JP5512406B2 - Fault detection method for external force detection interface - Google Patents
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Description
本発明は、ロボットやマニピュレータ等に作用する外力を検出する外力検出インタフェースの故障検知方法に関し、外力検出インタフェースのセンサの故障を検知し、正しい外力を推定できるようにしたものである。 The present invention relates to a failure detection method for an external force detection interface that detects an external force acting on a robot, a manipulator, etc., and detects a failure of a sensor of the external force detection interface so that a correct external force can be estimated.
人間支援ロボットは、医療・福祉の現場や家庭内作業など、多くの分野で応用が期待されている。こうした人間と接触する環境では、ロボットの動きにより人間に危険が及ぶことがないように十分な安全対策が必要であり、そのためには、人間などへの接触を的確に感知する手段が欠かせない。 Human support robots are expected to be applied in many fields such as medical and welfare sites and home work. In such an environment where humans come into contact, it is necessary to take sufficient safety measures so that the movement of the robot does not endanger humans. To that end, a means to accurately detect contact with humans is indispensable. .
本発明者等は、図14に示すように、剛性を有する甲殻型カバー21を、力覚センサ22、23、24を介してロボットやマニピュレータ等の可動体20に固定し、甲殻型カバー21に作用する外力の大きさ及び作用点を力覚センサ22、23、24で検出する外力検出インタフェースを開発し、下記特許文献1に示している。
このインタフェースでは、例えば、甲殻型カバー21を1個の6軸力覚センサ(x、y、z方向の力成分、及び、x、y、z方向のモーメント成分が測定可能)で支持する場合、甲殻型カバー21の幾何形状や力覚センサの位置情報が既知であれば、6種類の測定データ中の5種類の測定データを用いて、甲殻型カバー21に作用する外力の大きさ及び作用点を検出することができる。
As shown in FIG. 14, the present inventors fixed a rigid shell-type cover 21 to a movable body 20 such as a robot or a manipulator via force sensors 22, 23, 24, and attached to the shell-type cover 21. An external force detection interface that detects the magnitude and point of action of external force by force sensors 22, 23, and 24 has been developed and is shown in Patent Document 1 below.
In this interface, for example, when the crustacean cover 21 is supported by one 6-axis force sensor (force components in x, y, and z directions and moment components in x, y, and z directions can be measured), If the geometric shape of the crustacean cover 21 and the position information of the force sensor are known, the magnitude and point of action of the external force acting on the crustacean cover 21 using five types of measurement data among the six types of measurement data. Can be detected.
また、図14(d)に示すように、甲殻型カバー21を3個の力覚センサ22、23、24で支持する場合は、甲殻型カバー21の幾何形状や力覚センサ22、23、24の位置情報が既知であるとき、力覚センサ22、23、24によって測定可能な軸数の合計が5軸以上であれば、甲殻型カバー21のあらゆる位置に作用する外力の大きさ及び作用点を求めることができる。例えば、力覚センサ22及び力覚センサ23が2軸方向の測定機能を有し、力覚センサ23が1軸方向の測定機能を有していれば、合計5種類の測定データが得られるため、外力の大きさ及び作用点が検出できる。
このように、力覚センサを用いて甲殻型カバーを可動体に固定した外力検出インタフェースは、簡単な構成で外力の検出が可能であり、ロボットやマニピュレータの全身を甲殻型カバーで覆うことにより、ロボットやマニピュレータの全身触覚化が容易に実現できる。
14D, when the crustacean cover 21 is supported by the three force sensors 22, 23, 24, the geometric shape of the crustacean cover 21 and the force sensors 22, 23, 24 are used. If the total number of axes measurable by the force sensors 22, 23, 24 is 5 or more when the position information is known, the magnitude of the external force acting on any position of the crustacean cover 21 and the point of action Can be requested. For example, if the force sensor 22 and the force sensor 23 have a biaxial measuring function and the force sensor 23 has a monoaxial measuring function, a total of five types of measurement data can be obtained. The magnitude and point of action of the external force can be detected.
As described above, the external force detection interface in which the crustacean cover is fixed to the movable body using the force sensor can detect the external force with a simple configuration, and by covering the whole body of the robot or manipulator with the crustacean cover, Robots and manipulators can be easily tactile.
しかし、センサは衝撃などで故障する場合がある。
下記特許文献2には、こうした故障を、センサを冗長化して検出する構成が示されている。同文献に記載された装置は、基台部材と、この基台部材に対して可動可能なエンドエフェクタと、エンドエフェクタを基台部材に連結する複数の調節可能リンクと、各調節可能リンクの状態を検知するために各調節可能リンクに付随したセンサとを備えるロボットであって、基台部材とエンドエフェクタとの間に1個の追加センサを接続し、それによってセンサの故障を検出している。
However, the sensor may fail due to an impact or the like.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 discloses a configuration for detecting such a failure by making a sensor redundant. The apparatus described in the document includes a base member, an end effector movable with respect to the base member, a plurality of adjustable links connecting the end effector to the base member, and a state of each adjustable link. And a sensor associated with each adjustable link for detecting a sensor, wherein one additional sensor is connected between the base member and the end effector, thereby detecting a sensor failure. .
甲殻型カバー(エンドエフェクタ)を力覚センサで可動体に固定した外力検出インタフェースの場合も、故障したセンサから誤った信号が出力されると、制御系が不安定化・暴走する危険性を十分に有している。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、エンドエフェクタを力覚センサで可動体に固定した外力検出インタフェースの力覚センサの故障を検出し、外力を推定する方法を提供することを目的としている。
Even in the case of an external force detection interface in which the crustacean cover (end effector) is fixed to a movable body with a force sensor, if an erroneous signal is output from the failed sensor, the risk of the control system becoming unstable or running away is sufficient. Have.
The present invention was devised in view of such circumstances, and provides a method of detecting an external force by detecting a failure of a force sensor of an external force detection interface in which an end effector is fixed to a movable body by a force sensor. It is an object.
本発明は、剛性を有するエンドエフェクタが力覚センサによって可動体に拘束され、エンドエフェクタに作用する外力が力覚センサの応答値から算出される外力検出インタフェースの力覚センサの故障検出方法であって、応答チャンネルの数が冗長性を有する力覚センサでエンドエフェクタを可動体に拘束し、正常な力覚センサの応答値ベクトルが取り得る超平面に外力検出時の力覚センサの応答値ベクトルを拘束したときの超平面上の理論値と、当該応答値ベクトルとの偏差を求め、この偏差の大きさに基づいて、誤った応答値を応答する力覚センサのチャンネルを特定することを特徴とする。 The present invention is a force sensor failure detection method for an external force detection interface in which a rigid end effector is constrained to a movable body by a force sensor, and an external force acting on the end effector is calculated from a response value of the force sensor. In addition, the force sensor having a redundant number of response channels constrains the end effector to the movable body, and the response value vector of the force sensor when detecting an external force on a hyperplane that can be taken by the response value vector of a normal force sensor. The deviation between the response value vector and the theoretical value on the hyperplane when the force is constrained is obtained, and the channel of the force sensor that responds to the incorrect response value is specified based on the magnitude of this deviation. And
センサの応答値ベクトルは、本来、外力値に応じてそのベクトル空間上のあらゆる値を取り得るが、この外力検出インタフェースのように複数のセンサがセンサのチャンネル数よりも自由度の低い剛体のエンドエフェクタを支持する場合には、エンドエフェクタが力覚センサを機構的に拘束することになり、センサ応答値ベクトルの取り得る値は、より低次元に限定される。例えば、m個の3軸力覚センサでエンドエフェクタを支持する場合を考えると、エンドエフェクタに生じる6次元の外力パターンに対して一対一対応でセンサ応答値が決まる場合、センサ応答値ベクトルの集合は3×m次元空間内の6次元超平面上に存在することになる。センサ応答値ベクトルFdが大きな誤差を含む場合には、センサ応答値ベクトルFdが6次元の超平面から離れるため、センサ応答値ベクトルFdに対応する超平面上の理論値(Fdを超平面に拘束したときの超平面上の理論値)とFdとの偏差Ffが大きくなる。そのため、この偏差Ffの大きさに基づいて、誤った応答値を応答する力覚センサのチャンネルを特定することができる。 The response value vector of the sensor can take any value on the vector space depending on the external force value. However, like this external force detection interface, a plurality of sensors have a rigid body end with a lower degree of freedom than the number of sensor channels. When the effector is supported, the end effector mechanically restrains the force sensor, and the possible value of the sensor response value vector is limited to a lower dimension. For example, when the end effector is supported by m three-axis force sensors, when the sensor response value is determined in a one-to-one correspondence with a six-dimensional external force pattern generated in the end effector, a set of sensor response value vectors Exists on the 6-dimensional hyperplane in the 3 × m-dimensional space. If the sensor response value vector F d contains significant errors, since the sensor response value vector F d leaves the six-dimensional hyperplane, the theoretical value of the hyperplane corresponding to the sensor response value vector F d a (F d deviation F f between the ultrasonic theoretical value in the plane) and F d when the constrained hyperplane is greater. Therefore, based on the magnitude of the deviation F f , the force sensor channel that responds with an incorrect response value can be specified.
また、本発明の故障検出方法は、力覚センサで可動体に拘束されたエンドエフェクタに既知の外力を加えて、力覚センサの応答値ベクトルを超平面に拘束するための逆変換行列Tinvを求める第1のステップと、この逆変換行列Tinvを用いて、外力検出時の力覚センサの応答値ベクトルFdを超平面に拘束し、超平面上の理論値Fiを求める第2のステップと、応答値ベクトルFdと理論値Fiとの偏差Ffを求める第3のステップと、各チャンネルjに対して、Ff=QFdで表されるQの要素qjと偏差Ffとの内積Ff・qjを計算する第4のステップと、この内積Ff・qjが閾値を超えるチャンネルjを故障と判定する第5のステップと、を備えることを特徴とする。 Further, the failure detection method of the present invention applies a known external force to the end effector constrained to the movable body by the force sensor, and the inverse transformation matrix T inv for constraining the response value vector of the force sensor to the hyperplane. And a second step of obtaining a theoretical value F i on the hyperplane by constraining the response value vector F d of the force sensor at the time of detecting an external force to the hyperplane using the first transformation matrix T inv . , A third step for obtaining a deviation F f between the response value vector F d and the theoretical value F i, and an element q j of Q represented by F f = QF d and the deviation for each channel j a fourth step of calculating the inner product F f · q j with F f, characterized in that the inner product F f · q j comprises a fifth step of determining a failure of channel j exceeds the threshold value, the .
センサ応答値ベクトルFdは、原理的には以下の(数1)により、6次元の外力Γのパターンに対して1対1対応で定められる。
また、本発明の故障検出方法では、故障と判定したチャンネルjの応答値を含む力覚センサの応答値ベクトルから正しい応答値を推定するため、チャンネルjのセンサ応答値を理論値Fiの要素jの値で代替し、その他の要素は応答値ベクトルFdの要素のままに設定した推定値Fcを求める第6のステップと、推定値Fcと逆変換行列Tinvとを用いて理論値Fiを求める第7のステップと、推定値Fcの要素jの値を第7のステップで求めた理論値Fiの要素jの値で代替する第8のステップと、を備えるようにしても良い。
第6のステップでセンサ応答値の代替値を求める理論値Fiは、故障によって生じた誤差を含むFdに基づいて算出したものであるため、正確ではない。そこで、推定値Fcを基に理論値Fiを再度計算し、その値を推定値として故障箇所の応答値に代入し、より正確な推定値Fcを新たに得る。また、この過程を反復することで故障箇所のセンサ応答値がさらに正確に導出される。
Further, in the failure detection method of the present invention, the correct response value is estimated from the response value vector of the force sensor including the response value of the channel j determined to be a failure, so that the sensor response value of the channel j is an element of the theoretical value F i . The value is replaced with the value of j and the other elements are theorized by using the sixth step for obtaining the estimated value F c set with the elements of the response value vector F d as it is, the estimated value F c and the inverse transformation matrix T inv. a seventh step of obtaining the value F i, as provided an eighth step of replacing the value of the element j in the estimate F c by the value of the element j in the seventh theoretical F i calculated in step, the May be.
The theoretical value F i for obtaining the alternative value of the sensor response value in the sixth step is not accurate because it is calculated based on F d including an error caused by the failure. Therefore, the theoretical value F i is recalculated based on the estimated value F c, and the calculated value is substituted into the response value of the failure location as the estimated value, so that a more accurate estimated value F c is newly obtained. In addition, by repeating this process, the sensor response value at the failure location is more accurately derived.
本発明により、力覚センサを用いてエンドエフェクタを可動体に固定した外力検出インタフェースの力覚センサに発生する故障を検出することができ、また、故障によって生じた誤差を含むセンサ応答値から正しい外力を推定することができる。 According to the present invention, it is possible to detect a failure occurring in a force sensor of an external force detection interface in which an end effector is fixed to a movable body using a force sensor, and correct from a sensor response value including an error caused by the failure. External force can be estimated.
図1は、本発明の外力検出インタフェースをロボットアームに装着した状態を示している。図2に示すように、この外力検出インタフェースは、剛性を有するエンドエフェクタ10と、エンドエフェクタ10をロボットアーム30に支持する3個の3軸力覚センサ25、26、27とを備えている(力覚センサ27は、ロボットアーム30の力覚センサ26を取り付けた面の反対側の面に取り付けられているため、図面上は見えない。)。エンドエフェクタ10は、アクリル板で構成された甲殻型カバーである。
エンドエフェクタ10に外力が作用すると、図3に示すように、力覚センサ25、26、27の9(=3軸×3個)チャンネルのセンサ応答値が制御部40に送られる。制御部40の故障検知部41は、このセンサ応答値ベクトルから、故障のために誤ったセンサ応答値を出力したチャンネルを検出する。また、制御部40の外力推定部42は、このセンサ応答値ベクトルを基に正しい外力を推定する。
エンドエフェクタ10に外力が作用した場合にエンドエフェクタ10に生じる3軸の外力と3軸の外力モーメントとを3個の3軸力覚センサ25、26、27で計測する。力覚センサ25、26、27の合計チャンネル数は9であるから、力覚センサ25、26、27は、冗長なチャンネルを有している。
FIG. 1 shows a state where an external force detection interface of the present invention is mounted on a robot arm. As shown in FIG. 2, the external force detection interface includes a rigid end effector 10 and three three-axis force sensors 25, 26, and 27 that support the end effector 10 on the robot arm 30 ( The force sensor 27 is attached to the surface opposite to the surface to which the force sensor 26 of the robot arm 30 is attached, and thus cannot be seen in the drawing. The end effector 10 is a crustace type cover made of an acrylic plate.
When an external force is applied to the end effector 10, the sensor response values of 9 (= 3 axes × 3) channels of the force sensors 25, 26, 27 are sent to the control unit 40 as shown in FIG. 3. The failure detection unit 41 of the control unit 40 detects a channel that has output an incorrect sensor response value due to a failure from the sensor response value vector. The external force estimation unit 42 of the control unit 40 estimates a correct external force based on the sensor response value vector.
The three triaxial force sensors 25, 26, and 27 measure the three-axis external force and the three-axis external force moment generated in the end effector 10 when an external force is applied to the end effector 10. Since the total number of channels of the force sensors 25, 26, and 27 is 9, the force sensors 25, 26, and 27 have redundant channels.
外力検出インタフェースのエンドエフェクタ10に発生する外力及びモーメントの総和をそれぞれFe、Meとおくと、エンドエフェクタ10に作用する力及びモーメントの平衡はそれぞれ次の(数2)(数3)で表される。
(数2)と(数3)は、次式(数4)により統一的に表記される。
(数4)は、センサ応答値ベクトルFdが構成する3×m次元のベクトル空間を6次元の力/モーメント空間へと一次写像する式となる。
Summing each F e of the external force and moment generated in the end effector 10 of the external force detecting interface, placing the M e, the equilibrium of forces and moments acting on the end effector 10 in the following respective equation (2) (Equation 3) expressed.
(Equation 2) and (Equation 3) are uniformly expressed by the following equation (Equation 4).
(Equation 4) is an expression for linearly mapping a 3 × m-dimensional vector space formed by the sensor response value vector F d into a 6-dimensional force / moment space.
センサの応答値ベクトルは本来、外力値に応じてそのベクトル空間上のあらゆる値を取りうるものである。しかし、この外力検出インタフェースのように複数のセンサ25、26、27がセンサのチャンネル数よりも自由度の低い剛体のエンドエフェクタ10を支持する場合には、エンドエフェクタ10が力覚センサ25、26、27を機構的に拘束することになり、センサ応答値ベクトルの取り得る値は、より低次元に限定される。エンドエフェクタ10に生じる6次元の外力パターンに対して一対一対応でセンサ応答値が決まる場合、センサ応答値ベクトルの集合は3×m次元空間内の6次元超平面上に存在することになる。 The response value vector of the sensor can take any value on the vector space according to the external force value. However, when the plurality of sensors 25, 26, 27 support the rigid end effector 10 having a lower degree of freedom than the number of channels of the sensor as in the external force detection interface, the end effector 10 is the force sensor 25, 26. , 27 are mechanically constrained, and the possible values of the sensor response value vector are limited to lower dimensions. When sensor response values are determined in a one-to-one correspondence with 6-dimensional external force patterns generated in the end effector 10, a set of sensor response value vectors exists on a 6-dimensional hyperplane in a 3 × m-dimensional space.
超平面は、n次元の空間を二つの部分に分けるn−1次元の図形であり、一方向の大ききさが0である。
図4は、簡易化のため3×m次元空間内の3次元のみを表示し、そのうちの2次元超平面に拘束される応答値を表している。この超平面上にセンサ応答値ベクトルが存在しない場合は、エンドエフェクタ10の機構的拘束条件を満たさない値が出力されていることから、いずれかの力覚センサ25、26、27が誤った値を出力していると判断される。
The hyperplane is an (n−1) -dimensional figure that divides an n-dimensional space into two parts, and the size in one direction is zero.
FIG. 4 shows a response value that is displayed only in the 3 × m dimensional space for the sake of simplification and is constrained by the 2D hyperplane. When there is no sensor response value vector on this hyperplane, a value that does not satisfy the mechanical constraint condition of the end effector 10 is output, so that any one of the force sensors 25, 26, and 27 has an incorrect value. Is determined to be output.
制御部40の故障検知部41は、この特性に着目し、故障検知及び故障箇所の特定を行う。
まず、センサ応答値ベクトルFdは、原理的には(数1)により6次元の外力パターンに対して1対1対応で定められる。
First, the sensor response value vector F d is determined in a one-to-one correspondence with a six-dimensional external force pattern by (Equation 1) in principle.
そこで、較正用のデータを確保するため、n種類の異なる既知の外力を加える実験を行う。その時のi 番目の外力ベクトルがΓiで表されるとすると、較正用の外力データは次式(数9)のように表される。
6種類以上の外力を加えると、そのデータに基づいて次式(数12)(数13)により逆変換行列Tinvが導出される。
以上の理論に基づき較正実験を実施し、予め導出しておいた逆変換行列Tinvを用いて故障検知を行う。先に述べたようにFdは原理上は6次元の超平面に拘束され、その理想的な値(理論値)Fiは次式(数14)により導出される。
When six or more types of external forces are applied, the inverse transformation matrix T inv is derived by the following equations (Equation 12) and (Equation 13) based on the data.
A calibration experiment is performed based on the above theory, and failure detection is performed using an inverse transformation matrix T inv derived in advance. As described above, F d is theoretically constrained to a six-dimensional hyperplane, and its ideal value (theoretical value) F i is derived by the following equation (Equation 14).
しかし,実際には様々な種類の誤差に起因して、次式(数15)に示すように、理想値(理論値)との偏差Ff が存在する。
従って、Ff・qjを各チャンネルに対して計算し、その値が閾値を上回るか否かを判別することでセンサ故障の判別及び故障箇所の特定が可能となる。
However, in actuality, due to various types of errors, there is a deviation F f from the ideal value (theoretical value) as shown in the following equation (Equation 15).
Therefore, by calculating F f · q j for each channel and determining whether or not the value exceeds the threshold value, it is possible to determine the sensor failure and specify the failure location.
故障検知部41がセンサの故障を検知する手順を、図5及び図6のフロー図に示している。
図5は、事前準備として、較正用の逆変換行列Tinvを求める手順を示している。
1番目の既知外力Γjをエンドエフェクタ10に加え(ステップ1、ステップ2)、そのときのセンサ出力Fd jを取得する(ステップ3)。十分な精度の較正用データが得られるように各種の既知外力Γjをエンドエフェクタ10に加え(ステップ4、ステップ5、ステップ2)、各種の既知外力Γjに対応するセンサ出力Fd jを取得する(ステップ3)。既知外力Γjの入力が終了すると(ステップ4でYes)、(数12)(数13)から逆変換行列Tinvを導出する(ステップ6)。
The procedure in which the failure detection unit 41 detects a sensor failure is shown in the flowcharts of FIGS.
FIG. 5 shows a procedure for obtaining the inverse transformation matrix T inv for calibration as advance preparation.
The first known external force Γ j is applied to the end effector 10 (step 1, step 2), and the sensor output F d j at that time is acquired (step 3). Various known external forces Γ j are applied to the end effector 10 so as to obtain calibration data with sufficient accuracy (steps 4, 5 and 2), and sensor outputs F d j corresponding to the various known external forces Γ j are obtained. Obtain (step 3). When the input of the known external force Γ j is completed (Yes in Step 4), an inverse transformation matrix T inv is derived from ( Equation 12) ( Equation 13) (Step 6).
図6は、外力検出インタフェースで外力を検出する際に、各力覚センサ25、26、27の故障を検出する手順を示している。
各力覚センサ25、26、27の各チャンネルの応答値を取得し(ステップ11)、(数14)により超平面上の理論値Fiを算出する(ステップ12)。次に、(数15)により、理論値Fiと実際のセンサ応答値Fdとの偏差Ffを求め(ステップ13)、偏差Ffと、(数17)で表されるQの各チャンネルに対応する成分qjとの内積を計算し(ステップ15)、その値と閾値とを比較する(ステップ16)。Ff・qjの値が閾値を超える場合、そのチャンネルを故障チャンネルと判定する(ステップ17)。
こうした処理を全てのチャンネルに対して行い(ステップ18、ステップ19、ステップ15〜17)、全ての故障チャンネルの検出が終了すると(ステップ18でYes)、制御部40の外力推定部42が、正しい外力の推定を行う(ステップ20)。
FIG. 6 shows a procedure for detecting a failure of each force sensor 25, 26, 27 when detecting an external force with the external force detection interface.
The response values of the respective channels of the force sensors 25, 26 and 27 are acquired (step 11), and the theoretical value F i on the hyperplane is calculated by (Equation 14) (step 12). Next, the deviation F f between the theoretical value F i and the actual sensor response value F d is obtained by (Equation 15) (Step 13), and each channel of Q represented by the deviation F f and (Equation 17) is obtained. the inner product of the corresponding component q j to calculate (step 15), and compares the value with a threshold value (step 16). If the value of F f · q j exceeds the threshold value, the channel is determined to be a failed channel (step 17).
Such processing is performed for all channels (step 18, step 19, and steps 15 to 17), and when detection of all failed channels is completed (Yes in step 18), the external force estimation unit 42 of the control unit 40 is correct. External force is estimated (step 20).
図7のフロー図は、外力推定部42の処理手順を示している。
故障チャンネルjのセンサ応答値を理論値Fiで代替し、その他の要素は実際のセンサ応答値とする推定値Fcを設定する。チャンネルjの理論値は、(数15)及びFf・qjの値から(数18)によって求める(ステップ21)。
また、こうした過程を所要回数反復し(ステップ24)、推定値Fcの精度を高める。
The flowchart of FIG. 7 shows the processing procedure of the external force estimation unit 42.
The sensor response value of the failure channel j is replaced with the theoretical value F i , and the estimated value F c is set as the actual sensor response value for the other elements. The theoretical value of channel j is obtained by (Equation 18) from (Equation 15) and the value of F f · q j (step 21).
Further, such a process is repeated a required number of times (step 24), and the accuracy of the estimated value F c is increased.
図8〜図12は、故障検知部41及び外力推定部42の処理をシミュレーションした結果について示している。このシミュレーションは、簡易化のために2次元平面上で実施した。
図13は、シミュレーションに用いた外力検出インタフェースのモデルを示しており、円形のエンドエフェクタ11を3つの2軸力覚センサ28で支持する構造を有している。3つの2軸力覚センサ28はx軸、y軸方向の力を計測するものであり、中央の土台31に固定されている。
エンドエフェクタ11はx軸、y軸及び回転方向にそれぞれ微小変動する。回転角度をμとする。一方、計測するチャンネルの数は2軸×3で合計6であり、3自由度分の冗長性を有する。エンドエフェクタ11は剛体であり、これを支持する2軸力覚センサ28は、それぞれ剛性の高いばねとみなす。ただし、ばねはx軸、y軸方向にそれぞれ剛性kを持ち、ばねとエンドエフェクタ11の接点周りにモーメントは生じないものとする。
FIGS. 8-12 has shown about the result of having simulated the process of the failure detection part 41 and the external force estimation part 42. FIG. This simulation was performed on a two-dimensional plane for simplification.
FIG. 13 shows a model of an external force detection interface used in the simulation, and has a structure in which a circular end effector 11 is supported by three biaxial force sensors 28. The three biaxial force sensors 28 measure forces in the x-axis and y-axis directions, and are fixed to the center base 31.
The end effector 11 slightly fluctuates in the x axis, the y axis, and the rotation direction. The rotation angle is μ. On the other hand, the number of channels to be measured is 6 in total with 2 axes × 3, and has redundancy for 3 degrees of freedom. The end effector 11 is a rigid body, and the biaxial force sensor 28 that supports the end effector 11 is regarded as a highly rigid spring. However, it is assumed that the spring has rigidity k in the x-axis and y-axis directions, and no moment is generated around the contact point between the spring and the end effector 11.
外力を、
Fe x=1.0×sin(t)
で与えたときの結果を図8に示し、
Fe y=1.0×cos(1.3t)
で与えたときの結果を図9に示し、
Me θ=0.1×sin(0.1t)
で与えたときの結果を図10に示している。
図8〜図10の各図には、センサ28から求められる外力応答値(response value)、外力推定部42で推定した外力推定値(estimated value)及び実際の外力値(true value)を重ねて示している。ただし、故障を模擬するため、外力応答値には、5秒置きに2秒間、様々な誤ったセンサ応答値を出力させている。
故障の発生していないときには外力応答値、 外力推定値がともに実際の外力値と一致しているが、故障が発生すると外力応答値と実際の外力値との偏差が大きくなる。その時、外力推定値は、ほとんど誤差なく実際の外力値を追従していることから,故障発生時の外力推定が正しく機能していることが確認された。
例外として、20秒から23秒の間に外力推定値が0.1N程度の誤差を含んでいることが確認された。このとき与えた故障入力は、センサの実際の応答値とさほど偏差がなく、故障と認識されなかったため、センサの応答値がそのまま推定値に適用された。つまり、認識できないような小さな誤差の故障に対しては、それに比例した小さな誤差が残ることになる。
External force,
F e x = 1.0 × sin (t)
The result when given by is shown in FIG.
F e y = 1.0 × cos (1.3t)
The result when given by is shown in FIG.
M e θ = 0.1 × sin (0.1t)
FIG. 10 shows the result when given by.
8 to 10, the external force response value (response value) obtained from the sensor 28, the estimated external force value (estimated value) estimated by the external force estimation unit 42, and the actual external force value (true value) are superimposed. Show. However, in order to simulate a failure, various erroneous sensor response values are output as external force response values every 5 seconds for 2 seconds.
When no failure occurs, both the external force response value and the estimated external force value match the actual external force value. However, when a failure occurs, the deviation between the external force response value and the actual external force value increases. At that time, the estimated external force tracked the actual external force value with almost no error, so it was confirmed that the external force estimation functioned correctly when a failure occurred.
As an exception, it was confirmed that the estimated external force includes an error of about 0.1 N between 20 seconds and 23 seconds. The failure input given at this time was not significantly different from the actual response value of the sensor and was not recognized as a failure. Therefore, the response value of the sensor was directly applied to the estimated value. In other words, a small error proportional to the error that remains unrecognizable will remain.
また、図11は、外力として、エンドエフェクタ上の異なる位置に1kgの錘を3回載せ、それと共に、15−17秒、20−22秒、及び、25−27秒の間、故障を模擬する信号を一つのチャンネルに与えたときの、外力推定を行わない状態での外力応答値(a)及びモーメント応答値(b)を示している。
一方、図12は、図11の場合において、外力の推定を行った状態を示している。
図11及び図12の結果からも、故障発生時の外力推定が正しく機能していることが確認できる。
Further, FIG. 11 shows that, as an external force, a 1 kg weight is placed three times at different positions on the end effector, and at the same time, a failure is simulated for 15-17 seconds, 20-22 seconds, and 25-27 seconds. The external force response value (a) and the moment response value (b) in a state where the external force estimation is not performed when a signal is given to one channel are shown.
On the other hand, FIG. 12 shows a state in which the external force is estimated in the case of FIG.
Also from the results of FIGS. 11 and 12, it can be confirmed that the external force estimation at the time of the failure is functioning correctly.
本発明は、ロボット、マニピュレータ、工作機械、車椅子、乗物などに広く利用可能な外力検出インタフェースの故障検出や外力推定を行うことができ、この外力検出インタフェースの有用性をさらに高めることができる。 The present invention can perform failure detection and external force estimation of an external force detection interface that can be widely used for robots, manipulators, machine tools, wheelchairs, vehicles, and the like, and can further enhance the usefulness of the external force detection interface.
10 エンドエフェクタ
11 エンドエフェクタ
20 可動体
21 甲殻型カバー
22 力覚センサ
23 力覚センサ
24 力覚センサ
25 3軸力覚センサ
26 3軸力覚センサ
27 3軸力覚センサ
28 2軸力覚センサ
30 ロボットアーム
31 土台
40 制御部
41 故障検知部
42 外力推定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 End effector 11 End effector 20 Movable body 21 Shell-type cover 22 Force sensor 23 Force sensor 24 Force sensor 25 3-axis force sensor 26 3-axis force sensor 27 3-axis force sensor 28 2-axis force sensor 30 Robot arm 31 Base 40 Control unit 41 Failure detection unit 42 External force estimation unit
Claims (3)
応答チャンネルの数が冗長性を有する力覚センサで前記エンドエフェクタを前記可動体に拘束し、
正常な力覚センサの応答値ベクトルが取り得る超平面に外力検出時の力覚センサの応答値ベクトルを拘束したときの前記超平面上の理論値と、当該応答値ベクトルとの偏差を求め、
前記偏差の大きさに基づいて、誤った応答値を応答する力覚センサのチャンネルを特定することを特徴とする外力検出インタフェースの力覚センサの故障検出方法。 A force sensor failure detection method of an external force detection interface in which a rigid end effector is restrained by a movable body by a force sensor, and an external force acting on the end effector is calculated from a response value of the force sensor,
Restrain the end effector to the movable body with a force sensor having a redundant number of response channels,
Obtain a deviation between the theoretical value on the hyperplane when the response value vector of the force sensor at the time of external force detection is constrained to the hyperplane that can be taken by the response value vector of the normal force sensor, and the response value vector,
A force sensor failure detection method for an external force detection interface, wherein a channel of a force sensor that responds to an erroneous response value is specified based on the magnitude of the deviation.
前記エンドエフェクタに既知の外力を加えて、前記力覚センサの応答値ベクトルを前記超平面に拘束するための逆変換行列Tinvを求める第1のステップと、
前記逆変換行列Tinvを用いて、外力検出時の力覚センサの応答値ベクトルFdを前記超平面に拘束し、前記超平面上の理論値Fiを求める第2のステップと、
前記応答値ベクトルFdと前記理論値Fiとの偏差Ffを求める第3のステップと、
各チャンネルjに対して、Ff=QFdで表されるQの要素qjと偏差Ffとの内積Ff・qjを計算する第4のステップと、
前記内積Ff・qjが閾値を超えるチャンネルjを故障と判定する第5のステップと、
を備えることを特徴とする外力検出インタフェースの力覚センサの故障検出方法。 The failure detection method according to claim 1,
Applying a known external force to the end effector to obtain an inverse transformation matrix T inv for constraining a response value vector of the force sensor to the hyperplane;
A second step of obtaining a theoretical value F i on the hyperplane by constraining a response value vector F d of the force sensor at the time of detecting an external force to the hyperplane using the inverse transformation matrix T inv ;
A third step for obtaining a deviation F f between the response value vector F d and the theoretical value F i ;
A fourth step of calculating, for each channel j, an inner product F f · q j of an element q j of Q represented by F f = QF d and a deviation F f ;
A fifth step of determining as failure a channel j in which the inner product F f · q j exceeds a threshold;
A failure detection method for a force sensor of an external force detection interface, comprising:
前記チャンネルjのセンサ応答値を前記理論値Fiの要素jの値で代替し、その他の要素は応答値ベクトルFdの要素のままに設定した推定値Fcを求める第6のステップと、
前記推定値Fcと前記逆変換行列Tinvとを用いて理論値Fiを求める第7のステップと、
前記推定値Fcの要素jの値を前記第7のステップで求めた理論値Fiの要素jの値で代替する第8のステップと、
を備えることを特徴とする外力検出インタフェースの力覚センサの故障検出方法。 The failure detection method according to claim 2, wherein a correct response value is estimated from a response value vector of the force sensor including a response value of channel j determined to be a failure.
A sixth step of obtaining an estimated value F c in which the sensor response value of the channel j is replaced with the value of the element j of the theoretical value F i , and the other elements are left as elements of the response value vector F d ;
A seventh step of obtaining a theoretical value F i using the estimated value F c and the inverse transformation matrix T inv ;
An eighth step of substituting the value of the element j of the estimated value F c with the value of the element j of the theoretical value F i obtained in the seventh step;
A failure detection method for a force sensor of an external force detection interface, comprising:
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