接触式触覚センサの制御方法およびそのシステム
【課題】物体の３次元形状の計測の高速化を図り、物体の３次元形状を計測する際の計測時間を短縮化する。
【解決手段】駆動電極と帰還電極とを有する圧電振動板と、上記圧電振動板に固着された針とを有し、上記駆動電極に交流電圧を印加することにより上記針が微小振動する一方で、上記帰還電極からは上記針の振動に応じた帰還電圧が出力される接触式触覚センサの制御方法において、所定の基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を得る第１のステップと、上記第１のステップで得た相対距離の変化の履歴に基づいて、上記接触式触覚センサの速度を得る第２のステップとを有する。
【解決手段】駆動電極と帰還電極とを有する圧電振動板と、上記圧電振動板に固着された針とを有し、上記駆動電極に交流電圧を印加することにより上記針が微小振動する一方で、上記帰還電極からは上記針の振動に応じた帰還電圧が出力される接触式触覚センサの制御方法において、所定の基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を得る第１のステップと、上記第１のステップで得た相対距離の変化の履歴に基づいて、上記接触式触覚センサの速度を得る第２のステップとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムに関し、さらに詳細には、物体の３次元形状を計測する際に用いて好適な接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、物体の３次元形状を計測するための手法として、例えば、接触式触覚センサを用いる手法が知られている。
【０００３】
従来、この接触式触覚センサによる物体（以下、「測定対象物」と適宜に称する。）の３次元形状の形状計測の手法は、計測ポイントをグリッド状に定め、その点に測定対象物が存在するか否かを接触式触覚センサの振幅の大小から２値的に判断し、測定対象物の３次元形状を判断するというものであった。
【０００４】
また、接触式触覚センサを用いる手法とは異なり、タッチプローブを用いて、測定対象物とタッチプローブとの相対的距離をＸ軸、Ｙ軸に対してベクトル情報として測定することで測定対象物の存在位置を判断し、測定対象物の３次元形状の計測を行うという手法も知られている。
【０００５】
この計測方法によれば、タッチプローブの移動の際にもベクトル情報を利用してタッチプローブの次の進行方向を決定し、測定対象物表面をなぞりながら形状を計測できるため、高速な形状計測が可能という利点を有していた。
【０００６】
ところで、上記した接触式触覚センサを用いる手法によれば、測定対象物を高精度に計測しようとすればグリッド数を、平面計測の場合は精度の２乗で増加、３次元計測の場合は精度の３乗で増加させる必要があった。そして、測定対象物の存在をグリッド毎に総当り的に、かつ、接触式触覚センサを停止させながら接触式触覚センサの振幅を精査する必要があるため、計測時間が指数関数的に増加することになり、計測時間が長時間に及んでしまうという問題点があった。
【０００７】
なお、接触式触覚センサを上記したタッチプローブのように動作させようとしても、接触式触覚センサは振幅というスカラ情報しか有していない、即ち、ベクトル情報を持たないために、接触式触覚センサの次の進行方向を決定することができず、実際には上記したタッチプローブのように動作させることができないという問題点があった。そして、この問題点のために、測定対象物の存在をグリッド毎に総当り的に、かつ、接触式触覚センサを停止させながら接触式触覚センサの振幅を精査する手法による計測を行わなくてはならないものであった。
【０００８】
なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、物体の３次元形状の計測の高速化を図り、物体の３次元形状を計測する際の計測時間を短縮化することができるようにした接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、接触式触覚センサの振幅情報から当該接触式触覚センサの次の進行方向を決定する制御手法を提案するものであり、具体的には、
ステップ１：基準振幅値（電圧値）を定め、基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を求め、
ステップ２：上記相対距離の変化の履歴に基づいて接触式触覚センサの次の進行方向を定める、
ようにしたものである。
【００１１】
即ち、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、駆動電極と帰還電極とを有する圧電振動板と、上記圧電振動板に固着された針とを有し、上記駆動電極に交流電圧を印加することにより上記針が微小振動する一方で、上記帰還電極からは上記針の振動に応じた帰還電圧が出力される接触式触覚センサの制御方法において、所定の基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を得る第１のステップと、上記第１のステップで得た相対距離の変化の履歴に基づいて、上記接触式触覚センサの速度を得る第２のステップとを有するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記相対距離の変化の履歴は、上記相対距離の積分であるようにしたものである。
【００１３】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記第２のステップは、上記相対距離を所定倍したものと上記相対距離を所定倍したものの積分とを加算したものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１４】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記第２のステップは、上記相対距離を所定倍したものと上記相対距離の積分を所定倍したものとを加算したものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記第２のステップは、上記相対距離を所定倍したものと上記相対距離を所定倍したものの積分とを加算し、上記加算したものに対してｃｏｓ演算したものに所定の速度を乗じたものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記第２のステップは、上記相対距離を所定倍したものと上記相対距離の積分を所定倍したものとを加算し、上記加算したものに対してｃｏｓ演算したものに所定の速度を乗じたものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記第２のステップは、上記第２のステップは、上記相対距離を所定倍したものと上記相対距離を所定倍したものの積分とを加算し、上記加算したものに対してｓｉｎ演算したものに所定の速度を乗じたものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記相対距離の積分を所定倍したものとを加算し、上記加算したものに対してｓｉｎ演算したものに所定の速度を乗じたものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１９】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、駆動電極と帰還電極とを有する圧電振動板と、上記圧電振動板に固着された針１４とを有し、上記駆動電極に交流電圧を印加することにより上記針が微小振動する一方で、上記帰還電極からは上記針の振動に応じた帰還電圧が出力される接触式触覚センサの制御システムにおいて、所定の基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を得る第１の手段と、上記第１のステップで得た相対距離の変化の履歴に基づいて、上記接触式触覚センサの速度を得る第２の手段とを有するようにしたものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、物体の３次元形状の計測の高速化を図り、物体の３次元形状を計測する際の計測時間を短縮化することができるようにした接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムを提供することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００２２】
なお、以下の説明においては、同一あるいは相当する構成にはそれぞれ同一の符号を付して示すことにより、それらの重複する説明は適宜に省略する。
【００２３】
図１には、本発明による接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムに用いる接触式触覚センサの構成説明図が示されている。なお、図１（ａ）は接触式触覚センサの正面図であり、図１（ｂ）は接触式触覚センサの右側面である。
【００２４】
この接触式触覚センサ１０は、従来より広く知られたものであって、圧電振動板１２と、圧電振動板１２に固着された針１４とを有して構成されている。
【００２５】
即ち、接触式触覚センサ１０は圧電振動板１２に針１４が固着されて構成されており、圧電振動板１２の駆動電極１２ａに交流電圧を印加することにより、針１４が微小振動するようになされている。一方、帰還電極１２ｂからは、針１４の振動に応じた電圧（帰還電圧）が出力されるものである。
【００２６】
このため、接触式触覚センサ１０においては、針１４先端の振動の振幅を帰還電圧から推定することができる。
【００２７】
この接触式触覚センサ１０は、構造がシンプルで剛性が高いとともに、従来の接触式プローブよりもコストが安くかつ頑強であるので、近年各種の装置に用いられるようになっている。
【００２８】
なお、上記した接触式触覚センサ１０における圧電振動板１２としては、例えば、ムラタ社製７ＢＢ３５−３ＣＡＯを用いることができる。
【００２９】
次に、接触式触覚センサ１０において、基準振幅値（電圧値）を定め、基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサ１０と測定対象物との相対距離を導出する手法について説明する。
【００３０】
まず、接触式触覚センサ１０において、振動する針１４が変位する距離と帰還電圧との関係は、図２に示すとおり近似的に線形関係を示すことになる。
【００３１】
即ち、接触式触覚センサ１０のＸ、Ｙ軸方向においては、図３に示すように、接触式触覚センサ１０を図３における（ｂ）の位置から（ａ）の位置まで移動させ、振動している針１４と測定対象物１００とを接近させながら帰還電圧の変化を測定したところ、接触式触覚センサ１０の中心の位置と帰還電圧の変化との関係について図２上図に示す結果が得られた。
【００３２】
ここで、帰還電圧の屈曲点は針１４が測定対象物１００に接触し、帰還電圧が減少を開始する位置（図３における（ｃ）で示す位置）で、そこを０とおいた。接触式触覚センサ１０の位置が負、即ち、測定対象物１００から離れている場合は、針１４は十分に振れ帰還電圧は最大値を維持するが、測定対象物１００と接触後、針１４が測定対象物１００に押し付けられ、振動が小さくなるにつれて帰還電圧は減少する。最終的に針１４の振動が停止したときに、帰還電圧は最小値となる。
【００３３】
また、接触式触覚センサ１０のＺ軸方向においては、図９に示すように、測定対象物１００の上方から接触式触覚センサ１０を移動させ、同様に帰還電圧の変化を測定したところ、図２下図に示す結果が得られた。図の屈曲点は針１４が測定対象物１００に接触し、帰還電圧が減少を開始する位置で、そこを位置０とした。
【００３４】
この結果より、針１４が変位する距離と帰還電圧とが近似的に図４に示す数式の線形関係にあることが求められる。なお、図４に示す数式において、Ｖｉは帰還電圧［Ｖ］、Ｄｉは距離（針１４が変位する距離）［μｍ］を表す（ｉ＝ｘ，ｙ，ｚ）。
【００３５】
この図２に示す結果からは、接触式触覚センサ１０は、針１４と測定対象物１００との接触・非接触を判断するだけではなく、針１４と測定対象物１００との相対的な距離も計測できることが確認できた。また、接触式触覚センサ１０は、特に、Ｚ方向（Ｚ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に対する感度が高く、１［μｍ］以上の精度で測定対象物１００を計測することが可能であることがわかった。
【００３６】
つまり、接触式触覚センサ１０は、上記したように、針１４と測定対象物１００との接触・非接触を判断するだけではなく、針１４と測定対象物１００との相対的な距離も計測することができるものである。
【００３７】
そこで、基準振幅値（電圧値）を図２におけるＲｅｆｅｒｅｎｃｅと表示してある電圧レベルに定めると、この電圧の前後では電圧値から一意に相対距離が求められる。即ち、電圧が飽和するまでは、電圧と距離とが比例の関係にあり、電圧がわかれば距離もわかる。なお、この基準振幅値（電圧値）は、最大電圧と最小電圧の中点近傍に設定する。
【００３８】
また、図２における図中Ｘ、Ｙ、Ｚと示される座標は接触式触覚センサ１０の座標系であり、それは図１に示すとおりである。Ｚは、測定対象物１００の存在する針１４の下方を正方向としてある。
【００３９】
また、上記した結果を得た際の本願発明者による実験の条件は、以下に示す通りであった。
【００４０】
即ち、接触式触覚センサ１０の入力としては、接触式触覚センサ１０の駆動電極１２ａに対して、０．１４７［Ｖｐ−ｐ］、２．６６［ｋＨｚ］の正弦波交流を印加した。一方、測定電圧としては、帰還電極１２ｂからの出力を図１０に示す接触式触覚センサ１０の回路における「ＣＮ２ １番ピン」につなげたときの「ＣＮ１ ４番ピン」の信号で観測した。
【００４１】
また、測定対象物１００としてはミツトヨ社製セラブロック（精度＋／−０．１μｍ）を使用し、接触式触覚センサ１０の移動には駿河精機社製ＸＹステージを用い、手動にてＸＹステージを移動させながら測定対象物１００に接触させ（測定対象物１００は固定）、その際の電圧を観測した。Ｘ、Ｙ軸の測定については、針１４は先端より０．５ｍｍの位置が測定対象物１００の側面に接触するように位置調整を行った。
【００４２】
次に、上記のようにして求められる相対距離の変化の履歴に基づいて、接触式触覚センサ１０の次の進行方向を定める手法について説明する。
【００４３】
なお、この手法としては、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法とｓｉｎ関数とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法とがあり、まず、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法について説明する。
【００４４】
図５には、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせにより、相対距離の変化の履歴に基づき接触式触覚センサ１０の次の進行方向を定める手法を実現するための制御ブロック構成図が示されている。
【００４５】
この図５に示す制御ブロック構成図において、Ｚｍｏｔｏｒ５０２は接触式触覚センサ１０をＺ方向（測定対象物１００に対する上下方向である。図１および図３の座標系に示すＺ方向を参照する。）に駆動するモータを表し、Ｙｍｏｔｏｒ５０４は接触式触覚センサ１０をＹ方向（接触式触覚センサ１０に対する前後方向である。図１および図３の座標系に示すＹ方向を参照する。）に駆動するモータを表す。従って、接触式触覚センサ１０は、Ｚｍｏｔｏｒ５０２によりＺ方向に移動され、Ｙｍｏｔｏｒ５０４によりＹ方向に移動されることになる。
【００４６】
これら接触式触覚センサ１０、Ｚｍｏｔｏｒ５０２ならびにＹｍｏｔｏｒ５０４が、図５に示す制御ブロック構成図におけるハードウェア的な構成要素であり、接触式触覚センサ１０はＺｍｏｔｏｒ５０２とＹｍｏｔｏｒ５０４とによって移動され、針１４と測定対象物１００との相対位置（ＳｅｎｓｏｒＰｏｓｉｔｉｏｎ）を変化させる。接触式触覚センサ１０は、針１４と測定対象物１００との相対位置に応じて、図２によって定められる帰還電圧を出力することになる。
【００４７】
また、図５における破線で示す枠の内部は、相対距離の変化の履歴に基づき接触式触覚センサ１０の次の進行方向を定める処理を行う制御手段たるコントローラ５０６の構成を示している。
【００４８】
このコントローラ５０６には接触式触覚センサ１０の帰還電圧が入力され、一方、コントローラ５０６からはＺｍｏｔｏｒ５０２、Ｙｍｏｔｏｒ５０４それぞれに指令速度（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）ｕｚ、ｕｙが出力される。各モータは指令されたとおりの速度で動作する。
【００４９】
ここで、接触式触覚センサ１０からの出力電圧（帰還電圧）という一つのスカラ情報から、如何に指令速度ｕｚ、ｕｙという２つのベクトル情報を獲得するかであるが、そのためにこの実施の形態においては、まず、ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＶｏｌｔａｇｅとして、上記のようにして求められる基準振幅値（電圧）を採用し、差分手段５０８により基準振幅値（電圧）と現在のＳｅｎｓｏｒＰｓｉｔｉｏｎによって定められる振幅値（電圧）との差分を取ることによって、測定対象物１００との相対距離を得るようにしている。
【００５０】
その後に、Ｚｍｏｔｏｒ５０２に対しては、相対距離をＫｐｚ倍手段（比例係数Ｋｐｚは負の値である。）５１０によりＫｐｚ倍したものと、相対距離をＫｉｙ倍手段（比例係数Ｋｉｙは正の値である。）５１１によりＫｉｙ倍したのち積分手段５１２により積分した相対距離の積分をＫｉｚ倍手段（比例係数Ｋｉｚは負の値である。）５１４によりＫｉｚ倍したものとを、加算手段５１６により足し合わせ、これをＺｍｏｔｏｒ５０２への指令速度ｕｚとする。なお、「相対距離の変化の履歴」とは、この実施の形態においては相対距離の積分をさす。
【００５１】
また、この実施の形態においては、相対距離をＫｉｙ倍手段５１１により所定倍した後にそれを積分手段５１２で積分しているが、これに限られることなしに、相対距離を積分した後に所定倍するようにする、即ち、Ｋｉｙ倍手段５１１に相当する手段と積分手段５１２に相当する手段との処理手順を入れ替えるように変形してもよいことは勿論であり、両者は本質的になんら変わりは無いためその詳細な説明は省略する。
【００５２】
また、この実施の形態においては、相対距離をＫｉｙ倍手段５１１により所定倍した後にそれを積分手段５１２で積分し、その積分をさらにＫｉｚ倍手段５１４で所定倍するようにしているが、差分手段５０８により得られた相対距離を直接に積分手段５１２に相当する手段で積分し、その積分をさらにＫｉｚ倍手段５１４に相当する手段で所定倍するように変形してもよいし、これとは逆に、差分手段５０８により得られた相対距離をＫｉｚ倍手段５１４に相当する手段で所定倍した後に積分手段５１２に相当する手段で積分するように変形してもよく、これらは全て本質的になんら変わりは無いためその詳細な説明は省略する。
【００５３】
上記した制御の手法によれば、接触式触覚センサ１０の針１４と測定対象物１００とのＺ方向の相対距離を一定値に制御することができる。即ち、接触式触覚センサ１０の針１４が測定対象物１００に近づき過ぎれば接触式触覚センサ１０の出力たる帰還電圧は低下し、差分手段５０８における差分値は正（＋）となる。このとき負のＫｐｚによってＺｍｏｔｏｒ５０２の速度が負となり、測定対象物１００から離れる方向に接触式触覚センサ１０の針１４を移動させる。
【００５４】
それとは反対に、接触式触覚センサ１０の針１４が測定対象物１００から離れすぎれば、接触式触覚センサ１０の出力たる帰還電圧は上昇し、差分手段５０８における差分値は負（−）となる。このとき負のＫｐｚによってＺｍｏｔｏｒ５０２の速度が正となり、測定対象物１００に接近する方向に接触式触覚センサ１０の針１４を移動させる。
【００５５】
ここで、相対距離の積分は、現在の移動速度を維持するために用いる。即ち、あるＺ方向の速度を有したときに測定対象物１００と接触式触覚センサ１０の針１４との相対距離が０となった場合に、Ｋｐｚの項だけではＺｍｏｔｏｒ５０２の速度も０となり停止しまう。積分手段５１２により現時点での速度が保持され、同一の速度でＺｍｏｔｏｒ５０２は動き続けることができる。
【００５６】
また、Ｙｍｏｔｏｒ５０４に対しては、差分手段５０８により上記した測定対象物１００と接触式触覚センサ１０の針１４との相対距離を得た後に、相対距離をＫｐｙ倍手段（比例係数Ｋｐｙは正の値である。）５１８によりＫｐｙ倍したものと、相対距離をＫｉｙ倍手段５１１によりＫｉｙ倍したのち積分手段５１２により積分した相対距離の積分とを、加算手段５２０により足し合わせる。この加算手段５２０の出力ｕｉは演算手段５２２へ入力され、演算手段５２２において、加算手段５２０の出力ｕｉをｃｏｓ（ｕｉ）したものにＹｍｏｔｏｒ５０４の最高速度Ｖｍａｘを乗じたものが得られ、これをＹｍｏｔｏｒ５０４への指令速度ｕｙとする。
【００５７】
この制御の手法によれば、測定対象物１００の形状に合わせＹｍｏｔｏｒ５０４の速度を調節し、測定対象物１００への接触式触覚センサ１０の針１４の衝突を防止することができる。
【００５８】
即ち、積分手段５１２に差分が溜まる状態とは、Ｚ方向への移動速度が大きい状態で接触式触覚センサ１０の針１４と測定対象物１００との相対位置が保持されることを意味し、測定対象物１００の傾斜が大きいことを示す。この場合に、Ｙｍｏｔｏｒ５０４の移動速度が抑制されなければ、接触式触覚センサ１０の針１４は測定対象物１００に衝突してしまう。
【００５９】
このため、ｕｉにｃｏｓ演算を施すことで、積分が溜まった場合にＹｍｏｔｏｒ５０４の速度を抑制する。ｕｉが０であればＹｍｏｔｏｒ５０４は最高速度Ｖｍａｘで移動することになる。
【００６０】
なお、Ｋｐｙは積分だけでは速応性が悪いため、応答性の改善のために用いてある。また、積分手段５１２の出力は、ｃｏｓの演算結果の符合が逆転しないよう、＋π／２〜−π／２で飽和（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）するように抑制してある。
【００６１】
なお、最高速度Ｖｍａｘは、ハードウェアの制限に応じて適宜決定すればよい。また、Ｋｐｚ、Ｋｉｚ、Ｋｐｙは、最も応答性がよく、かつ、発振が起きないように実験的に選定することになる。
【００６２】
ここで、図６には、上記した手法により駆動される接触式触覚センサ１０の動作状態が示されている。なお、図６における実線が測定対象物１００の輪郭を示し、図６における一点鎖線が接触式触覚センサ１０の針１４の外形を示し、図６における破線が接触式触覚センサ１０の針１４の先端の移動の軌跡を示す。
【００６３】
接触式触覚センサ１０の針１４が、例えば、図６の左方から右方向に移動して、図６におけるａのポイントで測定対象物１００に接触したものとする。このとき接触式触覚センサ１０の帰還電圧の電圧値は大きく減少し、上記した差分手段５０８における差分値は正方向に増加する。また、それと同時に、積分手段５１２の値も増加する。
【００６４】
このとき、Ｋｐｚ、Ｋｉｚにより、Ｚｍｏｔｏｒ５０２は、接触式触覚センサ１０の針１４の上方向（負）への移動を開始する。また、ｕｉにより、Ｙｍｏｔｏｒ５０４による接触式触覚センサ１０の針１４のＹ方向への移動速度は減少し始める。さらに、積分手段５１２の積分値が増加し、上限の＋π／２まで増加したときにＹｍｏｔｏｒ５０４は停止し、接触式触覚センサ１０の針１４は測定対象物１００をなぞりながらＺ方向のみ上方向に移動する。このとき、定常状態では差分手段５０８における差分値は０であり、Ｚｍｏｔｏｒ５０２、Ｙｍｏｔｏｒ５０４とも積分手段５１２の出力のみで移動する。
【００６５】
接触式触覚センサ１０の針１４が、測定対象物１００の頂点の近傍の位置たる図６におけるｂのポイントに差し掛かったとき、接触式触覚センサ１０の針１４はさらに上方向へ移動するが、測定対象物１００の傾斜が緩やかになるため、接触式触覚センサ１０と測定対象物１００とが離れ、接触式触覚センサ１０の帰還電圧の電圧値が増加する。このとき差分手段５０８の差分値は負となり、積分手段５１２の積分値の減少とともにｕｚ、ｕｉの値が減少するため、接触式触覚センサ１０の移動方向（傾斜）は緩やかになっていく。
【００６６】
図６におけるｃのポイントではほぼ積分値は０となり、水平方向へ最高速度Ｖｍａｘで進んでいく。それと同時に、Ｚ軸に関しては、微細な制御を繰り返しながら、差分手段５０８の差分値が常に０となるように相対距離を維持する。
【００６７】
以上において説明した制御の結果、接触式触覚センサ１０は常に測定対象物１００の表面をなぞりながら移動することになり、そのため接触式触覚センサ１０の通った軌跡は測定対象物１００の形状を精度よく表現することになり、形状計測が可能となる。
【００６８】
ここで、図７には、幅１ｍｍの測定対象物１００を計測したときの実験結果が示されている。外側の破線が接触式触覚センサ１０の針１４の先端の移動の軌跡を示し、内側の実線が針１４の先端の幅を補正して得られた測定対象物１００の外形である。本実験の場合には、精度１７μｍで形状計測が可能であった。
【００６９】
なお、上記した実験の条件は、以下の通りである。即ち、
Ｋｐｚ＝０．２［ｍｍ／ｓ／Ｖ］
Ｋｉｚ＝２７５［ｍｍ／ｓ／ｒａｄ］
Ｋｐｙ＝π／６［ｒａｄ／ｓ／Ｖ］
Ｋｉｙ＝３７．６８［ｒａｄ／ｓ／Ｖ］
Ｖｍａｘ＝０．６［ｍｍ／ｓ］
測定対象物１００：ミツトヨ社製セラブロック（精度＋／−０．１μｍ）
１ｍｍ×１０ｍｍ×３０ｍｍ
印加電圧および測定電圧：図２に関する実験の際の条件と同一
基準電圧：２．７５Ｖ
駆動機器：ＭＲＸプロトタイプ
なお、本願発明者による種々の実験によれば、工具などの複雑形状あるいは人間の手などの柔軟体に対しても、本発明による手法により形状を獲得できることが確認された。
【００７０】
また、本発明による手法によれば、垂直な壁が最も計測条件が厳しいものであるが、上記の実験結果に示すように、その厳しい条件下においても精度よく形状を獲得することができた。即ち、本発明による手法は、どのような形状の測定対象物１００に対しても適用することができる。
【００７１】
次に、ｓｉｎ関数とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法について説明するが、図８には、ｓｉｎ関数とｃｏｓ関数との組み合わせにより、相対距離の変化の履歴に基づき接触式触覚センサ１０の次の進行方向を定める手法を実現するための制御ブロック構成図が示されている。
【００７２】
この手法の基本的な動作原理は、上記において説明したＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法と同様であるが、ＰＩ制御の部分がｓｉｎ関数となっている点において両者は相違する。
【００７３】
即ち、積分値が０の場合、Ｙｍｏｔｏｒ５０４が最大速度で動作する一方、Ｘｍｏｔｏｒ５０２は停止し、他方、積分値が増加した場合にはＹｍｏｔｏｒ５０４の速度を緩める一方、Ｘｍｏｔｏｒ５０２の進行を早める。
【００７４】
この制御手法により、測定対象物１００の表面をなぞりながら走査し、その結果、接触式触覚センサ１０の軌跡が測定対象物１００の形状を精度よく表現する。
【００７５】
なお、最高速度αは、ハードウェアの制限に応じて適宜決定すればよい。また、Ｋｐ、Ｋｉは、最も応答性がよく、かつ、発振が起きないように実験的に選定することになる。この実施の形態においては、
αｚ＝０．５［ｍｍ／ｓ］
Ｋｐ＝π／３［ｒａｄ／Ｖ］
Ｋｉ＝１．７４［ｒａｄ／Ｖ］
である。
【００７６】
ここで、図１１には、直径１ｍｍの測定対象物１００を計測したときの実験結果が示されている。
【００７７】
この実験における測定対象物１００は、株式会社アイゼン社製ＥＣ１．０（型番）で、図１１において破線が測定対象物１００の輪郭を示し、実線が針１４の先端の幅を補正して得られた測定対象物１００の測定形状である。
【００７８】
また、図１２には、上記した手法により駆動される接触式触覚センサ１０の動作状態が示されている。図１２は、上からそれぞれ、帰還電圧、接触式触覚センサ１０のＸ軸の位置、接触式触覚センサ１０のＹ軸の位置、真値との誤差の変化を示している。本実験の場合には、最大誤差３２μｍで形状計測が可能であった。
【００７９】
なお、接触式触覚センサ１０の特性が類似しているＸ軸、Ｙ軸制御の場合には、ｓｉｎ関数とｃｏｓ関数との組み合わせによる制御手法を用い、一方、接触式触覚センサ１０の特性が著しく異なるＺ軸、Ｘ軸およびＺ軸、Ｙ軸制御の場合には、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせによる制御手法を用いることが好ましい。
【００８０】
以上において説明したように、上記した実施の形態によれば、振幅というスカラ情報しか有しない接触式触覚センサ１０からベクトル情報を得て、その結果、高速な形状計測が可能となり、短時間で測定対象物１００の形状を精度よく測定することができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、品質管理のための製品検査、例えば、従来困難であった安価な量産製品に対する全数寸法計測を行う際に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１（ａ）（ｂ）は、本発明による接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムに用いる接触式触覚センサの構成説明図であり、（ａ）は接触式触覚センサの正面であり、（ｂ）は接触式触覚センサの右側面である。
【図２】図２は、接触式触覚センサ中心の位置と帰還電圧との関係を示すグラフであり、上図はＸあるいはＹ軸方向に接触式触覚センサを動かしたときの接触式触覚センサ中心（圧電振動板中心）の位置に関して示し、下図はＺ軸方向に接触式触覚センサを動かしたときの接触式触覚センサ中心（圧電振動板中心）の位置に関して示すものである。
【図３】図３は、測定対象物に対する接触式触覚センサの針の移動の動作を示す説明図である。
【図４】図４は、接触式触覚センサにおける振動する針が変位する距離と帰還電圧との関係を示す数式である。
【図５】図５は、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせにより、相対距離の変化の履歴に基づき接触式触覚センサの次の進行方向を定める手法を実現するための制御ブロック構成図である。
【図６】図６は、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法により駆動される接触式触覚センサの動作状態を示す説明図である。
【図７】図７は、本願発明者の実験結果を示すグラフである。
【図８】図８は、ｓｉｎ関数とｃｏｓ関数との組み合わせにより、相対距離の変化の履歴に基づき接触式触覚センサ１０の次の進行方向を定める手法を実現するための制御ブロック構成図である。
【図９】図９は、測定対象物に対する接触式触覚センサの針の移動の動作を示す説明図である。
【図１０】図１０は、接触式触覚センサの回路図である。
【図１１】図１１は、本願発明者の実験結果を示すグラフであり、ｓｉｎ，ｃｏｓ関数制御による円形の測定対象物の測定結果（軌跡）を示す。
【図１２】図１２は、本願発明者の実験結果を示すグラフであり、ｓｉｎ，ｃｏｓ関数制御による円形の測定対象物の測定結果（時系列）を示すものであって、上からそれぞれ、帰還電圧、接触式触覚センサのＸ軸の位置、接触式触覚センサのＹ軸の位置、真値との誤差の変化を示す。
【符号の説明】
【００８３】
１０ 接触式触覚センサ
１２ 圧電振動板
１２ａ 駆動電極
１２ｂ 帰還電極
１４ 針
１００ 測定対象物
５０２ Ｚｍｏｔｏｒ
５０４ Ｙｍｏｔｏｒ
５０６ コントローラ
５０８ 差分手段
５１０ Ｋｐｚ倍手段
５１１ Ｋｉｙ倍手段
５１２ 積分手段
５１４ Ｋｉｚ倍手段
５１６ 加算手段
５１８ Ｋｐｙ倍手段
５２０ 加算手段
５２２ 演算手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムに関し、さらに詳細には、物体の３次元形状を計測する際に用いて好適な接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、物体の３次元形状を計測するための手法として、例えば、接触式触覚センサを用いる手法が知られている。
【０００３】
従来、この接触式触覚センサによる物体（以下、「測定対象物」と適宜に称する。）の３次元形状の形状計測の手法は、計測ポイントをグリッド状に定め、その点に測定対象物が存在するか否かを接触式触覚センサの振幅の大小から２値的に判断し、測定対象物の３次元形状を判断するというものであった。
【０００４】
また、接触式触覚センサを用いる手法とは異なり、タッチプローブを用いて、測定対象物とタッチプローブとの相対的距離をＸ軸、Ｙ軸に対してベクトル情報として測定することで測定対象物の存在位置を判断し、測定対象物の３次元形状の計測を行うという手法も知られている。
【０００５】
この計測方法によれば、タッチプローブの移動の際にもベクトル情報を利用してタッチプローブの次の進行方向を決定し、測定対象物表面をなぞりながら形状を計測できるため、高速な形状計測が可能という利点を有していた。
【０００６】
ところで、上記した接触式触覚センサを用いる手法によれば、測定対象物を高精度に計測しようとすればグリッド数を、平面計測の場合は精度の２乗で増加、３次元計測の場合は精度の３乗で増加させる必要があった。そして、測定対象物の存在をグリッド毎に総当り的に、かつ、接触式触覚センサを停止させながら接触式触覚センサの振幅を精査する必要があるため、計測時間が指数関数的に増加することになり、計測時間が長時間に及んでしまうという問題点があった。
【０００７】
なお、接触式触覚センサを上記したタッチプローブのように動作させようとしても、接触式触覚センサは振幅というスカラ情報しか有していない、即ち、ベクトル情報を持たないために、接触式触覚センサの次の進行方向を決定することができず、実際には上記したタッチプローブのように動作させることができないという問題点があった。そして、この問題点のために、測定対象物の存在をグリッド毎に総当り的に、かつ、接触式触覚センサを停止させながら接触式触覚センサの振幅を精査する手法による計測を行わなくてはならないものであった。
【０００８】
なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、物体の３次元形状の計測の高速化を図り、物体の３次元形状を計測する際の計測時間を短縮化することができるようにした接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、接触式触覚センサの振幅情報から当該接触式触覚センサの次の進行方向を決定する制御手法を提案するものであり、具体的には、
ステップ１：基準振幅値（電圧値）を定め、基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を求め、
ステップ２：上記相対距離の変化の履歴に基づいて接触式触覚センサの次の進行方向を定める、
ようにしたものである。
【００１１】
即ち、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、駆動電極と帰還電極とを有する圧電振動板と、上記圧電振動板に固着された針とを有し、上記駆動電極に交流電圧を印加することにより上記針が微小振動する一方で、上記帰還電極からは上記針の振動に応じた帰還電圧が出力される接触式触覚センサの制御方法において、所定の基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を得る第１のステップと、上記第１のステップで得た相対距離の変化の履歴に基づいて、上記接触式触覚センサの速度を得る第２のステップとを有するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記相対距離の変化の履歴は、上記相対距離の積分であるようにしたものである。
【００１３】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記第２のステップは、上記相対距離を所定倍したものと上記相対距離を所定倍したものの積分とを加算したものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１４】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記第２のステップは、上記相対距離を所定倍したものと上記相対距離の積分を所定倍したものとを加算したものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記第２のステップは、上記相対距離を所定倍したものと上記相対距離を所定倍したものの積分とを加算し、上記加算したものに対してｃｏｓ演算したものに所定の速度を乗じたものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記第２のステップは、上記相対距離を所定倍したものと上記相対距離の積分を所定倍したものとを加算し、上記加算したものに対してｃｏｓ演算したものに所定の速度を乗じたものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記第２のステップは、上記第２のステップは、上記相対距離を所定倍したものと上記相対距離を所定倍したものの積分とを加算し、上記加算したものに対してｓｉｎ演算したものに所定の速度を乗じたものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記相対距離の積分を所定倍したものとを加算し、上記加算したものに対してｓｉｎ演算したものに所定の速度を乗じたものを上記接触式触覚センサの速度とするようにしたものである。
【００１９】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、駆動電極と帰還電極とを有する圧電振動板と、上記圧電振動板に固着された針１４とを有し、上記駆動電極に交流電圧を印加することにより上記針が微小振動する一方で、上記帰還電極からは上記針の振動に応じた帰還電圧が出力される接触式触覚センサの制御システムにおいて、所定の基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を得る第１の手段と、上記第１のステップで得た相対距離の変化の履歴に基づいて、上記接触式触覚センサの速度を得る第２の手段とを有するようにしたものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、物体の３次元形状の計測の高速化を図り、物体の３次元形状を計測する際の計測時間を短縮化することができるようにした接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムを提供することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００２２】
なお、以下の説明においては、同一あるいは相当する構成にはそれぞれ同一の符号を付して示すことにより、それらの重複する説明は適宜に省略する。
【００２３】
図１には、本発明による接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムに用いる接触式触覚センサの構成説明図が示されている。なお、図１（ａ）は接触式触覚センサの正面図であり、図１（ｂ）は接触式触覚センサの右側面である。
【００２４】
この接触式触覚センサ１０は、従来より広く知られたものであって、圧電振動板１２と、圧電振動板１２に固着された針１４とを有して構成されている。
【００２５】
即ち、接触式触覚センサ１０は圧電振動板１２に針１４が固着されて構成されており、圧電振動板１２の駆動電極１２ａに交流電圧を印加することにより、針１４が微小振動するようになされている。一方、帰還電極１２ｂからは、針１４の振動に応じた電圧（帰還電圧）が出力されるものである。
【００２６】
このため、接触式触覚センサ１０においては、針１４先端の振動の振幅を帰還電圧から推定することができる。
【００２７】
この接触式触覚センサ１０は、構造がシンプルで剛性が高いとともに、従来の接触式プローブよりもコストが安くかつ頑強であるので、近年各種の装置に用いられるようになっている。
【００２８】
なお、上記した接触式触覚センサ１０における圧電振動板１２としては、例えば、ムラタ社製７ＢＢ３５−３ＣＡＯを用いることができる。
【００２９】
次に、接触式触覚センサ１０において、基準振幅値（電圧値）を定め、基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサ１０と測定対象物との相対距離を導出する手法について説明する。
【００３０】
まず、接触式触覚センサ１０において、振動する針１４が変位する距離と帰還電圧との関係は、図２に示すとおり近似的に線形関係を示すことになる。
【００３１】
即ち、接触式触覚センサ１０のＸ、Ｙ軸方向においては、図３に示すように、接触式触覚センサ１０を図３における（ｂ）の位置から（ａ）の位置まで移動させ、振動している針１４と測定対象物１００とを接近させながら帰還電圧の変化を測定したところ、接触式触覚センサ１０の中心の位置と帰還電圧の変化との関係について図２上図に示す結果が得られた。
【００３２】
ここで、帰還電圧の屈曲点は針１４が測定対象物１００に接触し、帰還電圧が減少を開始する位置（図３における（ｃ）で示す位置）で、そこを０とおいた。接触式触覚センサ１０の位置が負、即ち、測定対象物１００から離れている場合は、針１４は十分に振れ帰還電圧は最大値を維持するが、測定対象物１００と接触後、針１４が測定対象物１００に押し付けられ、振動が小さくなるにつれて帰還電圧は減少する。最終的に針１４の振動が停止したときに、帰還電圧は最小値となる。
【００３３】
また、接触式触覚センサ１０のＺ軸方向においては、図９に示すように、測定対象物１００の上方から接触式触覚センサ１０を移動させ、同様に帰還電圧の変化を測定したところ、図２下図に示す結果が得られた。図の屈曲点は針１４が測定対象物１００に接触し、帰還電圧が減少を開始する位置で、そこを位置０とした。
【００３４】
この結果より、針１４が変位する距離と帰還電圧とが近似的に図４に示す数式の線形関係にあることが求められる。なお、図４に示す数式において、Ｖｉは帰還電圧［Ｖ］、Ｄｉは距離（針１４が変位する距離）［μｍ］を表す（ｉ＝ｘ，ｙ，ｚ）。
【００３５】
この図２に示す結果からは、接触式触覚センサ１０は、針１４と測定対象物１００との接触・非接触を判断するだけではなく、針１４と測定対象物１００との相対的な距離も計測できることが確認できた。また、接触式触覚センサ１０は、特に、Ｚ方向（Ｚ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に対する感度が高く、１［μｍ］以上の精度で測定対象物１００を計測することが可能であることがわかった。
【００３６】
つまり、接触式触覚センサ１０は、上記したように、針１４と測定対象物１００との接触・非接触を判断するだけではなく、針１４と測定対象物１００との相対的な距離も計測することができるものである。
【００３７】
そこで、基準振幅値（電圧値）を図２におけるＲｅｆｅｒｅｎｃｅと表示してある電圧レベルに定めると、この電圧の前後では電圧値から一意に相対距離が求められる。即ち、電圧が飽和するまでは、電圧と距離とが比例の関係にあり、電圧がわかれば距離もわかる。なお、この基準振幅値（電圧値）は、最大電圧と最小電圧の中点近傍に設定する。
【００３８】
また、図２における図中Ｘ、Ｙ、Ｚと示される座標は接触式触覚センサ１０の座標系であり、それは図１に示すとおりである。Ｚは、測定対象物１００の存在する針１４の下方を正方向としてある。
【００３９】
また、上記した結果を得た際の本願発明者による実験の条件は、以下に示す通りであった。
【００４０】
即ち、接触式触覚センサ１０の入力としては、接触式触覚センサ１０の駆動電極１２ａに対して、０．１４７［Ｖｐ−ｐ］、２．６６［ｋＨｚ］の正弦波交流を印加した。一方、測定電圧としては、帰還電極１２ｂからの出力を図１０に示す接触式触覚センサ１０の回路における「ＣＮ２ １番ピン」につなげたときの「ＣＮ１ ４番ピン」の信号で観測した。
【００４１】
また、測定対象物１００としてはミツトヨ社製セラブロック（精度＋／−０．１μｍ）を使用し、接触式触覚センサ１０の移動には駿河精機社製ＸＹステージを用い、手動にてＸＹステージを移動させながら測定対象物１００に接触させ（測定対象物１００は固定）、その際の電圧を観測した。Ｘ、Ｙ軸の測定については、針１４は先端より０．５ｍｍの位置が測定対象物１００の側面に接触するように位置調整を行った。
【００４２】
次に、上記のようにして求められる相対距離の変化の履歴に基づいて、接触式触覚センサ１０の次の進行方向を定める手法について説明する。
【００４３】
なお、この手法としては、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法とｓｉｎ関数とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法とがあり、まず、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法について説明する。
【００４４】
図５には、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせにより、相対距離の変化の履歴に基づき接触式触覚センサ１０の次の進行方向を定める手法を実現するための制御ブロック構成図が示されている。
【００４５】
この図５に示す制御ブロック構成図において、Ｚｍｏｔｏｒ５０２は接触式触覚センサ１０をＺ方向（測定対象物１００に対する上下方向である。図１および図３の座標系に示すＺ方向を参照する。）に駆動するモータを表し、Ｙｍｏｔｏｒ５０４は接触式触覚センサ１０をＹ方向（接触式触覚センサ１０に対する前後方向である。図１および図３の座標系に示すＹ方向を参照する。）に駆動するモータを表す。従って、接触式触覚センサ１０は、Ｚｍｏｔｏｒ５０２によりＺ方向に移動され、Ｙｍｏｔｏｒ５０４によりＹ方向に移動されることになる。
【００４６】
これら接触式触覚センサ１０、Ｚｍｏｔｏｒ５０２ならびにＹｍｏｔｏｒ５０４が、図５に示す制御ブロック構成図におけるハードウェア的な構成要素であり、接触式触覚センサ１０はＺｍｏｔｏｒ５０２とＹｍｏｔｏｒ５０４とによって移動され、針１４と測定対象物１００との相対位置（ＳｅｎｓｏｒＰｏｓｉｔｉｏｎ）を変化させる。接触式触覚センサ１０は、針１４と測定対象物１００との相対位置に応じて、図２によって定められる帰還電圧を出力することになる。
【００４７】
また、図５における破線で示す枠の内部は、相対距離の変化の履歴に基づき接触式触覚センサ１０の次の進行方向を定める処理を行う制御手段たるコントローラ５０６の構成を示している。
【００４８】
このコントローラ５０６には接触式触覚センサ１０の帰還電圧が入力され、一方、コントローラ５０６からはＺｍｏｔｏｒ５０２、Ｙｍｏｔｏｒ５０４それぞれに指令速度（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）ｕｚ、ｕｙが出力される。各モータは指令されたとおりの速度で動作する。
【００４９】
ここで、接触式触覚センサ１０からの出力電圧（帰還電圧）という一つのスカラ情報から、如何に指令速度ｕｚ、ｕｙという２つのベクトル情報を獲得するかであるが、そのためにこの実施の形態においては、まず、ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＶｏｌｔａｇｅとして、上記のようにして求められる基準振幅値（電圧）を採用し、差分手段５０８により基準振幅値（電圧）と現在のＳｅｎｓｏｒＰｓｉｔｉｏｎによって定められる振幅値（電圧）との差分を取ることによって、測定対象物１００との相対距離を得るようにしている。
【００５０】
その後に、Ｚｍｏｔｏｒ５０２に対しては、相対距離をＫｐｚ倍手段（比例係数Ｋｐｚは負の値である。）５１０によりＫｐｚ倍したものと、相対距離をＫｉｙ倍手段（比例係数Ｋｉｙは正の値である。）５１１によりＫｉｙ倍したのち積分手段５１２により積分した相対距離の積分をＫｉｚ倍手段（比例係数Ｋｉｚは負の値である。）５１４によりＫｉｚ倍したものとを、加算手段５１６により足し合わせ、これをＺｍｏｔｏｒ５０２への指令速度ｕｚとする。なお、「相対距離の変化の履歴」とは、この実施の形態においては相対距離の積分をさす。
【００５１】
また、この実施の形態においては、相対距離をＫｉｙ倍手段５１１により所定倍した後にそれを積分手段５１２で積分しているが、これに限られることなしに、相対距離を積分した後に所定倍するようにする、即ち、Ｋｉｙ倍手段５１１に相当する手段と積分手段５１２に相当する手段との処理手順を入れ替えるように変形してもよいことは勿論であり、両者は本質的になんら変わりは無いためその詳細な説明は省略する。
【００５２】
また、この実施の形態においては、相対距離をＫｉｙ倍手段５１１により所定倍した後にそれを積分手段５１２で積分し、その積分をさらにＫｉｚ倍手段５１４で所定倍するようにしているが、差分手段５０８により得られた相対距離を直接に積分手段５１２に相当する手段で積分し、その積分をさらにＫｉｚ倍手段５１４に相当する手段で所定倍するように変形してもよいし、これとは逆に、差分手段５０８により得られた相対距離をＫｉｚ倍手段５１４に相当する手段で所定倍した後に積分手段５１２に相当する手段で積分するように変形してもよく、これらは全て本質的になんら変わりは無いためその詳細な説明は省略する。
【００５３】
上記した制御の手法によれば、接触式触覚センサ１０の針１４と測定対象物１００とのＺ方向の相対距離を一定値に制御することができる。即ち、接触式触覚センサ１０の針１４が測定対象物１００に近づき過ぎれば接触式触覚センサ１０の出力たる帰還電圧は低下し、差分手段５０８における差分値は正（＋）となる。このとき負のＫｐｚによってＺｍｏｔｏｒ５０２の速度が負となり、測定対象物１００から離れる方向に接触式触覚センサ１０の針１４を移動させる。
【００５４】
それとは反対に、接触式触覚センサ１０の針１４が測定対象物１００から離れすぎれば、接触式触覚センサ１０の出力たる帰還電圧は上昇し、差分手段５０８における差分値は負（−）となる。このとき負のＫｐｚによってＺｍｏｔｏｒ５０２の速度が正となり、測定対象物１００に接近する方向に接触式触覚センサ１０の針１４を移動させる。
【００５５】
ここで、相対距離の積分は、現在の移動速度を維持するために用いる。即ち、あるＺ方向の速度を有したときに測定対象物１００と接触式触覚センサ１０の針１４との相対距離が０となった場合に、Ｋｐｚの項だけではＺｍｏｔｏｒ５０２の速度も０となり停止しまう。積分手段５１２により現時点での速度が保持され、同一の速度でＺｍｏｔｏｒ５０２は動き続けることができる。
【００５６】
また、Ｙｍｏｔｏｒ５０４に対しては、差分手段５０８により上記した測定対象物１００と接触式触覚センサ１０の針１４との相対距離を得た後に、相対距離をＫｐｙ倍手段（比例係数Ｋｐｙは正の値である。）５１８によりＫｐｙ倍したものと、相対距離をＫｉｙ倍手段５１１によりＫｉｙ倍したのち積分手段５１２により積分した相対距離の積分とを、加算手段５２０により足し合わせる。この加算手段５２０の出力ｕｉは演算手段５２２へ入力され、演算手段５２２において、加算手段５２０の出力ｕｉをｃｏｓ（ｕｉ）したものにＹｍｏｔｏｒ５０４の最高速度Ｖｍａｘを乗じたものが得られ、これをＹｍｏｔｏｒ５０４への指令速度ｕｙとする。
【００５７】
この制御の手法によれば、測定対象物１００の形状に合わせＹｍｏｔｏｒ５０４の速度を調節し、測定対象物１００への接触式触覚センサ１０の針１４の衝突を防止することができる。
【００５８】
即ち、積分手段５１２に差分が溜まる状態とは、Ｚ方向への移動速度が大きい状態で接触式触覚センサ１０の針１４と測定対象物１００との相対位置が保持されることを意味し、測定対象物１００の傾斜が大きいことを示す。この場合に、Ｙｍｏｔｏｒ５０４の移動速度が抑制されなければ、接触式触覚センサ１０の針１４は測定対象物１００に衝突してしまう。
【００５９】
このため、ｕｉにｃｏｓ演算を施すことで、積分が溜まった場合にＹｍｏｔｏｒ５０４の速度を抑制する。ｕｉが０であればＹｍｏｔｏｒ５０４は最高速度Ｖｍａｘで移動することになる。
【００６０】
なお、Ｋｐｙは積分だけでは速応性が悪いため、応答性の改善のために用いてある。また、積分手段５１２の出力は、ｃｏｓの演算結果の符合が逆転しないよう、＋π／２〜−π／２で飽和（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）するように抑制してある。
【００６１】
なお、最高速度Ｖｍａｘは、ハードウェアの制限に応じて適宜決定すればよい。また、Ｋｐｚ、Ｋｉｚ、Ｋｐｙは、最も応答性がよく、かつ、発振が起きないように実験的に選定することになる。
【００６２】
ここで、図６には、上記した手法により駆動される接触式触覚センサ１０の動作状態が示されている。なお、図６における実線が測定対象物１００の輪郭を示し、図６における一点鎖線が接触式触覚センサ１０の針１４の外形を示し、図６における破線が接触式触覚センサ１０の針１４の先端の移動の軌跡を示す。
【００６３】
接触式触覚センサ１０の針１４が、例えば、図６の左方から右方向に移動して、図６におけるａのポイントで測定対象物１００に接触したものとする。このとき接触式触覚センサ１０の帰還電圧の電圧値は大きく減少し、上記した差分手段５０８における差分値は正方向に増加する。また、それと同時に、積分手段５１２の値も増加する。
【００６４】
このとき、Ｋｐｚ、Ｋｉｚにより、Ｚｍｏｔｏｒ５０２は、接触式触覚センサ１０の針１４の上方向（負）への移動を開始する。また、ｕｉにより、Ｙｍｏｔｏｒ５０４による接触式触覚センサ１０の針１４のＹ方向への移動速度は減少し始める。さらに、積分手段５１２の積分値が増加し、上限の＋π／２まで増加したときにＹｍｏｔｏｒ５０４は停止し、接触式触覚センサ１０の針１４は測定対象物１００をなぞりながらＺ方向のみ上方向に移動する。このとき、定常状態では差分手段５０８における差分値は０であり、Ｚｍｏｔｏｒ５０２、Ｙｍｏｔｏｒ５０４とも積分手段５１２の出力のみで移動する。
【００６５】
接触式触覚センサ１０の針１４が、測定対象物１００の頂点の近傍の位置たる図６におけるｂのポイントに差し掛かったとき、接触式触覚センサ１０の針１４はさらに上方向へ移動するが、測定対象物１００の傾斜が緩やかになるため、接触式触覚センサ１０と測定対象物１００とが離れ、接触式触覚センサ１０の帰還電圧の電圧値が増加する。このとき差分手段５０８の差分値は負となり、積分手段５１２の積分値の減少とともにｕｚ、ｕｉの値が減少するため、接触式触覚センサ１０の移動方向（傾斜）は緩やかになっていく。
【００６６】
図６におけるｃのポイントではほぼ積分値は０となり、水平方向へ最高速度Ｖｍａｘで進んでいく。それと同時に、Ｚ軸に関しては、微細な制御を繰り返しながら、差分手段５０８の差分値が常に０となるように相対距離を維持する。
【００６７】
以上において説明した制御の結果、接触式触覚センサ１０は常に測定対象物１００の表面をなぞりながら移動することになり、そのため接触式触覚センサ１０の通った軌跡は測定対象物１００の形状を精度よく表現することになり、形状計測が可能となる。
【００６８】
ここで、図７には、幅１ｍｍの測定対象物１００を計測したときの実験結果が示されている。外側の破線が接触式触覚センサ１０の針１４の先端の移動の軌跡を示し、内側の実線が針１４の先端の幅を補正して得られた測定対象物１００の外形である。本実験の場合には、精度１７μｍで形状計測が可能であった。
【００６９】
なお、上記した実験の条件は、以下の通りである。即ち、
Ｋｐｚ＝０．２［ｍｍ／ｓ／Ｖ］
Ｋｉｚ＝２７５［ｍｍ／ｓ／ｒａｄ］
Ｋｐｙ＝π／６［ｒａｄ／ｓ／Ｖ］
Ｋｉｙ＝３７．６８［ｒａｄ／ｓ／Ｖ］
Ｖｍａｘ＝０．６［ｍｍ／ｓ］
測定対象物１００：ミツトヨ社製セラブロック（精度＋／−０．１μｍ）
１ｍｍ×１０ｍｍ×３０ｍｍ
印加電圧および測定電圧：図２に関する実験の際の条件と同一
基準電圧：２．７５Ｖ
駆動機器：ＭＲＸプロトタイプ
なお、本願発明者による種々の実験によれば、工具などの複雑形状あるいは人間の手などの柔軟体に対しても、本発明による手法により形状を獲得できることが確認された。
【００７０】
また、本発明による手法によれば、垂直な壁が最も計測条件が厳しいものであるが、上記の実験結果に示すように、その厳しい条件下においても精度よく形状を獲得することができた。即ち、本発明による手法は、どのような形状の測定対象物１００に対しても適用することができる。
【００７１】
次に、ｓｉｎ関数とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法について説明するが、図８には、ｓｉｎ関数とｃｏｓ関数との組み合わせにより、相対距離の変化の履歴に基づき接触式触覚センサ１０の次の進行方向を定める手法を実現するための制御ブロック構成図が示されている。
【００７２】
この手法の基本的な動作原理は、上記において説明したＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法と同様であるが、ＰＩ制御の部分がｓｉｎ関数となっている点において両者は相違する。
【００７３】
即ち、積分値が０の場合、Ｙｍｏｔｏｒ５０４が最大速度で動作する一方、Ｘｍｏｔｏｒ５０２は停止し、他方、積分値が増加した場合にはＹｍｏｔｏｒ５０４の速度を緩める一方、Ｘｍｏｔｏｒ５０２の進行を早める。
【００７４】
この制御手法により、測定対象物１００の表面をなぞりながら走査し、その結果、接触式触覚センサ１０の軌跡が測定対象物１００の形状を精度よく表現する。
【００７５】
なお、最高速度αは、ハードウェアの制限に応じて適宜決定すればよい。また、Ｋｐ、Ｋｉは、最も応答性がよく、かつ、発振が起きないように実験的に選定することになる。この実施の形態においては、
αｚ＝０．５［ｍｍ／ｓ］
Ｋｐ＝π／３［ｒａｄ／Ｖ］
Ｋｉ＝１．７４［ｒａｄ／Ｖ］
である。
【００７６】
ここで、図１１には、直径１ｍｍの測定対象物１００を計測したときの実験結果が示されている。
【００７７】
この実験における測定対象物１００は、株式会社アイゼン社製ＥＣ１．０（型番）で、図１１において破線が測定対象物１００の輪郭を示し、実線が針１４の先端の幅を補正して得られた測定対象物１００の測定形状である。
【００７８】
また、図１２には、上記した手法により駆動される接触式触覚センサ１０の動作状態が示されている。図１２は、上からそれぞれ、帰還電圧、接触式触覚センサ１０のＸ軸の位置、接触式触覚センサ１０のＹ軸の位置、真値との誤差の変化を示している。本実験の場合には、最大誤差３２μｍで形状計測が可能であった。
【００７９】
なお、接触式触覚センサ１０の特性が類似しているＸ軸、Ｙ軸制御の場合には、ｓｉｎ関数とｃｏｓ関数との組み合わせによる制御手法を用い、一方、接触式触覚センサ１０の特性が著しく異なるＺ軸、Ｘ軸およびＺ軸、Ｙ軸制御の場合には、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせによる制御手法を用いることが好ましい。
【００８０】
以上において説明したように、上記した実施の形態によれば、振幅というスカラ情報しか有しない接触式触覚センサ１０からベクトル情報を得て、その結果、高速な形状計測が可能となり、短時間で測定対象物１００の形状を精度よく測定することができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、品質管理のための製品検査、例えば、従来困難であった安価な量産製品に対する全数寸法計測を行う際に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１（ａ）（ｂ）は、本発明による接触式触覚センサの制御方法およびそのシステムに用いる接触式触覚センサの構成説明図であり、（ａ）は接触式触覚センサの正面であり、（ｂ）は接触式触覚センサの右側面である。
【図２】図２は、接触式触覚センサ中心の位置と帰還電圧との関係を示すグラフであり、上図はＸあるいはＹ軸方向に接触式触覚センサを動かしたときの接触式触覚センサ中心（圧電振動板中心）の位置に関して示し、下図はＺ軸方向に接触式触覚センサを動かしたときの接触式触覚センサ中心（圧電振動板中心）の位置に関して示すものである。
【図３】図３は、測定対象物に対する接触式触覚センサの針の移動の動作を示す説明図である。
【図４】図４は、接触式触覚センサにおける振動する針が変位する距離と帰還電圧との関係を示す数式である。
【図５】図５は、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせにより、相対距離の変化の履歴に基づき接触式触覚センサの次の進行方向を定める手法を実現するための制御ブロック構成図である。
【図６】図６は、ＰＩ制御とｃｏｓ関数との組み合わせによる手法により駆動される接触式触覚センサの動作状態を示す説明図である。
【図７】図７は、本願発明者の実験結果を示すグラフである。
【図８】図８は、ｓｉｎ関数とｃｏｓ関数との組み合わせにより、相対距離の変化の履歴に基づき接触式触覚センサ１０の次の進行方向を定める手法を実現するための制御ブロック構成図である。
【図９】図９は、測定対象物に対する接触式触覚センサの針の移動の動作を示す説明図である。
【図１０】図１０は、接触式触覚センサの回路図である。
【図１１】図１１は、本願発明者の実験結果を示すグラフであり、ｓｉｎ，ｃｏｓ関数制御による円形の測定対象物の測定結果（軌跡）を示す。
【図１２】図１２は、本願発明者の実験結果を示すグラフであり、ｓｉｎ，ｃｏｓ関数制御による円形の測定対象物の測定結果（時系列）を示すものであって、上からそれぞれ、帰還電圧、接触式触覚センサのＸ軸の位置、接触式触覚センサのＹ軸の位置、真値との誤差の変化を示す。
【符号の説明】
【００８３】
１０ 接触式触覚センサ
１２ 圧電振動板
１２ａ 駆動電極
１２ｂ 帰還電極
１４ 針
１００ 測定対象物
５０２ Ｚｍｏｔｏｒ
５０４ Ｙｍｏｔｏｒ
５０６ コントローラ
５０８ 差分手段
５１０ Ｋｐｚ倍手段
５１１ Ｋｉｙ倍手段
５１２ 積分手段
５１４ Ｋｉｚ倍手段
５１６ 加算手段
５１８ Ｋｐｙ倍手段
５２０ 加算手段
５２２ 演算手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電極と帰還電極とを有する圧電振動板と、前記圧電振動板に固着された針とを有し、前記駆動電極に交流電圧を印加することにより前記針が微小振動する一方で、前記帰還電極からは前記針の振動に応じた帰還電圧が出力される接触式触覚センサの制御方法において、
所定の基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を得る第１のステップと、
前記第１のステップで得た相対距離の変化の履歴に基づいて、前記接触式触覚センサの速度を得る第２のステップと
を有することを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記相対距離の変化の履歴は、前記相対距離の積分である
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記第２のステップは、前記相対距離を所定倍したものと前記相対距離を所定倍したものの積分とを加算したものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項４】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記第２のステップは、前記相対距離を所定倍したものと前記相対距離の積分を所定倍したものとを加算したものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項５】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記第２のステップは、前記相対距離を所定倍したものと前記相対距離を所定倍したものの積分とを加算し、前記加算したものに対してｃｏｓ演算したものに所定の速度を乗じたものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項６】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記第２のステップは、前記相対距離を所定倍したものと前記相対距離の積分を所定倍したものとを加算し、前記加算したものに対してｃｏｓ演算したものに所定の速度を乗じたものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項７】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記第２のステップは、前記相対距離を所定倍したものと前記相対距離を所定倍したものの積分とを加算し、前記加算したものに対してｓｉｎ演算したものに所定の速度を乗じたものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項８】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記相対距離の積分を所定倍したものとを加算し、前記加算したものに対してｓｉｎ演算したものに所定の速度を乗じたものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項９】
駆動電極と帰還電極とを有する圧電振動板と、前記圧電振動板に固着された針１４とを有し、前記駆動電極に交流電圧を印加することにより前記針が微小振動する一方で、前記帰還電極からは前記針の振動に応じた帰還電圧が出力される接触式触覚センサの制御システムにおいて、
所定の基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を得る第１の手段と、
前記第１のステップで得た相対距離の変化の履歴に基づいて、前記接触式触覚センサの速度を得る第２の手段と
を有することを特徴とする接触式触覚センサの制御システム。
【請求項１】
駆動電極と帰還電極とを有する圧電振動板と、前記圧電振動板に固着された針とを有し、前記駆動電極に交流電圧を印加することにより前記針が微小振動する一方で、前記帰還電極からは前記針の振動に応じた帰還電圧が出力される接触式触覚センサの制御方法において、
所定の基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を得る第１のステップと、
前記第１のステップで得た相対距離の変化の履歴に基づいて、前記接触式触覚センサの速度を得る第２のステップと
を有することを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記相対距離の変化の履歴は、前記相対距離の積分である
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記第２のステップは、前記相対距離を所定倍したものと前記相対距離を所定倍したものの積分とを加算したものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項４】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記第２のステップは、前記相対距離を所定倍したものと前記相対距離の積分を所定倍したものとを加算したものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項５】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記第２のステップは、前記相対距離を所定倍したものと前記相対距離を所定倍したものの積分とを加算し、前記加算したものに対してｃｏｓ演算したものに所定の速度を乗じたものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項６】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記第２のステップは、前記相対距離を所定倍したものと前記相対距離の積分を所定倍したものとを加算し、前記加算したものに対してｃｏｓ演算したものに所定の速度を乗じたものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項７】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記第２のステップは、前記相対距離を所定倍したものと前記相対距離を所定倍したものの積分とを加算し、前記加算したものに対してｓｉｎ演算したものに所定の速度を乗じたものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項８】
請求項２に記載の接触式触覚センサの制御方法において、
前記相対距離の積分を所定倍したものとを加算し、前記加算したものに対してｓｉｎ演算したものに所定の速度を乗じたものを前記接触式触覚センサの速度とする
ことを特徴とする接触式触覚センサの制御方法。
【請求項９】
駆動電極と帰還電極とを有する圧電振動板と、前記圧電振動板に固着された針１４とを有し、前記駆動電極に交流電圧を印加することにより前記針が微小振動する一方で、前記帰還電極からは前記針の振動に応じた帰還電圧が出力される接触式触覚センサの制御システムにおいて、
所定の基準振幅値と現在の振幅値との差分から接触式触覚センサと測定対象物との相対距離を得る第１の手段と、
前記第１のステップで得た相対距離の変化の履歴に基づいて、前記接触式触覚センサの速度を得る第２の手段と
を有することを特徴とする接触式触覚センサの制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−４０９４０（Ｐ２００７−４０９４０Ａ）
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２２８２８８（Ｐ２００５−２２８２８８）
【出願日】平成１７年８月５日（２００５．８．５）
【出願人】（０００１１６０５７）ローランドディー．ジー．株式会社 (163)
【出願人】（３０４０２７３４９）国立大学法人豊橋技術科学大学 (391)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月５日（２００５．８．５）
【出願人】（０００１１６０５７）ローランドディー．ジー．株式会社 (163)
【出願人】（３０４０２７３４９）国立大学法人豊橋技術科学大学 (391)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]