JP7046110B2 - センサ制御装置、センサ制御方法およびプログラム - Google Patents

センサ制御装置、センサ制御方法およびプログラム Download PDF

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Description

本発明は、センサ制御装置、センサ制御方法およびプログラムに関する。
作用した力の方向および大きさを検出する力覚センサが知られている。力覚センサによって、例えば3軸(x,y,z)方向の力の大きさと、各軸回りのトルクの大きさとを検出することができる。そのような力覚センサの例は、例えば特許文献1から特許文献3に記載されている。
特開2004-325367号公報 特開2004-354049号公報 特開平8-122178号公報
上記のような力覚センサを例えばロボットの制御に利用する場合には、センサが組み込まれる部位やロボットのおかれた環境によって出力値のオフセットや誤差の大きさが変動するため、出力補正が必要になる。しかしながら、そのような使用環境に対応した出力補正方法については、まだ十分に提案されていない。
そこで、本発明は、使用環境に対応した力覚センサの出力補正を適切に行うことを可能にする、センサ制御装置、センサ制御方法、およびプログラムを提供することを目的とする。
[1]筐体の表面に作用する力またはモーメントを検出するセンサの動作環境を示す環境情報を取得する環境情報取得部と、環境情報に基づいてセンサの出力補正を実行する補正処理部とを備えるセンサ制御装置。
[2]環境情報は、センサの周辺温度を示す温度情報を含み、補正処理部は、周辺温度に応じてセンサの出力値に対する補正値を決定する、[1]に記載のセンサ制御装置。
[3]補正処理部は、温度に対して離散的に設定された補正値を参照し、補正値を補間することによって周辺温度に応じて連続的に変化する補正値を決定する、[2]に記載のセンサ制御装置。
[4]補正処理部は、温度の関数として設定された補正値を参照し、関数に周辺温度を入力することによって、周辺温度に応じて連続的に変化する補正値を決定する、[2]に記載のセンサ制御装置。
[5]環境情報は、表面に接触している物体の有無を示す接触情報をさらに含み、センサ制御装置は、表面に接触している物体がない場合の周辺温度と出力値とに基づいて補正値を更新する補正値更新部をさらに備える、[2]から[4]のいずれか1項に記載のセンサ制御装置。
[6]表面は、ロボットの脚部に連結された接地面であり、接触情報は、ロボットの姿勢を示す姿勢情報であり、補正値更新部は、姿勢情報によって接地面を移動させる脚部が遊脚状態にあることが示される場合に補正値を更新する、[5]に記載のセンサ制御装置。
[7]補正値更新部は、補正値が予め設定されていない温度域に周辺温度が到達した場合に補正値を新たに設定する、[5]または[6]に記載のセンサ制御装置。
[8]環境情報は、表面とセンサとの間に介在する部材の材質を示す材質情報を含み、補正処理部は、材質に応じてセンサの出力値に対する補正値を決定する、[1]から[7]のいずれか1項に記載のセンサ制御装置。
[9]環境情報は、センサの周辺温度を示す温度情報を含み、補正処理部は、周辺温度における材質ごとの熱膨張率に応じて補正値を決定する、[8]に記載のセンサ制御装置。
[10]筐体の表面に作用する力またはモーメントを検出するセンサの動作環境を示す環境情報を取得するステップと、環境情報に基づいてセンサの出力補正を実行するステップとを含むセンサ制御方法。
[11]筐体の表面に作用する力またはモーメントを検出するセンサの動作環境を示す環境情報を取得する機能と、環境情報に基づいてセンサの出力補正を実行する機能とをコンピュータに実現させるためのプログラム。
上記の構成によれば、使用環境に対応した力覚センサの出力補正を適切に行うことができる。
本発明の一実施形態に係るロボットのハードウェア構成例を示す図である。 図1に示された力覚センサの制御に関する機能部分の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における温度に基づく出力補正の例について概念的に説明するための図である。 図3に示された例において補正値を更新する場合の処理の例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態における材質に基づく出力補正の例について概念的に説明するための図である。 力覚センサの第1の配置例を示す図である。 力覚センサの第1の配置例を示す図である。 力覚センサの第2の配置例を示す図である。 力覚センサの第3の配置例を示す図である。 力覚センサの第3の配置例を示す図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係るロボットのハードウェア構成例を示す図である。図1に示されるように、ロボット10は、本体部12に搭載される制御装置100を有する。制御装置100は、演算処理を実行するCPU(Central Processing Unit)110、RAM(Random Access Memory)120、ROM(Read Only Memory)130、および外部メモリ140などを含む。制御装置100は、カメラ21が取得した画像データ、マイクロフォン22が取得した音声データ、または通信インターフェース24が受信したコマンド信号などに応じてロボット10の動作を決定する。カメラ21、マイクロフォン22、および通信インターフェース24は、バスインターフェース150を介して制御装置100に接続される。
制御装置100は、決定された動作が実行されるように、ロボット10の各部を制御する。具体的には、制御装置100は、決定された動作が実行されるように、腕部13L,13R、手部14L,14R、脚部15L,15R、および足部16L,16Rの関節部を回転駆動するモータ30を制御する。図示されていないが、頭部11および本体部12にもモータ30によって駆動される関節部が設けられてもよい。
例えば、制御装置100のCPU110は、ROM130または外部メモリ140に格納された制御パターンから決定された動作に対応するパターンを選択し、選択されたパターンに従って足部運動、ZMP(Zero Moment Point)軌道、体幹運動、上肢運動、腰部水平位置および高さなどを設定し、これらの設定値に従ってモータ30を制御する。
また、ロボット10には、慣性計測装置(IMU:Inertial Measurement Unit)25、力覚センサ26、温度センサ27などのセンサが搭載される。これらのセンサはバスインターフェース150を介して制御装置100に接続され、制御装置100は必要に応じで各センサの出力値を参照してロボット10の各部を制御する。
図2は、図1に示された力覚センサの制御に関する機能部分の構成を示すブロック図である。図示されているように、制御装置100は、CPU110(プロセッサ)がROM130または外部メモリ140に格納されたプログラムに従って動作することによって実現される機能部分として環境情報取得部111、補正処理部112、および補正値更新部113を含む。また、ROM130または外部メモリ140には、補正値テーブル131が格納される。以下、各部の機能についてさらに説明する。
環境情報取得部111は、力覚センサ26の動作環境を示す環境情報を取得する。ここで、本実施形態において、力覚センサ26は、ロボット10の筐体の表面、具体的には脚部15L,15Rに連結された足部16L,16Rの接地面に作用する力およびモーメントを検出する。環境情報は、そのような力覚センサ26の動作環境、例えば周辺温度や、接地面に接触している物体(床面や地表を含む)の有無、接地面の材質などを示す情報を含む。
補正処理部112は、環境情報取得部111が取得した環境情報に基づいて力覚センサ26の出力補正を実行する。出力補正は、例えば力覚センサ26の初期設定として実行されてもよいし、力覚センサ26の動作中に継続的に、または周期的に実行されてもよい。ここで、本実施形態において、力覚センサ26は3軸のそれぞれにおける力(Fx,Fy,Fz)およびモーメント(Mx,My,Mz)を検出することが可能であるが、補正処理部112は各軸で異なる出力補正を実行してもよい。
補正値更新部113は、後述するように補正処理部112が力覚センサ26の出力値に対する補正値を決定する場合に、環境情報の経時的な変化に対応して補正値を更新する。具体的には、例えば、補正値更新部113は、他の方法によって力覚センサ26の理想的な出力値が既知である場合に、力覚センサ26の実際の出力値と理想的な出力値との差分から、その時点で環境情報によって示される動作環境に対応する補正値を更新する。
図3は、本発明の一実施形態における温度に基づく出力補正の例について概念的に説明するための図である。力覚センサ26の出力値には、検出面に作用する力やモーメントの大きさにかかわらず出力されるバイアス出力が含まれる。これに対して、例えば標準的な温度(図示された例では25℃)でキャリブレーションを実施してバイアス出力がキャンセルされるような補正値を初期設定することができる。しかしながら、図3のグラフに示されるように、バイアス出力には温度依存性があるため、力覚センサ26の動作環境における温度が変動するとバイアス出力が補正値ではキャンセルされず、出力値にバイアス出力による誤差、および誤差が蓄積することによるドリフトが発生する。
そこで、本実施形態では、補正処理部112が力覚センサ26の周辺温度に応じて力覚センサ26の出力値に対する補正値を決定する。この場合、環境情報取得部111が取得する環境情報は、温度センサ27によって測定された温度を示す温度情報を含む。温度センサ27は力覚センサ26と同じロボット10に搭載されているため、温度情報は力覚センサ26の周辺温度を示す情報として扱うことができる。補正値テーブル131には温度ごとに設定された補正値が格納されてもよい。
例えば、図3に示された例では、周辺温度が25℃のときに無負荷状態での力Fzの出力値が0になるように補正値が設定されている。周辺温度が30℃で同じ補正値を適用すると、バイアス出力が大きくなることによって無負荷状態での力Fzの出力値が0ではなく1.8Nになるため、30℃に対する補正値は25℃の場合の補正値よりも1.8Nだけ大きい値にするのが適切である。同様に、周辺温度が35℃の場合の補正値は、25℃の場合の補正値よりも4Nだけ大きい値にするのが適切である。図示された例の補正値テーブル131のように、補正値は温度に対して離散的に設定されてもよい。この場合、補正処理部112は、補正値テーブル131に格納された補正値を補間(単純な例としては線形補間)することによって、力覚センサ26の周辺温度に応じて連続的に変化する補正値を決定してもよい。
他の例では、補正値が温度の関数として設定され、補正値テーブル131には関数の係数が格納されてもよい。この場合、補正処理部112は、温度情報によって示される力覚センサ26の周辺温度を関数に入力することによって、周辺温度に応じて連続的に変化する補正値を決定することができる。
図4は、図3に示された例において補正値を更新する場合の処理の例を示すフローチャートである。力覚センサ26の出力値に対する補正値は、例えば予め試験によって設定され、固定値として補正値テーブル131に格納されてもよいが、図示された例では補正値更新部113が環境情報の経時的な変化、具体的には力覚センサ26の周辺温度の経時的な変化に対応して補正値を更新する。
上述のように、本実施形態において、力覚センサ26はロボット10の足部16L,16Rの接地面に作用する力およびモーメントを検出する。従って、接地面に接触している物体(床面や地表を含む)がなければ、力覚センサ26は無負荷状態になる。この状態において、力覚センサ26の出力値、具体的には接地面に対して垂直な方向の力(以下、この力Fzとして説明する)を示す出力値は、理想的には0になるはずである。
そこで、環境情報取得部111は、制御装置100が決定したロボットの動作を示す情報や、モータ30の制御によって動作が実行された結果として生じるIMU25の測定値の変化を示す情報を、ロボット10の姿勢を示す姿勢情報251として取得する。姿勢情報251から、例えばロボット10の脚部15L,15Rのいずれかが遊脚状態、すなわち専ら他方の脚部によってロボット10の自重が負担されている間に床面や地表から浮いた状態であるか否かを判定することができる。脚部が遊脚状態である間、足部16L,16Rの接地面に接触している物体はないと推定されるため、上記の姿勢情報251は、接地面に接触している物体の有無を示す接触情報として利用できる。
以上のような前提のもと、図示された例では、環境情報取得部111がロボット10の姿勢情報251を取得し(ステップS102)、補正値更新部113が姿勢情報251から脚部15L,15Rのいずれかが遊脚状態であるか否かを判定する(ステップS103)。具体的には、補正値更新部113は、ロボット10が脚部15L,15Rのいずれか一方で自重を支持している姿勢であるか否かを判定する。脚部15L,15Rのいずれか一方で自重が支持されている場合、他方の脚部が遊脚状態になる。
ステップS103の判定でいずれかの脚部が遊脚状態であった場合、補正値更新部113は遊脚状態である脚部に連結された足部16L,16Rの接地面に取り付けられた力覚センサ26の補正値の更新を実行する。具体的には、補正値更新部113は、力覚センサ26による力Fzの出力値を取得する(ステップS104)とともに環境情報取得部111を介して力覚センサ26の周辺温度を示す温度情報を取得し(ステップS105)、力Fzの出力値が0になるように、その時点での周辺温度に対して補正値テーブル131で設定されている補正値を更新する(ステップS106)。
このような補正値の更新によって、例えば予め設定された補正値、または以前に更新された補正値と、実際の力覚センサ26でのバイアス出力との間に誤差が生じている場合も、最新の力覚センサ26の状態に応じて適切な補正値を設定することができる。
なお、例えば図3の例の補正値テーブル131の40℃および45℃の場合のように、予め補正値が設定されていない温度があってもよい。このような場合、補正値更新部113は、図4にステップS101として示されているように、温度情報によって示される力覚センサ26の周辺温度が、補正値が予め設定されていない温度域に到達した場合に補正値を新たに設定してもよい。この場合、例えば、標準的な温度での補正値を初期設定すれば、その後に温度変動があった場合には自動的に他の温度域での補正値が新たに設定される。あるいは、補正値の初期設定も含めて、図4に示したような補正値の更新手順によって補正値を設定してもよい。この場合、補正値の初期設定は必要とされない。
また、他の例として、補正値が温度の関数として設定される場合、上記のような補正値の更新手順によって、補正値テーブル131に格納された関数の係数を更新してもよい。この場合、例えば平均的な傾きの一次関数として初期設定された関数を、係数の更新によって実際の温度と補正値との関係を示す曲線にフィッティングすることができる。
図5は、本発明の一実施形態における材質に基づく出力補正の例について概念的に説明するための図である。力覚センサ26の出力値に含まれるバイアス出力は、検出面と力覚センサ26との間に介在する部材の材質によっても異なる。これは、材質ごとに熱膨張率や硬度、剛性値などの物理係数が異なるためと考えられる。そこで、図示された例では、環境情報取得部111が検出面と力覚センサ26との間に介在する部材の材質、すなわち足部16L,16Rの接地面の材質を示す材質情報を取得する。この場合、補正処理部112は、別途取得された温度情報によって示される力覚センサ26の周辺温度における材質ごとの熱膨張率に応じて補正値を決定する。図示された例では、足部16L,16Rの接地面の材質がマグネシウム合金(Mg)である場合とステンレス合金(SUS)である場合とで、それぞれの合金の熱膨張率に応じた割合で温度に対して増加する補正値が設定される。
上記で説明したような本発明の一実施形態の構成によれば、例えば温度や検出面の材質などの使用環境に対応して力覚センサの出力補正を適切に行うことができる。なお、上記の例では3軸のそれぞれにおける力(Fx,Fy,Fz)およびモーメント(Mx,My,Mz)を検出する力覚センサの出力補正を行う例について説明したが、センサは力またはモーメントのいずれか一方を検出してもよく、また検出が3軸ではなく2軸または1軸で行われてもよい。また、上記の例ではロボットの足部の接地面に作用する力およびモーメントを検出する力覚センサについて説明したが、センサはロボットの他の部分、またはロボット以外の装置の筐体の表面で物体に接触する面に作用する力またはモーメントを検出してもよい。
次に、上述した本発明の一実施形態で適用可能な力覚センサの配置例について説明する。以下で説明する配置例は、例えば上述の実施形態に従って力覚センサの出力補正を実施する場合に適用されてもよいし、上述の実施形態とは別の仕方で出力補正を実施する場合に適用されてもよい。なお、以下では図1に示したロボット10の足部16L,16Rの接地面16Sを作用面とする例について説明するが、センサはロボットの他の部分、またはロボット以外の装置の筐体の作用面に作用する力またはモーメントを検出してもよい。
図6Aおよび図6Bは、力覚センサの第1の配置例を示す図である。図示された例において、力覚センサ26は、検出軸xおよび検出軸yが接地面16Sに一致し、かつ接地面16Sの全体が力覚センサ26の中心を通る検出軸xおよび検出軸yのそれぞれについて対称であるように配置される。ここで、検出軸xは力FxおよびモーメントMxの検出軸であり、検出軸yは力FyおよびモーメントMyの検出軸である。力覚センサ26の中心を基準にして検出軸xおよび検出軸yのそれぞれに沿った方向の距離が等しい位置において接地面16Sの形状が対称であることによって、それぞれの検出軸の両側で発生する力やモーメントが均等になる。従って、例えば上述した制御装置100の補正処理部112における力覚センサ26の出力補正において、検出軸の両側で力およびモーメントが均等であることを仮定することによって補正のための演算を簡略化できる。
図7は、力覚センサの第2の配置例を示す図である。図示された例では、図6Aの例と同様に接地面16Sの外形が検出軸xおよび検出軸yのそれぞれについて対称な矩形である。さらに、図7の例では、接地面16Sが、検出軸xおよび検出軸yのそれぞれについて対称な欠落部16Aを有する。欠落部16Aは、例えば軽量化のための切り欠き部である。接地面16Sの外形だけではなく、欠落部16Aのような構造を含めて検出軸xおよび検出軸yのそれぞれについて対称にすることによって、検出軸の両側で発生した力およびモーメントの伝達経路が同じになり、その結果としてそれぞれの検出軸の両側で発生する力やモーメントが均等になる。従って、図7の例でも、上述した図6Aおよび図6Bの例と同様に、制御装置100の補正処理部112における力覚センサ26の出力補正のための演算を簡略化できる。
図8Aおよび図8Bは、力覚センサの第3の配置例を示す図である。図8Aに示す例では、接地面16Sに形成される欠落部16B,16Cの形状が互いに異なる。それゆえ、接地面16Sは全体として、検出軸yの両側では対称であるが、検出軸xの両側では対称ではない。従って、検出軸yの両側では発生する力やモーメントが均等であることを仮定できるが、検出軸xの両側では力およびモーメントの伝達経路が均等ではないため、検出軸xの両側で補正係数を変えるなどの対応が必要になる。一方、図8Bに示す例では、接地面16Sが全体としては力覚センサ26の中心を通る検出軸xおよび検出軸yのいずれについても対称ではない。ただし、接地面16Sに形成される欠落部16D,16E,16Fのうち、欠落部16E,16Fが検出軸yについて対称に形成されるため、欠落部16E,16Fを含む接地面16Sの一部については、発生する力やモーメントが均等であることを仮定することができる。
上記の図6A、図6B、および図7に示した例のように接地面16Sの全体が検出軸xおよび検出軸yについて対称である例に限られず、図8Aに示した例のように接地面16Sの全体が検出軸xまたは検出軸yのいずれか一方のみについて対称である場合や、図8Bに示した例のように接地面16Sの一部に検出軸について対称な要素が配置される場合も、接地面16Sの一部で力およびモーメントが均等であることを仮定できるため、例えば接地面16Sが検出軸について対称な要素を含まない場合に比べて、制御装置100の補正処理部112における力覚センサ26の出力補正のための演算を簡略化できる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、各種の変形例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
10…ロボット、11…頭部、12…本体部、13L,13R…腕部、14L,14R…手部、15L,15R…脚部、16L,16R…足部、16S…接地面、16A,16B,16C、16D,16E,16F…欠落部、21…カメラ、22…マイクロフォン、24…通信インターフェース、26…力覚センサ、27…温度センサ、30…モータ、100…制御装置、110…CPU、111…環境情報取得部、112…補正処理部、113…補正値更新部、130…ROM、131…補正値テーブル、140…外部メモリ、150…バスインターフェース、251…姿勢情報。

Claims (9)

  1. 筐体の表面に作用する力またはモーメントを検出するセンサの動作環境を示す環境情報を取得する環境情報取得部と、
    前記環境情報に基づいて前記センサの出力補正を実行する補正処理部と
    を備えるセンサ制御装置であって、
    前記環境情報は、前記センサの周辺温度を示す温度情報を含み、
    前記補正処理部は、前記周辺温度に応じて前記センサの出力値に対する補正値を決定し、
    前記環境情報は、前記表面に接触している物体の有無を示す接触情報をさらに含み、
    前記表面に接触している物体がない場合の前記周辺温度と前記出力値とに基づいて前記補正値を更新する補正値更新部をさらに備える、センサ制御装置
  2. 前記補正処理部は、温度に対して離散的に設定された前記補正値を参照し、前記補正値を補間することによって前記周辺温度に応じて連続的に変化する前記補正値を決定する、請求項に記載のセンサ制御装置。
  3. 前記補正処理部は、温度の関数として設定された前記補正値を参照し、前記関数に前記周辺温度を入力することによって、前記周辺温度に応じて連続的に変化する前記補正値を決定する、請求項に記載のセンサ制御装置。
  4. 前記表面は、ロボットの脚部に連結された接地面であり、
    前記接触情報は、前記ロボットの姿勢を示す姿勢情報であり、
    前記補正値更新部は、前記姿勢情報によって前記接地面を移動させる前記脚部が遊脚状態にあることが示される場合に前記補正値を更新する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のセンサ制御装置。
  5. 前記補正値更新部は、前記補正値が予め設定されていない温度域に前記周辺温度が到達した場合に前記補正値を新たに設定する、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のセンサ制御装置。
  6. 前記環境情報は、前記表面と前記センサとの間に介在する部材の材質を示す材質情報を含み、
    前記補正処理部は、前記材質に応じて前記センサの出力値に対する補正値を決定する、請求項1から請求項のいずれか1項に記載のセンサ制御装置。
  7. 前記補正処理部は、前記周辺温度における前記材質ごとの熱膨張率に応じて前記補正値を決定する、請求項に記載のセンサ制御装置。
  8. 筐体の表面に作用する力またはモーメントを検出するセンサの動作環境を示す環境情報を取得するステップと、
    前記環境情報に基づいて前記センサの出力補正を実行するステップと
    を含むセンサ制御方法であって、
    前記環境情報は、前記センサの周辺温度を示す温度情報を含み、
    前記出力補正を実行するステップでは、前記周辺温度に応じて前記センサの出力値に対する補正値を決定し、
    前記環境情報は、前記表面に接触している物体の有無を示す接触情報をさらに含み、
    前記表面に接触している物体がない場合の前記周辺温度と前記出力値とに基づいて前記補正値を更新するステップをさらに含む、センサ制御方法
  9. 筐体の表面に作用する力またはモーメントを検出するセンサの動作環境を示す環境情報を取得する機能と、
    前記環境情報に基づいて前記センサの出力補正を実行する機能と
    をコンピュータに実現させるためのプログラムであって、
    前記環境情報は、前記センサの周辺温度を示す温度情報を含み、
    前記出力補正を実行する機能は、前記周辺温度に応じて前記センサの出力値に対する補正値を決定し、
    前記環境情報は、前記表面に接触している物体の有無を示す接触情報をさらに含み、
    前記表面に接触している物体がない場合の前記周辺温度と前記出力値とに基づいて前記補正値を更新する機能をさらに前記コンピュータに実現させるプログラム
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