CN113748323A - 检测装置以及传感器的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明的检测装置12具备确定来自被施加外力时的力传感器11的输出值和外力的大小的关系式的校准单元14。关系式由包括预定的参数并能够根据作为外力未进行作用的非接触时的输出值的偏置值来根据实际的输出值计算外力的大小的公式构成。校准单元14具备导出根据偏置值求出参数值的函数的函数导出部17以及使用函数决定参数值的参数值决定部18。在函数导出部17中，根据施加了已知的外力时的输出值和之前阶段的偏置值来生成函数，在参数值决定部18中，根据在力传感器11被配置到测定外力的预定部位的状态下取得的偏置值，求出参数值。

Description

检测装置以及传感器的校准方法

技术领域

本发明涉及检测装置以及传感器的校准方法，更详细而言涉及变换来自被施加预定的外力时的传感器的输出值来检测外力的大小、由该外力引起的位移等物理量并且使该物理量与所述输出值相对应的检测装置以及传感器的校准方法。

背景技术

在与人类共存的同时进行预定的作业的机器人中，设置有在存在于机器人的周围的环境中的人、物接触到机器人时检测作用于该接触部分的按压力、剪切力等外力的触觉传感器，根据来自包括该触觉传感器的各种传感器的检测值，进行机器人的动作控制。作为该触觉传感器，作为一个例子，已知利用由外力的作用引起的磁场的变化的磁式的触觉传感器。该磁式的触觉传感器具备外力进行作用的表面的弹性体、固定于其内部的磁铁以及探测由磁铁产生的磁场的状态的磁传感器。

为了高精度地进行机器人的动作控制，需要在机器人的表面规则性地配置许多的触觉传感器并从各触觉传感器取得检测值，但这些各触觉传感器无法原样地根据得到的电信号来掌握实际上所作用的外力的大小。因此，需要在使用前的初始状态下使已知的大小的外力作用于触觉传感器并求出与此时得到的电信号对应的输出值和外力的大小的关系的校准(校正)作业。在该作业时，例如，通过使用如专利文献1记载的试验装置针对触觉传感器在正交3轴方向上的力分量和绕该3轴的力矩分量这6个方向上施加已知的外力来进行校准。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-112414号公报

发明内容

发明要解决的问题

上述磁式的触觉传感器在相同产品之间在安装于弹性体内部的磁铁的位置可能产生稍微的偏差。因此，为了提高作用于机器人的外力的测定精度，需要针对安装于机器人的许多的触觉传感器中的每一个进行校准，存在在校准作业中花费过多时间这样的不便。另外，例如，在将触觉传感器配置到机器人的指尖等曲面状的预定部位的情况下，由于由该配置引起的弹性体的稍微的变形等，存在外力未作用于弹性体的无负荷状态下的磁铁的位置发生偏移的可能性。因此，为了提高外力的测定精度，需要在将触觉传感器配置到所述预定部位的状态下，针对配置于所述预定部位的所有触觉传感器中的每一个进行校准。然而，在使用专利文献1的试验装置的情况下，必须将触觉传感器载置到平面状的载置台，难以实际上将配置于预定部位的状态下的触觉传感器设置到试验装置，在校准作业中花费时间，而且根据触觉传感器的配置状态，还存在无法设置到所述试验装置这样的问题。因此，在以往，在以这种方式改变了姿势的状态下配置许多的触觉传感器的情况下，产生校准作业变得繁杂这样的不便。

本发明是着眼于以上的课题而提出的，其目的在于提供一种即使在将触觉传感器等检测与外力的作用相伴的物理量的传感器在表面形状不同的预定部位配置许多的情况下也能够迅速并且准确地进行各传感器的校准作业的检测装置以及传感器的校准方法。

解决课题的手段

为了达成所述目的，本发明主要采用以下结构：一种检测装置，通过来自被施加预定的外力时的传感器的输出值和与所述外力的作用相伴的物理量的关系式，根据所述输出值检测所述物理量的测定值，在所述检测装置中，具备在使所述输出值与所述物理量相对应的校准时确定所述关系式的校准单元，所述关系式由包括预定的参数并能够根据作为外力未进行作用的非接触时的所述传感器的输出值的偏置值来根据所述输出值计算所述物理量的公式构成，所述校准单元具备：函数导出部，导出用于根据所述偏置值求出作为所述参数的决定值的参数值的函数；以及参数值决定部，根据所述函数决定所述参数值，在所述函数导出部中，根据在施加了预先判明大小的已知的外力时得到的所述输出值和在之前阶段中取得的所述偏置值来生成所述函数，在所述参数值决定部中，根据在所述传感器被配置到测定所述外力的预定部位的状态下取得的所述偏置值，通过所述函数求出所述参数值。

另外，本发明采用以下手法：一种传感器的校准方法，使来自被施加预定的外力时的传感器的输出值和与该外力的作用相伴的物理量相对应，在所述传感器的校准方法中，在求出由包括预定的参数并能够根据作为外力未进行作用的非接触时的所述传感器的输出值的偏置值来根据所述输出值计算所述物理量的公式构成的关系式时，依次进行：第1步骤，对所述传感器施加预先判明大小的已知的外力，根据此时得到的所述输出值和事先测定的所述偏置值，导出表示所述参数值和所述偏置值的关系的函数；以及第2步骤，在所述物理量的测定之前重新测定所述偏置值，根据该偏置值通过所述函数求出所述参数值。

发明的效果

根据本发明，首先，通过对传感器施加已知的外力，使用作为无负荷状态下的传感器的输出值的偏置值，求出构成表示来自传感器的输出值和与外力的作用相伴的物理量的关系的关系式的参数值和偏置值的函数。之后，通过在将传感器配置到具有曲面的预定部位的状态下重新测定偏置值，决定所述参数值并确定所述关系式。然后，通过所确定的关系式，根据来自传感器的输出值检测所述物理量。因此，施加已知的外力的事先作业以能够决定所述函数的程度的数量进行即可，无需针对配置于预定部位的许多的力传感器的全部来进行。另外，在将传感器配置到预定部位之后，仅通过测定这些所有传感器各自的偏置值，根据所述函数分别求出各传感器中的参数值，自动地确定各传感器中的所述关系式。根据以上，即使在传感器在表面形状不同的预定部位被配置许多的情况下，也能够迅速并且准确地进行各传感器的校准作业。

附图说明

图1是示出包括本发明所涉及的检测装置的力测定系统的概略结构的框图。

图2是将力传感器配置于表面的机器手的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的实施方式。

在图1中，示出表示包括本发明所涉及的检测装置的力测定系统的概略结构的框图。在该图中，所述力测定系统10包括输出与所作用的外力的大小对应的电信号的力传感器11(传感器)以及通过将来自力传感器11的输出值变换处理为外力的大小来检测外力的测定值的检测装置12。

作为本实施方式中的力传感器11，没有特别限定，使用利用由外力的作用引起的磁场的变化的磁式的触觉传感器，如图2例示的那样，相同规格的触觉传感器在机器手H的手的平侧的表面被规则性地配置许多。

虽然图示省略，但该力传感器11成为在对在内部设置有磁铁的柔软的弹性体施加外力时利用磁检测元件检测由于伴随弹性体的变形而磁铁进行位移引起的磁场的变化并将与该磁场的大小对应的电信号作为输出值的公知的结构。在该力传感器11中，能够根据所作用的外力的大小来取得传感器基准的预定的正交3轴方向上的磁检测元件的输出值。此外，在本发明中，并未将磁检测元件的输出方向限定于正交3轴方向，能够对1轴方向以上的输出值应用后述手法。

所述检测装置12由预定的处理电路以及计算机构成，具备：校准单元14，在使作用于力传感器11的外力的大小和来自力传感器11的输出值相对应的校准(校正)时，求出它们的关系式；以及力计算单元15，在力传感器11的实际的使用时，使用所述关系式，根据来自力传感器11的输出值，求出作用于该力传感器11的外力的大小。

在此，作为所述关系式，可以例示包括预定的参数并能够根据外力未进行作用的无负荷状态下的力传感器11的非接触时的其输出值即偏置值来根据力传感器11的输出值计算外力的大小的如下的公式。

[数学1]

在上式中，Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)表示在时刻t在预定的正交3轴(x轴、y轴、z轴)方向上分别施加的外力。另外，S1(t)、S2(t)、S3(t)表示时刻t处的来自力传感器11中的正交3轴方向上的磁检测元件的输出值。而且，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3(以下简称为“a*、b*、c*”)表示作为该关系式的参数的决定值的参数值。另外，d1、d2、d3表示所述正交3轴方向上的磁检测元件的偏置值。

所述校准单元14具备导出用于根据所述偏置值求出所述参数值的函数的函数导出部17以及根据该函数决定所述参数值的参数值决定部18。

此外，公式(1)能够在作用于力传感器11的力和力传感器11的输出值的关系是线性的情况下应用，在该关系是非线性的情况下，能够代替该式而例如使用多项式等，作为非线性回归问题来处理。

在所述函数导出部17中，如下所述导出所述函数。

首先，在以与要配置的预定部位处的姿势(配置姿势)相当的姿势设置力传感器11之后，成为对力传感器11不施加外力的无负荷状态，将此时的输出值每隔一定时间取得多个，将它们的平均值作为偏置值。针对所述正交3轴方向中的每一个求出该偏置值。

接下来，对于所述姿势的力传感器11，在所述正交3轴方向上分别施加已知的大小的外力Fx(t₀)、Fx(t₀)、Fx(t₀)，得到该时刻t₀处的力传感器11的测定值即来自所述3轴方向上的磁检测元件的输出值S1(t₀)、S2(t₀)、S3(t₀)。

然后，根据求出的偏置值d1、d2、d3、已知的大小的外力Fx(t₀)、Fy(t₀)、Fz(t₀)以及此时的输出值S1(t₀)、S2(t₀)、S3(t₀)，通过上式(1)，确定将参数值a*、b*、c*作为变量的方程式。而且，对于具有同样的规格的同种的其他力传感器11，也分别通过同样的过程确定所述方程式。根据利用这些多个力传感器11得到的所述方程式，使用机器学习、近似曲线导出法、有限元素法等，如下式(3)所示，导出参数值a*、b*、c*和偏置值d1、d2、d3的函数f1～f9。

[数学2]

在所述参数值决定部18中，如下所述决定参数值a*、b*、c*。即，在将所有力传感器11安装到机器手H之后，在最初使用力传感器11时，针对各力传感器11中的每一个，在外力未进行作用的非接触时的无负荷状态下，与上述同样地进行求出偏置值d1、d2、d3的初始测定。之后，根据针对各力传感器11中的每一个得到的偏置值d1、d2、d3，通过上式(3)计算参数值a*、b*、c*，针对每个力传感器11决定上式(1)的关系式。

在所述力计算单元15中，通过在由校准单元14针对各力传感器11中的每一个确定的所述关系式中代入对应的力传感器11的输出值，分别求出各力传感器11的所述3轴方向上的大小，判明作用于机器手H的手的平的表面的外力的分布及方向。即，在此，根据由参数值决定部18已经取得的偏置值d1、d2、d3和在时刻t测定的输出值S1(t)、S2(t)、S3(t)，使用上式(1)、(2)计算时刻t处的所述3轴方向上的外力的大小Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)。

接下来，说明包括使用所述检测装置12的校准过程的力检测过程。

首先，导出表示所述参数值和所述偏置值的关系的函数(第1步骤)。

在此，首先，针对安装到机器手H之前的力传感器11，将同种的力传感器11准备多个(例如10个左右)，针对每个力传感器，设为在与要配置的预定部位不同的位置以与所述配置姿势相当的姿势设置的状态(第1设置状态)。此外，作为前阶段，在未使外力作用的无负荷状态下，在预定时间内多次测定输出值，将这些输出值的平均值确定为偏置值。之后，针对求出偏置值后的力传感器11中的每一个，在保持第1设置状态下，施加预先判明大小的已知的外力，测定此时的输出值。然后，通过在上式(1)、(2)中代入偏置值和外力，针对利用针对每个力传感器11而存在的方程式得到的值进行机器学习、近似曲线导出法、有限元素法等处理之后，求出偏置值和参数值的函数(上式(3))。

之后，将所有力传感器11安装到机器手H的预定部位，进行接下来的自动校准(第2步骤)。

即，在此，首先，针对安装到机器手H的状态(第2设置状态)下的所有力传感器11中的每一个，在未使外力作用的无负荷状态下，在预定时间内多次测定输出值，将该测定值的平均值确定为偏置值。然后，通过按照姿势而分组的各力传感器11的所述函数，根据由各个力传感器11得到的偏置值，确定对应的力传感器11中的参数值，针对每个力传感器11决定所述关系式。

在以上的校准作业结束之后，在外力作用于力传感器11时，使用与各力传感器11对应的关系式，针对力传感器11中的每一个，根据取得的输出值计算外力的大小。

因此，根据这样的实施方式，即使在将力传感器11在机器手H的曲面部分配置许多的情况下，也能够对配置成同一姿势的力传感器11进行分组来进行校准，不需要针对全部的力传感器11的校准作业。

此外，上述关系式不限定于上式(1)，只要是根据预先进行的实验等得到的公式并且能够通过对从输出值S1(t)、S2(t)、S3(t)减去偏置值d1、d2、d3而得到的值乘以参数值a*、b*、c*来求出作用于力传感器11的外力Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)的公式，则可以是任意的公式。

而且，虽然说明了在决定参数值a*、b*、c*时仅使用时刻t₀处的已知的大小的外力Fx(t₀)、Fy(t₀)、Fz(t₀)和此时得到的输出值S1(t₀)、S2(t₀)、S3(t₀)的例子，但还能够在多个时刻{t₁，····t_n}施加多个不同的大小的外力{Fx(t₁)，····Fx(t_n)}、{Fy(t₁)，····Fy(t_n)}、{Fz(t₁)，····Fz(t_n)}，使用在这些时刻得到的多个输出值{S1(t₁)，····S1(t_n)}、{S2(t₁)，····S2(t_n)}、{S3(t₁)，····S3(t_n)}，使用例如最小二乘法来求出参数值a*、b*、c*。

另外，作为所述函数，能够采用考虑了温度补偿的函数。即，能够通过温度传感器测量各力传感器11的周围的温度信息，在函数导出部17中，还能够根据该温度信息的取得结果，生成将温度及偏置值作为变量来确定参数值的函数。在该情况下，在取得温度信息的环境下进行所述第1步骤，之后，在进行所述第2步骤时取得温度信息，还使用该温度信息来根据所述函数确定所述关系式，进行紧接其后的在同一温度下利用力传感器11的外力的测定。在该情况下，公式(1)能够使用利用温度信息和外力这二个说明变量的多元回归分析的公式模型。

而且，在上述实施方式中，图示说明了将磁式的触觉传感器作为对象的情况，但本发明不限于此，能够将本发明总体地应用于包括压电式、应变仪等的其他触觉传感器、力觉传感器、压力传感器等力传感器。

另外，除了力传感器以外，本发明还能够应用于针对将外力所作用的部位的位移量检测为与该外力的作用相伴的物理量的位移传感器的校准。

另外，本发明中的装置各部的结构不限定于图示结构例，只要起到实质上同样的作用，就能够进行各种变更。

符号说明

10 力测定系统

11 力传感器(传感器)

12 检测装置

14 校准单元

17 函数导出部

18 参数值决定部

Claims (7)

1.一种检测装置，通过来自被施加预定的外力时的传感器的输出值和与所述外力的作用相伴的物理量的关系式，根据所述输出值检测所述物理量的测定值，其特征在于，

所述检测装置具备在使所述输出值与所述物理量相对应的校准时确定所述关系式的校准单元，

所述关系式由包括预定的参数并能够根据作为外力未进行作用的非接触时的所述传感器的输出值的偏置值来根据所述输出值计算所述物理量的公式构成，

所述校准单元具备：函数导出部，导出用于根据所述偏置值求出作为所述参数的决定值的参数值的函数；以及参数值决定部，根据所述函数决定所述参数值，

在所述函数导出部中，根据在施加了预先判明大小的已知的外力时得到的所述输出值和在之前阶段中取得的所述偏置值来生成所述函数，

在所述参数值决定部中，根据在所述传感器被配置到测定所述外力的预定部位的状态下取得的所述偏置值，通过所述函数求出所述参数值。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，

所述关系式是根据在从所述输出值减去所述偏置值之后乘以所述参数值而得到的值来求出所述物理量的公式。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，

每隔恒定时间取得所述非接触时的多个所述输出值，所述偏置值被设为这些值的平均值。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，

在所述函数导出部中，对从同种的所述传感器得到的数据进行处理来生成所述函数。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，

在所述函数导出部中，生成用于还包含所述传感器周围的温度信息而根据所述偏置值及所述温度信息求出所述参数值的函数，

在所述参数值决定部中，根据在所述传感器被配置到测定所述物理量的预定部位的状态下取得的所述偏置值及所述温度信息，通过所述函数求出所述参数值。

6.一种传感器的校准方法，使来自被施加预定的外力时的传感器的输出值和与该外力的作用相伴的物理量相对应，其特征在于，

在求出由包括预定的参数并能够根据作为外力未进行作用的非接触时的所述传感器的输出值的偏置值来根据所述输出值计算所述物理量的公式构成的关系式时，依次进行：

第1步骤，对所述传感器施加预先判明大小的已知的外力，根据此时得到的所述输出值和事先测定的所述偏置值，导出表示所述参数值和所述偏置值的关系的函数；以及

第2步骤，在所述物理量的测定之前重新测定所述偏置值，根据该偏置值通过所述函数求出所述参数值。

7.根据权利要求6所述的传感器的校准方法，其特征在于，

在所述第1步骤中，在以预定的姿势将所述传感器设置到与测定所述物理量的预定部位不同的位置的状态下施加所述外力，

在所述第2步骤中，在将所述传感器配置到所述预定部位的状态下测定所述偏置值。

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