JPH0640036B2 - 圧覚センサ出力信号前処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えばロボットのハンドに取付けられてその
把持部の圧力分布を測定することにより、物をつかむ、
はなす、すべる等の把持状態を検知する圧覚センサの出
力信号を計算機処理し易くするための圧覚センサの出力
信号前処理装置に関する。

［従来の技術］ この発明が適用される圧覚センサの圧力検出部は、例え
ば、受圧面のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の力を検出する３組
の圧力センサとその圧力センサの温度特性補償のための
１組の温度センサを１単位とし（以下、これを圧力セン
サモジュールと称する）、その圧力センサモジュールを
マトリックス状に多数配置したものなどであり、その圧
力および温度信号の出力回路総数は数百回路におよぶ。

この種の圧覚センサの出力信号前処理装置は現在のとこ
ろ見当らないが、極く少数の圧力センサモジュールから
なるものについては、出力回路個々に例えば第６図に示
すような温度特性補償回路を接続する手段をとることが
できる。

本図において、半導体ストレンゲージのような半導体の
ブリッジで構成された圧力検出部１の出力は、温度特性
補償回路２で半導体ストレンゲージの温度特性による影
響が除去される。すなわち、この温度補償回路2 では、
圧力検出部1 からの信号がアナログ集積回路3 およびア
ナログ集積回路4 で受信され、これらの集積回路とスパ
ン調整抵抗5 およびオフセット調整抵抗６とで信号のス
パンおよびオフセットが調整され、また零点調整抵抗7
とアナログ集積回路8 とで信号の零点が調整される。さ
らに、零点温度特性補償抵抗9 とアナログ集積回路8 お
よびスパン温度特性補償抵抗10のアナログ集積回路11と
により圧力信号の温度補償が行われた後、信号出力端子
12から出力信号が出力される。13は電源端子、14はアナ
ログ用アース端子である。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、このような従来技術を上述のような多数の圧
力センサモジュールに適用しようとすると、第7 図に示
すように圧力検出部個々に温度特性補償回路を接続する
ことになるので、千個を超えるアナログ集積回路、抵抗
器などを取付けなければならないため、ロボットハンド
用圧覚センサに要求される小形、軽量化が達成できず、
また甚だ不経済でもあるという欠点があった。

そこで、この発明は、上述の欠点を除去し、圧力分布を
経済的に測定できる圧覚センサ出力信号前処理装置を提
供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この目的を達成するため、この発明は固有のアドレスを
有する複数の圧力検出モジュール部、圧力検出モジュー
ル部内に位置する複数の圧力検出部、圧力検出モジュー
ル部内に位置し、圧力検出部の温度を検出する温度検出
部、圧力検出モジュール部内に位置し、圧力検出部と、
温度検出部の両検出部の出力をオンオフする第1 のアナ
ログスイッチ、圧力検出モジュール部内に位置し、圧力
検出モジュール部に与えられた第1 のアドレスで第1 の
アナログスイッチのオンオフを制御する第２のアナログ
スイッチ、圧力検出モジュール部の第1 のアナログスイ
ッチを介して送られた両圧力検出部の出力群から一つの
出力を与えられた第2 のアドレスで順次選びだすアナロ
グ信号切換器、圧力検出モジュール部の第1 のアドレス
と圧力検出モジュール部の両検出部の各出力信号毎の第
2 のアドレスとを発生するアドレス発生部、アドレス発
生部によりアドレス指定された圧力検出部と温度検出部
からアナログ信号切換器を介して送られた圧力信号と温
度信号とをアナログデジタル変換するアナログデジタル
変換器、およびアナログデジタル変換器によりデジタル
化された圧力信号と温度信号とを用いてあらかじめ定め
た所定の演算式で演算することにより圧力信号の温度補
償を行う情報処理部とを具備したことを特徴とする。

また、この発明は圧力検出部、温度検出部への供給電源
は装置内の他のアースから浮かして印加されたものであ
ることを特徴とする。

［作用］ この発明では、複数個の圧力検出部で立体的に構築され
た圧力検出モジュールをマトリックス状に多数配置し、
このモジュールごとに縦軸アドレスおよび横軸アドレス
で選択掃引し、さらに選ばれたモジュール内の各圧力検
出部の出力を信号アドレスで一つづつ選択掃引して行
き、個々の圧力検出部ごとのオフセット、スパンなどの
温度補償を温度検出部の出力とマイクロコンピュータと
を用いて行うことにより２次元平面状さらには３次元立
体面状の圧力分布の測定を行う。

また、この発明では、温度検出部を複数のブリッジから
なる圧力検出モジュールごとに設け、温度測定回路の増
幅器を圧力検出回路の増幅器と共用するようにしている
ので、構成が簡略化し、小型化が達成される。さらに、
この発明では印加電源を他の回路アームからフロートし
たブリッジ回路で構成した圧力検出部を複数個単位でモ
ジュール化することにより、圧力検出部からアナログ信
号切換器に至る一方の配線を共通にすることができるの
で、さらに小形化が達成される。

［実施例］ 以下、図面を参照して、この発明の実施例を詳細に説明
する。

第１図はこの発明の実施例の回路構成を示す。ここで、
15は圧覚や触覚等の圧力感覚の検出を温度検出とともに
行う圧力検出ブロック、16は圧力検出ブロック15の出力
の増幅を行う増幅器、17は増幅器16の出力の温度補正等
を行うマイクロコンピュータ部であり、この実施例装置
はこれらの回路要素15〜17から成る。

圧力検出ブロック15は複数の圧力検出モジュール18と単
一のアナログ信号切換器19とで構成する。図面上省略さ
れているが、圧力検出モジュール18は縦・横にマトリッ
クス状に多数配置されて、固有のアドレスを与えられ、
各々の圧力検出モジュール18には後述の縦軸デコーダラ
イン群43および横軸デコーダライン群44とが接続されて
いる。

各圧力検出モジュール18内には３次元の圧力測定等を考
慮して設けた複数の圧力検出部1X,1Y ,1Z と、この圧力
検出部の温度を検出する１個の温度検出部20とを配設す
る。圧力検出部1X,1Y ,1Z は、半導体ストレンゲージ等
のブリッジからなり、温度検出部20はサーミスタ等から
なる。また 21X，21Y ，21Z および21T は圧力検出部1
X,1Y ,1Z および温度検出部20の検出出力を開閉するア
ナログスイッチとしての信号用スイッチ部、22はこの信
号用スイッチ部を介して各モジュール18単位に検出出力
の開閉制御を行うアナログスイッチとしてのモジュール
用スイッチであり、このスイッチ22の指示信号により上
述の1 組のスイッチ部 21X，21Y ，21Z ，21T が開閉動
作を行う。

各モジュール用スイッチ22は所属の圧力検出モジュール
18のアドレスを示す横軸および縦軸のデコード信号の指
示を受けて開閉動作をするスイッチSXおよびSYと、この
開閉動作を電位的に符号化する抵抗R とで構成し、その
横軸および縦軸の後述のデコーダの選択により所属の圧
力検出モジュール18が選択された時にスイッチSXおよび
SYを閉じて、その所属するモジュール内の全ての信号用
スイッチ部21X,21Y ，21Z,21T を同時に開く。

さらに、共通の電源端子13とアナログ用アース端子14に
対して、1 組の圧力検出部1X,1Y ,1Z 毎に1 個の温度検
出部20を接続し、これらの検出部の出力端子に上述の1
組の信号用スイッチ部 21X，21Y ,21Z ,21T を接続す
る。

アナログ信号切換部19は第2 図に示すように、複数のス
イッチからなり、各圧力検出モジュール18からの信号を
受け取って、その中の一組の信号を後述の信号デコーダ
25の出力値に基づいて選択出力する。

アナログ信号切換部19の出力端子に接続する増幅部16
は、第3 図に示すように、作動増幅器として作動するア
ナログ集積回路3,4 および11と複数の抵抗 R_０〜 R_３と
で構成する。この増幅部16の出力_０は入力を_１，
_２とすると、次式(1) で与えられる。

この増幅部16は、導電ノイズに強いので同相電圧ノイズ
が少く、検出部1 のブリッジと増幅部16のグランド共通
(接地線共通接続)によりフローティング電源が不要であ
る等の利点を有する。

マイクロコンピュータ部17は複数の構成要素23〜24から
構成する。ここで、23は後述の縦軸アドレスに応じて該
当の縦軸デコード信号を発生する縦軸デコーダ、24は後
述の横軸アドレスに応じて当該の横軸デコード信号を発
生する横軸デコーダであり、上述の両デコード信号によ
り圧力検出モジュール18の1 つが選択される。25は信号
デコーダであり、後述の信号アドレスに応じて該当のデ
コード信号を発生して、縦軸および横軸デコーダ23,24
で選ばれた圧力検出モジュール18の4 組の信号群から1
組をアナログ信号切換器19を介して選択する。

また、26は増幅部16の出力端子と接続するA/D （アナロ
グ−デジタル）変換器であり、増幅部16で増幅された圧
力信号および温度信号をA/D 変換する。27はA/D 変換器
26から出力するデジタル信号を一時記憶する一時記憶用
RAM （ランダムアクセスメモリ）、28および29はA/D 変
換器26でデジタル化したデータを温度補償するための演
算をする乗算用プロセッサと除算用プロセッサである。

30は演算式や定数または制御プログラム等をあらかじめ
格納したROM(リードオンメモリ)、31は演算により温度
補償された検出データを記憶する補正後データ記憶用RA
M 、32は温度補償ずみの検出データを外部に出力する信
号出力用ポート、33は全体の制御を行うCPU(中央演算処
理装置)、および34はCPU33 からの圧力検出モジュール
アドレスおよびその信号アドレスを、縦軸デコーダ23、
横軸デコーダ24、信号デコーダ25へ出力するアドレス出
力用ポートである。

さらに、35はマイクロコンピュータ部17の内部のデータ
バス、36はマイクロコンピュータ部17のアドレスバス、
37はマイクロコンピュータ部17の信号出力用データバス
である。38および39はマイクロコンピュータ部17のデジ
タル用電源およびアース端子、40および41は増幅部16の
オペアンプ（演算増幅器）用正および負の電源端子であ
る。42は信号デコーダ25から出て、アナログ信号切換器
19に接続する。デコードライン群、43は縦軸デコーダ23
から出て、縦軸毎に各モジュール用スイッチ部22のスイ
ッチSYに接続する縦軸デコードライン群、および44は横
軸デコーダ24から出て、横軸毎に各モジュール用スイッ
チ部22のスイッチSXに接続する横軸デコードライン群で
ある。

以上の構成において、CPU33 はROM30 に格納した制御プ
ログラムに基づいて、複数の圧力検出モジュール18のう
ちで、どの圧力検出モジュールのどの圧力検出部の出力
を信号出力用データバス37に出力させるかを決定する
と、その圧力検出モジュールのアドレスと圧力検出部の
アドレスとを、アドレス出力用ポート34を経由して、信
号デコーダ25、縦軸デコーダ23および横軸デコーダ25に
出力する。ここで、各圧力検出モジュール18中の圧力検
出部1X,1Y ,1Z および温度検出部20にあらかじめ与えら
れたアドレスは、その各検出部毎に特定されたアドレス
であり、例えば信号アドレス、縦軸アドレスおよび横軸
アドレスを配列した時の符号値を表わす。

次に、各デコーダ23〜25はその入力したアドレスを解読
し、そのアドレスにそれぞれ対応した信号ライン、縦軸
ラインおよび横軸ラインを信号デコードライン群42，縦
軸デコードライン群43および横軸デコードライン群44の
中から選び出し、これらの選び出したラインに接続され
ているアナログ切換器19およびスイッチSX,SY だけをオ
ン(導通)状態にさせる。

すなわち、第2 図に示すように、縦軸デコーダ23は縦軸
デコードライン群43を通じて列方向の圧力検出モジュー
ル18の中のスイッチSXを選択的にON（オン）にし、横軸
デコーダ24は横軸デコードライン群44を通じて行方向の
圧力検出モジュール18の中のスイッチSYを選択的にONに
する。両スイッチSXおよびSYがONすると、信号用スイッ
チ22がONになり、そのスイッチ22が所属する（アドレス
で指定された）圧力検出モジュール18の圧力および温度
信号を一挙に出力する。このように、上述のデコーダ2
3,24 で選ばれた圧力検出モジュール18の信号から一組
の信号を選択すべく、信号デコーダ25はアナログ切換器
19内のいずれかのスイッチを順次オンにする。

これにより、CPU 33により指定されたアドレスを有する
特定の圧力検出部1X,1Y ,1Z が選択され、この選択され
た圧力検出部の出力信号が増幅部16で増幅される。同様
に温度検出部20の出力もCPU 33によりアドレスのみを変
るだけで、上述した信号選択過程を経て増幅部16で増幅
される。

次に増幅部16で増幅された圧力信号と温度信号とは、A/
D 変換器26でA/D 変換される。このA/D 変換されたデジ
タルの圧力信号と温度信号とは、内部データバス35を介
して一時記憶用RAM27 にそれぞれ区別されて別の領域に
記憶され、さらにCPU 33 、乗算用プロセッサ28，およ
び除算用プロセッサ29とにより圧力信号の温度補償のた
めの演算が行われる。ここで乗算用プロセッサ28と除算
用プロセッサ29は上述の補償演算の速度を早めるために
用いられる。

かかる補償演算は以下のように行う。まず、A/D 変換器
26に入力される圧力信号のアナログ値V_OPは、圧力検出
部1(1X,1Y ,1Z の代表番号とする)に圧力が印加されな
いときに発生するオフセットと、スパンを決定する比例
定数とを使って近似的に、 と表わすことができるので、圧力検出部1 への印加圧力
P は次の(3) 式から求めることができる。

ただし、T:圧力検出部1 の絶対温度、 a_０,a_１,a_２,b_０,b_１,b_２：圧力検出部1 の個々に定ま
る既知の定数である。

また、A/D 変換器26に入力する温度信号のアナログ値V
_OTは、温度検出部20が例えばサーミスタの場合には近似
的に、 V_OT ＝ C_０＋ C_１ T_OT と表わすことができるので、温度T_OTは次の式から求
めることができる。

ただし、 C_０,C_１：温度検出部20ごとに定まる既知の定数、 T_０：温度検出部20の絶対温度である。

従って、温度検出部20の温度 T_０が圧力検出部1 の温度
Tと考えられるほど、温度検出部20と圧力検出部1 とを
十分に近いところに設置しておけば、上述の(4) 式によ
り算出した温度T_OTをT として用いて、上述の(3) 式か
ら温度T の影響を除去した正確な圧力値P を算出できる
ことになる。このようにして、算出されたデジタル圧力
データP は信号出力用ポート32を経由して、信号出力用
データバス37から外部に出力されると同様に、補正後デ
ータ記憶用RAM31 に記憶され、いつでも必要なときに出
力できるようになっている。

以上のように、ある特定の圧力検出部１の出力信号がマ
イクロコンピュータ部7 で演算処理され、信号出力用デ
ータバス37に出力される。同様にして、他の出力検出部
1 の出力も順次縦軸デコーダ23、横軸デコーダ24および
信号デコーダ25とを経由してアドレス指定されることに
より検出されて、マイクロコンピュータ部17で演算処理
され、信号出力用データバス37に出力される。マトリッ
クス配列の複数の圧力検出モジュール18の圧力検出部1
および温度検出部20の全部をこのようにして掃引し終る
と、補正後データ記憶用RAM 31には圧力分布のデータフ
ァイルが完成することになる。

このように、本例では、 複数個の圧力検出部で構築した圧力検出モジュール
18をマトリックス状に多数配列し、 縦軸デコーダ23，横軸デコーダ24とで１つの圧力検
出モジュール18の信号を順次選択掃引して取り出し、次
に選択して取り出したその信号を信号デコーダ25とアナ
ログスイッチ19とによりさらに選択掃引してその信号の
中から1 組の検出信号を順次取り出し、 増幅器を共用して圧力信号と温度信号とを同じ経路
で増幅した後、オフセットやスパンなどの温度補償をす
るようにしているので、 圧力検出部で同一信号を束にできて、圧力検出モジュー
ル18からの引出線が少なくなり、またアナログスイッチ
の数が少なくなる。そのため、触覚部（センサアレイと
マルチプレクサ等のICを一体化したもの）の超小形化が
可能となる。

尚、圧力検出部1 を数個単位でデモジュール化すること
は、例えば印加圧力を互いに直行する3 分力に分解して
検出する3 分力検知感圧モジュールを単一の部品として
構築する上で、有効な手段となる。また、温度検出部20
は必ずしも各圧力検出モジュール18に対してそれぞれ配
設する必要はなく、例えば温度補償を損なわない程度に
数と位置とを限定して配置するようにしてもよい。

第4 図はこの発明の他の実施例の回路構成を示す。尚、
第1 図と同一な部分は同一符号を付してその詳細な説明
は省略する。

本例の圧力検出部1(1X,1Y ,1Z)および温度検出部20は、
ブリッジ回路で構成し、その供給電源としてのブリッジ
用電源端子45およびアース端子46を他の回路アース39,4
1 に対してフロートさせて、検出出力が端子47と48との
間に発生するようにし、かつ端子48を各検出部の出力の
一方のコモン線にしている。すなわち、本例は、検出部
の供給電源を他の回路アースからフロートすることによ
り、検出部1,20からアナログ信号切換器19に至る一方の
配線(出力線)を共通にした点が第1 図の実施例と異な
る。

このように圧力検出部1 および温度検出部20の供給電源
をフロートさせるようにしているので、出力信号の取り
出しをする信号用スイッチ部21′(21′X,21′Y ,21′Z,
21′T )内のスイッチの数と、後述のように増幅部16′
内のアナログ集積回路(例えばオペアンプ)11の数とを最
小にすることができる。

増幅部16′はアナログ信号切換器19の出力端子と接続す
る増幅器であり、第5 図に示すようにアナログ集積回路
11および数点の抵抗 R_１,R_２のみで構成する。この増幅
部16′の出力_０は入力を_ｉとすると、次式(5) で与
えられる。

この増幅部16′は増幅器としてのアナログ集積回路11が
1 個と、抵抗が4 個とで構成できる。よって回路が大幅
に簡略化して低コスト化が得られるとともに、低消費電
力化も得られる。例えば、実験によれば、アナログ集積
回路11にPMI 社製のOP37(製品番号)を使用し、電源を±
15V,±8Vにしたときの増幅部16′の消費電力は140mW,42
mWであったが、同一条件で実施した第3 図の増幅部16の
場合ではその消費電力は420mW,125mW となった。その他
の構成は第1 図の実施例とほぼ同様などでその詳細な説
明は省略する。

このように、本例では、検出部1,20の供給電源を他の回
路アースからフロートさせ、検出部からアナログ信号切
換器19に至る一方の配船を共通にし、増幅部16′の構成
を簡略化して低消費電力化を得るようにしているので、
極めて小形・軽量で経済的な圧覚センサを得ることがで
きる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、複数個の圧力
検出部で構築した圧力検出モジュールをマトリックス状
に多数配置し、この圧力検出モジュールをモジュールご
とに与えられた縦軸アドレスおよび横軸アドレスで順次
選択して、選ばれたそのモジュール内の各圧力検出部の
出力をさらに信号アドレスで一つづつ選択して行き、選
択した検出信号に対して個々の圧力検出部ごとのオフセ
ットスパンなどの温度補償を行うようにしているので、
第2 図の従来装置のように複数の圧力検出部の出力を掃
引して、個々の圧力検出部に温度補償回路を別々に設け
るという必要はなくなり、全体として回路構成部品数が
少なくなり、超小形化が達成されるばかりでなく圧力分
布の測定を廉価に経済的に行うことができる利点が得ら
れる。

さらに、この発明では、圧力検出部の供給電源を他の回
路アースからフロートさせることにより、配船、スイッ
チおよび増幅部の構成部品点数をさらに少なくすること
ができ、その結果、小形・軽量で経済的な圧覚センサが
比較的低コストで得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の構成を示す回路図、 第2 図は第1 図のアナログ信号切換器の構成を示す回路
図、 第3 図は第1 図の増幅部の構成を示す回路図、 第4 図はこの発明の他の実施例の構成を示す回路図、 第5 図は第4 図の増幅部の構成を示す回路図、 第6 図は従来の圧力センサの温度特性補償回路を示す回
路図、 第7 図は従来の圧力センサとその温度特性補償回路を用
いて圧力分布を測定する場合のシステム構成例を示すブ
ロック図である。 １……圧力検出部、 ２……温度特性補償回路、 ３……アナログ集積回路、 ４……アナログ集積回路、 ５……スパン調整抵抗、 ６……オフセット調整抵抗、 ７……零点調整抵抗、 ８……アナログ集積回路、 ９……零点温度特性補償抵抗、 10……スパン温度特性補償抵抗、 11……アナログ集積回路、 12……信号出力端子、 13……電源端子、 14……アナログ用アース端子、 15……圧力検出ブロック、 16……増幅部、 17……マイクロコンピュータ部、 18……圧力検出モジュール、 19……アナログ信号切換器、 20……温度検出部、 21……信号用スイッチ部、 22……モジュール用スイッチ、 23……縦軸デコーダ、 24……横軸デコーダ、 25……信号デコーダ、 26……A/D 変換器、 27……一時記憶用RAM 、 28……乗算用プロセッサ、 29……除算用プロセッサ、 30……ROM 、 31……補正後データ記憶用RAM 、 32……信号出力用ポート、 33……CPU 、 34……アドレス出力用ポート、 35……内部データバス、 36……アドレスバス、 37……信号出力用データバス、 38……デジタル用電源端子、 39……デジタル用アース端子、 40……オペアンプ用正電源端子、 41……オペアンプ用負電源端子、 42……信号デコードライン群、 43……縦軸デコードライン群、 44……横軸デコードライン群、 45……ブリッジ用電源端子、 46……ブリッジ用アース端子、 47,48 ……圧力検出部の出力端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固有のアドレスを有する複数の圧力検出モ
   ジュール部、 この圧力検出モジュール部内に位置する複数の圧力検出
   部、 前記圧力検出モジュール部内に位置し、前記圧力検出部
   の温度を検出する温度検出部、 前記圧力検出モジュール部内に位置し、前記圧力検出部
   と、前記温度検出部の両検出部の出力をオンオフする第
   １のアナログスイッチ、 前記圧力検出モジュール部内に位置し、この圧力検出モ
   ジュール部に与えられた第１のアドレスで前記第１のア
   ナログスイッチのオンオフを制御する第２のアナログス
   イッチ、 前記圧力検出モジュール部の第１のアナログスイッチを
   介して送られた前記両圧力検出部の出力群から一つの出
   力を与えられた第２のアドレスで順次選びだすアナログ
   信号切換器、 前記圧力検出モジュール部の前記第１のアドレスと前記
   圧力検出モジュール部の前記両検出部の各出力信号毎の
   前記第２のアドレスとを発生するアドレス発生部、 このアドレス発生部によりアドレス指定された前記圧力
   検出部と前記温度検出部から前記アナログ信号切換器を
   介して送られた圧力信号と温度信号とをアナログデジタ
   ル変換するアナログデジタル変換器、 およびこのアナログデジタル変換器によりデジタル化さ
   れた前記圧力信号と前記温度信号とを用いてあらかじめ
   定めた所定の演算式で演算することにより前記圧力信号
   の温度補償を行う情報処理部、 とを具備し、前記圧力検出部、前記温度検出部への供給
   電源は装置内の他のアースから浮かして印加されたもの
   であることを特徴とする圧覚センサ出力信号前処理装
   置。