DE112018004720T5

DE112018004720T5 - Signalverarbeitungsvorrichtung und signalverarbeitungsverfahren, kraftdetektionsvorrichtung und robotervorrichtung

Info

Publication number: DE112018004720T5
Application number: DE112018004720.2T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hongo
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2020-06-18
Also published as: US20200361084A1; JPWO2019039156A1; WO2019039156A1

Abstract

Bereitgestellt wird eine Signalverarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten eines Sensordetektionssignals. Diese Signalverarbeitungsvorrichtung teilt das Sensordetektionssignal in mehrere Pfade auf und erzeugt mehrere Detektionssignale durch Ausführen von unterschiedlicher Vorverarbeitung vor AD-Wandlung in jedem der Pfade. Beispielsweise kann die Signalverarbeitungsvorrichtung Detektionssignale von unterschiedlichen Empfindlichkeiten erzeugen, indem ein erster Pfad, in dem AD-Wandlung an einem Signal einer ersten Empfindlichkeit ausgeführt wird, das durch Verstärkung des Sensordetektionssignals erhalten wird, um somit die erste Empfindlichkeit zu erzielen, und ein zweiter Pfad, in dem AD-Wandlung an einem Signal einer zweiten Empfindlichkeit, die niedriger als die erste Empfindlichkeit ist, ausgeführt wird, das durch Dämpfen des Signals der ersten Empfindlichkeit erhalten wird, eingeschlossen wird. Alternativ kann die Signalverarbeitungsvorrichtung den Versatz des Signals der ersten Empfindlichkeit für jeden Pfad ändern und mehrere Detektionssignale mit verschiedenen Messbereichen erzeugen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die in der vorliegenden Patentschrift offenbarte Technologie betrifft eine Signalverarbeitungsvorrichtung und ein Signalverarbeitungsverfahren zum Verarbeiten eines Detektionssignals eines Sensors, eine Kraftdetektionsvorrichtung, die eine Kraft auf der Grundlage eines Detektionssignals eines an einem Dehnungserzeugungskörper angebrachten Sensors detektiert, und einer Robotervorrichtung, die eine auf einen Endeffektor ausgeübte äußere Kraft misst.
STAND DER TECHNIK
Neueste Fortschritte der Robotertechnologie sind bemerkenswert und Kraftsensoren werden für verschiedene Zwecke verwendet. Beispiele der verschiedenen Zwecke weisen einen Zweck des Durchführens von zusammenwirkender Arbeit mit Menschen, einen Zweck des Durchführens von Handlungen, die von der Form des Objekts abhängen, wie etwa Verfolgen, einen Zweck des Verwendens desselben als ein Kriterium, Lernen des Roboters zu bewirken, einen Zweck des Gewährleistens der Qualität als Logdaten für Arbeiten und dergleichen auf.
Im Allgemeinen ist ein Kraftsensor derart ausgestaltet, dass ein Paar von Dehnungssensoren an gegenüberliegenden Seiten eines Dehnungserzeugungskörpers angebracht ist. Daher werden für einen Sechsachsen-Kraftsensor sechs oder mehr Paare von Dehnungssensoren verwendet. Dann wird, wenn Sechsachsen-Kräfte gemessen werden, eine Matrixberechnung für Signale durchgeführt, die von den sechs Paaren von Dehnungssensoren erhalten werden, so dass die Signale in die Sechsachsen-Kräfte umgewandelt werden (insbesondere Translationskräfte in der X-, Y- und Z-Achse und Drehmomente um die jeweiligen Achsen herum).
Eine Korrelation, die sich aus der Struktur des zu verwendenden Dehnungserzeugungskörpers ergibt, wird unvermeidbar zwischen einer Translationskraft und einem unter Verwendung eines Kraftsensors gemessenen Drehmoment verursacht. Beispielsweise variiert in einem Fall, in dem ein an einer proximalen Endseite einer Roboterhand angebrachter Kraftsensor verwendet wird, ein Verhältnis der Translationskraft zu dem zu messenden Drehmoment in Abhängigkeit von der Länge der Hand, der Masse eines von der Hand gegriffenen Objekts oder dergleichen erheblich, und unterscheidet sich somit manchmal erheblich von einem Verhältnis einer Translationskraft zu einem Drehmoment der Struktur des ausgewählten Dehnungserzeugungskörpers. Dabei gibt es eine Beschränkung für die Auswahlmöglichkeiten von Kraftsensoren, die tatsächlich vorgesehen werden können. Dies ergibt sich daraus, dass es schwer ist, einen Dehnungserzeugungskörper zu produzieren, der eine passende Größe und Masse mit einem gewünschtem Verhältnis der Translationskraft zu dem Drehmoment innerhalb einer maschinell bearbeitbaren Form und innerhalb eines praktikablen Preises aufweist.
Beispielsweise wurde ein Kraftsensor vorgeschlagen, in welchem ein Innenglied und ein Außenglied mittels mehrerer bogenförmiger Arme verbunden sind, die zumindest teilweise eine Eigenschaft aufweisen, elastische Deformation zu verursachen (siehe beispielsweise Patentdokument 1). Wenn in einem Zustand, in dem das Außenglied fixiert ist, eine äußere Kraft auf das Innenglied einwirkt, tritt in einem bogenförmigen Arm elastische Deformation auf und in dem Innenglied tritt eine Verschiebung auf. Daher ist der Kraftsensor dafür ausgestaltet, die elastische Deformation des bogenförmigen Arms mittels eines Detektionselements zum Detektieren der einwirkenden äußeren Kraft elektrisch zu detektieren.
REFERENZLISTE
PATENTDOKUMENT
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung, Offenlegungs-Nr. 2016-70709 .
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Eine Aufgabe der in der vorliegenden Patentschrift offenbarten Technologie besteht im Bereitstellen einer Signalverarbeitungsvorrichtung und eines Signalverarbeitungsverfahrens zum adaptiven Verarbeiten eines Detektionssignals eines Sensors in einem angemessenen Messbereich mit einer angemessenen Empfindlichkeit, einer Kraftdetektionsvorrichtung, die adaptiv ein Detektionssignal eines an einem Dehnungserzeugungskörper angebrachten Sensors in einem angemessenen Messbereich mit einer angemessenen Empfindlichkeit zum Detektieren einer Kraft verarbeitet, und einer Robotervorrichtung, die eine auf einen Endeffektor ausgeübte äußere Kraft misst.
LÖSUNGEN DER PROBLEME
Die in der vorliegenden Patentschrift offenbarte Technologie wurde unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Probleme erstellt, und der erste Aspekt der Technologie ist eine Signalverarbeitungsvorrichtung, die eine Signalverarbeitungseinheit aufweist, die ausgestaltet ist zum Verzweigen eines Detektionssignals eines Sensors in mehrere Pfade und zum Durchführen unterschiedlicher Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden der Pfade, um mehrere Detektionssignale zu erzeugen.
Die Signalverarbeitungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt weist einen ersten Pfad zum Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal durch Verstärkung des Detektionssignals des Sensors zum Abgleich mit der ersten Empfindlichkeit erhalten wird, und einen zweiten Pfad zum Dämpfen des Signals der ersten Empfindlichkeit und Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer zweiten Empfindlichkeit, die kleiner als die erste Empfindlichkeit ist, auf und erzeugt die mehreren Detektionssignale mit verschiedenen Empfindlichkeiten. Alternativ weist die Signalverarbeitungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt einen Pfad zum Ändern eines Versatzes eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal durch Verstärken des Detektionssignals des Sensors zum Abgleichen auf die erste Empfindlichkeit erhalten wird, und zum Durchführen von AD-Wandlung auf.
Darüber hinaus ist der zweite Aspekt der in der vorliegenden Patentschrift offenbarten Technologie ein Signalverarbeitungsverfahren, das einen Signalverarbeitungsschritt des Verzweigens eines Detektionssignals eines Sensors in mehrere Pfade und Durchführen unterschiedlicher Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden der Pfade zum Erzeugen mehrerer Detektionssignale aufweist.
Darüber hinaus ist der dritte Aspekt der in der vorliegenden Patentschrift offenbarten Technologie eine Kraftdetektionsvorrichtung, die eine Signalverarbeitungseinheit zum Verzweigen eines Detektionssignals eines Sensors, der an einem Dehnungserzeugungskörper angebracht ist, in mehrere Pfade und Durchführen unterschiedlicher Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden der Pfade zum Erzeugen mehrerer Detektionssignale aufweist.
Darüber hinaus ist der vierte Aspekt der in der vorliegenden Patentschrift offenbarten Technologie der Folgende:

eine Robotervorrichtung, die Folgendes aufweist:
- einen Endeffektor;
- einen Kraftsensor, angebracht an einer proximalen Endseite des Endeffektors; und
- eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist zum Verarbeiten eines Detektionssignals des Kraftsensors, in welcher
- der Kraftsensor einen Dehnungserzeugungskörper und einen Sensor, der Deformation des Dehnungserzeugungskörpers detektiert, aufweist, und
- die Signalverarbeitungseinheit das Detektionssignal des Sensors verzweigt und unterschiedliche Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden Pfad, um mehrere Detektionssignale zu erzeugen, durchführt. Der Endeffektor kann ein medizinisches Instrument aufweisen.

AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der in der Patentschrift offenbarten Technologie können eine Signalverarbeitungsvorrichtung und ein Signalverarbeitungsverfahren zum adaptiven Verarbeiten eines Detektionssignals eines Sensors in einem angemessenen Messbereich mit einer angemessenen Empfindlichkeit, eine Kraftdetektionsvorrichtung, die adaptiv ein Detektionssignal eines an einem Dehnungserzeugungskörper angebrachten Sensors in einem angemessenen Messbereich mit einer angemessenen Empfindlichkeit zum Detektieren einer Kraft verarbeitet, und eine Robotervorrichtung, die eine auf einen Endeffektor ausgeübte äußere Kraft misst, bereitgestellt werden.
Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Patentschrift beschriebene Auswirkungen lediglich Beispiele sind und die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung nicht auf diese beschränkt sind. Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung ferner zusätzlich zu den obigen Auswirkungen zusätzliche Auswirkungen zeigen.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der in der vorliegenden Patentschrift offenbarten Technologie werden anhand der ausführlichen Beschreibung auf der Grundlage von später beschriebenen Ausführungsformen und den angehängten Zeichnungen klar werden.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, die ein Ausgestaltungsbeispiel eines Sechsachsen-Kraftsensors 100 veranschaulicht.
2 ist eine Ansicht, die ein Ausgestaltungsbeispiel für eine Zange 200 veranschaulicht, die einen Kraftsensor 201 aufweist, der an einer proximalen Endseite angeordnet ist.
3 ist ein Diagramm, das ein Ausgestaltungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung 300 veranschaulicht, die ein Detektionssignal eines Dehnungssensors verarbeitet.
4 ist ein Diagramm, das eine Modifikation der Signalverarbeitungsschaltung 300 veranschaulicht.
5 ist ein Diagramm, das einen Zustand veranschaulicht, in welchem ein Messbereich durch N-gemultiplexte Verstärker gemeinsam genutzt wird.
6 ist ein Diagramm, das ein anderes Beispiel veranschaulicht, in welchem ein Messbereich durch N-gemultiplexte Verstärker gemeinsam genutzt wird.
7 ist ein Diagramm, das eine andere Modifikation der Signalverarbeitungsschaltung 300 veranschaulicht.
8 ist eine Ansicht, die ein Ausgestaltungsbeispiel eines Roboterarms 800, an welchem ein Kraftsensor 801 angebracht ist, veranschaulicht.
9 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel der in 3 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300 veranschaulicht.
10 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel der in 4 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300 veranschaulicht.
11 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel der in 4 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300 veranschaulicht.
12 ist ein Diagramm, das ein Ausgestaltungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung 1200 gemäß einem zweiten Beispiel veranschaulicht.
13 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung 1200 veranschaulicht.
14 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung 1200 veranschaulicht.
15 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung 1200 veranschaulicht.
16 ist ein Diagramm, das ein Ausgestaltungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung 1600 gemäß dem zweiten Beispiel veranschaulicht.
17 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung 1600 veranschaulicht.
18 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung 1600 veranschaulicht.
19 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung 1600 veranschaulicht.
20 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung 1600 veranschaulicht.
21 ist ein Diagramm, das ein Ausgestaltungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung 2100 gemäß dem zweiten Beispiel veranschaulicht.
22 ist ein Diagramm, das ein Ausgestaltungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung 2200 gemäß dem zweiten Beispiel veranschaulicht.

AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen der in der vorliegenden Patentschrift offenbarten Technologie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Als eine Technik zum Detektieren einer Kraft gibt es typischerweise eine Technik des Anbringens eines Dehnungsdetektionssensors (im Folgenden einfach als ein „Dehnungssensor“ bezeichnet) an einem Dehnungserzeugungskörper, der eine Struktur aufweist, die leicht lokal deformiert wird, wenn eine Kraft ausgeübt wird, und des Umwandelns einer durch den Dehnungssensor gemessenen Deformationsstärke des Dehnungserzeugungskörpers in ein Kraftniveau.
1 veranschaulicht ein Ausgestaltungsbeispiel eines Sechsachsen-Kraftsensors 100, der einen Dehnungserzeugungskörper 110 und Dehnungssensoren 121, 122 und 123 aufweist.
Der Dehnungserzeugungskörper 110 weist eine Deckplatte 114 und eine Grundplatte 115, die eine relativ hohe Steifigkeit aufweisen, und drei längliche Stützen 111, 112 und 113, die die Deckplatte 114 auf der Grundplatte 115 abstützen, auf. Beispiele für das Material des Dehnungserzeugungskörpers 110 weisen NickelChrom-Molybdän-Stahl, Edelstahl, Aluminiumlegierung und dergleichen auf. Die Stützen 111, 112 und 113 sind flexibel und die Kraftsensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a and 123b sind jeweils an den Seitenflächen angebracht. Es sei angemerkt, dass die Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b einen Satz von Dehnungssensorelementen aufweisen, die einander gegenüberliegen. Es sei angemerkt, dass der Grund dafür, warum zwei gegenüberliegende Kraftsensoren als ein Satz verwendet werden, darin besteht, eine durch Temperaturänderung verursachte Komponente auszulöschen, um einen Temperatureinfluss zu kompensieren, was als ein Zweimessorganverfahren bekannt ist.
Es sei angemerkt, dass Detektionselemente verschiedener Arten, wie etwa piezoelektrischer Art, magnetischer Art, optischer Art und kapazitiver Art, zusätzlich zu Dehnungsmessstreifen, in den Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b eingesetzt werden können.
Wenn beispielsweise eine äußere Kraft in einer beliebigen Richtung zwischen der Deckplatte 114 und der Grundplatte 115 eingebracht wird, wird mindestens eine der Stützen 111, 112 oder 113 deformiert, wie etwa zusammengedrückt, gestreckt oder verbogen. Die Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b werden jeweils mit den entsprechenden Stützen 111, 112 und 113 deformiert. Im Falle eines Dehnungsmessstreifen-Dehnungssensors ändert sich ein elektrischer Widerstand gemäß der Deformationsstärke. Die Änderung des elektrischen Widerstands kann beispielsweise als eine Spannungsänderung in einer (nicht abgebildeten) Arithmetikvorrichtung eingefangen werden und kann in ein Kraftniveau umgewandelt werden. Dann wird unter Verwendung einer vorbestimmten Kalibrierungsmatrix für die drei Sätze von Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b eine Matrizenberechnung durchgeführt, so dass die Sechsachsen-Kräfte und Drehmomente gemessen werden können.
Da von den Dehnungssensoren 121, 122 und 123 ausgegebene Signale Analogsignale sind, werden die Signale durch einen AD-Wandler in Digitalsignale von N Bit umgewandelt (wobei N eine positive ganze Zahl ist) und dann in eine Arithmetikvorrichtung übernommen, wie etwa einen Personalcomputer oder eine Robotersteuerungsvorrichtung, und zur Berechnung verwendet, wie etwa zur Umwandlung in ein Kraftniveau. Hierbei ist, zum Beispiel in einem Falle, in dem die Analogsignalausgabe von dem Dehnungssensor durch eine AD-Umwandlung in ein 10-Bit Digitalsignal umgewandelt wird, eine messbare Nennminimalauflösung die zehnte Potenz von 2, das heißt 1024. Daher kann, in einem Falle, in dem die Dehnungssensoren 121, 122 und 123 auf das 1024-Fache oder mehr der Minimalauflösung deformiert werden, kein Maximalwert erfasst werden. Das heißt, dass die die den Nennwert übersteigende Deformationsstärke unbekannt ist.
Im Falle, dass der Kraftsensor 100 den Freiheitsgrad in mehreren der wie in 1 veranschaulichten Achsen aufweist, werden die auf die Achsen ausgeübten Kräfte auf jeden der Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b auf eine komplexe Weise ausgeübt. Daher wird eine Beziehung unter den in den mehreren Achsen tatsächlich messbaren Kraftdetektionsempfindlichkeiten von der Struktur des Dehnungserzeugungskörpers 110 oder dergleichen bestimmt.
Eine Korrelation, die sich aus der Struktur des zu verwendenden Dehnungserzeugungskörpers ergibt, wird unvermeidbar zwischen einer Translationskraft und einem unter Verwendung eines Kraftsensors gemessenem Drehmoment verursacht. Beispielsweise variiert in einem Fall, in dem ein an einer proximalen Endseite einer Roboterhand angebrachter Kraftsensor verwendet wird, ein Verhältnis der Translationskraft zu dem zu messenden Drehmoment in Abhängigkeit von der Länge der Hand, der Masse eines von der Hand gegriffenen Objekts oder dergleichen erheblich, und unterscheidet sich somit manchmal erheblich von einem Verhältnis einer Translationskraft zu einem Drehmoment der Struktur des ausgewählten Dehnungserzeugungskörpers.
Allerdings gibt es eine Beschränkung für die Auswahlmöglichkeiten von Kraftsensoren, die tatsächlich vorgesehen werden können. Dies ergibt sich daraus, dass es schwer ist, einen Dehnungserzeugungskörper zu produzieren, der eine passende Größe und Masse mit einem gewünschtem Verhältnis der Translationskraft zu dem Drehmoment innerhalb einer maschinell bearbeitbaren Form und innerhalb eines praktikablen Preises aufweist.
Beispielsweise wird in einem in einer chirurgischen Operation verwendeten medizintechnischen Roboter ein Fall zum Anordnen eines Kraftsensors 201 an einer proximalen Endseite einer medizintechnischen Zange 200, wie in 2 veranschaulicht, für den Zweck des Messens einer auf ein distales Ende der Zange als ein Endeffektor ausgeübten Kraft berücksichtigt. Es sei angemerkt, dass die Länge von dem distalen Ende der Zange 200 zu dem Kraftsensor 201 200 mm beträgt. Es wird angenommen, dass der Kraftsensor 201 eine Sechsachsen-Ausgestaltung aufweist, wie beispielsweise in 1 veranschaulicht ist. Darüber hinaus ist der Kraftsensor 201 in dem veranschaulichten Beispiel an einer rückwärtigen Stufe einer Antriebseinheit 202 für die Zange 200 angebracht.
In einem Fall, in dem eine Kraft von 1 N in x-, y- und z-Richtung auf das distale Ende der Zange 200 ausgeübt wird, wirken Translationskräfte F_x = 1 N, F_y = 1 N und F_z = 1 N auf die x-, y- und z-Richtung ein, und Momente von M_x = 200 Nmm, M_y = 200 Nmm und M_z = 0 Nmm wirken um die Achsen herum. Bei Berücksichtigung des Gewichts der Zange 200 erfordert der Nennwert des Kraftsensors 201 zu diesem Zeitpunkt ungefähr F_x = 10 N, F_y = 10 N and F_z = 10 N and M_x = 500 Nmm, M_y = 500 Nmm und M_z = 100 Nmm. Das heißt, dass das Verhältnis der Translationskraft zum Drehmoment groß und extrem unausgeglichen ist, da die Zange 200 lang ist und die Distanz von der Nähe des distalen Endes der Zange 200, auf welches eine äußere Kraft ausgeübt wird, zum Kraftsensor 201 relativ lang ist.
Es ist schwierig, einen Kraftsensor zu designen und zu produzieren, in welchem die zu messende Translationskraft und das zu messende Drehmoment unausgeglichen sind. Dies ergibt sich daraus, dass es schwer ist, einen Dehnungserzeugungskörper zu produzieren, der eine passende Größe und Masse mit einem gewünschtem Verhältnis der Translationskraft zu dem Drehmoment innerhalb einer maschinell bearbeitbaren Form und innerhalb eines praktikablen Preises aufweist.
In einem Fall, in dem das Verhältnis der Translationskraft zu dem Drehmoment in Abhängigkeit von der Verwendung wesentlich variiert, selbst wenn das Verhältnis der Translationskraft zu dem Drehmoment in einen entwickelbaren Bereich des Dehnungserzeugungskörpers fällt, muss darüber hinaus die Struktur des Dehnungserzeugungskörpers gemäß der Variation neubewertet werden.
In einem Fall des Montierens eines Kraftsensors 801 an einem Handgelenksabschnitt eines Roboterarms 800, wie in 8 veranschaulicht ist, ist die Distanz von einem Ausübungspunkt einer äußeren Kraft zu dem Kraftsensor beispielsweise relativ kurz, so dass das Verhältnis der Translationskraft zu dem Drehmoment im Gegensatz zu dem in 2 veranschaulichten Beispiel relativ gut ausgeglichen ist.
Um mit der Unausgeglichenheit des Verhältnisses der Translationskraft zu dem Drehmoment durch die mechanische Struktur des Dehnungserzeugungskörpers fertig zu werden, muss die Struktur des Dehnungserzeugungskörpers jedes Mal geändert werden, wenn sich eine Detektionsausgeglichenheit zwischen der gewünschten Translationskraft und dem gewünschten Drehmoment ändert. Aus diesem Grunde muss ein Produkt, das viele Arten von Dehnungserzeugungskörpern aufweist, vorbereitet werden, was bei Massenproduktion von Nachteil ist. Darüber hinaus liegt die Detektionsausgewogenheit zwischen der Translationskraft und dem Drehmoment, die durch einen einzigen Dehnungserzeugungskörper erreicht werden kann, in einem schmalen Bereich und es ist leicht, in eine Strukturbegrenzung zu fallen.
Darüber hinaus ist auch eine elektrische Lösung denkbar, die eine Messung in einem breiten Bereich von einem winzigen Signal zu einem enormen Signal erlaubt, indem eine automatische Verstärkungssteuerung oder eine Polygonlinienverstärkungsschaltung verwendet wird, ohne von der mechanischen Struktur des Dehnungserzeugungskörpers abzuhängen. Allerdings gibt es kein Implementationsbeispiel in einem Verfahren des elektrischen Anpassens der Detektionsausgeglichenheit zwischen der Translationskraft und dem Drehmoment.
Daher wird die vorliegende Patentschrift im Folgenden eine Technologie vorschlagen zum Verzweigen eines Ausgangssignals eines Sensors, wie etwa eines Dehnungssensors, und zum Multiplexen eines Verstärkers und zum Erzeugen mehrerer Signale, die unterschiedliche Verstärkungsfaktoren aufweisen, um gleichzeitig Signale zu erschaffen, die unterschiedliche Empfindlichkeiten bei unterschiedlichen Nennpegeln aufweisen, wodurch man mit einem breiten Bereich von Ausgangspegeländerungen des Sensors fertig wird. Durch Anwenden dieser Technologie auf Verarbeitung des Ausgangssignals des Dehnungssensors kann man mit dem breiten Änderungsbereich des Verhältnisses der Translationskraft zu dem Drehmoment fertig werden, ohne die Struktur des Dehnungserzeugungskörpers zu ändern. Mit anderen Worten gesagt gibt es bei einer Nutzung, die eine hohe Geschwindigkeit erfordert, einen Vorteil, dass keine Verzögerung erzeugt wird, da es keine Rückkopplung oder dergleichen gibt. Darüber hinaus kann die vorliegende Technologie zusätzlich zu dem Kraftsensor auch zur Verarbeitung eines Ausgangssignals eines Potentiometers verwendet werden.
[Erstes Beispiel]
3 veranschaulicht ein Ausgestaltungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung 300, die ein Detektionssignal eines Dehnungssensors verarbeitet, gemäß einem ersten Beispiel. Die veranschaulichte Signalverarbeitungsschaltung 300 ist beispielsweise in der Form einer Verstärkervorrichtung, die mit dem Kraftsensor 100 verbunden ist, einer Kommunikationseinheit, die ein Ausgangssignal des Kraftsensors 100 an eine Arithmetikvorrichtung 350 überträgt, wie etwa einen Personalcomputer oder eine Robotersteuerungsvorrichtung oder dergleichen, implementiert.
Der Dehnungssensor in der Figur entspricht beispielsweise einem der Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b in dem in 1 veranschaulichten Kraftsensor 100. Grundsätzlich versteht sich, dass die Signalverarbeitungseinheit 300, wie in 3 veranschaulicht, für jedes von einem Paar von Dehnungssensoren vorgesehen ist und Detektionssignale der Dehnungssensoren verarbeitet werden. Darüber hinaus versteht sich, dass die Signalverarbeitungsschaltung 300 auf das Verarbeiten eines Detektionssignals eines anderen Sensors angewandt werden kann, wie etwa ein Potentiometer anstelle eines Dehnungssensors.
Auf mehrere Achsen ausgeübte Translationskräfte und Drehmomente werden auf jeden der Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b auf eine komplexe Weise ausgeübt. Daher weist das Detektionssignal von jedem der Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b mehrere Komponenten der Translationskräfte und Drehmomente auf. In dem Falle, in dem wie oben beschrieben die Unausgeglichenheit zwischen der zu messenden Translationskraft und dem zu messenden Drehmoment angenommen wird, gibt es Bedarf danach, wünschenswerterweise die Translationskraft F_z in der z-Richtung mit einer hohen Empfindlichkeit zu detektieren, aber wünschenswerterweise die Translationskräfte und Drehmomente in den anderen axialen Richtungen mit einer niedrigen Empfindlichkeit zu detektieren, um beispielsweise den Einfluss von Rauschen zu verringern. Darüber hinaus ist eine hohe Auflösung nicht nötig und eine Detektion mit einer niedrigen Empfindlichkeit ist ausreichend, wenn eine Überlast auf ein zu messendes Objekt ausgeübt wird oder wenn sich das zu messende Objekt mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt. Daher muss ein Detektionssignal eines einzigen Dehnungssensors gemäß mehreren Empfindlichkeiten verstärkt werden.
Ein erster Verstärker 301 empfängt das Detektionssignal des Dehnungssensors und verstärkt das Detektionssignal rauscharm. Darüber hinaus verstärkt ein zweiter Verstärker 302 das Detektionssignal nach der rauscharmen Verstärkung mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor und führt ferner angemessen ein Verarbeiten durch, wie etwa, wenn nötig, eine Versatzanpassung. Es versteht sich, dass das Detektionssignal des Dehnungssensors verstärkt wird, um eine notwendige (oder hohe) Empfindlichkeit zu erreichen, die den Zweck durch Zweistufenverstärkungsverarbeitung unter Verwendung des ersten Verstärkers 301 und des zweiten Verstärkers 302 erfüllt.
Ein Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 302 wird in zwei Pfade verzweigt, die unterschiedliche Verstärkungsfaktoren aufweisen. In einem der Pfade wird das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 302 von einem ersten AD-Wandler (ADW) 303 direkt in ein Digitalsignal umgewandelt und in eine Steuereinheit 306 in einer nachfolgenden Stufe als ein Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S eingegeben. Das heißt, dass in dem einen der Pfade das der mit einer hohen Empfindlichkeit zu detektierenden F_z entsprechende Detektionssignal S erstellt wird, obwohl ein Messbereich schmal ist.
Darüber hinaus wird das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 302 in dem anderen Pfad weiter von einem dritten Verstärker 304 verstärkt, von einem zweiten AD-Wandler 305 in ein Digitalsignal umgewandelt und in die Steuereinheit 306 in einer nachfolgenden Stufe eingegeben. Insbesondere ist der dritte Verstärker 304 ein Dämpfer, der ein Eingangssignal auf 1/n (wobei n > 1 ist) dämpft, und das Eingangssignal wird durch den zweiten AD-Wandler 305 in ein Digitalsignal umgewandelt und wird dann als ein Niederempfindlichkeitsdetektionssignal S' in die Steuereinheit 306 eingegeben.
Das heißt, dass das Detektionssignal S', das der anderen axialen Translationskraft und dem anderen Drehmoment als dem mit einer niedrigen Empfindlichkeit mit verringertem Rauschbeitrag zu detektierenden F_z entspricht, über einen breiten Messbereich erstellt wird. Beispielsweise schwächt der dritte Verstärker 304 das Detektionssignal S ab (oder dämpft es), so dass die Auflösung ungefähr 1/4 des Maximalwerts von Werten wird, die von dem Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S angenommen werden können, um den Beitrag von Rauschen zu verringern, oder die Bruchstärke, bei der der Dehnungserzeugungskörper und der Dehnungssensor nicht brechen, in den Messbereich fällt. Es sei angemerkt, dass der dritte Verstärker 304 ein variabler Verstärker sein kann, der einen variablen Dämpfungsfaktor (1/n) aufweist.
9 veranschaulicht jeweilige Messbereiche des Detektionssignals S, das von dem ersten AD-Wandler 303 ausgegeben wird, und des Detektionssignals S', das von dem zweiten AD-Wandler 305 ausgegeben wird, in der in 3 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300. Obgleich ein Messbereich 901 des Detektionssignals S schmal ist, kann die Dehnung des Dehnungssensors mit einer hohen Auflösung gemessen werden. Andererseits ist ein Messbereich 902 des Detektionssignals S' breit und die Dehnung des Dehnungssensors kann selbst in einer Region jenseits des Messbereichs 901 des Detektionssignals S gemessen werden. Der breite Messbereich 902 des Detektionssignals S' liegt an der Unterdrückung des Detektionssignals S durch den zweiten AD-Wandler 305. Obgleich der Beitrag von Rauschen verringert werden kann, ist die Auflösung gering. Daher weist die Signalverarbeitungsschaltung 300 einen Detektionsbereich auf, der dem Messbereich 902 entspricht, wobei allerdings die Auflösung in einer Region außerhalb des Detektionsbereichs, der dem Messbereich 901 entspricht, abnimmt.
Dann führt die Steuereinheit 306 Kommunikation von Digitaldaten der mehreren Detektionssignale S und S' mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten, die von einem Dehnungssensor erhalten wurden, zu der externen Arithmetikvorrichtung 350 (Personalcomputer oder Robotersteuerungsvorrichtung) und anderen Arten von Digitalverarbeitung durch.
Wie oben beschrieben wurde, gemäß der in 3 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300, können Signale mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten bei unterschiedlichen Nennpegeln gleichzeitig erstellt werden, indem das Detektionssignal des Dehnungssensors verzweigt wird und die mehreren Detektionssignale mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren erzeugt werden. Daher führt die Seite der externen Arithmetikvorrichtung, die Signale von der Signalverarbeitungsschaltung 300 erhält, je nach Notwendigkeit, unter Verwendung entweder des Detektionssignals mit der hohen Empfindlichkeit in dem schmalen Messbereich oder des Detektionssignals mit der niedrigen Empfindlichkeit in dem breiten Messbereich, Berechnung des Umwandelns eines Signals in eine Kraft des Detektionssignals der Dehnungssensoren, für jede Achse, durch, wodurch man mit dem breiten Bereich von Änderungen des Verhältnisses der Translationskraft zu dem Drehmoment fertig wird. Beispielsweise kann die Signalverarbeitungsschaltung 300 die Forderung erfüllen, wünschenswerterweise die Translationskraft F_z in der z-Achsenrichtung mit einer hohen Empfindlichkeit wünschenswerteweise zu detektieren, aber die anderen Translationskräfte und Drehmomente in den anderen Axialrichtungen mit einer niedrigen Empfindlichkeit wünschenswerterweise zu detektieren, um den Beitrag von Rauschen auf der Seite der Arithmetikvorrichtung 350 zu verringern.
Darüber hinaus gibt es, gemäß der Ausgestaltung der in 3 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300 keine Rückkopplung oder dergleichen und somit besteht ein Vorteil darin, dass keine Verzögerung für eine Nutzung, die eine hohe Geschwindigkeit erfordert, erzeugt wird.
In 3 wurden die Signalverarbeitungsschaltung 300 und die Arithmetikvorrichtung 350 unter Fokussierung auf die Detektionssignale von einem Satz von Dehnungssensoren beschrieben. In dem Falle des wie in 1 veranschaulichten Sechsachsen-Kraftsensors 100 sind insgesamt sechs Sätze der Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b vorgesehen. Daher ist die obige Signalverarbeitungsschaltung 300 für jeden der Dehnungssensoren vorgesehen. Hier werden sechs Hochempfindlichkeitssignale (S₁ , S₂ , S₃ , S₄ , S₅ und S₆ ) und sechs Niederempfindlichkeitssignale (S₁', S'₂ , S'₃ , S'₄ , S'₅ und S'₆ ) mit einer unterdrückten Empfindlichkeit der Arithmetikvorrichtung 350 zugeführt, wobei Si ein Hochempfindlichkeitssignal ist und Si' ein Niederempfindlichkeitssignal ist, die gleichzeitig durch die Signalverarbeitungsschaltung 300 aus dem Detektionssignal des i-ten Dehnungssensors erstellt werden.
Dann kann die Arithmetikvorrichtung 350 die Hochempfindlichkeits-Sechsachsen-Translationskräfte und Drehmomente F_x , F_y , F_z , M_x , M_y und M_z aus den Hochempfindlichkeitssignalen (S₁ , S₂ , S₃ , S₄ , S₅ und S₆ ) unter Verwendung einer vorbestimmten Kalibrierungsmatrix durch Matrizenrechnung berechnen, wie in dem folgenden Ausdruck (1) veranschaulicht ist.
[Math. 1] $(\begin{matrix} F_{x} \\ ⋮ \\ M_{z} \end{matrix}) = (\begin{matrix} K_{11} & \dots & K_{16} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ K_{61} & \dots & K_{66} \end{matrix}) (\begin{matrix} S_{1} \\ ⋮ \\ S_{6} \end{matrix})$
Darüber hinaus kann die Arithmetikvorrichtung 350 die Niederempfindlichkeits-Sechsachsen-Translationskräfte und Drehmomente F_x , F_y , F_z , M_x , M_y und M_z aus den Niederempfindlichkeitssignalen (S₁ , S₂ , S₃ , S₄ , S₅ und S₆ ) unter Verwendung einer vorbestimmten Kalibrierungsmatrix durch Matrizenrechnung berechnen, wie in dem folgenden Ausdruck (2) veranschaulicht ist.
[Math. 2] $(\begin{matrix} F_{x}' \\ ⋮ \\ M_{z}' \end{matrix}) = (\begin{matrix} K_{11}' & \dots & K_{16}' \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ K_{61}' & \dots & K_{66}' \end{matrix}) (\begin{matrix} S_{1}' \\ ⋮ \\ S_{6}' \end{matrix})$
Die Seite der Arithmetikvorrichtung 350 kann die Translationskraft oder das Drehmoment unter Verwendung des Hochempfindlichkeitssignals S_i und des Niederempfindlichkeitssignals S_i' für jede Achse getrennt berechnen. Darüber hinaus kann die Seite der Arithmetikvorrichtung 350, wenn eines der Hochempfindlichkeitssignale S_i' eine Obergrenze erreicht hat, teilweise unter Verwendung des Niederempfindlichkeitssignals S_i' (wobei i eine ganze Zahl von 1 bis 6 ist) die Berechnung ergänzen. Ein Signal kann mit einer hohen Empfindlichkeit in dem Bereich erfasst werden, in dem ein Signal mit dem Hochempfindlichkeitssignal S_i gemessen werden kann. Andererseits ist die Empfindlichkeit in dem Bereich des Niederempfindlichkeitssignals S_i' gegenüber dem Fall des Verwendens von S_i sehr viel schlechter, wobei allerdings ein Signal außerhalb des Nennbereichs, das herkömmlicherweise nicht gemessen werden kann, erhalten werden kann. Insbesondere wird F_z mit einer hohen Empfindlichkeit gemessen und die anderen Achsen können selbst in einem Zustand verwendet werden, in dem die Empfindlichkeit unterdrückt ist. Man kann sagen, dass der maximale Messbereich erweitert wird, während die hohe Auflösung des Kraftsensors 100 beibehalten wird.
Beispielsweise kann der Kraftsensor 100 selbst in einem Falle, in dem das Verhältnis der Translationskraft zum Drehmoment groß und extrem unausgeglichen ist, wie in 2 veranschaulicht ist, so verwendet werden, wie er ist, ohne die Struktur des Dehnungserzeugungskörpers 100 zu ändern. Insbesondere wird die Translationskraft F_z direkt in den Kraftsensor 201 eingegeben, wobei allerdings die Translationskräfte in den anderen Richtungen als F_y und F_z wirken und auch als Momente M_y und M_z , gemäß der Länge eines Momentenarms, wirken, wobei eine Längsrichtung der Zange 200 die z-Richtung ist.
Da die Zange 200 normalerweise unter Verwendung eines Trokars durch ein kleines Loch in einen Körper (eine Bauchhöhle, eine Brusthöhle oder dergleichen) eingesetzt und verwendet wird, und somit der Momentenarm unvermeidbar lang ist, werden die Momente M_y und M_z als größere Werte als die Translationskraft F_z detektiert. Wenn die Momente M_y und M_z gemessen werden, weist der Kraftsensor 201 daher eine bessere Ausgeglichenheit auf, wenn die Empfindlichkeit unterdrückt wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die Momente M_y und M_z unter Verwendung des Niederempfindlichkeitsdetektionssignals gemessen werden, wohingegen die Translationskraft F_z unter Verwendung des Hochempfindlichkeitsdetektionssignals gemessen wird, wie in den obigen Ausdrücken (1) und (2) beschrieben ist, ohne die Struktur des Dehnungserzeugungskörpers des Kraftsensors 201 zu ändern. Daher kann der Kraftsensor 201 selbst in einem Falle, in dem der Kraftsensor 201 in der Zange 200, die in der Längsrichtung lang ist, eingesetzt wird, ausreichend ausgeglichen sein.
4 veranschaulicht eine Modifikation der Signalverarbeitungsschaltung 300. Es sei angemerkt, dass denselben Ausgestaltungselementen, wie den in 3 veranschaulichten, dieselben Referenzziffern vergeben sind.
Der Dehnungssensor in der Figur entspricht beispielsweise einem der Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b in dem in 1 veranschaulichten Kraftsensor 100. Grundsätzlich versteht sich, dass die Signalverarbeitungseinheit 300, wie in 4 veranschaulicht, für jedes Paar von Dehnungssensoren vorgesehen ist und Detektionssignale der Dehnungssensoren verarbeitet werden. Auf die mehreren Achsen ausgeübte Translationskräfte und Drehmomente werden auf jeden der Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b auf eine komplexe Weise ausgeübt und daher weist ein Detektionssignal des Dehnungssensors mehrere Komponenten der Translationskräfte und Drehmomente auf.
Wenn das Detektionssignal des Dehnungssensors eingegeben wird, wird das Detektionssignal verstärkt, um eine notwendige (oder hohe) Empfindlichkeit zu erreichen, die den Zweck durch Zweistufenverstärkungsverarbeitung unter Verwendung des ersten Verstärkers 301 und des zweiten Verstärkers 302 erfüllt. Ein Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 302 wird in drei Pfade verzweigt, die unterschiedliche Verstärkungsfaktoren aufweisen.
In dem ersten Pfad wird das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 302 von einem ersten AD-Wandler (ADW) 303 direkt in ein Digitalsignal umgewandelt und in eine Steuereinheit 306 in einer nachfolgenden Stufe als ein Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S eingegeben. Das heißt, dass in einem der Pfade das der mit einer hohen Empfindlichkeit zu detektierenden F_z entsprechende Detektionssignal S erstellt wird.
In dem zweiten Pfad wird das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 302 weiter von einem dritten Verstärker 304 verstärkt, von einem zweiten AD-Wandler 305 in ein Digitalsignal umgewandelt und in eine Steuereinheit 306 in einer nachfolgenden Stufe eingegeben. Insbesondere ist der dritte Verstärker 304 ein Dämpfer, der ein Eingangssignal auf 1/n (wobei n > 1 ist) dämpft, und das Eingangssignal wird durch den zweiten AD-Wandler 305 in ein Digitalsignal umgewandelt und wird dann als ein Niederempfindlichkeitsdetektionssignal S' in die Steuereinheit 306 eingegeben.
Darüber hinaus wird das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 302 in dem dritten Pfad weiter von einem vierten Verstärker 305 verstärkt, von einem dritten AD-Wandler 308 in ein Digitalsignal umgewandelt und in die Steuereinheit 306 in einer nachfolgenden Stufe eingegeben. Insbesondere ist der vierte Verstärker 307 ein Dämpfer, der ein Eingangssignal auf 1/n (wobei m > n ist) dämpft, und wobei das Eingangssignal durch den zweiten AD-Wandler 305 in ein Digitalsignal umgewandelt wird und dann als ein Detektionssignal S" mit niedrigerer Empfindlichkeit als das oben beschriebene Detektionssignal S' in die Steuereinheit 306 eingegeben wird.
Dann führt die Steuereinheit 306 Kommunikation von Digitaldaten der mehreren Detektionssignale S, S' und S" mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten, die von einem Dehnungssensor erhalten wurden, zu der externen Arithmetikvorrichtung 350 (Personalcomputer oder Robotersteuerungsvorrichtung) und anderen Arten von Digitalverarbeitung durch.
Gemäß der in 4 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300 können Signale mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten bei unterschiedlichen Nennpegeln gleichzeitig erstellt werden, indem das Detektionssignal des Dehnungssensors verzweigt wird und die mehreren Detektionssignale mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren erzeugt werden.
Gemäß der in 4 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300 erhöht sich die Anzahl der Detektionssignale mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren um eins, somit kann, im Vergleich mit dem in 3 veranschaulichten Ausgestaltungsbeispiel, eine Auswirkung des Erweiterns des maximal messbaren Bereichs oder des Verbesserns der Auflösung, während der maximale Bereich konstant gehalten wird, erwartet werden.
10 und 11 veranschaulichen jeweilige Messbereiche des Detektionssignals S, das von dem ersten AD-Wandler 303 ausgegeben wird, des Detektionssignals S', das von dem zweiten AD-Wandler 305 ausgegeben wird, und des Detektionssignals S", das von dem dritten AD-Wandler 306 ausgegeben wird, in der in 4 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300. 10 veranschaulicht die Messbereiche der Detektionssignale S, S' und S" durch jeweils die Bezugsziffern 1001, 1002 und 1003. Der maximal messbare Bereich 1003 ist hinsichtlich der in 3 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300 erweitert. Andererseits veranschaulicht 11 die Messbereiche der Detektionssignale S, S' und S" durch jeweils die Bezugsziffern 1101, 1102 und 1103. Der maximal messbare Bereich 1103 ist derselbe wie der der in 3 veranschaulichten Signalverarbeitungsschaltung 300, wobei allerdings die Auflösung durch das moderat gedämpfte Detektionssignal S' verbessert ist.
Der Unterschied zwischen dem in 3 veranschaulichten Ausgestaltungsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung 300 und dem in 4 veranschaulichten Ausgestaltungsbeispiel besteht darin, dass der Verstärker gediplext oder verdreifacht ist. Obgleich eine Veranschaulichung weggelassen wurde, so kann es doch eine Ausgestaltung der Signalverarbeitungsschaltung 300 geben, in welcher der Verstärker vierfach oder mehr gemultiplext ist.
Es sei angemerkt, dass in einem Fall des Multiplexens eines Verstärkers Verwendung des Änderns eines Versatzes von jedem Verstärker und gemeinsames Nutzen des Messbereichs zusätzlich zur Verwendung des Änderns des Verstärkungsfaktors für jeden Verstärker und Erstellen mehrerer Detektionssignale mit anderen Empfindlichkeiten als in dem in 4 veranschaulichten Beispiel denkbar ist.
5 veranschaulicht einen Zustand, in welchem ein Messbereich durch N-gemultiplexte Verstärker gemeinsam genutzt wird. In der Figur repräsentiert die Vertikalachse einen Detektionspegel. Eine durch eine Bezugsziffer 501 gekennzeichnete Region der Messbereiche zeigt einen Bereich an, der durch den in dem ersten Zweig angeordneten Verstärker gemessen werden kann. Gleichermaßen zeigen durch Bezugsziffern 502, 503 und 504 gekennzeichnete Regionen Bereiche an, die durch den jeweils in dem zweiten, dem dritten und dem vierten Zweig angeordneten Verstärker gemessen werden können.
Darüber hinaus veranschaulicht 6 ein weiteres Beispiel, in welchem ein Messbereich durch N-gemultiplexte Verstärker gemeinsam genutzt wird. In der Figur repräsentiert die Vertikalachse einen Detektionspegel. Eine durch eine Bezugsziffer 601 gekennzeichnete Region der Messbereiche zeigt einen Bereich an, der durch den in dem ersten Zweig angeordneten Verstärker gemessen werden kann. Gleichermaßen zeigen durch Bezugsziffern 602, 603 und 604 gekennzeichnete Regionen Bereiche an, die durch den jeweils in dem zweiten, dem dritten und dem vierten Zweig angeordneten Verstärker gemessen werden können. In dem in 5 veranschaulichten Beispiel ist derselbe Dämpfungsfaktor in den gemultiplexten Verstärkern eingestellt und daher sind die Breiten von durch die Verstärker gemeinsam genutzten Bereichen gleichmäßig. Im Gegensatz dazu sind in dem in 6 veranschaulichten Beispiel die Dämpfungsfaktoren der gemultiplexten Verstärker variiert und daher sind die Breiten von durch die Verstärker gemeinsam genutzten Bereichen nicht dieselben.
Beispielsweise wird der Dämpfungsfaktor des Verstärkers, der eine Region gemeinsam nutzt, die Aufmerksamkeit bedarf, klein gemacht, um eine hohe Empfindlichkeit zu haben, obgleich die Breite des Bereichs schmal wird. Im Gegensatz dazu wird der Dämpfungsfaktor des Verstärkers, der eine Region gemeinsam nutzt, die keiner Aufmerksamkeit bedarf, groß gemacht, um eine niedrige Empfindlichkeit zu haben, so dass die Breite des Bereichs breit gemacht werden kann. In dem in 6 veranschaulichten Beispiel sind die durch die Bezugsziffern 601 und 602 gekennzeichneten Regionen die Regionen, die keiner Aufmerksamkeit bedürfen. Dadurch, dass die Dämpfungsfaktoren der Verstärker, die die Regionen gemeinsam nutzen, klein gemacht werden, wird der Messbereich pro Verstärker verbreitert, obgleich die Empfindlichkeit niedrig wird. Andererseits sind die durch die Bezugsziffern 603 und 604 gekennzeichneten Regionen die Regionen, die Aufmerksamkeit bedürfen. Dadurch, dass die Dämpfungsfaktoren der Verstärker, die die Regionen gemeinsam nutzen, klein gemacht werden, kann eine Detektion mit einer hohen Empfindlichkeit vorgenommen werden, obgleich der Messbereich pro Verstärker schmal wird.
Darüber hinaus veranschaulicht 7 eine andere Modifikation der Signalverarbeitungsschaltung 300. Es sei angemerkt, dass denselben Ausgestaltungselementen, wie den in 3 veranschaulichten, dieselben Referenzziffern vergeben sind. Die in 7 veranschaulichte Signalverarbeitungsschaltung 300 unterscheidet sich von der in 3 veranschaulichten darin, dass sie unmittelbar nach dem ersten Verstärker 301 verzweigt und die Verstärker multiplext.
Der Dehnungssensor in der Figur entspricht beispielsweise einem der Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b in dem in 1 veranschaulichten Kraftsensor 100. Grundsätzlich versteht sich, dass die Signalverarbeitungseinheit 300, wie in 7 veranschaulicht, für jedes Paar von Dehnungssensoren vorgesehen ist und Detektionssignale der Dehnungssensoren verarbeitet werden. Auf die mehreren Achsen ausgeübte Translationskräfte und Drehmomente werden auf jeden der Dehnungssensoren 121a und 121b, 122a und 122b und 123a und 123b auf eine komplexe Weise ausgeübt und daher weist ein Detektionssignal des Dehnungssensors mehrere Komponenten der Translationskräfte und Drehmomente auf.
Der erste Verstärker 301 empfängt ein Detektionssignal des Dehnungssensors und verstärkt das Detektionssignal rauscharm. Dann wird das Ausgangssignal des ersten Verstärkers 301 in zwei Pfade verzweigt, die unterschiedliche Verstärkungsfaktoren aufweisen.
Wie für das Ausgangssignal des ersten Verstärkers 301 verstärkt der zweite Verstärker 302 das Detektionssignal in einem der Pfade nach der rauscharmen Verstärkung mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor und führt ferner angemessen ein Verarbeiten durch, wie etwa, wenn nötig, eine Versatzanpassung. Dann wird das Ausgangssignal durch den ersten AD-Wandler (ADW) 303 direkt in ein Digitalsignal umgewandelt und in die Steuereinheit 306 in einer nachfolgenden Stufe als das Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S eingegeben. Das heißt, dass in einem der Pfade das der mit einer hohen Empfindlichkeit zu detektierenden F_z entsprechende Detektionssignal S erstellt wird.
Darüber hinaus wird das Ausgangssignal des ersten Verstärkers 301 in dem anderen Pfad weiter von dem dritten Verstärker 304 verstärkt, von dem zweiten AD-Wandler 305 in ein Digitalsignal umgewandelt und in die Steuereinheit 306 in einer nachfolgenden Stufe eingegeben. Insbesondere ist der dritte Verstärker 304 ein Dämpfer, der ein Eingangssignal auf 1/n (wobei n > 1 ist) dämpft, und das Eingangssignal wird durch den zweiten AD-Wandler 305 in ein Digitalsignal umgewandelt und wird dann als ein Niederempfindlichkeitsdetektionssignal S' in die Steuereinheit 306 eingegeben. Darüber hinaus führt der dritte Verstärker 304 ferner angemessen eine Verarbeitung durch, wie etwa, wenn nötig, eine Versatzanpassung.
Das heißt, dass in dem anderen Pfad das Detektionssignal S' erstellt wird, das der Empfindlichkeit eines anderen Signals als F_z , für welches ein Rauschbeitrag verringert werden soll, entspricht. Beispielsweise schwächt der dritte Verstärker 304 das Detektionssignal S ab (oder dämpft es), so dass die Auflösung ungefähr 1/4 des Maximalwerts von Werten wird, die von dem Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S angenommen werden können oder die Bruchstärke, bei der der Dehnungserzeugungskörper und der Dehnungssensor nicht brechen, in den Maximalbereich fällt. Es sei angemerkt, dass der dritte Verstärker 304 ein variabler Verstärker sein kann, der einen variablen Dämpfungsfaktor (1/n) aufweist.
Wie oben beschrieben wurde, kann, gemäß der in der vorliegenden Patentschrift offenbarten Technologie, ein Mehrachsen-Kraftsensor, der fähig ist zum leichten Ändern des Verhältnisses der Translationskraft zum Drehmoment, implementiert werden, ohne die Struktur des Dehnungserzeugungskörpers zu ändern. Darüber hinaus kann der Nennmessbereich des Kraftsensors ohne Ändern der Struktur des Dehnungserzeugungskörpers geändert werden.
[Zweites Beispiel]
In dem ersten Beispiel verzweigte sich das Detektionssignal des Dehnungssensors in die mehreren Pfade mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren und wobei das Detektionssignal mit dem breiten Messbereich durch den Pfad, der den höchsten Verstärkungsfaktor aufweist, erstellt wurde (beispielsweise 9 bis 11). Im Gegensatz dazu schlägt das vorliegende Beispiel eine Signalverarbeitungsschaltung vor, die in der Lage ist zum Erweitern eines Messbereichs, während eine hohe Auflösung beibehalten wird.
12 veranschaulicht ein Ausgestaltungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung 1200 gemäß einem zweiten Beispiel. Die veranschaulichte Signalverarbeitungsschaltung 1200 ist in der Form einer Verstärkervorrichtung, die mit dem Kraftsensor 100 oder einem Sensor, wie etwa einem Potentiometer, verbunden ist, einer Kommunikationseinheit, die ein Ausgangssignal des Sensors an eine Arithmetikvorrichtung 1250 überträgt, wie etwa einen Personalcomputer oder eine Robotersteuerungsvorrichtung oder dergleichen, implementiert.
Ein erster Verstärker 1201 empfängt ein Detektionssignal des Sensors und verstärkt das Detektionssignal rauscharm. Darüber hinaus verstärkt ein zweiter Verstärker 1202 das Detektionssignal nach der rauscharmen Verstärkung mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor und führt ferner angemessen ein Verarbeiten durch, wie etwa, wenn nötig, eine Versatzanpassung. Das Eingangssignal von dem Sensor wird verstärkt, um eine notwendige (oder hohe) Empfindlichkeit zu erreichen, die den Zweck durch Zweistufenverstärkungsverarbeitung unter Verwendung des ersten Verstärkers 1201 und des zweiten Verstärkers 1202 erfüllt.
Ein Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 1202 wird in zwei Pfade verzweigt. In einem der Pfade wird das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 1202 von einem ersten AD-Wandler (ADW) 1203 direkt in ein Digitalsignal umgewandelt und in eine Steuereinheit 1206 in einer nachfolgenden Stufe als ein Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S eingegeben. Das heißt, dass in dem einem der Pfade das einer hohen Empfindlichkeit entsprechende Detektionssignal S erstellt wird, obwohl ein Messbereich schmal ist.
Darüber hinaus wird in dem anderen Pfad eine Versatzgröße des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers 1202 durch eine Versatzschaltung 1204 angepasst, dann wird das Ausgangssignal von einem zweiten AD-Wandler 1205 in ein Digitalsignal umgewandelt und in die Steuereinheit 1206 in einer nachfolgenden Stufe als ein Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S' eingegeben. Die Versatzschaltung 1204 weist eine Schaltungsausgestaltung auf, die dynamische Änderung der Versatzgröße des Eingangssignals ermöglicht. In der Signalverarbeitungsschaltung 1200 ist die Steuereinheit 1206 dafür ausgestaltet, momentweise eine Anweisung hinsichtlich der Versatzstärke an die Versatzschaltung 1204 abzugeben. Das heißt, dass in dem anderen Pfad das Detektionssignal S' erstellt wird, das dieselbe Auflösung wie die des einen Pfads aufweist, aber einen Messbereich aufweist, der gemäß der in der von der Steuereinheit 1206 gegebenen Anweisung dynamisch variiert.
Ein Betriebsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung 1200 wird unter Bezugnahme auf die 13 bis 15 beschrieben.
13 veranschaulicht einen Messbereich 1301 des Detektionssignals S, das von dem ersten AD-Wandler 1203 ausgegeben wird, und einen Messbereich 1302 des Detektionssignals S', das von dem zweiten AD-Wandler 1205 ausgegeben wird, in einem Falle, in dem die Versatzgröße der Versatzschaltung 1204 null ist. In diesem Fall sind der Messbereich 1301 des Detektionssignals S und der Messbereich 1302 des Detektionssignals S' genau dieselben. Daher ist ein hochaufgelöster und schmaler Messbereich durch nur ein System des ersten Verstärkers 1201, des zweiten Verstärkers 1202 und des ersten AD-Wandlers 1203 ein Sensordetektionsbereich der Signalverarbeitungsschaltung 1200.
14 veranschaulicht einen Messbereich 1401 des Detektionssignals S, das von dem ersten AD-Wandler 1203 ausgegeben wird, und einen Messbereich 1402 des Detektionssignals S', das von dem zweiten AD-Wandler 1205 ausgegeben wird, in einem Falle, in dem die Versatzgröße der Versatzschaltung 1204 aufwärts verschoben ist. In diesem Falle ist der Messbereich 1401 des Detektionssignals S konstant. Darüber hinaus ist der Messbereich 1402 des Detektionssignals S' gemäß der Versatzgröße der Versatzschaltung 1204 aufwärts verschoben, während die hohe Auflösung beibehalten wird. Daher ist der Sensordetektionsbereich der Signalverarbeitungsschaltung 1200 auf einen breiten Bereich erweitert, der eine Kombination des Messbereichs 1401 des Detektionssignals S und des Messbereichs 1402 des Detektionssignals S' ist, und kann die hohe Auflösung selbst in dem erweiterten Messbereich 1402 beibehalten.
In der Signalverarbeitungsschaltung 1200 ist die Steuereinheit 1206 dafür ausgestaltet, momentweise eine Anweisung hinsichtlich der Versatzstärke an die Versatzschaltung 1204 abzugeben. Wenn beispielsweise der Detektionspegel eines Detektionssignals S ansteigt und sich einer Obergrenze des Messbereichs 1401 annähert, muss die Steuereinheit 1206 nur eine Anweisung an die Versatzschaltung 1204 zum Verschieben der Versatzgröße aufwärts ausgeben.
Wenn eine periodische Änderung eines Ausgangssignals eines Sensors bekannt ist, kann die Steuereinheit 1206 eine Variation des Detektionssignals S vorhersehen und die Versatzgröße der Versatzschaltung 1204 vorhersehend steuern. Darüber hinaus kann die Steuereinheit 1206 Maschinenlernen und die Versatzgröße der Versatzschaltung 1204 vorhersehend steuern.
Der Sensordetektionsbereich der Signalverarbeitungsschaltung 1200 ist mehr aufwärts erweitert, da die von der Versatzschaltung 1204 vorgegebene Versatzgröße größer ist. Es sei angemerkt, dass, wenn Umschalten von dem Messbereich 1401 des Detektionssignals S auf den Messbereich 1402 des Detektionssignals S' unstetig ist, in die Steuereinheit 1206 einzugebende Werte unbestimmt werden und es ein Risiko von Weglaufen gibt. Daher ist es wünschenswert, einen Überlappabschnitt 1403 vorzusehen, in dem ein oberes Ende des Messbereichs 1401 und ein unteres Ende des Messbereichs 1402 über einen gewissen Pegel überlappen, um zu bewirken, dass das Eingangssignal von dem Sensor innerhalb von mindestens einem der Messbereiche fällt.
Darüber hinaus veranschaulicht 15 einen Messbereich 1501 des Detektionssignals S, das von dem ersten AD-Wandler 1203 ausgegeben wird, und einen Messbereich 1502 des Detektionssignals S', das von dem zweiten AD-Wandler 1205 ausgegeben wird, in einem Falle, in dem die Versatzgröße der Versatzschaltung 1204 abwärts verschoben ist. Der Sensordetektionsbereich der Signalverarbeitungsschaltung 1200 ist in diesem Falle ein Bereich einer Kombination des Messbereichs 1501 des Detektionssignals S und des Messbereichs 1502 des Detektionssignals S' und ist gemäß der Versatzgröße der Versatzschaltung 1204 abwärts erweitert und kann die hohe Auflösung über den Gesamtbereich aufrechterhalten.
Wenn beispielsweise der Detektionspegel eines Detektionssignals S ansteigt und sich einer Untergrenze des Messbereichs 1501 annähert, muss die Steuereinheit 1206 nur eine Anweisung an die Versatzschaltung 1204 zum Verschieben der Versatzgröße abwärts ausgeben. Die Steuereinheit 1206 kann eine Variation des Detektionssignals S vorhersagen und die Versatzgröße der Versatzschaltung 1204 vorhersagend steuern. Darüber hinaus kann für vorhersagende Steuerung Maschinenlernen in die Steuereinheit 1206 eingeführt werden. Darüber hinaus ist es wünschenswert, einen Überlappabschnitt 1503 vorzusehen, in dem ein unteres Ende des Messbereichs 1501 und ein oberes Ende des Messbereichs 1502 über einen gewissen Pegel überlappen (das Gleiche wie oben).
16 veranschaulicht ein anderes Ausgestaltungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung 1600 gemäß dem zweiten Beispiel. Die veranschaulichte Signalverarbeitungsschaltung 1600 ist in der Form einer Verstärkervorrichtung, die mit einem Sensor verbunden ist, einer Kommunikationseinheit, die ein Ausgangssignal des Sensors an eine Arithmetikvorrichtung 1650 überträgt, wie etwa einen Personalcomputer oder eine Robotersteuerungsvorrichtung oder dergleichen, implementiert.
Ein erster Verstärker 1601 empfängt ein Detektionssignal des Sensors und verstärkt das Detektionssignal rauscharm. Darüber hinaus verstärkt ein zweiter Verstärker 1602 das Detektionssignal nach der rauscharmen Verstärkung mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor und führt ferner angemessen ein Verarbeiten durch, wie etwa, wenn nötig, eine Versatzanpassung. Das Eingangssignal von dem Sensor wird verstärkt, um eine notwendige (oder hohe) Empfindlichkeit zu erreichen, die den Zweck durch Zweistufenverstärkungsverarbeitung unter Verwendung des ersten Verstärkers 1601 und des zweiten Verstärkers 1602 erfüllt.
Ein Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 1602 wird in zwei Pfade verzweigt, die unterschiedliche Versatzgrößen aufweisen. In einem der Pfade wird die Versatzgröße des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers 1602 durch eine Versatzschaltung 1607 angepasst, dann wird das Ausgangssignal von einem ersten AD-Wandler (ADW) 1603 in ein Digitalsignal umgewandelt und in eine Steuereinheit 1606 in einer nachfolgenden Stufe als ein Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S eingegeben. Darüber hinaus wird in dem anderen Pfad die Versatzgröße des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers 1602 durch eine Versatzschaltung 1604 angepasst, dann wird das Ausgangssignal von einem zweiten AD-Wandler 1605 in ein Digitalsignal umgewandelt und in die Steuereinheit 1606 in einer nachfolgenden Stufe als ein Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S' eingegeben.
Sowohl die Versatzschaltung 1604 als auch 1607 weisen eine Schaltungsausgestaltung auf, die dynamische Änderung der Versatzgröße des Eingangssignals ermöglicht. In der Signalverarbeitungsschaltung 1600 kann die Steuereinheit 1606 die Versatzgrößen der Versatzschaltungen 1604 und 1607 unabhängig voneinander steuern. Daher werden in jedem der Pfade die Detektionssignale S und S', die die gleiche Auflösung und individuell eingestellte Versatzgrößen aufweisen, erstellt. Jeder Pfad weist einen Messbereich gemäß der in jeder der Versatzschaltungen 1604 und 1607 eingestellten Versatzgröße auf.
Die Steuereinheit 1606 passt die Versatzgröße von jedem Pfad an, so dass das Eingangssignal von dem Sensor innerhalb des Messbereichs von mindestens einem der Pfade fällt. Darüber hinaus besteht ein Risiko des Weglaufens, wenn sich die Versatzgröße während einer AD-Wandlungsverarbeitung ändert. Daher ist es wünschenswert, die Versatzstärke auf der Pfadseite, auf der die AD-Wandlungsverarbeitung nicht durchgeführt wird, anzupassen, während die Versatzgröße in dem Pfad während der AD-Wandlungsverarbeitung festgehalten wird.
Ein Betriebsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung 1600 wird unter Bezugnahme auf die 17 bis 20 beschrieben.
17 veranschaulicht einen Messbereich 1701 des Detektionssignals S und einen Messbereich 1702 des Detektionssignals S' zu einem gewissen Zeitpunkt T1. Der Sensordetektionsbereich der Signalverarbeitungsschaltung 1600 ist in diesem Falle ein Bereich einer Kombination des Messbereichs 1701 des Detektionssignals S und des Messbereichs 1702 des Detektionssignals S'.
Das Eingangssignal von dem Sensor zu diesem Zeitpunkt T1 ist ein Detektionspegel, der in der Figur durch eine Bezugsziffer 1704 gekennzeichnet ist. Das heißt, dass sich der Detektionspegel 1704 in der oberen Hälfte des Messbereichs 1701 des Pfads befindet, der gerade der AD-Wandlungsverarbeitung unterzogen wird, und es wird vorhergesagt, dass der Detektionspegel 1704 in naher Zukunft ein oberes Ende des Messbereichs 1701 überschreiten wird. Dynamisches Ändern der Versatzgröße in dem Pfad während der AD-Wandlungsverarbeitung sollte vermieden werden, und der Messbereich 1701 liegt fest. Daher wird die Versatzgröße in dem anderen Pfad, in dem die AD-Wandlungsverarbeitung nicht durchgeführt wird, angepasst, um den Messbereich 1702 über das obere Ende des Messbereichs 1701 des einen Pfads aufwärts zu verschieben, so dass der Detektionsbereich der Signalverarbeitungsschaltung 1600 aufwärts erweitert wird, um sich auf eine Situation vorzubereiten, in der der Detektionspegel 1704 von dem Messbereich 1701 abweicht. Es sei angemerkt, dass die Versatzgrößen der Versatzschaltungen 1604 und 1607 angepasst werden, um einen Überlappabschnitt 1703 auszubilden, in dem sich das obere Ende des Messbereichs 1701 und ein unteres Ende des Messbereichs 1702 oberhalb eines gewissen Pegels überlappen.
18 veranschaulicht einen Zustand, in welchem das Eingangssignal von dem Sensor zu einer Folgezeit T2 (wobei T2 > T1 ist) auf den in 18 mit einer Referenzziffer 1804 gekennzeichneten Detektionspegel abgesenkt wird. Der Detektionspegel 1804 befindet sich in der oberen Hälfte des Messbereichs 1701 des Pfads, der gerade der AD-Wandlungsverarbeitung unterzogen wird, und es wird vorhergesagt, dass das Detektionssignal 1804 in naher Zukunft ein unteres Ende des Messbereichs 1701 überschreiten wird. Dynamisches Ändern der Versatzgröße in dem Pfad während der AD-Wandlungsverarbeitung sollte vermieden werden, und der Messbereich 1701 liegt fest. Daher wird die Versatzgröße in dem anderen Pfad, in dem die AD-Wandlungsverarbeitung nicht durchgeführt wird, angepasst, um den Messbereich 1702 unter das untere Ende des Messbereichs 1701 abwärts zu verschieben, so dass der Detektionsbereich der Signalverarbeitungsschaltung 1600 abwärts erweitert werden sollte, um sich auf eine Situation vorzubereiten, in der der Detektionspegel 1804 von dem Messbereich 1701 abweicht.
19 veranschaulicht einen Zustand, in dem, zu einem weiteren nachfolgenden Zeitpunkt T3 (wobei T3 > T2 ist), in dem anderen Pfad, in dem die AD-Wandlungsverarbeitung nicht durchgeführt wird, die Versatzgröße angepasst ist, um den Messbereich 1702 unter das untere Ende des Messbereichs 1801 des einen Pfads abwärts zu verschieben, so dass der Detektionsbereich der Signalverarbeitungsschaltung 1600 abwärts erweitert wird, um sich auf eine Situation vorzubereiten, in der der Detektionspegel 1904 von dem Messbereich 1801 abweicht. Es sei angemerkt, dass die Versatzgrößen der Versatzschaltungen 1604 und 1607 angepasst werden, um einen Überlappabschnitt 1903 auszubilden, in dem sich das untere Ende eines Messbereichs 1901 und ein oberes Ende eines Messbereichs 1902 oberhalb eines gewissen Pegels überlappen.
20 veranschaulicht einen Zustand, in dem zu einem weiteren Folgezeitpunkt T4 (wobei T4 > T3 ist) ein Detektionspegel 2004 des Eingangssignals von dem Sensor unter das untere Ende des Messbereichs 1901 fällt. Da der Detektionspegel 2004 innerhalb des Messbereichs 1902 des anderen Pfads fällt, wird das Verarbeiten auf die AD-Wandlungsverarbeitung durch den anderen Pfad (das heißt, den zweiten AD-Wandler 1605) umgeschaltet und das Detektionssignal S' wird nach der AD-Wandlung in die Steuereinheit 1606 in einer nachfolgenden Stufe eingegeben.
Es sei angemerkt, dass die Steuereinheit 1606 die Versatzgröße der Versatzschaltung 1604 zu dem Zeitpunkt T4 festsetzt, da die AD-Wandlungsverarbeitung in dem Messbereich 1902 in dem anderen Pfad durchgeführt wird. Darüber hinaus kann die Steuereinheit 1606 die Versatzgröße der Versatzschaltung 1607 anpassen, um den Messbereich 1901 zu verschieben, da die AD-Wandlungsverarbeitung nicht in dem einen Pfad durchgeführt wird.
21 veranschaulicht noch ein anderes Ausgestaltungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung 2100 gemäß dem zweiten Beispiel.
Ein erster Verstärker 2101 empfängt ein Detektionssignal des Sensors und verstärkt das Detektionssignal rauscharm. Darüber hinaus verstärkt ein zweiter Verstärker 2102 das Detektionssignal nach der rauscharmen Verstärkung mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor und führt ferner angemessen ein Verarbeiten durch, wie etwa, wenn nötig, eine Versatzanpassung. Das Eingangssignal von dem Sensor wird verstärkt, um eine notwendige (oder hohe) Empfindlichkeit zu erreichen, die den Zweck durch Zweistufenverstärkungsverarbeitung unter Verwendung des ersten Verstärkers 2101 und des zweiten Verstärkers 2102 erfüllt.
Ein Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 2102 wird in zwei Pfade verzweigt, die unterschiedliche Versatzgrößen aufweisen. In einem der Pfade wird die Versatzgröße des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers 2102 durch eine Versatzschaltung 2107 angepasst, dann wird das Ausgangssignal von einem ersten AD-Wandler (ADW) 2103 in ein Digitalsignal umgewandelt und in eine Steuereinheit 2106 in einer nachfolgenden Stufe als ein Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S eingegeben.
Darüber hinaus wird in dem anderen Pfad das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 2102 verstärkt und die Versatzgröße wird durch einen Verstärker und eine Versatzschaltung 2104 angepasst, wird dann von einem zweiten AD-Wandler 2105 in ein Digitalsignal umgewandelt und in die Steuereinheit 2106 in einer nachfolgenden Stufe als ein Hochempfindlichkeitsdetektionssignal S' eingegeben.
Die Versatzschaltung 2107 weist eine Schaltungsausgestaltung auf, die dynamische Änderung der Versatzgröße des Eingangssignals ermöglicht. Darüber hinaus weisen der Verstärker und die Versatzschaltung 2104 eine Schaltungsausgestaltung zum Verstärken (oder Dämpfen) des Eingangssignals und Ermöglichen dynamischer Änderung der Versatzgröße auf. In der Signalverarbeitungsschaltung 2100 kann die Steuereinheit 2106 die Versatzgröße der Versatzschaltung 2107 und den Verstärkungsfaktor und die Versatzgröße des Verstärkers und der Versatzschaltung 2104 unabhängig voneinander steuern. Daher wird das Detektionssignal S, das die individuell eingestellte Versatzgröße aufweist, in dem einen Pfad erstellt, und das Detektionssignal S', das eine Auflösung gemäß dem Verstärkungsfaktor und der individuell eingestellten Versatzgröße aufweist, in dem anderen Pfad erstellt. Dann weist jeder Pfad den Messbereich gemäß der Versatzgröße und gemäß dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers auf.
Die Steuereinheit 2106 passt die Versatzgröße von jedem Pfad an, so dass das Eingangssignal von dem Sensor innerhalb des Messbereichs von mindestens einem der Pfade fällt. Darüber hinaus besteht ein Risiko des Weglaufens, wenn sich die Versatzgröße während einer AD-Wandlungsverarbeitung ändert. Daher wird die Versatzgröße in dem Pfad während der AD-Wandlung festgehalten und die Versatzgröße wird auf der Pfadseite, in der keine AD-Wandlungsverarbeitung durchgeführt wird, angepasst.
Die Steuereinheit 2106 sagt beispielsweise während der Periode, in der der erste AD-Wandler 2103 AD-Wandlungsverarbeitung für das Eingangssignal von dem Sensor durchführt, eine Variation des Detektionspegels des Eingangssignals von dem Sensor voraus und passt die Versatzgröße und den Verstärkungsfaktor gemäß einer gewünschten Auflösung des Verstärkers und der Versatzschaltung 2104 an (erhöht den Verstärkungsfaktor zum Messen des Signals mit einer hohen Auflösung, während der Verstärkungsfaktor unterdrückt wird, um den Rauschbeitrag zu verringern), wohingegen die Versatzgröße der Versatzschaltung 2107 festgehalten wird. Darüber hinaus legt die Steuereinheit 2106 während der Periode, in welcher der zweite AD-Wandler 2105 eine AD-Wandlung für das Eingangssignal von dem Sensor durchführt, den Verstärkungsfaktor und die Versatzgröße des Verstärkers und der Versatzschaltung 2104 fest, sagt die Variation des Detektionspegels des Eingangssignals von dem Sensor voraus und passt die Versatzgröße der Versatzschaltung 2107 an.
22 veranschaulicht noch ein anderes Ausgestaltungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung 2200 gemäß dem zweiten Beispiel.
Ein erster Verstärker 2201 empfängt ein Detektionssignal des Sensors und verstärkt das Detektionssignal rauscharm. Darüber hinaus verstärkt ein zweiter Verstärker 2202 das Detektionssignal nach der rauscharmen Verstärkung mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor und führt ferner angemessen ein Verarbeiten durch, wie etwa, wenn nötig, eine Versatzanpassung. Das Eingangssignal von dem Sensor wird verstärkt, um eine notwendige (oder hohe) Empfindlichkeit zu erreichen, die den Zweck durch Zweistufenverstärkungsverarbeitung unter Verwendung des ersten Verstärkers 2201 und des zweiten Verstärkers 2202 erfüllt.
Ein Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 2202 wird in zwei Pfade verzweigt, die unterschiedliche Versatzgrößen aufweisen. In einem der Pfade wird das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 2202 verstärkt, wird die Versatzgröße durch einen Verstärker und eine Versatzschaltung 2207 angepasst und wird dann in eine Steuereinheit 2206 in einer nachfolgenden Stufe als ein empfindlichkeitsangepasstes Detektionssignal S eingegeben. Darüber hinaus wird in dem anderen Pfad das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 2202 verstärkt und die Versatzgröße wird durch einen Verstärker und eine Versatzschaltung 2204 angepasst, wird dann von einem zweiten AD-Wandler 2205 in ein Digitalsignal umgewandelt und in die Steuereinheit 2206 in einer nachfolgenden Stufe als ein empfindlichkeitsangepasstes Detektionssignal S' eingegeben.
Alle der Verstärker und der Versatzschaltungen 2207 und 2204 weisen eine Schaltungsausgestaltung zum Verstärken (oder Dämpfen) des Eingangssignals und Ermöglichen dynamischer Änderung der Versatzgröße auf. In der Signalverarbeitungsschaltung 2200 kann die Steuereinheit 2206 den Verstärkungsfaktor und die Versatzgrößen des Verstärkers und sowohl der Versatzschaltungen 2207 als auch 2204 unabhängig voneinander steuern. Daher wird das Detektionssignal S, das die individuell eingestellte Empfindlichkeit und Versatzgröße aufweist, in dem einen Pfad erstellt, und das Detektionssignal S', das die individuell eingestellte Empfindlichkeit und Versatzgröße aufweist, in dem anderen Pfad erstellt. Dann weist jeder Pfad den Messbereich gemäß der Versatzgröße und gemäß dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers auf.
Die Steuereinheit 2206 passt die Versatzgröße von jedem Pfad an, so dass das Eingangssignal von dem Sensor innerhalb des Messbereichs von mindestens einem der Pfade fällt. Darüber hinaus besteht ein Risiko des Weglaufens, wenn sich die Versatzgröße während einer AD-Wandlungsverarbeitung ändert. Daher werden der Verstärkungsfaktor und die Versatzgröße in dem Pfad während der AD-Wandlung festgehalten und der Verstärkungsfaktor und die Versatzgröße werden auf der Pfadseite, in der keine AD-Wandlungsverarbeitung durchgeführt wird, angepasst.
Die Steuereinheit 2206 sagt beispielsweise während der Periode, in der der erste AD-Wandler 2203 AD-Wandlungsverarbeitung für das Eingangssignal von dem Sensor durchführt, eine Variation des Detektionspegels des Eingangssignals von dem Sensor voraus und passt die Versatzgröße und den Verstärkungsfaktor gemäß einer gewünschten Auflösung des Verstärkers und der Versatzschaltung 2204 an (erhöht den Verstärkungsfaktor zum Messen des Signals mit einer hohen Auflösung, während der Verstärkungsfaktor unterdrückt wird, um den Rauschbeitrag zu verringern), wohingegen der Verstärkungsfaktor und die Versatzgröße des Verstärkers und der Versatzschaltung 2207 festgehalten werden. Darüber hinaus sagt die Steuereinheit 2206 während der Periode, in der der zweite AD-Wandler 2205 AD-Wandlung für das Eingangssignal von dem Sensor durchführt, die Variation des Detektionspegels des Eingangssignals von dem Sensor voraus und passt die Versatzgröße und den Verstärkungsfaktor gemäß der gewünschten Auflösung des Verstärkers und der Versatzschaltung 2207 an, wohingegen der Verstärkungsfaktor und die Versatzgröße des Verstärkers und der Versatzschaltung 2204 festgesetzt werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die in der vorliegenden Patentschrift offenbarte Technologie ist unter Bezugnahme auf die spezifischen Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden. Es ist jedoch offensichtlich, dass Fachleute auf dem Gebiet Modifikationen und Substituierungen an den Ausführungsformen vornehmen können, ohne von dem in der vorliegenden Patentschrift offenbarten Kerninhalt der Technologie abzuweichen.
Das Anwendungsziel der in der vorliegenden Patentschrift offenbarten Technologie ist nicht auf eine bestimmte Dehnungserzeugungskörperstruktur beschränkt und kann beispielsweise auf eine uniaxiale Lastzelle, einen triaxialen Kraftsensor, einen Sechsachsen-Kraftsensor und dergleichen angewandt werden. Darüber hinaus kann der Kraftsensor, auf welchen die in der vorliegenden Patentschrift offenbarte Technologie angewandt wird, mit dem breiten Bereich von Änderungen des Verhältnisses der Translationskraft zu dem Drehmoment fertigwerden, wodurch sich ein Roboterarm ergibt, der in der Lage ist, vielseitiger zu arbeiten, ohne für jede Nutzung ersetzt werden zu müssen.
Kurzgesagt wurde die in der vorliegenden Patentschrift offenbarte Technologie in der Form von Beispielen beschrieben und der Inhalt der Beschreibung der vorliegenden Patentschrift sollte nicht als beschränkend aufgefasst werden. Um den Kerngedanken der in der vorliegenden Patentschrift offenbarten Technologie zu beurteilen, sollte der Schutzumfang der Ansprüche berücksichtigt werden.
Es sei angemerkt, dass die in der vorliegenden Patentschrift offenbarte Technologie die folgenden Ausgestaltungen aufweisen kann.

(1) Eine Kraftdetektionsvorrichtung, die Folgendes aufweist: eine Signalverarbeitungsschaltung, die ausgestaltet ist zum Verzweigen eines Detektionssignals eines an einem Dehnungserzeugungskörper angebrachten Sensors und zum Erzeugen mehrerer Detektionssignale mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten.
(2) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (1), die ferner Folgendes aufweist:
- eine erste Verstärkungseinheit, die ausgestaltet ist zum Verstärken des Detektionssignals des Sensors zum Abgleich an eine erste Empfindlichkeit;
- eine erste AD-Wandlungseinheit, die ausgestaltet ist zum Wandeln eines Signals der ersten Empfindlichkeit, das von der ersten Verstärkungseinheit ausgegeben wird, in ein Digitalsignal;
- eine zweite Verstärkungseinheit, die von dem Ausgang der ersten Verstärkungseinheit abzweigt und ausgestaltet ist zum Dämpfen des Signals der ersten Empfindlichkeit und zum Ausgeben eines Signals einer zweiten Empfindlichkeit, die kleiner ist als die erste Empfindlichkeit; und
- eine zweite AD-Wandlungseinheit, die ausgestaltet ist zum Wandeln des Signals der zweiten Empfindlichkeit, das von der zweiten Verstärkungseinheit ausgegeben wird, in ein Digitalsignal.
(3) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (2), in welcher die erste Verstärkungseinheit einen rauscharmen Verstärker, der das Detektionssignal des Sensors rauscharm verstärkt, und einen Verstärker, der einen von dem rauscharmen Verstärker ausgegebenen Versatz eines Signals mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor verstärkt oder anpasst, aufweist.
(4) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (2) oder (3), in welcher die zweite Verstärkungseinheit das Signal der ersten Empfindlichkeit dämpft, so dass eine Auflösung zu etwa 1/n eines Maximalwerts der verfügbaren Werte des Signals der ersten Empfindlichkeit (wobei n > 1) wird oder eine Bruchstärke, bei der der Dehnungserzeugungskörper und der Sensor nicht brechen, in einen Maximalbereich fällt.
(5) Die Kraftdetektionsvorrichtung nach einem von (2) bis (4), ferner Folgendes aufweisend:
- eine dritte Verstärkungseinheit, die von dem Ausgang der ersten Verstärkungseinheit abzweigt und ausgestaltet ist zum Dämpfen des Signals der ersten Empfindlichkeit mit einem Dämpfungsfaktor, der sich von dem des zweiten Verstärkers unterscheidet, und zum Ausgeben eines Signals einer dritten Empfindlichkeit; und
- eine dritte AD-Wandlungseinheit, die ausgestaltet ist zum Wandeln des Signals der dritten Empfindlichkeit, das von der dritten Verstärkungseinheit ausgegeben wird, in ein Digitalsignal.
(6) Die Kraftdetektionsvorrichtung nach einem von (2) bis (5), ferner Folgendes aufweisend:
- eine Steuereinheit, die ausgestaltet ist zum Verarbeiten eines Signals nach der Digitalwandlung.
(7) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (6), in welcher die Steuereinheit digital mit einer externen Arithmetikvorrichtung kommuniziert.
(8) Die Kraftdetektionsvorrichtung nach einem von (1) bis (7), in welcher der Sensor ein Dehnmessstreifen oder ein Deformationsdetektionssensor piezoelektrischer Art oder magnetischer Art oder optischer Art oder kapazitiver Art ist.
(9) Eine Kraftdetektionsvorrichtung, die Folgendes aufweist:
- einen Dehnungserzeugungskörper;
- mehrere Sensoren, die an dem Dehnungserzeugungskörper angebracht sind; und
- eine Signalverarbeitungsschaltung, die ausgestaltet ist zum Abzweigen mindestens eines Detektionssignals der mehreren Sensoren und zum Erzeugen mehrerer Signale mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten.
(10) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (9), in welcher die Signalverarbeitungseinheit Kommunikation der mehreren Signale nach Digitalwandlung mit einer externen Arithmetikvorrichtung durchführt.
(11) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (9) oder (10), die ferner Folgendes aufweist:
- eine Arithmetikeinheit, die ausgestaltet ist zum Berechnen einer Kraft oder eines Drehmoments, die bzw. das auf den Dehnungserzeugungskörper einwirkt, unter Verwendung der mehreren Signale mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten.
(12) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (11), in welcher die Arithmetikeinheit teilweise ein Signal einer zweiten Empfindlichkeit, die niedriger als eine erste Empfindlichkeit ist, verwendet, wenn irgendeines der mehreren Signale der ersten Empfindlichkeit eine Obergrenze erreicht.
(13) Ein Kraftdetektionsverfahren, das Folgendes aufweist: einen Signalverarbeitungsschritt des Verzweigens eines Detektionssignals eines an einem Dehnungserzeugungskörper angebrachten Sensors und Erzeugens mehrerer Detektionssignale mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten.
(14) Eine Robotervorrichtung, die Folgendes aufweist:
- einen Endeffektor;
- einen Kraftsensor, angebracht an einer proximalen Endseite des Endeffektors; und
- eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist zum Verarbeiten eines Detektionssignals des Kraftsensors, in welcher
- der Kraftsensor einen Dehnungserzeugungskörper und einen Sensor, der Deformation des Dehnungserzeugungskörpers detektiert, aufweist, und
- die Signalverarbeitungseinheit das Detektionssignal des Sensors abzweigt und mehrere Detektionssignale mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten erzeugt.
(15) Die Robotervorrichtung nach (14), in welcher der Endeffektor ein medizinisches Instrument aufweist.
(21) Eine Signalverarbeitungsvorrichtung, die eine Signalverarbeitungseinheit aufweist, die ausgestaltet ist zum Verzweigen eines Detektionssignals eines Sensors in mehrere Pfade und zum Durchführen unterschiedlicher Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden der Pfade, um mehrere Detektionssignale zu erzeugen.
(22) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach (21), in welcher ein erster Pfad zum Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal durch Verstärkung des ersten Detektionssignals des Sensors zum Abgleich mit der ersten Empfindlichkeit erhalten wird, und einen zweiten Pfad zum Abschwächen des Signals der ersten Empfindlichkeit und Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer zweiten Empfindlichkeit, die kleiner als die erste Empfindlichkeit ist, aufgewiesen wird und die mehreren Detektionssignale mit verschiedenen Empfindlichkeiten erzeugt werden.
(23) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach (22), in welcher der Sensor ein an einem Dehnungserzeugungskörper angebrachter Sensor ist, und in dem zweiten Pfad das Signal der ersten Empfindlichkeit gedämpft wird, so dass eine Auflösung zu etwa 1/n eines Maximalwerts der verfügbaren Werte des Signals der ersten Empfindlichkeit (wobei n > 1) wird oder eine Bruchstärke, bei der der Dehnungserzeugungskörper und der Sensor nicht brechen, in einen Maximalbereich fällt.
(24) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach (22), in welcher ferner ein dritter Pfad zum Dämpfen des Signals der ersten Empfindlichkeit und Durchführen einer AD-Wandlung eines Signals einer niedrigeren als die erste Empfindlichkeit und von der zweiten Empfindlichkeit verschiedenen dritten Empfindlichkeit aufgewiesen wird.
(25) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach (21), aufweisend einen ersten Pfad zum Dämpfen eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal der ersten Empfindlichkeit durch Verstärkung des Detektionssignals des Sensors zum Abgleich mit der ersten Empfindlichkeit erhalten wird, und Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer zweiten Empfindlichkeit, die kleiner als die erste Empfindlichkeit ist, und einen zweiten Pfad zum Abschwächen des Signals der ersten Empfindlichkeit und Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer dritten Empfindlichkeit, die kleiner als die erste Empfindlichkeit ist und sich von der zweiten Empfindlichkeit unterscheidet, und die mehreren Detektionssignale mit verschiedenen Empfindlichkeiten erzeugt werden.
(26) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach (21), aufweisend einen Pfad zum Ändern eines Versatzes eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal durch Verstärken des Detektionssignals des Sensors zum Abgleichen auf die erste Empfindlichkeit erhalten wird, und zum Durchführen von AD-Wandlung.
(27) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach (21), aufweisend einen ersten Pfad zum Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal durch Verstärken des Detektionssignals des Sensors zum Abgleichen auf die erste Empfindlichkeit erhalten wird, und einen zweiten Pfad zum Ändern eines Versatzes des Signals der ersten Empfindlichkeit und zum Durchführen von AD-Wandlung.
(28) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach (21), aufweisend einen ersten Pfad zum Ändern eines Versatzes eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal durch Verstärken des Detektionssignals des Sensors zum Abgleichen auf die erste Empfindlichkeit erhalten wird, und zum Durchführen von AD-Wandlung, und einen zweiten Pfad zum Einstellen des Signals der ersten Empfindlichkeit auf einen Versatz, der sich von dem Versatz des ersten Pfads unterscheidet, und zum Durchführen von AD-Wandlung.
(29) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach (28), in welcher das Signal der ersten Empfindlichkeit auf ein Signal einer Empfindlichkeit, die sich von der ersten Empfindlichkeit in dem zweiten Pfad unterscheidet, gedämpft oder verstärkt wird.
(30) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach (28), in welcher das Signal der ersten Empfindlichkeit auf ein Signal einer Empfindlichkeit, die sich von der ersten Empfindlichkeit in jedem des ersten und zweiten Pfads unterscheidet, gedämpft oder verstärkt wird.
(31) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach einem von (22) bis (30), die ferner Folgendes aufweist: eine erste Verstärkungseinheit, die einen rauscharmen Verstärker, der das Detektionssignal des Sensors rauscharm verstärkt, und einen Verstärker, der einen von dem rauscharmen Verstärker ausgegebenen Versatz eines Signals mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor verstärkt oder anpasst, und ausgestaltet ist zum Erzeugen des Signals der ersten Empfindlichkeit aus dem Detektionssignal des Sensors, aufweist.
(32) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach einem von (22) bis (31), die ferner Folgendes aufweist:
- eine Steuereinheit, die ausgestaltet ist zum Verarbeiten eines Signals nach AD-Wandlung in jedem der Pfade.
(33) Die Signalverarbeitungsvorrichtung nach (22), in welcher die Steuereinheit digital mit einer externen Arithmetikvorrichtung kommuniziert.
(34) Ein Signalverarbeitungsverfahren, das Folgendes aufweist: einen Signalverarbeitungsschritt zum Verzweigen eines Detektionssignals eines Sensors in mehrere Pfade und zum Durchführen unterschiedlicher Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden der Pfade, um mehrere Detektionssignale zu erzeugen.
(35) Eine Kraftdetektionsvorrichtung, die Folgendes aufweist: eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist zum Verzweigen eines Detektionssignals eines an einem Dehnungserzeugungskörper angebrachten Sensors in mehrere Pfade und zum Durchführen unterschiedlicher Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden der Pfade, um mehrere Detektionssignale zu erzeugen.
(36) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (35), in welcher der Sensor ein Dehnmessstreifen oder ein Deformationsdetektionssensor piezoelektrischer Art oder magnetischer Art oder optischer Art oder kapazitiver Art ist.
(37) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (35) oder (36), in welcher die Signalverarbeitungseinheit Kommunikation der mehreren Signale nach Digitalwandlung mit einer externen Arithmetikvorrichtung durchführt.
(38) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (35) oder (36), die ferner Folgendes aufweist:
- eine Arithmetikeinheit, die ausgestaltet ist zum Berechnen einer Kraft oder eines Drehmoments, die bzw. das auf den Dehnungserzeugungskörper einwirkt, unter Verwendung der mehreren Signale mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten.
(38-1) Die Kraftdetektionsvorrichtung gemäß (38), in welcher die Arithmetikeinheit teilweise ein Signal einer zweiten Empfindlichkeit, die niedriger als eine erste Empfindlichkeit ist, verwendet, wenn irgendeines der mehreren Signale der ersten Empfindlichkeit eine Obergrenze erreicht.
(39) Eine Robotervorrichtung, die Folgendes aufweist:
- einen Endeffektor;
- einen Kraftsensor, angebracht an einer proximalen Endseite des Endeffektors; und
- eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist zum Verarbeiten eines Detektionssignals des Kraftsensors, in welcher
- der Kraftsensor einen Dehnungserzeugungskörper und einen Sensor, der Deformation des Dehnungserzeugungskörpers detektiert, aufweist, und
- die Signalverarbeitungseinheit das Detektionssignal des Sensors verzweigt und unterschiedliche Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden Pfad, um mehrere Detektionssignale zu erzeugen, durchführt.
(40) Die Robotervorrichtung nach (39), in welcher der Endeffektor ein medizinisches Instrument aufweist.

Bezugszeichenliste

100: Kraftsensor
110: Dehnungserzeugungskörper
111, 112, 113: Stütze
114: Deckplatte
115: Grundplatte
121, 122, 123: Dehnungssensor
200: Zange
201: Kraftsensor
202: Antriebseinheit
300: Signalverarbeitungsschaltung
301: Erster Verstärker
302: Zweiter Verstärker
303: Erster AD-Wandler
304: Dritter Verstärker
305: Zweiter AD-Wandler
306: Steuereinheit
350: Arithmetikvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201670709 [0006]

Claims

Signalverarbeitungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist zum Verzweigen eines Detektionssignals eines Sensors in mehrere Pfade und zum Durchführen unterschiedlicher Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden der Pfade, um mehrere Detektionssignale zu erzeugen.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein erster Pfad zum Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal durch Verstärkung des ersten Detektionssignals des Sensors zum Abgleich mit der ersten Empfindlichkeit erhalten wird, und einen zweiten Pfad zum Abschwächen des Signals der ersten Empfindlichkeit und Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer zweiten Empfindlichkeit, die kleiner als die erste Empfindlichkeit ist, aufgewiesen wird und die mehreren Detektionssignale mit verschiedenen Empfindlichkeiten erzeugt werden.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Sensor ein an einem Dehnungserzeugungskörper angebrachter Sensor ist, und in dem zweiten Pfad das Signal der ersten Empfindlichkeit gedämpft wird, so dass eine Auflösung zu etwa 1/n eines Maximalwerts der verfügbaren Werte des Signals der ersten Empfindlichkeit (wobei n > 1) wird oder eine Bruchstärke, bei der der Dehnungserzeugungskörper und der Sensor nicht brechen, in einen Maximalbereich fällt.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei ferner ein dritter Pfad zum Dämpfen des Signals der ersten Empfindlichkeit und Durchführen einer AD-Wandlung eines Signals einer niedrigeren als die erste Empfindlichkeit und von der zweiten Empfindlichkeit verschiedenen dritten Empfindlichkeit aufgewiesen wird.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend einen ersten Pfad zum Dämpfen eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal der ersten Empfindlichkeit durch Verstärkung des ersten Detektionssignals des Sensors zum Abgleich mit der ersten Empfindlichkeit erhalten wird, und Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer zweiten Empfindlichkeit, die kleiner als die erste Empfindlichkeit ist, und einen zweiten Pfad zum Abschwächen des Signals der ersten Empfindlichkeit und Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer dritten Empfindlichkeit, die kleiner als die erste Empfindlichkeit ist und sich von der zweiten Empfindlichkeit unterscheidet, und die mehreren Detektionssignale mit verschiedenen Empfindlichkeiten erzeugt werden.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend einen Pfad zum Ändern eines Versatzes eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal durch Verstärken des Detektionssignals des Sensors zum Abgleichen auf die erste Empfindlichkeit erhalten wird, und zum Durchführen von AD-Wandlung.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend einen ersten Pfad zum Durchführen von AD-Wandlung eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal durch Verstärken des Detektionssignals des Sensors zum Abgleichen auf die erste Empfindlichkeit erhalten wird, und einen zweiten Pfad zum Ändern eines Versatzes des Signals der ersten Empfindlichkeit und zum Durchführen von AD-Wandlung.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend einen ersten Pfad zum Ändern eines Versatzes eines Signals einer ersten Empfindlichkeit, wobei das Signal durch Verstärken des Detektionssignals des Sensors zum Abgleichen auf die erste Empfindlichkeit erhalten wird, und zum Durchführen von AD-Wandlung, und einen zweiten Pfad zum Einstellen des Signals der ersten Empfindlichkeit auf einen Versatz, der sich von dem Versatz des ersten Pfads unterscheidet, und zum Durchführen von AD-Wandlung.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Signal der ersten Empfindlichkeit auf ein Signal einer Empfindlichkeit, die sich von der ersten Empfindlichkeit in dem zweiten Pfad unterscheidet, gedämpft oder verstärkt wird.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Signal der ersten Empfindlichkeit auf ein Signal einer Empfindlichkeit, die sich von der ersten Empfindlichkeit in jedem des ersten und zweiten Pfads unterscheidet, gedämpft oder verstärkt wird.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, die ferner Folgendes umfasst: eine erste Verstärkungseinheit, die einen rauscharmen Verstärker, der das Detektionssignal des Sensors rauscharm verstärkt, und einen Verstärker, der einen von dem rauscharmen Verstärker ausgegebenen Versatz eines Signals mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor verstärkt oder anpasst, und ausgestaltet ist zum Erzeugen des Signals der ersten Empfindlichkeit aus dem Detektionssignal des Sensors, aufweist.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, die ferner Folgendes umfasst: eine Steuereinheit, die ausgestaltet ist zum Verarbeiten eines Signals nach AD-Wandlung in jedem der Pfade.
Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit digital mit einer externen Arithmetikvorrichtung kommuniziert.
Signalverarbeitungsverfahren, das Folgendes umfasst: einen Signalverarbeitungsschritt zum Verzweigen eines Detektionssignals eines Sensors in mehrere Pfade und zum Durchführen unterschiedlicher Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden der Pfade, um mehrere Detektionssignale zu erzeugen.
Kraftdetektionsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist zum Verzweigen eines Detektionssignals eines an einem Dehnungserzeugungskörper angebrachten Sensors in mehrere Pfade und zum Durchführen unterschiedlicher Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden der Pfade, um mehrere Detektionssignale zu erzeugen.
Kraftdetektionsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Sensor ein Dehnmessstreifen oder ein Deformationsdetektionssensor piezoelektrischer Art oder magnetischer Art oder optischer Art oder kapazitiver Art ist.
Kraftdetektionsvorrichtung nach Anspruch 15, die ferner Folgendes umfasst: eine Arithmetikeinheit, die ausgestaltet ist zum Berechnen einer Kraft oder eines Drehmoments, die bzw. das auf den Dehnungserzeugungskörper einwirkt, unter Verwendung der mehreren Signale mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten.
Kraftdetektionsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Arithmetikeinheit teilweise ein Signal einer zweiten Empfindlichkeit, die niedriger als eine erste Empfindlichkeit ist, verwendet, wenn eines der mehreren Signale der ersten Empfindlichkeit eine Obergrenze erreicht.
Robotervorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Endeffektor; einen Kraftsensor, angebracht an einer proximalen Endseite des Endeffektors; und eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist zum Verarbeiten eines Detektionssignals des Kraftsensors, wobei der Kraftsensor einen Dehnungserzeugungskörper und einen Sensor, der Deformation des Dehnungserzeugungskörpers detektiert, aufweist, und die Signalverarbeitungseinheit das Detektionssignal des Sensors verzweigt und unterschiedliche Vorverarbeitung vor AD-Wandlung für jeden Pfad, um mehrere Detektionssignale zu erzeugen, durchführt.
Robotervorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Endeffektor ein medizinisches Instrument aufweist.