JP4856677B2 - 質感測定装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は質感測定装置及びその方法に関し、更に詳細には、物体の表面情報を得るために、物体に作用する表面力を用いて物体表面の触覚情報を得ることができる質感測定装置及びその方法に関する。

一般に、仮想空間において現実であるかのように感じられるように実感性を持たせる技術を総じてＴＩ（Ｔａｎｇｉｂｌｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）といい、人間、仮想現実、および実世界が結合しながら形成された新たな概念の空間をタンジブルスペース（Ｔａｎｇｉｂｌｅ Ｓｐａｃｅ）という。

前記のようなタンジブルスペースを実現するためには、実際の生活空間の投影及び反映が何よりも重要である。ところが、コンピュータで実現されるサイバー空間において人間が実際感を味わうためには、多様な感覚に必要な刺激が同時に与えられなければならない。即ち、視覚、触覚、聴覚など複雑な感覚が互いに融合して感じられるようにしなければならない。人間は、通常視覚を通じて周囲の物体及び環境を認識するため、視覚センサにより提供される情報は、物体を形状化したり、認識したりすることができる重要な情報の１つである。しかしながら、物体表面の質感や局部的な形状は視覚センサのみでは認識し難いので、このような場合、手で物体を触って不十分な情報を補充するか、新たな情報を得なければならない。

従って、視覚センサから得られる情報は、未知の世界に対する３次元データを復元して仮想空間に提供することで、仮想空間を構成できるようにするものの、それだけでは不十分である。例えば、暗い所や照明の状態が良くない環境で視覚センサだけで物体を正確に認識することは不可能である。また、視野が遮られている物体の背面は新しいカメラを設置するか、内部を探知できる特殊なレーダなどの装置を用いない限り、全く認識できない。更に、物体表面の質感や局部的な形状は視覚のみでは認識し難い。

従って、精巧なタンジブルスペースの技術を開発するためには、視覚情報のみならず、現実世界の触感に関する情報を通じて人間の刺激及び行為を実現化する技術が何よりも重要である。特に、現実世界の物体の材質感及び局部的な形状などを感知して実感情報を提供できる触覚センサの開発は、タンジブルスペースを実現するための最も基本的な研究であると言える。

ところが、従来技術では物体の質感（表面粗さ）を測定するために、光学カメラを用いて物体の表面を形状化することで、視覚的な情報のみを用いて物体の表面質感を測定するため、精度に限界がある。また、物体の表面にレーザを放射してレーザの回帰情報から物体の表面情報を測定する方法があるが、これも質感の測定において精度に限界がある。

一方、物体表面などの触覚情報を提供するために、多数の触覚センサが開発されているが、このような触覚センサは、価格、信頼性、構造の複雑性などにより多くの制限がある。また、従来の触覚センサを用いた研究は、物体形状の静的な認識を実現することに集中されてきた。そのため、従来の技術は物体の接触位置や接触力の表現は可能であるが、表面粗さによる動的な変化、即ち、材質感を表現するには適していない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、立体的、かつ、精密な物体の質感を表現でき、接近が困難な狭い空間でも便利に使用できるようにコンパクトで、かつ汎用性を有する質感測定装置及びその方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、物体の表面を移動しながら前記物体の表面情報を測定する質感測定装置であって、前記物体の表面を移動する間に前記物体に接触する探針子と、前記探針子に設置されて前記探針子に作用する垂直方向力を感知する第１センサ部と、前記探針子の後方に設置されて前記探針子に作用する長手方向の力を感知する第２センサ部と、前記第１センサ部と第２センサ部との間に設置されて前記探針子に作用する力の変化量を感知する第３センサ部とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、物体の表面情報を測定する質感測定装置であって、円筒形本体と、前記本体の先端に固定される筐体と、前記円筒形本体の中央軸に沿って前記筐体の中央に設置される棒状の探針子と、前記探針子に配置されて前記探針子に作用する垂直方向力を感知するひずみゲージと、前記探針子の後方に設置されて前記探針子に作用する長手方向の力を感知する力センサと、前記ひずみゲージと力センサとの間に設置されて前記探針子に加えられる力の変化量を感知する１つ以上の圧電フィルムとを備えることを特徴とする。

更に、本発明は、物体の表面情報を測定する質感測定方法であって、前記物体の表面に探針子を接触して移動させる段階と、前記探針子に作用する探針子の長手方向に対して垂直方向の力、長手方向の力、及びこの力の変化量に応じたそれぞれの信号を発生させる段階とを含むことを特徴とする。

本発明による質感測定装置によれば、物体の静的表面力と動的表面力の両方を測定して、より精密、かつ、実感的な物体表面粗さを測定することができ、コンパクトに構成されて接近が困難な狭い空間でも容易に使用できるという効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態による質感測定装置を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態による質感測定装置の使用状態図であり、図２は、図１に示す質感測定装置の分解斜視図であり、図３は、図１に示す質感測定装置の部分側面図である。

まず、図１を参照すると、本発明の実施形態による質感測定装置１００は、ユーザが握り易いようにペンタイプの構造からなる。このために、前記質感測定装置１００は、円筒形本体１０を含み、この円筒形本体１０の先端に物体と直接接触する探針子２０を突出す構造を有する。

図２及び図３を参照して、より具体的に本発明の実施形態による質感測定装置１００を説明すると、前記本体１０内に固定される筐体３０、探針子２０に設置される第１センサ部４０、探針子２０の後方に設置される第２センサ部５０、及び前記探針子２０と前記第２センサ部５０との間に設置される第３センサ部６０を含む。

円筒形本体１０は、ノイズの発生を抑止するために、その内部に銅からなる内皮層１１を備える。本体１０はプラスチックからなることができ、その断面形状はユーザが握り易いように円形で形成される。しかしながら、その断面形状は必ずしも円形に限定されず、四角形など多様に変形され得る。

前記本体１０の内部には前記第１センサ部４０、第２センサ部５０、及び第３センサ部６０から発生した信号を制御する回路部７０が装着される。図示してはいないが、前記第１センサ部４０、第２センサ部５０、及び第３センサ部６０は、前記回路部７０に複数の電線で連結される。

そして、筐体３０は前記本体１０の先端に挿入されてボルトのような締結部材（図示せず）を用いて固定される。前記筐体３０は、円環台３１、及びこの円環台３１の両側外周面から後方に延びた一対の翼部３２を含む。各翼部３２の終端にはスロット３３が形成される。

また、筐体３０の前方には中央にホールが形成されている円板状のベアリング３４が固定されて探針子２０の軸方向への移動は許容し、半径方向への移動を拘束する。

探針子２０は、円筒形本体１０の中心軸に沿って延びた棒状に形成され、ベアリング３４の穴を貫通して筐体３０の中心に設置される。探針子２０は後端部にプレス板２１を備え、後述する第３センサ部６０を均一に加圧できるようにする。前記プレス板２１は長方形に形成することが好ましいが、その形状は円形など多様に変形され得る。

そして、探針子２０には探針子２０の長手方向（図３においてＹ軸方向）に対して垂直な方向（図３においてＸ軸方向）に作用する力を感知する第１センサ部４０が設置される。前記第１センサ部４０はひずみゲージからなることができ、このひずみゲージは探針子２０の片側表面に取り付けられる。一方、探針子２０はひずみゲージの取り付けが容易なように１つ以上の平面部２２を備えることができる。一例として、平面部２２は４つ形成されることができる。

また、前記ひずみゲージは、探針子２０の変形を精密に感知できるように一対取り付けられ得るが、このとき、一対のひずみゲージは可能な限り隣接した平面部にそれぞれ１つずつ取り付けることが好ましい。

そして、プレス板２１の後方には探針子２０の長手方向に作用する力を感知する第２センサ部５０が設置される。前記第２センサ部５０としては、公知の力センサが使用され得る。第２センサ部５０は固定プレート５１の片面上に固定され、固定プレート５１の両側面には前記筐体３０の翼部３２が設置される定着溝５２が形成される。

定着溝５２が形成されている固定プレート５１の側面にはボルト５３が挿入されるボルト孔５４が形成される。従って、筐体３０の翼部３２を固定プレート５１の定着溝５２に設置した後、ボルト５３を、スロット３３を介してボルト孔５４に挿入してから締め付けると、筐体３０と固定プレート５１とが互いに結合される。

また、前記プレス板２１と第２センサ部５０との間には探針子２０の長手方向とその長手方向に垂直な方向に加えられる力の変化量を感知する第３センサ部６０が設置される。第３センサ部６０は作用する力が変化した場合、電圧を発生させる圧電フィルムからなることができ、前記圧電フィルムはポリビニリデンフルオライド（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ；ＰＶＤＦ）であっても良い。

第３センサ部６０は、バンパー６１上に設置されるが、外部の衝撃から保護するために、例えば、シリコンからなる保護層６２で覆われても良い。

そして、第３センサ部６０は、保護層６２内に複数埋設されても良く、このとき、第３センサ部６０は探針子２０の長手方向に配置されるもの６０Ａと、探針子２０の長手方向に垂直な方向に配置されるもの６０Ｂのいずれを含んでも良い。これは探針子２０の長手方向に作用する力と、その垂直方向に作用する力の変化量の両方を感知するためである。

最後に、中央に貫通孔８１が形成されているカバー８０は、前記本体１０に固定されて探針子２０を除いたあらゆる構成部品を外部から保護する。

図４は、本発明の他の実施形態による質感測定装置の部分斜視図である。本実施形態による質感測定装置２００は、前述した実施形態とは異なるベアリング９０を備える。従って、ベアリング９０を除いた残りの構成要素には、前述した実施形態と同じ図面符号を付す。

以下、上記の実施形態についての詳細な説明は、簡略化のために省略する。

前記ベアリング９０は、探針子２０と円環台３１との間に設置され、円周方向に形成されている切り取り部９１を備えることで、弾性を有する。ベアリング９０は、探針子２０が長手方向に力を受ける場合、探針子２０の長手方向への移動を許容しながら変形される。このとき、探針子２０に加えられた力が除去されると、ベアリング９０は復元力により探針子２０が元の位置に戻るように支援する。即ち、ベアリング９０はバネのような弾性を利用して探針子２０を支持する。

図５は、本発明の実施形態による質感測定装置の回路部を示す斜視図であり、図６は、本発明の実施形態による質感測定装置の信号の流れを示すブロック図である。

以下、上述した本発明の実施形態による質感測定装置の作用について説明する。

図２、図４、図５及び図６を参照すれば、質感測定装置１００又は２００の探針子２０を物体の表面に置いた後に移動させると、探針子２０は所定の力を受けながら変形される。ここで、探針子２０が受ける力は探針子２０の長手方向に作用する力（以下、「長手方向の力」という）と、その長手方向に対して垂直な方向の力（以下、「垂直方向力」という）とに分解される。

第１センサ部４０は、探針子２０の垂直方向力による歪み変形を感知することで、垂直方向力を測定する。第１センサ部４０としてひずみゲージを用いる場合、第１センサ部４０は前記歪み変形によるひずみゲージの抵抗変化に応じた電圧信号を発生させる。このような電圧信号は、公知のホイートストンブリッジ回路を用いて発生させることができる。このように発生した信号は、第１増幅器７１により増幅される。

また、第２センサ部５０は、探針子２０のプレス板２１により加えられる長手方向の力を感知して電圧信号を発生させる。この電圧信号は、第２増幅器７２により増幅される。第２増幅器７２としては、差動増幅器が用いられ得る。

更に、第３センサ部６０は、探針子２０のプレス板２１により加えられる力の変化量を感知する。即ち、第３センサ部６０は絶対的な力の大きさを測定するのではなく、力が変化する程度を感知する。従って、第３センサ部６０は一定の大きさの力が作用する場合は、いかなる信号も発生させない。前述したように、第３センサ部はＰＶＤＦ圧電フィルムを用いることができる。前記ＰＶＤＦ圧電フィルムは、力の大きさが変化する場合、電圧を発生させる。このように、発生した電圧信号は第３増幅器７３により増幅される。第３増幅器７３としては、電荷増幅器が用いられ得る。

前記第１増幅器７１、第２増幅器７２、及び第３増幅器７３により増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換器７４によりデジタル信号に変換される。変換されたデジタル信号はブルートゥースモジュール７５により無線通信でコンピュータで具現できる算出部３００に伝送される。本実施形態による質感測定装置１００または２００は、無線通信により信号をサーバコンピュータに伝送したが、本発明はこれに限定されず、有線通信により信号を伝送してもよい。

無線通信の場合、Ａ／Ｄ変換時の標本化率（ｓａｍｐｌｉｎｇ ｒａｔｅ）は３ｋＨｚに制限されるが、神経生理学によれば、触覚情報は低周波振動信号によって伝送されることが知られており、他の触覚センサの研究でも１ｋＨｚより低い標本化率を用いている。従って、３ｋＨｚのＡ／Ｄ変換も十分に精密であると言える。ただし、有線通信の場合は前記のような制限はなく、高い標本化率（例えば、２５ｋＨｚ）を用いることができる。

算出部３００は、伝送された信号に基づいて探針子２０の垂直方向力、長手方向の力及び力の変化量を計算する。前記垂直方向力と長手方向の力に基づいて物体表面の摩擦係数を計算することができ、このようなデータを基に表面粗さを評価できる。

一方、質感測定装置１００又は質感測定装置２００が表面に垂直に位置する場合、探針子４０の垂直方向力は表面の接線方向力と同一であり、探針子４０の長手方向の力は表面の垂直方向力と同一である。従って、この時は前記第１センサ部４０と第２センサ部５０で感知された垂直方向力と長手方向の力をそのまま利用して表面の摩擦係数を測定できる。しかしながら、もし質感測定装置１００又は質感測定装置２００が表面の法線に対して所定角度で傾いている場合は、前記第１センサ部４０と第２センサ部５０で感知された垂直方向力と長手方向の力を補正しなければならない。

以下、本発明の実施形態による質感測定装置１００を用いて物体の表面情報を測定した実験結果について説明する。

図７は、本発明の実施形態による質感測定装置をマウスパッド上に移動させた時に測定された表面力の結果を示す図であり、図８は、本発明の実施形態による質感測定装置を粗い布上に移動させた時に測定された表面力の結果を示す図である。

即ち、図７及び図８は、本発明の実施形態による質感測定装置１００をマウスパッド及び粗い布上にそれぞれ３回ずつ移動させた時に測定された表面力の結果をグラフで示すものである。第１列のグラフは１回目の測定に対する表面力の結果を示し、第２列のグラフは２回目の測定に対する表面力の結果を示し、第３列のグラフは３回目の測定に対する表面力の結果を示す。

ここで、表面の摩擦係数（μ）は、表面の接線方向力と表面の垂直方向力を用いて求めたものである。

図７及び図８を参照すれば、粗い布の摩擦係数（μ）がマウスパッドの摩擦係数より大きく、粗い布の摩擦係数（μ）の変化がマウスパッドの摩擦係数の変化より大きくなることが確認できる。これは粗い布の表面が繊維組織により、マウスパッドの表面より若干粗いことを意味する。

前記では、摩擦係数（μ）を用いて物体の表面粗さを確認することについて説明したが、本発明の実施形態による質感測定装置は、第３センサ（ＰＶＤＦ圧電フィルム）により物体に作用する表面力の動的応答も測定できる。

図９は、本発明の実施形態による質感測定装置にステップ入力（ｓｔｅｐ ｉｎｐｕｔ）を加えた時に測定された出力を示す図であり、図１０は、本発明の実施形態による質感測定装置をマウスパッド上で叩いた時に測定された出力を示す図であり、図１１は、本発明の実施形態による質感測定装置を硬い机の上で叩いた時に測定された出力を示す図である。

図９を参照する。表面の垂直方向力は、単位応答が加えられる間に一定の値を表すが、ＰＶＤＦの出力は単位応答が始まる地点と、終わる地点、即ち、力が変化する地点で所定のピーク値を表す。従って、本発明の実施形態による質感測定装置１００を物体の表面に接触しながら移動させる場合、表面が変化して探針子２０に加えられる力が変化すれば、第３センサ部６０はこれを感知して信号を発生する。

図１０及び図１１は、それぞれマウスパッド及び机の上に本発明の実施形態による質感測定装置を叩いた場合のＰＶＤＦ出力と表面の垂直方向力を示す。

図１０及び図１１から分かるように、硬い机の上を叩いた場合のＰＶＤＦ出力のピーク値と表面の垂直方向力のピーク値が、マウスパッド上を叩いた場合のＰＶＤＦ出力のピーク値と表面の垂直方向力のピーク値より大きいことが分かる。このような結果は、マウスパッドの質感が机より軟らかいことに起因するものと見られる。

図１２は、本発明の実施形態による質感測定装置をテープが等間隔で貼り付けられている机の上に移動させる時に測定された出力を示す図である。

図１２を参照すれば、Ａ区間（軟らかいテープを通る区間）からＢ区間（机の上を通る区間）に変更する地点でＰＶＤＦ出力値はピークを表すことが確認できる。また、表面の垂直方向力もＡ区間とＢ区間との間地点Ｃで強い応答を表すことが確認できる。このように、圧電フィルムのような第３センサ部６０により、本発明の実施形態による質感測定装置は表面の動的応答を求めることができ、物体の表面質感をより精密に測定できる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。

本発明の実施形態による質感測定装置の使用状態図である。 図１に示す質感測定装置の分解斜視図である。 図１に示す質感測定装置の部分側面図である。 本発明の他の実施形態による質感測定装置の部分斜視図である。 本発明の実施形態による回路部を示す斜視図である。 本発明の実施形態による質感測定装置の信号の流れを示す模式図である。 本発明の実施形態による質感測定装置をマウスパッド上で移動させた時に測定された表面力の結果を示す図である。 本発明の実施形態による質感測定装置を粗い布上で移動させた時に測定された表面力の結果を示す図である。 本発明の実施形態による質感測定装置にステップ入力を加えた時に測定された出力を示す図である。 本発明の実施形態による質感測定装置でマウスパッド上を叩いた時に測定された出力を示す図である。 本発明の実施形態による質感測定装置で硬い机の上を叩いた時に測定された出力を示す図である。 本発明の実施形態による質感測定装置を、テープが等間隔で貼り付けられている机の上で移動させる時に測定された出力を示す図である。

Claims (23)

1. 物体の表面を移動しながら前記物体の表面情報を測定する質感測定装置であって、
   前記物体の表面を移動する間に前記物体に接触する棒状の探針子と、
   前記探針子の側面に設置されて前記探針子に作用する探針子の長手方向に対して垂直方向の力を感知する第１センサ部と、
   前記探針子の後端部に対向する位置に配置されて前記探針子に作用する長手方向の力を感知する第２センサ部と、
   前記後端部と前記第２センサ部との間に設置されて前記探針子に作用する力の変化量を感知する第３センサ部と、
   前記探針子を支持するベアリングと、
   を備え、
   前記ベアリングは、前記探針子の長手方向の移動を許容しながら弾性を有し、
   前記ベアリングは少なくとも片側に切り取り部を有し、前記探針子に加えられた力が除去される際に前記探針子を元の位置に戻すことを特徴とする質感測定装置。
2. 前記第１センサ部は、ひずみゲージからなることを特徴とする請求項１に記載の質感測定装置。
3. 前記第３センサ部は、圧電フィルムからなることを特徴とする請求項１に記載の質感測定装置。
4. 前記圧電フィルムは、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）であることを特徴とする請求項３に記載の質感測定装置。
5. 前記圧電フィルムは、保護層で覆われていることを特徴とする請求項３に記載の質感測定装置。
6. 前記保護層は、シリコンを含むことを特徴とする請求項５に記載の質感測定装置。
7. 前記プローブに作用する力を用いて物体の表面の摩擦係数を計算し、前記力の変化を用いて物体の表面の動的応答を計算する計算部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の質感測定装置。
8. 物体の表面情報を測定する質感測定装置であって、
   円筒形本体と、
   前記円筒形本体の先端に固定される筐体と、
   前記円筒形本体の中央軸に沿って前記筐体の中央に設置される棒状の探針子と、
   前記探針子の側面に設置されて前記探針子に作用する探針子の長手方向に対して垂直方向の力を感知するひずみゲージと、
   前記探針子の後端部に対向する位置に配置されて前記探針子に作用する長手方向の力を感知する力センサと、
   前記後端部と前記力センサとの間に設置されて前記探針子に加えられる力の変化量を感知する１つ以上の圧電フィルムと、
   を備え、
   前記本体には前記探針子を支持するベアリングが設置され、
   前記ベアリングは、前記探針子の長手方向の移動を許容しながら弾性を有し、
   前記ベアリングは少なくとも片側に切り取り部を有し、前記探針子に加えられた力が除去される際に前記探針子を元の位置に戻すことを特徴とする質感測定装置。
9. 前記探針子は、その後端にプレス板を備えることを特徴とする請求項８に記載の質感測定装置。
10. 前記切り取り部は、前記ベアリングの円周方向に沿って形成されることを特徴とする請求項８に記載の質感測定装置。
11. 前記筐体は、
    円環台と、
    前記円環台の両側に前記円環台の外周面から後方に突出する一対の翼部と、
    を備えることを特徴とする請求項８に記載の質感測定装置。
12. 前記力センサは、翼部が位置する定着溝を有する固定プレート上に配置され、
    前記固定プレートは、前記翼部が置かれる定着溝を備えること、
    を特徴とする請求項１１に記載の質感測定装置。
13. 前記各翼部の先端にはスロットが形成され、前記各定着溝にはボルトが挿入されるボルト孔が形成されて前記筐体と固定プレートが前記ボルトにより結合されることを特徴とする請求項１２に記載の質感測定装置。
14. 前記圧電フィルムは、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなることを特徴とする請求項８に記載の質感測定装置。
15. 前記圧電フィルムは、シリコン層により保護されることを特徴とする請求項１４に記載の質感測定装置。
16. 前記圧電フィルムのうち、一部は前記探針子の長手方向に配置され、残りの一部は前記探針子の長手方向に垂直な方向に配置されることを特徴とする請求項１５に記載の質感測定装置。
17. 前記円筒形本体は、その内面にノイズの発生を防止する内皮層を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の質感測定装置。
18. 前記内皮層は、銅からなることを特徴とする請求項１７に記載の質感測定装置。
19. 物体の表面情報を測定する質感測定方法であって、
    前記物体の表面に棒状の探針子を接触して移動させる段階と、
    前記探針子が物体の表面から移動する間、前記探針子の長手方向の移動を許容しながら弾性を有するベアリングにより前記探針子を支持する段階と、
    前記探針子に作用する探針子の長手方向に対して垂直方向の力に応じた信号を、前記探針子の側面に設置された第１センサ部により発生させ、前記長手方向の力に応じた信号を前記探針子の後端部に対向する位置に配置された第２センサ部により発生させ、及び前記探針子に作用する力の変化量に応じた信号を前記後端部と前記第２センサ部との間に設置された第３センサ部により発生させる段階と、
    を含み、
    前記ベアリングは少なくとも片側に切り取り部を有し、前記探針子に加えられた力が除去される際に前記探針子を元の位置に戻すことを含む質感測定方法。
20. 前記第１センサ部は、ひずみゲージであることを特徴とする請求項１９に記載の質感測定方法。
21. 前記第２センサ部は、力センサであることを特徴とする請求項１９に記載の質感測定方法。
22. 前記第３センサ部は、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる圧電フィルムであることを特徴とする請求項１９に記載の質感測定方法。
23. 前記探針子に作用する力を用いて物体の表面の摩擦係数を計算し、前記力の変化量を用いて物体の表面の動的応答を計算する段階を更に含むことを特徴とする請求項１９に記載の質感測定方法。

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