外力のベクトルの算出についての説明図である。 本発明の第２実施形態に係る形状演算装置の構成の一例を示したブロック図である。 計測対象物の内外形状の変形モードを予め規定した変形モード規定部を用いて計測対象物５０の変形を算出する場合の説明図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る形状演算装置１０の構成の一例を示したブロック図である。形状演算装置１０は、図１に示すように、計測対象物５０の表面又は該表面下に隣接配設された複数の計測端子Ｍｉ（ｉ＝１，２，３，…）及び複数の計測端子同士を結合する弾性体６４を備えた形状変化検出センサ６０と、形状変化検出センサ６０の計測端子Ｍｉに信号接続され、計測端子Ｍｉの出力信号Ｓを測定する測定部１２と、測定部１２と信号接続され、出力信号Ｓに基づいて計測対象物５０の内外形状を演算する演算部１４と、演算部１４の演算に必要なデータ及び演算部１４による演算結果を記憶する記憶部１８と、演算結果を表示・出力する表示・出力部１６から構成されている。

形状変化検出センサ６０は、所定間隔Δｄで配設された計測端子Ｍiと、２つ以上の計測端子Ｍiを結合する弾性体６４と、計測端子Ｍiに接続された信号線７０とを含み、センサ取付固定位置６２で計測対象物５０に固定されることにより、計測対象物５０の表面又は該表面下に配設される。形状変化検出センサ６０の弾性体６４は、伸縮に伴って電気抵抗や静電容量などの電気的特性が変化する、例えば、導電性弾性体等で構成されている。弾性体６４に用いられる導電性弾性体は、後述するように、荷重等が作用して変形すると電気抵抗が変化する特性を有する。弾性体６４の電気抵抗の変化を計測するには、弾性体６４に電圧を印加する必要があり、本実施形態では、信号線７０の一部が弾性体６４への電圧印加のために用いられる。

一方、測定部１２には各弾性体６４の電気抵抗の変化に係る出力信号Ｓが伝送される複数の信号線７０が接続されており、測定部１２は、信号線７０の各々の出力信号Ｓを、所定時間間隔で出力信号Ｓを計測するためのタイマー等により所定時間間隔Δｔで測定する。弾性体６４の電気的特性により検出された電気抵抗の変化に係る出力信号Ｓはアナログ信号なので、測定部１２は、当該アナログ信号が入力される信号入力部を備える。出力信号Ｓを、演算部１４で処理するには、出力信号Ｓがデジタル信号であることを要するので、測定部１２はアナログ信号である出力信号Ｓをデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器をさらに備えている。測定部１２でデジタル信号に変換された出力信号Ｓは、測定部１２の信号出力部から演算部１４に出力される。

図２は、演算部１４の具体的な構成の一例を示すブロック図である。演算部１４は、一種のコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４Ｂ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１４Ａ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１４Ｃ、及び入出力ポート１４Ｄを備える。

演算部１４では、ＣＰＵ１４Ｂ、ＲＯＭ１４Ａ、ＲＡＭ１４Ｃ、及び入出力ポート１４Ｄがアドレスバス、データバス、及び制御バス等の各種バスを介して互いに接続されている。入出力ポート１４Ｄには、各種の入出力機器として、測定部１２、ハードディスク（ＨＤＤ）等である記憶部１８、及び表示・出力部１６等が各々接続されている。

記憶部１８には、出力信号Ｓを基に形状演算を行うための形状演算プログラムがインストールされている。本実施形態では、ＣＰＵ１４Ｂが形状演算プログラムを実行することにより形状演算を実行する。形状演算プログラムは、後述する形状演算モデル２００に基づいて出力信号Ｓに従って計測対象物５０の形状変化を算出する。形状演算時には、形状演算プログラムが記憶部１８からＲＡＭ１４Ｃにロードされ、ＣＰＵ１４Ｂによって実行される。ＣＰＵ１４Ｂは、形状演算プログラムによる処理結果を表示・出力部１６に表示させる。また、出力信号Ｓは時間間隔Δｔ毎に測定部１２から入力された出力信号ＳはＲＡＭ１４Ｃに記憶され、ＣＰＵ１４Ｂにおける形状演算に供される。そして、ＣＰＵ１４Ｂによる形状演算結果は、記憶部１８に保存される。

本実施形態の形状演算プログラムを演算部１４にインストールするには、幾つかの方法があるが、例えば、形状演算プログラムをセットアッププログラムと共にＣＤ－ＲＯＭやＤＶＤ等に記憶しておき、入出力装置であるディスクドライブ等にディスクをセットし、ＣＰＵ１４Ｂに対してセットアッププログラムを実行することにより記憶部１８に形状演算プログラムをインストールする。または、公衆電話回線又はネットワークを介して演算部１４と接続される他の情報処理機器と通信することで、記憶部１８に形状演算プログラムをインストールするようにしてもよい。

次に、演算部１４のＣＰＵ１４Ｂが形状演算プログラムを実行することで実現される各種機能について説明する。形状演算プログラムは、形状演算モデル２００による演算を行う形状演算機能、各々の計測端子Ｍｉの間の距離を比較する比較機能、計測端子Ｍｉの間の距離を補正する補正機能、及び補正した計測端子Ｍｉの間の距離に基づいて推定した計測対象物５０の内外形状を表示・出力部１６に出力する出力機能として機能させる。ＣＰＵ１４Ｂは、形状演算プログラムを実行することにより、形状演算部４０、比較部４２、補正部４４、及び出力部４６として機能する。

図３は、本実施形態に係る形状演算装置１０の処理の一例を示したフローチャートである。ステップＳ１００では、測定部１２から入力された出力信号ＳをメモリであるＲＡＭ１４Ｃに保存する。

現在時刻の出力信号ＳをＲＡＭ１４Ｃに保存した後、ステップＳ１０２では、形状演算モデル２００を用いて内外形状を算出する。図４は、本実施形態に係る形状演算モデル２００の概略図である。図４に示したように、形状演算モデル２００は、図１に示した形状変化検出センサ６０を、例えば、ばねモデル２１０によって等比形状モデル化したものである。形状演算モデル２００は、計測対象物５０上の計測端子Ｍiの配設状況に対応した位置に各ばねモデル２１０の結合点Ｎｉ（ｉ＝１，２，３，…）があり、結合点Ｎｉは計測端子Ｍiをモデル化したものに相当する。また、計測対象物５０におけるセンサ取付固定位置６２と同様の位置が演算空間における固定部位２１２として定義されている。

図５（Ａ）は、計測対象物５０のＡ部位が矢印方向に変形した場合を、図５（Ｂ）は、形状演算モデル２００の対応部位Ａ´が計測対象物５０に追従する形で変形した場合を各々示した説明図である。

図５（Ａ）に示したように、計測対象物５０のＡ部位が矢印方向に変形すると、図５（Ｂ）に示したように、形状演算モデル２００の対応部位Ａ´が計測対象物５０に追従する形で変形する。

図６に形状演算モデル２００を模式的に展開した状態を示す。変形した部位Ａ´近傍のばねモデル２１０が伸縮し、変形前に比べ歪んだ、例えば一辺がＬ_nの格子形状となる。また、格子形状の歪みは部位Ａ´近傍のみならず、広範囲に及ぶ。

図７（Ａ）は、変形前の格子形状を、図７（Ｂ）は、変形後の格子形状を各々示した説明図である。図７（Ｂ）に示したように、変形後の格子の各辺Ｌ₁～Ｌ₄は、各々伸縮する。具体的には、辺Ｌ₁の伸縮量ΔＬ₁は、下記のようになる。

ΔＬ₁＝（初期状態の辺長Ｌ₁）－（ 変形後のＬ₁´）

弾性体６４の変形に係る出力信号Ｓは、各辺の伸縮量ΔＬに対応した値となる。かかる弾性体６４の伸縮は、計測対象物５０の内外形状の変化によって生じるものであり、弾性体６４の伸縮量ΔＬを計測することによって、変形後の格子各辺の長さＬが算出される。ばねモデル２１０において、対応する辺の値を入力して形状演算モデル２００で拮抗状態を演算することによって、計測対象物５０の内外形状が得られる。

図８は、弾性体６４の長さと電気抵抗値との関係の一例を示した概略図である。図８に示したように、弾性体６４の長さが伸びるほど電気抵抗値は増加し、その電気抵抗値は増加する。すなわち、形状演算モデル２０２における結合点Ｎｉに対応した形状変化検出センサ６０の計測端子Ｍｉの間の電気抵抗値が分かれば、その際の弾性体６４の長さが分かる。

図９は、形状変化検出センサ６０の計測端子Ｍ１と計測端子Ｍ２との間の電気抵抗を計測する場合の一例を示した説明図である。図９に示したように、計測端子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の各々は、弾性体６４の電流及び電圧を検出可能なセンサＭ１ａ、Ｍ１ｂ、Ｍ２ａ、Ｍ２ｂ、Ｍ３ａ、Ｍ３ｂを各々備えている。センサＭ１ａ、Ｍ１ｂ、Ｍ２ａ、Ｍ２ｂ、Ｍ３ａ、Ｍ３ｂは、一例としてシャント抵抗等を用いた電流センサと、計測端子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の各々における電圧を計測するためのプローブが設けられており、電流センサ及びプローブの各々には信号線７０（図示せず）が接続されている。計測端子Ｍ２が備える電流センサによって計測端子Ｍ１と計測端子Ｍ２との間の電流Ｉ_2aが検出されると共に、計測端子Ｍ２が備えるプローブによって計測端子Ｍ２の電圧が検出されれば、オームの法則に基づいて、計測端子Ｍ１と計測端子Ｍ２との間の電気抵抗値が算出できる。計測端子Ｍ１と計測端子Ｍ２との間の電気抵抗値の算出は、測定部１２で行ってもよいし、演算部１４で行ってもよい。

しかしながら、出力信号Ｓに電気的なノイズ等が重畳した場合は、弾性体６４の伸縮量ΔＬに誤差が重畳したこととなり、誤差の大きさや重畳した弾性体６４の部位によってはデータ矛盾が生じ、形状演算モデル２００による演算で拮抗状態が得られない、又は内外形状が実際と異なったものになる場合がある。かかるデータ矛盾の回避処理を行うため、演算部１４では出力信号Ｓ_nを時系列でＲＡＭ１４Ｃに保存する。

図３のステップＳ１０４では、各々の計測端子Ｍｉの間の距離を、前回演算した距離と比較する。具体的には、形状演算モデル２００を用いて算出した内外形状の座標と、Δt時刻前で求めた内外形状の座標との差Δｐの絶対値を求める。本実施形態において内外形状の座標の差Δｐの絶対値とは、２つの計測端子Ｍｉの各々座標から算出される距離の差の絶対値である。

前回演算した距離は、ＲＡＭ１４Ｃ又は記憶部１８に記憶されるが、図３に示した処理が最初の場合は、前回演算した距離を０に擬制してもよい。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４で算出した内外形状の座標の差Δｐの絶対値を、予め設定した規定値と比較する。ステップＳ１０６において、内外形状の座標の差Δｐの絶対値が規定値より大きければ手順をステップＳ１０８に移行し、内外形状の座標の差Δｐの絶対値が規定値より小さければ、手順をステップＳ１１４に移行する。ステップＳ１０６での判定に用いる規定値は、計測対象物５０の内外形状の変化を算出する際に許容できる誤差等に基づいて決定する。

内外形状の座標の差Δｐの絶対値が規定値より大きければ、 ステップＳ１０８においてΔｐの演算に関連する出力信号Ｓを隣接弾性体のＳで補正する。補正方法としては、例えば、画像処理などで用いられている平滑化フィルターなどを用いることもできるが、後述するように、本実施形態では、形状演算モデル２００における結合点Ｎ_nを原点とし、半径がＳ_nである複数の球を用いて補正する。

図１０は、結合点Ｎ₀についての補正例を示した説明図である。図１０では、４つの出力信号Ｓ_a、Ｓ_b 、Ｓ_c 、及びＳ_dに基づいて結合点Ｎ₀の三次元座標を算出する。

結合点Ｎ₀の三次元座標は、対応する位置のばねモデル２１０に各出力信号Ｓ_nを入力して、拮抗状態となった際に得られる。従って、各出力信号Ｓ_nに誤差が重畳した場合は、本来とは異なった位置で拮抗状態となり、拮抗時の結合点Ｎ₀の座標が誤差の影響を受ける。

一例としてＳ_dに誤差が重畳した場合を考える。 Ｓ_dに＋（伸び）誤差が生じてＳ_d´となった場合、結合点Ｎ₀の拮抗状態における座標は、誤差が無い場合の拮抗状態座標に対してｘ、ｙ軸座標はＮ₁～Ｎ₂方向に、ｚ軸座標は＋方向に遷移する。

このようなＳ_d´によって生じる結合点Ｎ₀の座標誤差を、関連するＳ_a、Ｓ_b 及びＳ_cを用いて補正する例を以下に示す。

図１０において、結合点Ｎ₀と接続する結合点Ｎ₂、Ｎ₄、Ｎ₅及びＮ₇の座標が既知であるとすると、三角測量法に係る概念を用いることによって結合点Ｎ₀の座標が得られる。例えば、Ｎ₀の座標は、図１１（Ａ）、（Ｅ）に示したように、Ｎ₂を原点とする半径Ｓ_bの球とＮ₄を原点とする半径Ｓ_aの球とＮ₇を原点とする半径Ｓ_dの球の３つの球の交点として得られる。図１１（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示したように３つの球の組み合わせは複数あり、Ｓ_dに誤差が重畳した場合、Ｓ_dを半径とする球が含まれる組み合わせで結合点Ｎ₀の座標を得ることは出来ない。

３つの球に関する方程式を連立して解く方法に対して、２つの球の組み合わせごとに交線を求め、各交線の交点から結合点Ｎ₀を求める方法がある。具体的には、三次元座標を推定する対象である結合点Ｎ₀と、対象である結合点Ｎ₀に各々隣接する４つの結合点との間の弾性体６４の抵抗値に基づいて各々算出した距離を半径とし、各々の中心を前述の４つの結合点とする４つの球を想定する。そして、想定した４つの球から選んだ２つの球の交差の複数の組み合わせから各々得られた複数の交線の交点の三次元座標から結合点Ｎ₀の三次元座標を推定する。

図１２は、２つの球の組み合わせを例示した説明図である。図１２（Ｇ）に示したように、２つの球が交差すると、交線９０が生じる。図１２において、図１２（Ｅ）、及び図１２（Ｆ）の場合を除けば、出力信号Ｓに一定の大きさの誤差が重畳した場合でも図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示したように、交線８２、８４、８６、８８が得られる。よって得られた複数の交線の交点を結合点Ｎ₀ とすることによって、データ矛盾が生じた場合でも尤もらしい座標を得ることができる。このような一連の処理は、データ矛盾に対する空間的な補正処理である。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１０８での空間的な補正処理に対して、時間的な補正処理も行う。演算部１４では出力信号Ｓ_nを時系列で保存しており、保存する際の時間間隔はΔｔである。

図１３は、保存されたデータにおけるデータ矛盾の発生状況の一例を示した概略図である。図１３に示したＣａｓｅ１では、データ矛盾が発生しておらず、各時刻で得られた結合点Ｎ_nの座標を用いて、計測対象物５０の内外形状の変化を得ることができる。

しかしながら、Ｃａｓｅ２では時刻ｔ_n＋1においてデータ矛盾が発生している。本実施形態におけるデータ矛盾とは、一例として、ある時刻ｔ_nで得られた出力信号Ｓ_nに基づいて推定された計測端子Ｍｉの三次元座標と、後続する時刻ｔ_n+１で得られた出力信号Ｓ_n+1に基づいて推定された計測端子Ｍｉの三次元座標との乖離が所定値以上の場合である。当該所定値は、計測対象物５０の内外形状の変化を算出する際に許容できる誤差等に基づいて決定する。本実施形態では、時刻ｔ_n＋1においては、ステップＳ１０８における空間的な補間処理を行って、尤もらしい座標を得ている。さらに本実施形態では、時刻ｔ_nと時刻ｔ_n+2とでは、データ矛盾が発生していないことから、これらの時刻で得られた座標を用いて、時刻ｔ_n+1における座標を内挿補間する。さらに内挿補間して得られた座標と、ステップＳ１０８での空間的な補間処理を行って求めた座標とを用いて補正を行う。補正方法としては、両者の中間座標を補正座標とする方法、又はいずれかの補正値に重みを設けて補正を行う方法等がある。

なお、Ｃａｓｅ３のようにデータ矛盾が連続して発生した場合においても、Ｃａｓｅ２の場合と同様に内挿補間を行う。

ステップＳ１１２では、補正したデータに基づき、演算部１４において形状演算モデル２００を用いて計測対象物５０の内外形状を演算する。

図１４は、本実施形態における外力のベクトルの算出についての説明図である。本実施形態で算出される外力のベクトルは、図１４に示したように時刻ｔ_nにおける結合点Ａの座標と時刻ｔ_n+1における座標の差分から得られる。従って、結合点ＡからＡ´への時間変位は、結合点Ａに作用した外力によるものであり、各軸方向の移動量Δｘ（＝Ｆx）、Δｙ（ｚ＝Ｆy）、Δｚ（＝Ｆz）は各軸方向に作用した外力に対応する。従って、計測対象物５０の内外変形と作用した外力のベクトルＦを同時に得ることができる。

ステップＳ１１４では、ステップＳ１１２で計測対象物５０の内外形状を算出した後、案出結果を表示・出力部に演算結果を出力して処理を終了する。

以上説明したように、本願実施形態によれば、計測端子Ｍiと弾性体６４とで構成された形状変化検出センサ６０によって、従来困難であった計測対象物５０に物体が接触して当該物体の荷重等に係る外力が作用している状態における計測対象物５０の内外形状を電気的信号として得ることができる。

外力が作用した際に計測対象物５０である弾性体の内外形状が外力の大きさや向きに応じて変化する。計測端子Ｍｉを計測対象物の所定位置に配設し、該計測端子Ｍｉを弾性体６４で結合することによって、計測端子Ｍｉ間の相対位置を電気的特性として得ることができ、計測対象物５０の内外形状の変化に応じた電気的特性を得ることができる。

また、計測端子Ｍｉの配設位置の三次元座標を結ぶことによって計測対象物５０の内外形状が得られるので、当該電気的特性を所定時間ごとに繰り返し計測することによって、計測対象物５０の内外形状の時間変化を得ることができる。また、計測端子Ｍｉの三次元座標の変化は、計測対象物５０に作用する外力によって生じることから、繰り返し計測された際の当該三次元座標の変化方向及び変化量は作用した外力のベクトルに対応し、計測対象物５０に作用した外力のベクトル分布の時間変化を得ることができる。

以上のように、計測端子Ｍｉを計測対象物５０に配設し、計測端子間の電気的特性を基に、従来技術では複数の計測手段を用いなければ得られなかった、計測対象物５０の内外形状と作用した外力のベクトルを同時に得ることが出来るといった優れた効果が得られる。

一般に計測対象物５０に外力が作用する場合は、外力を作用させる物体とは接触状態にある。このため、光学的な手段による計測装置では、接触面の形状変化を得ることが困難になる。

しかしながら、本実施形態に係る形状演算装置１０では、計測対象物５０に配設した計測端子Ｍｉを結合する弾性体６４から得られる電気的特性を基に演算処理を行うことから、物体との接触状態にあっても、カメラ映像などの死角のように計測条件によって測定が困難となることがなく、多様な計測条件で計測対象物５０の内外形状を得ることが可能となる。

また、弾性体６４の電気特性の時間履歴を用いて弾性体数値モデル（形状演算モデル）による計測対象物の内外形状演算を行って空間と時間とに対するデータの連続性を担保することにより、電気的特性に誤差が重畳した場合でも、内外形状の演算誤差を低減する。

本実施形態では、計測された電気的信号に誤差が重畳した場合においても、空間的な補間処理と時間的な補間処理とを併せて行うことによって誤差の影響を低減し、計測誤差に対するロバスト性が高くなり、高精度な内外形状を得ることが可能となる。

なお、空間的な補間処理と時間的な補間処理とは、いずれか一方を行うようにしてもよい。空間的な補間処理のみであっても、時間的な補間処理のみであっても、出力信号Ｓに重畳された誤差を補正することができる。

［第２実施形態］
続いて本発明の第２実施形態について説明する。図１５は本実施形態に係る形状演算装置１００の構成の一例を示したブロック図である。本実施形態に係る形状演算装置１００は、第１実施形態に係る形状演算装置１０とは、変形モード規定部１１６をさらに備え、演算部１１４が変形モード規定部１１６を用いた形状演算を行う点で相違するが、その他の構成は第１実施形態と同一なので、第１実施形態と同一の形態については、第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態では、計測端子Ｍｉで計測した出力信号Ｓを用いて形状演算モデル２００で計測対象物５０の内外形状を演算する際に、変形モードの規定を行う変形モード規定部１１６を含めて構成される。変形モード規定部１１６は、演算部１４と信号線で接続されており、演算部１４から出力される内外形状の演算結果を入力信号として、変形モード規定信号を演算部１４に出力する。

変形モード規定部１１６で行う処理を、図１６を用いて説明する。弾性体６４の初期の結合状態がＡ－Ｂ－Ｃであり、弾性体６４の伸びによって出力信号ＳがＳ´に変化すると、変形状態は結合状態Ａ－Ｅ－Ｃ又は結合状態Ａ－Ｆ－Ｃとなる。形状演算モデル２００による演算でいずれの変形状態となるかは、例えば、アナログ信号であった出力信号Ｓをデジタル信号に変換した際の量子化誤差など不確定な要因で決まる。従って、予め誤差要因の影響を回避するために、変形モードを規定する必要がある。

図１６においては、結合点Ｂに外力Ｆが－ｚ軸方向にのみ作用しているとすると、結合点Ｂは－ｚ軸方向へのみ移動し、結合状態Ａ－Ｅ－Ｃは生じない。従って、形状演算モデル２００での演算結果が結合状態Ａ－Ｅ－Ｃであった場合は、結合状態Ａ－Ｆ－Ｃを演算結果として出力するように変形モード規定信号を演算部１４に出力する。

以上説明したように、本実施形態によれば、計測対象物５０の内外形状の変形モードを予め規定した変形モード規定部１１６により、計測対象物５０の変形を正しく算出することができる。

なお、上記各実施形態でＣＰＵがソフトウェア（プログラム）を読み込んで実行した形状演算処理を、ＣＰＵ以外の各種のプロセッサが実行してもよい。この場合のプロセッサとしては、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の製造後に回路構成を変更可能なＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、及びＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が例示される。また、形状演算処理を、これらの各種のプロセッサのうちの１つで実行してもよいし、同種又は異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡ、及びＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ等）で実行してもよい。また、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路である。

また、上記各実施形態では、形状演算プログラムがＲＯＭまたはストレージに予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、これに限定されない。プログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリ等の非一時的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）記録媒体に記録された形態で提供されてもよい。また、プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。

１０ 形状演算装置
１２ 測定部
１４ 演算部
１６ 表示・出力部
１８ 記憶部
５０ 計測対象物
６０ 形状変化検出センサ
６２ センサ取付固定位置
６４ 弾性体
７０ 信号線
８２、８４、８６、８８、９０ 交線
１００ 形状演算装置
１１４ 演算部
１１６ 変形モード規定部
２００ 形状演算モデル
２０２ 形状演算モデル
２１０ ばねモデル
２１２ 固定部位

Claims (7)

1. 計測対象物の表面及び該表面下のいずれかに所定の間隔で配設され、外力の作用による伸縮で電気的特性が変化する弾性体と、
   前記弾性体の各々の交点に設けられ、前記弾性体の電気的特性の変化を検出する計測端子と、
   前記計測端子に接続された信号線と、
   を含む形状変化検出センサ。
2. 計測対象物の表面及び該表面下のいずれかに所定の間隔で配設され、外力の作用による伸縮で電気的特性が変化する弾性体と、
   前記弾性体の各々の交点に設けられ、前記弾性体の電気的特性の変化を検出する計測端子と、
   前記計測端子に接続された信号線を介して入力された前記弾性体における各々の計測端子間の電気的特性の変化を示す電気信号を測定する測定部と、
   前記測定部で測定された電気的特性に基づいて、前記外力の作用による前記計測端子の三次元座標を推定し、該三次元座標に基づいて、前記計測対象物の内外形状、及び前記計測端子が配設された位置に作用する力ベクトルを算出する演算部と、
   を含む形状演算装置。
3. 前記弾性体は、前記信号線の一部を介して電圧が印加され、
   前記電気的特性は、前記電圧が印加された際の、前記弾性体において隣接する計測端子の間の抵抗値であり、
   前記演算部は、三次元座標を推定する対象計測端子と、該対象計測端子に各々隣接する４つの計測端子との間の前記弾性体の抵抗値に基づいて各々算出した距離を半径とし、各々の中心を前記４つの計測端子とする４つの球から選んだ２つの球の交差の複数の組み合わせから各々得られた複数の交線の交点の三次元座標から前記対象計測端子の三次元座標を推定する請求項２に記載の形状演算装置。
4. 前記演算部は、前記対象計測端子の三次元座標と、前記計測対象物の内外形状を数値モデル化した形状演算モデルとを用いて前記計測対象物の内外形状、及び前記対象計測端子が配設された位置に作用する力ベクトルを演算する請求項３に記載の形状演算装置。
5. 前記演算部は、所定の時間間隔で記憶部に格納した前記電気信号が示す電気的特性から推定された前記計測端子の三次元座標の時系列での変化に矛盾が生じた場合は、前記矛盾が生じた三次元座標を、矛盾が生じていない三次元座標で内挿補間する請求項２～４のいずれか1項に記載の形状演算装置。
6. 前記演算部は、前記計測対象物の内外形状の変形モードを予め規定した変形モード規定部を参照して前記計測対象物の内外形状を算出する請求項２～５のいずれか１項に記載の形状演算装置。
7. 計測対象物の表面及び該表面下のいずれかに所定の間隔で配設され、外力の作用による伸縮で電気的特性が変化する弾性体の各々の交点に設けられた計測端子により前記弾性体の電気的特性の変化を示す電気信号を測定する工程と、
   前記測定された電気的特性に基づいて、前記外力の作用による前記計測端子の三次元座標を推定する工程と、
   該三次元座標に基づいて、前記計測対象物の内外形状、及び前記計測端子が配設された位置に作用する力ベクトルを算出する工程と、
   を含む形状演算方法。