ゴム管の音響特性を用いた柔らかさと 感度を両立する戸挟み ......review...
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ゴム管の音響特性を用いた柔らかさと感度を両立する戸挟み検出装置
•東京工業大学
•科学技術創成研究院 未来産業技術研究所准教授 田原麻梨江
2017/10/17 東京工業大学 新技術説明会
目的：柔らかさと感度を両立した挟み検出センサの開発
■戸挟み検出センサの現状と問題
■背景
➢ モータ：柔らかい，感度低➢ 圧力：感度高い，硬い(危険)
問題：柔らかさと感度を両立したセンサなし
➢ 電車の戸挟み事故が絶えない（年間10件前後の人身事故）
➢ 鞄，ベビーカー，紐の検出困難
背景と目的 1/28
栗原 他：JR East Technicalreview (2009)
提案センサの動作原理 (1/2)
イヤホン
マイクロホン
入射波
反射波
透過波
➢ イヤホン，マイクロホンで音の送受信
𝑅
ゴムの全長 L = 2200 mm
ゴムの内径 R = 15 mm
2/28
音源からの距離
10Frequency (kHz)
0
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
使用ゴム：全長2000 mm, 内径15 mm
➢ 入力端からみた音波の周波数特性
マイクロホン 反射波
➢ イヤホン，マイクロホンで音の送受信
20
イヤホン
反射波
透過波
入射波
3/28
負荷
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
1 kHz
ピーク周期は入力端と負荷位置間の1/2波長相当
提案センサの動作原理 (1/2)
音源からの距離
ピーク
1500 2000Position (mm)
0
➢ フーリエ変換後の波形:位置情報
フーリエ変換
現状のゴムでも検出可能→ 柔らかく，感度の高い戸挟みセンサへの応用可能性
負荷
10Frequency (kHz)
0
➢ 入力端からみた音波の周波数特性
ピーク
20Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
4/28
1000500
提案センサの動作原理 (2/2)音源からの距離
戸挟み検出センサに必要な性能 5/28
➢必要とされる性能
村木 他：JR East Technical review (2009)
測定時間 荷重(薄い物) 距離 引っ張り(紐)
数秒 変位 > 1 mm 2000 mm 3 kg斜め
↓今は検討しない
従来システムの問題点
amp
フーリエ変換
PC
①測定に数分 ②音源付近の不感帯が300 mm
③検知可能範囲は1000 mm程度
6/28
ロボット用の小型センサ
周波数解析器
戸挟み検出センサの目標と課題 7/28
①測定時間の短縮②不感帯の除去、SN比の向上③長距離測定
測定時間 荷重(薄い物) 距離
数秒 変位 > 1 mm 2000 mm
➢課題(本研究の検討内容)
➢目標
周波数解析器
amp
フーリエ変換
PC
②音源付近の不感帯が300 mm
①測定に数分
③検知可能範囲は1000 mm程度
8/28従来システムの問題点
精密な周波数解析装置
①測定時間の短縮
amp
フーリエ変換
PC
①測定に数分→数秒へ
②音源付近の不感帯が300 mm
c
c
オシロスコープ
ファンクションジェネレーター
③検知可能範囲は1000 mm程度
9/28
c
amp
周波数スイープ波
ファンクションジェネレーター
オシロスコープ
𝒙𝒙 = 𝟎
c
トリガー信号
0 200Time (ms)
100
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
応答波形
周波数スイープ波の出力設定
電圧 0.2 V0-p
周波数 2 ~ 9 kHz
スイープ時間 180 ms
応答を測定
10/28測定時間短縮のための新たな実験系
実験構成 11/28
➢ ゴム端の様子
イヤホン
マイクロホン
増幅回路
戸先ゴム
➢ 負荷の加え方
戸先ゴム 万力
FFT 1回目FFT 2回目
FFT 3回目
t
➢ オーバーラップフーリエ変換
12/28
FFT
t
➢ FRAを模擬したフーリエ変換
FFTFFT
解決点
• サンプリング間隔が短い• 測定精度良→雑音低減
問題点
• サンプリング間隔が長い→サンプリング定理の問題で高周波が測定できない
信号処理方法
0 200Time (ms)
100
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
➢ 応答波形
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
2 9Frequency (kHz)
876543
➢ 周波数特性
オーバーラップフーリエ変換
具体的な信号処理の結果の例 13/28
結果
計測は数秒で終了
測定時間 処理時間
1秒程度 3秒程度
amp
フーリエ変換
①測定に数分→数秒に短縮
②音源付近の不感帯が300 mm
c
c
オシロスコープ
ファンクションジェネレーター
従来システムの問題点
③検知可能範囲は1000 mm程度
1100mm
14/28
直流成分に埋もれる
amp
フーリエ変換&信号処理
PC
②不感帯300 mm→150 mm以下へ
c
c
オシロスコープ
ファンクションジェネレーター
②不感帯の低減とSN比向上
③検知可能範囲は1000 mm程度
1100mm
①測定に数分→数秒に短縮
15/28
不感帯が発生する理由
t
t
FFT FFTFFT
➢ 周波数解析器内部
数分
周波数特性 位置応答
オーバーラップ
数秒
周波数特性 位置応答
➢ 外部プログラム
FFT
FFT
16/28
t
オーバーラップ
数秒
周波数特性 位置応答
➢ 外部プログラム
トレンド除去
FFT
0 20001000Position (mm)
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
負荷応答
➢ 位置特性
FFT
トレンドによる直流成分
17/28不感帯が発生する理由
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
2 9Frequency (kHz)
876543 2 9Frequency (kHz)
876543
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
差分による振動成分の抽出
負荷無し負荷有り
Position (mm)0 2000R
ela
tive r
esp
on
se (
arb
)
500
FFT
(a) (b)
(c)
具体的な信号処理の結果と例取得した周波数特性 トレンド除去
(線形近似)後
位置特性
15001000
18/28
DC成分の除去を確認
不感帯の低減→ベビーカなどの挟まり検知可能性
不感帯の低減➢ 直流成分除去前後の波形
Position (mm)
信号処理後
信号処理前
20005000 15001000
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
19/28
結果
100mm以上の応答検知可
amp𝒗𝒊𝒏
𝒗𝒐𝒖𝒕
フーリエ変換&信号処理
PC
①測定に数分→数秒に短縮
②不感帯300 mm→100 mmに低減
c
c
オシロスコープ
ファンクションジェネレーター
③検知可能範囲は1000 mm→2000 mmへ
③長距離測定の実現 20/28
音の減衰
Position (mm)0 1000500 1500
5
Dete
cti
on
lim
it (
mm
)
0
4
3
2
1
CH1
➢ 提案する両端音源
1100 mm以上では性能が劣化→両端音源による測定
Position (mm)0 20001000500 1500
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
noise
signal
➢ 片端音源時の各場所で検出限界➢ SN比の定義の仕方
現状の測定距離限界の検討 21/28
CH2
CH1 CH2
➢ 提案する両端音源
両端音源の実験の様子①
➢ 実際に構成した実験系
CH1 CH2負荷
2200mm
22/28
両端音源の実験の様子②
CH1 CH2
CH1 CH2
CH1 CH2
CH1 CH2
𝟎 ≤ 𝒕 ≤ 𝟏𝟖𝟎𝐦𝐬
𝟐𝟓𝟎 ≤ 𝒕 ≤ 𝟒𝟑𝟎𝐦𝐬
𝟏𝟖𝟎 < 𝒕 < 𝟐𝟓𝟎𝐦𝐬
𝟒𝟑𝟎 < 𝒕 < 𝟓𝟎𝟎𝐦𝐬
イヤホン
マイクロホン
(pause)
(pause)
周波数スイープ波の出力設定
電圧 0.2 V0-p
周波数 2 ~ 9 kHz
スイープ時間 180 ms
23/28
長距離測定の結果 (1/2)R
ela
tive r
esp
on
se (
arb
)
0 2200Position (mm)
1100
CH1CH2
➢ 1100mmでの応答
中間地点の1100mmで1mmの変位量でも検知可能
CH1 CH2
➢ 両端音源
24/28
Position (mm)0 20001000500 1500
100mm
400mm
1100mm
2100mm
Position (mm)0 20001000500 1500
100 mm
400 mm
1100 mm
2100 mm
➢ CH1(左)での応答 ➢ CH2(右)での応答
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)
Rela
tive r
esp
on
se (
arb
)2音源に取り付けた2チャンネルを制御
結果
100~2100mmで1mmの負荷を検知可能
25/28長距離測定の結果 (2/2)
まとめと今後の課題
• 耐雑音性と処理速度のトレードオフ最適化→システムと信号処理の改善
• 引っ張り検知や不必要な負荷検知の除去• ゴムの材質の変更で感度改善
測定時間 検知精度 距離
目標 数秒1 mm以上の変化を検知
2000 mm
従来 数分 300 ~ 1100 mm
本検討測定：2秒程度処理：6秒程度
1 mmの変位を検出可
100 ~ 2200 mm
➢ 目標と達成した内容
➢ 今後の課題
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本技術に関する知的財産権
•発明の名称 ：挟み込み検出装置
•出願番号 ：特願2017-156214
•出願人 ：東京工業大学
•発明者 ：田原麻梨江、下村颯志
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お問い合わせ先
•東京工業大学
•研究・産学連携本部 URA 谷口 均
•ＴＥＬ 03－5734 － 7637
•ＦＡＸ 03－5734 － 7694
• e-mail taniguchi＠sangaku.titech.ac.jp
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