JPWO2007066804A1 - ノイズ診断装置、及び故障自己診断機能を有する検出システム - Google Patents
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Abstract
第1のトランスデューサ2と第2のトランスデューサ3とでは検出対象である物理量から電気信号への変換原理を異なるものとした。そのため、第1のトランスデューサ2及び第2のトランスデューサ3の雰囲気に同じ電磁ノイズが発生した場合、第1のトランスデューサ2と第2のトランスデューサ3とから出力される信号それぞれに含まれるノイズ成分の波形は互いに異なったものとなり、その結果、波形が異なる信号を検出することで、同じノイズ源によるノイズ混入を診断することができる。
Description
本発明は、所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断するノイズ診断装置、及び当該ノイズ診断装置を備えた故障自己診断機能を有する検出システムに関する。
従来、例えば、1つの荷重が分散して加わる3つの同じ荷重センサを備え、それら3つの荷重センサそれぞれから出力される信号を互いに比較し、それら信号が一致する場合に、荷重センサから出力される信号が正常であると診断する荷重センサの故障診断装置がある(例えば、特開平5−264375号公報参照)。
しかしながら、このような故障診断装置にあっては、例えば、3つの荷重センサから出力される信号それぞれに同一源のノイズが混入し、センサ出力に誤差が現れるような間欠故障が発生した場合には、荷重センサから出力される信号が正常であると誤診断される恐れがあった。
しかしながら、このような故障診断装置にあっては、例えば、3つの荷重センサから出力される信号それぞれに同一源のノイズが混入し、センサ出力に誤差が現れるような間欠故障が発生した場合には、荷重センサから出力される信号が正常であると誤診断される恐れがあった。
本発明は、上記従来技術の未解決の課題を解決することを目的とするものであって、同じノイズ源によるノイズ混入を診断可能なノイズ診断装置、及び当該ノイズ診断装置を備えた故障自己診断機能を有する検出システムを提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明のノイズ診断装置は、所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断するノイズ診断装置であって、前記所定センサの検出対象である物理量を検出して信号に変換し、且つ、その物理量から信号への変換原理が前記所定センサと異なる診断用センサと、その診断用センサで変換された信号と前記所定センサから出力される信号とに基づいて、前記所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断する診断実行手段と、を備えたことを特徴とする。
一方、上記課題を解決するため、本発明の故障自己診断機能を有する検出システムにあっては、前記所定センサと、前記請求項1から3のいずれか1項に記載のノイズ診断装置とを備え、前記ノイズ診断装置は、前記診断実行手段によって前記所定センサから出力される信号にノイズが含まれていないと診断された場合には前記所定センサから出力される信号をそのまま利用しつつ、前記診断結果に基づいてモータへの電力供給をコントロールする安全関連制御回路をオンして電力の供給を許可し、前記診断実行手段によって前記所定センサから出力される信号にノイズが含まれていると診断された場合には前記安全関連制御回路をオフして電力の供給を遮断する信号出力手段を備えることを特徴とする。
なお、自己診断の対象となる故障としては、例えば、ノイズ混入による間欠故障、センサ回路の断線等による永久故障等が挙げられる。
また、前記所定センサは、力覚センサ(ロボットエンドエフェクタ部に作用する単軸又は多軸の力、或いはさらにモーメントを検出する目的でロボットのリスト部に設けられたり、人間の操作力をロボットに伝えて、直接教示やパワーアシストの目的で利用するために、操作ハンドルをその先端に取り付け、マニプレータのリスト部や移動ロボットの一部に装着したりして利用されるセンサ)であってもよい。
また、前記所定センサは、力覚センサ(ロボットエンドエフェクタ部に作用する単軸又は多軸の力、或いはさらにモーメントを検出する目的でロボットのリスト部に設けられたり、人間の操作力をロボットに伝えて、直接教示やパワーアシストの目的で利用するために、操作ハンドルをその先端に取り付け、マニプレータのリスト部や移動ロボットの一部に装着したりして利用されるセンサ)であってもよい。
このような構成によれば、例えば、所定センサ及び診断用センサの雰囲気に同じ電磁ノイズが発生した場合、所定センサと診断用センサとでは検出対象である物理量から電気信号への変換原理が異なるので、所定センサと診断用センサとから出力される信号それぞれに含まれるノイズ成分の波形は互いに異なったものとなる。そのため、波形が異なる信号を検出することで、同じノイズ源によるノイズ混入を診断することができる。
また、本発明の故障自己診断機能を有する検出システムによれば、センサ回路の断線等による故障の自己診断にも対応することができる。
また、本発明の故障自己診断機能を有する検出システムによれば、センサ回路の断線等による故障の自己診断にも対応することができる。
さらに、本発明のノイズ診断装置は、所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断するノイズ診断装置であって、前記所定センサの検出対象である物理量に起因する他の物理量を検出して信号に変換する診断用センサと、その診断用センサで変換された信号に前記検出対象である物理量を算出する所定演算処理を施したものと前記所定センサから出力される信号とに基づいて、前記所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断する診断実行手段と、を備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、例えば、所定センサ及び診断用センサの雰囲気に同じ電磁ノイズが発生した場合、診断用センサの検出結果を診断実行手段によって演算処理するので、所定センサから出力される信号に含まれるノイズ成分の波形と前記演算処理の結果に含まれるノイズ成分の波形とは互いに異なったものとなる。そのため、波形が異なる信号を検出することで、同じノイズ源によるノイズ混入を診断することができる。
また、本発明のノイズ診断装置は、所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断するノイズ診断装置であって、前記所定センサの検出対象である物理量と異なる他の物理量を検出する診断用センサと、その診断用センサで検出された物理量に基づき、前記所定センサの検出対象である物理量を推定して信号に変換する診断用推定手段と、その診断用推定手段で変換された信号と前記所定センサから出力される信号とに基づいて、前記所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断する診断実行手段と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明のノイズ診断装置は、所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断するノイズ診断装置であって、前記所定センサの検出対象である物理量と異なる他の物理量を検出する診断用センサと、その診断用センサで検出された物理量に基づき、前記所定センサの検出対象である物理量を推定して信号に変換する診断用推定手段と、その診断用推定手段で変換された信号と前記所定センサから出力される信号とに基づいて、前記所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断する診断実行手段と、を備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、例えば、所定センサ及び診断用センサの雰囲気に同じ電磁ノイズが発生した場合、診断用センサの検出結果を診断用推定手段によって演算処理するので、所定センサから出力される信号に含まれるノイズ成分の波形と前記演算処理の結果に含まれるノイズ成分の波形とは互いに異なったものとなる。そのため、波形が異なる信号を検出することで、同じノイズ源によるノイズ混入を診断することができる。
以下、本発明のノイズ診断装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
このノイズ診断装置は、人間と共存して種々のサービスを提供する次世代産業用ロボット及びサービスロボットの力制御のためのセンサ、或いはヒューマンインターフェースデバイスの力受容器として不可欠な力覚センサのノイズ混入状態を診断するものである。
<第1実施形態>
<ノイズ診断装置の構成>
図1は、本実施形態のノイズ診断装置の概略構成を示すブロック図である。この図1に示すように、ノイズ診断装置1は、第1のトランスデューサ2、第2のトランスデューサ3、第1のアンプ4、第2のアンプ5、及びFSASD(Fail-Safe Analog Signal Diagnosis)回路6を含んで構成される。
このノイズ診断装置は、人間と共存して種々のサービスを提供する次世代産業用ロボット及びサービスロボットの力制御のためのセンサ、或いはヒューマンインターフェースデバイスの力受容器として不可欠な力覚センサのノイズ混入状態を診断するものである。
<第1実施形態>
<ノイズ診断装置の構成>
図1は、本実施形態のノイズ診断装置の概略構成を示すブロック図である。この図1に示すように、ノイズ診断装置1は、第1のトランスデューサ2、第2のトランスデューサ3、第1のアンプ4、第2のアンプ5、及びFSASD(Fail-Safe Analog Signal Diagnosis)回路6を含んで構成される。
第1のトランスデューサ2は、ひずみゲージのトランスデューサであって、所定対象物(例えば、ロボットハンド)に加わる外力を検出して電気信号に変換し、その電気信号を第1のアンプ4に出力する。
第2のトランスデューサ3は、静電容量のトランスデューサ(外力から電気信号への変換原理が第1のトランスデューサ2(ひずみゲージ)と異なるトランスデューサ)であって、第1のトランスデューサ2の検出対象である外力を検出して電気信号に変換し、その電気信号を第2のアンプ5に出力する。
第2のトランスデューサ3は、静電容量のトランスデューサ(外力から電気信号への変換原理が第1のトランスデューサ2(ひずみゲージ)と異なるトランスデューサ)であって、第1のトランスデューサ2の検出対象である外力を検出して電気信号に変換し、その電気信号を第2のアンプ5に出力する。
第1のアンプ4は、第1のトランスデューサ2から出力される電気信号を固定倍率で増幅してFSASD回路6に出力する。
第2のアンプ5は、第2のトランスデューサ3から出力される電気信号を固定倍率で増幅して(第1のトランスデューサ2及び第2のトランスデューサ3から出力される電気信号のいずれにもノイズが含まれてない場合に、第2のトランスデューサ3から出力される電気信号の増幅結果が第1のアンプ4で増幅された電気信号と一致するような倍率で増幅して)FSASD回路6に出力する。
第2のアンプ5は、第2のトランスデューサ3から出力される電気信号を固定倍率で増幅して(第1のトランスデューサ2及び第2のトランスデューサ3から出力される電気信号のいずれにもノイズが含まれてない場合に、第2のトランスデューサ3から出力される電気信号の増幅結果が第1のアンプ4で増幅された電気信号と一致するような倍率で増幅して)FSASD回路6に出力する。
FSASD回路6は、第1のアンプ4から出力される電気信号と第2のアンプ5から出力される電気信号とが一致するか(ほぼ一致するか)否かを判定する。そして、一致する場合には前記電気信号にはノイズが含まれていないと判定し、一致しない場合には前記電気信号にはノイズが含まれていると判定する。
<ノイズ診断装置の動作>
次に、本実施形態のノイズ診断装置1の動作を具体的状況に基づいて説明する。
<ノイズ診断装置の動作>
次に、本実施形態のノイズ診断装置1の動作を具体的状況に基づいて説明する。
まず、ノイズ診断装置1が取り付けられた力覚センサで操作力を検出する操作ハンドルに外力を加えたとする(後述する図4の26)。すると、力覚センサに備えられた第1のトランスデューサ2及び第2のトランスデューサ3によって、その外力に応じた信号(互いに異なる信号)が第1のアンプ4及び第2のアンプ5のそれぞれに出力され、第1のアンプ4及び第2のアンプ5によって、それら出力された信号がそれぞれ増幅されて同じ信号とされた後、FSASD回路6に出力される。そして、FSASD回路6によって、その入力された2つの信号が互いに比較診断される。
ここで、第1のトランスデューサ2及び第2のトランスデューサ3の雰囲気に同じ電磁ノイズAが発生したとする。すると、第1のトランスデューサ2と第2のトランスデューサ3とから出力される信号それぞれにノイズ成分が含まれることになるが、第1のトランスデューサ2と第2のトランスデューサ3とでは外力を電気信号に変換する際の変換原理が異なるので、それらノイズ成分の波形は互いに異なったものとなり、第1のアンプ4及び第2のアンプ5による増幅結果も互いに異なったものとなる。そのため、FSASD回路6によって、前記電気信号にノイズが含まれていると判定される。
<ノイズ診断装置の作用・効果>
(1)このように、本実施形態のノイズ診断装置1にあっては、第2のトランスデューサ3として、検出対象である物理量(外力)から電気信号への変換原理が第1のトランスデューサ2と異なるものを用いた。そのため、第1のトランスデューサ2及び第2のトランスデューサ3の雰囲気に同じ電磁ノイズAが発生した場合、第1のトランスデューサ2と第2のトランスデューサ3とから出力される信号それぞれに含まれるノイズ成分の波形は互いに異なったものとなり、その結果、波形が異なる信号をFSASD回路6によって検出することで、同じノイズ源によるノイズ混入を容易に診断することができる。
<ノイズ診断装置の作用・効果>
(1)このように、本実施形態のノイズ診断装置1にあっては、第2のトランスデューサ3として、検出対象である物理量(外力)から電気信号への変換原理が第1のトランスデューサ2と異なるものを用いた。そのため、第1のトランスデューサ2及び第2のトランスデューサ3の雰囲気に同じ電磁ノイズAが発生した場合、第1のトランスデューサ2と第2のトランスデューサ3とから出力される信号それぞれに含まれるノイズ成分の波形は互いに異なったものとなり、その結果、波形が異なる信号をFSASD回路6によって検出することで、同じノイズ源によるノイズ混入を容易に診断することができる。
また、第1のトランスデューサ2と第2のトランスデューサ3とから出力される信号それぞれに同相ノイズBが混入したとする。すると、第1のトランスデューサ2と第2のトランスデューサ3とから出力される信号それぞれに同じノイズ成分が含まれることになるが、第1のアンプ4と第2のアンプ5とでは増幅率がそれぞれ異なるので、第1のアンプ4及び第2のアンプ5による増幅結果は互いに異なったものとなる。そのため、FSASD回路6によって、前記電気信号にノイズが含まれていると判定される。
なお、第1のアンプ4とFSASD回路6との間の信号線、及び第2のアンプ5とFSASD回路6との間の信号線からの同相ノイズBの混入も考えられるが、それらの間の信号線の引き回しを極端に短くすることにより前記混入を防止することができる。
(2)また、本実施形態では、外力から電気信号への変換原理が互いに異なる第1のトランスデューサ2及び第2のトランスデューサ3を用いる例を示したが、これに限られるものではない。例えば、図2に示すように、対象物に加わる外力Fを直接検出して電気信号に変換する第1のトランスデューサ2’と、第1のトランスデューサ2’の検出対象である外力Fによるモーメントを検出して電気信号に変換し、その変換された電気信号が示すモーメントをFSASD回路6にモーメントアームの長さLで除算させて外力を間接的に検出する、第1のトランスデューサ2‘と同じ変換原理(例えば、抵抗型)に基づく第2のトランスデューサ3’と、を備えるようにしてもよい。そのようにすれば、例えば、第1のトランスデューサ2’及び第2のトランスデューサ3’の雰囲気に同じ電磁ノイズが発生した場合、或いは第1のトランスデューサ2’及び第2のトランスデューサ3’から出力される信号それぞれに同相ノイズBが混入した場合、第2のトランスデューサ3’の検出結果をFSASD回路6によって演算処理するので、第1のトランスデューサ2’から出力される信号に含まれるノイズ成分の波形と前記演算処理の結果に含まれるノイズ成分の波形とは互いに異なったものとなる。そのため、波形が異なる信号をFSASD回路6によって検出することで、同じノイズ源によるノイズ混入を診断することができる。
<ノイズ診断装置による安全関連制御回路の開閉>
以上のFSASD回路6によって、同じ外力によるセンサ出力それぞれが一致する場合には、センサ出力にはノイズが混入されていないと判定してセンサ出力をそのまま利用しつつ、安全関連制御回路をオンして(安全関連制御回路を動作状態として)電力の供給を許可し、そうでない場合には安全関連制御回路をオフして(安全関連制御回路を非動作状態として)電力の供給を遮断する。すなわち、この実施形態では、ノイズが混入している電気信号(センサ出力)が出力されないように信号の比較診断による判定を実現している。
<FSASD回路の構成>
具体的には、FSASD回路6は、図3に示すように、5つの区間で構成されている。
(2)また、本実施形態では、外力から電気信号への変換原理が互いに異なる第1のトランスデューサ2及び第2のトランスデューサ3を用いる例を示したが、これに限られるものではない。例えば、図2に示すように、対象物に加わる外力Fを直接検出して電気信号に変換する第1のトランスデューサ2’と、第1のトランスデューサ2’の検出対象である外力Fによるモーメントを検出して電気信号に変換し、その変換された電気信号が示すモーメントをFSASD回路6にモーメントアームの長さLで除算させて外力を間接的に検出する、第1のトランスデューサ2‘と同じ変換原理(例えば、抵抗型)に基づく第2のトランスデューサ3’と、を備えるようにしてもよい。そのようにすれば、例えば、第1のトランスデューサ2’及び第2のトランスデューサ3’の雰囲気に同じ電磁ノイズが発生した場合、或いは第1のトランスデューサ2’及び第2のトランスデューサ3’から出力される信号それぞれに同相ノイズBが混入した場合、第2のトランスデューサ3’の検出結果をFSASD回路6によって演算処理するので、第1のトランスデューサ2’から出力される信号に含まれるノイズ成分の波形と前記演算処理の結果に含まれるノイズ成分の波形とは互いに異なったものとなる。そのため、波形が異なる信号をFSASD回路6によって検出することで、同じノイズ源によるノイズ混入を診断することができる。
<ノイズ診断装置による安全関連制御回路の開閉>
以上のFSASD回路6によって、同じ外力によるセンサ出力それぞれが一致する場合には、センサ出力にはノイズが混入されていないと判定してセンサ出力をそのまま利用しつつ、安全関連制御回路をオンして(安全関連制御回路を動作状態として)電力の供給を許可し、そうでない場合には安全関連制御回路をオフして(安全関連制御回路を非動作状態として)電力の供給を遮断する。すなわち、この実施形態では、ノイズが混入している電気信号(センサ出力)が出力されないように信号の比較診断による判定を実現している。
<FSASD回路の構成>
具体的には、FSASD回路6は、図3に示すように、5つの区間で構成されている。
第1の区間は、ブリッジ回路7及び抵抗8を含んで構成され、これらによりFSASD回路6への入力である2個の力覚センサの電気信号同士、又は1個の力覚信号とその推定値の間の電圧差を出力する。
なお、通常、力覚センサからの原信号データに対しては、低域通過フィルタ(LPF)処理が施される。
第2の区間は、FSAD(Fail-Safe Adder)8及び第1及び第2のFSWC9、10を含んで構成される。そして、FSAD8によって、第1の区間から出力される電圧差それぞれに一定電圧(第1及び第2のFSWC(Fail-Safe Window Comparator)9、10が機能可能な電圧)を加算する。
なお、通常、力覚センサからの原信号データに対しては、低域通過フィルタ(LPF)処理が施される。
第2の区間は、FSAD(Fail-Safe Adder)8及び第1及び第2のFSWC9、10を含んで構成される。そして、FSAD8によって、第1の区間から出力される電圧差それぞれに一定電圧(第1及び第2のFSWC(Fail-Safe Window Comparator)9、10が機能可能な電圧)を加算する。
また、第1及び第2のFSWC9、10によって、前記加算結果に基づいて、D/A1、D/A2に入力され、それぞれローパスフィルタLPF1、LPF2で処理されたセンサ出力が互いに一致するか否かをそれぞれ判定し、一致する場合にはパルス信号を出力する。
第3の区間は、フォトカプラ11、FSRct(Fail-Safe Rectifier)12及び第3のFSWC13を含んで構成される。そして、フォトカプラ11及びFSRct12によって、第1及び第2のFSWC9、10から出力されるパルス信号をそれぞれ整流する。
第3の区間は、フォトカプラ11、FSRct(Fail-Safe Rectifier)12及び第3のFSWC13を含んで構成される。そして、フォトカプラ11及びFSRct12によって、第1及び第2のFSWC9、10から出力されるパルス信号をそれぞれ整流する。
また、第3のFSWC13によって、前記整流されたパルス信号それぞれが正常なパルス信号であるか否かを判定し、正常なパルス信号である場合にはパルス信号を出力する。
第4の区間は、FSRct14及び第4のFSWC15を含んで構成される。
FSRct14は、第3のFSWC13から出力されたパルス信号を整流して第4のFSWC15に入力する。
第4のFSWC15は、緊急停止ボタン16が押された後、第3のFSWC13からの正常信号を再度確認し、操作者が再起動ボタン17を押した場合にオンとなる自己保持回路18の出力とセンサ信号の正常/異常をAND演算する。
第4の区間は、FSRct14及び第4のFSWC15を含んで構成される。
FSRct14は、第3のFSWC13から出力されたパルス信号を整流して第4のFSWC15に入力する。
第4のFSWC15は、緊急停止ボタン16が押された後、第3のFSWC13からの正常信号を再度確認し、操作者が再起動ボタン17を押した場合にオンとなる自己保持回路18の出力とセンサ信号の正常/異常をAND演算する。
フォトカプラ19および20は、第3のFSWC13からの正常パルス信号、および緊急停止信号、再起動信号を電圧変換して自己保持回路18に伝送する。
第5の区間は、フェールセイフ出力アンプ(Fail-Safe Output Amplifier)21で構成される。これにより、第4のFSWC15からパルス信号が出力されているか否かを判定し、パルス信号が出力されている場合には、モータドライバへの電力供給を許可する(フェールセイフ出力アンプ21をオンして電力の供給を許可し)。また、パルス信号が出力されていない場合には、センサ信号に異常があったとして、電力の供給を遮断する(フェールセイフ出力アンプ21をオフして電力の供給を遮断する)。
<FSASD回路の動作>
次に、本実施形態のノイズ診断装置1の動作を具体的状況に基づいて説明する。
第5の区間は、フェールセイフ出力アンプ(Fail-Safe Output Amplifier)21で構成される。これにより、第4のFSWC15からパルス信号が出力されているか否かを判定し、パルス信号が出力されている場合には、モータドライバへの電力供給を許可する(フェールセイフ出力アンプ21をオンして電力の供給を許可し)。また、パルス信号が出力されていない場合には、センサ信号に異常があったとして、電力の供給を遮断する(フェールセイフ出力アンプ21をオフして電力の供給を遮断する)。
<FSASD回路の動作>
次に、本実施形態のノイズ診断装置1の動作を具体的状況に基づいて説明する。
まず、ノイズ診断装置1が取り付けられた操作ハンドルに操作者からの操作力が加わり、2組のトランスデューサの処理回路から2つのセンサ出力A/D1、A/D2がFSASD回路6に出力されたとする。すると、第1の区間のブリッジ回路7によって、センサ出力A/D1、A/D2間の電圧差、及びセンサ出力A/D1そのものの電圧がそれぞれ出力される。
また、第2の区間のFSAD8によって、第1の区間から出力される電圧差及び0でない電圧それぞれに一定電圧が加算され、その加算結果のいずれにも異常なセンサ出力が含まれていないとすると、第1及び第2のFSWC9、10によって、パルス信号が出力される。
また、第2の区間のFSAD8によって、第1の区間から出力される電圧差及び0でない電圧それぞれに一定電圧が加算され、その加算結果のいずれにも異常なセンサ出力が含まれていないとすると、第1及び第2のFSWC9、10によって、パルス信号が出力される。
さらに、第3の区間のフォトカプラ11及びFSRct12によって、その出力されたパルス信号それぞれが整流され、その整流結果それぞれが正常なパルス信号であるとすると、第4の区間の第3のFSWC13によって、パルス信号が出力される。
また、第4の区間の第4のFSWC15によって、第3のFSWC13から出力されたパルス信号及び自己保持回路18からの正常起動信号に基づき、モータドライバへの電力供給が許可される。
また、第4の区間の第4のFSWC15によって、第3のFSWC13から出力されたパルス信号及び自己保持回路18からの正常起動信号に基づき、モータドライバへの電力供給が許可される。
ここで、センサ出力A/D1が異常値になったとする。すると、第2の区間の第1及び第2のFSWC9、10によって、パルス信号の出力が停止される。
また、第3の区間の第3のFSWC13によって、パルス信号の出力が停止される。さらに、第4の区間の第4のFSWC15によって、そのパルス信号の出力停止に基づき、モータドライバへの電力供給が遮断される。
なお、単軸の力覚センサのみならず、高々6軸の力覚センサについても、センサからの高々6個の成分をもつ出力信号ベクトルにコンプライアンス行列を乗じて、例えば、3軸方向の力データ及び3軸回りのモーメントデータがディジタルのセンサ信号ベクトルとして得られた場合には、D/A1・D/A2〜D/A11・D/A12のように、6対のセンサ信号としてFSASD回路6にそれぞれ入力され、6個のFSASD回路6によって同様に正常/異常が判定される。
<請求の範囲との対応>
以上、本実施形態にあっては、図1及び図2の第1のトランスデューサ2、2’が請求の範囲に記載の所定センサを構成し、以下同様に、図1及び図2の第2のトランスデューサ3、3’が診断用センサを構成し、図1及び図3のFSASD回路6、図3の第3のFSWC13が診断実行手段を構成し、図3のFSWC13が安全関連制御回路への判定結果の信号出力手段を構成し、図3のフェールセイフ出力アンプ21が安全関連制御回路を構成する。
<第2実施形態>
次に、本発明のノイズ診断装置の第2実施形態を図面に基づいて説明する。
また、第3の区間の第3のFSWC13によって、パルス信号の出力が停止される。さらに、第4の区間の第4のFSWC15によって、そのパルス信号の出力停止に基づき、モータドライバへの電力供給が遮断される。
なお、単軸の力覚センサのみならず、高々6軸の力覚センサについても、センサからの高々6個の成分をもつ出力信号ベクトルにコンプライアンス行列を乗じて、例えば、3軸方向の力データ及び3軸回りのモーメントデータがディジタルのセンサ信号ベクトルとして得られた場合には、D/A1・D/A2〜D/A11・D/A12のように、6対のセンサ信号としてFSASD回路6にそれぞれ入力され、6個のFSASD回路6によって同様に正常/異常が判定される。
<請求の範囲との対応>
以上、本実施形態にあっては、図1及び図2の第1のトランスデューサ2、2’が請求の範囲に記載の所定センサを構成し、以下同様に、図1及び図2の第2のトランスデューサ3、3’が診断用センサを構成し、図1及び図3のFSASD回路6、図3の第3のFSWC13が診断実行手段を構成し、図3のFSWC13が安全関連制御回路への判定結果の信号出力手段を構成し、図3のフェールセイフ出力アンプ21が安全関連制御回路を構成する。
<第2実施形態>
次に、本発明のノイズ診断装置の第2実施形態を図面に基づいて説明する。
この第2実施形態では、操作者によって操作される操作ハンドルの取り付けられた力覚センサに加えられた操作力に応じて動作する4車輪の移動ロボットを備える。
そして、操作ハンドルに加えられた操作力を力覚センサで検出するとともに、当該外力を外乱オブザーバで推定し、それら外力の検出結果(推定結果)をFSASD回路に出力する。また、FSASD回路によって、それら出力結果が一致する場合には、センサ出力にはノイズが混入されていないと判定してセンサ出力に応じた目標トルク(操作ハンドルに加えている操作力が移動ロボットに加えられているときの移動ロボットの動きを実現する電気信号)を移動ロボットのモータ(移動ロボットの車輪に駆動トルクを付与するモータ)に出力すべく、安全関連制御系への電力供給を許可する。また、ノイズが混入された場合にはモータに供給される電力が遮断される。
<ノイズ診断装置の構成>
具体的には、ノイズ診断装置は、図4に示すように、エンコーダ22、機械制御部23、PC(Personal Computer)24、D/A(Digital Analog)変換器25、力覚センサ26、スタートスイッチ27、電源28、FSASD回路29、及びモータ30を含んで構成される。
そして、操作ハンドルに加えられた操作力を力覚センサで検出するとともに、当該外力を外乱オブザーバで推定し、それら外力の検出結果(推定結果)をFSASD回路に出力する。また、FSASD回路によって、それら出力結果が一致する場合には、センサ出力にはノイズが混入されていないと判定してセンサ出力に応じた目標トルク(操作ハンドルに加えている操作力が移動ロボットに加えられているときの移動ロボットの動きを実現する電気信号)を移動ロボットのモータ(移動ロボットの車輪に駆動トルクを付与するモータ)に出力すべく、安全関連制御系への電力供給を許可する。また、ノイズが混入された場合にはモータに供給される電力が遮断される。
<ノイズ診断装置の構成>
具体的には、ノイズ診断装置は、図4に示すように、エンコーダ22、機械制御部23、PC(Personal Computer)24、D/A(Digital Analog)変換器25、力覚センサ26、スタートスイッチ27、電源28、FSASD回路29、及びモータ30を含んで構成される。
エンコーダ22は、移動ロボットの車輪に駆動トルクを付与するモータ30の回転速度dθ/dtを検出し、その回転速度dθ/dt(電気信号)をPC24に出力する。
機械制御部23は、図5に示す制御ブロックの中で、FF制御部31、第1加減算器32、速度制御部33、摩擦補償器34、及び第2加算器35を含んで構成される。
図5に示す外乱オブザーバ36は、PC23で計算される。
外乱オブザーバ36は、図6に示すように、エンコーダ22から出力されるモータ30の回転速度dθ/dt、速度制御部33から出力される目標トルクτ(後述)、移動ロボット(機械システム)のノミナル慣性行列Mn、及びフィルタゲインgrに基づいて、移動ロボットの車輪に付与されている駆動トルクの推定値τ^を算出し、その推定値τ^をFF制御部31に出力する。
機械制御部23は、図5に示す制御ブロックの中で、FF制御部31、第1加減算器32、速度制御部33、摩擦補償器34、及び第2加算器35を含んで構成される。
図5に示す外乱オブザーバ36は、PC23で計算される。
外乱オブザーバ36は、図6に示すように、エンコーダ22から出力されるモータ30の回転速度dθ/dt、速度制御部33から出力される目標トルクτ(後述)、移動ロボット(機械システム)のノミナル慣性行列Mn、及びフィルタゲインgrに基づいて、移動ロボットの車輪に付与されている駆動トルクの推定値τ^を算出し、その推定値τ^をFF制御部31に出力する。
また、外乱オブザーバ36は、駆動トルクの推定値τ^に基づいて、操作者によって操作ハンドルに加えられている操作力の推定値F^を算出し、その推定値F^をD/A変換器25に出力する。
FF制御部31は、外乱オブザーバ36から出力される駆動トルクの推定値τ^に基づいて、操作者によって操作ハンドルに加えられている操作力の推定値F^を算出し、その推定値F^、移動ロボットの仮想的な慣性行列Mr、移動ロボットの仮想的な粘性行列Drに基づき、下記(1)式に従って目標回転速度dθref/dtを算出し、その目標回転速度dθref/dtを第1加減算器32に出力する。
FF制御部31は、外乱オブザーバ36から出力される駆動トルクの推定値τ^に基づいて、操作者によって操作ハンドルに加えられている操作力の推定値F^を算出し、その推定値F^、移動ロボットの仮想的な慣性行列Mr、移動ロボットの仮想的な粘性行列Drに基づき、下記(1)式に従って目標回転速度dθref/dtを算出し、その目標回転速度dθref/dtを第1加減算器32に出力する。
Mr(d2θref/dt2)+Dr(dθref/dt)=JTF^ ・・・(1)
なお、本実施形態では、外乱オブザーバ36で算出される駆動トルクの推定値τ^を算出する例を示したが、これに限られるものではない。例えば、モータに流れる電流iを検出して、そのトルクτ^を推定してもよい。これらのいずれかによって推定されたτ^に基づいて、操作者によってコントローラに加えられている操作力の推定値F^を関係式JTF^=τ^から算出し、これと力覚センサ26で検出される操作力Fとを比較し、これらがほぼ等しければ、その値に基づき、前記(1)式に従って目標回転速度dθref/dtを算出してもよい。
なお、本実施形態では、外乱オブザーバ36で算出される駆動トルクの推定値τ^を算出する例を示したが、これに限られるものではない。例えば、モータに流れる電流iを検出して、そのトルクτ^を推定してもよい。これらのいずれかによって推定されたτ^に基づいて、操作者によってコントローラに加えられている操作力の推定値F^を関係式JTF^=τ^から算出し、これと力覚センサ26で検出される操作力Fとを比較し、これらがほぼ等しければ、その値に基づき、前記(1)式に従って目標回転速度dθref/dtを算出してもよい。
第1加減算器32は、FF制御部31から出力される目標回転速度dθref/dtからエンコーダ22から出力されるモータ30の回転速度dθ/dtを減算し、その減算結果(速度偏差)を速度制御部33に出力する。
速度制御部33は、第1加減算器32から出力される速度偏差に基づいて当該速度偏差を0とするトルク(目標トルク)τを算出し、その目標トルクτを外乱オブザーバ36及び第2加算器35に出力する。
速度制御部33は、第1加減算器32から出力される速度偏差に基づいて当該速度偏差を0とするトルク(目標トルク)τを算出し、その目標トルクτを外乱オブザーバ36及び第2加算器35に出力する。
摩擦補償器34は、エンコーダ22から出力されるモータ30の回転速度dθ/dtに基づいて移動ロボットの車輪に作用する摩擦トルクを算出し、その摩擦トルクを第2加算器35に出力する。
第2加減算器35は、速度制御部33から出力される目標トルクτに摩擦補償器34から出力される摩擦トルクを加算し、その加算結果(補正後目標トルク)uをモータ30に出力する。
第2加減算器35は、速度制御部33から出力される目標トルクτに摩擦補償器34から出力される摩擦トルクを加算し、その加算結果(補正後目標トルク)uをモータ30に出力する。
D/A変換器25は、PC24(第2加減算器35)から出力される操作力の推定値F^を電気信号に変換し、その電気信号(エンコーダ22及び力覚センサ26から出力される電気信号のいずれにもノイズが含まれてない場合に、力覚センサ26の電気信号に一致する電気信号)をFSASD回路6に出力する。
力覚センサ26は、操作ハンドルに加えられている操作力Fを検出して電気信号に変換し、その電気信号をFSASD回路29に出力する。
力覚センサ26は、操作ハンドルに加えられている操作力Fを検出して電気信号に変換し、その電気信号をFSASD回路29に出力する。
スタートスイッチ27は、操作者によって移動ロボットの制御開始或いは緊急停止後の再開操作が行われると、ハイレベルの信号をFSASD回路29に出力する。
電源28は、モータ30へ電力を供給する。
FSASD回路29は、ノイズ診断部29a及び電源制御部29bを含んで構成される。
ノイズ診断部29aは、スタートスイッチ27からハイレベルの信号が出力されており、且つ、D/A変換器25から出力される操作力の推定値F^の電気信号と力覚センサ26から出力される操作力Fの電気信号とが一致するか否かを判定する。そして、ハイレベルの信号が出力されており且つ操作力の推定値F^の電気信号と操作力Fの電気信号とが一致する場合には当該電気信号にはノイズが含まれていないと判定し(システムが正常であると判定し)、ハイレベルの信号を電源制御部29bへ出力し、ハイレベルの信号が出力されていない場合又は操作力の推定値F^の電気信号と操作力Fの電気信号とが一致しない場合には当該電気信号にはノイズが含まれていると判定し(システムに異常が生じたと判定し)、ローレベルの信号を電源制御部29bに出力する。
電源28は、モータ30へ電力を供給する。
FSASD回路29は、ノイズ診断部29a及び電源制御部29bを含んで構成される。
ノイズ診断部29aは、スタートスイッチ27からハイレベルの信号が出力されており、且つ、D/A変換器25から出力される操作力の推定値F^の電気信号と力覚センサ26から出力される操作力Fの電気信号とが一致するか否かを判定する。そして、ハイレベルの信号が出力されており且つ操作力の推定値F^の電気信号と操作力Fの電気信号とが一致する場合には当該電気信号にはノイズが含まれていないと判定し(システムが正常であると判定し)、ハイレベルの信号を電源制御部29bへ出力し、ハイレベルの信号が出力されていない場合又は操作力の推定値F^の電気信号と操作力Fの電気信号とが一致しない場合には当該電気信号にはノイズが含まれていると判定し(システムに異常が生じたと判定し)、ローレベルの信号を電源制御部29bに出力する。
電源制御部29bは、ノイズ診断部29aからハイレベルの信号が出力されているか否かを判定する。そして、ハイレベルの信号が出力されている場合には、電源28から出力される供給電力をモータ30に供給し(電源制御部29bをオンして電力の供給を許可し)、ハイレベルの信号が出力されていない場合には、電源28をモータ30から電気的に遮断する(電源制御部29bをオフして電力の供給を遮断する)。
モータ30は、FSASD回路29から供給が許可される電力に応じて目標トルクに従い、移動ロボットの車輪を駆動する。
<ノイズ診断装置の動作>
次に、本実施形態のノイズ診断装置1の動作を具体的状況に基づいて説明する。
モータ30は、FSASD回路29から供給が許可される電力に応じて目標トルクに従い、移動ロボットの車輪を駆動する。
<ノイズ診断装置の動作>
次に、本実施形態のノイズ診断装置1の動作を具体的状況に基づいて説明する。
まず、操作者が移動ロボットの制御開始操作を行った後、操作者が操作ハンドルに操作力Fを加えたとする。すると、力覚センサ26によって、その操作力Fに応じた電気信号がFSASD回路29に出力される。
また、同時に、エンコーダ22によって、移動ロボットのモータ30の回転速度dθ/dtが検出され、その回転速度dθ/dt(電気信号)がPC24に出力され、PC24(外乱オブザーバ36)によって、その出力されたモータ30の回転速度dθ/dtに基づいて、移動ロボットの車輪に付与されている駆動トルクの推定値τ^が推定され、その推定値τ^がFF制御部31に出力されるとともに、当該推定値τ^に基づいて、操作者によって操作ハンドルに加えられている操作力の推定値F^が算出され、その推定値F^がD/A変換器25に出力される。
また、同時に、エンコーダ22によって、移動ロボットのモータ30の回転速度dθ/dtが検出され、その回転速度dθ/dt(電気信号)がPC24に出力され、PC24(外乱オブザーバ36)によって、その出力されたモータ30の回転速度dθ/dtに基づいて、移動ロボットの車輪に付与されている駆動トルクの推定値τ^が推定され、その推定値τ^がFF制御部31に出力されるとともに、当該推定値τ^に基づいて、操作者によって操作ハンドルに加えられている操作力の推定値F^が算出され、その推定値F^がD/A変換器25に出力される。
また、外乱オブザーバ36から出力された駆動トルクの推定値τ^に基づいて、操作者によって操作ハンドルに加えられている操作力F^が算出され、その操作力F^に基づいて、FF制御部31によって、目標回転速度dθref/dtが算出され、その目標回転速度dθref/dtが第1加減算器32に出力される。また、第1加減算器32によって、その出力された目標回転速度dθref/dtからエンコーダ22から出力されるモータ30の回転速度dθ/dtが減算され、その減算結果(速度偏差)が速度制御部33に出力され、速度制御部33によって、その出力された速度偏差に基づいて当該速度偏差を0とするための目標トルクτが算出され、その算出結果が外乱オブザーバ36及び第2加減算器35に出力される。
さらに、摩擦補償器34によって、エンコーダ22から出力されるモータ30の回転速度dθ/dtに基づいて移動ロボットの車輪に作用する摩擦トルクが算出され、その摩擦トルクが第2加減算器35に出力され、第2加減算器35によって、その出力された目標トルクτに摩擦補償器34から出力される摩擦トルクが加算され、その加算結果(補正後目標トルク)uがモータ30に出力される。
また、D/A変換器25によって、PC24(外乱オブザーバ36)から出力される操作力の推定値τ^が電気信号に変換され、その電気信号がFSASD回路29に出力され、さらに、力覚センサ26によって、操作ハンドルに加えられている操作力Fが検出されて電気信号に変換され、その電気信号がFSASD回路29に出力される。
また、D/A変換器25によって、PC24(外乱オブザーバ36)から出力される操作力の推定値τ^が電気信号に変換され、その電気信号がFSASD回路29に出力され、さらに、力覚センサ26によって、操作ハンドルに加えられている操作力Fが検出されて電気信号に変換され、その電気信号がFSASD回路29に出力される。
さらに、PC24(第2加減算器35)から出力された目標トルクuに車輪の駆動トルクが一致するようにモータ30への制御電圧が算出される。電源28からは供給電力がFSASD回路29に出力される。D/A変換器25から出力される操作力の推定値F^の電気信号と力覚センサ26から出力される操作力Fの電気信号とが一致すると、FSASD回路29によって、前記電気信号にはノイズが含まれていないと判定され、電源28から供給電力がモータ30に出力され、目標トルクuの与えられたモータ30によって移動ロボットの車輪が駆動される。
<請求の範囲との対応>
以上、本実施形態では、図4の力覚センサ26が請求の範囲に記載の所定センサを構成し、以下同様に、図1のエンコーダ22が診断用センサを構成し、図4のPC24、図5の外乱オブザーバ36が診断用推定手段を構成し、図4のFSASD回路29が診断実行手段を構成し、図4の電源制御部29bが安全関連制御回路を構成する。
<ノイズ診断装置の作用・効果>
(1)このように、本実施形態のノイズ診断装置1にあっては、エンコーダ22で検出されるモータ30の回転速度に基づいて操作力の推定値F^を外乱オブザーバ36で推定し、その推定値F^の電気信号に基づいて、力覚センサ26で検出される操作力Fの電気信号のノイズ混入状態を診断するようにした。そのため、エンコーダ22及び力覚センサ26の雰囲気に同じ電磁ノイズが発生した場合、エンコーダ22の検出結果を外乱オブザーバ36によって演算処理するので、力覚センサ26から出力される信号に含まれるノイズ成分の波形と前記演算処理の結果に含まれるノイズ成分の波形とは互いに異なったものとなる。そのため、波形が異なる信号をFSASD回路29によって検出することで、同じノイズ源によるノイズ混入を診断することができる。
<請求の範囲との対応>
以上、本実施形態では、図4の力覚センサ26が請求の範囲に記載の所定センサを構成し、以下同様に、図1のエンコーダ22が診断用センサを構成し、図4のPC24、図5の外乱オブザーバ36が診断用推定手段を構成し、図4のFSASD回路29が診断実行手段を構成し、図4の電源制御部29bが安全関連制御回路を構成する。
<ノイズ診断装置の作用・効果>
(1)このように、本実施形態のノイズ診断装置1にあっては、エンコーダ22で検出されるモータ30の回転速度に基づいて操作力の推定値F^を外乱オブザーバ36で推定し、その推定値F^の電気信号に基づいて、力覚センサ26で検出される操作力Fの電気信号のノイズ混入状態を診断するようにした。そのため、エンコーダ22及び力覚センサ26の雰囲気に同じ電磁ノイズが発生した場合、エンコーダ22の検出結果を外乱オブザーバ36によって演算処理するので、力覚センサ26から出力される信号に含まれるノイズ成分の波形と前記演算処理の結果に含まれるノイズ成分の波形とは互いに異なったものとなる。そのため、波形が異なる信号をFSASD回路29によって検出することで、同じノイズ源によるノイズ混入を診断することができる。
また、力覚センシングのチャンネルを1つも持たず、2種類の外乱オブザーバ36により操作力の推定値F^を2種類の方法で算出し、それら推定値F^で自己診断を行う方法と異なり、操作ハンドルへの意図しない外力やノイズも操作力として推定されてしまい、パワーアシスト機器(移動ロボット)が誤った動作に陥ってしてしまうことを防止できるので、機能安全性を満足し、コストの観点からも極めて合理的である。
なお、本実施形態では、操作ハンドルに加えられた操作力を力覚センサ26で検出して電気信号に変換するとともに、当該外力を外乱オブザーバ36で推定してD/A変換器25で電気信号に変換し、それら電気信号(アナログ値)に基づいてノイズ混入状態をFSASD回路29で診断する例を示したが、これに限られるものではない。例えば、FSASD回路29として、自己診断機能付きのフェイルセーフなディジタル信号診断回路(FSDSD回路)を備え、PC24で算出された力覚データの推定値F^と、力覚センサ26で検出された電気信号をA/D変換した値とに基づいてノイズ混入状態を診断してもよい。
なお、本実施形態では、操作ハンドルに加えられた操作力を力覚センサ26で検出して電気信号に変換するとともに、当該外力を外乱オブザーバ36で推定してD/A変換器25で電気信号に変換し、それら電気信号(アナログ値)に基づいてノイズ混入状態をFSASD回路29で診断する例を示したが、これに限られるものではない。例えば、FSASD回路29として、自己診断機能付きのフェイルセーフなディジタル信号診断回路(FSDSD回路)を備え、PC24で算出された力覚データの推定値F^と、力覚センサ26で検出された電気信号をA/D変換した値とに基づいてノイズ混入状態を診断してもよい。
また、FSASD回路29によって力覚センサ26で検出される操作力Fの電気信号にノイズが含まれていないと診断された場合には目標トルクuに車輪の駆動トルクを一致させる電力をモータ30に供給することを許可し、前記電気信号にノイズが含まれていると診断された場合にはモータ30への電力供給を遮断するシステムに適用した例を示したが、これに限られるものではない。例えば、FSASD回路29によって力覚センサ26で検出される操作力Fの電気信号にノイズが含まれていないと診断された場合には力覚センサ26から出力される電気信号をそのまま出力し、前記電気信号にノイズが含まれていると診断された場合には力覚センサ26から出力される信号の出力を禁止するシステムに適用してもよい。
なお、本発明のノイズ診断装置、及び故障自己診断機能を有する検出システムは、上記実施の形態の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
Claims (5)
- 所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断するノイズ診断装置であって、
前記所定センサの検出対象である物理量を検出して信号に変換し、且つ、その物理量から信号への変換原理が前記所定センサと異なる診断用センサと、その診断用センサで変換された信号と前記所定センサから出力される信号とに基づいて、前記所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断する診断実行手段と、を備えたことを特徴とするノイズ診断装置。 - 所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断するノイズ診断装置であって、
前記所定センサの検出対象である物理量に起因する他の物理量を検出して信号に変換する診断用センサと、その診断用センサで変換された信号に前記検出対象である物理量を算出する所定演算処理を施したものと前記所定センサから出力される信号とに基づいて、前記所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断する診断実行手段と、を備えたことを特徴とするノイズ診断装置。 - 所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断するノイズ診断装置であって、
前記所定センサの検出対象である物理量と異なる他の物理量を検出する診断用センサと、その診断用センサで検出された物理量に基づき、前記所定センサの検出対象である物理量を推定して信号に変換する診断用推定手段と、その診断用推定手段で変換された信号と前記所定センサから出力される信号とに基づいて、前記所定センサから出力される信号のノイズ混入状態を診断する診断実行手段と、を備えたことを特徴とするノイズ診断装置。 - 前記所定センサと、前記請求項1から3のいずれか1項に記載のノイズ診断装置とを備え、
前記ノイズ診断装置は、前記診断実行手段によって前記所定センサから出力される信号にノイズが含まれていないと診断された場合には前記所定センサから出力される信号をそのまま利用しつつ、前記診断結果に基づいてモータへの電力供給をコントロールする安全関連制御回路をオンして電力の供給を許可し、前記診断実行手段によって前記所定センサから出力される信号にノイズが含まれていると診断された場合には前記安全関連制御回路をオフして電力の供給を遮断する信号出力手段を備えることを特徴とする故障自己診断機能を有する検出システム。 - 前記所定センサは、力覚センサであることを特徴とする請求項4に記載の故障自己診断機能を有する検出システム。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110426 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20111011 |