JPH0843220A - 力覚センサの零点自動補正回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 力覚センサ３を用いた力或いはトルクの測定
において、自動的に力覚センサ３の零点補正が行なわれ
て高い測定精度を維持出来る零点自動補正回路を提供す
る。 【構成】 制御回路６は、力覚センサ３から得られる電
圧情報をサンプリングし、該サンプリング値の平均値と
現在の零点の偏差を算出する。そして、算出された偏差
を所定の閾値と比較して無負荷を判定し、無負荷と判定
された平均値を新たな零点に設定して、零点を更新す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マニピュレータのハン
ド先端部等に取り付けて力やトルクを検出するための力
覚センサに関し、特に力覚センサから得られる電圧情報
を力情報に換算する際に、零点を自動的に補正する回路
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、図１に示す如きマニピュレータ
(１)のハンド機構(２)の物体把持端部に、歪ゲージや圧
電サンサ等からなる力覚センサ(３)を取り付けて、対象
物体に作用する力やトルクを検出し、該検出値をマニピ
ュレータ(１)の制御にフィードバックすることが行なわ
れている。これによって、柔軟な対象物体についても確
実な把持動作が実現される。マニピュレータ(１)として
は、例えば６軸垂直多関節ロボットが採用される。

【０００３】尚、力覚センサ(３)の出力は、温度補償、
フィルタリング、増幅等の信号処理が施された後、マニ
ピュレータ(１)の制御回路へ供給される。

【０００４】ところで、力覚センサ(３)による力或いは
トルクの検出においては、力覚センサ(３)の出力は電圧
として取り出されるため、図５に示す如く電圧Ｖと力
(或いはトルク)Ｆとの関係が予め関数化されており、こ
の所定の関数Ｆ＝ｆ(Ｖ)を用いて、力Ｆが算出される。
ここで、電圧Ｖは、力覚センサ(３)に力が作用した状態
の出力電圧Ｖpから、力覚センサ(３)に力が作用してい
ない無負荷状態における出力電圧Ｖoを差し引いた値(Ｖ
p−Ｖo)として得られるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示す関数Ｆ＝ｆ(Ｖ)は、例えば温度の影響や、力覚セン
サ自体や信号処理回路がその特性として有しているヒス
テリシス成分等の影響によって、図中の破線の如く上下
にシフトすることになる。従来は、定期的に零点補正を
行なうことで対処しているが、高い精度を維持するには
頻繁に零点補正を行なう必要があり、極めて煩雑である
問題があった。

【０００６】本発明の目的は、自動的に零点補正が行な
われて、高い測定精度を維持出来る力覚センサの零点自
動補正回路を提供することである。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る力覚センサの
零点自動補正回路は、力覚センサから得られる電圧情報
をサンプリングするサンプリング手段と、電圧情報のサ
ンプリング値の平均値と現在の零点の偏差を算出する偏
差算出手段と、算出された偏差を所定の閾値と比較して
無負荷を判定する比較判定手段と、無負荷と判定された
平均値を新たな零点に設定する零点更新手段とを具えて
いる。

【０００８】又、本発明に係る他の零点自動補正回路
は、電圧情報をサンプリングするサンプリング手段と、
電圧情報のサンプリング値と現在の零点の偏差を算出す
る第１の偏差算出手段と、算出された偏差を第１の閾値
と比較して無負荷を判定する第１の比較判定手段と、第
１の比較判定手段による無負荷の判定が所定の複数回に
亘って連続して行なわれたかどうかを判断する判断手段
と、判断手段によって判断された複数回に亘る無負荷に
ついてのサンプリング値の平均値を算出する平均値算出
手段と、算出された平均値と現在の零点の偏差を算出す
る第２の偏差算出手段と、算出された偏差を第２の閾値
と比較して無負荷の真正を判断する第２の比較判定手段
と、真正と判断された平均値を新たな零点に設定する零
点更新手段とを具えている。

【０００９】

【作用】上記第１の零点自動補正回路においては、力覚
センサを実際に測定対象機に取り付けて力或いはトルク
を実測する過程で零点補正が行なわれる。即ち、力覚セ
ンサから電圧情報をサンプリングし、所定の複数回に亘
ってサンプリング値の平均値を算出する。そして、該平
均値と現在の零点との偏差を所定の閾値と比較して、そ
の平均値が得られることとなった期間が無負荷であるか
どかをを判定する。

【００１０】一般に力覚センサによる力の測定では、あ
る期間に亘って力が作用した後は、測定対象機の休止に
よって無負荷となり、更にその後に力が作用する等、負
荷状態と無負荷状態が繰り返される。この過程で、力覚
センサに力が作用している負荷状態では、サンプリング
値の平均値と零点の偏差は、ある程度大きな値となっ
て、所定閾値を上回る。一方、力覚センサに力が作用し
ていない無負荷状態では、サンプリング値の平均値と零
点の偏差は、零或いは小さな値となって、所定閾値を下
回ることになる。

【００１１】上記偏差は、力覚センサの零点がずれてい
ることに起因して発生するものである。そこで、無負荷
と判定された平均値を新たな零点に設定し、零点を更新
するのである。

【００１２】又、上記第２の零点自動補正回路において
は、先ず、第１の比較判定手段によって、無負荷と考え
られる比較的緩やかな判断基準(第１の閾値)にて、無負
荷を判定する。これによって、多くのデータが無負荷の
判定対象として採取されることになる。更に、この無負
荷の判定が所定の複数回に亘って連続して行なわれたか
どうかによって、無負荷状態が瞬間的なものでなく、あ
る程度の継続性を有することを確認する。そして、複数
回に亘る無負荷についてのサンプリング値の平均値を算
出し、算出された平均値と現在の零点の偏差を算出し、
該偏差を第２の閾値と比較して無負荷を判断する。ここ
で、第２の閾値は、上記第１の閾値よりも小さく設定さ
れて、第１の閾値によって判定された無負荷状態の中か
ら、真に無負荷の状態を選択する。

【００１３】上記偏差は、力覚センサの零点がずれてい
ることに起因して発生するものであるから、真に無負荷
と判定された平均値を新たな零点に設定し、零点を更新
するのである。

【００１４】

【発明の効果】本発明に係る力覚センサの零点自動補正
回路によれば、零点がずれた場合には、自動的にこれが
検出されて零点補正が行なわれるから、従来の頻繁な零
点補正作業は不要であり、常に高い測定精度が維持され
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を図１に示すマニピュレータ
(１)に実施した一例につき、図面に沿って詳述する。図
２は、マニピュレータ(１)の制御系を示しており、マニ
ピュレータ(１)のハンド機構(２)には、歪ゲージ或いは
圧電センサ等から構成される力覚センサ(３)が取り付け
られている。

【００１６】力覚センサ(３)の出力信号は、信号処理回
路(４)へ送られて、温度補償、フルターによるノイズ除
去、増幅等の必要な信号処理を受けた後、Ａ／Ｄ変換器
(５)を経て、マイクロコンピュータからなる制御回路
(６)へ供給される。制御回路(６)には、力覚センサ(３)
によって検出された力情報に基づいて、ハンド機構(２)
の動作を制御する力制御プログラム(７)と、後述の如く
力覚センサ(３)についての零点の自動補正を行なうプロ
グラム(８)が登録されている。

【００１７】図３は零点自動補正プログラム(８)による
処理手続きを表わしており、該零点自動補正プログラム
(８)は一定のサンプリング周期(例えば５０ｍｓ)で繰り
返されるものである。尚、制御回路(６)には、力覚セン
サ(３)の零点を格納すべきメモリが設けられおり、予め
適当な初期値が書き込まれている。

【００１８】先ずステップＳ１にて、力覚センサ(３)の
出力電圧Ｖpを取り込んだ後、ステップＳ２にて、現在
の零点Ｖoから出力電圧Ｖpを減算した値の絶対値と、所
定の第１閾値Ａ(例えば１０ｍＶ)とを大小比較する。差
の絶対値が第１閾値Ａよりも大きいときはステップＳ３
へ移行して、出力電圧Ｖpから現在の零点Ｖoを差し引い
て電圧値Ｖを算出し、更に該電圧値から前述の関数Ｆ＝
ｆ(Ｖ)を用いて、力Ｆを算出する。

【００１９】一方、ステップＳ２において、差の絶対値
が第１の閾値Ａよりも小さいときはステップＳ４へ移行
して、ステップＳ２にてＹＥＳの判定が所定の複数回
(例えば５回)連続して繰り返されたかどうかを判断す
る。ここで、無負荷が瞬間的なものでなく、実際の負荷
が取り除かれた真の無負荷の場合には、ＹＥＳと判断さ
れることになる。

【００２０】ステップＳ４にてＹＥＳと判断されたとき
は、ステップＳ５へ移行して、前記複数回に亘る出力電
圧Ｖpのサンプリング値の平均値Ｖaを算出する。そし
て、現在の零点Ｖoから前記平均値Ｖaを減算した値の絶
対値と、所定の第２閾値(例えば５ｍＶ)とを大小比較す
る。ここで、真の無負荷の場合には、差の絶対値は第２
閾値Ｂよりも小さくなり、ＹＥＳと判断される。

【００２１】ステップＳ５にてＹＥＳと判断されたとき
は、ステップＳ６へ移行して、現在の零点Ｖoを、前記
出力電圧の平均値Ｖaによって書き換え、零点を更新す
るのである。

【００２２】図３の手続きにおいて、ステップＳ２とス
テップＳ５で２回の無負荷判定を行なうのは、図４に表
わされた理由による。即ち、図４のサンプリング例(１)
では、出力電圧Ｖpが第１閾値Ａと第２閾値Ｂの間で僅
かに変動しており、第２閾値Ｂを下回ることはない。従
って、この例では、力覚センサ(３)に極く僅かな力が継
続的に作用していると考えられる。

【００２３】一方、サンプリング例(２)では、零点Ｖo
を中心にして、第１閾値Ａの範囲内で出力電圧Ｖpに大
きな変動が生じており、その中には第２閾値Ｂを下回っ
ているデータも含まれている。従って、この例では、力
覚センサ(３)に対して継続的な力は作用していないと考
えられる。

【００２４】サンプリング例(１)について図３の手続き
を実行すると、ステップＳ２では無負荷と判定される
が、ステップＳ５ではＮＯと判定されて、これらのデー
タに基づく零点補正は行なわれない。これに対し、サン
プリング例(２)については、ステップＳ２及びステップ
Ｓ５の両方で無負荷と判定され、これらのデータに基づ
いて適正な零点補正が行なわれることになる。

【００２５】尚、ステップＳ２において、第１閾値Ａに
替えて、ステップＳ５の厳しい第２閾値Ｂを採用した場
合、次のステップＳ４にて殆どのデータがＮＯと判断さ
れて、目的とする零点補正が実質的に行なわれない可能
性がある。そこで、図３の手続きでは、第１閾値Ａは比
較的大きな値に設定する一方、第２閾値Ｂは小さく設定
して、全体として多くのデータを対象としつつも、厳し
い条件による零点補正を実現したのである。

【００２６】従って、上記の零点自動補正回路によれ
ば、高い信頼性で自動的に零点を補正することが出来
る。特に図１に示す如きマニピュレータ(１)において
は、力覚センサ(３)の零点補正に誤差があると、ハンド
機構(２)によって把持した対象物体に損傷を与える虞れ
があるが、本発明の零点自動補正回路によれば、メンテ
ナンスフリーのまま長時間の運転継続が可能となり、稼
働率が上昇する。

【００２７】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施すべきマニピュレータを示す正面
図である。

【図２】本発明を実施したマニピュレータ制御系を示す
ブロック図である。

【図３】零点補正手続きを表わすフローチャートであ
る。

【図４】出力電圧のサンプリング値の変動パターンを例
示するグラフである。

【図５】電圧情報を力情報に変換する関数を説明するグ
ラフである。

【符号の説明】

(１) マニピュレータ (２) ハンド機構 (３) 力覚センサ (４) 信号処理回路 (５) Ａ／Ｄ変換器 (６) 制御回路 (７) 力制御プログラム (８) 零点自動補正プログラム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力覚センサから得られる電圧情報を力情
   報に換算する際に零点を補正する回路であって、 電圧情報をサンプリングするサンプリング手段と、 電圧情報のサンプリング値の平均値と現在の零点の偏差
   を算出する偏差算出手段と、 算出された偏差を所定の閾値と比較して無負荷を判定す
   る比較判定手段と、 無負荷と判定された平均値を新たな零点に設定する零点
   更新手段とを具えていることを特徴とする力覚センサの
   零点自動補正回路。
2. 【請求項２】 力覚センサから得られる電圧情報を力情
   報に換算する際に零点を補正する回路であって、 電圧情報をサンプリングするサンプリング手段と、 電圧情報のサンプリング値と現在の零点の偏差を算出す
   る第１の偏差算出手段と、 算出された偏差を第１の閾値と比較して無負荷を判定す
   る第１の比較判定手段と、 第１の比較判定手段による無負荷の判定が所定の複数回
   に亘って連続して行なわれたかどうかを判断する判断手
   段と、 判断手段によって判断された複数回に亘る無負荷につい
   てのサンプリング値の平均値を算出する平均値算出手段
   と、 算出された平均値と現在の零点の偏差を算出する第２の
   偏差算出手段と、 算出された偏差を第２の閾値と比較して無負荷の真正を
   判断する第２の比較判定手段と、 真正と判断された平均値を新たな零点に設定する零点更
   新手段とを具えていることを特徴とする力覚センサの零
   点自動補正回路。