JPS60214232A

JPS60214232A - 力測定装置

Info

Publication number: JPS60214232A
Application number: JP7213184A
Authority: JP
Inventors: Toshio Horiguchi; 敏男堀口; Hiroki Ikeda; 宏樹池田
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1984-04-11
Filing date: 1984-04-11
Publication date: 1985-10-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は圧電素子を用いて力を測定する装置ｌこ関する
。更に詳しくは圧電素子さ、前記素子の出力信号を等化
するためのフィルタから構成される力４１り定装置に関
する。

（従来技術とその問題点）多くの産業分野で、力計測の必要性がある。例えばロボ
ットのハン白こよって硬い物体、軟らかな物体あるいは
脆弱物体を把持する場合には、物体を破壊しないように
把持力を制御する必要がある。

ロボットの把持力を制御するためのセンサとしては歪ゲ
ージを用いることが多いが、歪ゲージは一般に弾性体に
貼り付けて使用するために耐久性、安定性、応答速度等
に問題があっ１こ。

把持力の測定は圧電効果を用いた素子（圧電素子）Ｉこ
よっても行うことができる。圧電素子ｆｆＡ速応答、小
形軽量、高温使用可能、長寿命等の利点を持つ。しかし
、圧電素子においては印加力に比例して発生する％５荷
を電圧の形で取り出すのでリーク（漏洩）抵抗があると
電圧が次第に減皺し静圧の計測が困難であること力）ら
、圧電素子はこれまで主に加速度センサ弄の動圧の測定
に用いられてきた。

一般に、静圧によって発生されたＮ　ｆＴ　’ｅ長時間
（５〜６分）一定値に維持するには極めて高い４（１００以上の）絶縁抵抗が必要であり、センサ（圧電
素子）、ケーブル、アンプの厳しい絶縁管理が要求され
、ＦＢＴによるインピーダンス変換、チャージアンプ等
の回路技術がこれまで用いられてきた。しかし、これら
の技術をもってしても、センサを例えば湿度の高い場所
で使う場合にはリーク抵抗の存在が問題となる。

又、ロボットハンドの把持力をサーボ回路によって制御
するためｌこは動圧と静圧の両方を計測する必要がある
。以上のようｌこ圧電素子を用いて静圧と動圧の両方を
測定するための適切な手段はこれまで存在しなかった。

（発明の目的）従って本発明の目的は圧電素子を用いて静圧と動圧の両
方を測定するための適切な手段を提供するにある。

（発明の構成）本発明によれば前述の１１−り抵抗の影響を補償するこ
とが可能な等化フィルタが得られ、前記等化フィルタに
よって圧電素子を用いた圧力測定装置を構成できる。

前記等価フィルタは、圧電素子の伝達関数の逆数を伝達
関数として有する、比例−積分（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ
ａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ、ＰＩ　）フィルタとして容易
に実現される・これによって、湿度の高い場所等−こおけるロボット・
ハンドの把持力制御が可能となる。

（本発明の原理）第１図のように圧電素子ｌに印加される力Ｆζこよって
圧電素子内に発生する電荷をＱとするとＱはＦ＃こ比例
しＱ　＝　ａ　Ｆと表わされる。ここでａは圧電素子の
機何形状デ及び材料で決定される比例定数である。同図
のように圧電素子１と電圧増幅器４がケーブル２で接続
されており、圧電素子ｌの容量とケーブル２の分布容量
の和そ０、リーク抵抗５の抵抗値Ｒ（Ｒｇこは増幅器４
の入力抵抗も含まれる）とすれば圧電素子１の伝達関数
ｖ／Ｆは近似的に次式で表わされる。

削成−こおいてＳはラプラス変数、Ｋ　＝　ａ−几。

Ｔ＝０１（である。従って圧電素子の時定数Ｔはリーク
抵抗５の抵抗値Ｒが小さい程、短かくなる。

前述のように、圧電素子ｌこよる静圧の計測が困難なの
はリーク抵抗Ｒの存在に帰因する。

又、既に述べたように静圧による電荷を長時間、一定値
に維持するには、圧電素子、ケーブルに対する厳しい絶
縁管理が要求され、湿度の高い場所での使用が困難とな
る。

本発明では、リーク抵抗凡の影響を簡単な等価フィルタ
によって補償し、静圧及び動圧の長時間の計測を可能な
らしめている・いま、時定数Ｔの推定値をＴ、とすれは、式（１）の逆
数の形を有する式（２）の等価フィルタＨ（８１ζこよ
って圧電素子の出力重圧■から力、Ｆを再生でき式（２
）による用生力をＦｒ（８）とすればＦｒ（８）は式（
３）で表わされる。

但し、△Ｔは時定数の推定誤差で△Ｔ、＝’ｌ’−Ｔｆ
。

又、便宜上Ｋｆ　−Ｋ　＝　１と仮定した。

削成を時間領域で表わせば、ｔ上式（３）より次のことが分る６（ａ）　静圧状態（ｔ゛−０）ではＦ誂Ｆに漸近しくＦ
ｒミＦ）、推定誤差△Ｉｌｌの影響は無視できる。

ＣｂＪ　時定舷’ｌ’＝ｏｕが小さいほど、従ってリー
ク抵抗Ｅが小さい程、Ｆ、のＦへの収束が速い。

（Ｃ）動圧状態（Ｆ〆０）でも△Ｔ　／　’ｌ’が小さ
いか、父はＦの便化がゆるやか（ＩＦｌが小）であれは
゛、ＦｒはＦを良く近似する（ｐｒ＝ｉ；゛）。

以上より、等化フィルタＨ（Ｓ）ｆこよって動圧と静圧
の両方を再生できることが理解される。

父、以上の説明から、前記等化フィルタの時定数Ｔｆは
圧電素子の時定数Ｔに厳１Ｉｆｊｃこ一致させる必要に
なく、およその近似値でｆ分であることが分る。

第２図（ａｔ　、　（ｂｌは圧電素子にステ、プ状の力
、Ｆを印加した時の応答を示す。Ｆ（１）が同図（ａ）
のよう丁となる。

従って第２図（ｂ））こ示すように、圧電素子ｔこステ
ップ人力Ｆを与えた時の応答、■が最大値から約６０％
にμった時の時間を時定数Ｔの推定値、すなわちＩ”（
、ｌｌ！：して用いることができる。

削成（２）より等価フィルタＨ（Ｓ）は積分器８、ゲイ
ン′ｖ、の電圧増幅器と′電圧加算器によって構成され
る周知比例積分フィルタであることが分る。

（実施例１）以下、本発明の実施例により、詳細に説明する。

第３図は本発明の一実施例の構成図を示す。図において
回路１０は利得Ｋｆの増幅器、回路１１は積分回路、回
路１２は利得ＩＩ゛、の電圧増幅器、回路１３は電圧加
ＪＩ器である。

前記回路１０〜１３によって、等価フィルタ又は比例噴
分フィルタＨ（８１−Ｋ　（（冶＋’ｌ’（）が実現さ
れることは容易に理解できる。又、回路１０〜１３ケ演
算増幅器等の手段を用いて容易にｉ、［でき、さらにそ
の構成方法も周知である。

第４図は第３図に示した本発明の一実施例をより詳細【
こ説明するための図で、第４図において５はリーク抵抗
几、４は入力増幅器、３４及び３５は抵抗Ｒ，，、ａｔ
　、　３６４町コンデンサ０１．３３は演ｌＪ＃−増幅
器、３７及び３８は切換えスイッチである。

第４図憂こおいては、入力増幅器４は各段間の分離と他
回路の駆動に適し、さらに低エネルギの信号を直接検出
するのζこ適したゲイン１のホロワ構成を採用している
。

前記入力増幅器４としては演算増幅器、あるいは高入力
インピータンスのＦｇＴアンプのいづれも使用可能であ
る。入力増幅器４の出力電圧Ｖは比例積分器４０ζこよ
ってフィルタリンクされる。比例積分器４０は、演算増
幅器３３、前記リーク抵抗枕。

Ｒ２、ＫＩＪ記コンテンサＣ１及びｎｉｌ記スイッチ５
ＷＩＳＷ２によって構成される。

同図においてＳＷＩがＯＮ　、８Ｗ２がＯＦＦの状態で
は比例積分器４０の伝達関数Ｆ　ｒ　（Ｓ）　／　Ｖ　
（Ｓ）は次式で表わされる。

式（５）と式（２）を比べれば明らかなように、式（２
）の等化フィルタは前記抵抗Ｒ１、Ｒ，及びコンデンサ
Ｃ０をＫｔ　０１＝Ｔｔ　、Ｋｆ＝ととなるように選択
すれは良い。ここでフィルタ時定数Ｔ（は、前述の第２
図のように、ステップ応答Ｖ　（ｔ）が最大値から約６
（）％になる時間に等しくとれば良い。

前記ＳＷＩ　、ＳＷ２は積分器の初期値設定に用いられ
る。すなわち、圧力の計測の前ｆ乙８ＷｌをＯＦＦ、Ｓ
Ｗ２をＯＮとすることによって前記コンデンサ０１の電
荷を放電し、積分値を零１こする。圧力計測を行うには
、８Ｗ１をＯＮ　、ＳＷ２をＯＦＦにして積分を開始さ
せる。

前記８Ｗｌ　、８Ｗ２はリレー等の適切な手段によって
容易に構成できる。

以上のようＩＣ，第３図又は第４図の構成によって、等
価フィルタを構成できる、しかしながら、これらのフィ
ルタ（ゴアナログ回路によって構成されており、第４図
における積分用コンデンサＣ１には漏れコンダクタンス
が存在し、長時間の静圧の計測を行うには比例積分器４
０に対する厳しＧ）絶縁管理が要求される。従って、長
時間の静圧の計測を実現するζこは以下のようにディジ
タルルタを用いれば良い、（実施例２）第５図はディジタル・フィルタを用いる場合の本発明の
第二の実施例を示す。図をこおし）て１は圧電素子、４
は入力増幅器、回路２０ハ入力増幅器のアナログ出力電
圧をディジタル・コードに変換するためのＡ／Ｄ変換器
（アナログ・テイジタル変換器）、回路２１はマイクロ
プロセッサである。

第５図を参照すれば、Ａ／Ｄ変換器２０ヲこよってアナ
ログ電圧をディジタル化（量子化）し、マイクロプロセ
ッサ２Ｈこよって式（２）を用いて等価フィルタリング
を行う。

すなわち、マイクロプロセッサ２１は下式によってフィ
ルタリングを行う。

式（６）においてＶ（ｉ）　、　Ｆｒ　（ｉ）はそれぞ
れ、電圧ｖ（ｔ）。

再生力Ｆ、（ｔ）の時刻ｉＴｓ　ｌこおけるサンプル値
である。Ｔｓはサンプリング周期である。

下式によってフィルタリングを行うこともできる。

（発明の効果）以上詳細に述べた通り、本発明によれば圧電素子の出力
和、圧から静圧及び動圧を再生（又は復元）するフィル
タを得ることができ、このフィルタを用いてロボット・
ハンドの把持力制御等を効果的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電素子を用いた力測定系のブロック図、第２
図は圧電素子のステップ応答を示す図、第３図は本発明
ｌこよる力測定装置のプロ、り図、第４図は第３図に示
した本発明ζこよる力測定装置の詳細な第１の実施例を
示すブロック図、第５図は本発明の第２の実施例として
ディジタル信号処理を用いる場合の力測定装置のブロッ
ク図である。図において、■は圧電素子、２は信号ケーブル、３はケ
ーブル分布容量、４は電圧増幅器、５はリーク抵抗、１
０はゲインＫｆの電圧増＠器、１１は積分器、■２はゲ
イン′ｖｆの電圧増幅器、１３は電圧加算器、３２は入
力増幅器、３３は演算増幅器、３４及び３５は抵抗、３
６はコンデンサ、３７及び３８はスイ・２チ、４０は比
例積分器、２０はＡ／Ｌ）変換器、２１はマイクロプロ
セ、すをそれぞれ示す。第１　図７２図；＋３図２７５図４２リ　２１

Claims

【特許請求の範囲】

圧電素子と、前記圧電素子の出力電圧信号を受