JP6728500B2 - 力/トルクセンサの温度補償 - Google Patents
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Description
温度ドリフトは、ロボットの力/トルクセンサにおける不正確さの主要な原因であることが当技術分野で知られている。本発明者らは、温度誤差の4つの主要な原因を同定した。
一実施形態では、温度センサが、力/トルクセンサの応力がかかっていない部材に張り付けられた、機械的力を測定するために使用される歪ゲージと同じタイプ及びサイズの歪ゲージを含むことができる。本明細書で使用されるように、そのような温度センサは、「無応力歪ゲージ」又は「熱歪ゲージ」と呼ばれる。対照的に、力/トルクセンサの変形可能なビームに張り付けられた歪ゲージ(その出力は、センサに加えられる力及びトルクを測定するために使用される)が本明細書では「測定歪ゲージ」又は単に「歪ゲージ」と呼ばれる。
温度センサは、様々な方法で力/トルクセンサに取り付けることができる。有線の温度センサは、熱転写テープ又はエポキシを使用して、センサ本体に取り付けることができる。表面実装温度センサは、スペーサを使用して、又は凹部内で、センサ本体に実装されてもよい。
監視測定される温度誤差は、3つのカテゴリに分類することができる。第1は、温度に対する歪ゲージバイアスの変化である。これは、歪ゲージTCR及び電子機器オフセットドリフトを説明する。これはまた、温度勾配が存在しない場合のアダプタプレートの不均一な膨張率を説明することができる。第2は、温度に対するゲイン変化である。これは、歪ゲージTCGF、電子機器の励起電圧温度係数、及び電子機器のゲイン温度係数を説明する。最後のカテゴリは、MAPからTAPへの温度勾配である。これは、センサのMAPからセンサのTAPまでの温度勾配からの機械的挙動を説明する。
歪みのない温度センサを使用する温度補償の2つの方法は、バイアス補償及びゲイン補償である。
ここで、この式における機能は、単純な二次的な適合である。無歪ゲージ出力は計装歪ゲージの結合抵抗の分散値を説明するために、室温でのその出力を基準とする。この方法を使用すると、ゲインは動作範囲全体にわたって等温点で一定でなければならないので、ゲインの変化を補償することができる。
温度効果は、MAPからTAPへの勾配と共にバイアス及びゲインの二次的なモデルを組み合わせる行列を使用して、各ゲージ上で補償することができる。分解されたF/Tセンサ出力ではなくゲージを補償することは、アルゴリズムに入力される温度センサの数を減らすことによって補償モデルを単純化する。単純な補償モデルはより少ない温度特性を必要とし、複雑なモデルより安価でより一貫したものとなる。
Gn-compensated = C0 *Gn + C1 *Tn + C2 *Tn 2 + C3 *Gn *Tn + C4 *Gn *Tn 2 + C5 *(Tmap -Ttap)+ C6 *1 (2)
ここで、Gnはゲージnのゲージ読み取り値であり、Tnはゲージの温度であり、TmapはMAPの温度であり、TtapはTAPの温度である。以下の表1は、補償方程式係数を、それらが作用する項にマッピングする。
歪ゲージ出力を測定するためにハーフブリッジ又はフルブリッジ回路トポロジーを使用する主な理由は、シリコン歪ゲージの大きな温度係数の影響を相殺することである。ゲージがセンサ負荷から等しく反対の歪みを受けるように、ゲージをハーフブリッジ又はフルブリッジ回路に配置することによって、負荷からのブリッジ出力電圧変化が最大化され、一方、温度変化からのブリッジ出力電圧変化が最小化される。
平均値ブリッジ温度を与える方程式は、以下の通りである:
Tempavg = C0*V + C1*V2 + C2*V3 + C3*I + C4*I2 + C5*V*I + C6*V*I2 + C7 (3)
もちろん、任意の所与の実装形態では、係数のうちの1つ又は複数はゼロであってもよく、式(3)から対応する項を効果的に排除してもよい。
サンプル数:2000000
最悪の最大温度誤差: 0.089296
平均最大温度誤差: 0.033637
標準最大温度誤差: 0.008338
最悪の最小温度誤差:−0.075849
平均最小温度誤差: −0.027590
標準最小温度誤差: 0.009062
いくつかの実験を、様々なの温度センサ及び様々なの加熱及び負荷条件で行った。
ここで、使用された特定のサーミスタに対して、B=3380、R0=10kΩ、T0=298.15 Kである。
例:
G0comp=[-291436 -3.14 9.89 916527 -2882350 .042 1]*
[1.016102 -1653.07 31.89 -0.002649 6.75E-05 1936.48 15565]T
G0comp=-276867
[Fx Fy Fz Tx Ty Tz]=[G0 G1 G2 G3 G4 G5]*(6x6 FT行列)T
F/Tセンサ較正行列:
図8A〜8Cは、一連の試験のそれぞれについて、Axia 80力/トルクセンサの測定歪ゲージ出力の異なる処理を示す。試験には、無負荷温度スイング、負荷温度スイング、ならびにMAP及びTAPの両方に熱を加えた状態での、負荷及び無負荷両方でのMAPからTAPへの温度勾配が含まれた。
図8Cが示すように、Fz力出力は、すべての試験条件にわたって飛躍的に安定化される。
図10は、ロボットの力/トルクセンサを動作させる温度補償方法100のステップを示す。ロボットの力/トルクセンサは、第1の物体に接続されるように動作するツールアダプタプレート(TAP)と、第2の物体に接続されるように動作するマウントアダプタプレート(MAP)とを有する。力/トルクセンサは、第1の物体と第2の物体との間の力及びトルクの方向及び大きさを測定するように動作する。温度センサは、力/トルクセンサに取り付けられ、少なくともMAP及びTAP温度を測定する。温度センサ取り付けの詳細は、付録Cとして本明細書に添付されている。
上述の第1の実施形態による温度補償は、MAPとTAPとの間の勾配のような安定した温度勾配を補償するのに有効である。しかしながら、過渡的な勾配の間には、大きな量の歪ゲージ出力変化が存在する。過渡的な温度勾配を補償するために、より高度なアルゴリズムが使用され得る。
ここで、uは位置及び時間の関数としての温度であり、tは時間であり、xは位置であり、アルファは材料の熱拡散率である。又は、より簡単には1-D近似では以下のようになる、
センサは既知の定常状態条件で「バイアス」されるので、上述の定常状態挙動によれば、2つの温度センサ間のすべての点が単に2つの測定温度間の線であるので、F/Tセンサ全体にわたった温度分布は、この1つの時点で既知である。このバイアス点は、n個の仮想温度センサを正確な開始温度で初期化するために使用することができる。そこから、定常状態の仮定はセンサを通る熱流が熱方程式によって支配されるので無視することができ、熱方程式は、実行時に式(7)として近似することができる。式(7)を使用すると、F/Tセンサを通る熱の伝播をシミュレートすることができ、それはF/Tセンサに関する仮定が正確になる程度まで、F/Tセンサ全体にわたる実温度分布に整合すべきである。F/Tセンサ全体にわたる温度分布は、そして初期バイアス点に続く任意の時点で正確に予測し、信号補償に対して使用されることができる。この方程式はまた、有効な要素の長さ、又は対流、放射、若しくは内部熱生成に起因する観測された熱損失若しくは追加だけでなく、材料の熱拡散率の変動を説明するのに基づき、センサごとに較正することもできる。
[G0 G1]=G
[Tv0 Tv1 Tv2]=Tv
Tv0がG0の温度であり、実温度センサT2(3つの仮想温度センサとは無関係)がG1の温度である場合、2つのゲージに対する補償式(2)は、以下のようになる:
G0=C0G0+C1Tv0+C2Tv0 2+C3G0Tv0+C4G0Tv0 2+C5(Tmap-Ttap)+C6+C7Tv0+C8Tv1+C9Tv2
G1=C10G1+C11T2+C12T2 2+C13G1T2+C14G1T2 2+C15(Tmap-Ttap)+C16+C17T2+C18T2+C19T2
それぞれのゲージ補正式の最後の3つの項は、式(4)による過渡的効果の減算を表す(なお、G0の式では項C1Tv0及びC7Tv0は重複である)。
Gn-comp=C0Gn+C1Tn+C2Tn 2+C3GnTn+C4GnTn 2+C5(Tmap-Ttap)+C61+Gn-transient (8)
ここで、最後の項Gn-transientは、式(4)から導出される仮想温度センサの補正項の行列である。式(8)を表す別の方法は、すなわち、
Gn-comp=C0Gn+C1Tn+C2Tn 2+C3GnTn+C4GnTn 2+C5(Tmap-Ttap)+C61+C7Tv0+・・・+Cm+7Tvm
ここで、mは、熱方程式モデルによってシミュレートされた仮想温度センサの個数である。
本発明の実施形態は、従来技術で知られているロボットの力/トルクセンサに対して多くの利点を提示する。温度補償を提供することによって、歪ゲージ抵抗及びゲインの変更などの温度変化の有害な影響を軽減することができる。いくつかの実施形態ではこれはロボットの力/トルクセンサの用途には十分に適しているが、重大な温度誘起誤差には適していないシリコン歪ゲージの使用を可能にする。力/トルクセンサによっては、MAP−TAPの温度勾配だけを補償することで良好な結果が得られるので、2つの温度センサしか必要とされないものもある。他の用途では、測定歪ゲージに近接して配置された温度センサが追加の補償項を提供し、分解された力/トルク測定値から熱的効果をより正確に除去する。
Claims (10)
- 第1の物体に接続されるように動作するツールアダプタプレート(TAP)と、第2の物体に接続されるように動作するマウントアダプタプレート(MAP)とを有するロボットの力/トルクセンサに作用する温度補償方法であって、前記力/トルクセンサは、前記第1及び第2の物体の間の力及びトルクの方向及び大きさを測定するように作用し、
前記方法は、
既知の負荷及び温度において、前記MAPと前記TAPとを接続する複数の部材に張り付けられた歪ゲージの初期出力、及び、前記MAP及び前記TAPの温度を測定する温度センサの初期出力、を得ることと、
前記センサが温度変化を受けた後、歪ゲージ出力及び温度センサ出力を得ることと、
初期出力及び前記温度変化後の出力に基づいてゲージ毎の温度補償方程式に対する係数を計算することと、
前記温度補償方程式を用いて各歪ゲージ出力を補償することと、
温度補償された力及びトルク値を分解するために、すべての歪ゲージの前記温度補償出力を組み合わせることと、
を含む方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記ゲージ毎の温度補償方程式は、
前記温度センサによって測定された、前記ロボットの力/トルクセンサの前記MAPと前記TAPとの間の温度勾配を表す項、
歪ゲージの前記温度を表す項、
温度に対する歪ゲージの抵抗の変化及び温度に対する歪ゲージのゲインの変化を表す項、
のうちの1つ以上の項を含む、方法。 - 前記ゲージ毎の温度補償方程式は、
Gn-compensated=C0*Gn+C1*Tn+C2*Tn 2+C3*Gn*Tn+C4*Gn*Tn 2+C5*(Tmap-Ttap)+C6*1
であり、ここで、
Gnは前記ゲージの読み取り値であり、
Tnは前記ゲージの温度であり、
Tmapは前記MAPの温度であり、
Ttapは前記TAPの温度である、
請求項1に記載の方法。 - 請求項1に記載の方法であって、さらに、
歪ゲージと、応力がかかっていないセンサ部材に取り付けられた関連する温度センサとから出力を取得することと、
負荷とは無関係に、温度に対するゲージ出力を追跡するために応力がかかっていない出力を使用することと、を含む方法。 - 温度補償されたロボットの力/トルクセンサであって、
第1の物体に接続されるように作用するツールアダプタプレート(TAP)と、
第2の物体に接続されるように作用するマウントアダプタプレート(MAP)と、
前記TAPと前記MAPとを接続する2つ以上の変形可能なビームと、
各ビームの少なくとも1つの面に張り付けられた少なくとも1つの歪ゲージであって、前記ビームの変形に起因する、ビームの側部の表面上の引張及び圧縮力を電気信号に変換するように作用する歪ゲージと、
前記TAPに張り付けられた第1の温度センサと、
前記MAPに張り付けられる第2の温度センサと、
すべての歪ゲージからの電気信号及びすべての温度センサからの温度出力に応答して、前記第1及び第2の物体の間の力及びトルクの前記温度補償された方向及び大きさを測定するように作用する測定回路と、
を備える力/トルクセンサ。 - 応力を受けていないセンサ部材に取り付けられた歪ゲージ及び温度センサをさらに備える、請求項5に記載のロボットの力/トルクセンサ。
- 請求項5に記載のロボットの力/トルクセンサであって、
前記力/トルクセンサが温度変化を受ける前後の初期歪ゲージ及び温度センサの出力に基づいて、ゲージ毎の前記温度補償方程式に対する係数を算出し、
前記温度補償方程式を使用して各歪ゲージ出力を補償し、
温度補償された力及びトルク値を分解するためにすべての歪ゲージの前記温度補償出力を組み合わせる、ように動作する回路をさらに含む、ロボットの力/トルクセンサ。 - 請求項7に記載のロボットの力/トルクセンサであって、
前記ゲージ毎の温度補償方程式は、
前記温度センサによって測定された、前記ロボットの力/トルクセンサの前記MAPと前記TAPとの間の温度勾配を表す項、
歪ゲージの前記温度を表す項、
温度に対する歪ゲージの抵抗の変化及び温度に対する歪ゲージのゲインの変化を表す項、
のうちの1つ以上の項を含む、ロボットの力/トルクセンサ。 - 前記ゲージ毎の温度補償方程式は、
Gn-compensated=C0*Gn+C1*Tn+C2*Tn 2+C3*Gn*Tn+C4*Gn*Tn 2+C5*(Tmap-Ttap)+C6*1
であり、ここで、
Gnはゲージの読み取り値であり、
Tnはゲージの温度であり、
TmapはMAPの温度であり、
TtapはTAPの温度である、
請求項7に記載のロボットの力/トルクセンサ。 - 複数の歪ゲージが張り付けられた本体を有し、F/Tセンサに取り付けられた第1及び第2の物体の間の力及びトルクの前記方向及び前記大きさを測定するように動作するロボット力/トルク(F/T)センサに作用する温度補償方法であって、
初期に既知の温度で、既知の負荷を加えて、本体に張り付けられた複数の温度センサの初期出力を得ることと、
前記初期の温度センサ出力に応答して、前記F/Tセンサ本体に渡る温度勾配をモデル化することと、
動作中、熱方程式によって前記F/Tセンサ本体を通る熱流をモデル化することと、モデル化された熱流に基づいて前記F/Tセンサ本体上の複数の点の温度を導出することと、
前記F/Tセンサに負荷が加えられるときに歪ゲージ出力を取得することと、
モデル化された熱流に基づいて、前記F/Tセンサ本体上の複数の点の導出された温度を使用して、各歪ゲージ出力を熱的効果について補償することと、
温度補償された力及びトルク値を分解するためにすべての歪ゲージの温度補償された出力を組み合わせることと、を含む方法。
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