特開 2023-104256 硬度推定装置及びこれを具備する把持設備

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023104256

(43)【公開日】2023-07-28

(54)【発明の名称】硬度推定装置及びこれを具備する把持設備

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/09 20060101AFI20230721BHJP

   B25J 13/08 20060101ALN20230721BHJP

【ＦＩ】

G01N29/09

B25J13/08 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022005134

(22)【出願日】2022-01-17

【新規性喪失の例外の表示】新規性喪失の例外適用申請有り

(71)【出願人】

【識別番号】504174135

【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100120086

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼津 一也

(74)【代理人】

【識別番号】100090697

【弁理士】

【氏名又は名称】中前 富士男

(74)【代理人】

【識別番号】100176142

【弁理士】

【氏名又は名称】清井 洋平

(72)【発明者】

【氏名】西田 祐也

(72)【発明者】

【氏名】望月 隆吾

【テーマコード（参考）】

2G047

3C707

【Ｆターム（参考）】

2G047AA05

2G047BA03

2G047BC01

2G047GD02

2G047GF10

2G047GF11

2G047GG28

3C707KS01

3C707KX19

3C707NS26

(57)【要約】

【課題】対象物の表層及び内側の層の硬さを推定可能な硬度推定装置及びそれを具備して対象物を把持する把持設備を提供する。
【解決手段】送信部１１から対象物Ｗに発信音波Ｖｉを照射して反射した受信音波Ｖｒを受信部１２で検出し、検出した受信音波Ｖｒを基に演算部１３で対象物の硬さを推定する硬度推定装置１０において、演算部１３は、発信音波Ｖｉの周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して波形が受信音波Ｖｒの波形に適合する１番目の修正音波を導出し、１番目の修正音波を基に対象物Ｗの１番目の層の表面での反射率を求め、１番目の層の硬さを推定し、１番目の修正音波を受信音波Ｖｒから差し引いた差分音波の波形に波形が適合する２番目の修正音波を、発信音波Ｖｉの周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して導出し、２番目の修正音波を基に１番目の層と２番目の層との境界面での反射率を求め、２番目の層の硬さを推定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

送信部から対象物に発信音波を照射して反射した受信音波を受信部で検出し、検出した該受信音波を基に演算部で該対象物の硬さを推定する硬度推定装置において、
前記演算部は、前記発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して波形が前記受信音波の波形に適合する１番目の修正音波を導出し、該１番目の修正音波を基に前記対象物の表層である１番目の層の表面での反射率を求め、該１番目の層の硬さを推定し、
前記１番目の修正音波を前記受信音波から差し引いた差分音波の波形に波形が適合する２番目の修正音波を、前記発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して導出し、該２番目の修正音波を基に前記１番目の層と該１番目の層に隣接する前記対象物の２番目の層との境界面での反射率を求め、該２番目の層の硬さを推定することを特徴とする硬度推定装置。

【請求項2】

請求項１記載の硬度推定装置において、前記１番目の層の硬さは、前記１番目の層の表面での反射率と前記送信部及び前記受信部から前記対象物までの間の媒体の音響インピーダンスとから求めた前記１番目の層の音響インピーダンスに対応する１番目のインピーダンス対応値から推定され、前記２番目の層の硬さは、前記１番目の層及び前記２番目の層の境界面での反射率と前記１番目のインピーダンス対応値とから求めた前記２番目の層の音響インピーダンスに対応する２番目のインピーダンス対応値から推定されることを特徴とする硬度推定装置。

【請求項3】

対象物を把持する把持機構と、発信音波を前記対象物に照射して反射した受信音波を検出し、検出した該受信音波を基に該対象物の硬さを推定する硬度推定装置と、推定された前記対象物の硬さを基に前記把持機構による該対象物の把持を制御する制御手段とを備える把持設備において、
前記硬度推定装置は、前記発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して波形が前記受信音波の波形に適合する１番目の修正音波を導出し、該１番目の修正音波を基に前記対象物の表層である１番目の層の表面での反射率を求め、該１番目の層の硬さを推定し、
前記１番目の修正音波を前記受信音波から差し引いた差分音波の波形に波形が適合する２番目の修正音波を、前記発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して導出し、該２番目の修正音波を基に前記１番目の層と該１番目の層に隣接する前記対象物の２番目の層との境界面での反射率を求め、該２番目の層の硬さを推定することを特徴とする把持設備。

【請求項4】

請求項３記載の把持設備において、前記１番目の層の硬さは、前記１番目の層の表面での反射率と前記送信部及び前記受信部から前記対象物までの間の媒体の音響インピーダンスとから求めた前記１番目の層の音響インピーダンスに対応する１番目のインピーダンス対応値から推定され、前記２番目の層の硬さは、前記１番目の層及び前記２番目の層の境界面での反射率と前記１番目のインピーダンス対応値とから求めた前記２番目の層の音響インピーダンスに対応する２番目のインピーダンス対応値から推定されることを特徴とする把持設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、対象物の硬さを推定する硬度推定装置、及び、硬度推定装置を具備し対象物を把持する把持設備に関する。

【背景技術】

【0002】

労働人口の減少や人件費高騰による産業用ロボット導入の気運の高まりにより、世界のロボット市場は拡大している。産業用ロボットの主要なタスクの一つである物体の把持と移動は、事前に技能者がロボットに動作を学習させることで実現できる。事前学習によって、ロボットの動作設定の簡略化や、多様な物体への対応が規定されるが、実際には、把持対象物の種類等が変わるたびに技能者によるロボットのチューニングが行われている。

【0003】

そのため、同種の対象物をロボットで把持する企業では、ロボットの導入が年々増加しているが、把持対象物の種類が多い企業では、ロボットの導入はそれほど増えていない。特に、ロボットによる把持が困難な柔軟な不定形物を扱う食品業界では、ロボットの導入がほとんど進んでいない。そこで、ソフトグリッパーを用いて柔軟物を把持する研究や、ＡＩにより把持対象物の種類を識別して把持の制御を行う研究等がなされている。

【0004】

ここで、ソフトグリッパーを利用する場合、ソフトグリッパーは柔らかい材料により形成されるため、把持対象物を高精度に把持できる位置にソフトグリッパーを安定して配することができないという問題や、ソフトグリッパーが破損し易いという問題が招来する。また、ＡＩにより把持対象物の種類を識別して把持力等を制御する場合、種類が同一でも把持対象物ごとに硬さが異なるような物（例えば、卵焼き）は対象物に適した力で把持することができないという問題が生じる。

【0005】

そのため、把持しようとする対象物の硬さを推定する技術が求められ、その例が、特許文献１に記載されている。
特許文献１に記載の装置は、被検査体に対して波動を送波する送波部と被検査体で反射された波動を受波する受波部とを接続して帰還発振する自励発信回路の発信周波数に基づいて、被検査体の硬度を測定するものであり、被検査体に接触することなく、被検査体の硬度が推定できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】国際公開第２００１／０８４１３５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１に記載の装置は、被検査体の表面の硬さは推定できるが、被検査体の中の硬さまでは推定できないことから、この装置を有するロボットは、被検査体の中の層の硬さまで加味して把持力を決定することができないという問題がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、対象物の表層及び内側の層の硬さを推定可能な硬度推定装置及びそれを具備して把持力を決定し対象物を把持する把持設備を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記目的に沿う本発明に係る硬度推定装置は、送信部から対象物に発信音波を照射して反射した受信音波を受信部で検出し、検出した該受信音波を基に演算部で該対象物の硬さを推定する硬度推定装置において、前記演算部は、前記発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して波形が前記受信音波の波形に適合する１番目の修正音波を導出し、該１番目の修正音波を基に前記対象物の表層である１番目の層の表面での反射率を求め、該１番目の層の硬さを推定し、前記１番目の修正音波を前記受信音波から差し引いた差分音波の波形に波形が適合する２番目の修正音波を、前記発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して導出し、該２番目の修正音波を基に前記１番目の層と該１番目の層に隣接する前記対象物の２番目の層との境界面での反射率を求め、該２番目の層の硬さを推定する。

【0009】

前記目的に沿う本発明に係る把持設備は、対象物を把持する把持機構と、発信音波を前記対象物に照射して反射した受信音波を検出し、検出した該受信音波を基に該対象物の硬さを推定する硬度推定装置と、推定された前記対象物の硬さを基に前記把持機構による該対象物の把持を制御する制御手段とを備える把持設備において、前記硬度推定装置は、前記発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して波形が前記受信音波の波形に適合する１番目の修正音波を導出し、該１番目の修正音波を基に前記対象物の表層である１番目の層の表面での反射率を求め、該１番目の層の硬さを推定し、前記１番目の修正音波を前記受信音波から差し引いた差分音波の波形に波形が適合する２番目の修正音波を、前記発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して導出し、該２番目の修正音波を基に前記１番目の層と該１番目の層に隣接する前記対象物の２番目の層との境界面での反射率を求め、該２番目の層の硬さを推定する。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る硬度推定装置及び把持設備は、発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して波形が受信音波の波形に適合する１番目の修正音波を導出し、１番目の修正音波を基に対象物の表層である１番目の層の表面での反射率を求め、１番目の層の硬さを推定し、１番目の修正音波を受信音波から差し引いた差分音波の波形に波形が適合する２番目の修正音波を、発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して導出し、２番目の修正音波を基に１番目の層と１番目の層に隣接する対象物の２番目の層との境界面での反射率を求め、２番目の層の硬さを推定するので、対象物の表層及び内側の層の硬さを推定可能である。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施の形態に係る硬度推定装置の説明図である。

【図2】送信部から対象物に超音波を照射した際の様子を示す説明図である。

【図3】（Ａ）～（Ｄ）はそれぞれ、送信部から照射される超音波の波形、受信部で検出される受信音波の波形、１番目の修正音波の波形、及び、第１の差分音波の波形を示す説明図である。

【図4】本発明の一実施の形態に係る把持設備の説明図である。

【図5】（Ａ）～（Ｄ）はそれぞれ、実験において、送信部から照射された超音波の波形、受信部で検出された受信音波の波形、１番目の修正音波の波形、及び、第１の差分音波の波形を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る硬度推定装置１０は、送信部１１から対象物Ｗに発信音波Ｖｉを照射して反射した受信音波Ｖｒを受信部１２で検出し、検出した受信音波Ｖｒを基に演算部１３で対象物Ｗの硬さを推定する装置である。以下、詳細に説明する。

【0013】

硬度推定装置１０は、図１に示すように、送信部１１、受信部１２及び演算部１３を備えている。送信部１１及び受信部１２は、ＣＰＵやメモリを有して構成された演算部１３に接続されている。送信部１１は、対象物Ｗまで距離を有する位置から発信音波Ｖｉ（本実施の形態では超音波）を対象物Ｗに照射し、受信部１２は、音波（受信音波）を受信可能に設計され、対象物Ｗまで距離を有する位置に配されている。本実施の形態では、送信部１１、受信部１２及び対象物Ｗが空気雰囲気下に設けられている。よって、送信部１１及び受信部１２と対象物Ｗの間には空気（媒体の一例）が存在している。

【0014】

送信部１１から発信音波Ｖｉが照射される対象物Ｗは、硬さ（密度）が異なる複数の層Ｌを有する。以下、図２に示すように、対象物Ｗにおいて送信部１１からの発信音波Ｖｉが最初に到達する層Ｌ（本実施の形態では最も外側に位置する層Ｌ）、即ち、表層を１番目の層Ｌ１とし、対象物Ｗにおいて１番目の層Ｌ１の送信部１１から遠い側（本実施の形態では、１番目の層Ｌ１の内側）に隣接する層Ｌを２番目の層Ｌ２とし、対象物Ｗにおいてｋ－１番目の層Ｌｋ－１の送信部１１から遠い側（本実施の形態では、ｋ－１番目の層Ｌｋ－１の内側）に隣接する層Ｌをｋ番目の層Ｌｋとする。但し、ｋは自然数とし、０番目の層Ｌ_０は空気の層とする。

【0015】

図２において、ｚ_０、ｚ_１、ｚ_ｋ等は送信部１１及び対象物Ｗを通る仮想線に沿った方向の位置を示している。本実施の形態では、送信部１１及び受信部１２がいずれもｚ_０の位置に配され、対象物Ｗの１番目の層Ｌ１の表面がｚ_１の位置に、ｋ番目の層Ｌｋの表面がｚ_ｋの位置にそれぞれ配されている。よって、送信部１１から対象物Ｗまでの距離及び受信部１２から対象物Ｗまでの距離はいずれもｚ_１－ｚ_０である。

【0016】

発信音波Ｖｉが対象物Ｗの１番目の層Ｌ１に到達すると、１番目の層Ｌ１の表面での発信音波Ｖｉの部分的な反射により反射波Ｒ１が、１番目の層Ｌ１への発信音波Ｖｉの部分的な透過により透過波Ｉ１がそれぞれ生じる。そして、２番目の層Ｌ２以降の層Ｌ、即ち、ｋ番目の層Ｌｋにおいては、ｋ－１番目の層Ｌｋ－１（ｋ＝２の場合は１番目の層Ｌ１）への透過波Ｉｋ－１がｋ番目の層Ｌｋに到達して、ｋ番目の層Ｌｋの表面（ｋ－１番目の層Ｌｋ－１とｋ番目の層Ｌｋとの境界面）での透過波Ｉｋ－１の部分的な反射により反射波Ｒｋが、ｋ番目の層Ｌｋへの透過波Ｉｋ－１の部分的な透過により透過波Ｉｋがそれぞれ生じる。

【0017】

従って、受信部１２が検出する受信音波Ｖｒには、反射波Ｒｋ－１、Ｒｋ等の複数の反射波が含まれている。そのため、受信音波Ｖｒの波形を基に各反射波の波形（音波を時間軸に展開して得られる波形、以下同じ）を導出するには、受信音波Ｖｒの波形から個々の反射波の波形を取り出す必要がある。ここで、反射波Ｒｋは発信音波Ｖｉを基に生じる音波であることから、反射波Ｒｋの波形と発信音波Ｖｉの波形は近似する。

【0018】

本実施の形態では、反射波Ｒｋの波形が発信音波Ｖｉの波形に近似することに着目して検証した結果、発信音波Ｖｉの波形の周波数及び振幅の少なくとも一方を調整（変更）した波形を反射波Ｒｋの波形として扱えること、具体的には、反射波Ｒｋの波形の関数をΨ_ｒ，ｋ（ｔ）とし、発信音波Ｖｉの波形の関数をΨ_ｉ，０（ｔ）として、以下の式１が成立することを確認した。

【0019】

【数1】

【0020】

式（１）において、Ａ_ｋは振幅の調整値を、Ｂ_ｋは周波数の調整値を、ｔは時間を、ｔ_ｋは発信音波Ｖｉの発生から反射波Ｒｋの発生までの時間をそれぞれ意味する。

【0021】

また、図２に示すように、発信音波Ｖｉが対象物Ｗの１番目の層Ｌ１に到達してからｋ番目の層Ｌｋに到達するまでに、発信音波Ｖｉや透過波Ｉ１等の部分的な透過がｋ－１回生じること、並びに、発信音波Ｖｉが空気中を進む際や各透過波が各層（例えば、透過波Ｉ１が１番目の層Ｌ１）を進む際に、発信音波Ｖｉや透過波Ｉ１等に減衰が生じること等を考慮して、音響伝播モデルを表す以下の式（２）を導出した。

【0022】

【数2】

【0023】

式（２）において、ｒは反射率を示し、ｒ_１は発信音波Ｖｉが対象物Ｗの１番目の層Ｌ１の表面に到達して反射波Ｒ１が生じる際の反射率であり、ｒ_ｋは透過波Ｉｋ－１が対象物Ｗのｋ番目の層Ｌｋの表面に到達して反射波Ｒｋが生じる際の反射率である。αは減衰率を意味し、α_０は発信音波Ｖｉが空気中を移動する際の減衰率でありし、α_ｋ－１は透過波Ｉｋ－１が対象物Ｗのｋ－１番目の層Ｌｋ－１を移動する際の減衰率である。

【0024】

ここで、ｚ_ｋ、ｚ_ｋ－１は、以下の式（３）に示すように、ｔ_ｋ、ｔ_ｋ－１、ｃ_ｋ－１によって表すことができる。なお、ｃ_ｋ－１はｋ－１番目の層Ｌｋ－１内の音速（透過波Ｉｋ－１及び反射波Ｒｋの進行速度）を意味し、ｃ_０（空気中の音速）は予め得られる値である。ｃ_ｋ－１には、例えば、対象物Ｗの種類に応じて予め定めた値を採用することができる。

【0025】

【数3】

【0026】

また、対象物Ｗのｋ番目の層Ｌｋの表面の反射率ｒ_ｋ、対象物Ｗのｋ－１番目の層Ｌｋ－１の音響インピーダンス及び対象物Ｗのｋ番目の層Ｌｋの音響インピーダンスは密接に関連している。本実施の形態では、対象物Ｗのｋ－１番目の層Ｌｋ－１の音響インピーダンスに対応するｋ－１番目のインピーダンス対応値をζ_ｋ－１とし、対象物Ｗのｋ番目の層Ｌｋの音響インピーダンスに対応するｋ番目のインピーダンス対応値をζ_ｋとして、ζ_ｋはζ_ｋ－１及びｒ_ｋを用いて以下の式（４）により表せることを確認した。なお、ζ_０は、送信部１１、受信部１２及び対象物Ｗが配される雰囲気の空気の音響インピーダンスを意味し、これは、空気の温度等から求めることができる。

【0027】

【数4】

【0028】

なお、ｋ番目のインピーダンス対応値とは、例えば、ｋ番目の層Ｌｋの音響インピーダンスを整数倍した値である。

【0029】

次に、送信部１１から対象物Ｗに照射する発信音波Ｖｉの波形、及び、受信部１２が検出した受信音波Ｖｒの波形を基に、反射率ｒ_ｋを求め、ｋ番目の層の硬さを推定する工程について説明する。

【0030】

＜準備工程＞
図３（Ａ）に示す発信音波Ｖｉの波形を事前に得て、その発信音波Ｖｉの波形を演算部１３に入力する。発信音波Ｖｉの波形は、硬度推定装置１０の設計元から該当の情報を取得したり、送信部１１から発信音波Ｖｉを発信して受信部１２で発信音波Ｖｉを検出する実験を行ったりすることによって得ることができる。
また、送信部１１、受信部１２及び対象物Ｗが配される雰囲気の空気の温度と、その空気中での音速と、その空気の音響インピーダンスと、送信部１１及び受信部１２から対象物Ｗまでの距離ｚ_１－ｚ_０とが演算部１３に入力される。

【0031】

＜工程１＞
送信部１１から対象物Ｗに発信音波Ｖｉを照射して、演算部１３が、受信部１２で検出した受信音波Ｖｒから受信音波Ｖｒの波形を求める。受信音波Ｖｒの波形の例を図３（Ｂ）に示す。

【0032】

＜工程２＞
演算部１３は、入力された発信音波Ｖｉの波形を適用したｋ＝１の式（１）において、振幅の調整値Ａ_ｋ及び周波数の調整値Ｂ_ｋの各値を変えることにより導出される多数の反射波ｒ１候補の波形から、受信音波Ｖｒの波形に最も適合（合致）する波形を選択し、選択した波形を１番目の修正音波Ｓ１の波形として記憶する。よって、演算部１３は、発信音波Ｖｉの周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して波形が受信音波Ｖｒの波形に適合する１番目の修正音波Ｓ１を導出することとなる。修正音波Ｓ１の波形の例を図３（Ｃ）に示す。

【0033】

＜工程３＞
演算部１３は、記憶した１番目の修正音波Ｓ１の波形とｋ＝１の式（２）の反射波Ｒ１の波形の誤差が最小となるような反射率ｒ_１を最小二乗法等によって求める。なお、ｋ＝１の式（２）とは、式（２）の右辺のΠ以降が削除された数式であり、空気の減衰率α_０及び距離ｚ_１－ｚ_０には事前に演算部１３に入力された値が用いられる。

【0034】

＜工程４＞
演算部１３は、ｋ＝１の式（４）に、工程３で求めた反射率ｒ_１の値及び演算部１３に予め入力された空気の音響インピーダンスζ_０を代入し、対象物Ｗの１番目の層Ｌ１の音響インピーダンスに対応する１番目のインピーダンス対応値ζ_１を算出する。

【0035】

＜工程５＞
ある媒体の音響インピーダンスは当該媒体の音速及び密度の積から算出でき、密度は媒体の硬さに密接に関連することから、音響インピーダンスの値又はインピーダンス対応値から媒体の硬さを推定することが可能である。特に、媒体の材質が判明している場合、音響インピーダンスの値又はインピーダンス対応値から安定的にその媒体の硬さを算出できる。そこで、本実施の形態では、演算部１３が、工程４で算出した１番目のインピーダンス対応値ζ_１から対象物Ｗの１番目の層Ｌ１の硬さを推定する。

【0036】

工程３～５をまとめると、演算部１３は、１番目の修正音波Ｓ１を基に対象物Ｗの１番目の層Ｌ１の表面での反射率ｒ_１を求め、送信部１１及び受信部１２から対象物Ｗまでの間の媒体（空気）の音響インピーダンスζ_０と、１番目の層Ｌ１の表面での反射率ｒ_１とから、１番目の層Ｌ１の音響インピーダンスに対応する１番目のインピーダンス対応値ζ_１を求めて、１番目の層Ｌ１の硬さを推定することとなる。

【0037】

＜工程６＞
そして、演算部１３は、図３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、１番目の修正音波Ｓ１を受信音波Ｖｒから差し引いて第１の差分音波Ｄ１（差分音波の一例）を得る。

【0038】

＜工程７＞
次に、演算部１３は、発信音波Ｖｉの波形を適用したｋ＝２の式（１）において、振幅の調整値Ａ_ｋ及び周波数の調整値Ｂ_ｋの各値を変えることにより導出される多数の反射波ｒ２候補の波形から、第１の差分音波Ｄ１の波形に最も適合する波形を選択し、選択した波形を２番目の修正音波Ｓ２の波形として記憶する。よって、演算部１３は、発信音波Ｖｉの周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して波形が第１の差分音波Ｄ１の波形に適合する２番目の修正音波Ｓ２を導出することとなる。

【0039】

＜工程８＞
演算部１３は、２番目の修正音波Ｓ２の波形とｋ＝２の式（２）の反射波Ｒ２の波形の誤差が最小となるような反射率ｒ_２を最小二乗法等によって求める。このとき、α_０、ｒ_１及びｚ_１－ｚ_０にはここまでで判明している各値が用いられ、ｚ_２にはｋ＝２の式（３）から求められる値が用いられる。なお、式（３）において、例えば、ｔ_１は１番目の修正音波Ｓ１の出現時間（時刻）から導出でき、ｔ_２は第１の差分音波Ｄ１の出現時間（時刻）から導出できる。

【0040】

＜工程９＞
演算部１３は、ｋ＝２の式（４）に、既に求めた１番目の層Ｌ１と２番目の層Ｌ２との境界面での反射率ｒ_２の値及び１番目のインピーダンス対応値ζ_１を代入し、対象物Ｗの２番目の層Ｌ２の音響インピーダンスに対応する２番目のインピーダンス対応値ζ_２を算出し、算出した２番目のインピーダンス対応値ζ_２から対象物Ｗの２番目の層Ｌ２の硬さを推定する。

【0041】

工程８、９から、演算部１３は、２番目の修正音波Ｓ２を基に対象物Ｗの１番目の層Ｌ１と２番目の層Ｌ２との境界面での反射率ｒ_２を求め、１番目のインピーダンス対応値ζ_１と、反射率ｒ_２とから、２番目の層Ｌ２の音響インピーダンスに対応する２番目のインピーダンス対応値ζ_２を求めて、２番目の層Ｌ２の硬さを推定することとなる。

【0042】

＜工程１０＞
そして、演算部１３は、１番目の修正音波Ｓ１及び２番目の修正音波Ｓ２を受信音波Ｖｒから差し引いた第２の差分音波Ｄ２（差分音波の一例）を求める。

【0043】

その後、工程７～工程１０と同様の処理を繰り返して、順次、反射率及びインピーダンス対応値を求めて、該当の層Ｌの硬さを推定する。具体的には、ｎを３以上の自然数として、１番目の修正音波Ｓ１からｎ－１番目の修正音波Ｓｎ－１までのｎ－１個の修正音波を受信音波Ｖｒから差し引いたｎ－１番目の差分音波Ｄｎ－１の波形に波形が適合するｎ番目の修正音波Ｓｎを、発信音波Ｖｉの周波数及び振幅のいずれか一方又は双方を調整して導出し、ｎ番目の修正音波Ｓｎを基にｎ－１番目の層Ｌｎ－１と対象物Ｗのｎ番目の層Ｌｎとの境界面での反射率ｒ_ｎを求め、ｎ－１番目のインピーダンス対応値ζ_ｎ－１と反射率ｒ_ｎとから、ｎ番目の層Ｌｎの音響インピーダンスに対応するｎ番目のインピーダンス対応値ζ_ｎを求めて、ｎ番目の層Ｌｎの硬さを推定する。

【0044】

ここで、工程８に相当する工程において、ｎ番目の修正音波Ｓｎの波形とｋ＝ｎの式（２）の反射波Ｒｎの波形の誤差が最小となるような反射率ｒ_ｎを最小二乗法等によって求める際に、減衰率α_ｎ－１も求める。このとき、ｋ＝ｎの式（２）で不明な値であるｚ_ｎ－１は、ｋ＝ｎの式（３）を用いて算出される。
このようにして、硬度推定装置１０は、対象物Ｗの各層Ｌの硬さを推定する。

【0045】

また、硬度推定装置１０は、図４に示すように、対象物Ｗの硬さを推定して把持力を制御し対象物Ｗを把持する把持設備２０に採用可能である。把持設備２０は、硬度推定装置１０に加えて、対象物Ｗを把持するロボットアーム２１（把持機構の一例）と、硬度推定装置１０によって推定された対象物Ｗの硬さを基にロボットアーム２１による対象物Ｗの把持を制御する制御手段２２とを備える。ここで、対象物Ｗの把持の制御とは、例えば、ロボットアーム２１の把持力の大きさや指部等の移動量である。

【実施例0046】

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実験について説明する。
実験では、まず、スピーカ（送信部の一例）から照射される超音波の波形を調べた。マイク（受信部の一例）をスピーカまで距離を有する位置に配置し、スピーカからマイクに向けて超音波を照射し、マイクでその超音波を検出した。

【0047】

マイクで検出された超音波の波形は、スピーカからマイクに超音波が到達するまでに減衰等したものであるため、マイクで検出された超音波の波形を基に、空気中の超音波の減衰率やスピーカとマイク間の距離等を考慮して、スピーカから照射される超音波の波形を導出した。導出したスピーカから照射される超音波の波形を図５（Ａ）に示す。

【0048】

次に、１番目の層が人肌ゲルで２番目の層がアルミニウムの対象物までの距離が５０ｍｍの位置にスピーカ及びマイクを並べて配置した状態で、スピーカから対象物に超音波を照射し、マイクで音波（受信音波、超音波を含む）を検出した。マイクで検出された音波の波形を図５（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）に示す波形には、対象物の１番目の層の表面で反射された反射波の波形の成分と２番目の層の表面で反射された反射波の波形の成分が含まれていると考えられる。

【0049】

スピーカから照射された図５（Ａ）に示す超音波の波形、及び、マイクで検出された図５（Ｂ）に示す音波の波形を基に、式（１）を用いて、対象物の１番目の層の表面で反射された反射波に対応する１番目の修正音波の波形を導出した。導出した１番目の修正音波の波形を図５（Ｃ）に示す。
そして、導出した１番目の修正音波の波形をマイクで検出された音波の波形から差し引いて第１の差分音波の波形を導出した。導出した第１の差分音波の波形を図５（Ｄ）に示す。図５（Ｄ）にて確認される波形には、マイクで検出した音波の波形から対象物の１番目の層の表面で反射された反射波の波形に対応する１番目の修正音波の波形を取り除くことにより残った２番目の層の表面で反射された反射波の波形が含まれると考えられる。

【0050】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、対象物のＮ番目の層の反射率から対象物のＮ番目の層の硬さを求める数式を採用すれば、Ｎ番目のインピーダンス対応値を求める必要はない。なお、Ｎは自然数である。
また、発信音波の周波数及び振幅のいずれか一方のみを調整して修正音波を導出してもよい。

【符号の説明】

【0051】

１０：硬度推定装置、１１：送信部、１２：受信部、１３：演算部、２０：把持設備、２１：ロボットアーム、２２：制御手段、Ｌ：層、Ｖｉ：発信音波、Ｖｒ：受信音波、Ｗ：対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】