JPWO2021005755A1 - センシングデバイスおよびセンシングデバイスシステム - Google Patents

Abstract

センシングデバイス（１００）は、第１の構造体と第２の構造体とのうちの一方に配置された要素である磁気センサ（１５）と、第１の構造体と第２の構造体とのうちの他方に配置された要素である磁石（１６）とを有し、磁気センサ（１５）によって検出される磁束の変化に基づいて磁気センサ（１５）と磁石（１６）との相対的な位置変化を検出する複数のセンサユニット（１４）と、複数のセンサユニット（１４）の各々による検出結果に基づいた演算によって、第２の構造体に対する第１の構造体の移動量と、第２の構造体に対する第１の構造体の回転量と、第１の構造体が受けた外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を求める演算部（２５）と、磁気センサ（１５）と磁石（１６）との相対的な位置変化以外の要因によって磁束が変化する異常の有無を、複数のセンサユニット（１４）の各々による検出結果に基づいて判定する判定部（２６）と、を備える。

Description

本発明は、構造体が外力を受けることによる構造体の動きを検知するセンシングデバイスおよびセンシングデバイスシステムに関する。

従来、磁束を検出する磁気センサと磁石との組み合わせを複数有して、３軸の各方向における移動あるいは３軸の各方向に作用する力を検知するセンシングデバイスが知られている。特許文献１には、磁石と磁気センサであるホール素子との組み合わせが複数設けられており、磁石とホール素子との相対位置を検出することによって各方向に作用する力を検知する力覚センサが開示されている。

特開昭６０−１７７２３２号公報

特許文献１に開示される力覚センサのように、磁気センサを有する従来のセンシングデバイスは、センシングデバイスの外に存在する磁界の影響を受けることによって、検知結果が変化する。従来のセンシングデバイスは、磁石と磁気センサとの相対的な位置変化以外の要因によって検知結果が変化する異常が生じていても、異常が生じたことの確認ができないため、正常な検知が行われている場合と同様に検知結果を出力する。このように、従来のセンシングデバイスでは、検知に異常が生じたことの確認ができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、検知に異常が生じたことの確認を可能とするセンシングデバイスを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるセンシングデバイスは、外力を受けて動く操作体の動きを検知する。本発明にかかるセンシングデバイスは、操作体である第１の構造体と、操作体以外の構造体である第２の構造体とを備える。本発明にかかるセンシングデバイスは、第１の構造体と第２の構造体とのうちの一方に配置された要素である磁気センサと、第１の構造体と第２の構造体とのうちの他方に配置された要素である磁石とを有し、磁気センサによって検出される磁束の変化に基づいて磁気センサと磁石との相対的な位置変化を検出する複数のセンサユニットと、複数のセンサユニットの各々による検出結果に基づいた演算によって、第２の構造体に対する第１の構造体の移動量と、第２の構造体に対する第１の構造体の回転量と、第１の構造体が受けた外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を求める演算部とを備える。本発明にかかるセンシングデバイスは、磁気センサと磁石との相対的な位置変化以外の要因によって磁束が変化する異常の有無を、複数のセンサユニットの各々による検出結果に基づいて判定する判定部を備える。

本発明にかかるセンシングデバイスは、検知に異常が生じたことを確認することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかるセンシングデバイスを示す第１の断面図 実施の形態１にかかるセンシングデバイスを示す第２の断面図 実施の形態１にかかるセンシングデバイスが有する機能構成を示す図 図２に示す断面における磁気センサと磁石との位置関係について説明する第１の図 図２に示す断面における磁気センサと磁石との位置関係について説明する第２の図 実施の形態１にかかるセンシングデバイスの動作について説明するフローチャート 実施の形態１にかかる測定装置のハードウェア構成の例を示す第１の図 実施の形態１にかかる測定装置のハードウェア構成の例を示す第２の図 実施の形態１の変形例について説明する図 本発明の実施の形態２にかかるセンシングデバイスの動作について説明するフローチャート 本発明の実施の形態３にかかるセンシングデバイスが有する機能構成を示す図 本発明の実施の形態４にかかるセンシングデバイスが有する機能構成を示す図 実施の形態３における学習と実施の形態４における学習との双方を行うセンシングデバイスの例を示す図 実施の形態３および４における学習に使用されるニューラルネットワークの構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるセンシングデバイスおよびセンシングデバイスシステムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるセンシングデバイスを示す第１の断面図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかるセンシングデバイスを示す第２の断面図である。図１に示す断面は、センシングデバイス１００の縦断面であって、図２に示すI−I線における断面である。図２に示す断面は、センシングデバイス１００の横断面であって、図１に示すII−II線における断面である。

センシングデバイス１００は、外力を受けて動く操作体の動きを検知する。センシングデバイス１００は、３軸の各方向における操作体の移動と、３軸の各々を中心とする操作体の回転とを検知する。

センシングデバイス１００は、操作体である第１の構造体１１と、操作体以外の構造体である第２の構造体１２とを有する。第１の構造体１１と第２の構造体１２とは、いずれも剛体である。なお、第１の構造体１１が外力を受けていないときにおけるセンシングデバイス１００の状態を、基準状態と称することがある。中心軸Ｎは、図２に示す断面に垂直な軸であって、第２の構造体１２の中心を表す。基準状態において、第１の構造体１１の中心は中心軸Ｎ上に位置している。

弾性体１３は、第１の構造体１１と第２の構造体１２とを連結する。弾性体１３には、ばねまたはゴムといった物体が使用される。第１の構造体１１と第２の構造体１２とが弾性体１３を介して連結されていることによって、第１の構造体１１は、第２の構造体１２に対して並進動作と回転動作とが可能な状態とされて、第２の構造体１２に支持されている。

第１の構造体１１は、外力を受けて並進動作することによって、基準状態のときの位置から移動する。第１の構造体１１は、受けた外力の向きへ移動する。第１の構造体１１は、受けた外力の大きさに応じた距離を移動する。外力の印加がなくなると、弾性体１３の復元力によって、基準状態のときの位置に戻る。また、第１の構造体１１は、外力を受けて回転動作することによって、基準状態のときとは姿勢が変化する。第１の構造体１１は、外力の印加がなくなると、弾性体１３の復元力によって、基準状態のときの姿勢に戻る。

センシングデバイス１００は、３つのセンサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃを有する。センサユニット１４ａは、磁気センサ１５ａと磁石１６ａとを有する。センサユニット１４ｂは、磁気センサ１５ｂと磁石１６ｂとを有する。センサユニット１４ｃは、磁気センサ１５ｃと磁石１６ｃとを有する。磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、第１の構造体１１に取り付けられている要素である。磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、第２の構造体１２に取り付けられている要素である。なお、センサユニット１４とは、センサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各々を区別せずに称したものとする。磁気センサ１５とは、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃの各々を区別せずに称したものとする。磁石１６とは、磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃの各々を区別せずに称したものとする。

磁気センサ１５は、３軸の各方向における磁束を検出可能に構成されている。磁気センサ１５は、３軸の各方向における磁束を検出可能な集積回路である。磁気センサ１５は、各々が１軸の方向における磁束を検出可能な３つのホール素子が組み合わせられたものであっても良い。磁石１６は、永久磁石または電磁石である。

磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、第１の構造体１１の外縁に設けられている。図２に示す断面において、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、第１の構造体１１の外縁において等間隔で配置されている。磁石１６ａは、磁気センサ１５ａに対向する位置に配置されている。磁気センサ１５ａは、磁石１６ａによって形成される磁界の中に配置されている。磁石１６ｂは、磁気センサ１５ｂに対向する位置に配置されている。磁気センサ１５ｂは、磁石１６ｂによって形成される磁界の中に配置されている。磁石１６ｃは、磁気センサ１５ｃに対向する位置に配置されている。磁気センサ１５ｃは、磁石１６ｃによって形成される磁界の中に配置されている。

磁気センサ１５は、３軸の各方向における磁束の値を出力する。センサユニット１４において、磁気センサ１５と磁石１６との相対位置が変化することによって、磁気センサ１５によって検出される磁束の値が変化する。センサユニット１４は、３次元位置センサとして機能する。センシングデバイス１００は、３つのセンサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃを有することによって、第１の構造体１１の３点において位置の変化を検出する。センシングデバイス１００は、３点の各々についての位置情報を利用することによって、３軸の各方向における第１の構造体１１の移動と、３軸の各々を中心とする第１の構造体１１の回転とを検知する。

センシングデバイス１００は、第２の構造体１２が設置場所に固定されることによって、設置される。センシングデバイス１００は、操作者が第１の構造体１１を動かすことによる第１の構造体１１の変位量を測定する。センシングデバイス１００は、３方向の並進動作と３方向の回転動作との合計６方向についての変位量を測定する。センシングデバイス１００は、第１の構造体１１と同じ動きをロボットに行わせるための入力デバイスとして使用することができる。

センシングデバイス１００は、第１の構造体１１の変位量を力の大きさへ変換することによって、第１の構造体１１が受けた外力の大きさを測定しても良い。センシングデバイス１００は、３方向の並進動作と３方向の回転動作との合計６方向についての外力の大きさを測定する。第１の構造体１１へ加えられた力の大きさに対する変位量を測定することによって、力の大きさと変位量との関係を表す変換則が得られる。センシングデバイス１００は、あらかじめ得られた変換則に基づいて、変位量を力の大きさへ変換する。このように、センシングデバイス１００は、力覚センサとして使用することもできる。

なお、第１の構造体１１の形状と第２の構造体１２の形状とは、図１および図２に示す形状に限られず、任意であるものとする。また、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、第１の構造体１１ではなく第２の構造体１２に取り付けられても良い。この場合、磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、第２の構造体１２ではなく第１の構造体１１に取り付けられる。センサユニット１４ａは、第１の構造体１１と第２の構造体１２とのうちの一方に磁気センサ１５ａが配置され、かつ第１の構造体１１と第２の構造体１２とのうちの他方に磁石１６ａが配置されたものであれば良い。センサユニット１４ｂは、第１の構造体１１と第２の構造体１２とのうちの一方に磁気センサ１５ｂが配置され、かつ第１の構造体１１と第２の構造体１２とのうちの他方に磁石１６ｂが配置されたものであれば良い。センサユニット１４ｃは、第１の構造体１１と第２の構造体１２とのうちの一方に磁気センサ１５ｃが配置され、かつ第１の構造体１１と第２の構造体１２とのうちの他方に磁石１６ｃが配置されたものであれば良い。

図３は、実施の形態１にかかるセンシングデバイスが有する機能構成を示す図である。センシングデバイス１００は、測定装置２０を有する。測定装置２０は、第２の構造体１２に対して第１の構造体１１が移動した距離と、第２の構造体１２に対して第１の構造体１１が回転した回転量とを測定する。なお、図１および図２において測定装置２０の図示を省略している。

磁気センサ１５は、磁束の値の検出結果であるデータを測定装置２０へ出力する。測定装置２０は、磁気センサ１５によって出力されたデータを取得する取得部２１と、測定装置２０を制御する制御部２２と、情報を記憶する記憶部２３と、情報を出力する出力部２４とを有する。

制御部２２は、取得部２１において取得されたデータの演算処理を行う演算部２５を有する。演算部２５は、センサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各々による検出結果に基づいた演算によって、第２の構造体１２に対する第１の構造体１１の移動量についての測定結果を求める。また、演算部２５は、センサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各々による検出結果に基づいた演算によって、第２の構造体１２に対する第１の構造体１１の回転量についての測定結果を求める。なお、演算部２５は、第１の構造体１１の変位量を力の大きさへ変換することによって、第１の構造体１１が受けた外力についての測定結果を求めても良い。すなわち、演算部２５は、複数のセンサユニット１４の各々による検出結果に基づいた演算によって、第１の構造体１１の移動量と、第１の構造体１１の回転量と、第１の構造体１１が受けた外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を求める。

制御部２２は、センサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各々による検出結果に基づいて異常の有無を判定する判定部２６を有する。異常とは、第１の構造体１１の動きを正常に検知することができなくなる状態であって、磁気センサ１５と磁石１６との相対的な位置変化以外の要因によって磁束が変化する状態を指す。実施の形態１において、判定部２６は、第２の構造体１２に配置された素子である磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃ同士の距離を求めた結果に基づいて異常の有無を判定する。

記憶部２３は、演算部２５による演算によって得られた測定結果を記憶する。また、記憶部２３は、演算部２５による演算において使用される各種パラメータと、判定部２６による判定において使用される各種パラメータとを記憶する。出力部２４は、測定結果を出力する。また、出力部２４は、判定部２６によって異常ありと判定された場合に、アラームを出力する。出力部２４は、外部の機器へアラーム信号を出力する。または、出力部２４は、音声デバイスによるアラーム音の発生あるいは表示デバイスによるアラーム表示によってアラームを出力しても良い。

次に、演算部２５による測定結果の算出について説明する。演算部２５は、各磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによる磁束の値の検出結果から、６自由度の変位を表す変位データへの変換を行う。６自由度の変位とは、３軸の各方向についての並進動作による変位と、３軸の各々を中心とする回転動作による変位とである。なお、以下の説明では、各磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによる磁束の値の検出結果を、磁気データと称することがある。

第１の構造体１１について、６自由度の変位を表すベクトルＧは、次の式（１）のように定義される。ここで、「Ｘ」は、３軸のうちの第１軸の方向の並進動作を表す。「Ｙ」は、３軸のうちの第２軸の方向の並進動作を表す。「Ｚ」は、３軸のうちの第３軸の方向の並進動作を表す。「Ａ」は、３つの回転方向のうちの第１の回転方向の回転動作を表す。「Ｂ」は、３つの回転方向のうちの第２の回転方向の回転動作を表す。「Ｃ」は、３つの回転方向のうちの第３の回転方向の回転動作を表す。式（１）において、「Ｇ∈Ｒ^６×１」は、実数からなる６行１列の要素によってベクトルＧが構成されていることを表す。

磁気センサ１５ａによって得られる磁気データを「Ｍ_１」、磁気センサ１５ｂによって得られる磁気データを「Ｍ_２」、ならびに磁気センサ１５ｃによって得られる磁気データを「Ｍ_３」として、「Ｍ_ｎ」（ｎ＝１，２，３）は、次の式（２）によって表される。

なお、「ｘ_１」は、磁気センサ１５ａによって検出された第１軸の方向についての磁束の値を表す。「ｙ_１」は、磁気センサ１５ａによって検出された第２軸の方向についての磁束の値を表す。「ｚ_１」は、磁気センサ１５ａによって検出された第３軸の方向についての磁束の値を表す。「ｘ_２」は、磁気センサ１５ｂによって検出された第１軸の方向についての磁束の値を表す。「ｙ_２」は、磁気センサ１５ｂによって検出された第２軸の方向についての磁束の値を表す。「ｚ_２」は、磁気センサ１５ｂによって検出された第３軸の方向についての磁束の値を表す。「ｘ_３」は、磁気センサ１５ｃによって検出された第１軸の方向についての磁束の値を表す。「ｙ_３」は、磁気センサ１５ｃによって検出された第２軸の方向についての磁束の値を表す。「ｚ_３」は、磁気センサ１５ｃによって検出された第３軸の方向についての磁束の値を表す。（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）は、磁気データ「Ｍ_１」である３つの値である。（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）は、磁気データ「Ｍ_２」である３つの値である。（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）は、磁気データ「Ｍ_３」である３つの値である。

９つの値である磁気データ「Ｍ_１」、「Ｍ_２」および「Ｍ_３」を６自由度の変位へ変換する行列を「Ｈ」、「ａ_１１，・・・，ａ_６９」を行列「Ｈ」の要素とした場合、次の式（３）および（４）が成り立つ。

上記の式（３）および（４）の詳細は、次の式（５）によって表される。

なお、上記の式（３）から（５）は、演算部２５へ入力される磁気データがゼロである場合に、演算部２５により出力される６自由度の変位データがゼロとなるように線形化が行われる場合を表している。演算部２５へ入力される磁気データがゼロであるときに演算部２５により出力される６自由度の変位データがゼロ以外の値となる場合は、ベクトルＧは、定数項である「Ｅ」を用いて次の式（６）によって表される。

変位データがゼロ以外の値となる場合における変換は、ｘ_１’＝ｘ_１−ｅ_１というように変数を設定することによって、変位データがゼロとなる場合における変換と同様に扱うことができる。実施の形態１と、後述する実施の形態２とでは、定数項を付けないものとして説明を行う。

行列「Ｈ」は、既知のベクトルＧに対する「Ｍ_ｎ」の測定により得られた測定データを基に、重回帰分析等の手法を用いることによって、求めることができる。記憶部２３は、行列「Ｈ」の情報を記憶する。演算部２５は、記憶部２３から読み出された行列「Ｈ」に基づいて、磁気データ「Ｍ_ｎ」から６自由度の変位データへの変換を行う。

なお、演算部２５は、上記の式（３）から（５）とは別の式に基づいて変位データを算出しても良い。変位データの算出において使用される式は、磁気データである各値の一次項を含む式に限られず、磁気データである各値の高次項を含む式であっても良い。

センシングデバイス１００は、３つのセンサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃを用いて、磁束の検出値である９つの検出結果を取得する。９つの検出結果は、３つのセンサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃが３軸の各方向についての磁束の値を検出した結果である。センシングデバイス１００は、かかる９つの検出結果に基づく演算によって、変位データである６つの測定結果を得る。６つの測定結果は、３軸の各方向についての第１の構造体１１の移動量と、３軸の各々を中心とする第１の構造体１１の回転量との測定結果である。このように、複数のセンサユニット１４の各々による検出結果である値の個数は、演算部２５での演算によって得られる測定結果であって第１の構造体１１の移動量と第１の構造体１１の回転量とについての測定結果である値の個数よりも多い。すなわち、複数のセンサユニット１４によって得られる検出結果の次元の数は、演算部２５での演算によって得られる測定結果の次元の数よりも大きい。

６自由度の変位データは、９つよりも少ない個数の検出値からも算出し得ることから、測定装置２０には、操作体の動き検知においていわば冗長なデータを含む検出結果がセンサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃから入力される。センシングデバイス１００は、かかる検出結果を判定部２６での判定において利用することによって、検知における異常の有無を確認する。なお、複数のセンサユニット１４の各々による検出結果である値の個数は、移動量と回転量と外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果である値の個数よりも多ければ良い。センシングデバイス１００には、測定結果である値の個数よりも多くの個数の値を得ることを可能とする複数のセンサユニット１４が設けられている。

次に、判定部２６による判定について説明する。図４は、図２に示す断面における磁気センサと磁石との位置関係について説明する第１の図である。図４には、基準状態におけるセンシングデバイス１００を表している。なお、図４と後述する図５とでは、断面を表すハッチングを省略している。

図４において、ベクトルＰ_１は、中心軸Ｎから磁気センサ１５ａの位置へ向かう３次元ベクトルである。ベクトルＰ_２は、中心軸Ｎから磁気センサ１５ｂの位置へ向かう３次元ベクトルである。ベクトルＰ_３は、中心軸Ｎから磁気センサ１５ｃの位置へ向かう３次元ベクトルである。磁気センサ１５の位置とは、磁気センサ１５での磁束の検出における基準とする位置とする。

ベクトルＤ_１は、磁気センサ１５ａの位置から磁石１６ａの位置へ向かう３次元ベクトルである。ベクトルＤ_１の大きさと向きは、基準状態における磁気センサ１５ａと磁石１６ａとの位置関係によって定まる。ベクトルＤ_２は、磁気センサ１５ｂの位置から磁石１６ｂの位置へ向かう３次元ベクトルである。ベクトルＤ_２の大きさと向きは、基準状態における磁気センサ１５ｂと磁石１６ｂとの位置関係によって定まる。ベクトルＤ_３は、磁気センサ１５ｃの位置から磁石１６ｃの位置へ向かう３次元ベクトルである。ベクトルＤ_３の大きさと向きは、基準状態における磁気センサ１５ｃと磁石１６ｃとの位置関係によって定まる。磁石１６の位置とは、磁石１６のうち３次元方向における中心の位置とする。

３次元空間における磁石１６ａの位置と磁石１６ｃの位置との間の距離をＬ_１とすると、Ｌ_１は、次の式（７）によって表される。３次元空間における磁石１６ａの位置と磁石１６ｂの位置との間の距離をＬ_２とすると、Ｌ_２は、次の式（８）によって表される。３次元空間における磁石１６ｂの位置と磁石１６ｃの位置との間の距離をＬ_３とすると、Ｌ_３は、次の式（９）によって表される。なお、式（７）から（９）、および後述する式において、「Ｐ_１」はベクトルＰ_１、「Ｐ_２」はベクトルＰ_２、「Ｐ_３」はベクトルＰ_３、「Ｄ_１」はベクトルＤ_１、「Ｄ_２」はベクトルＤ_２、「Ｄ_３」はベクトルＤ_３をそれぞれ表すものとする。

図５は、図２に示す断面における磁気センサと磁石との位置関係について説明する第２の図である。図５には、第１の構造体１１が基準状態のときの位置から移動した状態におけるセンシングデバイス１００を表している。

磁気センサ１５ａと磁石１６ａとについて、基準状態からの相対的な位置変化を表すベクトル成分を「ΔＤ_１」とする。磁気センサ１５ｂと磁石１６ｂとについて、基準状態からの相対的な位置変化を表すベクトル成分を「ΔＤ_２」とする。磁気センサ１５ｃと磁石１６ｃとについて、基準状態からの位置変化を表すベクトル成分を「ΔＤ_３」とする。Ｌ_１は、次の式（１０）によって表される。Ｌ_２は、次の式（１１）によって表される。Ｌ_３は、次の式（１２）によって表される。

磁石１６ａと磁石１６ｂと磁石１６ｃとは、いずれも剛体である第２の構造体１２に設けられていることから、Ｌ_１とＬ_２とＬ_３とのそれぞれは、基準状態のときと、基準状態から第１の構造体１１が移動した後とにおいて不変である。

「Ｄ_１＋ΔＤ_１」の長さと「Ｄ_３＋ΔＤ_３」の長さとについて、式（１０）によって表される相関関係は、「ΔＤ_１」の長さと「ΔＤ_３」の長さとに関わらず保たれる。「Ｄ_１＋ΔＤ_１」の長さと「Ｄ_２＋ΔＤ_２」の長さとについて、式（１１）によって表される相関関係は、「ΔＤ_１」の長さと「ΔＤ_２」の長さとに関わらず保たれる。「Ｄ_２＋ΔＤ_２」の長さと「Ｄ_３＋ΔＤ_３」の長さとについて、式（１２）によって表される相関関係は、「ΔＤ_２」の長さと「ΔＤ_３」の長さとに関わらず保たれる。

ただし、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃのうちのいずれかが、センシングデバイス１００の外に存在する磁界の影響を受けたことによって磁気データ「Ｍ_ｎ」に変化が生じた場合、式（１０）から式（１２）によって表される相関関係が成立しなくなる。磁界の影響を受けた場合のみならず、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃのうちのいずれかにおいて動作に異常が生じた場合のように、磁気データ「Ｍ_ｎ」を変化させる事態が発生した場合に、かかる相関関係が成立しなくなる。判定部２６は、かかる相関関係が崩れた場合に、検知異常が生じていると判定する。検知異常は、磁気センサ１５と磁石１６との相対的な位置変化以外の要因によって検知結果が変化する異常とする。検知異常が生じている場合、センシングデバイス１００は、第１の構造体１１の動きを正常に検知することができない。

判定部２６は、次の式（１３）から式（１５）の全てを満足する場合、検知異常は生じていないと判定する。また、判定部２６は、次の式（１３）から式（１５）のうちの少なくとも１つを満足しない場合、検知異常が生じていると判定する。

上記の式（１３）における||Ｐ_１＋Ｄ_１＋ΔＤ_１−（Ｐ_３＋Ｄ_３＋ΔＤ_３）||は、磁石１６ａと磁石１６ｃとの距離を求めた結果を表す。ΔＬ_１は、Ｌ_１と||Ｐ_１＋Ｄ_１＋ΔＤ_１−（Ｐ_３＋Ｄ_３＋ΔＤ_３）||との差がノイズ等の誤差であるか否かの判断のための閾値である。上記の式（１４）における||Ｐ_２＋Ｄ_２＋ΔＤ_２−（Ｐ_１＋Ｄ_１＋ΔＤ_１）||は、磁石１６ａと磁石１６ｂとの距離を求めた結果を表す。ΔＬ_２は、Ｌ_２と||Ｐ_２＋Ｄ_２＋ΔＤ_２−（Ｐ_１＋Ｄ_１＋ΔＤ_１）||との差がノイズ等の誤差であるか否かの判断のための閾値である。上記の式（１５）における||Ｐ_３＋Ｄ_３＋ΔＤ_３−（Ｐ_２＋Ｄ_２＋ΔＤ_２）||は、磁石１６ｂと磁石１６ｃとの距離を求めた結果を表す。ΔＬ_３は、Ｌ_３と||Ｐ_３＋Ｄ_３＋ΔＤ_３−（Ｐ_２＋Ｄ_２＋ΔＤ_２）||との差がノイズ等の誤差であるか否かの判断のための閾値である。

検知異常が生じた場合には、上記の相関関係が成り立たなくなることによって、Ｌ_１と||Ｐ_１＋Ｄ_１＋ΔＤ_１−（Ｐ_３＋Ｄ_３＋ΔＤ_３）||との差、Ｌ_２と||Ｐ_２＋Ｄ_２＋ΔＤ_２−（Ｐ_１＋Ｄ_１＋ΔＤ_１）||との差、およびＬ_３と||Ｐ_３＋Ｄ_３＋ΔＤ_３−（Ｐ_２＋Ｄ_２＋ΔＤ_２）||との差の少なくともいずれかが、誤差よりも大きくなる。これにより、判定部２６は、式（１３）から式（１５）に基づいて検知異常が生じたか否かを判定することができる。

このように、判定部２６は、第２の構造体１２に配置された要素である磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃ同士の距離を求めた結果に基づいて、検知異常の有無を判定する。なお、判定部２６は、第１の構造体１１に配置された要素である磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ同士の距離を求めた結果に基づいて、検知異常の有無を判定しても良い。

図６は、実施の形態１にかかるセンシングデバイスの動作について説明するフローチャートである。磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、第１の構造体１１が操作されたときに、磁束を検出する。ステップＳ１において、取得部２１は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによって検出された磁気データを取得する。演算部２５は、ステップＳ１において得られた磁気データに基づいて、第１の構造体１１の移動量と第１の構造体１１の回転量とを算出する。測定装置２０は、演算部２５による演算によって、第１の構造体１１の移動量と回転量との測定結果を求める。

ステップＳ２において、判定部２６は、ステップＳ１において得られた磁気データに基づいて、条件式である上記の式（１３）から式（１５）を満たすか否かを判断する。条件式を満たすと判断した場合（ステップＳ２，Ｙｅｓ）、判定部２６は、検知異常は生じていないと判定する。出力部２４は、演算部２５での演算によって得られた測定結果を出力する。

一方、条件式を満たさないと判断した場合（ステップＳ２，Ｎｏ）、判定部２６は、検知異常が生じていると判断する。出力部２４は、測定結果を出力せず、ステップＳ３においてアラームを出力する。以上により、センシングデバイス１００は、図６に示す手順による動作を終了する。

次に、測定装置２０が有するハードウェア構成について説明する。測定装置２０が有する機能は、処理回路を使用して実現される。処理回路は、測定装置２０に搭載される専用のハードウェアである。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであっても良い。

図７は、実施の形態１にかかる測定装置のハードウェア構成の例を示す第１の図である。図７には、測定装置２０の機能が専用のハードウェアを使用して実現される場合におけるハードウェア構成を示している。測定装置２０は、各種処理を実行する処理回路４１と、各種情報を記憶する外部記憶装置４２と、測定装置２０の外部の機器との接続インタフェースである入出力インタフェース４３とを備える。入出力インタフェース４３は、キーボードあるいはポインティングデバイスといった情報入力のための入力デバイス、または、表示デバイスあるいは音声デバイスといった情報出力のための出力デバイスを有しても良い。図７に示す測定装置２０の各部は、バスを介して相互に接続されている。

専用のハードウェアである処理回路４１は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらの組み合わせである。図３に示す演算部２５および判定部２６の各機能は、処理回路４１を用いて実現される。外部記憶装置４２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）あるいはＳＳＤ（Solid State Drive）である。記憶部２３の機能は、外部記憶装置４２を用いて実現される。取得部２１および出力部２４の各機能は、入出力インタフェース４３を用いて実現される。

図８は、実施の形態１にかかる測定装置のハードウェア構成の例を示す第２の図である。図８には、測定装置２０の機能がプログラムを実行するハードウェアを用いて実現される場合におけるハードウェア構成を示している。プロセッサ４４およびメモリ４５は、外部記憶装置４２および入出力インタフェース４３と相互に接続されている。

プロセッサ４４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。図３に示す演算部２５および判定部２６の各機能は、プロセッサ４４と、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、内蔵メモリであるメモリ４５に格納される。メモリ４５は、不揮発性もしくは揮発性の半導体メモリであって、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）またはＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）である。

実施の形態１によると、判定部２６は、センサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各々による検出結果に基づいて、磁気センサ１５と磁石１６との相対的な位置変化以外の要因による磁束の変化の有無を判定する。判定部２６は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃと磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃとのうち、第１の構造体１１に配置された要素同士の距離を求めた結果、あるいは第２の構造体１２に配置された要素同士の距離を求めた結果に基づいて、異常の有無を判定する。これにより、センシングデバイス１００は、検知に異常が生じたことを確認することができるという効果を奏する。

実施の形態１において、測定装置２０は、センシングデバイス１００を構成する第１の構造体１１および第２の構造体１２と一体に設けられている。センシングデバイス１００の機能は、第１の構造体１１および第２の構造体１２とは離れた位置に設けられた装置を使用して実現されても良い。

図９は、実施の形態１の変形例について説明する図である。変形例にかかるセンシングデバイスシステム２００は、センシングデバイス１０１と測定装置２８とを有する。センシングデバイス１０１は、第１の構造体１１と第２の構造体１２とを有する。センシングデバイス１０１と測定装置２８とは、互いに通信可能に接続される。センシングデバイス１０１と測定装置２８とは、無線通信によるネットワークあるいは有線通信によるネットワークを介して接続される。センシングデバイスシステム２００は、互いに通信可能なセンシングデバイス１０１と測定装置２８とによって、図３に示すセンシングデバイス１００と同様の機能を実現する。

センシングデバイス１０１には、図３に示す測定装置２０に代えて通信部１７が設けられている。測定装置２８には、取得部２１に代えて通信部２７が設けられている。通信部１７は、センシングデバイス１０１の外部の装置との通信を担う通信インタフェースを用いて実現される。通信部２７は、測定装置２８の外部の装置との通信を担う通信ネットワークを用いて実現される。本変形例にかかるセンシングデバイスシステム２００は、上記のセンシングデバイス１００と同様に、検知に異常が生じたことを確認することができる。

実施の形態１では、センシングデバイス１００は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによって得られる９つの値ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１，ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２，ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３を変位データへ変換する。また、センシングデバイス１００は、Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３が不変であることによって決定される相関関係が成り立つか否かによって検知異常が生じたか否かを判定する。演算部２５は、９つの値のうちの少なくとも６つを使うことによって、６自由度の変位データを求めることができる。次に説明する実施の形態２では、センシングデバイス１００は、９つの値のうち変位データの算出に使用される値の選択パターンを変更して変位データを算出し、算出された変位データが一致するか否かによって検知異常が生じたか否かを判定する。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２にかかるセンシングデバイスの動作について説明するフローチャートである。実施の形態２において、演算部２５は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによって得られる磁気データから選択された値に基づいて、変位データを求める。また、演算部２５は、磁気データからの値の選択パターンを変更して変位データを算出する。判定部２６は、選択パターンを変更して算出された変位データが一致するか否かによって検知異常が生じたか否かを判定する。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。

ステップＳ１１において、取得部２１は、磁気データである９つの値「ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１，ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２，ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３」を取得する。ステップＳ１２において、演算部２５は、複数のデータセットの各々について、変位データを算出する。演算部２５は、磁気センサ１５ａでの検出による「ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１」のうちの少なくとも１つと、磁気センサ１５ｂでの検出による「ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２」のうちの少なくとも１つと、磁気センサ１５ｃでの検出による「ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３」のうちの少なくとも１つとが含まれるように、値を選択する。

ここで、演算部２５は、９つの値のうちの６つを使用して、６自由度の変位データを求めるとする。演算部２５は、９つの値から選択された６つの値からなる第１のデータセットである「ｘ_１，ｙ_１，ｘ_２，ｙ_２，ｘ_３，ｙ_３」を用いて、変位データを求めるとする。第１のデータセットを６自由度の変位データへ変換する行列を「Ｉ」、「ｂ_１１，・・・，ｂ_６６」を行列「Ｉ」の要素とした場合、次の式（１６）が成り立つ。

演算部２５は、第１のデータセットとは選択のパターンを異ならせた第２のデータセットである「ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１，ｘ_２，ｙ_２，ｘ_３」を基に、変位データを求めるとする。第２のデータセットを６自由度の変位データへ変換する行列を「Ｉ’」、「ｂ’_１１，・・・，ｂ’_６６」を行列「Ｉ’」の要素とした場合、次の式（１７）が成り立つ。

磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃのうちのいずれかが、センシングデバイス１００の外に存在する磁界の影響を受けたことによって磁気データに変化が生じた場合、変位データの算出結果に違いが生じることになる。判定部２６は、第１のデータセットを用いて算出された変位データと、第２のデータセットを用いて算出された変位データとを比較する。ステップＳ１３において、判定部２６は、複数のデータセットの各々について算出された変位データが一致しているか否かを判断する。

判定部２６は、第１のデータセットを用いて算出された変位データと第２のデータセットを用いて算出された変位データとが一致する場合に、検知異常は生じていないと判定する。判定部２６は、第１のデータセットを用いて求めた変位データと第２のデータセットを用いて求めた変位データとが一致しない場合に、検知異常は生じていないと判定する。判定部２６は、３つ以上のデータセットについての変位データが互いに一致するか否かに基づいて検知異常の有無を判定しても良い。

複数のデータセットの各々について算出された変位データが一致している場合（ステップＳ１３，Ｙｅｓ）、判定部２６は、検知異常は生じていないと判定する。出力部２４は、演算部２５での演算によって得られた測定結果を出力する。

一方、複数のデータセットの各々について算出された変位データが一致していない場合（ステップＳ１３，Ｎｏ）、判定部２６は、検知異常が生じていると判断する。出力部２４は、測定結果を出力せず、ステップＳ１４においてアラームを出力する。以上により、センシングデバイス１００は、図１０に示す手順による動作を終了する。

演算部２５は、９つの値から選択された７つの値からなるデータセットを基に、変位データを求めても良い。演算部２５は、７つの値である「ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１，ｘ_２，ｙ_２，ｘ_３，ｙ_３」を基に、変位データを求めるとする。当該データセットを６自由度の変位データへ変換する行列を「Ｊ」、「ｃ_１１，・・・，ｃ_６７」を行列「Ｊ」の要素とした場合、次の式（１８）が成り立つ。

また、演算部２５は、９つの値から選択された８つの値からなるデータセットを基に、変位データを求めても良い。演算部２５は、磁気データから７つあるいは８つの値を選択する場合も、磁気データからの値の選択パターンを変更して変位データを算出することができる。判定部２６は、複数のデータセットについての変位データが互いに一致するか否かに基づいて検知異常の有無を判定することができる。

実施の形態２によると、演算部２５は、変位データの算出に使用される値の選択パターンを変更して複数の変位データを求める。判定部２６は、算出された複数の変位データが一致するか否かによって異常の有無を判定する。これにより、センシングデバイス１００は、検知に異常が生じたことを確認することができるという効果を奏する。なお、実施の形態２にかかるセンシングデバイス１００と同様の機能は、上記のセンシングデバイスシステム２００によって実現されても良い。

実施の形態１および２において、センシングデバイス１００，１０１に設けられるセンサユニット１４の数は、３つに限られず、３つより少なくても良く、３つより多くても良い。センサユニット１４の数は、変位データについて所望される自由度に応じて、任意に変更しても良い。センシングデバイス１００，１０１は、３軸の各方向における磁気センサ１５と磁石１６との相対的な位置変化を検出可能なセンサユニット１４が２つ設けられることによって、３軸の各方向における第１の構造体１１の並進動作を検知するものであっても良い。また、センシングデバイス１００，１０１には、３軸の各方向における磁気センサ１５と磁石１６との相対的な位置変化を検出するセンサユニット１４のほか、２軸の各方向あるいは１軸の方向における磁気センサ１５と磁石１６との相対的な位置変化を検出するセンサユニット１４が設けられても良い。また、実施の形態２において、演算部２５は、４つ以上の磁気センサ１５の各々によって検出された値から値を選択して、変位データを求めても良い。

第１の構造体１１と第２の構造体１２とは、弾性体１３によって連結されるものに限られない。第１の構造体１１と第２の構造体１２とは、第２の構造体１２に対して第１の構造体１１が並進動作または回転動作が可能であれば良い。センシングデバイス１００，１０１は、弾性体１３に代えて、第１の構造体１１を並進動作させるリニアガイドを有していても良い。

センシングデバイス１００，１０１は、ロボットの入力デバイスに使用することができる。ロボットの入力デバイスであるセンシングデバイス１００，１０１は、人が操作体に触れたときの操作体の動きあるいは人が操作体に触れたときに操作体が受けた力を測定して、測定結果をロボットの制御装置へ出力する。制御装置は、測定結果にしたがった並進動作と回転動作とをロボットに行わせる。このように、センシングデバイス１００，１０１は、人の操作にしたがってロボットを動作させるための入力デバイスとして使用することができる。

なお、センシングデバイス１００およびセンシングデバイスシステム２００は、上記した演算以外の手法によって異常の有無を判定しても良い。また、センシングデバイス１００およびセンシングデバイスシステム２００は、上記した演算以外の手法によって、第１の構造体１１の移動量と、第１の構造体１１の回転量と、第１の構造体１１が受けた外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を求めても良い。実施の形態３では、上記した演算以外の手法の１つである機械学習によって異常の有無を判定する場合について説明する。実施の形態４では、上記した演算以外の手法の１つである機械学習によって、第１の構造体１１の移動量と、第１の構造体１１の回転量と、第１の構造体１１が受けた外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を求める場合について説明する。

実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３にかかるセンシングデバイスが有する機能構成を示す図である。実施の形態３では、上記の実施の形態１および２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１および２とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態３にかかるセンシングデバイス１０２は、測定装置５０を有する。測定装置５０は、取得部２１と、測定装置５０を制御する制御部５１と、教師データを取得する教師データ取得部５３と、記憶部２３と、出力部２４とを有する。制御部５１は、センサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各々による検出結果に基づいて異常の有無を判定する判定部５２を有する。判定部５２は、学習部５４を有する。

教師データは、外部磁気の存在についての情報である外部磁気情報５５と、第１の構造体１１に配置されている複数の要素である磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ同士の距離を求めた結果と、第２の構造体１２に配置されている複数の要素である磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃ同士の距離を求めた結果とのうちの少なくとも１つに基づいたデータである。外部磁気は、センシングデバイス１０２の外部において発生する磁気である。

学習部５４は、センシングデバイス１０２による検知異常の有無をデータセットに従って学習する。データセットは、状態変数および教師データの組み合わせである。状態変数は、センサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各々による検出結果を含む。取得部２１は、状態変数を観測する状態観測部として機能する。取得部２１と教師データ取得部５３と学習部５４とは、機械学習を実行する機械学習装置として機能する。学習部５４を有する判定部５２の機能は、実施の形態１の場合と同様の処理回路を使用することによって実現される。教師データ取得部５３の機能は、実施の形態１の場合と同様の入出力インタフェース４３を使用することによって実現される。

教師データ取得部５３は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによる磁束の検出結果である各値を取得部２１から取得する。教師データ取得部５３は、磁束の各値を、磁石１６ａの位置と磁石１６ｃの位置との間の距離であるＬ_１と、磁石１６ａの位置と磁石１６ｂの位置との間の距離であるＬ_２と、磁石１６ｂの位置と磁石１６ｃの位置との間の距離であるＬ_３とへ変換する。教師データ取得部５３は、Ｌ_１とＬ_２とＬ_３との変動の有無を判断することによって、かかる判断結果である教師データを取得する。教師データ取得部５３は、取得された教師データを学習部５４へ出力する。

学習部５４は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによる磁束の検出結果である各値を取得部２１から取得する。学習部５４は、状態変数である磁束の値と、Ｌ_１，Ｌ_２およびＬ_３の変動の有無についての判断結果である教師データとを互いに関連付けることによってデータセットを作成する。学習部５４は、演算部２５によって得られた検知結果が正常であるか否かを、データセットに基づいて学習する。検知結果の異常は、センサユニット１４が外部磁気の影響を受けた場合、あるいは、センサユニット１４が故障した場合に発生し得る。

教師データ取得部５３は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ同士の距離について変動の有無を判断し、かかる判断結果である教師データを取得しても良い。教師データ取得部５３は、外部磁気情報５５である教師データを取得しても良い。外部磁気情報５５は、センサユニット１４の出力へ影響を及ぼし得る外部磁気が存在するか否かを示す情報である。この場合、外部測定機器から教師データ取得部５３へ、磁気の測定結果である外部磁気情報５５が入力される。外部測定機器は、センシングデバイス１０２の外部に設けられた測定機器である。また、駆動状態に応じて磁気を発生するデバイスがセンシングデバイス１０２の外部に設置されている場合には、外部磁気情報５５は、デバイスの駆動状態を示す情報であっても良い。この場合、デバイスから教師データ取得部５３へ、外部磁気情報５５が入力される。なお、図１１では、外部測定機器の図示を省略する。

学習部５４は、演算部２５によって得られた検知結果が正常であるか否かを学習する以外に、Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３の変動度合いを示す値あるいは変動度合いを示す情報に類する値を学習しても良い。この場合、演算部２５によって得られた検知結果が正常であるか否かを判定する手段が、判定部５２のうち学習部５４よりも後段に設けられる。かかる手段は、学習部５４からの出力値を参照することによって、演算部２５によって得られた検知結果が正常であるか否かを判定する。

学習部５４へ入力される状態変数は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによる検出値に限られず、かかる検出値への演算処理によって得られた情報であっても良い。演算部２５は、検出値への演算処理によって第１の構造体１１の変位量を算出し、算出された値である状態変数を学習部５４へ出力しても良い。

なお、実施の形態３においても、実施の形態１と同様に、取得部２１へ入力される検出値の個数は、演算部２５での演算によって得られる測定結果の値の個数よりも多い。センシングデバイス１０２には、測定結果の値の個数よりも多くの個数の検出値を得ることを可能とする複数のセンサユニット１４が設けられている。

実施の形態３によると、センシングデバイス１０２は、データセットに従って異常の有無を学習することによって、異常の有無の高精度な判定が可能となる。実施の形態３によると、異常の有無を判定するための処理演算を設計者の手作業によって導出する場合と比較して、判定部５２の設計および実装に要する作業の低減が可能となる。このため、センシングデバイス１０２は、設計作業コストを低減することができる。

実施の形態３における学習は、センシングデバイス１０２の製造の際に行われても良く、センシングデバイス１０２の使用環境における調整の際に行われても良い。センシングデバイス１０２は、センシングデバイス１０２を製造する際の学習によって、磁気センサ１５および磁石１６の特性による個体差の校正、あるいは磁気センサ１５および磁石１６の設置位置による個体差の校正が可能となる。センシングデバイス１０２は、製造時における個体差の校正によって、異常の有無の高精度な判定が可能となる。

また、センシングデバイス１０２が搭載されたロボット等について、ロボット等の立ち上げおよび使用開始のための調整が行われる際に、センシングデバイス１０２は、使用環境における学習を行い得る。センシングデバイス１０２は、使用環境での学習によって、立ち上げおよび使用開始の際の調整作業コストの低減が可能となる。また、センシングデバイス１０２は、使用環境での学習によって、使用環境に合わせて異常の有無の判定を高精度に行うことが可能となる。

学習部５４は、学習の結果を保持する。判定部５２は、判定部５２へ入力される情報と学習の結果とに基づいて異常の有無を判定し、判定結果を出力する。センシングデバイス１０２の運用時において、センシングデバイス１０２は、学習部５４による学習を停止することができる。センシングデバイス１０２は、学習を停止することによって、学習部５４への教師データの入力が不要となる。センシングデバイス１０２は、教師データの入力が不要となることによって、外部磁気情報５５の取得と、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ同士の距離を求める処理と、磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃ同士の距離を求める処理とが不要となる。

センシングデバイス１０２の運用時には、外部磁気情報５５の取得が不要であることによって、外部磁気を測定するための外部測定機器が不要となる。これにより、センシングデバイス１０２は、運用コストを低く抑えながら、運用の際における異常の有無を高精度に判定することが可能となる。センシングデバイス１０２の運用時において、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ同士の距離を求める処理と、磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃ同士の距離を求める処理とを停止できるため、センシングデバイス１０２は、判定部５２による処理のためのリソースを低減することができる。センシングデバイス１０２は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ同士の距離を求める処理と、磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃ同士の距離を求める処理との停止によって、判定部５２による処理の高速化が可能となる。

センシングデバイス１０２は、運用時に教師データを適宜取得することとし、運用の途中における学習を学習部５４によって行っても良い。センシングデバイス１０２は、運用時の教師データに基づく学習によって、環境の変化に合わせて異常の有無の判定を高精度に行うことが可能となる。異常の有無の判断基準となる距離であるＬ_１，Ｌ_２およびＬ_３の変動度合いを示す値を学習部５４が学習する場合、センシングデバイス１０２は、学習部５４から出力される値である当該変動度合いを示す値を参照することによって、異常の前兆を警告する予防保全を行うことが可能となる。なお、実施の形態１にかかるセンシングデバイスシステム２００、あるいは実施の形態２にかかるセンシングデバイス１００は、実施の形態３にかかるセンシングデバイス１０２と同様の学習を行っても良い。

実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４にかかるセンシングデバイスが有する機能構成を示す図である。実施の形態４では、上記の実施の形態１から３と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から３とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態４にかかるセンシングデバイス１０３は、測定装置６０を有する。測定装置６０は、取得部２１と、測定装置６０を制御する制御部６１と、教師データを取得する教師データ取得部６３と、記憶部２３と、出力部２４とを有する。制御部６１は、センサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各々による検出結果に基づいた演算によって、第１の構造体１１の移動量と、第１の構造体１１の回転量と、第１の構造体１１が受けた外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を求める演算部６２を有する。演算部６２は、学習部６４を有する。

教師データは、第１の構造体１１の移動量を実測した結果と、第１の構造体１１の回転量を実測した結果とである。学習部６４は、センシングデバイス１０３による検知異常の有無をデータセットに従って学習する。データセットは、状態変数および教師データの組み合わせである。状態変数は、センサユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各々による検出結果を含む。取得部２１は、状態変数を観測する状態観測部として機能する。取得部２１と教師データ取得部６３と学習部６４とは、機械学習を実行する機械学習装置として機能する。学習部６４を有する演算部６２の機能は、実施の形態１の場合と同様の処理回路を使用することによって実現される。教師データ取得部６３の機能は、実施の形態１の場合と同様の入出力インタフェース４３を使用することによって実現される。

外部測定機器６５は、センシングデバイス１０３の外部に設けられた測定機器である。外部測定機器６５は、第１の構造体１１の移動量と、第１の構造体１１の回転量と、を測定する。教師データ取得部６３は、移動量と回転量との実測結果である教師データを外部測定機器６５から取得する。教師データ取得部６３は、取得された教師データを学習部６４へ出力する。

学習部６４は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによる磁束の検出結果である各値を取得部２１から取得する。学習部６４は、状態変数である磁束の値と、移動量および回転量の実測結果である教師データとを互いに関連付けることによってデータセットを作成する。学習部６４は、第１の構造体１１の移動量と第１の構造体１１の回転量との測定結果を、データセットに基づいて学習する。

なお、教師データは、第１の構造体１１が受けた外力を実測した結果であっても良い。この場合、教師データ取得部６３は、第１の構造体１１が受けた外力の実測結果を外部測定機器６５から取得する。また、学習部６４は、状態変数である磁束の値と、外力の実測結果である教師データとを互いに関連付けることによってデータセットを作成する。学習部６４は、第１の構造体１１が受けた外力を、データセットに基づいて学習する。

学習部６４が学習する外力は、３軸の各方向において第１の構造体１１を並進動作させる力成分である並進力成分と、３軸の各々を中心に第１の構造体１１を回転動作させる力成分であるモーメント成分との、合計６成分からなる。学習部６４が学習する外力は、当該６成分のうちの少なくとも１つであれば良く、当該６成分のうちの任意の成分の組み合わせであっても良い。

このように、教師データ取得部６３は、第１の構造体１１の移動量を実測した結果と、第１の構造体１１の回転量を実測した結果と、第１の構造体１１が受けた外力を実測した結果とのうちの少なくとも１つである教師データを取得するものであれば良い。学習部６４は、移動量と回転量と外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を学習するものであれば良い。

学習部６４へ入力される状態変数は、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによる検出値に限られず、かかる検出値への演算処理によって得られた情報であっても良い。演算部６２は、検出値への演算処理によって第１の構造体１１の変位量を算出し、算出された値である状態変数を学習部５４へ入力しても良い。

なお、実施の形態４においても、実施の形態１と同様に、取得部２１へ入力される検出値の個数は、演算部６２での演算によって得られる測定結果の値の個数よりも多い。センシングデバイス１０３には、測定結果の値の個数よりも多くの個数の検出値を得ることを可能とする複数のセンサユニット１４が設けられている。

実施の形態４によると、センシングデバイス１０３は、データセットに従って移動量、回転量、あるいは外力についての測定結果を学習することによって、第１の構造体１１の移動量、第１の構造体１１の回転量、あるいは第１の構造体１１が受けた外力についての高精度な測定結果を得ることが可能となる。実施の形態４によると、測定結果を求めるための処理演算を設計者の手作業によって導出する場合と比較して、演算部６２の設計および演算部６２の実装に要する作業の低減が可能となる。このため、センシングデバイス１０３は、設計作業コストを低減することができる。

実施の形態４における学習は、センシングデバイス１０３の製造の際に行われても良く、センシングデバイス１０３の使用環境における調整の際に行われても良い。センシングデバイス１０３は、センシングデバイス１０３を製造する際の学習によって、磁気センサ１５および磁石１６の特性による個体差の校正、あるいは磁気センサ１５および磁石１６の設置位置による個体差の校正が可能となる。センシングデバイス１０３は、製造時における個体差の校正によって、高精度な測定結果を得ることが可能となる。

また、センシングデバイス１０３が搭載されたロボット等について、ロボット等の立ち上げおよび使用開始のための調整が行われる際に、センシングデバイス１０３は、使用環境における学習を行い得る。センシングデバイス１０３は、使用環境での学習によって、立ち上げおよび使用開始の際の調整作業コストの低減が可能となる。また、センシングデバイス１０３は、使用環境での学習によって、使用環境に合わせて高精度な測定結果を得ることが可能となる。

学習部６４は、学習の結果を保持する。演算部６２は、演算部６２へ入力される情報と学習の結果とに基づいて測定結果を算出し、測定結果を出力する。センシングデバイス１０３の運用時において、センシングデバイス１０３は、学習部６４による学習を停止することができる。センシングデバイス１０３は、学習を停止することによって、学習部６４への教師データの入力が不要となる。センシングデバイス１０２は、教師データの入力が不要となることによって、外部測定機器６５からの実測結果の取得が不要となる。

センシングデバイス１０３の運用時には、実測結果の取得が不要であることによって、外部測定機器６５が不要となる。これにより、センシングデバイス１０３は、運用コストを低く抑えながら、運用の際における高精度な測定結果を得ることが可能となる。センシングデバイス１０３は、運用時に教師データを適宜取得することとし、運用の途中における学習を学習部６４によって行っても良い。センシングデバイス１０３は、運用時の教師データに基づく学習によって、環境の変化に合わせて高精度な測定結果を得ることが可能となる。なお、実施の形態１にかかるセンシングデバイスシステム２００、あるいは実施の形態２にかかるセンシングデバイス１００は、実施の形態４にかかるセンシングデバイス１０３と同様の学習を行っても良い。

センシングデバイスは、上記の実施の形態３における学習と、実施の形態４における学習との双方を行っても良い。図１３は、実施の形態３における学習と実施の形態４における学習との双方を行うセンシングデバイスの例を示す図である。図１３に示すセンシングデバイス１０４は、実施の形態３にかかるセンシングデバイス１０２と同様に、異常の有無を学習する。また、センシングデバイス１０４は、実施の形態４にかかるセンシングデバイス１０３と同様に、移動量と回転量と外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を学習する。

センシングデバイス１０４は、測定装置７０を有する。測定装置７０は、取得部２１と、測定装置７０を制御する制御部７１と、教師データを取得する教師データ取得部７３と、記憶部２３と、出力部２４とを有する。制御部７１は、学習部７４を有する。教師データ取得部７３は、図１１に示す教師データ取得部５３の機能と、図１２に示す教師データ取得部６３の機能とを有する。学習部７４は、図１１に示す学習部５４の機能と、図１２に示す学習部６４の機能とを有する。制御部７１は、図１１に示す制御部５１の機能と、図１２に示す制御部６１の機能とを有する。図１３では、制御部７１のうち学習部７４以外の構成要素の図示を省略する。

センシングデバイス１０４は、データセットに従って異常の有無を学習することによって、異常の有無の高精度な判定が可能となる。また、センシングデバイス１０４は、データセットに従って、移動量、回転量、あるいは外力についての測定結果を学習することによって、第１の構造体１１の移動量、第１の構造体１１の回転量、あるいは第１の構造体１１が受けた外力についての高精度な測定結果を得ることが可能となる。

実施の形態３の学習機能と実施の形態４の学習機能との双方が一体とされた学習部７４では、双方の学習機能についての入力層などの処理の一部を共通化できる。このため、センシングデバイス１０４は、学習のための処理負荷を低減することができる。また、学習部７４は、異常の有無の判定結果を測定結果の演算に反映することができる。学習部７４は、磁気センサ１５による検出結果のうち異常の要因となる値について、測定結果の演算における重みを減らすこととしても良い。センシングデバイス１０４は、異常の有無の判定結果が測定結果の演算に反映されることによって、測定結果に異常が生じるような環境変化があった場合でも高精度な測定結果を得ることが可能となる。なお、実施の形態１にかかるセンシングデバイスシステム２００、あるいは実施の形態２にかかるセンシングデバイス１００は、センシングデバイス１０４と同様の学習を行っても良い。

実施の形態３および４における学習は、センシングデバイス１０２，１０３，１０４の内部の構成要素である学習部５４，６４，７４を使用して実行されるものに限られない。学習部は、ネットワークを介してセンシングデバイス１０２，１０３，１０４と接続されている外部装置に設けられたものであっても良い。外部装置に設けられた学習部は、ネットワークを介してセンシングデバイス１０２，１０３，１０４から教師データと状態変数とを取得する。外部装置に設けられた学習部による学習結果は、ネットワークを介してセンシングデバイス１０２，１０３，１０４へ送信される。学習部は、クラウドサーバ上に存在するものであっても良い。

学習部５４，７４は、例えば、ニューラルネットワークモデルに従い、いわゆる教師あり学習によって、異常の有無を学習する。学習部６４，７４は、例えば、ニューラルネットワークモデルに従い、いわゆる教師あり学習によって、第１の構造体１１の移動量、第１の構造体１１の回転量、あるいは第１の構造体１１が受けた外力についての測定結果を学習する。ここで、教師あり学習とは、ある入力と入力に対応する結果であるラベルとを含むデータセットを学習部５４，６４，７４へ大量に与えることによって、データセットの特徴を学習部５４，６４，７４に学習させ、入力から結果を推定するモデルをいう。

ニューラルネットワークは、複数のニューロンからなる入力層と、複数のニューロンからなる中間層である隠れ層と、複数のニューロンからなる出力層とで構成される。中間層は、１層、または２層以上でもよい。

図１４は、実施の形態３および４における学習に使用されるニューラルネットワークの構成例を示す図である。図１４に示すニューラルネットワークは、３層のニューラルネットワークである。入力層は、ニューロンＸ１，Ｘ２，Ｘ３を含む。中間層は、ニューロンＹ１，Ｙ２を含む。出力層は、ニューロンＺ１，Ｚ２，Ｚ３を含む。なお、各層のニューロンの数は任意とする。入力層へ入力された複数の値は、重みＷ１であるｗ１１，ｗ１２，ｗ１３，ｗ１４，ｗ１５，ｗ１６が乗算されて、中間層へ入力される。中間層へ入力された複数の値は、重みＷ２であるｗ２１，ｗ２２，ｗ２３，ｗ２４，ｗ２５，ｗ２６が乗算されて、出力層から出力される。出力層から出力される出力結果は、重みＷ１，Ｗ２の値に従って変化する。

学習部５４，７４のニューラルネットワークは、センシングデバイス１０２，１０４による検知における異常の有無を学習する。ニューラルネットワークは、取得部２１によって観測される状態変数と、教師データ取得部５３，７３によって取得される教師データとの組み合わせに基づいて作成されるデータセットに従って、いわゆる教師あり学習によって、状態変数と異常の有無との関係性を学習する。この場合、ニューラルネットワークは、センサユニット１４による検出結果が入力層へ入力されることによって出力層から出力される結果が、外部磁気の存在についての情報、磁気センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ同士の距離を求めた結果、あるいは磁石１６ａ，１６ｂ，１６ｃ同士の距離を求めた結果である教師データに近づくように重みＷ１，Ｗ２を調整することによって、当該関係性を学習する。

学習部６４，７４のニューラルネットワークは、第１の構造体１１の移動量、第１の構造体１１の回転量、あるいは第１の構造体１１が受けた外力についての測定結果を学習する。ニューラルネットワークは、取得部２１によって観測される状態変数と、教師データ取得部５３，７３によって取得される教師データとの組み合わせに基づいて作成されるデータセットに従って、いわゆる教師あり学習によって、状態変数と測定結果との関係性を学習する。この場合、ニューラルネットワークは、センサユニット１４による検出結果が入力層へ入力されることによって出力層から出力される結果が、移動量、回転量あるいは外力についての実測結果である教師データに近づくように重みＷ１，Ｗ２を調整することによって、当該関係性を学習する。

ニューラルネットワークは、いわゆる教師なし学習によって、センシングデバイス１０２，１０４による検知における異常の有無を学習することもできる。また、ニューラルネットワークは、いわゆる教師なし学習によって、第１の構造体１１の移動量、第１の構造体１１の回転量、あるいは第１の構造体１１が受けた外力についての測定結果を学習することもできる。教師なし学習とは、対応する教師出力データを与えずに、入力データを学習部５４，６４，７４へ大量に与えることによって、入力データがどのような分布をしているかを学習部５４，６４，７４に学習させるモデルである。

教師なし学習の手法の１つに、入力データの類似性に基づいて入力データをグループ化するクラスタリングがある。学習部５４，６４，７４は、クラスタリングの結果を使って、何らかの基準を最適にするように出力の割り当てを行うことによって、出力の予測モデルを生成する。学習部５４，６４，７４は、教師なし学習と教師あり学習とが組み合わせられたモデルである半教師あり学習によって、異常の有無あるいは測定結果を学習しても良い。入力データのうちの一部について教師出力データが与えられる一方、その他の入力データには教師出力データが与えられない場合の学習が、半教師あり学習に該当する。

学習部５４，７４は、複数のセンシングデバイス１０２，１０４に対して作成されたデータセットに従って、センシングデバイス１０２，１０４による検知における異常の有無を学習しても良い。また、学習部６４，７４は、複数のセンシングデバイス１０３，１０４に対して作成されたデータセットに従って、第１の構造体１１の移動量、第１の構造体１１の回転量、あるいは第１の構造体１１が受けた外力についての測定結果を学習しても良い。

学習部５４，６４，７４は、同一の現場で使用される複数のセンシングデバイス１０２，１０３，１０４からデータセットを取得しても良く、あるいは、互いに異なる現場で使用される複数のセンシングデバイス１０２，１０３，１０４からデータセットを取得しても良い。データセットは、複数の現場において互いに独立して稼働する複数のロボット等の機器から収集されたものであっても良い。複数のセンシングデバイス１０２，１０３，１０４からのデータセットの収集を開始した後に、データセットが収集される対象に新たなセンシングデバイス１０２，１０３，１０４が追加されても良い。また、複数のセンシングデバイス１０２，１０３，１０４からのデータセットの収集を開始した後に、データセットが収集される対象から、複数のセンシングデバイス１０２，１０３，１０４のうちの一部が除外されても良い。

ある１つのセンシングデバイス１０２，１０３，１０４において検知異常の有無あるいは測定結果の学習を行った学習部５４，６４，７４は、当該センシングデバイス１０２，１０３，１０４以外の他のセンシングデバイス１０２，１０３，１０４へ取り付けられても良い。当該他のセンシングデバイス１０２，１０３，１０４に取り付けられた学習部５４，６４，７４は、当該他のセンシングデバイス１０２，１０３，１０４における再学習によって、出力の予測モデルを更新することができる。

学習部５４，６４，７４が使用する学習アルゴリズムには、特徴量の抽出を学習する深層学習（Deep Learning）を用いることができる。学習部５４，６４，７４は、深層学習以外の公知の方法、例えば、遺伝的プログラミング、機能論理プログラミング、サポートベクターマシンなどに従って機械学習を実行してもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１１ 第１の構造体、１２ 第２の構造体、１３ 弾性体、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ センサユニット、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 磁気センサ、１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 磁石、１７，２７ 通信部、２０，２８，５０，６０，７０ 測定装置、２１ 取得部、２２，５１，６１，７１ 制御部、２３ 記憶部、２４ 出力部、２５，６２ 演算部、２６，５２ 判定部、４１ 処理回路、４２ 外部記憶装置、４３ 入出力インタフェース、４４ プロセッサ、４５ メモリ、５３，６３，７３ 教師データ取得部、５４，６４，７４ 学習部、５５ 外部磁気情報、６５ 外部測定機器、１００，１０１，１０２，１０３，１０４ センシングデバイス、２００ センシングデバイスシステム。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるセンシングデバイスは、外力を受けて動く操作体の動きを検知する。本発明にかかるセンシングデバイスは、操作体である第１の構造体と、操作体以外の構造体である第２の構造体とを備える。本発明にかかるセンシングデバイスは、第１の構造体と第２の構造体とのうちの一方に配置された要素である磁気センサと、第１の構造体と第２の構造体とのうちの他方に配置された要素である磁石とを有し、磁気センサによって検出される磁束の変化に基づいて磁気センサと磁石との相対的な位置変化を検出する複数のセンサユニットと、複数のセンサユニットの各々による検出結果に基づいた演算によって、第２の構造体に対する第１の構造体の移動量と、第２の構造体に対する第１の構造体の回転量と、第１の構造体が受けた外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を求める演算部とを備える。本発明にかかるセンシングデバイスは、磁気センサによって検出される磁束が磁気センサと磁石との相対的な位置変化以外の要因によって変化する異常の有無を、複数のセンサユニットの各々による検出結果に基づいて判定する判定部を備える。

Claims (8)

1. 外力を受けて動く操作体の動きを検知するセンシングデバイスであって、
   前記操作体である第１の構造体と、
   前記操作体以外の構造体である第２の構造体と、
   前記第１の構造体と前記第２の構造体とのうちの一方に配置された要素である磁気センサと、前記第１の構造体と前記第２の構造体とのうちの他方に配置された要素である磁石とを有し、前記磁気センサによって検出される磁束の変化に基づいて前記磁気センサと前記磁石との相対的な位置変化を検出する複数のセンサユニットと、
   前記複数のセンサユニットの各々による検出結果に基づいた演算によって、前記第２の構造体に対する前記第１の構造体の移動量と、前記第２の構造体に対する前記第１の構造体の回転量と、前記第１の構造体が受けた前記外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を求める演算部と、
   前記磁気センサと前記磁石との相対的な位置変化以外の要因によって前記磁束が変化する異常の有無を、前記複数のセンサユニットの各々による検出結果に基づいて判定する判定部と、
   を備えることを特徴とするセンシングデバイス。
2. 前記判定部は、前記第１の構造体に配置されている複数の前記要素同士の距離を求めた結果、あるいは前記第２の構造体に配置されている複数の前記要素同士の距離を求めた結果に基づいて、前記異常の有無を判定することを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
3. 前記演算部は、複数の前記磁気センサの各々によって得られる複数の方向についての磁束の値のうち選択された値に基づいて前記移動量または前記回転量を表す変位データを求め、かつ、前記変位データの算出に使用される値の選択パターンを変更して複数の前記変位データを求め、
   前記判定部は、複数の前記変位データが一致するか否かによって前記異常の有無を判定することを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
4. 前記第２の構造体に対して前記第１の構造体が動作可能に、前記第１の構造体と前記第２の構造体とは互いに連結されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のセンシングデバイス。
5. 前記複数のセンサユニットの各々による検出結果である値の個数は、前記演算部での演算によって得られる前記測定結果である値の個数よりも多いことを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
6. 前記センシングデバイスの外部における磁気の存在についての情報と、前記第１の構造体に配置されている複数の前記要素同士の距離を求めた結果と、前記第２の構造体に配置されている複数の前記要素同士の距離を求めた結果とのうちの少なくとも１つに基づく教師データを取得する教師データ取得部を備え、
   前記判定部は、前記複数のセンサユニットの各々による検出結果を含む状態変数と前記教師データとの組み合わせに基づいて作成されるデータセットに従って、前記異常の有無を学習する学習部を有することを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
7. 前記移動量を実測した結果と前記回転量を実測した結果と前記外力を実測した結果とのうちの少なくとも１つである教師データを取得する教師データ取得部を備え、
   前記演算部は、前記複数のセンサユニットの各々による検出結果を含む状態変数と前記教師データとの組み合わせに基づいて作成されるデータセットに従って、前記移動量と前記回転量と前記外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を学習する学習部を有することを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
8. 外力を受けて動く操作体の動きを検知するセンシングデバイスシステムであって、
   前記操作体である第１の構造体と、
   前記操作体以外の構造体である第２の構造体と、
   前記第１の構造体と前記第２の構造体とのうちの一方に配置された要素である磁気センサと、前記第１の構造体と前記第２の構造体とのうちの他方に配置された要素である磁石とを有し、前記磁気センサによって検出される磁束の変化に基づいて前記磁気センサと前記磁石との相対的な位置変化を検出する複数のセンサユニットと、
   前記複数のセンサユニットの各々による検出結果に基づいた演算によって、前記第２の構造体に対する前記第１の構造体の移動量と、前記第２の構造体に対する前記第１の構造体の回転量と、前記第１の構造体が受けた前記外力とのうちの少なくとも１つについての測定結果を求める演算部と、
   前記磁気センサと前記磁石との相対的な位置変化以外の要因によって前記磁束が変化する異常の有無を、前記複数のセンサユニットの各々による検出結果に基づいて判定する判定部と、
   を備えることを特徴とするセンシングデバイスシステム。

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