JP7339691B2 - 検出装置及びセンサのキャリブレーション方法 - Google Patents

Description

本発明は、検出装置及びセンサのキャリブレーション方法に係り、更に詳しくは、所定の外力が付加されたときのセンサからの出力値を変換して外力の大きさや当該外力による変位等の物理量を検出する上で、当該物理量を前記出力値に対応させる検出装置及びセンサのキャリブレーション方法に関する。

人間と共存しながら所定の作業をするロボットには、ロボットの周囲の環境中に存在する人や物がロボットに接触した際に、当該接触部分に作用する押圧力やせん断力等の外力を検出する触覚センサが設けられ、当該触覚センサを含む各種センサからの検出値に基づいて、ロボットの動作制御を行っている。この触覚センサとしては、一例として、外力の作用による磁界の変化を利用した磁気式の触覚センサが知られている。この磁気式の触覚センサは、外力が作用する表面の弾性体と、その内部に固定された磁石と、磁石によって発生する磁界の状態を検知する磁気センサとを備えている。

ロボットの動作制御を精度良く行うには、ロボットの表面に多数の触覚センサを規則的に配置し、各触覚センサから検出値を取得する必要があるが、これら各触覚センサは、そのままでは、得られた電気信号から実際に作用した外力の大きさを把握することができない。そのため、使用前の初期状態において、既知の大きさの外力を触覚センサに作用させ、そのときに得られた電気信号に対応する出力値と外力の大きさとの関係を求めるキャリブレーション（較正）作業が必要になる。この作業時においては、例えば、特許文献１に記載されているような試験装置を用い、触覚センサに対し、直交３軸方向の力成分と、当該３軸回りのモーメント成分との６方向に既知の外力を付加することで、キャリブレーションが行われる。

特開２０１１－１１２４１４号公報

前述の磁気式の触覚センサは、同一製品の間で弾性体内部に取り付けられる磁石の位置に若干のばらつきが生じ得る。このため、ロボットに作用した外力の測定精度を上げるには、ロボットに取り付けられる多数の触覚センサそれぞれについてキャリブレーションを行う必要があり、キャリブレーション作業に時間がかかり過ぎるという不都合がある。また、例えば、ロボットの指先等、曲面状の所定部位に触覚センサを配置するような場合には、当該配置による弾性体の僅かな変形等によって、弾性体に外力が作用していない無負荷状態における磁石の位置がずれる可能性がある。従って、外力の測定精度を上げるためには、触覚センサを前記所定部位に配置した状態で、前記所定部位に配置される全ての触覚センサそれぞれについてキャリブレーションを行う必要がある。しかしながら、特許文献１の試験装置を使用する場合には、触覚センサを平面状のステージに載置しなければならず、実際に所定部位に配置された状態の触覚センサを試験装置にセットするのが難しく、キャリブレーション作業に時間がかかる他、触覚センサの配置状態によっては、前記試験装置にセットできないという問題がある。そのため、従前においては、このように姿勢を変えた状態で多数の触覚センサを配置するような場合に、キャリブレーション作業が煩雑になるという不都合が生じる。

本発明は、以上の課題に着目して案出されたものであり、その目的は、触覚センサ等の外力の作用に伴う物理量を検出するセンサが、表面形状の異なる所定部位に多数配置されるような場合であっても、各センサのキャリブレーション作業を迅速且つ正確に行うことができる検出装置及びセンサのキャリブレーション方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、主として、本発明は、所定の外力が付加されたときのセンサからの出力値と前記外力の作用に伴う物理量との関係式により、前記出力値から前記物理量の測定値を検出する検出装置において、前記出力値を前記物理量に対応させるキャリブレーション時に、前記関係式を特定するキャリブレーション手段を備え、前記関係式は、所定のパラメータを含み、外力が作用していない非接触時における前記センサの出力値であるオフセット値に応じて、前記出力値から前記物理量を算出可能な数式からなり、前記キャリブレーション手段は、前記オフセット値から前記パラメータの決定値であるパラメータ値を求めるための関数を導出する関数導出部と、前記関数から前記パラメータ値を決定するパラメータ値決定部とを備え、前記関数導出部では、予め大きさが判明している既知の外力を付加したときに得られた前記出力値と、その前段階で取得した前記オフセット値とから前記関数を生成し、前記パラメータ値決定部では、前記外力を測定する所定部位に前記センサが配置された状態で取得した前記オフセット値から、前記関数によって前記パラメータ値を求める、という構成を採っている。

また、本発明は、所定の外力が付加されたときのセンサからの出力値と、当該外力の作用に伴う物理量とを対応させるセンサのキャリブレーション方法において、所定のパラメータを含み、外力が作用していない非接触時における前記センサの出力値であるオフセット値に応じて、前記出力値から前記物理量を算出可能な数式からなる関係式を求める際に、予め大きさが判明している既知の外力を前記センサに付加し、そのときに得られた前記出力値と、事前に測定した前記オフセット値とから、前記パラメータ値と前記オフセット値との関係を表す関数を導出する第１のステップと、前記物理量の測定前に前記オフセット値を改めて測定し、当該オフセット値から前記関数によって前記パラメータ値を求める第２のステップとが順に行われる、という手法を採っている。

本発明によれば、先ず、センサに既知の外力を付加することで、無負荷状態におけるセンサの出力値であるオフセット値を使って、センサからの出力値と外力の作用に伴う物理量との関係を示す関係式を構成するパラメータ値とオフセット値との関数が求められる。その後、曲面を有する所定部位にセンサを配置した状態で、オフセット値を改めて測定することで、前記パラメータ値が決定されて前記関係式が特定される。そして、特定された関係式により、センサからの出力値から前記物理量が検出される。従って、既知の外力を付加する事前作業は、前記関数を決定できる程度の数で済み、所定部位に配置される多数の力センサ全てについて行う必要が無い。また、所定部位にセンサを配置した後で、それら全てのセンサそれぞれのオフセット値を測定するだけで、前記関数から各センサにおけるパラメータ値がそれぞれ求められ、各センサにおける前記関係式が自動的に特定される。以上により、表面形状の異なる所定部位にセンサが多数配置されるような場合であっても、各センサのキャリブレーション作業を迅速且つ正確に行うことが可能となる。

本発明に係る検出装置を含む力測定システムの概略構成を表すブロック図である。 力センサを表面に配置したロボットハンドの模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明に係る検出装置を含む力測定システムの概略構成を表すブロック図が示されている。この図において、前記力測定システム１０は、作用した外力の大きさに応じた電気信号を出力する力センサ１１（センサ）と、力センサ１１からの出力値を外力の大きさに変換処理することで、外力の測定値を検出する検出装置１２とにより構成される。

本実施形態における力センサ１１としては、特に限定されるものではないが、外力の作用による磁界の変化を利用した磁気式の触覚センサが用いられ、図２に例示するように、同一仕様の触覚センサが、ロボットハンドＨの手の平側の表面に規則的に多数配置される。

この力センサ１１は、図示省略するが、内部に磁石が設けられた柔軟な弾性体に外力が付与されると、弾性体の変形に伴って磁石が変位することによる磁界の変化を磁気検出素子で検出し、当該磁界の大きさに対応する電気信号を出力値とする公知の構造となっている。この力センサ１１では、作用した外力の大きさに応じて、センサ基準の所定の直交３軸方向における磁気検出素子の出力値を取得可能となっている。なお、本発明においては、磁気検出素子による出力方向を直交３軸方向に限定するものではなく、１軸方向以上の出力値に対して後述の手法を適用可能である。

前記検出装置１２は、所定の処理回路及びコンピュータからなり、力センサ１１に作用した外力の大きさと力センサ１１からの出力値を対応させるキャリブレーション（較正）時に、それらの関係式を求めるキャリブレーション手段１４と、力センサ１１の実際の使用時に、前記関係式を使って、力センサ１１からの出力値から、当該力センサ１１に作用した外力の大きさを求める力算出手段１５とを備えている。

ここで、前記関係式としては、所定のパラメータを含み、外力が作用していない無負荷状態となる力センサ１１の非接触時におけるその出力値であるオフセット値に応じて、力センサ１１の出力値から外力の大きさを算出可能な次の数式を例示できる。

上式において、Ｆｘ（ｔ），Ｆｙ（ｔ），Ｆｚ（ｔ）は、時刻ｔにおいて、所定の直交３軸（ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸）方向にそれぞれ付加された外力を表す。また、Ｓ１（ｔ），Ｓ２（ｔ），Ｓ３（ｔ）は、時刻ｔにおける力センサ１１における直交３軸方向の磁気検出素子からの出力値を表す。更に、ａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｃ１，ｃ２，ｃ３（以下、単に、「ａ＊，ｂ＊,ｃ＊」と称する）は、当該関係式のパラメータの決定値であるパラメータ値を表す。また、ｄ１，ｄ２，ｄ３は、前記直交３軸方向における磁気検出素子のオフセット値を表す。

前記キャリブレーション手段１４は、前記オフセット値から前記パラメータ値を求めるための関数を導出する関数導出部１７と、当該関数から前記パラメータ値を決定するパラメータ値決定部１８とを備えている。

なお、数式（１）は力センサ１１に作用した力と力センサ１１の出力値の関係が線形の場合に適用でき、その関係が非線形である場合には、同式に代わって例えば多項式用いるなどして非線形回帰問題として扱うことができる。

前記関数導出部１７では、次のようにして、前記関数が導出される。

先ず、配置される所定部位での姿勢（配置姿勢）に相当する姿勢で力センサ１１を設置した上で、力センサ１１に対して外力を付加しない無負荷状態とし、その際の出力値が一定時間毎に複数取得され、それらの平均値がオフセット値とされる。このオフセット値は、前記直交３軸方向それぞれについて求められる。

次に、前記姿勢の力センサ１１について、前記直交３軸方向にそれぞれ既知となる大きさの外力Ｆｘ（ｔ_０），Ｆｘ（ｔ_０），Ｆｘ（ｔ_０）が付加され、その時刻ｔ_０における力センサ１１の測定値である前記３軸方向の磁気検出素子からの出力値Ｓ１（ｔ_０），Ｓ２（ｔ_０），Ｓ３（ｔ_０）が得られる。

そして、求めたオフセット値ｄ１，ｄ２，ｄ３と、既知となる大きさの外力Ｆｘ（ｔ_０），Ｆｙ（ｔ_０），Ｆｚ（ｔ_０）と、その際の出力値Ｓ１（ｔ_０），Ｓ２（ｔ_０），Ｓ３（ｔ_０）とから、上式（１）により、パラメータ値ａ＊，ｂ＊,ｃ＊を変数とする方程式が特定される。更に、同様の仕様を有する同種の他の力センサ１１についても、それぞれ同様の手順で前記方程式が特定される。これら複数の力センサ１１で得られた前記方程式から、機械学習、近似曲線導出法、有限要素法等を使って、次式（３）に示されるように、パラメータ値ａ＊，ｂ＊,ｃ＊とオフセット値ｄ１，ｄ２，ｄ３との関数ｆ１～ｆ９が導出される。

前記パラメータ値決定部１８では、次のようにして、パラメータ値ａ＊，ｂ＊,ｃ＊が決定される。すなわち、ロボットハンドＨに力センサ１１が全て取り付けられた後、最初に力センサ１１を使用する際に、各力センサ１１それぞれについて、外力が作用していない非接触時の無負荷状態で、前述と同様にオフセット値ｄ１，ｄ２，ｄ３を求める初期測定が行われる。その後、各力センサ１１それぞれについて得られたオフセット値ｄ１，ｄ２，ｄ３から、上式（３）により、パラメータ値ａ＊，ｂ＊,ｃ＊が算出され、上式（１）の関係式が力センサ１１毎に決定される。

前記力算出手段１５では、キャリブレーション手段１４により各力センサ１１それぞれについて特定された前記関係式に、対応する力センサ１１の出力値が代入されることで、各力センサ１１の前記３軸方向の大きさがそれぞれ求められ、ロボットハンドＨの手の平の表面に作用した外力の分布及び方向が判明することになる。すなわち、ここでは、パラメータ値決定部１８で既に取得しているオフセット値ｄ１，ｄ２，ｄ３と、時刻ｔで測定された出力値Ｓ１（ｔ），Ｓ２（ｔ），Ｓ３（ｔ）とから、上式（１）、（２）を使って、時刻ｔでの前記３軸方向の外力の大きさＦｘ（ｔ），Ｆｙ（ｔ），Ｆｚ（ｔ）が算出されることになる。

次に、前記検出装置１２を使ったキャリブレーション手順を含む力検出手順について説明する。

先ず、前記パラメータ値と前記オフセット値との関係を表す関数が導出される（第１のステップ）。

ここでは、先ず、ロボットハンドＨに取り付けられる前の力センサ１１について、同種の力センサ１１を複数（例えば、１０個程度）用意し、それぞれについて、配置される所定部位とは別の位置で、前記配置姿勢に相当する姿勢で設置した状態（第１の設置状態）とする。その上で、前段階として、外力を作用させない無負荷状態の下、所定時間内で出力値を何回か測定し、これら出力値の平均値をオフセット値として特定する。その後、オフセット値を求めた力センサ１１それぞれについて、第１の設置状態のまま、予め大きさが判明している既知の外力を付加し、このときの出力値を測定する。そして、上式（１）、（２）にオフセット値と外力を代入することで、力センサ１１毎に存在する方程式で得られた値に対して、機械学習、近似曲線導出法、有限要素法等の処理を行った上で、オフセット値とパラメータ値の関数（上式（３））が求められる。

その後、全ての力センサ１１をロボットハンドＨの所定部位に取り付け、次の自動キャリブレーションが行われる（第２のステップ）。

すなわち、ここでは、先ず、ロボットハンドＨに取り付けられた状態（第２の設置状態）の全ての力センサ１１それぞれについて、外力を作用させない無負荷状態の下、所定時間内で出力値を何回か測定し、当該測定値の平均値をオフセット値として特定する。そして、姿勢毎にグループ化された各力センサ１１の前記関数により、それぞれの力センサ１１で得られたオフセット値から、対応する力センサ１１におけるパラメータ値が特定され、前記関係式が力センサ１１毎に決定される。

以上のキャリブレーション作業が終了した後、力センサ１１に外力が作用すると、各力センサ１１に対応する関係式を使って、力センサ１１それぞれについて、取得した出力値から外力の大きさが算出される。

従って、このような実施形態によれば、ロボットハンドＨの曲面部分に力センサ１１を多数配置するような場合でも、同一の姿勢に配置される力センサ１１をクループ化してキャリブレーションすることができ、全数の力センサ１１に対するキャリブレーション作業が不要となる。

なお、前述の関係式は、上式（１）に限定されるものではなく、予め行った実験等に基づき得られた数式であって、出力値Ｓ１（ｔ），Ｓ２（ｔ），Ｓ３（ｔ）からオフセット値ｄ１，ｄ２，ｄ３を減算して得られた値に、パラメータ値ａ＊，ｂ＊,ｃ＊を乗じることで、力センサ１１に作用した外力Ｆｘ（ｔ），Ｆｙ（ｔ），Ｆｚ（ｔ）を求めることができる数式であれば何でも良い。

更に、パラメータ値ａ＊，ｂ＊,ｃ＊を決定するに際して、時刻ｔ_０における既知となる大きさの外力Ｆｘ（ｔ_０），Ｆｙ（ｔ_０），Ｆｚ（ｔ_０）とその時に得られる出力値Ｓ１（ｔ_０），Ｓ２（ｔ_０），Ｓ３（ｔ_０）のみを用いる例を説明したが、複数の時刻｛ｔ_１，・・・・ｔ_ｎ｝に複数の異なる大きさの外力｛Ｆｘ（ｔ_１），・・・・Ｆｘ（ｔ_ｎ）｝，｛Ｆｙ（ｔ_１），・・・・Ｆｙ（ｔ_ｎ）｝，｛Ｆｚ（ｔ_１），・・・・Ｆｚ（ｔ_ｎ）｝を与え、それらの時刻に得られる複数の出力値｛Ｓ１（ｔ_１），・・・・Ｓ１（ｔ_ｎ）｝，｛Ｓ２（ｔ_１），・・・・Ｓ２（ｔ_ｎ）｝，｛Ｓ３（ｔ_１），・・・・Ｓ３（ｔ_ｎ）｝を用いて、例えば最小二乗法を用いてパラメータ値ａ＊，ｂ＊,ｃ＊を求めることもできる。

また、前記関数としては、温度補償を考慮したものを採用することができる。すなわち、温度センサにより各力センサ１１の周囲の温度情報を計測可能とし、関数導出部１７では、当該温度情報の取得結果から、温度及びオフセット値を変数としてパラメータ値を特定する関数を生成することも可能である。この場合には、温度情報を取得した環境下で前記第１のステップが行われ、その後、前記第２のステップが行われる際に温度情報が取得され、当該温度情報をも使って前記関数から前記関係式が特定され、その直後の同一温度下で力センサ１１による外力の測定が行われることになる。この場合は、数式（１）は温度情報と外力の二つの説明変数による重回帰分析の数式モデルを用いることができる。

更に、前記実施形態では、磁気式の触覚センサを対象とした場合を図示説明したが、本発明はこれに限らず、圧電式、ひずみゲージ等を含む他の触覚センサ、力覚センサ、圧力センサ等の力センサ全般に本発明を適用することが可能である。

また、本発明は、力センサの他に、外力の作用に伴う物理量として当該外力が作用した部位の変位量を検出する変位センサに対するキャリブレーションにも適用可能である。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０ 力測定システム
１１ 力センサ（センサ）
１２ 検出装置
１４ キャリブレーション手段
１７ 関数導出部
１８ パラメータ値決定部

Claims (7)

1. 所定の外力が付加されたときのセンサからの出力値と前記外力の作用に伴う物理量との関係式により、前記出力値から前記物理量の測定値を検出する検出装置において、
   前記出力値を前記物理量に対応させるキャリブレーション時に、前記関係式を特定するキャリブレーション手段を備え、
   前記関係式は、所定のパラメータを含み、外力が作用していない非接触時における前記センサの出力値であるオフセット値に応じて、前記出力値から前記物理量を算出可能な数式からなり、
   前記キャリブレーション手段は、前記オフセット値から前記パラメータの決定値であるパラメータ値を求めるための関数を導出する関数導出部と、前記関数から前記パラメータ値を決定するパラメータ値決定部とを備え、
   前記関数導出部では、予め大きさが判明している既知の外力を付加したときに得られた前記出力値と、その前段階で取得した前記オフセット値とから前記関数を生成し、
   前記パラメータ値決定部では、前記外力を測定する所定部位に前記センサが配置された状態で取得した前記オフセット値から、前記関数によって前記パラメータ値を求めることを特徴とする検出装置。
2. 前記関係式は、前記出力値から前記オフセット値を減じた上で前記パラメータ値を乗じた値に基づいて、前記物理量を求める数式であることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
3. 前記オフセット値は、前記非接触時における前記出力値を一定時間毎に複数取得し、それらの値の平均値とされることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
4. 前記関数導出部では、同種の前記センサから得られたデータを処理して前記関数を生成することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
5. 前記関数導出部では、前記センサ周囲の温度情報を更に加え、前記オフセット値及び前記温度情報から前記パラメータ値を求めるための関数を生成し、
   前記パラメータ値決定部では、前記物理量を測定する所定部位に前記センサが配置された状態で取得した前記オフセット値及び前記温度情報から、前記関数によって前記パラメータ値が求められることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
6. 所定の外力が付加されたときのセンサからの出力値と、当該外力の作用に伴う物理量とを対応させるセンサのキャリブレーション方法において、
   所定のパラメータを含み、外力が作用していない非接触時における前記センサの出力値であるオフセット値に応じて、前記出力値から前記物理量を算出可能な数式からなる関係式を求める際に、
   予め大きさが判明している既知の外力を前記センサに付加し、そのときに得られた前記出力値と、事前に測定した前記オフセット値とから、前記パラメータの決定値であるパラメータ値と前記オフセット値との関係を表す関数を導出する第１のステップと、
   前記物理量の測定前に前記オフセット値を改めて測定し、当該オフセット値から前記関数によって前記パラメータ値を求める第２のステップと、
   が順に行われることを特徴とするセンサのキャリブレーション方法。
   
7. 前記第１ステップでは、前記物理量を測定する所定部位とは別の位置に所定の姿勢で前記センサを設置した状態で前記外力を付加し、
   前記第２ステップでは、前記所定部位に前記センサを配置した状態で前記オフセット値を測定することを特徴とする請求項６記載のセンサのキャリブレーション方法。

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