JP2007315840A - 柔軟変形物の機械インピーダンス計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】柔軟変形物１００の変形前後の画像を取得する撮影手段としての高速カメラ４０を備えているため、その変位量を求めると共に、変位付与体である既知の物体（剛体３０）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１００の剛性、粘性、弾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。
【選択図】 図１

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。

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。
R.L. Bagley, P.J. Torvik: A Theoretical Basis for the Application of Fractional Calculus to Viscoelasticity, Journal of Rheology, Vol. 27, No.3, 201/210 (1983) R. Deng, P. Davies, A.K. Bajaj: Application of Fractional Derivatives to Modeling the Quasi-Static Responce of Polyurethane Foam, Proceedings of ASME 2003 Design Engineering Technical Conferences, VIB-48397 (2003)

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｍ_０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ｔ_０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（ｔ_０）−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。

一方、既知の物体の運動方程式は、次式により表される。

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。

なお、既知の物体の剛性（Ｋ_０（ｄＸ_０））と粘性（Ｂ_０（ｄＸ_０ ））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ｄＸ_０が十分小さくなるので、式（２）は次式のように変形できる。

（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。

ここで、ａ_ｉ，ｂ_ｊ（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１は、本発明の一の実施形態に係る機械インピーダンス計測装置の全体構成を示す図である。 図２は、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。 図３（ａ）は、画像処理演算手段により求めた、剛体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を示す図であり、図３（ｂ）はその際の剛体の速度を示す図であり、図３（ｃ）はその際の剛体の加速度を示す図である。 図４は、試験例において、推定した剛性の平均（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）を示した図である。 図５は、推定した粘性の平均を示した図である。 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加速度データを用いて求めた復元力（破線）を示した図である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

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