JPH09250957A

JPH09250957A - 力覚センサにおける温度補正方法

Info

Publication number: JPH09250957A
Application number: JP8086054A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Kuribayashi; 克幸栗林
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1996-03-15
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 1997-09-22
Anticipated expiration: 2016-03-15
Also published as: JP3623592B2

Abstract

(57)【要約】【課題】力覚センサの温度補正の簡素化。【解決手段】励起電圧Ｖe をセンシング部に印加した
状態で使用可能下限温度（基準温度）Ｔst下に置き、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（Ｓ１）。内部温
度が安定したと判定されたら（Ｓ２）、温度出力Ｔ0 を
記憶し（Ｓ３）、基準温度下における各ゲージ出力Ｇ01
〜Ｇ08を記憶する。次に、励起電圧Ｖe をセンシング部
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 下に置き、内部温度の繰り返し検出を開始
し（Ｓ５）、内部温度の安定を判定し（Ｓ６）、内部温
度出力Ｔ1 を記憶した上で（Ｓ７）、ゲージ出力Ｇ11
〜Ｇ18 を記憶する（Ｓ８）。これらデータから、各ゲ
ージの温度係数ｓi を算出・記憶する（Ｓ９）。温度係
数ｓi は、６軸力測定時の温度補正に利用される。

Description

【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Ｌ
ＰＦ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〜Ｌ
ＰＦ８）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、ＣＰＵ２
０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、ＣＰＵ２
０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Ｌ
ＰＦ１〜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＝Ｔ
min 、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Ｔma
x 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Ｓ
３）。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 〜Ｇ
8 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Ｍ
３）。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Ｇ
ｎ（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２０ＣＰＵ２１アナログマルチプレクサ２２Ａ／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

Claims

【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。