JPH0835891A

JPH0835891A - 力覚センサ

Info

Publication number: JPH0835891A
Application number: JP19234094A
Authority: JP
Inventors: Kazukuni Ban; 一訓伴; Katsuyuki Kuribayashi; 克幸栗林
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 1996-02-06

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】力覚センサのブリッジ平衡調節機自動化。【構成】Ｄ／Ａ変換器２０５への設定値を表わす指標
ｋの初期値を０として処理が開始されると、ＣＰＵ２０
６はＤ／Ａ変換器２０５内のレジスタにデジタル値ｋを
設定する。増幅器２０２には、ある電圧値Ｖk が出力さ
れるので、ＣＰＵ２０６はＡ／Ｄ変換器２０３からその
電圧値Ｖk に対応したある出力値αk を獲得する。αk
は、ブリッジ回路２０１の平衡状態からのずれの大きさ
を表わしている。ＣＰＵ２０６は、データセット（ｋ，
αk ）をＲＡＭ２０７内に一時記憶する。以下、ｋの値
がＤ／Ａ変換器２０５設定可能な最大値ｋmax に達する
までこれらの処理を繰り返す。そして、蓄積されたｋma
x ＋１組のデータセット（ｋ，αk ）について、最小の
αk を与えるｋ値ｋ0 を求め、Ｄ／Ａ変換器２０５に設
定する。これにより、最も小さなブリッジ出力を与える
状態が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は力覚センサに関し、特
に、歪ゲージを利用して力乃至トルクの測定を行なう分
野で使用される力覚センサに関する。本願発明の力覚セ
ンサは、例えば建造物の構成要素の応力測定の用途ある
いは力制御を行なうロボットの手首−エンドエフェクタ
間に搭載して力やトルクを測定する用途などに適用され
るものである。

【０００２】

【従来の技術】力覚センサは、金属などを用いた機械的
な弾性体に歪ゲージなどの応力を電気抵抗値（以下、単
に「抵抗値」と言う。）の変化に変換する型の検出器を
組み合わせ、弾性体に作用した力乃至トルクを抵抗値の
変化として検出するセンサである。このように、測定量
を抵抗値の微小変化に変換する変換要素を用いた検出器
を使用する場合には、測定量（歪ゲージでは応力）に対
応した抵抗値の変化分を電圧値として取り出す為に、前
記変換素子を組み込んだホイストーン・ブリッジを用い
る方式が広く採用されている。

【０００３】この方式では、ホイストーン・ブリッジ
（以下、単に「ブリッジ」と言う。）の４つの抵抗器の
内の１個または複数個を前記変換素子（以下、歪ゲージ
でこれを代表させる。）で置き換えたブリッジ構成がと
られ、ブリッジに励起電圧を印加することにより、歪ゲ
ージの電気抵抗変化が電圧値として出力される。

【０００４】この手法の利点は、ブリッジを構成する抵
抗器（歪ゲージ）の本来の抵抗値に相当する成分は電圧
値として出力されず、抵抗値の微小変化分のみが電圧値
として出力され、しかも、その出力は抵抗値変化量に比
例している点にある。但し、その前提として、ブリッジ
を構成する４つの抵抗器の抵抗値（歪ゲージについては
本来の抵抗値）が相等しいことが要求される。

【０００５】しかし、４つの抵抗器の抵抗値を全く均等
にすることは事実上不可能なので、可変抵抗器を利用
し、ブリッジの出力が０であるべき状態（例えば、作用
する応力がゼロの状態、以下、「基準状態」と言う。）
の下でブリッジの出力が０となるように前記可変抵抗器
の抵抗値を調節することが行なわれる。

【０００６】図１は、このような可変抵抗器を用いたブ
リッジの平衡調節について説明する図である。同図にお
いて、符号１〜５はホイーストン・ブリッジを構成する
抵抗器を表わしている。この例では、抵抗器１，２が、
金属などの弾性体Ｗに取り付けられた歪ゲージであり、
応力による歪が発生するとその抵抗値が本来の抵抗値Ｒ
1 ，Ｒ2 から変化する。また、抵抗器３，４は抵抗値Ｒ
3 ，Ｒ4 を有する固定抵抗器である。そして、抵抗器５
が平衡調節を行なう為に組み込まれた可変抵抗器であ
る。

【０００７】各抵抗器１〜５の抵抗値Ｒ1 〜Ｒ5 は、平
衡調節を行なわない状態で既に次の関係が少なくとも近
似的には成立するように選定されている。Ｒ1 ＝Ｒ2 ＝（Ｒ3 ＋Ｒ5 ／２）＝（Ｒ4 ＋Ｒ5 ／２）・・・［１］このブリッジに励起電圧Ｖe を印加すると、電圧Ｖo が
出力される。ブリッジの平衡調節は、基準状態下におけ
るこの電圧Ｖo が零（Ｖo ＝０）となるように実施され
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記説明した通り、従
来技術においてはブリッジの平衡調節が可変抵抗器を利
用して行なわれるのが最も一般的であるが、このような
可変抵抗器による平衡調節を行なうブリッジを力覚セン
サに採用した場合には、次のような問題を生じていた。

【０００９】（１）平衡調節を行なう為に、可変抵抗器
（図１、符号５参照）の抵抗値を調節する調節部材（ノ
ブ、ネジ等）を人手によって調節する必要があるが、力
覚センサの検出部は、人が直接アクセスすることが容易
な場所に設置されない場合も多いこと（例えば、建造物
の内部）。

【００１０】特に、歪ゲージにかかる応力の状況に応じ
て基準状態を頻繁に変更し、平衡調節を何度も実施しな
ければならないケースでは、その度に可変抵抗器を人手
で調節することが要求されること。このような事態は極
めて不便であるばかりではなく、場合によっては平衡調
節が不可能である場合も起こり得る。

【００１１】（２）人手による平衡調節は調節精度に個
人差などが出易いので、測定値の客観性、信頼性に限界
がある。

【００１２】そこで、本願発明の目的は上記問題点を克
服し、ブリッジの平衡調節をマニュアル操作によること
なく自動的に行うことが出来る力覚センサを提供するこ
とにある。また、そのことを通して、力覚センサの使い
易さ並びに計測結果の客観性、信頼性を向上させること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願発明は、「機械的な
弾性体に取り付けられ、前記弾性体に作用した応力に応
じて抵抗値が変化する少なくとも１つの抵抗器を含み、
前記応力による前記抵抗値の変化を電圧値で取り出すホ
イストーン・ブリッジ回路と、前記ホイストーン・ブリ
ッジ回路のブリッジ出力の平衡調節を行なう平衡調節手
段とを備えた力覚センサにおいて、前記平衡調節手段
が、前記ホイストーン・ブリッジ回路の出力電圧をある
範囲内で均等分割し、その内の任意の電圧を実際の出力
電圧として出力するＤ／Ａ変換器と、前記Ｄ／Ａ変換器
のデジタル設定入力を順次切り替える手段と、前記順次
切り替えられたデジタル設定入力下におけるブリッジ出
力の内最小の値を与えるデジタル設定入力値を決定する
手段と、該決定されたデジタル設定入力値を前記Ｄ／Ａ
変換器に設定する手段を備えたことを特徴とする前記力
覚センサ」、によって上記技術課題を解決したものであ
る。

【００１４】

【作用】本願発明は、力覚センサに装備されたホイスト
ーン・ブリッジ回路のブリッジ出力の平衡調節手段とし
て、従来より使用されている可変抵抗器に代えてＤＡ変
換器を用いたことに基本的な特徴がある。このＤ／Ａ変
換器は、ホイストーン・ブリッジ回路の出力電圧をある
範囲内で均等分割し、その内の任意の電圧を実際の出力
電圧として出力する位置に接続される。分割調整後のブ
リッジ出力の値は、Ｄ／Ａ変換器のデジタル設定入力に
よって調整することが出来る。

【００１５】このデジタル設定入力値は、例えばマイク
ロプロセッサ、メモリ等を備えた制御装置によって順次
切り替えられる。そして、順次切り替えられたデジタル
設定入力下におけるブリッジ出力の内で最小の値を与え
るデジタル設定入力値を求め、それをＤ／Ａ変換器に設
定することにより、ブリッジ出力の平衡調整が達成され
る。

【００１６】ゼロ出力を得たい基準状態を変更する時に
は、変更後の環境に置かれた力覚センサについて、上記
平衡調節処理を再実行すれば、変更後の基準状態におけ
る最適の平衡調節が達成される。

【００１７】このように、本願発明の力覚センサでは、
ブリッジの平衡調節の自動化が可能となるので、力覚セ
ンサの設置箇所の制約が著しく緩和されるとともに、基
準状態（計測値を０としたい状態）を頻繁に変更する場
合でも、平衡調節が困難ではなくなる。また、平衡調節
の精度の個人差等の不安定要素が消え、測定の客観性、
信頼性が向上する。

【００１８】

【実施例】図２は、本願発明に従った力覚センサにおけ
るブリッジ平衡調節手段として使用されるＤ／Ａ変換器
の基本構成を示したものである。これを説明すると、先
ず、記号Ｄ0 〜Ｄn はデジタル入力信号を表わしてお
り、符号６で指示されたレジスタに信号Ｄ0 〜Ｄn が入
力されると、レジスタ６はこれら信号の論理状態Ｄ0'〜
Ｄn'を一時記憶する。

【００１９】この一時記憶は任意のタイミングで行える
ようになっている。一時記憶された論理状態Ｄ0'〜Ｄn'
は、レジスタ６の後段に接続されたスイッチＳ0 〜Ｓn
の制御に用いられる。例えば、第ｉ番目のデジタル信号
Ｄi が正論理の時、第ｉ番目のスイッチＳi が図におけ
る回路表示でみて上側のラインに接続され、逆に負論理
の時には下側のラインに接続される。

【００２０】そして、各スイッチＳ0 〜Ｓn の上側のラ
イン及び下側のラインは各々端子８，９に接続されてい
る。また、各スイッチＳ0 〜Ｓn の後段側には抵抗値Ｒ
及び２Ｒを有する素子群からなる抵抗ネットワーク７が
接続されており、各スイッチＳ0 〜Ｓn と端子１０を結
んでいる。

【００２１】今、端子８に電位Ｖa を印加し、端子９に
はこれを上回る電位Ｖb （＞Ｖa ）を印加したとする
と、デジタル信号Ｄ0 〜Ｄn 及びレジスタ６を制御する
ことにより、端子１０に電位差ΔＶ＝Ｖb −Ｖa を２ⁿ
−１分割した任意の電位Ｖc を出力することが出来る。
即ち、端子１０の電位Ｖc は、Ｖc ＝Ｖa ＋ｋ・（Ｖb −Ｖa ）／（２ⁿ −１）・・・［２］となる。但し、ｋは０≦ｋ≦２ⁿ の任意の整数である。
なお、図４以降においては、図２に示したＤ／Ａ変換器
を図３に示した略式表示記号を以て表わすことにする。
図３中に符号８’，９’，１０’で指示された端子は、
図２における端子８，９，１０に対応しており、端子
８’，９’にはブリッジの出力電圧が印加され、子１
０’にはこれをある範囲内で均等分割し、その内の任意
の電圧が実際の出力電圧として出力される。図４は、図
２に示した基本構成を有するＤ／Ａ変換器を用いた、本
願発明による力覚センサのブリッジの回路構成の概要を
示したものである。同図において、符号１０１，１０
２，１０３，１０４はブリッジを構成する抵抗器であ
り、本例では抵抗器１０１及び１０２に歪ゲージが使用
されている。歪ゲージ１０１及び１０２が、金属などの
弾性体Ｗ’に取り付けられていることは、図１の場合と
同様である。また、各抵抗器の抵抗値Ｒ1'，Ｒ2'，Ｒ
3'，Ｒ4'，Ｒ5'の選択の仕方についても、図１の関連説
明で述べたものと同様である（前出の［１］式参照）。

【００２２】本実施例においては、抵抗器１０５の両端
の電位（中間出力）が、通例ボルテージフォロワと呼ば
れる演算増幅器よりなる電圧増幅率が１のアンプ１０
６，１０７を介して、図２に示したＤ／Ａ変換器の端子
８及び９に相当する端子８’，９’に入力される。ま
た、端子１０’（図２中端子１０に相当）がブリッジ出
力端子の一方とされている。

【００２３】このアンプ１０６，１０７は、Ｄ／Ａ変換
器の見かけ上の入力インピーダンスを高め、且つ、ブリ
ッジ回路の見かけ上の出力インピーダンスを低め、Ｄ／
Ａ変換器の内部回路とブリッジ回路が相互に影響を及ぼ
さないようにする為に設置される。なお、このアンプ１
０６，１０７に相当する部分をＤ／Ａ変換器の内部回路
に含ませた構成も考えられる。

【００２４】このような接続により、分割調整されたブ
リッジ出力電圧Ｖo'が得ることが可能となる。このブリ
ッジ出力電圧Ｖo'が取り得る値は離散的であり、ブリッ
ジ平衡の調整能力は離散値の刻みの細かさに依存するこ
とになる。

【００２５】そして、この離散値の刻みの細かさは、図
２を参照して説明したことから（前出［２］式参照）、
デジタル信号Ｄ0 〜Ｄn のビット数ｎの選択を通して任
意に設定することが出来る。即ち、要求される調整能力
に見合った十分大きいｎを設計的に選択することによっ
て、満足すべき滑らかさを以て平衡調整を行なう能力を
有するブリッジ回路を力覚センサに組み込むことが出来
る。

【００２６】次に、図５は図４に示したブリッジ回路を
組み込み、ブリッジの平衡調節を自動的に行えるように
した力覚センサシステムの構成を例示したものである。
力覚センサシステム全体は、図４に示したブリッジ回路
２０１、増幅器２０２、Ａ／Ｄ変換器２０３、マイクロ
プロセッサからなる中央演算処理装置（以下、「ＣＰ
Ｕ」と言う。）２０６及び揮発性メモリ（以下、「ＲＡ
Ｍメモリ」と称す。）２０７、不揮発性メモリ（以下、
「ＲＯＭメモリ」と称す。）２０８で構成されている。
そして、ＲＡＭメモリ２０７、ＲＯＭメモリ２０８、Ａ
／Ｄ変換器２０３及びブリッジ回路２０１の平衡調節用
Ｄ／Ａ変換器２０５のデジタル信号入力端子（図２Ｄ0
〜Ｄn 参照）は、太線で記されたバスライン２０４を介
してＣＰＵ２０６に接続されている。

【００２７】ブリッジ回路２０１からの出力電圧は、増
幅器２０２で増幅され、Ａ／Ｄ変換器２０３に入力され
る。Ａ／Ｄ変換器２０３は、力覚センサに及ぼされる力
乃至トルクを表わす電圧に変換されたアナログ値をデジ
タル値に変換し、バスライン２０４に出力する。

【００２８】ＣＰＵ２０６は、システム全体を統括制御
する為の処理、ブリッジ回路２０１で検出された力乃至
トルクのデータをアプリケーションに応じて有効に活用
する為の処理、及びブリッジ平衡調節の為の処理を行な
う。なお、ここでは前者の処理については、本願発明と
特に関係が無いので、内容の説明を省略する。ＲＡＭ２
０７には、ＣＰＵ２０６がＤ／Ａ変換器２０５に設定す
るデジタル値を表わす指標ｋを記憶するレジスタが設定
される。また、ＲＡＭ２０７はＣＰＵ２０６が処理を実
行する上で必要なその他のデータの一時記憶にも使用さ
れる。ＲＯＭ２０８には、ＣＰＵ２０６に前記各処理を
実行させる為のプログラムが所要設定値とともに格納さ
れる。

【００２９】以下、本実施例に係る力覚センサシステム
におけるブリッジ平衡調節の為の処理手順の一例につい
て図６のフローチャートを参照して説明する。ブリッジ
平衡調節の処理は、力覚センサを基準状態として望む状
態（例えば、無負荷状態あるいは重力のみが作用してい
る状態など）に保った状態で以下のような処理手順で実
行される。Ｄ／Ａ変換器２０５への設定値を表わす指標
ｋの初期値を０として処理が開始されると、先ず、ＣＰ
Ｕ２０６はＤ／Ａ変換器２０５にデジタル値ｋを設定す
る（ステップＳ１）。この設定値ｋは、図２の関連説明
で言及した前出［２］式のｋに相当したものである。Ｄ
／Ａ変換器２０５にデジタル値ｋが設定されると、増幅
器２０２には、ある電圧値Ｖk が出力されるので、ＣＰ
Ｕ２０６はＡ／Ｄ変換器２０３からその電圧値Ｖk に対
応したあるデジタル出力値αk を獲得する（ステップＳ
２）。αk は、ブリッジ回路２０１の平衡状態からのず
れの大きさを表わしている。

【００３０】ＣＰＵ２０６は、Ｄ／Ａ変換器２０５への
設定値ｋとこの値αk を１組のデータセット（ｋ，αk
）としてＲＡＭ２０７内に一時記憶する（ステップＳ
３）。そして、指標ｋを１アップし（ステップＳ４）、
１アップ後の指標ｋの値がＤ／Ａ変換器２０５へ設定可
能な最大値ｋmax を越えていないか否かチェックする
（ステップＳ５）。ｋmax の値は、前出［２］式から、
ｋmax ＝２ⁿ −１で与えられる。ここで、ｎはＤ／Ａ変
換器２０５で使用されているレジスタ（図２中符号６を
参照）のビット数である。

【００３１】ステップＳ５でｋ＞ｋmax ＝２ⁿ −１でな
いことが確認された場合には、ステップＳ１に戻る。以
下、ステップＳ１〜ステップＳ５の処理を計２ⁿ 回繰り
返すと、ステップ５でＹＥＳの判断がなされ、ステップ
Ｓ６以下へ進む。即ち、ＲＡＭ２０７内に蓄積された２
ⁿ 組のデータセット（ｋ，αk ）を順次読み出し、最小
値Ｍｉｎ｛αk ｝を求め（ステップＳ６）、更に、この
Ｍｉｎ｛αk ｝に対応したｋ値ｋ0 を求める（ステップ
Ｓ７）。

【００３２】最後に、ステップＳ８でこのデジタルｋ0
をＤ／Ａ変換器２０５に設定することにより、最も小さ
なブリッジ出力を与える状態を実現し、ブリッジ平調節
の処理を終了する。力覚センサの基準状態の変更を要す
る場合には、変更後の環境に置かれた力覚センサについ
て、上記処理を再実行すれば、変更後の基準状態におけ
る最適の平衡調節が自動的に達成される。

【００３３】

【発明の効果】本願発明によれば、力覚センサに組み込
まれれいるブリッジの平衡調節をマニュアル操作による
ことなく自動的に行うことが可能となり、力覚センサの
設置箇所の制約が著しく緩和されるとともに、基準状態
（計測値を０としたい状態）を頻繁に変更する場合で
も、平衡調節が困難ではなくなる。

【００３４】また、平衡調節の精度の個人差等の不安定
要素が消えるので、力覚センサによる測定の客観性、信
頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】可変抵抗器を用いた従来方式によるブリッジの
平衡調節について説明する図である。

【図２】本願発明に従った力覚センサにおけるブリッジ
平衡調節手段として使用されるＤ／Ａ変換器の基本構成
を示したものである。

【図３】図２に示したＤ／Ａ変換器を略式表示記号を以
て表わしたものである。

【図４】図２に示した基本構成を有するＤ／Ａ変換器を
用いた、本願発明による力覚センサのブリッジの回路構
成の概要を示したものである。

【図５】図４に示したブリッジ回路を組み込み、ブリッ
ジの平衡調節を自動的に行えるようにした力覚センサシ
ステムの構成を例示したものである。

【図６】本実施例に係る力覚センサシステムにおけるブ
リッジ平衡調節の為の処理手順の一例の概要を記したフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１，２抵抗器（歪ゲージ）３，４抵抗器（固定抵抗）５可変抵抗器６レジスタ７抵抗ネットワーク８，９，１０，８’，９’，１０’ 端子１０１，１０２抵抗器（歪ゲージ）１０３，１０４，１０５抵抗器（固定抵抗）１０６，１０７アンプ（演算増幅器）２０１ブリッジ回路２０２増幅器２０３Ａ／Ｄ変換器２０４バスライン２０５平衡調節用Ｄ／Ａ変換器２０６中央演算処理装置（ＣＰＵ）２０７ＲＡＭ２０８ＲＯＭ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機械的な弾性体に取り付けられ、前記弾
性体に作用した応力に応じて抵抗値が変化する少なくと
も１つの抵抗器を含み、前記応力による前記抵抗値の変
化を電圧値で取り出すホイストーン・ブリッジ回路と、
前記ホイストーン・ブリッジ回路のブリッジ出力の平衡
調節を行なう平衡調節手段とを備えた力覚センサにおい
て、前記平衡調節手段が、前記ホイストーン・ブリッジ回路
の出力電圧をある範囲内で均等分割し、その内の任意の
電圧を実際の出力電圧として出力するＤ／Ａ変換器と、
前記Ｄ／Ａ変換器のデジタル設定入力を順次切り替える
手段と、前記順次切り替えられたデジタル設定入力下に
おけるブリッジ出力の内最小の値を与えるデジタル設定
入力値を決定する手段と、該決定されたデジタル設定入
力値を前記Ｄ／Ａ変換器に設定する手段を備えたことを
特徴とする前記力覚センサ。