(57)【要約】  センサの検出信号を処理する信号処理装置を提供する。  信号処理装置は、センサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する。例えば、前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号をＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低い第２の感度の信号をＡＤ変換する第２の経路を含み、感度が異なる検出信号を生成する。あるいは、前記第１の感度の信号のオフセットを経路毎に変更して、計測範囲が異なる複数の検出信号を生成する。
2019039156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する信号処理部を具備する、信号処理装置。
【請求項２】
前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号をＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低い第２の感度の信号をＡＤ変換する第２の経路を含み、感度が異なる複数の検出信号を生成する、
請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記センサは起歪体に取り付けられたセンサであり、
前記第２の経路では、前記第１の感度の信号の取り得る値の最大値のｎ分の１程度の分解能となるように（但し、ｎ＞１とする）、又は、前記起歪体と前記センサが壊れない破壊強度が最大レンジとなるように、前記第１の感度の信号を減衰する、
請求項２に記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低く且つ前記第２の感度とは異なる第３の感度の信号をＡＤ変換する第３の経路をさらに含む、
請求項２に記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号を前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低い第２の感度の信号をＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低く且つ前記第２の感度とは異なる第３の感度の信号をＡＤ変換する第２の経路を含み、感度が異なる複数の検出信号を生成する、
請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号のオフセットを変更してＡＤ変換する経路を含む、
請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項７】
前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号をＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号のオフセットを変更してＡＤ変換する第２の経路を含む、
請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項８】
前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号のオフセットを変更してＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号を前記第１の経路とは異なるオフセットに設定してＡＤ変換する第２の経路を含む、
請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項９】
前記第２の経路において、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度とは異なる感度の信号に減衰又は増幅する、
請求項８に記載の信号処理装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２の経路の各々において、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度とは異なる感度の信号に減衰又は増幅する、
請求項８に記載の信号処理装置。
【請求項１１】
前記センサの検出信号を低雑音増幅する低雑音増幅器と、前記低雑音増幅器から出力される信号を所定の増幅率で増幅処理し又はオフセット調整する増幅器を含み、前記センサの検出信号から前記第１の感度の信号を生成する第１の増幅部を備える、
請求項２に記載の信号処理装置。
【請求項１２】
各経路でＡＤ変換した後の信号を処理する制御部をさらに備える、
請求項２に記載の信号処理装置。
【請求項１３】
前記制御部は、外部の演算装置とデジタル通信する、
請求項１２に記載の信号処理装置。
【請求項１４】
センサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する信号処理ステップを有する、信号処理方法。
【請求項１５】
起歪体に取り付けられたセンサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する信号処理部を具備する、力検出装置。
【請求項１６】
前記センサは、歪みゲージ、圧電式、磁気式、光学式、静電容量式のいずれかの変形検知センサからなる、
請求項１５に記載の力検出装置。
【請求項１７】
前記感度が異なる複数の信号を用いて、前記起歪体に作用する力又はトルクを演算する演算部をさらに備える、
請求項１５に記載の力検出装置。
【請求項１８】
前記演算部は、第１の感度の前記複数の信号のいずれかが上限に達したときには、部分的に前記第１の感度より低い第２の感度の信号を用いる、
請求項１７に記載の力検出装置。
【請求項１９】
エンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターの近接端側に取り付けられた力センサと、
前記力センサの検出信号を処理する信号処理部と、
を具備し、
前記力センサは、起歪体と、前記起歪体の変形を検出するセンサを有し、
前記信号処理部は前記センサの検出信号を分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する、
ロボット装置。
【請求項２０】
前記エンドエフェクターは、医療用の術具を有する、
請求項１９に記載のロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、センサの検出信号を処理する信号処理装置及び信号処理方法、起歪体に取り付けられたセンサの検出信号に基づいて力を検出する力検出装置、並びに、エンドエフェクターに加わる外力を計測するロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年におけるロボット技術の進歩は目覚ましく、その中で、力センサはさまざまな目的で使用されている。例えば、人との協調作業を行なわせる目的や、なぞり動作などの対象物の形状に依存した動作を行なわせる目的、ロボットに学習を行なわせるための判断基準として活用する目的、作業のログデータとして品質を担保する目的などを挙げることができる。【０００３】
一般に、力センサは起歪体の対辺に１組の歪み検出用のセンサを取り付けて構成される。したがって、６軸力センサには６対以上の歪みセンサが使用されることになる。そして、６軸の力を計測する際には、６対の各歪みセンサから得られた信号を行列演算することにより、６軸の力（具体的には、ＸＹＺ各軸方向の並進力と、各軸回りのトルク）に換算する。【０００４】
力センサを用いて計測される並進力とトルクの間には、使用する起歪体の構造に起因する相関関係が必然的に生じる。例えば、ロボット・ハンドの近接端側に力センサを取り付けて使用する場合、ハンドの長さやハンドが把持する物体の質量などにより、計測する並進力とトルクの比が大幅に変動するため、選定した起歪体構造の並進力とトルクの比と著しく乖離が生じることがある。他方、現実に取り揃えることができる力センサのラインアップには限界がある。何故ならば、加工可能な形状で且つ現実的な価格以内で、目的とする並進力とトルクの比とし、適切な大きさと質量からなる起歪体を製作することが困難だからである。【０００５】
例えば、内側部材と外側部材とが、少なくとも一部に弾性変形を生じる性質を有する複数本の弧状アームによって接続される力覚センサについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。外側部材を固定した状態において、内側部材に外力が作用すると、弧状アームに弾性変形が生じて、内側部材に変位が生じる。したがって、この力覚センサは、弧状アームの弾性変形を検出素子によって電気的に検出することにより、作用した外力を検出するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−７０７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書で開示する技術の目的は、センサの検出信号を適切な計測範囲及び適切な感度で適応的に処理する信号処理装置及び信号処理方法、起歪体に取り付けられたセンサの検出信号を適切な計測範囲及び適切な感度で適応的に処理して力を検出する力検出装置、並びに、エンドエフェクターに加わる外力を計測するロボット装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書で開示する技術は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、センサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する信号処理部を具備する、信号処理装置である。【０００９】
第１の側面に係る信号処理装置は、前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号をＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低い第２の感度の信号をＡＤ変換する第２の経路を含み、感度が異なる複数の検出信号を生成する。あるいは、第１の側面に係る信号処理装置は、前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号のオフセットを変更してＡＤ変換する経路を含む。【００１０】
また、本明細書で開示する技術の第２の側面は、センサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する信号処理ステップを有する、信号処理方法である。【００１１】
また、本明細書で開示する技術の第３の側面は、起歪体に取り付けられたセンサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する信号処理部を具備する、力検出装置である。【００１２】
また、本明細書で開示する技術の第４の側面は、
エンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターの近接端側に取り付けられた力センサと、
前記力センサの検出信号を処理する信号処理部と、
を具備し、
前記力センサは、起歪体と、前記起歪体の変形を検出するセンサを有し、
前記信号処理部は前記センサの検出信号を分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する、
ロボット装置である。前記エンドエフェクターは、医療用の術具を有していてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本明細書で開示する技術によれば、センサの検出信号を適切な計測範囲及び適切な感度で適応的に処理する信号処理装置及び信号処理方法、起歪体に取り付けられたセンサの検出信号を適切な計測範囲及び適切な感度で適応的に処理して力を検出する力検出装置、並びに、エンドエフェクターに加わる外力を計測するロボット装置を提供することができる。【００１４】
なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本発明の効果はこれに限定されるものではない。また、本発明が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。【００１５】
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、６軸力センサ１００の構成例を示した図である。
【図２】図２は、近接端側に力センサ２０１を配置した鉗子２００の構成例を示した図である。
【図３】図３は、歪みセンサの検出信号を処理する信号処理回路３００の構成例を示した図である。
【図４】図４は、信号処理回路３００の変形例を示した図である。
【図５】図５は、Ｎ重化したアンプで計測レンジを分担する様子を示した図である。
【図６】図６は、Ｎ重化したアンプで計測レンジを分担する他の例を示した図である。
【図７】図７は、信号処理回路３００の他の変形例を示した図である。
【図８】図８は、力センサ８０１を取り付けたロボット・アーム８００の構成例を示した図である。
【図９】図９は、図３に示した信号処理回路３００の動作例を示した図である。
【図１０】図１０は、図４に示した信号処理回路３００の動作例を示した図である。
【図１１】図１１は、図４に示した信号処理回路３００の動作例を示した図である。
【図１２】図１２は、第２の実施例に係る信号処理回路１２００の構成例を示した図である。
【図１３】図１３は、信号処理回路１２００の動作例を示した図である。
【図１４】図１４は、信号処理回路１２００の動作例を示した図である。
【図１５】図１５は、信号処理回路１２００の動作例を示した図である。
【図１６】図１６は、第２の実施例に係る信号処理回路１６００の構成例を示した図である。
【図１７】図１７は、信号処理回路１６００の動作例を示した図である。
【図１８】図１８は、信号処理回路１６００の動作例を示した図である。
【図１９】図１９は、信号処理回路１６００の動作例を示した図である。
【図２０】図２０は、信号処理回路１６００の動作例を示した図である。
【図２１】図２１は、第２の実施例に係る信号処理回路２１００の構成例を示した図である。
【図２２】図２２は、第２の実施例に係る信号処理回路２２００の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
力を検出する手法としては、力が加わった際に局所的に変形し易い構造からなる起歪体に歪み検出用のセンサ（以下、単に「歪みセンサ」とも言う）を取り付けて、歪みセンサで計測される起歪体の変形量を力の程度に換算する手法が一般的である。
【００１９】
図１には、起歪体１１０と歪みセンサ１２１、１２２、１２３からなる６軸力センサ１００の構成例を示している。
【００２０】
起歪体１１０は、比較的剛性の高い天板部１１４及び底板部１１５と、天板部１１４を底板部１１５上で支持する細長形状をした３本の支持部１１１、１１２、１１３からなる。起歪体１１０の材料として、例えば、ニッケルクロムモリブデン鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などを挙げることができる。各支持部１１１、１１２、１１３は、可撓性があり、側面にはそれぞれ歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂが取り付けられている。但し、各歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂは、対向して配置された１組の歪みセンサ素子からなる。なお、対向する２個の歪みセンサを１組にして用いるのは、温度変化に起因する成分をキャンセルして温度補償するためであり、２ゲージ法としても知られている。
【００２１】
なお、歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂには、歪みゲージの他、圧電式、磁気式、光学式、静電容量式などさまざまなタイプの検出素子を適用することができる。
【００２２】
例えば、天板部１１４と底板部１１５の間に任意の方向の外力が加わると、少なくともいずれかの支持部１１１、１１２、１１３において、圧縮、伸長、又は撓むといった変形が生じる。歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂは、それぞれ対応する支持部１１１、１１２、１１３と一体となって変形する。例えば、歪みゲージ式の歪みセンサの場合、その変形量に応じて電気抵抗が変化する。電気抵抗の変化は、例えば図示しない演算装置において電圧の変化として捕捉することができ、さらに力の程度に換算することができる。そして、３組の歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂから得られた結果に対して、所定の校正行列を用いてマトリックス演算を実施することで、６軸の力及び回転トルクを計測することができる訳である。
【００２３】
各歪みセンサ１２１、１２２、１２３から出力される信号はアナログ信号であるため、ＡＤコンバータでＮビット（但し、Ｎは正の整数）のデジタル信号にＡＤ変換した後に、パソコンやロボット制御装置などの演算装置に取り込まれ、力の程度への換算などの計算に用いられる。ここで、歪みセンサが出力するアナログ信号をＡＤ変換により例えば１０ビットのデジタル信号に変換した場合には、最小分解能に対して計測できる定格は２の１０乗すなわち１０２４である。したがって、歪みセンサ１２１、１２２、１２３が最小分解能の１０２４倍以上に変形していた場合には最大の値を取得することができない。つまり、定格以上の変形量は分からない。
【００２４】
図１に示すような複数軸の自由度を持つ力センサ１００の場合、各軸に加わる力が各歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂに複合的に加わる。したがって、複数軸において実際に計測できる力の検出感度の関係は、起歪体１１０の構造などに起因して決定される。
【００２５】
力センサを用いて計測される並進力とトルクの間には、使用する起歪体の構造に起因する相関関係が必然的に生じる。例えば、ロボット・ハンドの近接端側に力センサを取り付けて使用する場合、ハンドの長さやハンドが把持する物体の質量などにより、計測する並進力とトルクの比が大幅に変動するため、選定した起歪体構造の並進力とトルクの比と著しく乖離が生じることがある。
【００２６】
しかしながら、現実に取り揃えることができる力センサのラインアップには限界がある。何故ならば、加工可能な形状で且つ現実的な価格以内で、目的とする並進力とトルクの比とし、適切な大きさと質量からなる起歪体を製作することが困難だからである。
【００２７】
例えば、外科手術に用いられる医療用ロボットにおいて、エンドエフェクターとしての鉗子の先端に加わる力を計測する目的で、図２に示すように、医療用の鉗子２００の近接端側に力センサ２０１を配置した場合について考察してみる。但し、鉗子２００の先端から力センサ２０１までの長さを２００ｍｍとする。力センサ２０１は、例えば図１に示したような６軸構成であることを想定している。また、図示の例では、力センサ２０１は、鉗子２００用の駆動ユニット２０２の後段に取り付けられている。
【００２８】
鉗子２００の先端にｘｙｚ各方向に１Ｎの力が加わった場合、ｘｙｚ各方向にＦx＝１Ｎ、Ｆy＝１Ｎ、Ｆz＝１Ｎの並進力が作用するとともに、各軸回りにＭx＝２００Ｎｍｍ、Ｍy＝２００Ｎｍｍ、Ｍz＝０Ｎｍｍのモーメントが作用する。鉗子２００の重量を考慮すると、このときの力センサ２０１の定格は、Ｆx＝１０Ｎ、Ｆy＝１０Ｎ、Ｆz＝１０Ｎ、並びに、Ｍx＝５００Ｎｍｍ、Ｍy＝５００Ｎｍｍ、Ｍz＝１００Ｎｍｍ程度が必要になる。すなわち、鉗子２００が長く、外力が作用する鉗子２００の先端付近から力センサ２０１までの距離が比較的遠いことに起因して、並進力とトルクの比が大きく、極めてアンバランスである。
【００２９】
このように計測すべき並進力とトルクがアンバランスな力センサを設計・製作することは困難である。何故ならば、加工可能な形状で且つ現実的な価格以内で、目的とする並進力とトルクの比とし、適切な大きさと質量からなる起歪体を製作することが困難だからである。
【００３０】
また、並進力とトルクの比が起歪体の開発が可能な範囲であったとしても、用途に応じて並進力とトルクの比が大幅に変動する場合には、それに合わせて起歪体の構造を改めて検討し直さなければならない。
【００３１】
例えば、図８に示すように、ロボット・アーム８００の手首部分に力センサ８０１を搭載する場合は、外力の作用点から力センサまでの距離が比較的近いため、並進力とトルクの比は図２に示した例とは異なり、比較的バランスのよいものとなる。
【００３２】
並進力とトルクの比のアンバランスを起歪体の機械的な構造によって対応しようとすると、所望する並進力とトルクの検出バランスが変わる度に起歪体の構造を変更する必要となる。このため、多種類の起歪体からなる製品を準備する必要があり、量産においてデメリットになる。また、１つの起歪体構造で実現し得る並進力とトルクの検出バランスは狭い範囲であり、構造限界に陥り易い。
【００３３】
また、起歪体の機械的構造に頼らず、自動ゲイン制御や折れ線ゲイン回路を用いて、微小信号から過大信号に至る広い範囲で計測を可能にするという、電気的な解決方法も考えられる。しかしながら、並進力とトルクの検出バランスを電気的に調整する方法は実現例がない。
【００３４】
そこで、本明細書では、歪みセンサなどのセンサからの出力信号を分岐して、アンプを多重化して増幅率の異なる複数通りの信号を生成することによって、異なる感度及び定格レベルの信号を同時に創り出して、センサの出力レベルの幅広い変化に対応する技術について、以下で提案する。この技術を歪みセンサの出力信号の処理に適用すれば、起歪体の構造を変更することなく、並進力とトルクの比の幅広い変化に対応することが可能になる。付言すれば、フィードバックなどが存在しないことから、高速性が求められる用途に対して遅延を発生しないで済むという利点がある。また、この技術は、力センサ以外にも、ポテンショメータの出力信号の処理にも活用することができる。
【実施例１】
【００３５】
図３には、第１の実施例に係る、歪みセンサの検出信号を処理する信号処理回路３００の構成例を示している。図示の信号処理回路３００は、例えば、力センサ１００に接続されるアンプ装置や、力センサ１００の出力信号をパソコンやロボット制御装置などの演算装置３５０に送信する通信ユニットなどの形態で実装される。【００３６】
同図中の歪みセンサは、例えば図１に示した力センサ１００における歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂのいずれかに相当する。基本的には、１組の歪みセンサに対して１つずつ、図３に示すような信号処理回路３００が配設され、歪みセンサの検出信号を処理するものと理解されたい。また、歪みセンサの代わりに、ポテンショメータなど他のセンサの検出信号の処理にも適用することができることを理解されたい。【００３７】
各歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂには、複数の軸に加わる並進力並びにトルクが複合的に加わる。したがって、各歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂの検出信号には、これら複数の成分がそれぞれ含まれている。上述したように計測すべき並進力とトルクがアンバランスであることが想定される場合、例えばｚ軸方向の並進力Ｆzを高感度で検出したいが、その他の軸方向の並進力やトルクはノイズの影響を低減するために低感度で検出したい、という要求がある。また、計測対象に過負荷が加わったときや高速移動したときには、高い分解能は不要で、低感度で検出することができれば十分である。したがって、１つの歪みセンサの検出信号を、複数の感度に適合させて増幅処理する必要がある。【００３８】
第１のアンプ３０１は、歪みセンサの検出信号を入力して、低雑音増幅する。また、第２のアンプ３０２は、低雑音増幅された後の検出信号を、所定の増幅率で増幅処理し、さらに必要に応じて適宜、オフセット調整などの処理を実施する。第１のアンプ３０１及び第２のアンプ３０２を用いた２段階の増幅処理により、歪みセンサの検出信号は、目的に適合する必要な（若しくは、高い）感度を実現するように増幅されるものと理解されたい。【００３９】
第２のアンプ３０２の出力信号は、増幅率の異なる２つの経路に分岐される。一方の経路では、第２のアンプ３０２の出力信号は、第１のＡＤ変換器（ＡＤＣ）３０３でそのままデジタル信号に変換され、高感度の検出信号Ｓとして、後段の制御部３０６に入力される。すなわち、一方の経路では、計測範囲は狭いが高感度で検出したいＦzに対応した検出信号Ｓが創り出される。【００４０】
また、他方の経路では、第２のアンプ３０２の出力信号は、第３のアンプ３０４でさらに増幅された後、第２のＡＤ変換器３０５でデジタル信号に変換され、後段の制御部３０６に入力される。第３のアンプ３０４は、具体的には、入力信号をｎ分の１に減衰するアッテネータ（減衰器）であり（但し、ｎ＞１とする）、第２のＡＤ変換器３０５でデジタル信号に変換された後、低感度の検出信号Ｓ´として制御部３０６に入力される。【００４１】
すなわち、他方の経路では、広い計測範囲にわたって、ノイズの影響を低減した低感度で検出したいＦz以外の軸方向の並進力やトルクに対応した検出信号Ｓ´が創り出される。例えば、第３のアンプ３０４は、高感度の検出信号Ｓの取り得る値の最大値の４分の１程度にしてノイズの影響を低減した分解能となるように、あるいは、起歪体と歪みセンサが壊れない破壊強度が計測範囲となるように、検出信号Ｓを弱くする（若しくは、減衰させる）。なお、第３のアンプ３０４は、減衰率（１／ｎ）が可変な可変アンプであってもよい。【００４２】
図９には、図３に示した信号処理回路３００において、第１のＡＤ変換器３０３から出力される検出信号Ｓと、第２のＡＤ変換器３０５から出力される検出信号Ｓ´のそれぞれの計測範囲を示している。検出信号Ｓの計測範囲９０１は、狭いが、高い分解能で歪みセンサの歪みを計測することが可能である。一方、検出信号Ｓ´の計測範囲９０２は、広く、検出信号Ｓの計測範囲９０１を超えた領域においても、歪みセンサの歪みを計測することが可能である。検出信号Ｓ´の広い計測範囲９０２は、第２のＡＤ変換器３０５で検出信号Ｓを抑圧したことによるものであり、ノイズの影響を低減できる反面、分解能は低くなる。したがって、信号処理回路３００としては、計測範囲９０２に相当する検出レンジを持つが、計測範囲９０１に相当する検出レンジを外れた領域では分解能が低下する。【００４３】
そして、制御部３０６は、１つの歪みセンサから得られる感度の異なる複数の検出信号Ｓ及びＳ´の、外部の演算装置（パソコンやロボット制御装置）３５０へのデジタル・データの通信又はその他のデジタル処理を実施する。【００４４】
このように、図３に示す信号処理回路３００によれば、歪みセンサの検出信号を分岐して、増幅率の異なる複数通りの検出信号を生成することによって、異なる感度及び定格レベルの信号を同時に創り出すことができる。したがって、信号処理回路３００から信号を受信する外部の演算装置側では、軸毎に、各歪みセンサの検出信号のうち、必要に応じて狭い計測範囲で高感度又は広い計測範囲で低感度のいずれかの信号を用いて力に換算する演算を行うので、並進力とトルクの比の幅広い変化に対応することが可能になる。信号処理回路３００によれば、例えば、ｚ軸方向の並進力Ｆzを高感度で検出したいが、その他の軸方向の並進力やトルクはノイズの影響を低減するために低感度で検出したい、という演算装置３５０側における要求に応えることができる。【００４５】
また、図３に示す信号処理回路３００の構成によれば、フィードバックなどが存在しないことから、高速性が求められる用途に対して遅延を発生しないで済むという利点がある。【００４６】
図３では、１組の歪みセンサの検出信号に着目して、信号処理回路３００及び演算装置３５０について説明した。図１に示したような６軸の力センサ１００の場合、合計６組の歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂが装備されるので、歪みセンサ毎に上記の信号処理回路３００が１つずつ配設される。ここで、第ｉ番目の歪みセンサの検出信号から信号処理回路３００により同時に創り出された高感度信号をＳｉとし、低感度信号をＳｉ´とおくと、演算装置３５０には、６つの高感度信号（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4，Ｓ5，Ｓ6）、及び感度が抑制された６つの低感度信号（Ｓ1´，Ｓ´2，Ｓ´3，Ｓ´4，Ｓ´5，Ｓ´6）が供給されることになる。【００４７】
そして、演算装置３５０では、高感度信号（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4，Ｓ5，Ｓ6）から、下式（１）に示すように、所定の校正行列を用いたマトリックス演算により、高感度の６軸並進力及びトルクＦx、Ｆy、Ｆz、Ｍx、Ｍy、Ｍzを算出することができる。【００４８】
【数１】
2019039156.tif 000003
【００４９】
また、演算装置３５０では、低感度信号（Ｓ1´，Ｓ´2，Ｓ´3，Ｓ´4，Ｓ´5，Ｓ´6）から、下式（２）に示すように、所定の校正行列を用いたマトリックス演算により、低感度の６軸並進力及びトルクＦx´、Ｆy´、Ｆz´、Ｍx´、Ｍy´、Ｍz´を算出することができる。【００５０】
【数２】
2019039156.tif 000004
【００５１】
演算装置３５０側では、軸毎に高感度信号Ｓiと低感度信号Ｓi´を使い分けて並進力又はトルクを算出することができる。また、高感度信号Ｓiのいずれかが上限に達したときには、部分的に低感度の信号Ｓi´を用いることにより、計算を補うことができる（但し、ｉは１〜６の整数）。高感度信号Ｓiで計測できる範囲であれば高感度にて信号を取得することができる。一方、低感度信号Ｓi´の範囲ではＳiを用いる場合よりも感度は大きく劣るものの、従来は計測できなかった定格外の信号を取得することができる。具体的には、Ｆzについては高感度のまま計測を行なうとともに、他の軸については感度を抑圧した状態でも使用することができる。力センサ１００の高い分解能を保ちながら、最大測定レンジを拡張することができる、ということもできる。【００５２】
例えば、図２に示したような、並進力とトルクの比が大きく、極めてアンバランスとなる場合であっても、起歪体１００の構造を変更することなく、そのまま力センサ１００を使用することが可能になる。具体的には、鉗子２００の長尺方向をｚ軸方向とし、並進力Ｆzは力センサ２０１にそのまま入力されるが、それ以外の方向の並進力はＦy及びＦzとして作用する以外に、モーメントアームの長さに応じたモーメントＭy及びＭzとしても作用する。【００５３】
通常、鉗子２００はトロッカを用いて小さな孔（腹腔や胸腔など）から体内に差し込んで使用されることから、モーメントアームは必然的に長くなるため、モーメントＭy及びＭzは並進力Ｆzと比較して極めて大きな値となって検出されることになる。したがって、モーメントＭy及びＭzを計測する際には、感度を抑制した方が力センサ２０１としてはバランスがよいものとなる。【００５４】
本実施形態によれば、力センサ２０１の起歪体構造を変更することなく、上式（１）及び（２）に示したように、並進力Ｆzに関しては高感度の検出信号を用いて計測しつつ、モーメントＭy及びＭzに関しては低感度の検出信号を用いて計測することができる。したがって、長尺方向に長い鉗子２００に適用される場合であっても、力センサ２０１のバランスを十分保つことができる。【００５５】
図４には、信号処理回路３００の変形例を示している。但し、図３に示したものと同一の構成要素については同一の参照番号を付している。【００５６】
同図中の歪みセンサは、例えば図１に示した力センサ１００における歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂのいずれかに相当する。基本的には、１組の歪みセンサに対して１つずつ、図４に示すような信号処理回路３００が配設され、歪みセンサの検出信号を処理するものと理解されたい。各歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂには、複数の軸に加わる並進力並びにトルクが複合的に加わり、したがってその検出信号はこれら複数の成分が含まれている。【００５７】
歪みセンサの検出信号を入力すると、第１のアンプ３０１及び第２のアンプ３０２を用いた２段階の増幅処理により、目的に適合する必要な（若しくは、高い）感度を実現するように増幅される。第２のアンプ３０２の出力信号は、増幅率の異なる３つの経路に分岐される。【００５８】
１つ目の経路では、第２のアンプ３０２の出力信号は、第１のＡＤ変換器（ＡＤＣ）３０３でそのままデジタル信号に変換され、高感度の検出信号Ｓとして、後段の制御部３０６に入力される。すなわち、一方の経路では、高感度で検出したいＦzに対応した検出信号Ｓが創り出される。【００５９】
２つ目の経路では、第２のアンプ３０２の出力信号は、第３のアンプ３０４でさらに増幅された後、第２のＡＤ変換器３０５でデジタル信号に変換され、後段の制御部３０６に入力される。第３のアンプ３０４は、具体的には、入力信号をｎ分の１に減衰するアッテネータ（減衰器）であり（但し、ｎ＞１とする）、第２のＡＤ変換器３０５でデジタル信号に変換された後、低感度の検出信号Ｓ´として制御部３０６に入力される。【００６０】
さらに３つ目の経路では、第２のアンプ３０２の出力信号は、第４のアンプ３０５でさらに増幅された後、第３のＡＤ変換器３０８でデジタル信号に変換され、後段の制御部３０６に入力される。第４のアンプ３０７は、具体的には、入力信号をｎ分の１に減衰するアッテネータ（減衰器）であり（但し、ｍ＞ｎとする）、第２のＡＤ変換器３０５でデジタル信号に変換された後、上記の検出信号Ｓ´よりもさらに低感度の検出信号Ｓ″として制御部３０６に入力される。【００６１】
そして、制御部３０６は、１つの歪みセンサから得られる感度の異なる複数の検出信号Ｓ、Ｓ´及びＳ″の、外部の演算装置（パソコンやロボット制御装置）３５０へのデジタル・データの通信又はその他のデジタル処理を実施する。【００６２】
図４に示す信号処理回路３００によれば、歪みセンサの検出信号を分岐して、増幅率の異なる複数通りの検出信号を生成することによって、異なる感度及び定格レベルの信号を同時に創り出すことができる。【００６３】
図４に示した信号処理回路３００によれば、増幅率の異なる検出信号が１種類増加することから、図３に示した構成例と比べて、計測可能な最大レンジを拡大し、又は最大レンジを一定のままとしつつ分解能を向上させる、といった効果を期待することができる。【００６４】
図１０及び図１１には、図４に示した信号処理回路において、第１のＡＤ変換器３０３から出力される検出信号Ｓと、第２のＡＤ変換器３０５から出力される検出信号Ｓ´と、第３のＡＤ変換器３０６から出力される検出信号Ｓ″の各計測範囲を例示している。図１０では、検出信号Ｓ、Ｓ´、及びＳ″の計測範囲をそれぞれ参照番号１００１、１００２、１００３で示しているが、計測可能な最大レンジ１００３は、図３に示した信号処理回路３００よりも拡大している。一方、図１１では、検出信号Ｓ、Ｓ´、及びＳ″の計測範囲をそれぞれ参照番号１１０１、１１０２、１１０３で示しているが、計測可能な最大レンジ１１０３は、図３に示した信号処理回路３００と同じであるが、中程度に減衰した検出信号Ｓ´によって分解能を向上させている。【００６５】
図３に示した信号処理回路３００の構成例と、図４に示した構成例の違いは、アンプを２重化又は３重化する点にある。図示を省略するが、アンプを４重化以上に多重化する信号処理回路３００の構成もあり得る。【００６６】
なお、アンプを多重化する場合、図４に示した例のようにアンプ毎に増幅率を変えて感度が異なる複数の検出信号を作り出す以外に、アンプ毎のオフセットを変えて、計測レンジを分担するという用途も考えられる。【００６７】
図５には、Ｎ重化したアンプで計測レンジを分担する様子を示している。同図中、縦軸は検出レベルを示している。計測レンジのうち、参照番号５０１で示す領域は１番目の分岐上に配設された増幅器で計測可能なレンジを示している。同様に、参照番号５０２、５０３、５０４で示す領域は、それぞれ２番目、３番目、４番目の分岐上に配設された増幅器で計測可能なレンジを示している。【００６８】
また、図６には、Ｎ重化したアンプで計測レンジを分担する他の例を示している。同図中、縦軸は検出レベルを示している。計測レンジのうち、参照番号６０１で示す領域は１番目の分岐上に配設された増幅器で計測可能なレンジを示している。同様に、参照番号６０２、６０３、６０４で示す領域は、それぞれ２番目、３番目、４番目の分岐上に配設された増幅器で計測可能なレンジを示している。図５に示した例では、多重化される増幅器に対して同一の減衰率を設定しており、したがって、各増幅器が分担し合うレンジの幅は均一となっている。これに対し、図６に示す例では、多重化される増幅器の減衰率を変化させており、したがって、各増幅器が分担し合うレンジの幅は同じではない。【００６９】
例えば、着目する必要のある領域を分担する増幅器の減衰率を小さくして、レンジの幅は狭くなるが、高感度とすることができる。逆に、着目する必要がない領域を分担する増幅器の減衰率を大きくして、低感度にすることにより、レンジの幅は広くすることができる。図６に示す例では、参照番号６０１及び６０２で示す領域は着目する必要がない領域であり、各領域を分担する増幅器の減衰率を大きくすることで、低感度にはなるが、増幅器１個当たりの計測レンジを広くしている。一方、参照番号６０３及び６０４で示す領域は着目する必要がある領域なので、各領域を分担する増幅器の減衰率を小さくすることで、増幅器１個当たりの計測レンジは狭くなるが、高感度で検出可能にしている。【００７０】
また、図７には、信号処理回路３００の他の変形例を示している。但し、図３に示したものと同一の構成要素については同一の参照番号を付している。図７に示す信号処理回路３００は、第１のアンプ３０１の後段ですぐに分岐し、アンプを多重化している点で、図３に示した構成例とは相違する。【００７１】
同図中の歪みセンサは、例えば図１に示した力センサ１００における歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂのいずれかに相当する。基本的には、１組の歪みセンサに対して１つずつ、図７に示すような信号処理回路３００が配設され、歪みセンサの検出信号を処理するものと理解されたい。各歪みセンサ１２１ａ及びｂ、１２２ａ及びｂ、１２３ａ及びｂには、複数の軸に加わる並進力並びにトルクが複合的に加わり、したがってその検出信号はこれら複数の成分が含まれている。【００７２】
第１のアンプ３０１は、歪みセンサの検出信号を入力して、低雑音増幅する。そして、第１のアンプ３０１の出力信号は、増幅率の異なる２つの経路に分岐される。【００７３】
一方の経路では、第１のアンプ３０１の出力信号は、第２のアンプ３０２により、低雑音増幅した後の検出信号が所定の増幅率で増幅処理され、さらに必要に応じて適宜、オフセット調整などの処理が施される。そして、第１のＡＤ変換器（ＡＤＣ）３０３でそのままデジタル信号に変換され、高感度の検出信号Ｓとして、後段の制御部３０６に入力される。すなわち、一方の経路では、高感度で検出したいＦzに対応した検出信号Ｓが創り出される。【００７４】
また、他方の経路では、第１のアンプ３０１の出力信号は、第３のアンプ３０４でさらに増幅された後、第２のＡＤ変換器３０５でデジタル信号に変換され、後段の制御部３０６に入力される。第３のアンプ３０４は、具体的には、入力信号をｎ分の１に減衰するアッテネータ（減衰器）であり（但し、ｎ＞１とする）、第２のＡＤ変換器３０５でデジタル信号に変換された後、低感度の検出信号Ｓ´として制御部３０６に入力される。また、第３のアンプ３０４は、さらに必要に応じて適宜、オフセット調整などの処理を実施する。【００７５】
すなわち、他方の経路では、ノイズの影響を低減したいＦz以外の信号の感度に対応した検出信号Ｓ´が創り出される。例えば、第３のアンプ３０４は、高感度の検出信号Ｓの取り得る値の最大値の４分の１程度の分解能となるように、あるいは、起歪体と歪みセンサが壊れない破壊強度が最大レンジとなるように、検出信号Ｓを弱くする（若しくは、減衰させる）。なお、第３のアンプ３０４は、減衰率（１／ｎ）が可変な可変アンプであってもよい。【００７６】
このように、本明細書で開示する技術によれば、起歪体の構造を変更することなく、並進力とトルクの比を容易に変更することができる多軸力センサを実現することができる。また、起歪体の構造を変更することなく、力センサの定格測定範囲を変更することができる。
【実施例２】
【００７７】
第１の実施例では、歪みセンサの検出信号を増幅率の異なる複数の経路に分岐して、増幅率の高い経路で計測範囲の広い検出信号を創り出していた（例えば、図９〜図１１を参照のこと）。これに対し、本実施例では、高い分解能を保ちながら計測範囲を拡張可能な信号処理回路について提案する。【００７８】
図１２には、第２の実施例に係る信号処理回路１２００の構成例を示している。図示の信号処理回路１２００は、力センサ１００あるいはポテンショメータなどのセンサに接続されるアンプ装置や、センサの出力信号をパソコンやロボット制御装置などの演算装置１２５０に送信する通信ユニットなどの形態で実装される。【００７９】
第１のアンプ１２０１は、センサの検出信号を入力して、低雑音増幅する。また、第２のアンプ１２０２は、低雑音増幅された後の検出信号を、所定の増幅率で増幅処理し、さらに必要に応じて適宜、オフセット調整などの処理を実施する。第１のアンプ１２０１及び第２のアンプ１２０２を用いた２段階の増幅処理により、センサからの入力信号は、目的に適合する必要な（若しくは、高い）感度を実現するように増幅される。【００８０】
第２のアンプ１２０２の出力信号は、２つの経路に分岐される。一方の経路では、第２のアンプ１２０２の出力信号は、第１のＡＤ変換器（ＡＤＣ）１２０３でそのままデジタル信号に変換され、高感度の検出信号Ｓとして、後段の制御部１２０６に入力される。すなわち、一方の経路では、計測範囲は狭いが高感度に対応した検出信号Ｓが創り出される。【００８１】
また、他方の経路では、第２のアンプ１２０２の出力信号は、オフセット回路１２０４でオフセット量が調整された後、第２のＡＤ変換器１２０５でデジタル信号に変換され、高感度の検出信号Ｓ´として、後段の制御部１２０６に入力される。オフセット回路１２０４は、入力信号のオフセット量を動的に変更することが可能となるような回路構成を備えており、信号処理回路１２００内では制御部１２０６がオフセット回路１２０４に対してオフセット量を時々刻々と指示するように構成されている。すなわち、他方の経路では、分解能は一方の経路と同じであるが、制御部１２０６から指示されたオフセット量に応じて計測範囲が動的に変動する検出信号Ｓ´が創り出される。【００８２】
信号処理回路１２００の動作例について、図１３〜図１５を参照しながら説明する。【００８３】
図１３には、第１のＡＤ変換器１２０３から出力される検出信号Ｓの計測範囲１３０１と、オフセット回路１２０４のオフセット量がゼロの場合の第２のＡＤ変換器１２０５から出力される検出信号Ｓ´の計測範囲１３０２を示している。この場合、検出信号Ｓの計測範囲１３０１と検出信号Ｓ´の計測範囲１３０２はまったく同じである。したがって、第１のアンプ１２０１、第２のアンプ１２０２、及び第１のＡＤ変換器１２０３の一系統のみによる、高分解能で且つ狭い計測範囲が、信号処理回路１２００によるセンサの検出レンジとなる。【００８４】
図１４には、第１のＡＤ変換器１２０３から出力される検出信号Ｓの計測範囲１４０１と、オフセット回路１２０４のオフセット量を上方にシフトさせた場合の第２のＡＤ変換器１２０５から出力される検出信号Ｓ´の計測範囲１４０２を示している。この場合、検出信号Ｓの計測範囲１４０１は一定である。また、検出信号Ｓ´の計測範囲１４０２は、高い分解能を保ったまま、オフセット回路１２０４のオフセット量に応じて上方にシフトする。したがって、信号処理回路１２００によるセンサの検出レンジは、検出信号Ｓの計測範囲１４０１と検出信号Ｓ´の計測範囲１４０２を合わせた広い範囲に拡張し、且つ、拡張された計測範囲１４０２でも高い分解能を保つことができる。【００８５】
信号処理回路１２００内では、制御部１２０６がオフセット回路１２０４に対してオフセット量を時々刻々と指示するように構成されている。制御部１２０６は、例えば、一方の検出信号Ｓの検出レベルが上昇して計測範囲１４０１の上限に近づいてきたときに、オフセット回路１２０４に対してオフセット量を上方にシフトさせるように指示を出力するようにすればよい。【００８６】
センサの出力信号が周期的に変化することが判ったときには、制御部１２０６は、検出信号Ｓの変動を予測して、オフセット回路１２０４のオフセット量を予見制御するようにしてもよい。また、制御部１２０６は、機械学習を導入して、オフセット回路１２０４のオフセット量を予見制御するようにしてもよい。【００８７】
オフセット回路１２０４が与えるオフセット量が大きいほど、信号処理回路１２００によるセンサの検出レンジは、上方に拡張する。但し、検出信号Ｓの計測範囲１４０１から検出信号Ｓ´の計測範囲１４０２への切り替わりが不連続であると、制御部１２０６に入力される値が不定となり、暴走するリスクがある。そこで、計測範囲１４０１の上端と計測範囲１４０２の下端が一定以上重なり合う重複区間１４０３を設けて、センサからの入力信号が少なくとも一方の計測範囲に収まるようにすることが望ましい。【００８８】
また、図１５には、第１のＡＤ変換器１２０３から出力される検出信号Ｓの計測範囲１５０１と、オフセット回路１２０４のオフセット量を下方にシフトさせた場合の第２のＡＤ変換器１２０５から出力される検出信号Ｓ´の計測範囲１５０２を示している。この場合の信号処理回路１２００によるセンサの検出レンジは、検出信号Ｓの計測範囲１５０１と検出信号Ｓ´の計測範囲１５０２を合わせた範囲であり、オフセット回路１２０４のオフセット量に応じて下方に拡張し、且つ、すべての範囲にわたって高い分解能を保つことができる。【００８９】
制御部１２０６は、例えば、一方の検出信号Ｓの検出レベルが上昇して計測範囲１５０１の下限に近づいてきたときに、オフセット回路１２０４に対してオフセット量を下方にシフトさせるように指示を出力するようにすればよい。制御部１２０６は、検出信号Ｓの変動を予測して、オフセット回路１２０４のオフセット量を予見制御するようにしてもよい。また、予見制御のために、制御部１２０６に機械学習を導入してもよい。また、計測範囲１５０１の下端と計測範囲１５０２の上端が一定以上重なり合う重複区間１５０３を設けることが望ましい（同上）。【００９０】
図１６には、第２の実施例に係る信号処理回路１６００の他の構成例を示している。図示の信号処理回路１６００は、センサに接続されるアンプ装置や、センサの出力信号をパソコンやロボット制御装置などの演算装置１６５０に送信する通信ユニットなどの形態で実装される。【００９１】
第１のアンプ１６０１は、センサの検出信号を入力して、低雑音増幅する。また、第２のアンプ１６０２は、低雑音増幅された後の検出信号を、所定の増幅率で増幅処理し、さらに必要に応じて適宜、オフセット調整などの処理を実施する。第１のアンプ１６０１及び第２のアンプ１６０２を用いた２段階の増幅処理により、センサからの入力信号は、目的に適合する必要な（若しくは、高い）感度を実現するように増幅される。【００９２】
第２のアンプ１６０２の出力信号は、オフセット量が異なる２つの経路に分岐される。一方の経路では、第２のアンプ１６０２の出力信号は、オフセット回路１６０７でオフセット量が調整された後、第１のＡＤ変換器（ＡＤＣ）１６０３でデジタル信号に変換され、高感度の検出信号Ｓとして、後段の制御部１６０６に入力される。また、他方の経路では、第２のアンプ１６０２の出力信号は、オフセット回路１６０４でオフセット量が調整された後、第２のＡＤ変換器１６０５でデジタル信号に変換され、高感度の検出信号Ｓ´として、後段の制御部１６０６に入力される。【００９３】
オフセット回路１６０４及び１６０７はいずれも、入力信号のオフセット量を動的に変更することが可能となるような回路構成を備えている。信号処理回路１６００内では、制御部１６０６が、各オフセット回路１６０４及び１６０７のオフセット量をそれぞれ独立にコントロールすることが可能である。したがって、各経路では、分解能は同じで個別に設定されたオフセット量を持つ検出信号Ｓ及びＳ´が創り出される。経路毎に、オフセット回路１６０４及び１６０７にそれぞれ設定されたオフセット量に応じた計測範囲を持つことになる。【００９４】
制御部１６０６は、センサからの入力信号が、少なくともいずれか一方の経路の計測範囲に入るように、各経路のオフセット量を調整する。また、ＡＤ変換処理中にオフセット量が変化すると暴走するリスクがあるので、ＡＤ変換処理中の経路におけるオフセット量は固定したままとし、ＡＤ変換処理を行っていない経路側でオフセット量の調整を行うことが望ましい。【００９５】
信号処理回路１６００の動作例について、図１７〜図２０を参照しながら説明する。【００９６】
図１７には、ある時刻Ｔ１における検出信号Ｓの計測範囲１７０１並びに検出信号Ｓ´の計測範囲１７０２を示している。この場合の信号処理回路１６００によるセンサの検出レンジは、検出信号Ｓの計測範囲１７０１と検出信号Ｓ´の計測範囲１７０２を合わせた範囲である。【００９７】
この時刻Ｔ１におけるセンサからの入力信号は、図中の参照番号１７０４で示す検出レベルである。すなわち、検出レベル１７０４は、現在ＡＤ変換処理中の経路の計測範囲１７０１の上半分にあり、近い将来、検出レベル１７０４が計測範囲１７０１の上端を超えることが予見される。ＡＤ変換処理中の経路でオフセット量を動的に変更することは回避すべきであり、計測範囲１７０１は固定される。そこで、ＡＤ変換処理を行っていない他方の経路において、オフセット量を調整して、計測範囲１７０２を一方の経路の計測範囲１７０１の上端よりも上方にシフトさせることによって、信号処理回路１６００の検出レンジを上方に拡張させて、検出レベル１７０４が計測範囲１７０１を逸脱する事態に備えている。但し、計測範囲１７０１の上端と計測範囲１７０２の下端が一定以上重なり合う重複区間１７０３が形成されるように、オフセット回路１６０４及び１６０７の各オフセット量が調整されている。【００９８】
図１８には、その後の時刻Ｔ２（但し、Ｔ２＞Ｔ１とする）において、センサからの入力信号が、図中の参照番号１８０４で示す検出レベルに低下した様子を示している。検出レベル１８０４は、現在ＡＤ変換処理中の経路の計測範囲１７０１の下半分にあり、近い将来、検出レベル１８０４が計測範囲１７０１の下端を下回ることが予見される。ＡＤ変換処理中の経路でオフセット量を動的に変更することは回避すべきであり、計測範囲１７０１は固定される。そこで、ＡＤ変換処理を行っていない他方の経路において、オフセット量を調整して、計測範囲１７０２を計測範囲１７０１の下端よりも下方にシフトさせることによって、信号処理回路１６００の検出レンジを下方に拡張させて、検出レベル１８０４が計測範囲１７０１を逸脱する事態に備えるべきである。【００９９】
図１９には、さらにその後の時刻Ｔ３（但し、Ｔ３＞Ｔ２とする）において、ＡＤ変換処理を行っていない他方の経路のオフセット量を調整して、計測範囲１７０２を一方の経路の計測範囲１８０１の下端よりも下方にシフトさせることによって、信号処理回路１６００の検出レンジを下方に拡張させて、検出レベル１９０４が計測範囲１８０１を逸脱する事態に備えている様子を示している。但し、計測範囲１９０１の下端と計測範囲１９０２の上端が一定以上重なり合う重複区間１９０３が形成されるように、オフセット回路１６０４及び１６０７の各オフセット量が調整されている。【０１００】
図２０には、さらにその後の時刻Ｔ４（但し、Ｔ４＞Ｔ３とする）において、センサからの入力信号の検出レベル２００４が計測範囲１９０１の下端を下回ってしまった様子を示している。検出レベル２００４は、他方の経路の計測範囲１９０２に入っていることから、他方の経路（すなわち、第２のＡＤ変換器１６０５）によるＡＤ変換処理へと切り替えられ、ＡＤ変換後の検出信号Ｓ´が後段の制御部１６０６に入力される。【０１０１】
なお、時刻Ｔ４では、他方の経路において計測範囲１９０２でＡＤ変換処理を行っているので、制御部１６０６は、オフセット回路１６０４のオフセット量を固定する。また、一方の経路ではＡＤ変換処理を行っていないので、制御部１６０６は、オフセット回路１６０７のオフセット量を調整して、計測範囲１９０１をシフトすることができる。【０１０２】
図２１には、第２の実施例に係る信号処理回路２１００のさらに他の構成例を示している。【０１０３】
第１のアンプ２１０１は、センサの検出信号を入力して、低雑音増幅する。また、第２のアンプ２１０２は、低雑音増幅された後の検出信号を、所定の増幅率で増幅処理し、さらに必要に応じて適宜、オフセット調整などの処理を実施する。第１のアンプ２１０１及び第２のアンプ２１０２を用いた２段階の増幅処理により、センサからの入力信号は、目的に適合する必要な（若しくは、高い）感度を実現するように増幅される。【０１０４】
第２のアンプ２１０２の出力信号は、オフセット量が異なる２つの経路に分岐される。一方の経路では、第２のアンプ２１０２の出力信号は、オフセット回路２１０７でオフセット量が調整された後、第１のＡＤ変換器（ＡＤＣ）２１０３でデジタル信号に変換され、高感度の検出信号Ｓとして、後段の制御部２１０６に入力される。また、他方の経路では、第２のアンプ２１０２の出力信号は、アンプ及びオフセット回路２１０４で増幅されるとともにオフセット量が調整された後、第２のＡＤ変換器２１０５でデジタル信号に変換され、感度調整された検出信号Ｓ´として、後段の制御部２１０６に入力される。【０１０５】
オフセット回路２１０７は、入力信号のオフセット量を動的に変更することが可能となるような回路構成を備えている。また、アンプ及びオフセット回路２１０４は、入力信号を増幅（若しくは減衰）するとともにオフセット量を動的に変更することが可能となるような回路構成を備えている。信号処理回路２１００内では、制御部２１０６が、オフセット回路２１０７のオフセット量と、アンプ及びオフセット回路２１０４の増幅率及びオフセット量を、それぞれ独立にコントロールすることが可能である。したがって、一方の経路では、個別に設定されたオフセット量を持つ検出信号Ｓが創り出されるとともに、他方の経路では、増幅率に応じた分解能と個別に設定されたオフセット量を持つ検出信号Ｓ´が創り出される。そして、経路毎に、オフセット量とアンプの増幅率に応じた計測範囲を持つことになる。【０１０６】
制御部２１０６は、センサからの入力信号が、少なくともいずれか一方の経路の計測範囲に入るように、各経路のオフセット量を調整する。また、ＡＤ変換処理中にオフセット量が変化すると暴走するリスクがあるので、ＡＤ変換処理中の経路におけるオフセット量は固定したままとし、ＡＤ変換処理を行っていない経路側でオフセット量の調整を行う。【０１０７】
例えば、センサからの入力信号を第１のＡＤ変換器２１０３でＡＤ変換処理している期間中、制御部２１０６は、オフセット回路２１０７のオフセット量を固定したままにする一方、センサからの入力信号の検出レベルの変動を予見して、アンプ及びオフセット回路２１０４のオフセット量を調整するとともに、所望する分解能に応じて増幅率を調整する（高い分解能で計測したいときには、増幅率を上げるが、ノイズの影響を低減したいときには増幅率を抑圧する）。また、センサからの入力信号を第２のＡＤ変換器２１０５でＡＤ変換している期間中、制御部２１０６は、アンプ及びオフセット回路２１０４の増幅率及びオフセット量を固定するとともに、センサからの入力信号の検出レベルの変動を予見して、オフセット回路２１０７のオフセット量を調整する。【０１０８】
図２２には、第２の実施例に係る信号処理回路２２００のさらに他の構成例を示している。【０１０９】
第１のアンプ２２０１は、センサの検出信号を入力して、低雑音増幅する。また、第２のアンプ２２０２は、低雑音増幅された後の検出信号を、所定の増幅率で増幅処理し、さらに必要に応じて適宜、オフセット調整などの処理を実施する。第１のアンプ２２０１及び第２のアンプ２２０２を用いた２段階の増幅処理により、センサからの入力信号は、目的に適合する必要な（若しくは、高い）感度を実現するように増幅される。【０１１０】
第２のアンプ２２０２の出力信号は、オフセット量が異なる２つの経路に分岐される。一方の経路では、第２のアンプ２２０２の出力信号は、アンプ及びオフセット回路２２０７で増幅されるとともにオフセット量が調整された後、感度調整された検出信号Ｓとして、後段の制御部２２０６に入力される。また、他方の経路では、第２のアンプ２２０２の出力信号は、アンプ及びオフセット回路２２０４で増幅されるとともにオフセット量が調整された後、第２のＡＤ変換器２２０５でデジタル信号に変換され、感度調整された検出信号Ｓ´として、後段の制御部２２０６に入力される。【０１１１】
アンプ及びオフセット回路２２０７及び２２０４はいずれも、入力信号を増幅（若しくは減衰）するとともにオフセット量を動的に変更することが可能となるような回路構成を備えている。信号処理回路２２００内では、制御部２２０６が、アンプ及びオフセット回路２２０７及び２２０４の双方の増幅率及びオフセット量を、それぞれ独立にコントロールすることが可能である。したがって、一方の経路では、個別に設定された感度並びにオフセット量を持つ検出信号Ｓが創り出されるとともに、他方の経路では、個別に設定された感度並びにオフセット量を持つ検出信号Ｓ´が創り出される。そして、経路毎に、オフセット量とアンプの増幅率に応じた計測範囲を持つことになる。【０１１２】
制御部２２０６は、センサからの入力信号が、少なくともいずれか一方の経路の計測範囲に入るように、各経路のオフセット量を調整する。また、ＡＤ変換処理中にオフセット量が変化すると暴走するリスクがあるので、ＡＤ変換処理中の経路における増幅率並びにオフセット量は固定したままとし、ＡＤ変換処理を行っていない経路側で増幅率並びにオフセット量の調整を行う。【０１１３】
例えば、センサからの入力信号を第１のＡＤ変換器２２０３でＡＤ変換処理している期間中、制御部２２０６は、アンプ及びオフセット回路２２０７の増幅率並びにオフセット量を固定したままにする一方、センサからの入力信号の検出レベルの変動を予見して、アンプ及びオフセット回路２２０４のオフセット量を調整するとともに、所望する分解能に応じて増幅率を調整する（高い分解能で計測したいときには、増幅率を上げるが、ノイズの影響を低減したいときには増幅率を抑圧する）。また、センサからの入力信号を第２のＡＤ変換器２２０５でＡＤ変換している期間中、制御部２２０６は、アンプ及びオフセット回路２２０４の増幅率及びオフセット量を固定するにする一方、センサからの入力信号の検出レベルの変動を予見して、アンプ及びオフセット回路２２０７のオフセット量を調整するとともに、所望する分解能に応じて増幅率を調整する。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。【０１１５】
本明細書で開示する技術の適用対象は特定の起歪体構造に限定されず、例えば１軸のロードセルや３軸の力センサ、６軸の力センサなどにも対応することができる。また、本明細書で開示する技術を適用した力センサは、並進力とトルクの比の幅広い変化に対応することができるので、用途毎に力センサを交換しなくても、より汎用的に作業ができるロボット・アームを構成することができる。【０１１６】
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。【０１１７】
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）起歪体に取り付けられたセンサの検出信号を分岐して、感度が異なる複数の検出信号を生成する信号処理部を具備する、力検出装置。
（２）前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅する第１の増幅部と、
前記第１の増幅部から出力される第１の感度の信号をデジタル信号に変換する第１のＡＤ変換部と、
前記第１の増幅部の出力から分岐して、前記第１の感度の信号を減衰して、前記第１の感度よりも低い第２の感度の信号を出力する第２の増幅部と、
前記第２の増幅部から出力される前記第２の感度の信号をデジタル信号に変換する第２のＡＤ変換部と、
を具備する、上記（１）に記載の力検出装置。
（３）前記第１の増幅部は、前記センサの検出信号を低雑音増幅する低雑音増幅器と、前記低雑音増幅器から出力される信号を所定の増幅率で増幅処理し又はオフセット調整する増幅器を備える、
上記（２）に記載の力検出装置。
（４）前記第２の増幅部は、前記第１の感度の信号の取り得る値の最大値のｎ分の１程度の分解能となるように（但し、ｎ＞１とする）、又は、前記起歪体と前記センサが壊れない破壊強度が最大レンジとなるように、前記第１の感度の信号を減衰する、
上記（２）又は（３）のいずれかに記載の力検出装置。
（５）前記第１の増幅部の出力から分岐して、前記第２の増幅器とは異なる減衰率で前記第１の感度の信号を減衰して、第３の感度の信号を出力する第３の増幅部と、
前記第３の増幅部から出力される前記第３の感度の信号をデジタル信号に変換する第３のＡＤ変換部と、
をさらに備える、上記（２）乃至（４）のいずれかに記載の力検出装置。
（６）デジタル変換後の信号を処理する制御部をさらに備える、
上記（２）乃至（５）のいずれかに記載の力検出装置。
（７）前記制御部は、外部の演算装置とデジタル通信する、
上記（６）に記載の力検出装置。
（８）前記センサは、歪みゲージ、圧電式、磁気式、光学式、静電容量式のいずれかの変形検知センサからなる、
上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の力検出装置。
（９）起歪体と、
前記起歪体に取り付けられた複数のセンサと、
前記複数のセンサのうち少なくとも１つの検出信号を分岐して、感度が異なる複数の信号をそれぞれ生成する信号処理部と、
を具備する力検出装置。
（１０）前記信号処理部は、デジタル変換した後の前記複数の信号を、外部の演算装置との間で通信する、
上記（９）に記載の力検出装置。
（１１）前記感度が異なる複数の信号を用いて、前記起歪体に作用する力又はトルクを演算する演算部をさらに備える、
上記（９）又は（１０）のいずれかに記載の力検出装置。
（１２）前記演算部は、第１の感度の前記複数の信号のいずれかが上限に達したときには、部分的に前記第１の感度より低い第２の感度の信号を用いる、
上記（１１）に記載の力検出装置。
（１３）起歪体に取り付けられたセンサの検出信号を分岐して、感度が異なる複数の検出信号を生成する信号処理ステップを有する、力検出方法。
（１４）エンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターの近接端側に取り付けられた力センサと、
前記力センサの検出信号を処理する信号処理部と、
を具備し、
前記力センサは、起歪体と、前記起歪体の変形を検出するセンサを有し、
前記信号処理部は前記センサの検出信号を分岐して、感度が異なる複数の検出信号を生成する、
ロボット装置。
（１５）前記エンドエフェクターは、医療用の術具を有する、
上記（１４）に記載のロボット装置。
（２１）センサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する信号処理部を具備する、信号処理装置。
（２２）前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号をＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低い第２の感度の信号をＡＤ変換する第２の経路を含み、感度が異なる複数の検出信号を生成する、
上記（２１）に記載の信号処理装置。
（２３）前記センサは起歪体に取り付けられたセンサであり、
前記第２の経路では、前記第１の感度の信号の取り得る値の最大値のｎ分の１程度の分解能となるように（但し、ｎ＞１とする）、又は、前記起歪体と前記センサが壊れない破壊強度が最大レンジとなるように、前記第１の感度の信号を減衰する、
上記（２２）に記載の信号処理装置。
（２４）前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低く且つ前記第２の感度とは異なる第３の感度の信号をＡＤ変換する第３の経路をさらに含む、
上記（２２）に記載の信号処理装置。
（２５）前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号を前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低い第２の感度の信号をＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低く且つ前記第２の感度とは異なる第３の感度の信号をＡＤ変換する第２の経路を含み、感度が異なる複数の検出信号を生成する、
上記（２１）に記載の信号処理装置。
（２６）前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号のオフセットを変更してＡＤ変換する経路を含む、
上記（２１）に記載の信号処理装置。
（２７）前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号をＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号のオフセットを変更してＡＤ変換する第２の経路を含む、
上記（２１）に記載の信号処理装置。
（２８）前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号のオフセットを変更してＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号を前記第１の経路とは異なるオフセットに設定してＡＤ変換する第２の経路を含む、
上記（２１）に記載の信号処理装置。
（２９）前記第２の経路において、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度とは異なる感度の信号に減衰又は増幅する、
上記（２８）に記載の信号処理装置。
（３０）前記第１及び第２の経路の各々において、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度とは異なる感度の信号に減衰又は増幅する、
上記（２８）に記載の信号処理装置。
（３１）前記センサの検出信号を低雑音増幅する低雑音増幅器と、前記低雑音増幅器から出力される信号を所定の増幅率で増幅処理し又はオフセット調整する増幅器を含み、前記センサの検出信号から前記第１の感度の信号を生成する第１の増幅部を備える、
上記（２２）乃至（３０）のいずれかに記載の信号処理装置。
（３２）各経路でＡＤ変換した後の信号を処理する制御部をさらに備える、
上記（２２）乃至（３１）のいずれかに記載の信号処理装置。
（３３）前記制御部は、外部の演算装置とデジタル通信する、
上記（２２）に記載の信号処理装置。
（３４）センサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する信号処理ステップを有する、信号処理方法。
（３５）起歪体に取り付けられたセンサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する信号処理部を具備する、力検出装置。
（３６）前記センサは、歪みゲージ、圧電式、磁気式、光学式、静電容量式のいずれかの変形検知センサからなる、
上記（３５）に記載の力検出装置。
（３７）前記信号処理部は、デジタル変換した後の前記複数の信号を、外部の演算装置との間で通信する、
上記（３５）又は（３６）のいずれかに記載の力検出装置。
（３８）前記感度が異なる複数の信号を用いて、前記起歪体に作用する力又はトルクを演算する演算部をさらに備える、
上記（３５）又は（３６）のいずれかに記載の力検出装置。
（３８−１）前記演算部は、第１の感度の前記複数の信号のいずれかが上限に達したときには、部分的に前記第１の感度より低い第２の感度の信号を用いる、
上記（３８）に記載の力検出装置。
（３９）エンドエフェクターと、
前記エンドエフェクターの近接端側に取り付けられた力センサと、
前記力センサの検出信号を処理する信号処理部と、
を具備し、
前記力センサは、起歪体と、前記起歪体の変形を検出するセンサを有し、
前記信号処理部は前記センサの検出信号を分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する、
ロボット装置。
（４０）前記エンドエフェクターは、医療用の術具を有する、
上記（３９）に記載のロボット装置。
【符号の説明】
【０１１８】
１００…力センサ
１１０…起歪体、１１１、１１２、１１３…支持部
１１４…天板部、１１５…底板部
１２１、１２２、１２３…歪みセンサ
２００…鉗子、２０１…力センサ、２０２…駆動ユニット
３００…信号処理回路
３０１…第１のアンプ、３０２…第２のアンプ
３０３…第１のＡＤ変換器、３０４…第３のアンプ
３０５…第２のＡＤ変換器、３０６…制御部、３５０…演算装置
【図１】
2019039156.tif 000005
【図２】
2019039156.tif 000006
【図３】
2019039156.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019039156.tif 000011
【図８】
2019039156.tif 000012
【図９】
2019039156.tif 000013
【図１０】
2019039156.tif 000014
【図１１】
2019039156.tif 000015
【図１２】
2019039156.tif 000016
【図１３】
2019039156.tif 000017
【図１４】
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【図１５】
2019039156.tif 000019
【図１６】
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【図１７】
2019039156.tif 000021
【図１８】
2019039156.tif 000022
【図１９】
2019039156.tif 000023
【図２０】
2019039156.tif 000024
【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
2019039156.tif 000027
2019039156.tif 000028