(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の物体に接続されるように動作するツールアダプタプレート（ＴＡＰ）と、第２の物体に接続されるように動作するマウントアダプタプレート（ＭＡＰ）とを有するロボットの力／トルクセンサに作用する温度補償方法であって、前記力／トルクセンサは、前記第１及び第２の物体の間の力及びトルクの方向及び大きさを測定するように作用し、
前記方法は、
既知の負荷及び温度において、前記ＭＡＰと前記ＴＡＰとを接続する複数の部材に張り付けられた歪ゲージの初期出力、及び、前記ＭＡＰ及び前記ＴＡＰの温度を測定する温度センサの初期出力、を得ることと、
前記センサが温度変化を受けた後、歪ゲージ出力及び温度センサ出力を得ることと、
初期出力及び前記温度変化後の出力に基づいてゲージ毎の温度補償方程式に対する係数を計算することと、
前記温度補償方程式を用いて各歪ゲージ出力を補償することと、
温度補償された力及びトルク値を分解するために、すべての歪ゲージの前記温度補償出力を組み合わせることと、
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記ゲージ毎の温度補償方程式は、
前記温度センサによって測定された、前記ロボットの力／トルクセンサの前記ＭＡＰと前記ＴＡＰとの間の温度勾配を表す項、
歪ゲージの前記温度を表す項、
温度に対する歪ゲージの抵抗の変化及び温度に対する歪ゲージのゲインの変化を表す項、
のうちの１つ以上の項を含む、方法。
【請求項３】
前記ゲージ毎の温度補償方程式は、
Gn-compensated=C0*Gn+C1*Tn+C2*Tn2+C3*Gn*Tn+C4*Gn*Tn2+C5*(Tmap-Ttap)+C6*1
であり、ここで、
Gnは前記ゲージの読み取り値であり、
Tnは前記ゲージの温度であり、
Tmapは前記ＭＡＰの温度であり、
Ttapは前記ＴＡＰの温度である、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
歪ゲージと、応力がかかっていないセンサ部材に取り付けられた関連する温度センサとから出力を取得することと、
負荷とは無関係に、温度に対するゲージ出力を追跡するために応力がかかっていない出力を使用することと、を含む方法。
【請求項５】
温度補償されたロボットの力／トルクセンサであって、
第１の物体に接続されるように作用するツールアダプタプレート（ＴＡＰ）と、
第２の物体に接続されるように作用するマウントアダプタプレート（ＭＡＰ）と、
前記ＴＡＰと前記ＭＡＰとを接続する２つ以上の変形可能なビームと、
各ビームの少なくとも１つの面に張り付けられた少なくとも１つの歪ゲージであって、前記ビームの変形に起因する、ビームの側部の表面上の引張及び圧縮力を電気信号に変換するように作用する歪ゲージと、
前記ＴＡＰに張り付けられた第１の温度センサと、
前記ＭＡＰに張り付けられる第２の温度センサと、
すべての歪ゲージからの電気信号及びすべての温度センサからの温度出力に応答して、前記第１及び第２の物体の間の力及びトルクの前記温度補償された方向及び大きさを測定するように作用する測定回路と、
を備える力／トルクセンサ。
【請求項６】
応力を受けていないセンサ部材に取り付けられた歪ゲージ及び温度センサをさらに備える、請求項５に記載のロボットの力／トルクセンサ。
【請求項７】
請求項５に記載のロボットの力／トルクセンサであって、
前記力／トルクセンサが温度変化を受ける前後の初期歪ゲージ及び温度センサの出力に基づいて、ゲージ毎の前記温度補償方程式に対する係数を算出し、
前記温度補償方程式を使用して各歪ゲージ出力を補償し、
温度補償された力及びトルク値を分解するためにすべての歪ゲージの前記温度補償出力を組み合わせる、ように動作する回路をさらに含む、ロボットの力／トルクセンサ。
【請求項８】
請求項７に記載のロボットの力／トルクセンサであって、
前記ゲージ毎の温度補償方程式は、
前記温度センサによって測定された、前記ロボットの力／トルクセンサの前記ＭＡＰと前記ＴＡＰとの間の温度勾配を表す項、
歪ゲージの前記温度を表す項、
温度に対する歪ゲージの抵抗の変化及び温度に対する歪ゲージのゲインの変化を表す項、
のうちの１つ以上の項を含む、ロボットの力／トルクセンサ。
【請求項９】
前記ゲージ毎の温度補償方程式は、
Gn-compensated=C0*Gn+C1*Tn+C2*Tn2+C3*Gn*Tn+C4*Gn*Tn2+C5*(Tmap-Ttap)+C6*1
であり、ここで、
Gnはゲージの読み取り値であり、
Tnはゲージの温度であり、
TmapはＭＡＰの温度であり、
TtapはＴＡＰの温度である、
請求項７に記載のロボットの力／トルクセンサ。
【請求項１０】
複数の歪ゲージが張り付けられた本体を有し、Ｆ／Ｔセンサに取り付けられた第１及び第２の物体の間の力及びトルクの前記方向及び前記大きさを測定するように動作するロボット力／トルク（Ｆ／Ｔ）センサに作用する温度補償方法であって、
初期に既知の温度で、既知の負荷を加えて、本体に張り付けられた複数の温度センサの初期出力を得ることと、
前記初期の温度センサ出力に応答して、前記Ｆ／Ｔセンサ本体に渡る温度勾配をモデル化することと、
動作中、熱方程式によって前記Ｆ／Ｔセンサ本体を通る熱流をモデル化することと、モデル化された熱流に基づいて前記Ｆ／Ｔセンサ本体上の複数の点の温度を導出することと、
前記Ｆ／Ｔセンサに負荷が加えられるときに歪ゲージ出力を取得することと、
モデル化された熱流に基づいて、前記Ｆ／Ｔセンサ本体上の複数の点の導出された温度を使用して、各歪ゲージ出力を熱的効果について補償することと、
温度補償された力及びトルク値を分解するためにすべての歪ゲージの温度補償された出力を組み合わせることと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、ロボットの応用のための力／トルクセンサに関し、特に、ロボットの力／トルクセンサ上の歪ゲージの温度補償に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット工学は産業、医療、科学、及び他のアプリケーションの分野において、成長しており、ますます重要になっている。ロボットアーム又はそれに取り付けられたツールがワークピースに接触する多くの場合、加えられる力及び／又はトルクは、厳密に監視測定されなければならない。したがって、力／トルクセンサは、多くのロボットシステムの重要な部分である。
【０００３】
従来型の力／トルクセンサの１つは、２つの機械的部品を接続する小さなビームの変形を測定するために歪ゲージを用いる。１つはロボットアームに接続され、他方はロボットツール（又はツールへの機械的結合）に接続される。例えば、当技術分野でツールアダプタプレート（ＴＡＰ）と呼ばれる中央の「ハブ」がツールに接続される。当技術分野でマウントアダプタプレート（ＭＡＰ）と呼ばれる、ＴＡＰの周りに環状に配置され、ＴＡＰから離間して配置された別の本体は、ロボットアームに接続される。ＭＡＰ及びＴＡＰは、ＴＡＰの周りに放射状に配置された複数の比較的薄い（これにより機械的に変形可能な）ビームによって互いに接続され、場合によってはホイールのスポークに似ている。ＴＡＰ及びＭＡＰにそれぞれ取り付けられた物体間の相対力又はトルクはＭＡＰをＴＡＰに対して移動させようと試み、結果としてビームの少なくともいくつかの微小な変形又は曲げをもたらす。
【０００４】
各ビームのいくつか又は全ての表面に張り付けられた歪ゲージは、ビームによって受けた変形に比例した電気信号を生成する。歪ゲージ出力の大きさを分解し、ゲージの位置に留意することによって、ビームの歪みを定量化することができ、ＴＡＰとＭＡＰとの間に誘起される力及びトルクを推定することができる。多数のタイプの歪ゲージ、ビーム表面上に歪ゲージを配置するための様々な構成、歪ゲージを相互接続する様々なトポロジー、及びそれらの出力を較正する様々な手段が、当技術分野で知られている。
【０００５】
ロボットの力／トルクセンサにおける誤差の主な原因は、温度ドリフトに起因する不正確さである。温度ドリフトの原因には、周囲温度変化、周囲温度勾配、及び自己発熱が含まれる。シリコン歪ゲージのについては、温度変化に起因する出力電圧の変化は、誘起された応力に起因する出力電圧の変化の大きさの数倍になることがあり、装置は、応力センサよりも良好な温度センサであると考えることができる。ハーフブリッジトポロジーで歪ゲージを接続することにより、温度の影響を補償することができるが、これはゲージが良く整合しており、それらが互いに精度よく対向して置かれている場合に限られる。さらに、歪ゲージ出力に影響を及ぼすことに加えて、ロボットの力-トルクセンサの温度変化は構造要素の不均等な膨張／圧縮に起因する機械的応力を誘起する可能性があり、センサは、加えられた負荷又は力として解釈することができる。温度誤差を理解し、補償することは、ロボットの力／トルクセンサの設計及び動作に対する主要な課題として位置づけられる。
【０００６】
本明細書の背景技術の章は当業者がその範囲及び有用性を理解するのを助けるために、本発明の実施形態を技術的及び動作的コンテクストに置くために提供される。そういうものとして明示的に特定されない限り、ここでの記述は、単に背景技術の章に含まれることによって、先行技術であると認められない。
【発明の概要】
【０００７】
以下は当業者に基本的な理解を提供するために、本開示の簡略化された概要を提示する。この概要は、本開示の広範な概要ではなく、本発明の実施形態の肝要な／重要な要素を特定すること、又は本発明の範囲を描写することを意図するものではない。この概要の唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の前置きとして、開示されるいくつかの概念を簡略化された形で提示することである。
【０００８】
ここに記載され、クレームされる１つ又は複数の実施形態によれば、ロボットの力／トルクセンサ上の歪ゲージは、センサ上の力及びトルク負荷を推定するためにゲージ出力を分解する前に、それぞれ温度補償される。それぞれの歪ゲージに近接して温度センサが取り付けられ、既知の負荷及び温度における初期ゲージ及び温度センサ出力が得られる。次いで、力／トルクセンサが加温され、歪ゲージ及び温度センサ出力が再び得られる。これらのゲージ及び温度センサ出力は、最小二乗アルゴリズムを使用することなどによって、温度補償方程式に対する係数を計算するために処理される。それぞれの歪ゲージ出力は温度補償方程式を使用して補償され、歪ゲージの温度補償された出力は温度補償された力及びトルク値を分解するために組み合わされる。
【０００９】
一実施形態は、ロボットの力／トルクセンサを動作させる温度補償方法に関する。ロボットの力／トルクセンサは、第１の物体に接続されるように動作可能なツールアダプタプレート（ＴＡＰ）と、第２の物体に接続されるように動作可能なマウントアダプタプレート（ＭＡＰ）とを含む。力／トルクセンサは、第１の及び第２の物体との間の力及びトルクの方向及び大きさを測定するように動作する。ＭＡＰとＴＡＰを接続する部材に張り付けられた歪ゲージの初期出力、及びＭＡＰとＴＡＰの温度を測定する温度センサは、既知の負荷及び温度で得られる。歪ゲージ及び温度センサ出力は、センサが温度変化を受けた後に得られる。ゲージ毎の温度補償方程式に対する係数は、初期出力及び温度変化後の出力に基づいて計算される。各歪ゲージ出力は、温度補償方程式を用いて補償される。全ての歪ゲージの温度補償された出力は、温度補償された力及びトルク値を分解するために組み合わされる。
【００１０】
別の実施形態は、温度補償されたロボットの力／トルクセンサに関する。ロボットの力／トルクセンサは、第１の物体に接続されるように動作可能なツールアダプタプレート（ＴＡＰ）と、第２の物体に接続されるように動作可能なマウントアダプタプレート（ＭＡＰ）と、ＴＡＰをＭＡＰに接続する１つ又は複数の変形可能なビームと、それぞれのビームの少なくとも１つの面に張り付けられた少なくとも１つの歪ゲージと、ここで歪ゲージはビームの変形に起因するビームの側面上の引張力及び圧縮力を電気信号に変換するように動作可能であり、ＴＡＰに張り付けられた第１の温度センサと、ＭＡＰに張り付けられた第２の温度センサと、すべての歪ゲージからの電気信号及び全ての温度センサからの温度出力に応じて、第１の物体と第２の物体との間の力及びトルクの温度補償された方向及び大きさを測定するように動作可能な測定回路とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の実施形態が示されている添付図面を参照して、本発明を以下により十分に説明する。しかし、本発明は、ここで明らかにされる実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的にかつ完全になるように提供され、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるだろう。全体を通して、同じ番号は同じ要素を参照する。
【００１２】
【図１】表面実装サーミスタを実装する一手段の断面図である。
【図２】クォーターブリッジ・センサ・トポロジー測定の概略回路図である。
【図３】ブリッジ回路における電圧及び電流の概略回路図である。
【図４】ブリッジ電流測定から計算されたハーフブリッジ回路トポロジーを用いた最悪の場合の最小／最大温度誤差のグラフである。
【図５】ロボットの力／トルクセンサ上の温度センサ配置を示す。
【図６】補償されていない力及びトルクの読み取り値のグラフである。
【図７】温度補償後の図５の力及びトルクの読み取り値のグラフである。
【図８Ａ】温度補償なし（８Ａ）を使用した、加熱及び負荷の様々な条件下でのロボットの力／トルクセンサの力／トルク分解能のグラフである。
【図８Ｂ】無応力歪ゲージ出力補償（８Ｂ）を使用した、加熱及び負荷の様々な条件下でのロボットの力／トルクセンサの力／トルク分解能のグラフである。
【図８Ｃ】歪ゲージ毎の温度補償（８Ｃ）を使用した、加熱及び負荷の様々な条件下でのロボットの力／トルクセンサの力／トルク分解能のグラフである。
【図９】ロボットの力／トルクセンサの断面斜視図であり、歪みのない部材又は温度補償歪ゲージの取り付けを示している。
【図１０】ロボットの力／トルクセンサを動作させる方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
簡略化及び例示の目的のために、本発明は、主にその例示的な実施形態を参照することによって説明される。以下の説明において、本発明の完全な理解を提供するために、数多くの具体的な詳細が明らかにされる。しかし、本発明がこれらの特定の詳細に限定されることなく実施され得ることは、当業者に容易に明らかである。この説明では、本発明を不必要に不明瞭にしないように、周知の方法及び構造については詳細に説明していない。
【００１４】
＜温度誤差の原因＞
温度ドリフトは、ロボットの力／トルクセンサにおける不正確さの主要な原因であることが当技術分野で知られている。本発明者らは、温度誤差の４つの主要な原因を同定した。
【００１５】
第１に、シリコン歪ゲージの使用は、温度誤差を招く。シリコン歪ゲージは、箔歪ゲージと比較して、高感度のために好ましい。しかしながら、それらは、著しく悪い温度性能を示す。シリコン歪ゲージには、２つの主な温度の影響、すなわち、歪ゲージ抵抗温度係数（ＴＣＲ）及びゲージファクタの歪ゲージ温度係数（ＴＣＧＦ）がある。ＴＣＲは、シリコン歪ゲージの抵抗がその温度と共に変化するときに生じる。いくつかのゲージでは、フルスケールのセンサ負荷に起因して変化するよりも、０−５０℃の温度スイングにわたって抵抗が変化する可能性がある。この温度変化の多くはハーフブリッジ構成で歪ゲージを配線することによってキャンセルすることができるが、しかしながら性能に影響を及ぼすいくつかの不整合が常に存在する。ＴＣＧＦは、シリコンゲージのゲージファクタ（感度又はゲインとしても知られる）が温度を越えて著しく変化するときに生じる。
【００１６】
第２に、温度調査及び補償のために利用される特定の力／トルクセンサの設計は、金属の不均一な伸縮の影響を受けやすい。センサ設計に起因する最も重大な誤差は、変換器の本体とＭＡＰ若しくはＴＡＰとの間の異なる膨張率、又はＭＡＰとＴＡＰとの間の温度勾配によって引き起こされるＺ軸上の力の出力である。他の機械的な問題は温度誤差にさらに寄与する可能性があるが、これははるかに悪い。
【００１７】
第３に、歪ゲージブリッジをに渡る温度勾配は、例えばハーフブリッジ回路内のそれぞれのゲージを異なる温度にする。これは、シリコン歪ゲージの大きな温度係数に起因して、顕著なブリッジ出力を引き起こす。この問題は、クォーターブリッジトポロジーにおいて大きく軽減される。
【００１８】
最後に、電子機器は、温度に対するオフセット誤差、温度に対するゲイン誤差、及び温度誤差のように見える低周波ノイズを導入する可能性がある。センサに組み込まれた電子機器はまた、上記の温度誤差を引き起こすか、又は悪化させる、重大な量の自己発熱を引き起こす。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、歪ゲージ出力の温度補償を可能にするために、温度センサが力／トルクセンサに張り付けられる。一般に、「温度センサ」という用語は、広く解釈されるべきである。
【００２０】
＜温度センサの種類＞
一実施形態では、温度センサが、力／トルクセンサの応力がかかっていない部材に張り付けられた、機械的力を測定するために使用される歪ゲージと同じタイプ及びサイズの歪ゲージを含むことができる。本明細書で使用されるように、そのような温度センサは、「無応力歪ゲージ」又は「熱歪ゲージ」と呼ばれる。対照的に、力／トルクセンサの変形可能なビームに張り付けられた歪ゲージ（その出力は、センサに加えられる力及びトルクを測定するために使用される）が本明細書では「測定歪ゲージ」又は単に「歪ゲージ」と呼ばれる。
【００２１】
背景技術で述べたとおり、シリコン歪ゲージの出力は特に、ゲージが測定に使用される機械的歪みとは無関係に、温度にわたって広く変化することが知られている。応力のかかっていない歪ゲージ（無応力歪ゲージ）を温度センサとして使用することの利点は、反復可能で実質的に線形の熱応答を含む。さらに、無応力歪ゲージは測定歪ゲージと同じ設置プロセスを利用することができ、測定歪ゲージの自己発熱特性を模倣することになる。このアプローチの欠点は、無応力歪ゲージがもちろん歪みに敏感であることである。したがって、それは、測定歪ゲージが張り付けられる要素によって遭遇する力及びトルクによって応力を受けない力／トルクセンサの部材又は要素に張り付けられるべきである。この手段、無応力歪ゲージは通常、測定歪ゲージに近接して配置されることができず、これにより、その温度出力は測定歪ゲージ温度を正確に反映することができない。さらに、応力がかかっていない部材に張り付けられた場合であっても、無応力歪ゲージはそれが張り付けられた要素が温度の変化に応答して膨張又は収縮するときに、歪みを受け得る。したがって、センサ温度における幅広い、急激な変化を伴う適用は、温度センサとしての無応力歪ゲージの使用に対して軽減することができる。
【００２２】
温度センサの別の可能な実装は熱電対であり、これは、２つの相違する導体の接合部であり、熱電効果の結果としてそれらの間に温度依存電圧を生成する。熱電対は非常に小さくすることができ、容易に取り付けられる（電気的絶縁は必要ない）。それらは、非常に広い温度作動範囲と、非常に速い応答時間とを有する。一方、熱電対は、比較的低い分解能、精度、及び再現性を有する。抵抗温度センサと比較して、熱電対を読み取るためには、インターフェースボード上など、より多くの回路が必要である。その低い分解能に起因して、力／トルクセンサ上の温度センサとしての熱電対の使用は、分解された力／トルクセンサ分解能に悪影響を及ぼす。従って、それらはこのアプリケーションのための良好な選択肢ではない。
【００２３】
抵抗温度検出器（ＲＴＤ）は典型的にはセラミック又はガラスコアの周りに巻きつけられた純粋な材料（例えば、白金、ニッケル、又は銅）の細いワイヤを含む温度センサである。ＲＴＤは正確な抵抗／温度関係を有し、これを利用して温度を測定することができる。それらの応答は非常に線形であり、優れた再現性及び精度を有する。非常に単純な数学を使用して、広い温度範囲にわたって動作する線形読取値を得ることができる。ＲＴＤは比較的小さい信号出力を有し、一般に、サーミスタなどの他のタイプの温度センサよりも大きく、高価である。さらに、ＲＴＤは歪みに敏感であり得、これは測定歪ゲージ又はその付近の温度を監視測定することを試みる際に問題である。ＲＴＤは-２０℃から＋６０℃の範囲外の用途に特に適しているかもしれない。そうでない場合、低分解能及び潜在的な歪感度が力／トルクセンサ上の温度センサとしての使用のために適していない。
【００２４】
サーミスタは、電気抵抗が極めて温度に依存するタイプの抵抗器である。サーミスタは非常に高い温度感度を有し、振動又は応力に対する感度が低い。これらの特性は良好な再現性及び精度、ならびに安価な小型パッケージにおける広範な入手可能性と共に、サーミスタを力／トルクセンサ上の温度センサのための一般に良好な選択肢にする。サーミスタは指数関数的抵抗特性を有し、この指数抵抗特性はそれらの読取り値を線形化するために、広範な数学的処理又はルックアップテーブルを必要とする。さらに、それらは非常に広い温度範囲に対して感度が高すぎる可能性がある。全体として、サーミスタの高分解能は温度補償が分解された力／トルクの分解能に悪影響を及ぼさないことを保証し、少なくとも適度な温度範囲（例えば、−２０℃から＋６０℃）にわたって、力／トルクセンサの温度補償のための良好な選択肢となる。
【００２５】
別の可能な温度センサは、テキサス・インスツルメンツ(Texas Instruments)LMT７０Ａのようなアクティブセンサ集積回路である。このセンサは、極めて正確で線形の温度出力を高分解能で提供する。しかしながら、それはプリント回路基板上に設置されなければならず、かなり厳しい電源電圧範囲を必要とする。ＰＣＢの要件が問題にならない用途では、アクティブセンサは良好な結果を提供し、温度センサを線形化する必要性を取り除く。
【００２６】
遠隔赤外線（ＩＲ）センサはいくつかの用途では物理的接触を必要とせず、これにより手動配線を必要とせずに、正確な温度読み取りを提供可能である。一例は、Texas Instruments TMP００６ ＩＲサーモパイル非接触温度センサである。しかし、ＩＲ視野角を理由に、特定点の温度を測定することは困難であり得る。さらに、測定の分解能は、力／トルクセンサアプリケーションにおける温度補償に対しては不十分であり得る。いくつかの測定は、力／トルクセンサ本体の少なくともいくつかを黒体を模倣する材料でコーティングするなど、ＩＲ温度センサの適合性を高めることができる。
【００２７】
＜温度センサ取付け＞
温度センサは、様々な方法で力／トルクセンサに取り付けることができる。有線の温度センサは、熱転写テープ又はエポキシを使用して、センサ本体に取り付けることができる。表面実装温度センサは、スペーサを使用して、又は凹部内で、センサ本体に実装されてもよい。
【００２８】
熱転写テープを使用して、有線温度センサを力／トルクセンサ本体に取り付けることができる。１つの適切なテープは、３M Company(Maplewood, MN)から入手可能な１／２-５-８８１０である。テープは温度センサが取り付けられるＦ／Ｔセンサ本体上に置かれることができ、次いで、有線のセンサは、その箇所に保持されるようにテープ内に押圧されることができる。熱転写テープは温度センサがＦ／Ｔセンサ本体の温度を追跡することを可能にし、硬化時間がないので、温度センサを設置することが容易であり、温度センサが負荷から受ける歪みの量を低減する。センサを設置した後、センサ及びワイヤを保護するために、シリコーンＲＴＶ(室温加硫）などの保護コーティングを加えることができる。
【００２９】
熱転写テープの使用と同様に、エポキシを使用して温度センサをＦ／Ｔセンサ本体に取り付けることができる。エポキシは高振動環境に対してより強固な接続を提供することができるが、それは設置時間が増加し、負荷中に温度センサに加えられる歪みが増加するという犠牲を払っている。温度センサが絶縁されていないワイヤを有する場合、温度センサを設置する前にエポキシの絶縁層を適用する必要がある場合がある。
【００３０】
温度センサ設置のコストを低減する１つの方法は、Ｆ／Ｔセンサ本体の温度を測定するためにＰＣＢ(プリント回路基板）上の表面実装温度センサを使用することである。これは、温度センサがＦ／Ｔセンサ本体に面するように、Ｆ／Ｔセンサ本体に取り付けられたＰＣＢの底部に表面実装温度センサを取り付けることによって達成することができる。温度センサＰＣＢとＦ／Ｔセンサ本体との間にギャップを作り出すために、ＰＣＢ材料などのスペーサが利用されることができ、このギャップ内に温度センサが存在する。温度センサがＦ／Ｔセンサの体温を測定することを可能にし、温度センサがＦ／Ｔセンサの体に物理的に接触する必要がないように、いくつかの公差の積み重ねを可能にするために、温度テープ又はペーストがこの空洞内に設置されてもよい。図１は、この取り付け方法の一例を示す。
【００３１】
ＰＣＢ材料を使用して空洞を作ることの代替として、温度センサが設置されるＦ／Ｔセンサ本体に凹部をフライス加工してもよい。
【００３２】
＜温度誤差のカテゴリ＞
監視測定される温度誤差は、３つのカテゴリに分類することができる。第１は、温度に対する歪ゲージバイアスの変化である。これは、歪ゲージＴＣＲ及び電子機器オフセットドリフトを説明する。これはまた、温度勾配が存在しない場合のアダプタプレートの不均一な膨張率を説明することができる。第２は、温度に対するゲイン変化である。これは、歪ゲージＴＣＧＦ、電子機器の励起電圧温度係数、及び電子機器のゲイン温度係数を説明する。最後のカテゴリは、ＭＡＰからＴＡＰへの温度勾配である。これは、センサのＭＡＰからセンサのＴＡＰまでの温度勾配からの機械的挙動を説明する。
【００３３】
本発明者らは、電子機器に関連する温度誤差を最小限に抑えるアナログフロントエンド設計を開発した。アナログ電子機器は温度センサよりもはるかに安定しているので、これは、力／トルクセンサ自体の温度補償に着目することを可能にした。本発明者らは、温度にわたるバイアス変化及び温度にわたるゲイン変化の両方を直線としてモデル化できることを発見した。線形モデルの精度は、監視測定される力／トルクセンサによって変化する。しかしながら、全てのＦ／Ｔセンサの中で、より正確な数学的モデルは二次曲線である。本発明者らはまた、ＭＡＰからＴＡＰへの温度勾配が、安定した温度勾配及びＭＡＰとＴＡＰとの間の比較的小さい温度差を有するＦ／ＴセンサのＺ軸力出力に対しておおよそ線形関係を有することを発見した。
【００３４】
＜温度補償−歪みのない歪みゲージ＞
歪みのない温度センサを使用する温度補償の２つの方法は、バイアス補償及びゲイン補償である。
【００３５】
バイアス補償-クォータブリッジ温度センサトポロジーでは、歪のないゲージが負荷感知ゲージとして大部分が同じ温度挙動を示すだろう。クォータブリッジ内の負荷感知ゲージは、負荷感知ゲージ電圧から歪のないゲージ電圧を減算することによって効果的に温度補償することができる。この減算は、ソフトウェアで、又は差動入力ＤＡＱ又はＡＤＣによって直接実行することができる。これは、クォータブリッジ計装Ｆ／Ｔセンサが許容できるな温度性能を有することを可能にする擬似ハーフブリッジ回路を効果的に生成する。図２はＲ１〜Ｒ３が固定ブリッジ完成抵抗器であり、ＳＧ０及びＳＧ１が負荷感知歪ゲージであり、ＳＧＵが（温度感知／補償に対して使用される）歪のない歪ゲージである代表的な回路を示す。
【００３６】
ゲイン補償-シリコン歪ゲージは温度にわたって感度を変更するので、ゲイン補償はセンサが広い温度範囲にわたって感度を維持することを可能にする。温度に渡るこの感度の変化はゲージごとにかなり一貫しており、少しの代表的なセンサを使用して合理的に特徴付けることができる。基本的な補償の数式は以下の通りであり、
0006728500.tif 000002
ここで、この式における機能は、単純な二次的な適合である。無歪ゲージ出力は計装歪ゲージの結合抵抗の分散値を説明するために、室温でのその出力を基準とする。この方法を使用すると、ゲインは動作範囲全体にわたって等温点で一定でなければならないので、ゲインの変化を補償することができる。
【００３７】
＜温度補償−測定歪ゲージ温度の監視測定＞
温度効果は、ＭＡＰからＴＡＰへの勾配と共にバイアス及びゲインの二次的なモデルを組み合わせる行列を使用して、各ゲージ上で補償することができる。分解されたＦ／Ｔセンサ出力ではなくゲージを補償することは、アルゴリズムに入力される温度センサの数を減らすことによって補償モデルを単純化する。単純な補償モデルはより少ない温度特性を必要とし、複雑なモデルより安価でより一貫したものとなる。
【００３８】
温度補償されたゲージの読み取り値の式は、以下の通りである。
Gn-compensated = C0 *Gn + C1 *Tn + C2 *Tn2 + C3 *Gn *Tn + C4 *Gn ＊Ｔn2 + C5 *(Tmap -Ttap)+ C6 *1      （２）
ここで、Ｇnはゲージｎのゲージ読み取り値であり、Ｔnはゲージの温度であり、ＴmapはＭＡＰの温度であり、ＴtapはＴＡＰの温度である。以下の表１は、補償方程式係数を、それらが作用する項にマッピングする。
【００３９】
【表１】
0006728500.tif 000003
表１：温度補償方程式係数
【００４０】
次いで、結果としての補償されたゲージ読み取り値は、標準的な６×６較正行列によって乗算され、６軸Ｆ／Ｔセンサ読み取り値を生じる。全ての温度情報を力／トルク行列に入力することは可能であるが、このアプローチは計算的に複雑である。より最適化されたアプローチは各個々のゲージを温度補償し、次いで、温度補償されたゲージ読み取り値を分解して力／トルク値を達成することである。
【００４１】
補償行列は、一実施形態では最小二乗アルゴリズムを使用して計算される。最小二乗アルゴリズムは特性化試験からデータセット全体を与えることができ、又は浸漬点のみから特定の読み取り値を与えることができ、いずれの方法も同等の結果を生ずる。良好な結果を得るための１つの要件は、最小二乗アルゴリズムのための予想されるゲージ読取り値の正しいセットを推定することである。各試験は異なる温度でのその試験のためにゲージが何を読み取るべきかを知るために、２２℃で温度的に均等化されたセンサの１つのデータ点を必要とする。また、試験を通じて、一定の負荷をセンサに加えるべきである。これは、各特性試験のためのセンサへの任意の負荷を可能にする。負荷及び無負荷温度スイングを用いてゲージ値を外挿して推定することにより、２２℃での予想ゲージ読取り値を計算することが可能である。これは、試験が２２℃で浸漬できない場合、いくつかの力／トルクセンサで有用であり得る。完全な温度センサデータ及び温度補償係数の計算を含む例については、付録Ａを参照されたい。
【００４２】
＜ブリッジ電流からの歪ゲージの温度の導出＞
歪ゲージ出力を測定するためにハーフブリッジ又はフルブリッジ回路トポロジーを使用する主な理由は、シリコン歪ゲージの大きな温度係数の影響を相殺することである。ゲージがセンサ負荷から等しく反対の歪みを受けるように、ゲージをハーフブリッジ又はフルブリッジ回路に配置することによって、負荷からのブリッジ出力電圧変化が最大化され、一方、温度変化からのブリッジ出力電圧変化が最小化される。
【００４３】
シリコン歪ゲージを有するハーフブリッジ又はフルブリッジ回路トポロジーを使用することの１つの結果は定電圧励起ではブリッジを通る電流が温度と共に変化し、一方負荷と共にはほぼ一定のままであることである。これは、歪ゲージブリッジを通る電流が温度の読取を示すことを可能にする。したがって、同じシリコン歪ゲージは負荷及び温度の両方を測定することができ、したがって、導出された温度は本明細書で説明されるように、Ｆ／Ｔセンサの温度補償のために使用することができる。
【００４４】
このアプローチの１つの問題は、歪ゲージが実際に等しくかつ反対の歪みを受けるように歪ゲージを配置することが困難であり得ることである。この歪み不整合は、ブリッジ電流をセンサ負荷と共に変化させ、不正確な温度演算に帰結する。
【００４５】
（１）ブリッジ内に２つ以上の歪感知要素が存在する（そうでなければ、ブリッジ電圧及び電流は比例し、十分な情報を提供しない）、及び（２）全てのゲージが同じ符号温度係数を有する（大きな温度係数の変動がこれをあまり正確ではないようにする）限り、平均値ブリッジ温度を計算するためにブリッジ出力電圧及びブリッジ電流を使用可能であることが発見された。
【００４６】
図３は、一実施形態の回路構成を示す。ブリッジ出力電圧及びブリッジ電流の線形及び二次的な組合せに係数の行列を乗算して、歪ゲージブリッジの平均温度値を導出する。これらの係数は、センサ負荷データ及びセンサ温度データに適合する最小二乗法を使用して導出される。この数学は特性化プロセスの複雑さを低減するために項を除去することによって簡略化することができ、又はモデルの適合を改善するために追加的な非線形項が追加されることができる。係数は以下の通りである。
【００４７】
【表２】
0006728500.tif 000004
表２：平均温度係数
平均値ブリッジ温度を与える方程式は、以下の通りである:
Tempavg = C0*V + C1*V2 + C2*V3 + C3*I + C4*I2 + C5*V*I + C6*V*I2 + C7      （３）
もちろん、任意の所与の実装形態では、係数のうちの１つ又は複数はゼロであってもよく、式（３）から対応する項を効果的に排除してもよい。
【００４８】
シリコン歪ゲージブリッジのモンテカルロ型シミュレーションは適切な較正ステップにより、上記モデルが正確な温度データを計算できることを示している。シミュレーションは初期抵抗、結合歪み、ＴＣＲ、ＴＣＧＦ、及びＧＦがすべて正規分布と共に変化する、１組の異なるゲージ組合せを作成する。各ゲージの組合せについて、いくつかの異なる歪み及び温度の組合せが適用され、各組合せは、入力温度に適合する最小二乗法を有する。図４のグラフ及び以下の統計値は各ゲージ組合せについての最大／最小の最悪の場合の温度誤差を示し、このモデルがシリコン歪ゲージ挙動に良好に適合することを実証する。
サンプル数:２００００００
最悪の最大温度誤差：  ０．０８９２９６
平均最大温度誤差：    ０．０３３６３７
標準最大温度誤差：    ０．００８３３８
最悪の最小温度誤差：−０．０７５８４９
平均最小温度誤差：  −０．０２７５９０
標準最小温度誤差：    ０．００９０６２
【００４９】
この計算はハーフブリッジ内の１つのゲージが負荷からの歪みの低下を受けるか、又は歪みがない場合でも変わりなく機能するが、これは電圧及び電流の読み取り値が、負荷と温度変化との間で依然として著しく異なるためである。補償係数はゲージが受ける実際の歪みを知ることなく導出することができ、ゲージが受ける温度のみが重要である。歪ゲージをそれ自体の温度センサとして使用することにより、歪ゲージとＦ／Ｔセンサによって測定された温度との間の時間遅れが排除される。歪ゲージをそれ自体の温度センサとして使用することは、材料コストを追加しないで、温度感知又は温度補償をＦ／Ｔセンサに追加するための安価な方法であり得る。
【００５０】
＜温度補償の実験＞
いくつかの実験を、様々なの温度センサ及び様々なの加熱及び負荷条件で行った。
【００５１】
１つの実験では図５に示すように、特定の力／トルクセンサ上の様々な位置に１７個のサーミスタを配置し、調査したＦ／ＴセンサはＮＣ、ＡｐｅｘのＡＴＩ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、Ｉｎｃ．から入手可能なＡｘｉａ ８０モノリシックＦ／Ｔセンサであった。Ａｘｉａ ８０ Ｆ／Ｔセンサは本出願の譲受人に譲渡され、その全体が基準により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１７／０２０５２９６号（’２９６出願）に記載されているように、ＭＡＰとＴＡＰとを接続する各ビームの上面のみに歪ゲージを有する。図１に示すように、サーミスタ０、１、及び２を歪ゲージに直接隣接して配置した。他の１４個のサーミスタを、センサのＭＡＰ部分及びＴＡＰ部分の両方の様々な位置に配置した。丸数字を有するサーミスタが頂部又は側壁に置かれ、丸数字を有さないサーミスタがＴＡＰの空隙に置かれた。
【００５２】
別の実験では、２つのサーミスタが、ＡＴＩ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、Ｉｎｃ．（Ａｐｅｘ、ＮＣ）から入手可能なＮａｎｏ ２５ Ｆ／Ｔセンサ上に置かれた。好適なサーミスタは、日本の京都府長岡京市の株式会社村田製作所から入手可能なＮＸＦＴ１５ＸＨ１０３ＦＡ２Ｂ０２５である。１つのサーミスタをＭＡＰに、も別のをＴＡＰに張り付け、これによりＭＡＰ／ＴＡＰ温度勾配を得た。個々の測定歪ゲージの温度は測定も補償もされなかった。
【００５３】
全ての試験はＦ／Ｔセンサが鋼製の本体であり、アルミニウムプレートが温度を変化させるにつれてＦ／Ｔセンサに負荷を与えるので、Ｆ／Ｔセンサに取り付けられた同じアルミニウムプレートを用いて実施された。プレートを一貫して維持することにより、この挙動を補償することができる。無負荷温度スイング、負荷温度スイング、及びＭＡＰ／ＴＡＰ温度勾配の３つの試験を行った。
【００５４】
Ｆ／Ｔセンサの無負荷温度スイング、すなわち、センサが温度チャンバーの床に置かれ、０℃、２２℃、５０℃における浸漬点で３時間の０〜５０℃の温度スイングを実行した。
【００５５】
Ｆ／Ｔセンサの負荷温度スイング、すなわち、複雑な負荷がセンサに加えられ、全てのゲージ出力に有意な変化を引き起こした。センサは次いで、０℃、２２℃、及び５０℃で３時間の浸漬点で、０〜５０℃の温度スイングを通った。
【００５６】
ＴＡＰヒートシンクで適用されるＭＡＰ加熱ー熱転写テープを使用してセンサのＴＡＰに大きな金属板を取り付け、加熱板を使用してセンサのＭＡＰに熱を加えた。熱電対を使用して、加熱板がセンサ付近で５０℃に達することを確実にし、ＴＡＰヒートシンクは、ＴＡＰがＭＡＰよりも低温のままであることを確実にした。試験を２２℃で開始して、ＴＡＰヒートシンクでの室温の読取を確実に行った。
【００５７】
上記の温度補償方程式を各歪ゲージに適用した。
【００５８】
通常の最小二乗アルゴリズムを用いて、以下の試験データを用いて上記補償係数を計算する。通常の最小二乗アルゴリズムは、補償行列を計算するために２つのデータセットを必要とする、すなわち、（１）各テストのための訓練データ、及び（２）各テストのための入力又は所望のデータである。
【００５９】
１組のゲージ及びサーミスタの訓練データを、各試験の浸漬点及び有意なＭＡＰーＴＡＰ温度勾配を有する少なくとも１つの試料から収集した。以下のデータは２４ビットカウントである。
0006728500.tif 000005
【００６０】
サーミスタの読み取り値は、使用したサーミスタについて、以下の式及びＢ定数を用いて線形化した。留意：ＤＡＱシステムはサーミスタ演算に顕著なオフセット誤差を導入したが、これは補償結果に著しい影響を及ぼさない。
0006728500.tif 000006
ここで、使用された特定のサーミスタに対して、Ｂ＝３３８０、Ｒ０＝１０ｋΩ、Ｔ０＝２９８．１５ Ｋである。
0006728500.tif 000007
【００６１】
各ゲージについて、そのゲージの訓練データのセットを計算した。温度入力について、ＭＡＰとＴＡＰの温度センサとの間の加重平均を計算した（より大きなセンサについては、ゲージに隣接する温度センサを使用する）。この場合、ＭＡＰとＴＡＰとの間の等しい重み付けが使用された。
0006728500.tif 000008
0006728500.tif 000009
0006728500.tif 000010
0006728500.tif 000011
0006728500.tif 000012
0006728500.tif 000013
0006728500.tif 000014
【００６２】
入力データセットは、訓練データセット内の上記サンプルの各々についてセンサが出力すべきゲージ値からなる。この場合、ゲージは、ＭＡＰからＴＡＰへの温度勾配が存在しない状態で、２２℃で読み取り値を出力すべきである。
0006728500.tif 000015
【００６３】
補償行列は、最小二乗アルゴリズム、ならびに入力及び訓練データセットを使用して計算された。最小二乗アルゴリズムは、補償された出力と入力データセットとの間の誤差を最小にする補償モデルのための係数を見つける。入力データ設定は温度依存出力を有さないセンサデータの理想的な設定であるので、補償された出力は非常に低減された温度挙動を有するだろう。
【００６４】
Ａは１つのゲージに対する訓練データセットを含む行列を示し、Ｂは１つのゲージに対する入力データセットを含む行列を示すものとする。
0006728500.tif 000016
0006728500.tif 000017
【００６５】
補償されたゲージデータは、各補償行列の転置によって各ゲージ行列を乗算することによって、生のゲージ読み取り値及び補償行列から計算された。
0006728500.tif 000018
例：
G0comp=[-291436 -3.14 9.89 916527 -2882350 .042 1]*
[1.016102 -1653.07 31.89 -0.002649 6.75E-05 1936.48 15565]T
G0comp=-276867
【００６６】
次いで、６×６線形行列を用いて補償されたゲージデータから、分解されたＦ／Ｔデータを計算した。
[Fx Fy Fz Tx Ty Tz]=[G0 G1 G2 G3 G4 G5]*(6x6 FT行列)T
Ｆ／Ｔセンサ較正行列：
0006728500.tif 000019
【００６７】
補償されたＦ／Ｔセンサの性能を検証するために、さらなる温度試験を行った。Ｆ／Ｔセンサを温度チャンバーに取り付け、０℃、１２．５℃、２２℃、３７．５℃、及び５０℃で浸漬した。この温度補償方法では、センサの温度誤差が較正のためのフルスケール誤差の１％以内にもたらされる。
【００６８】
較正負荷定格：Ｆｘｙ＝１２５Ｎ、Ｆｚ＝５００Ｎ、Ｔｘｙｚ＝３Ｎｍ
【００６９】
図６は補償されていない結果を示し、図７は、３つの力及びトルク（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｘ）についての温度補償された結果を示す。実験は、Ｆｚドリフト性能の実質的な改善、及びＦｘ、Ｆｙ、についてもＴｙ良好な改善を示す。特にＴｚはあまり改善を示さなかったが、しかしＴｚは温度補償前に既に１％ＦＳ誤差未満であった。
【００７０】
＜実験結果＞
図８Ａ〜８Ｃは、一連の試験のそれぞれについて、Ａｘｉａ ８０力／トルクセンサの測定歪ゲージ出力の異なる処理を示す。試験には、無負荷温度スイング、負荷温度スイング、ならびにＭＡＰ及びＴＡＰの両方に熱を加えた状態での、負荷及び無負荷両方でのＭＡＰからＴＡＰへの温度勾配が含まれた。
【００７１】
図８Ａは、測定歪ゲージ出力の温度補償なしのこれらの試験を示す。図８Ａの左側に示す無負荷温度スイングでは、最初の縦の黒線の前に、ゲージデータ及び温度センサデータを、０−５０℃の温度スイングを通して無負荷のセンサで記録する。この試験はセンサ全体が熱平衡に達することを確実にするために、加えられた熱が経時的に維持される４つの長い「浸漬」点を含む。この試験は温度センサを較正し、温度に対するバイアス変化を補償するために使用される。
【００７２】
第２のグラフはセンサに、フルスケールのたわみを生成すると予想される負荷の約５０％の重量がＦｚ表面に負荷された、負荷された温度スイングを示す。温度スイングは、無負荷（０−５０℃にわたる４つの浸漬点）の場合と同じである。一般に、温度は異なっていてもよいが、重りがセンサ本体と同じ温度になり、温度が傾斜しないことを確実にするために、温度変化の間に十分な浸漬時間を使用することが重要である。
【００７３】
図８Ａの最後の２つのセクションは、それぞれ、熱がセンサの一部分のみに加えられるときの、負荷及び無負荷状態の両方を示す。第３のセクションでは、重りをＴＡＰに適用しながらＭＡＰを加熱した。第４のセクションは、熱がセンサの一方の側、すなわちＴＡＰに加えられたときの、負荷及び無負荷状態を示す。
【００７４】
４つの試験の全てにおいて、ゲージ上でクォーターブリッジトポロジーを使用し、温度補償なしでは、Ｆｚ読取は役に立たなかった。センサ出力は、９００Ｎの全範囲にわたって変動した（グラフの平坦部に続く変曲点が加えられた熱の変化を表す）。
【００７５】
図８Ｂは、歪みのないゲージ減算の形成で温度補償を使用して繰り返される、同じ試験条件を示す。上述の組み込まれた’２９６出願に記載されているように、可撓性ビームに取り付けられたものと同様の歪ゲージがセンサの応力のかかっていない部材に取り付けられ、その出力が温度の変化にわたって監視測定される。’２９６出願の図８（本願では図９として再現されている）は、温度補償を行うための歪ゲージを受けるためにセンサのＴＡＰ１２に機械加工された取付け点３５を示している。この歪みのないゲージの出力は、分解された力及びトルクを補償するために使用され、温度に対する歪ゲージのドリフトの影響を最小にする。図８Ｂが示す通り、この補償はＦｚ性能を改善し、わずかに有用にするが、なおもひどく範囲外であり、温度及びさらに加熱速度の変化にわたって変動する。
【００７６】
図８Ｃは６つの力及びトルクを分解するためにゲージ出力を組み合わせる前に、上記の二次的な補償方程式が各歪ゲージに適用される、これらの試験条件を再び示す。
図８Ｃが示すように、Ｆｚ力出力は、すべての試験条件にわたって飛躍的に安定化される。
【００７７】
＜温度補償方法＞
図１０は、ロボットの力／トルクセンサを動作させる温度補償方法１００のステップを示す。ロボットの力／トルクセンサは、第１の物体に接続されるように動作するツールアダプタプレート（ＴＡＰ）と、第２の物体に接続されるように動作するマウントアダプタプレート（ＭＡＰ）とを有する。力／トルクセンサは、第１の物体と第２の物体との間の力及びトルクの方向及び大きさを測定するように動作する。温度センサは、力／トルクセンサに取り付けられ、少なくともＭＡＰ及びＴＡＰ温度を測定する。温度センサ取り付けの詳細は、付録Ｃとして本明細書に添付されている。
【００７８】
最初に、ＭＡＰとＴＡＰを接続する部材に張り付けられた歪ゲージ、及びＭＡＰとＴＡＰの温度を測定する温度センサの出力が、既知の負荷及び温度で得られる（ブロック１０２）。例えば、センサは、負荷が加えられていない（又は力／トルクセンサに取り付けられたロボットツールの重さなどの名目上の負荷）２２℃にあってもよい。次いで、ロボットの力／トルクセンサは、電子機器等が発熱することきに、較正手順又は操作を通して熱を加えることなどで、温度の変化を受ける。歪ゲージ及び温度センサの出力は、センサが温度変化を受けた後に再び得られる（ブロック１０４）。本ステップは、センサ温度及び／又は負荷が変更することにつれて、数回繰り返されてもよい。初期のゲージ／温度センサの出力と、温度変化後の同じ出力とに基づいて、ゲージ毎の温度補償方程式に対する係数が計算される（ブロック１０６）。一実施形態では、係数が最小二乗アルゴリズムに基づいて計算され、初期値及び後続の値を期待される出力に整合させる。次いで、各歪ゲージ出力は、温度補償方程式を使用して温度補償される（ブロック１０８）。一実施形態では、温度補償方程式は、歪ゲージバイアス及びゲイン温度ドリフトの２次項、ならびにＭＡＰ-ＴＡＰ温度勾配の１次項を使用した、表１を参照して上述したものであってもよい。一実施形態では、ＭＡＰ−ＴＡＰ温度勾配のみが使用される（すなわち、他の係数はゼロである）。次に、全ての歪ゲージの温度補償された出力が、周知技術に従って組み合わされて、温度補償された力及びトルク値を分解する（ブロック１１０）。例えば、参照により上記で組み込まれた’２９６出願は、そのような力／トルク処理を記載している。
【００７９】
方法１００は、様々な方法で補足することができる。例えば、力／トルク負荷によらず、温度ドリフトにわたる歪ゲージのバイアス及びゲインは、力／トルクセンサの非応力部材に張り付けられた歪ゲージの出力を得ることによって正確に推定することができる。このような応力を受けていない部材の歪ゲージは、参照により上記で組み込まれた’２９６出願に記載されている。
【００８０】
＜過渡的な温度補償＞
上述の第１の実施形態による温度補償は、ＭＡＰとＴＡＰとの間の勾配のような安定した温度勾配を補償するのに有効である。しかしながら、過渡的な勾配の間には、大きな量の歪ゲージ出力変化が存在する。過渡的な温度勾配を補償するために、より高度なアルゴリズムが使用され得る。
【００８１】
歪みに基づく力／トルクセンサでは、過渡的な温度補償の目標は、感知構造内の任意の所与の点における温度を予測することができることである。感知構造全体にわたって温度分布を正常に予測することによって、熱的に誘導された歪みをまた予測し、測定された信号から除去して、Ｆ／Ｔセンサが定常状態であろうと時間依存性であろうと、すべての温度勾配に対するＦ／Ｔセンサの感度を除去することもできる。
【００８２】
微分的な観点から見ると（Ｆ／Ｔセンサ素子を多くのより小さな素子に分割することによって有限要素解析がどのように実行されるかと同様に）、Ｆ／Ｔセンサの各素子は温度回路の一部である。また、各素子はその個々の素子が熱的効果に起因して膨張もしくは収縮するときに、Ｆ／Ｔセンサの読取り値にいくつかの誤った信号出力を誘起するだろう。行列形式から見た場合、各素子について温度が記録されたＦ／Ｔセンサの最後のバイアス点からの温度変化の行列があると考えられる。これは、本明細書では温度行列と呼ばれる。また、各素子の温度に対する出力のＦ／Ｔセンサの変化を記述する感度の行列もあり、これを本明細書では温度感度行列と呼ぶ。これらの行列は式（４）で表されるように、以下のように組み合わせることができる:
0006728500.tif 000020
【００８３】
これは、それを横切る温度勾配を有する任意の歪みに基づくセンサに当てはまる。この正確な数学を実行するために、物理的センサ全体にわたってすべての温度を測定することは実用的ではないが、一方以下の考察のためにセンサを設計することは実用的である。
【００８４】
熱流は断熱又は分離によって方向付けられ、その主な効果は有限数の経路に沿って生成される。熱流が特定の経路に沿って方向付けられない場合、それがとることが許容される経路は、温度変化に対する関連するゲージの感度が低い感知素子の領域に経路指定される。
【００８５】
センサは有限数の要素として近似することができ、各要素は、一定の温度と、この要素内の温度に対するゲージの単一の感度とを有する。
【００８６】
センサを通る熱流は熱方程式によって支配され、
0006728500.tif 000021
ここで、ｕは位置及び時間の関数としての温度であり、ｔは時間であり、ｘは位置であり、アルファは材料の熱拡散率である。又は、より簡単には１-Ｄ近似では以下のようになる、
0006728500.tif 000022
【００８７】
式（６）は十分に小さな幅ｈを有する微分要素に対して以下のように簡略化することができる（これは温度分布の二次導関数に対する二次の中心近似であり、代わりに他の近似が使用され得る）、
0006728500.tif 000023
【００８８】
定常状態（∂ｕ／∂ｔ＝０）では位置に対する温度の二次導関数は０でなければならないが（対流、放射、又は内部発熱の発生がないと仮定する）、これは同様に温度分布が単にＦ／Ｔセンサの熱抵抗にわたる直線であることを意味することが分かる。
【００８９】
式（７）及び定常状態分布というこれらの２つの考察を使用して、Ｆ／Ｔセンサの任意の点における温度をいつでも判定可能であり、したがって、Ｆ／Ｔセンサにわたる温度差によって生成される誤ったゲージ信号を補償することができる。
【００９０】
一実施形態では、単一の温度センサがＦ／Ｔセンサのいずれかの端部に位置する。
センサは既知の定常状態条件で「バイアス」されるので、上述の定常状態挙動によれば、２つの温度センサ間のすべての点が単に２つの測定温度間の線であるので、Ｆ／Ｔセンサ全体にわたった温度分布は、この１つの時点で既知である。このバイアス点は、ｎ個の仮想温度センサを正確な開始温度で初期化するために使用することができる。そこから、定常状態の仮定はセンサを通る熱流が熱方程式によって支配されるので無視することができ、熱方程式は、実行時に式（７）として近似することができる。式（７）を使用すると、Ｆ／Ｔセンサを通る熱の伝播をシミュレートすることができ、それはＦ／Ｔセンサに関する仮定が正確になる程度まで、Ｆ／Ｔセンサ全体にわたる実温度分布に整合すべきである。Ｆ／Ｔセンサ全体にわたる温度分布は、そして初期バイアス点に続く任意の時点で正確に予測し、信号補償に対して使用されることができる。この方程式はまた、有効な要素の長さ、又は対流、放射、若しくは内部熱生成に起因する観測された熱損失若しくは追加だけでなく、材料の熱拡散率の変動を説明するのに基づき、センサごとに較正することもできる。
【００９１】
一旦構造全体にわたる温度分布が任意の所与の時間に分かると、式（４）に従ってセンサの出力からＦ／Ｔセンサによって観測されるゲージ効果を差し引くのは単純な事項である。さらに、この方法によりゲージの温度を予測することができ、温度効果に起因するゲージ挙動のあらゆる変化がキャンセルされることができる。
【００９２】
対流、放射、及び内部の熱の生成を説明する熱方程式の修正は容易に利用可能である。当業者は本開示の教示が与えられると、より正確な結果を提供するために、この補償方法においてこれらの修正を容易に利用するだろう。
【００９３】
厳密に一次元ではないかもしれない熱経路を特徴付けるために、又は１-Ｄシミュレーションに補正を提供するために、任意の数の温度センサがこの方法論と共に使用され得る。
【００９４】
ここでは純粋に線形方程式が説明されているが、追加の線形項又は非線形項の追加により、温度に対するヤング率、熱膨張係数、熱拡散率、及び他の任意の特性の変化を説明することが可能である。このような修正は本明細書の教示が与えられれば、過度の実験なしに、十分に当業者の技術の範囲内である。
【００９５】
温度補償のこの実施形態によれば、限定された入力データセットを有するＦ／Ｔセンサにおける全温度分布を予測するために、熱方程式の近似が使用され、派生データはその後、測定データに加えて、例えば、線形最小二乗などの回帰技術を使用してＦ／Ｔセンサを較正するために使用され、したがって、Ｆ／Ｔセンサ出力は、定常状態であっても過渡的状態であっても、温度変化にわたって安定したままである。
【００９６】
温度センサは温度変化がＦ／Ｔセンサの出力の変化を引き起こす前に温度変化を観察するように配置されなければならず、そうでなければ、全ての熱的効果をキャンセルすることができない。
【００９７】
一例として、２つの歪ゲージ及び３つの仮想温度センサを有するＦ／Ｔセンサを想定する:
[G0 G1]=G
[Tv0 Tv1 Tv2]=Tv
Ｔｖ０がＧ０の温度であり、実温度センサＴ２（３つの仮想温度センサとは無関係）がＧ１の温度である場合、２つのゲージに対する補償式（２）は、以下のようになる：
G0=C0G0+C1Tv0+C2Tv02+C3G0Tv0+C4G0Tv02+C5(Tmap-Ttap)+C6+C7Tv0+C8Tv1+C9Tv2
G1=C10G1+C11T2+C12T22+C13G1T2+C14G1T22+C15(Tmap-Ttap)+C16+C17T2+C18T2+C19T2
それぞれのゲージ補正式の最後の３つの項は、式（４）による過渡的効果の減算を表す（なお、G0の式では項C1Tv0及びC7Tv0は重複である）。
【００９８】
ゆえに、過渡的温度を説明する補償方程式（２）の修正版は、以下の通りである:
Gn-comp=C0Gn+C1Tn+C2Tn2+C3GnTn+C4GnTn2+C5(Tmap-Ttap)+C61+Gn-transient      （８）
ここで、最後の項Gn-transientは、式（４）から導出される仮想温度センサの補正項の行列である。式（８）を表す別の方法は、すなわち、
Gn-comp=C0Gn+C1Tn+C2Tn2+C3GnTn+C4GnTn2+C5(Tmap-Ttap)+C61+C7Tv0+・・・+Cm+7Tvm
ここで、ｍは、熱方程式モデルによってシミュレートされた仮想温度センサの個数である。
【００９９】
＜発明の実施形態の利点＞
本発明の実施形態は、従来技術で知られているロボットの力／トルクセンサに対して多くの利点を提示する。温度補償を提供することによって、歪ゲージ抵抗及びゲインの変更などの温度変化の有害な影響を軽減することができる。いくつかの実施形態ではこれはロボットの力／トルクセンサの用途には十分に適しているが、重大な温度誘起誤差には適していないシリコン歪ゲージの使用を可能にする。力／トルクセンサによっては、ＭＡＰ−ＴＡＰの温度勾配だけを補償することで良好な結果が得られるので、２つの温度センサしか必要とされないものもある。他の用途では、測定歪ゲージに近接して配置された温度センサが追加の補償項を提供し、分解された力／トルク測定値から熱的効果をより正確に除去する。
【０１００】
もちろん、本発明は、本発明の本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書に具体的に記載された方法以外の方法で行われてもよい。本実施形態はすべての点において、例示的であり、限定的ではないとみなされるべきであり、添付の特許請求の範囲の意味及び同等の範囲内に入るすべての変更は、その中に包含されることが意図される。
【図１】
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【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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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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