JP2014085310A - 磁気式力覚センサ及びロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 環境の温度変化による磁場の変動を、磁気式力覚センサの変形による磁場の変動と独立して検出することができる磁気式力覚センサを提供する。
【解決手段】 支持部材に弾性支持された作用部と、隣り合う磁石の磁極面が互いに逆となるように配された２つ以上の磁石から構成された磁束発生源と、磁極面が互いに逆となる少なくとも２つの前記磁石の磁極面に対向した位置にそれぞれ設けられた第１の磁電変換素子と、前記第１の磁電変換素子の間に配された第２磁電変換素子と、前記第２の磁電変換素子の出力の参照値を記憶する記憶部と、記憶された前記参照値が特定の閾値を超えた場合には前記磁気式力覚センサは使用可能か否かの判断を行う演算部と、を有する磁気式力覚センサである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に作用する力及びこれらの各軸まわりのモーメントにより、磁束発生源と磁電変換素子とが、相対に変位し、その変位によって生じる磁束変化を検出し、各軸方向に作用した力及び各軸まわりのモーメントを検出するための磁気式力覚センサ及びそれを有するロボット装置に関する。

力覚センサは、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３次元座標空間における各軸の並進方向の力Ｆｘ，力Ｆｙ，力Ｆｚを検出し、さらに、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の回転方向のモーメントＭｘ，モーメントＭｙ，モーメントＭｚの最大６軸の力およびモーメントを検出するセンサである。この力覚センサは、例えば産業用ロボットハンドの手首部分に取り付けられて、組付け作業に生じる力とモーメントを検出し、その検出値に応じて組付け作業動作を修正することが可能である。

力覚センサは、歪ゲージ式センサ、静電容量式センサ、磁気式センサがあり、用途に応じてさまざまな方式の力覚センサがある。このうち、磁気式の力覚センサは、構成がシンプルで安価に製造することができるため、各種用途での活用が期待されている。しかしながら、一般の磁気式のセンサは、その検出原理上、多軸干渉という現象（すなわち、水平方向のみに変位する外力を受けたにもかかわらず、磁場の勾配の影響により垂直方向に変位した際に生じる出力変化も現れる現象）があったため、各軸の出力を独立に精度良く検知することが困難であった。

そこで、この他軸干渉という現象を解決するための磁気式力覚センサが、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の磁気式力覚センサは、特定の方位に対して隣り合う磁石の磁極面が互いに逆となるように配された２つ以上の磁石から構成された磁束発生源を備えている。

外力が作用する作用部には、磁極面が互いに逆となるように磁石の磁極面に対して対向した位置にそれぞれ設けられた第１磁電変換素子と、第１磁電変換素子の間に第２磁電変換素子とを設けられている。そして、第１磁電変換素子の出力に基づき垂直方向（Ｚ方向）の力の成分を検出し、第２磁電変換素子の出力に基づき水平方向（Ｘ方向）の力の成分を検出する。

このように垂直方向の力の成分と水平方向の力の成分を独立に検出することで、磁気式の力覚センサの課題であった他軸干渉の現象を解決している。

特開２０１１−１４５２８６号公報

しかしながら、磁気式力覚センサはそもそも、磁石もしくは電磁石の如き磁束発生源から生じた磁場の強弱を検知することで、力及びモーメントを検出している。

したがって、環境温度の変化によって磁束発生源の出力が変化すると、基準となる磁場の大きさが変化してしまう。例えば、磁石は温度上昇に伴い磁力が減少する「減磁」という現象が生じる。一方で、磁気式力覚センサが、強い外力により変形してしまった場合にも、磁束発生源と磁電変換素子との配置が変化し、基準となる磁場の出力が変化する。

したがって、基準となる磁場の変動が、環境の温度変化によるものなのか、磁気式力覚センサの変形（＝故障）によるものなのか、区別できない場合があった。

本発明の目的は、上記課題を解決した磁気式力覚センサを提供することにある。

さらに、本発明の目的は、環境の温度変化による磁場の変動を、磁気式力覚センサの変形による磁場の変動と独立して検出することができる磁気式力覚センサを提供することにある。

さらに、本発明の目的は、上記磁気式力覚センサを有するロボット装置を提供することにある。

本発明は、
作用部と、磁束発生源と、第１の磁電変換素子と第２の磁電変換素子とを有する磁気式力覚センサであり、
前記作用部は、支持部材に支持されており、
前記磁束発生源は、第１の磁石と第２の磁石とを少なくとも有しており、
前記第１の磁電変換素子は、前記第１の磁石の磁極面の中央部と対向して配置されており、
前記第１の磁石の前記磁極面の第１の磁極と、前記第２の磁石の前記磁極面の第２の磁極とは、隣り合っており、
前記第１の磁極と、前記第２の磁極とは逆極性であり、
前記第１の磁電変換素子に対して前記第１の磁石及び前記第２の磁石との境界に近い側に前記第２の磁電変換素子が配置されており、
前記磁気式力覚センサは、検出部と、記憶部と、演算部とを有し、
前記作用部に加わった外力を、前記磁気式力覚センサは、前記第１の磁電変換素子の出力の値に基づき、前記第１の磁石の前記磁極面と前記第２の磁石の前記磁極面を基準とするＺ軸方向の力を前記検出部で検出し、前記第２の磁電変換素子の出力の値に基づき、前記第１の磁石の前記磁極面と前記第２の磁石の前記磁極面を基準とするＸ 軸方向の力とを前記検出部で検出し、
前記磁気式力覚センサが無負荷の状態で且つ前記磁気式力覚センサに外力を受けていない状態で、前記第２の磁電変換素子の出力の値Ｐ１を検出して前記記憶部に記憶し、
記憶した前記値Ｐ１と比較するために、前記磁気式力覚センサが無負荷の状態で且つ前記磁気式力覚センサに外力を受けていない状態で、前記第２の磁電変換素子の出力の値Ｐ２を検出し、
前記演算部で前記第２の磁電変換素子の出力の値Ｐ１と前記第２の磁電変換素子の出力の値Ｐ２とを比較する
ことを特徴とする磁気式力覚センサ
に関する。

本発明の磁気式力覚センサは、上述の構成をとることにより、環境の温度変化による磁場の変動を、磁気式力覚センサの変形による磁場の変動と独立して検出することが可能である。

（ａ）は、磁気式力覚センサの概略的な図である。（ｂ）は、磁気式力覚センサのセンシング部の概略的な斜視図である。（ｃ）は、磁気式力覚センサのセンシング部の概略的な説明図である。 ４個の同形状の磁石３ａ〜３ｄを配置した場合における３次元静磁界モデルで磁場シミュレーションを行った結果を示す図である。 本発明に係る６軸磁気式力覚センサの出力の流れを示したブロック図である。 磁気式力覚センサに負荷が加えられていない状態のとき、環境温度（℃）の変化に応じて変化する、第１磁電変換素子及び第２磁電変換素子の出力を示した図である。 本発明に係る第２磁電変換素子の出力、参照値、を説明する図である。 本発明に係るロボット装置を表す図である。 本発明に係るロボット装置を表す図である。 時間にともなって第２磁電変換素子の出力がさまざまに変化する様子を示した図である。 参照値を再設定する例を説明する図である。

添付図面を用いて、磁気式力覚センサを説明する。以下、力とモーメントとを併せて“力”と称する場合がある。

図１（ａ）は、磁気式力覚センサの概略的な断面図である。センシング部は筒状の筐体１２の内部に収められている。

磁気式力覚センサは、外部からの力が作用する作用部４、作用部の力を変位に変換する弾性体５、第１の磁電変換素子１，第２の磁電変換素子２が実装される基板６、複数の磁石から構成される磁束発生源７を有している。基板６に実装された磁電変換素子１，２は十字形の作用部４に固定され、作用部４は環状の弾性体５を介して柱状体を、間隔をあけて環状部材に配置した支持部材１２に変位可能に支持されている。さらに、基板６に配された磁電変換素子１，２の出力は不図示の配線を介して出力をＡ／Ｄ変換する変換部９に送信される。加えて、磁気式力覚センサは演算部１０および記憶部１１を有している。また、磁束発生源を構成する第１の磁石に対向する位置に第１の磁電変換素子が配置され、磁束発生源を構成する第１の磁石及び前記第２の磁石との境界に近い側に第２の磁電変換素子が配置されている。

作用部４と弾性体５及び支持部材１２は互いに一体に形成されていてもよいし、図１のように各部材ごとに構成されていてもよい。また、支持部材１２は円筒状部材など様々な形状が取りえるが、作用部４を支持できるものであればどのような構成でもよい。
つまり外力に対して磁電変換素子と磁束発生源との相対位置を変化できる構成であればどのような構成を採用してもよい。また、以下ではＳＵＳ等の高剛性の部材で弾性体５や筐体１２を形成した場合について説明する。ＳＵＳを用いた場合は、産業用途のロボット等に搭載されて強い力が加わっても故障することなく力をセンシングできる磁気式力覚センサとなる。

図１（ｂ）は、磁気式力覚センサのセンシング部（検出部）の斜視図である。本発明においては、力のセンシングに関係する第１磁電変換素子１と第２磁電変換素子と磁束発生源７とを併せてセンシング部と称する。センシング部は以下で説明する作用部４と磁束発生源７との相対位置を、検知した磁場を電気信号に変換して検出する機能を果たす。センシング部は、磁石の磁極面に対向して配置された第１磁電変換素子１ａ〜１ｄと、第１磁電変換素子の間に配置された第２磁電変換素子２ａ〜２ｄと、磁束発生源（磁石）３ａ〜３ｄを有する。磁石３ａ〜３ｄは、磁極面に対して法線方向であるＺ軸方向に対してそれぞれＮ極とＳ極とが互いに逆となるように配されている。

磁束発生源７は、隣り合う磁石、すなわち第１の磁石と第２の磁石の磁極面が互いに逆となるように配された２つ以上の磁石から構成されていればよく、磁束発生源７を構成する磁石は４つであることが好ましい。

第１の磁石の磁極面の第１の磁極と、第２の磁石の磁極面の第２の磁極とは、隣り合っており、かつ第１の磁極と、第２の磁極とは逆極性である。

また、センシング部は一つである必要はなく、一つのセンサに複数のセンシング部が設けられていてもよい。

また、本発明の力覚センサにおいて、配置された磁電変換素子の個数は、所望の精度に応じて適宜選択してよい。

磁束発生源７は、Ｎ極とＳ極を一対有する２つ以上の磁石３から構成されている。磁束発生源７は、複数の磁石を連接してなるパターンを形成してもよい。すなわち、隣りあう磁石の境界を境にして、磁石から発生する磁場の向きが逆転するように構成されていれば良い。

また、磁石３および磁束発生源７はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石、フェライト磁石に代表されるような永久磁石であってもよく、磁性体まわりにコイルを巻き、通電することによって磁力を発生させる電磁石であってもよい。磁電変換素子１，２は、ホール素子、ＭＲ素子、磁気インピーダンス素子、フラックスゲート素子、巻き線コイルである。

作用部４にＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向のモーメントＭｚを受けると、磁電変換素子１，２は、水平方向（Ｘ軸−Ｙ軸平面上）に磁束発生源７に対して相対的に変位する。一方で、作用部４にＸ軸方向のモーメントＭｘ、Ｙ軸方向のモーメントＭｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚを受けると、磁電変換素子１，２は、垂直方向（Ｚ軸−Ｘ軸またはＺ軸−Ｙ軸平面上）に相対的に変位することになる。「水平方向」とは、磁気式力覚センサにおける磁束発生源７の磁極面に対して平行な平面上の方向を示している。「Ｘ軸−Ｙ軸平面」も同じ意味で使用する。また、「垂直方向」とは、磁極面に対して垂直なＺ軸方向を示している。磁電変換素子１，２は、この変位によって生じる磁電変換素子を通過する磁束密度の変化を検出して、力及びモーメントに変換する。

図１（ｃ）は、センシング部の平面図であり、発生する磁力線も併せて描いている。図１（ｃ）は、磁石３を４個配置し、隣り合う磁石３はＺ軸方向に対して磁極を逆極性としている。磁電変換素子１，２は、磁石３の磁極面と対向するように配置し、それぞれ磁場のＺ軸方向成分を検出するように配置してある。第１磁電変換素子１は、Ｚ軸方向の変位に対しては流入する磁場のＺ軸方向成分の磁束密度の変化は大きいが、Ｘ軸方向の変位に対しては、流入する磁場のＺ軸方向成分の磁束密度の変化は小さい。一方、第２磁電変換素子２は、Ｘ軸方向の変位に対しては流入する磁場のＺ方向成分の磁束密度の変化は大きいが、Ｚ軸方向の変位に対しては流入する磁場のＺ方向成分の磁束密度の変化は小さいことが分かる。

図２（ａ）、（ｂ）は、上述した４個の同形状の磁石３ａ〜３ｄを配置した場合における３次元静磁界モデルで磁場シミュレーションを行った結果を示している。図２（ａ）、（ｂ）のデータは、空気中にＺ軸方向に５ｍｍの厚み、Ｘ軸方向に５ｍｍの厚み、Ｙ軸方向に５ｍｍの厚みを有する磁石３ａ〜３ｄを４個配置した場合のデータである。また、隣り合う磁石３ａ〜３ｄは磁極が逆極性としている。ここで、磁石３ａ〜３ｄには残留磁束密度が１．４Ｔであり、保磁力が１０００ｋＡ／ｍであるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の特性を設定している。

４つの第１の磁電変換素子１ａ〜１ｄと、４つの第２の磁電変換素子２ａ〜２ｄとは、磁石３ａ〜３ｄと対向するように配置して磁束のＺ方向成分を検出するようにしている。図２（ａ）は、磁石３ａ〜３ｄの磁極面の中心に対向して配置された第１磁電変換素子１ａ周辺（磁極面からＺ軸方向へ０．７ｍｍ離れた位置を基準にしている）における磁束密度Ｚ軸成分の様子と、Ｚ軸方向およびＸ軸方向にそれぞれ変位させた時の磁束密度の変化を示している。Ｚ軸方向の変位に対しては磁束密度の変化は大きいが、Ｘ軸方向の変位に対しては磁束密度の変化は小さい。

また、発生した磁場の対称性から、磁石の磁極面の中心に対向して配置された第１の磁電変換素子１ｂ〜１ｄにおいても同様な特性を示す。

図２（ｂ）は、隣り合う磁石３ａ〜３ｄの境界に対向して配置された第２磁電変換素子２ａ周辺（磁極面からＺ方向へ０．７ｍｍ離れた位置を基準にしている）における磁束密度Ｚ軸成分の様子と、Ｚ軸方向およびＸ軸方向にそれぞれ変位させた時の磁束密度の変化を示している。Ｘ軸方向の変位に対しては磁束密度の変化は大きいが、Ｚ軸方向の変位に対しては磁束密度の変化は小さい。

また、発生した磁場の対称性から、磁石の境界に対向して配置された第２の磁電変換素子２ｂ〜２ｄにおいても同様の特性を示す。

以上、説明したように、磁束発生源７が２×２個の磁石で構成することにより、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸全ての方向の変位に対して他軸干渉の低減効果を得ることが可能となる。次に、２×２個の磁石３ａ〜３ｄで構成された磁束発生源７により６軸の力およびモーメントを検出する原理について、本発明に係る６軸力覚センサの出力の流れを示したブロック図である図３を参照しながら説明する。

［垂直方向成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの検出］
垂直方向成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを算出するためには、磁石の磁極面の中心に対向して配置された第１の磁電変換素子１ａ〜１ｄによって検出された垂直方向成分の磁場を用いる。第１の磁電変換素子１ａの変位によって生じる出力変化を信号増幅部８で増幅し、Ａ／Ｄ変換器等を有する変換器９を用いてＶ１ａとして検出する。同様に、第１の磁電変換素子１ｂ〜１ｄについてもＶ１ｂ〜Ｖ１ｄとする。
Ｆｚ＝Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄ
Ｍｘ＝（Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ）−（Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄ）
Ｍｙ＝（Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ）−（Ｖ１ａ＋Ｖ１ｄ）
Ｆｚ， Ｍｘ， Ｍｙ は、演算部１０で以上のように計算される。Ｆｚは４つの素子の総変化量により算出し、ＭｘはＸ軸方向に対して平行に配置した素子２組のペアの変化量によって算出し、ＭｙはＹ軸方向に対して平行に配置した素子２組のペアの変化量により算出することができる。

［水平方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚの検出］
水平方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚを算出するためには、第１の磁電変換素子の間にそれぞれ配置された第２の磁電変換素子２ａ〜２ｄによって検出された水平方向成分の磁場を用いる。第２の磁電変換素子２ａの変位によって生じる出力変化を信号増幅部８で増幅し、Ａ／Ｄ変換器等からなる変換器９を用いてＶ２ａとして検出する。同様に、第２の磁電変換素子２ｂ〜２ｄについてもＶ２ｂ〜Ｖ２ｄとする。
Ｆｘ＝Ｖ２ｂ−Ｖ２ｄ
Ｆｙ＝Ｖ２ａ−Ｖ２ｃ
Ｍｚ＝Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄ
Ｆｘ， Ｆｙ， Ｍｚ は、演算部１０で以上のように計算される。ＦｘはＸ軸方向に対して垂直に配置した素子のペアの変化量によって算出し、ＦｙはＹ軸方向に対して垂直に配置した素子のペアの変化量によって算出し、Ｍｚは４つの素子の総変化量により算出することができる。

以上説明したように、２×２個の磁石の磁極面に対向してそれぞれ配置された４個の第１の磁電変換素子が垂直方向成分の力を検出し、第１の磁電変換素子の間にそれぞれ配置された４個の第２の磁電変換素子により水平方向成分の力を検出する。これにより、水平方向成分と垂直方向成分の他軸干渉を低減する６軸の磁気式力覚センサを提供することができる。

本発明では、図３に示すように演算部に加えて、記憶部１１を有している。記憶部１１は、磁電変換素子に流入する磁場に対応した出力の値を記憶する。この記憶された値と、その後に測定された磁気式力覚センサの出力の値とを比較し、その値の変化が、環境温度の変化によるものなのか、変形（故障）によるものなのかを検知する方法を以下説明する。

［環境温度の変化と各磁電変換素子の出力について］
図４は、磁気式力覚センサに負荷が加えられていない状態の時、環境温度（℃）の変化に応じて変化する第１の磁電変換素子の出力及び第２の磁電変換素子の出力を示したものである。

第１の磁電変換素子１は、図１（ａ）および図１（ｂ）に記載されているように、Ｎ極とＳ極とが互いに逆となるように配された複数の磁石で構成されている磁束発生源７に対して、磁石の磁極面の中央部に対向した位置に配置してある。一方、第２の磁電変換素子２は、第１の磁電変換素子１の間に配置してある。ここでは、第１の磁電変換素子１及び第２の磁電変換素子２は、共に垂直方向の磁場を検知するように配置されているものとして説明する。初期の温度を２７℃として出力電圧が規格化されているとき、無負荷の状態のときには第１の磁電変換素子１及び第２の磁電変換素子２は共に出力電圧はゼロである。徐々に環境温度が上昇すると、磁場の強さの絶対値が低下し磁石が減磁するため第１の磁電変換素子１の出力電圧は変化する。図４では、説明のため減磁に伴い出力電圧が上昇するような変化をするグラフを記載した。このような、出力電圧は反転増幅回路を用いた際にしばしば生じる。

一方で、第２の磁電変換素子２の出力電圧の変化は、ゼロ付近のまま、ほとんど変化が無い。

以下、図１を参照しつつ具体的な数値を交えて説明する。磁気式力覚センサが無負荷の状態にあるとき、第１の磁電変換素子１の位置における垂直方向の磁束密度は、４５０ｍＴであった。一方、第２の磁電変換素子２の位置における同じく垂直方向の磁束密度は０ｍＴであった。複数の磁石で構成されている磁束発生源７の磁束密度の温度係数を−０．１％／℃とすると、磁束発生源７が配置されている環境温度が例えば２０℃変化しただけで、磁束密度の強さが２％も変化するため、磁気式力覚センサを搭載した装置における装置側の仕様に応じて様々な不都合が起こる場合がある。

磁気式力覚センサを搭載した装置の一例を挙げる。一般に、ロボット装置、特に産業用途に利用されるロボットアームは、余分な振動を極力低減するために高剛性に設計されている。また、力を検出するセンサも同じく高剛性に設計される必要がある。したがって、力を検出するために許容される力覚センサの変形の度合いが非常に小さくなり、結果的に磁電変換素子に流入する磁場の変化も小さい。したがって、温度変化によって２％もの磁束密度の大きさの変動が生じると、故障なのか環境温度の変化による出力の変動なのか区別がつかず力の検出そのものが困難となる怖れがある。

［参照値と、磁気式力覚センサの検査について］
あらかじめ磁気式力覚センサに外力が加わっていない状態で第２の磁電変換素子２の出力を参照値として記憶部１１に記憶しておく。そして、記憶部１１に記憶された参照値（値Ｐ１）と、磁気式力覚センサを無負荷の状態にした上で現在の第２の磁電変換素子２とを、所望のシーンで〔＝磁気式力覚センサの出力が適正かどうかを検査したいタイミング（シーン）で〕比較する処理を行う。第２の磁電変換素子２は、磁気式力覚センサに対して水平方向に力が加わった場合には、その出力が大きく変化をする一方で、環境温度の変化による出力の変化は比較的小さい。したがって、磁気式力覚センサが無負荷の状態にもかかわらず出力（値Ｐ２）が参照値と比べて変化している場合は、温度による出力の変化ではなく、磁束発生源７と第２の磁電変換素子２の距離が変化していることに起因することがわかる。このことから磁気式力覚センサが変形、もしくは故障している可能性を検査することが可能である。

力が加わっていないにも関わらず磁気式力覚センサの出力が変化しているということは、磁気式力覚センサの筺体やセンシング部を構成する部材が屈曲している可能性があり、センサが故障している可能性がある。

図５に第２の磁電変換素子２の出力を利用して磁気式力覚センサの使用可否を判断する方法を示す。前述の記憶部１１に記憶された参照値と、無負荷の状態にある磁気式力覚センサの第２の磁電変換素子２の出力を比較することで磁気式力覚センサの故障を、温度変化と区別して判断することができる。演算部１０にて参照値と無負荷時の第２の磁電変換素子２の出力との差を計算し、その差が所定の閾値より小さければ、その磁気式力覚センサを引き続き使用してもよいことがわかる。一方で、参照値と無負荷時の第２の磁電変換素子２の出力との差が設定した閾値より大きければ、その磁気式力覚センサは故障の怖れがあると判断される。

無負荷の状態にある第２磁電変換素子の出力、参照値、閾値を、大小関係を用いて表せば、
（１）出力−参照値 ＜閾値
この場合は設定された閾値に対して適正な範囲の出力が生じているため、磁気式力覚センサは引き続き使用可能であることが分かる。

（２）出力−参照値 ＞閾値
一方、無負荷状態の磁気式力覚センサの第２の磁電変換素子２の出力が異常に大きい場合はこのような関係となる場合がある。この場合、環境温度の変化ではなく、無負荷状態における磁気式力覚センサの歪（＝故障）が原因である可能性が高いので、使用不可の判断をすることができる。閾値の大きさに関して、その設定は任意だが、高い検出精度が要求される場合は閾値をより小さくするとよい。また、磁気式力覚センサを接触の有無を検知する場合に用いる場合は、検出精度を低くし、閾値をより高く設定するとよい。第２の磁電変換素子２の出力は、磁気式力覚センサにて力を検出する際に必ず用いられるものであり、ユーザーは所望の通知方法で磁気式力覚センサの使用可否を通知する方法をとることができる。ＰＣに連結されたシステムの一部として磁気式力覚センサをモニタリングしながら用いるのであれば、ユーザーが利用しているＰＣのディスプレイに、故障のおそれがある磁気式力覚センサが存在していることを通知するアラートを表示しても良い。また、磁気式力覚センサを単体で用いる場合は、上述した故障の怖れがあると判断された場合に磁気式力覚センサに連結された発光素子が点灯する構成をとってもよい。上述の例では参照値と閾値とをそれぞれ設定して比較する例を説明したが、参照値と閾値の和に相当する設定値を定めておいて、検出された出力に対して直接比較して、磁気式力覚センサの使用可否判断を行ってももちろん良い。

［ロボット装置に搭載した場合の実施例］
以下では磁気式力覚センサをロボット装置に搭載して用いる場合に関して、図面を用いつつ説明する。

図６は、ロボット装置を表す図であり、架台に設置された複数の関節を有するロボットアーム、ロボットアームの自由端に連結された磁気式力覚センサ、ロボットハンドとが直列に連結された構成を示す。図６に示したロボットアームの姿勢の場合は、ロボットアームの自由端を基準にロボットハンドの方向、すなわち、Ｘ軸方向が磁気式力覚センサの垂直方向である。垂直方向と９０°の角度で交差する方向（すなわち図中Ｚ軸方向）が磁気式力覚センサの水平方向となる。つまり、磁気式力覚センサの姿勢に基づいて垂直方向、水平方向が決まる。また、ロボットアームの位置や姿勢を制御するロボット制御部、及び電力を供給する電源を備えている。

このような構成をとることで、磁気式力覚センサの故障を迅速に判断し、不具合をつき止めることができる。特に、産業用途で用いられるロボットアームは、長時間休むことなく稼働するため、磁気式力覚センサに不具合が生じた場合であっても、容易には不具合を検知することができない場合が多い。また、ロボット装置のメンテナンス時にも、環境温度の変化による出力が変化したのか、センサを構成する部材の屈曲などに起因する故障が原因なのか区別して判断することは難しかった。したがって、上述した磁気式力覚センサを搭載したロボット装置を採用することによってこの課題は解消される。

［ロボットアームに搭載した場合の参照値の設定例］
図７を用いて、磁気式力覚センサをロボットアームに搭載した場合に好適な参照値の設定例及びセンサの使用可否の判断方法について以下に説明する。前述したようにロボットアーム、磁気式力覚センサ、ロボットハンドを直列に連結したロボット装置の場合、磁気式力覚センサにかならず他の部材の自重が加わるため無負荷の状態とすることは難しい。

一方で、磁気式力覚センサの構造上、磁気式力覚センサの垂直方向にのみ力が負荷されている場合には、水平方向には実質的には力が加わっていない無負荷の状態だと考えてよい。したがって、図７に示したようにロボットアームを制御して移動させ、ロボットアームの自由端、磁気式力覚センサ、ロボットハンドを結ぶ線が鉛直方向となる姿勢をとるときがそのような状況に相当する。

したがって、磁気式力覚センサの垂直方向をロボットアームの自由端とロボットハンドとを結ぶ線を磁気式力覚センサの垂直方向としたとき、磁気式力覚センサの水平方向の負荷が加わっていないときの出力を参照値とすると良い。ロボットアームに対して磁気式力覚センサをどのような姿勢で取り付けるのかで、磁気式力覚センサの垂直方向は変わるので、ユーザーは所望の取り付け位置に対応した参照値の取得を行うことができる。

［ロボット装置の自重の影響を考慮した実施例］
ロボットアームの姿勢によってさまざまな方向と大きさの力が磁気式力覚センサに加わり、出力に影響する。図８は、時間にともなって第２の磁電変換素子２の出力がさまざまに変化する様子を示したものである。産業用途のロボット装置の場合、プログラムされた動作に伴ってロボット装置は駆動するため、時間の経過にそって磁気式力覚センサの出力が規則的に変動する。そして、同じ姿勢での動作を反復して繰り返すことが多い。

そのため、ユーザーは所望のタイミング（シーン）におけるロボットアームの姿勢によって生じる第１の磁電変換素子１及び第２の磁電変換素子２に生じる出力分をあらかじめ算出して、そのデータをロボット制御部にストックしておくことができる。ロボットの姿勢によって加わる出力に対して、あらかじめ算出され、ストックされたデータを減算いて、もしくは加算して、その影響を取り除く補正を行う演算をロボット制御部で行うことができる。図８（ｂ）には静止状態で使用する場合の磁気式力覚センサの閾値を“旧閾値”として描いてある。ロボットアームに搭載して磁気式力覚センサを用いる場合はこの旧閾値に、例えばストックされたデータ値の最大値を加算して新閾値として用いる。再設定された閾値の利用は前述したものと同じなので、説明を省略する。

図９は、閾値ではなく参照値を再設定する例を説明する図である。本例ではロボットアームが特定の姿勢を取った際の第２の磁電変換素子２の出力自体を新たな参照値として記憶部へ記憶する。すなわち、ある特定の姿勢での出力を利用して”新参照値”を作成する点に特徴がある。産業用途のロボットアームは繰り返し作業が多いため、特定の姿勢を維持して作業を行うことがしばしばある。したがって、その姿勢に対応して参照値を作成して記憶しておけば、その参照値を基準に容易に力覚センサの使用可否を判断することができる。

参照値もしくは閾値を再設定するにあたり、さらに以下の２つの方法のいずれかを用いることができる。ユーザーはロボット装置に求める機能に応じて適宜選択するとよい。

（１）リアルタイムに磁気式力覚センサの使用可否を判断する方法
例えば、先に説明したロボット装置の姿勢（図６）では、ロボットハンドの自重がそのまま磁気式力覚センサの水平方向（Ｘ軸の方位）に加わる。ロボット装置はプログラムに従って動作しているため、ある時刻にどのような姿勢をしていることはロボット制御部による演算結果から判断できるので、リアルタイムに計算して新参照値もしくは新閾値とする。

ただし、リアルタイムで使用可否を判断できるがプログラムされた所定のタイミングのロボット姿勢に基づいた自重計算のため、精度が悪い。

（２）毎回決められた姿勢で磁気式力覚センサの使用可否を判断する方法
使用可否を判断する姿勢をあらかじめ設定しておき、その姿勢をとるタイミングにおける力覚センサの値を新参照値、新閾値とする。決められた姿勢でしか使用可否を判断できないが、精度は高い。

１（１ａ〜１ｄ） 第１磁電変換素子
２（２ａ〜２ｄ） 第２磁電変換素子
３（３ａ〜３ｄ） 磁石
４ 作用部
５ 弾性体
６ 磁電変換素子実装基板
７ 磁束発生源
８ 信号増幅部
９ 変換部
１０ 演算部
１１ 記憶部

Claims (7)

1. 作用部と、磁束発生源と、第１の磁電変換素子と第２の磁電変換素子とを有する磁気式力覚センサであり、
   前記作用部は、支持部材に支持されており、
   前記磁束発生源は、第１の磁石と第２の磁石とを少なくとも有しており、
   前記第１の磁電変換素子は、前記第１の磁石の磁極面の中央部と対向して配置されており、
   前記第１の磁石の前記磁極面の第１の磁極と、前記第２の磁石の前記磁極面の第２の磁極とは、隣り合っており、
   前記第１の磁極と、前記第２の磁極とは逆極性であり、
   前記第１の磁電変換素子に対して前記第１の磁石及び前記第２の磁石との境界に近い側に前記第２の磁電変換素子が配置されており、
   前記磁気式力覚センサは、検出部と、記憶部と、演算部とを有し、
   前記作用部に加わった外力を、前記磁気式力覚センサは、前記第１の磁電変換素子の出力の値に基づき、前記第１の磁石の前記磁極面と前記第２の磁石の前記磁極面を基準とするＺ軸方向の力を前記検出部で検出し、前記第２の磁電変換素子の出力の値に基づき、前記第１の磁石の前記磁極面と前記第２の磁石の前記磁極面を基準とするＸ軸方向の力とを前記検出部で検出し、
   前記磁気式力覚センサが無負荷の状態で且つ前記磁気式力覚センサに外力を受けていない状態で、前記第２の磁電変換素子の出力の値Ｐ１を検出して前記記憶部に記憶し、
   記憶した前記値Ｐ１と比較するために、前記磁気式力覚センサが無負荷の状態で且つ前記磁気式力覚センサに外力を受けていない状態で、前記第２の磁電変換素子の出力の値Ｐ２を検出し、
   前記演算部で前記第２の磁電変換素子の出力の値Ｐ１と前記第２の磁電変換素子の出力の値Ｐ２とを比較する
   ことを特徴とする磁気式力覚センサ。
2. 前記参照値は、前記磁気式力覚センサに対して負荷が加わっていないときの出力であることを特徴とする請求項１記載の磁気式力覚センサ。
3. 請求項１記載の磁気式力覚センサを搭載したロボットアームと、該ロボットアームを制御する制御部とを有するロボット装置。
4. ロボットアームと、請求項１記載の磁気式力覚センサと、ロボットハンドとが直列に連結されており、前記磁気式力覚センサの垂直方向をロボットアームの自由端とロボットハンドとを結ぶ線を前記磁気式力覚センサの垂直方向としたとき、前記磁気式力覚センサの水平方向の負荷が加わっていないときの出力を前記参照値とする請求項３に記載のロボット装置。
5. 前記第２の磁電変換素子は、ロボットアームの姿勢もしくはロボットアームの移動によって生じる前記磁気式力覚センサに加わる力を減算する補正を行って力を算出する請求項３に記載のロボット装置。
6. 前記第２の磁電変換素子は、ロボットアームの姿勢もしくはロボットアームの移動によって生じる前記磁気式力覚センサに加わる力を演算し、演算した前記力に対応する値を前記閾値に加える補正を行う請求項３に記載のロボット装置。
7. 前記ロボットアームの特定の姿勢における第２磁電変換素子の出力を、前記参照値とする請求項３に記載のロボット装置。

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