(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の６軸力負荷条件下で、力覚センサの使用可能範囲の下限付近及び上限付近の２点のみについて前記力覚センサの各ゲージ出力と内部温度をそれぞれ測定し、これら２点における測定結果から各ゲージ毎の温度係数を定め、これを用いて実際の測定時にソフトウェアによる温度補正を行なうようにした、力覚センサにおける温度補正方法。
【請求項２】
一定の６軸力負荷条件下で、力覚センサの使用可能範囲の下限付近及び上限付近の２点のみについて前記力覚センサの各ゲージ出力と内部温度をそれぞれ測定し、これら２点における測定結果から各ゲージ毎の温度係数を定め、これを用いて実際の測定時に、下記の式、
Ｇｃｏｍｐ−ｉ＝Ｇｉ  −｛ｓｉ  ＊（Ｔ−Ｔ０  ）＋Ｇｔ０−ｉ｝
（但し、
Ｇｃｏｍｐ−ｉ；補正後のｉ番目のゲージ出力
Ｇｉ  ；補正前のｉ番目のゲージ出力
ｓｉ  ；ｉ番目のゲージに関する温度係数
Ｔ；測定時の力覚センサ内部温度出力
Ｔ０  ；基準環境温度下における力覚センサ内部温度出力
Ｇｔ０−ｉ；基準環境温度下におけるｉ番目のゲージ出力）
で表わされる計算を含むソフトウェアによる温度補正を行なうようにした、力覚センサにおける温度補正方法。
【請求項３】
前記一定の６軸力負荷条件が、６軸力無負荷である請求項１または請求項２に記載された力覚センサにおける温度補正方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歪ゲージを利用して力乃至トルクの測定を行なう分野で使用される力覚センサにおける温度補正方法に関する。本発明は、例えば建造物の構成要素の応力測定の用途あるいは力制御を行なうロボット等で使用される力覚センサに適用される。
【０００２】
【従来の技術】
力覚センサは、金属などを用いた機械的な弾性体に歪ゲージなどの応力を電気抵抗値（以下、単に「抵抗値」と言う。）の変化に変換する型の検出器を組み合わせ、弾性体に作用した力乃至トルクを抵抗値の変化として検出するセンサである。一般に、測定量を抵抗値の微小変化に変換する変換要素を用いた検出器においては、測定量（歪ゲージでは応力）に対応した抵抗値の変化分を電圧値として取り出す為に、前記変換素子を組み込んだホイートストン・ブリッジを用いる方式が広く採用されている。
【０００３】
図１はこの方式に従った力覚センサの回路構成の概略を表わした図である。同図に示されているように、力覚センサは８個のゲージＧ１〜Ｇ８を有している。各ゲージＧ１〜Ｇ８の出力電圧は、プログラマブルアンプ（利得可変増幅器）１１〜１８でそれぞれ増幅され、ゲージ毎の出力ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８からなる出力ＬＰＦを提供する。
【０００４】
ゲージＧ１〜Ｇ８は等価な回路構成を有している。そこで、一つのゲージＧｎ（ｎ＝１，２，３・・８）を抽出した図２を参照図に加え、ゲージの回路構成を説明する。一つのゲージＧｎは、２個の歪ゲージＡ，Ｂと２個の固定ブリッジ抵抗ＲＡ  ，ＲＢ  からなるブリッジ構成を有し、このブリッジに励起電圧Ｖｅ  を印加することにより、歪ゲージの電気抵抗変化が電圧値Ｖｎ  として出力される。
【０００５】
但し、図１に示されているように、バランス抵抗ＲＡ  ，ＲＢ  は、全ゲージＧ１〜Ｇ８に共用されている。また、初期設定時の誤差を補正するために、可変抵抗ＶＲｎと固定抵抗Ｒｎを含む初期誤差補正回路が設けられている。この可変抵抗ＶＲｎは、設置時の標準状態（例えば、室温２０°Ｃ；無負荷）における各ゲージＧｎの出力ＬＰＦｎ（ｎ＝１，２，３・・・８）がすべてゼロとなるように調整される。
【０００６】
各歪ゲージＡ，Ｂは、力覚センサボディ上に所定の方向に配向して固定される。ゲージＧ１〜Ｇ８の各端子Ｃに現われる電圧は、対応するプログラマブルアンプ１１〜１８のＩＮ＋  に印加される一方、共用のバランス抵抗ＲＡ  ，ＲＢ  間の端子Ｄに現われる電圧は、対応するプログラマブルアンプ１１〜１８のＩＮ−  に印加される。プログラマブルアンプ１１〜１８は、差電圧を増幅して８個のゲージ出力ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８を生成する。
【０００７】
ゲージ出力ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８（ＬＰＦ）は、適当な信号処理部に送られ、６軸力に変換される。通常、６軸力への変換は、ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８に６×８の変換行列を乗ずる演算（線形変換）を通して行なわれる。信号処理部の構成例については後述する。
【０００８】
今、正確な標準状態の下で初期誤差補正を完了した力覚センサが対象物Ｗに設置されているものとする。この状態で、対象物Ｗになんらかの力／モーメントがかかると、ゲージ出力ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８の一部または全部がゼロでなくなり、少なくともいずれかの成分がゼロでない６軸力が検出される。ここで問題となるのは、測定環境が上記標準状態からずれた場合である。
【０００９】
各ゲージＧ１〜Ｇ８を構成する抵抗、プログラマブルアンプ等の温度特性に起因して、各ゲージ出力は温度変化の影響を受けてシフトする。即ち、対象物Ｗにかかる６軸力が不変でも、ゲージ出力はシフトする。各ゲージ出力に与える温度変化の影響は、温度係数で記述される。温度係数が判れば、環境温度に応じて各ゲージ出力を補正してから６軸力に変換することで正確な測定を行なうことが出来る。
【００１０】
この温度係数は力覚センサの個体毎に違いがあることが多いので、力覚センサの個体毎に温度係数を求めるための作業が必要になる。従来、この温度係数は力覚センサの使用可能範囲（例えば、０°Ｃ〜５０°Ｃ）内で一定ではないことを想定し、使用可能範囲中の多数の点で各ゲージ出力を検出し、その推移から折れ線近似等によって、温度係数を温度に依存して変化する値として求めていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、各設定温度環境を正しく反映したゲージ出力を得るためには、各設定温度（例えば、５°Ｃ，１０°Ｃ，・・・・５０°Ｃ）毎に力覚センサの内部の温度が安定状態（回路の発熱のため、設定温度と必ずしも一致しないことに注意）に収束するまで待つ必要がある。この待機時間は、１つの設定温度について例えば２時間にもおよび、大きな負担になっていた。
【００１２】
そこで、本発明の目的は上記問題点を克服し、力覚センサのゲージ出力の温度補正のための温度係数を簡単に求め、この温度係数を用いて補正を行なうようにした力覚センサにおける温度補正方法を提供し、その事を通して力覚センサ使用に際しての作業負担の軽減を図ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一定の６軸力負荷条件下で、力覚センサの使用可能範囲の下限付近及び上限付近の２点のみについて前記力覚センサの各ゲージ出力と内部温度をそれぞれ測定し、これら２点における測定結果から各ゲージ毎の温度係数を定め、これを用いて実際の測定時にソフトウェアによる温度補正を行なうようにすることで、上記技術課題を解決したものである。
【００１４】
温度補正は、例えば、次式（１）で表現される。
Ｇｃｏｍｐ−ｉ＝Ｇｉ  −｛ｓｉ  ＊（Ｔ−Ｔ０  ）＋Ｇｔ０−ｉ｝      ・・・（１）
ここで、各符号の意味は次の通りである。
Ｇｃｏｍｐ−ｉ；補正後のｉ番目のゲージ出力
Ｇｉ  ；補正前のｉ番目のゲージ出力
ｓｉ  ；ｉ番目のゲージに関する温度係数
Ｔ；測定時の力覚センサ内部温度出力
Ｔ０  ；基準環境温度（例えば、０°Ｃ）下における力覚センサ内部温度出力
Ｇｔ０−ｉ；基準環境温度（例えば、０°Ｃ）下におけるｉ番目のゲージ出力
【００１５】
【発明の実施の形態】
図３は、前述した図１、図２に示した回路から得られるゲージ出力ＬＰＦ（ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８）を用いて、本発明に従って温度補正を行なうためのシステム構成を例示したものである。
力覚センサシステム全体は、図１、図２に示した回路構成を有するセンシング部１０、アナログマルチプレクサ２１、Ａ／Ｄ変換器２２、マイクロプロセッサからなる中央演算処理装置（以下、「ＣＰＵ」と言う。）２０、揮発性メモリ２３、不揮発性メモリ２４及び温度センサ２６で構成されている。そして、アナログマルチプレクサ２１、Ａ／Ｄ変換器２２、メモリ２３，２４は、バスライン２５を介してＣＰＵ２０に接続されている。
【００１６】
アナログマルチプレクサ２１は、ＣＰＵ２０とのインターフェイス回路とアナログマルチプレクサ２１を駆動するドライバ回路を内蔵しており、ＣＰＵ２０から送られる指令に基づいて、アナログマルチプレクサ２１を駆動し、センシング部１０からのゲージ出力ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８及び温度センサ出力を順次Ａ／Ｄ変換器２２へ送り出す。Ａ／Ｄ変換器２２は、各ゲージ出力及び温度センサ出力をデジタル値に変換し、バスライン２５に出力する。
【００１７】
ＣＰＵ２０は、システム全体を統括制御する為の処理、アナログマルチプレクサ２１の制御指令、Ａ／Ｄ変換器２２から出力されたゲージ出力（補正前）及び温度センサ出力の記憶、温度補正処理及び６軸力への変換処理等を不揮発性メモリ２４に格納された諸プログラムに従って実行する。本発明を実施するために、メモリ２３あるいは２４には、前記（１）式の計算に必要なデータの記憶、それらデータに基づく温度係数の計算、諸データの一時記憶並びに前記（１）式の計算処理等を実行するためのプログラムが格納される。
【００１８】
以下、このような力覚センサシステムを用いて、温度補正に必要なデータを獲得する処理手順並びにそれを用いて温度補正された検出出力を得る処理手順について図４、図５のフローチャートを参照して説明する。本実施形態では、前記（１）式計算のための基準温度Ｔｓｔを仕様書で指定される使用可能下限温度Ｔｓｔ＝Ｔｍｉｎ  、温度係数ｓｉ  を求めるためにゲージ出力を測定する他の１点を仕様書で指定される使用可能上限温度Ｔｍａｘ  とする。なお、温度係数ｓｉ  を求める際の６軸力負荷はゼロとする。また、基準温度Ｔｓｔ（＝Ｔｍｉｍ  ）下における各ゲージＧ１〜Ｇ８の初期誤差調整は完了しているものとする。
【００１９】
先ず、励起電圧Ｖｅ  をセンシング部１に印加した状態で基準温度Ｔｓｔ（＝Ｔｍｉｎ  ）下に置く。
【００２０】
次いで、温度係数測定のためのプログラムを起動させ、力覚センサの内部温度の繰り返し検出を開始する（ステップＳ１）。この処理は、力覚センサの内部温度が安定したと判定されるまで続行される（ステップＳ２）。即ち、相前後する検出時の温度出力差ΔＴが適当な小値εを下回った時点で、力覚センサの内部温度が安定したと判定し、最新の内部温度出力を基準温度下における温度出力Ｔ０  として記憶する（ステップＳ３）。更に、次のステップ４で、基準温度下における各ゲージ出力Ｇ０１  〜Ｇ０８  （デジタル値）を順次取り込み記憶する。
【００２１】
次に、励起電圧Ｖｅ  をセンシング部１に印加した状態で、力覚センサを２点目のゲージ出力測定温度Ｔｍａｘ  下に置く。
【００２２】
再度、温度係数測定のためのプログラムを起動させ、力覚センサの内部温度の繰り返し検出を開始し（ステップＳ５）、ステップＳ３と同様の処理で力覚センサの内部温度の安定を判定する（ステップＳ６）。そして、その時点における内部温度出力Ｔ１  を記憶した上で（ステップＳ７）、２点目の温度下における各ゲージ出力Ｇ１１  〜Ｇ１８  （デジタル値）を順次取り込み記憶する（ステップＳ８）。最後に、２組のゲージ出力Ｇ０１  〜Ｇ０８  とＧ１１〜Ｇ１８から、各ゲージＧ１〜Ｇ８の温度係数ｓｉ  を算出・記憶（ステップＳ９）して処理を終了する。なお、基準温度下における温度出力Ｔ０  及びＧｔ０−ｉは、温度係数ｓｉ  と共に不揮発性メモリ２４に格納される。
【００２３】
以上の処理を終えた力覚センサシルテムを用いて６軸力を検出する際の処理は、次のようなものとなる。
６軸力測定のためのプログラムを起動させ、力覚センサの内部温度を検出し、測定時の温度出力Ｔとして記憶する（ステップＭ１）。更に、各ゲージ出力（デジタル値）を順次取り込み、補正前のゲージ出力Ｇ１  〜Ｇ８  として記憶する（ステップＭ２）。
【００２４】
次に、既存の諸データＧｔ０−ｉ，ｓｉ  ，及びＴ０  を用いて、前記（１）式の右辺を計算し、補正後のゲージ出力Ｇｃｏｍｐ−１〜Ｇｃｏｍｐ−８を求める（ステップＭ３）。更に、６軸力変換行列データを用いて、温度補正された６軸力を得る（ステップＭ４）。得られた６軸力が、アプリケーションに応じて利用されることは従来技術と同様である。
【００２５】
以上説明したように、本発明は２点のみのゲージ出力測定を通して、各ゲージンの温度係数を求めるものであるが、このような手法で相当に精度の高い温度補正が実行出来る。これは温度係数が実際には、通常の力覚センサ使用可能範囲においては、かなり良い精度でほぼ一定値をとるからである。図６、図７はこれを確認した実測データをグラフ化したものである。
【００２６】
先ず、図６のグラフは、一般的に使用されている力覚センサについて、外部温度０°Ｃ（基準温度）〜４５°Ｃの間で、１５°Ｃ刻みで４点をとり、センサ内部温度とゲージ出力Ｇ１〜Ｇ８を実測し、折れ線グラフで示したものである。横軸は、内部温度出力を表わし、縦軸がゲージ出力Ｇ１〜Ｇ８を表わしている（単位は便宜的にビットを用いた）。本グラフにおいて、いずれのゲージについても、折れ線の折れ角はあまり大きくなく、温度係数がほぼ一定値をとることを示している。
【００２７】
図７のグラフは、予め外部温度が０°Ｃ（基準温度）と４５°Ｃにおけるゲージ出力から各ゲージに関する温度係数を求めておき、それを図６のグラフの表わすデータの温度補正に適用して、折れ線グラフで示したものである。図６と同じく、横軸は、内部温度出力を表わし、縦軸がゲージ出力Ｇ１〜Ｇ８を表わしている。
【００２８】
本グラフにおいて、いずれのゲージについても、温度−ゲージ出力の勾配が大幅に小さくなり、実行的な意味における温度係数が大きく下方修正されていることを示している。これらのグラフから、２点のみのゲージ出力から求めた温度係数を用いた温度補正によって、力覚センサの温度特性が大幅に改善されることが理解される。
【００２９】
なお、温度係数を得るためのゲージ出力測定は、通常は６軸力無負荷の状態で行なわれるが、無負荷ではなく、一定の６軸力負荷の状態で行なわれても良いことは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、力覚センサの使用可能範囲における測定時の温度補正を行なうための温度係数が２点のみのゲージ出力出力で求められるので、力覚センサ使用に伴う負担が軽減される。また、このようにして求めた温度係数を用いて、十分実用に耐える温度補正が達成され、実効的な意味で力覚センサに小さな温度係数を持たせることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】力覚センサの回路構成の概略を説明する図である。
【図２】図１に示した回路構成における一つのゲージＧｎ（ｎ＝１，２，３・・８）を抽出して説明する図である。
【図３】図１、図２に示した回路から得られるゲージ出力ＬＰＦ（ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８）を用いて、本発明に従って温度補正を行なうためのシステム構成を例示したものである。
【図４】温度係数を求めるための処理を説明するフローチャートである。
【図５】６軸力測定時の処理を説明するフローチャートである。
【図６】一般的に使用されている力覚センサについて、外部温度０°Ｃ（基準温度）〜４５°Ｃの間で、１５°Ｃ刻みで４点をとり、センサ内部温度とゲージ出力Ｇ１〜Ｇ８を実測し、折れ線グラフで示したものである。
【図７】予め外部温度が０°Ｃ（基準温度）と４５°Ｃにおけるゲージ出力から各ゲージに関する温度係数を求めておき、それを図６のグラフの表わすデータの温度補正に適用して、折れ線グラフで示したものである。
【符号の説明】
１０  センシング部
１１〜１８  プログラマブルアンプ
２０  ＣＰＵ
２１  アナログマルチプレクサ
２２  Ａ／Ｄ変換器
２３  揮発性メモリ
２４  不揮発性メモリ
２５  バスライン
２６  温度センサ
Ｇ１〜Ｇ８  歪ゲージ
【図１】
0003623592.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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