JP5512406B2 - Failure detection method for detecting external interface - Google Patents

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JP5512406B2
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俊明 辻
良輔 羽生
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国立大学法人埼玉大学
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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 of detecting external interface for detecting an external force acting on the robot and a manipulator or the like, detects a failure of a sensor detecting external interface is obtained by allowing estimate the correct external force.

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。 Human support robot, such as sites and domestic work of medical and welfare, to be applied in many fields is expected. 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。 In an environment in contact with these humans, requires human a as is never reaching dangerous enough safety measures by the movement of the robot. For this purpose, the essential means for sensing accurately human contact to such .

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。 The present inventors have, as shown in FIG. 14, the shell-type cover 21 having a rigid, fixed to the movable member 20 such as a robot or manipulator via the force sensor 22, 23 and 24, the crustaceans type cover 21 It developed an external force detection interface for detecting the size and the point of action of the external force acting in a force sensor 22, 23 and 24, are shown in Patent Document 1.
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。 This interface, for example, crustaceans type cover 21 one 6-axis force sensor (x, y, z force components, and, x, y, the z-direction moment component measurable) if supported by, if the geometry and location of the force sensor of crustaceans type cover 21 is known, using the five measurement data in the six measurement data, the external force acting on the shell-type cover 21 size and the action point it is possible to detect the.

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。 Further, as shown in FIG. 14 (d), when supporting a shell-type cover 21 by three force sensors 22, 23 and 24, the geometry and the force sensor 22, 23 and 24 of the shell-type cover 21 when position information of a known, if the total number of measurable axis by the force sensor 22, 23, 24 5 or more axes, the external force acting on any position of crustacean type cover 21 size and the action point it can be obtained. 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。 For example, a force sensor 22 and the force sensor 23 to measure the function of the two axial directions, if the force sensor 23 is only to have a function of measuring the uniaxial direction, a total of five types of measurement for data is obtained , the size and the point of action of an external force can be detected.
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。 Thus, external force detecting interface with a fixed crustaceans mold cover to the movable body by using the force sensor is capable of detecting the external force with a simple configuration, by covering the whole body of the robot and the manipulator with crustaceans type cover, systemic tactile of the robots and manipulators can be easily realized.

しかし、センサは衝撃などで故障する場合がある。 However, the sensor sometimes malfunction such as an impact.
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。 The following Patent Document 2, such a fault, configuration for detecting a sensor with redundancy is shown. 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。 The device described in the literature, and the base member, an end effector capable movable relative to the base member, and a plurality of adjustable links connecting the end effector to the base member, each adjustable link status a robot comprising a sensor associated with each adjustable link to detect, by connecting one additional sensor between the base member and the end effector, thereby detects the failure of the sensor .

特開2009−162599号公報 JP 2009-162599 JP 特開2007−520361号公報 JP 2007-520361 JP

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。 In the case of an external force detection interface fixed to the movable body crustaceans mold cover (end effector) in the force sensor, the signal from accidentally failed sensor is output, the control system the risk that destabilize & runaway sufficient It has to.
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。 The present invention was invented in consideration of these circumstances, to provide a method for detecting a failure of the force sensor detecting external interface fixed to the movable body end effector force sensor to estimate the external force 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, an end effector having rigidity is restrained to the movable body by the force sensor, the external force acting on the end effector was a failure detection method of the force sensor of the external force detection interface that is calculated from the response value of the force sensor Te number of response channels to restrain the end effector to the movable body in a force sensor with redundancy, the response value vector of the force sensor at the time of detecting external force onto the hyperplane that can take the response value vector of the normal force sensor wherein the theoretical value of the hyperplane when detained, a deviation between the response value vector, based on the magnitude of the deviation, identifying a channel of the force sensor in response to erroneous response value to.

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。 Response value vector of the sensor is inherently may take any value on the vector space in accordance with the external force value, a plurality of sensors is less rigid degree of freedom than the number of channels of the sensor end as the external force detection interface when supporting the effector results in the end effector to restrain the force sensor mechanically, the possible values ​​of the sensor response value vector is limited to a lower dimension. 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。 For example, consider the case for supporting the end effector of m 3-axis force sensor, if the sensor response value is determined in a one-to-one correspondence with respect to six-dimensional force pattern occurring in the end effector, a set of sensor response value vector It will be present on the 6-dimensional hyperplane in 3 × m-dimensional space. センサ応答値ベクトルF dが大きな誤差を含む場合には、センサ応答値ベクトルF d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F dに対応する超平面上の理論値(F dを超平面に拘束したときの超平面上の理論値)とF dとの偏差F fが大きくなる。 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. そのため、この偏差F f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。 Therefore, on the basis of the magnitude of the deviation F f, the channel of the force sensor to respond to erroneous 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T invを求める第1のステップと、この逆変換行列T invを用いて、外力検出時の力覚センサの応答値ベクトルF dを超平面に拘束し、超平面上の理論値F iを求める第2のステップと、応答値ベクトルF dと理論値F iとの偏差F fを求める第3のステップと、各チャンネルjに対して、F f =QF dで表されるQの要素q jと偏差F fとの内積F f・q jを計算する第4のステップと、この内積F f・q j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, in addition to known external force to the end effector is constrained to the movable body by the force sensor, the inverse transform matrix for restraining the response value vector of the force sensor onto the hyperplane T inv a first step of obtaining a using the inverse transform matrix T inv, the response value vector F d of the force sensor at the time an external force detected constrained hyperplane, second to obtain the theoretical value F i on the hyperplane steps and, a third step of obtaining a response value vector F d and deviation F f between the theoretical value F i, for each channel j, F f = Q component q j and deviation represented by QF d of 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F d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。 Sensor response value vector F d is the following equation (1) in principle, it is determined in a one-to-one correspondence with respect to the pattern of the six-dimensional force gamma.
逆変換行列T invは、応答値ベクトルF dを外力Γに変換する変換行列Tの逆変換を行う行列であり、F dを6次元の超平面に拘束する作用を持つ。 Inverse transformation matrix T inv is a matrix for performing inverse transformation of the transformation matrix T that converts the response value vector F d to external forces gamma, have the effect of constraining the F d in six-dimensional hyperplane. ただ、ベクトルF dの次元数は6よりも大きく、外力Γの次元数は6であるから、Tは正則の行列にならないため、T invは一意には定められない。 However, the number of dimensions of the vector F d is greater than 6, because the number of dimensions of the external force Γ is 6, T since not a matrix of regular, T inv is not defined is unique. そのため、エンドエフェクタに既知の外力を付加し、そのときの力覚センサの応答値ベクトルを基に逆変換行列T invを導出する。 Therefore, by adding a known external force to the end effector, to derive the inverse transform matrix T inv based on the response value vector of the force sensor at the time. また、センサの故障でj番目のチャンネルが誤った値を示す際には、偏差F fがq jにほぼ比例した値を取ることになる。 Moreover, when indicating the incorrect values are j-th channel malfunction of the sensor, the deviation F f is to take a value approximately proportional to the q j. 従って、各チャンネルに対して内積F f・q jを計算し、その値が閾値を上回るか否かを判別することで故障箇所のチャンネルが特定できる。 Therefore, to calculate the inner product F f · q j for each channel, it can be identified channel fault point by determining whether the value is above a threshold value.

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F iの要素jの値で代替し、その他の要素は応答値ベクトルF dの要素のままに設定した推定値F cを求める第6のステップと、推定値F cと逆変換行列T invとを用いて理論値F iを求める第7のステップと、推定値F cの要素jの値を第7のステップで求めた理論値F i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。 Further, the failure detection method of the present invention, to estimate the correct response value from the response value vector of the force sensor including a response value of the channel j which determines malfunction, the sensor response value of the channel j of theory F i elements replaced by the value of j, the other elements with a sixth step of obtaining an estimated value F c set to leave the elements of the response value vector F d, and the estimated value F c and inverse transformation matrix T inv theory 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 and it may be.
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F iは、故障によって生じた誤差を含むF dに基づいて算出したものであるため、正確ではない。 Theoretical value F i for determining the replacement value sensor response value in the sixth step, since they are calculated on the basis of the F d including an error caused by a failure, not accurate. そこで、推定値F cを基に理論値F i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F cを新たに得る。 Therefore, again to calculate the theoretical value F i based on an estimate F c, by substituting the response value of the fault location the value as the estimated value to obtain a new more accurate estimate F c. 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。 The sensor response value of the fault location by repeating this process 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。 The present invention, by using a force sensor can detect the fault occurring the end effector force sensor detecting external interface fixed to the movable member, also correct the sensor response value including an error caused by a failure it is possible to estimate the external force.

ロボットアームに装着した外力検出インタフェースを示す図 Shows the external force detection interface mounted to the robot arm 図1の外力検出インタフェースの内部構造を示す図 It shows the internal structure of the external force detection interface of FIG. 1 本発明の故障検出方法を行う制御部の構成を示す図 Diagram showing a configuration of a control unit that performs failure detection method of the present invention 超平面を示す図 It shows the hyperplane 本発明の故障検出方法での較正用データの取得手順を示すフロー図 Flowchart showing the steps acquisition of the calibration data in the fault detection method of the present invention 本発明の故障検出方法での故障チャンネルを特定する手順を示すフロー図 Flow diagram illustrating a procedure for identifying the faulty channel at the failure detection method of the present invention 本発明の外力推定方法の手順を示すフロー図 Flowchart showing the steps of the external force estimation method of the present invention シミュレーション結果を示す図(その1) Show simulation results (Part 1) シミュレーション結果を示す図(その2) Show simulation results (Part 2) シミュレーション結果を示す図(その3) Show simulation results (Part 3) シミュレーション結果を示す図(その4) Show simulation results (Part 4) シミュレーション結果を示す図(その5) Show simulation results (Part 5) シミュレーションに用いたモデルを示す図 Shows a model used in the simulation 従来の外力検出インタフェースを示す図 It illustrates a conventional detecting external interface

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。 Figure 1 shows a state in which an external force detection interface of the present invention mounted to a robot arm. 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。)。 As shown in FIG. 2, the external force detection interface is provided with an end effector 10 having a rigid, three 3-axis force sensors 25, 26 and 27 and which supports the end effector 10 to the robot arm 30 ( the force sensor 27 and is attached to a surface opposite to the surface fitted with a force sensor 26 of the robot arm 30, the drawing is not visible.). 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。 The end effector 10 is a crustacean type cover comprised of an acrylic plate.
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。 When an external force is applied to the end effector 10, as shown in FIG. 3, 9 (3 = 3-axis ×) of the force sensor 25, 26, 27 sensor response value of the channel is sent to the control unit 40. 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。 Failure detection unit 41 of the controller 40 from the sensor response value vector, detects a channel which outputs the wrong sensor response value for failure. 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。 Further, the external force estimation unit 42 of the control unit 40 estimates the correct external force based on the sensor response value vector.
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。 External force to measure the force moment of force and three axes of three axes that occurs to the end effector 10 by three 3-axis force sensors 25, 26 and 27 when applied to the end effector 10. 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。 Since the total number of channels of the force sensor 25, 26, 27 is 9, the force sensor 25, 26 and 27 has a redundant channel.

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F e 、M e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。 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.
ここで、F s iはi 番目の支持点に生じる力を表し、理想的にはF s iがセンサ出力と一致する。 Here, F s i represents the forces occurring i th support points, ideally F s i matches the sensor output. ただし、作用反作用の関係によりセンサ出力値のベクトルはF s iとは逆向きになる。 However, the vector of the sensor output value by the relation of action and reaction become opposite to the F s i. また、P oは外力モーメントの基準座標を表し、P o iはi 番目の支持点の座標を表す。 Also, P o represents the reference coordinates of the external force moment, P o i represents the coordinates of the i-th point of support.
(数2)と(数3)は、次式(数4)により統一的に表記される。 (Equation 2) and (Equation 3) is unified notation by the following equation (Equation 4).
Γ、T、F dは(数5)(数6)(数7)で表される。 Γ, T, F d is expressed by equation (5) (6) (7).
ここで、t p iはベクトル(P s i −P o )との外積を計算するための歪対象行列であり、次の(数8)で表される。 Here, t p i is the distortion target matrix for calculating the outer product of the vector (P s i -P o), is expressed by the following equation (8).
また、mはエンドエフェクタ10を支持する3軸力覚センサの数を表し、この外力検出インタフェースでは3である。 Further, m represents the number of 3-axis force sensors for supporting the end effector 10, in this external force detection interface is 3.
(数4)は、センサ応答値ベクトルF d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。 (Equation 4) is a 3 × m-dimensional vector space sensor response value vector F d constitute to six-dimensional force / moment space as primary mapping Formula.

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。 Original response value vector of the sensor is to be taken every value on the vector space according to the external force value. 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。 However, the external force detecting interface when a plurality of sensors 25, 26 and 27 for supporting the end effector 10 of the lower degree of freedom than the number of channels of the sensor rigid as the end effector 10 is force sensor 25, 26 , it will be bound to 27 mechanically, the possible values ​​of the sensor response value vector is limited to a lower dimension. 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。 If the sensor response value is determined in a one-to-one correspondence with respect to six-dimensional force pattern occurring in the end effector 10, the set of sensor response value vector will be present on the 6-dimensional hyperplane in 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。 Hyperplane is n-1 dimensional figure dividing the n-dimensional space into two parts, the large-handed of one direction is zero.
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。 Figure 4 displays only three-dimensional in the 3 × m-dimensional space for simplification represents the response value to be bound to the 2-dimensional hyperplane of them. 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。 In this case the sensor response value vector onto the hyperplane is not present, since the value does not satisfy the mechanical constraints of the end effector 10 is output, either the force sensor 25, 26 and 27 incorrect values It 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。 Failure detection unit 41 of the control unit 40, focuses on this property, perform certain failure detection and fault location.
まず、センサ応答値ベクトルF d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 in principle defined in a one-to-one correspondence with respect to six-dimensional force pattern by equation (1).
invは、変換行列Tの逆変換を行うための行列であり、F dを6次元の超平面に拘束する作用を持つ。 T inv is a matrix for performing inverse transformation of the transformation matrix T, with the effect of restraining the F d in six-dimensional hyperplane. ベクトルF dの次元数は6よりも大きく、Tは正則の行列にならないため、T invは一意には定められない。 The number of dimensions of the vector F d is greater than 6, T since not a matrix of regular, T inv is not defined is unique. また、T invはエンドエフェクタ10を各力覚センサ25、26、27で固定した際の内力等によってその値が決まる。 Further, T inv is the value determined by such internal forces at the time of fixing the end effector 10 with the force sensor 25, 26 and 27. そのため、T invを導出するためには、エンドエフェクタ10が固定された後に較正用の実験データをとる必要がある。 Therefore, in order to derive the T inv, it is necessary to take the experimental data for the calibration after the end effector 10 is fixed.

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。 In order to secure data for calibration, performed an experiment to add known external force different n types. その時のi 番目の外力ベクトルがΓ i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。 When i-th external force vector at that time is represented by gamma i, the external force data for calibration is expressed by the following equation (9).
すると、次式(数10)(数11)が成立つ。 Then, the following equation (Equation 10) (number 11) is true.
ただし、F d iはi番目の外力を付加したときの力覚センサ25、26、27の出力を表している。 However, F d i represents the output of the force sensor 25, 26 and 27 when added to the i-th external force.
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T invが導出される。 The addition of 6 or more external force, the inverse transformation matrix T inv is derived by the following equation (Equation 12) (Equation 13) based on the data.
擬似逆行列の性質により、(数12)で得られた行列は計測値に対する最小二乗近似解となる。 Due to the nature of the pseudo inverse matrix, a least squares approximate solution for resulting matrix measurement value obtained by equation (12). 従って、外力のパターン数を増やし、較正用のデータを多く取得することによって、T invの計算精度を向上させることができる。 Thus, increasing the number of patterns of external force, by obtaining more data for calibration, it is possible to improve the calculation accuracy of the T inv.
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T invを用いて故障検知を行う。 Performing calibration experiments based on the above theory, the failure detection using an inverse transformation matrix T inv which had been previously derived. 先に述べたようにF d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)F iは次式(数14)により導出される。 F d as described above is in principle to be bound by six-dimensional hyperplane, 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F fが存在する。 However, in practice, due to the different types of errors, as shown in the following equation (equation 15), the deviation F f of the ideal value (theoretical value) exists.
ここで、(数15)に(数14)を代入すると、次式(数16)が得られる。 Here, by substituting equation (14) in (expression 15), the following equation (Equation 16) is obtained.
ただし、Qは次式(数17)で表される。 However, Q is represented by the following equation (Equation 17).
dが大きな誤差を含む場合には6次元の超平面から離れるため、F fが大きくなる。 To leave the six-dimensional hyperplane if F d contains a large error, F f is increased. 特にセンサの故障により、j 番目のチャンネルが誤った値を示す際には、F fがq iにほぼ比例した値を取ることになる。 In particular the failure of the sensor, when indicating the j-th channel is incorrect value will take a value F f is substantially proportional to the q i.
従って、F f・q j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。 Therefore, the F f · q j calculated for each channel, thereby enabling specific determination and fault location of the sensor failure by determining whether the value is above a threshold value.

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。 The procedure failure detection unit 41 detects a failure of the sensor is shown in the flow diagram of FIGS.
図5は、事前準備として、較正用の逆変換行列T invを求める手順を示している。 5, as advance preparation, shows a procedure for determining the inverse transform matrix T inv for calibration.
1番目の既知外力Γ j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F d jを取得する(ステップ3)。 Adding first known external force gamma j to the end effector 10 (Step 1, Step 2), to obtain the sensor output F d j at that time (step 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Γ j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Γ jに対応するセンサ出力F d jを取得する(ステップ3)。 Sufficient known external force gamma j various as calibration data is obtained accuracy in addition to the end effector 10 (Step 4, Step 5, Step 2), the sensor output F d j corresponding to various known external force gamma j to get (step 3). 既知外力Γ j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T invを導出する(ステップ6)。 When the input of the known external force gamma j is completed (Yes in Step 4), to derive the inverse transform matrix T inv 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。 6, when detecting an external force by an external force detection interface shows a procedure for detecting the failure of the respective force sensors 25, 26 and 27.
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F iを算出する(ステップ12)。 It gets the response value of each channel of the respective force sensors 25, 26 and 27 (step 11), calculates the theoretical value F i on the hyperplane by (Expression 14) (step 12). 次に、(数15)により、理論値F iと実際のセンサ応答値F dとの偏差F fを求め(ステップ13)、偏差F fと、(数17)で表されるQの各チャンネルに対応する成分q j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)。 Then, the equation (15), a deviation F f between the theoretical value F i and the actual sensor response value F d (step 13), and the deviation F f, each channel of Q, represented by (Equation 17) the inner product of the corresponding component q j to calculate (step 15), and compares the value with a threshold value (step 16). f・q j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)。 If the value of F f · q j exceeds the threshold value, it is determined that the channel faulty channel (step 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)。 Performs such processing for all the channels (step 18, step 19, step 15 to 17), the detection of all faults channel ends (Yes in step 18), the external force estimation unit 42 of the control unit 40, the correct estimates the external force (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。 Flow diagram of FIG. 7 shows the processing procedure of the external force estimation unit 42.
故障チャンネルjのセンサ応答値を理論値F i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F cを設定する。 Substitute the sensor response values of faulty channel j in theory F i, other elements to set the estimated value F c to the actual sensor response values. チャンネルjの理論値は、(数15)及びF f・q jの値から(数18)によって求める(ステップ21)。 Theoretical value of channel j is determined by the value of the equation 15 and F f · q j (Expression 18) (step 21).
推定値F cは(数19)のようになる。 Estimate F c is as (number 19).
このとき用いる理論値F iは、故障によって生じた誤差を含むF dに基づいて求められているため、必ずしも正確ではない。 Theoretical value F i used at this time is because it is determined on the basis of the F d including an error caused by a failure, not necessarily accurate. そこで、推定値F cを用いて、(数14)により理論値F iを再度計算し(ステップ22)、推定値F cのチャンネルjに対応する要素を、再計算した理論値F iの該当する要素で代替する(ステップ23)。 Therefore, by using the estimated value F c, (number 14) again to calculate the theoretical value F i (step 22), corresponding elements to the channel j of estimated values F c, the corresponding theoretical value F i recalculated substituting in element (step 23).
また、こうした過程を所要回数反復し(ステップ24)、推定値F cの精度を高める。 In addition, the required number of iterations such process (step 24), increase the accuracy of the estimated value F c.

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。 8 to 12 show the results of simulating the process of the fault detection unit 41 and the external force estimation unit 42. 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。 This simulation was performed on a two-dimensional plane for simplicity.
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。 Figure 13 shows the external force detection interface model used in the simulation has a structure that supports a circular end effector 11 by three 2-axis force sensor 28. 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。 Three 2-axis force sensor 28 is intended to measure the x-axis, y-axis direction force, and is fixed to the center of the base 31.
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。 The end effector 11 is respectively slight change in the x-axis, y-axis and the direction of rotation. 回転角度をμとする。 The rotation angle and μ. 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。 On the other hand, the number of channels to be measured is six biaxially × 3, having three degrees of freedom partial redundancy. 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。 The end effector 11 is rigid, 2-axis force sensor 28 for supporting this, regarded respectively rigid spring. 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。 However, the spring has its own rigidity k in the x-axis, y-axis direction, moment around the contact spring and the end effector 11 shall not occur.

外力を、 An external force,
e x =1.0×sin(t) F e x = 1.0 × sin ( t)
で与えたときの結果を図8に示し、 The results when in given shown in FIG. 8,
e y =1.0×cos(1.3t) F e y = 1.0 × cos ( 1.3t)
で与えたときの結果を図9に示し、 The results when in given shown in FIG. 9,
e θ =0.1×sin(0.1t) M e θ = 0.1 × sin ( 0.1t)
で与えたときの結果を図10に示している。 It is shown in Figure 10 the results when in given.
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。 Each figure 8-10, the external force response value obtained from the sensor 28 (response value), superimposed external force estimated value estimated by the external force estimating section 42 (Estimated value) and the actual force value (true value) shows. 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。 However, to simulate the failure, the external force response values, two seconds every 5 seconds, and to output the various erroneous sensor response values.
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。 External force response value when not in occurrence of a failure, although the external force estimated value are both consistent with the actual external force value, the deviation of a fault occurs the actual force value and the external force response value increases. 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。 At that time, the external force estimate, since it is to follow the most error without actual external force value, is that the external force estimated at the time of failure are functioning correctly has been confirmed.
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。 As an exception, it was confirmed that the external force estimate contains an error of about 0.1N to between 20 seconds to 23 seconds. 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。 In this case the fault input given is much no deviation between the actual response value of the sensor, because it was not recognized malfunction, the response value of the sensor is applied as it is to the estimate. 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。 That is, for the failure of small errors that can not be recognized, so that small errors proportional thereto 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。 Further, FIG. 11, as an external force, loaded three times 1kg of the weight at different positions on the end effector, with it, 15-17 seconds, 20-22 seconds, and during 25-27 seconds, to simulate a fault when given a signal to one channel, it shows the external force response value in a status of not external force estimation (a) and moment response value (b).
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。 On the other hand, FIG. 12, in the case of FIG. 11 shows a state of performing the estimation of the external force.
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。 From the results of FIGS. 11 and 12, it can be confirmed that the external force estimation of failure occurrence is functioning properly.

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 is a robot, manipulator, machine tools, wheelchairs, etc. can be performed on widely available external force detecting interface failure detection and external force estimating vehicle, it is possible to 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 10 the end effector 11 The end effector 20 movable member 21 crustaceans type cover 22 force sensor 23 the force sensor 24 the 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 controller 41 failure detection unit 42 external force estimation unit

Claims (3)

  1. 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、前記エンドエフェクタに作用する外力が前記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、 An end effector having rigidity is restrained to the movable body by the force sensor, the external force acting on the end effector to a failure detection method of the force sensor of the external force detection interface that is calculated from the response value of the force sensor,
    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、 The end effector is constrained to said movable member number of responses channels in the force sensor having a redundancy,
    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、 And the theoretical value on the hyperplane when the response value vector is detained response value vector of the force sensor at the time of detecting external force onto the hyperplane of possible normal force sensor, the deviation between the response value vector determined,
    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。 The deviation based on the size of erroneous failure detection method of the force sensor of the external force detecting interfaces and specifying the channel of the force sensor to respond the response value.
  2. 請求項1に記載の故障検出方法であって、 A fault detection method according to claim 1,
    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T invを求める第1のステップと、 Adding known external force to the end effector, a first step of obtaining an inverse transformation matrix T inv for restraining the response value vector of the force sensor to the hyperplane,
    前記逆変換行列T invを用いて、外力検出時の力覚センサの応答値ベクトルF dを前記超平面に拘束し、前記超平面上の理論値F iを求める第2のステップと、 Using the inverse transform matrix T inv, a second step of the response value vector F d of the force sensor at the time an external force detected constrained to the hyperplane, obtains the theoretical value F i on the hyperplane,
    前記応答値ベクトルF dと前記理論値F iとの偏差F fを求める第3のステップと、 A third step of determining the deviation F f between the theoretical value F i and the response value vector F d,
    各チャンネルjに対して、F f =QF dで表されるQの要素q jと偏差F fとの内積F f・q jを計算する第4のステップと、 For each channel j, and a fourth step of calculating the inner product F f · q j with F f = elements of Q represented by QF d q j and deviation F f,
    前記内積F f・q j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、 A fifth step of determining a failure of channel j the inner product F f · q j exceeds the threshold value,
    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。 Fault detection method of the force sensor of the external force detecting interfaces, characterized in that it comprises a.
  3. 請求項2に記載の故障検出方法であって、故障と判定したチャンネルjの応答値を含む前記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、 A fault detection method according to claim 2, to estimate the correct response value from the response value vector of the force sensor including a response value of the channel j which determines malfunction,
    前記チャンネルjのセンサ応答値を前記理論値F iの要素jの値で代替し、その他の要素は応答値ベクトルF dの要素のままに設定した推定値F cを求める第6のステップと、 Substitute sensor response value of the channel j with the value of the element j of the theoretical value F i, other elements and the sixth step of obtaining an estimated value F c set to leave the elements of the response value vector F d,
    前記推定値F cと前記逆変換行列T invとを用いて理論値F iを求める第7のステップと、 A seventh step of obtaining the theoretical value F i using said estimated value F c and the inverse transformation matrix T inv,
    前記推定値F cの要素jの値を前記第7のステップで求めた理論値F iの要素jの値で代替する第8のステップと、 An eighth step of replacing the value of the element j of the estimated value F c by the value of the element j of theory F i obtained in the seventh step,
    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。 Fault detection method of the force sensor of the external force detecting interfaces, characterized in that it comprises a.
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