JP4471613B2 - Tactile information detection method and tactile information detection system - Google Patents
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Description
本発明は、各計測点に貼り付けたセンサ素子としての歪みゲージの出力に応じて感度を自動調整可能な自動感度可変型の触覚情報検出方法およびシステムに関するものである。 The present invention relates to an automatic sensitivity variable tactile information detection method and system capable of automatically adjusting sensitivity according to the output of a strain gauge as a sensor element attached to each measurement point.
人の皮膚には各種の触覚受容器が存在しており、軽く触れた感触から衝撃力まで識別することができる。例えば、指先には1平方センチメートル当たり約1500のマイスナー小体および約750のメルケル触覚盤が皮膚の上部に存在し、約75のバシニアン小体およびルフィニ器官が皮膚の深部に存在する。これらの時間応答や空間応答の異なる4種類の感触受容器によって、広い計測レンジを実現している。 Various tactile receptors exist in human skin, and can be distinguished from a light touch to an impact force. For example, there are about 1500 Meissner bodies and about 750 Merkel tactile discs per square centimeter at the top of the skin, and about 75 Basinian bodies and Rufini organs deep in the skin. A wide measurement range is realized by these four types of tactile receptors with different temporal and spatial responses.
人とロボットが共存する環境を考えた場合、ロボットに装着する触覚センサは絶えず適切な計測レンジというものが必要になってくると考えられる。例えば、ロボットの指先で細かな作業をすることを考えた場合、高感度な触覚センサが要求されるかもしれない。一方で、危険を回避するために大きな衝撃力も計測できるセンサが必要となるかもしれない。 When considering an environment where humans and robots coexist, it is considered that a tactile sensor attached to the robot always needs an appropriate measurement range. For example, when a detailed work is considered with the fingertip of a robot, a highly sensitive tactile sensor may be required. On the other hand, a sensor capable of measuring a large impact force may be required to avoid danger.
ロボットにおける触覚センサの研究は、H.Erunst等によって1960年頃から始まった。その後、さまざまな角度から数多くの触覚センサが提案されてきた。例えば、感度や分解能、線形性、少配線機構、実装性などについて改良された触覚センサが提案されてきた。 Research on tactile sensors in robots It started around 1960 by Erunst et al. Since then, many tactile sensors have been proposed from various angles. For example, a tactile sensor improved in sensitivity, resolution, linearity, a small wiring mechanism, and mountability has been proposed.
ここで、従来においては、(M×N)のマトリックス状に触覚センサを配置し、各触覚センサを順次に切り替えて、各触覚センサが配置されている各計測点での触覚情報を計測する方法が広く採用されている。この形式の触覚センサの問題点は、各計測点の情報を読み取るための多数本の配線が必要になるということである。 Here, conventionally, a method of measuring tactile information at each measurement point where each tactile sensor is arranged by sequentially arranging tactile sensors in an (M × N) matrix and sequentially switching each tactile sensor. Is widely adopted. The problem with this type of tactile sensor is that a large number of wires are required to read information at each measurement point.
配線数を減らすために、例えば、シノダ等によって新しい無線式の触覚センシングが提案されている。これは、コイルを使い、電力転送とセンシングを無線で行うものである。また、このセンサは柔軟な材質の中に多くの共振回路を配置した構成となっており、接触部分を識別可能となっている。 In order to reduce the number of wires, new wireless tactile sensing has been proposed by Shinoda, for example. This uses a coil to perform power transfer and sensing wirelessly. In addition, this sensor has a configuration in which many resonance circuits are arranged in a flexible material, so that the contact portion can be identified.
従来の触覚センサは、規定値を超える強いレベルの信号が入力するとすぐ飽和してしまったり、極端に小さな接触力の時には、センサ分解能が悪くなるという問題点がある。そこで、触覚センサへの入力に応じて適切なゲイン調整を行うための触覚センサの自動利得制御(以下、AGCと称する。)が必要である。 The conventional tactile sensor has a problem that the signal is saturated as soon as a signal with a strong level exceeding a specified value is input, or the sensor resolution is deteriorated when the contact force is extremely small. Therefore, it is necessary to perform automatic gain control (hereinafter referred to as AGC) of the tactile sensor for performing an appropriate gain adjustment in accordance with the input to the tactile sensor.
また、大面積の触覚センサを考えた場合、各センサ素子に入力される接触力は一定ではないので、部分的に飽和したり、分解能が悪くなったりすることが予想される。これらを防ぐためには、計測点毎にセンサ素子のゲイン調整を行えることが望ましい。 When a tactile sensor having a large area is considered, the contact force input to each sensor element is not constant, so that it is expected that the sensor is partially saturated or the resolution is deteriorated. In order to prevent these, it is desirable to be able to adjust the gain of the sensor element for each measurement point.
さらに、有線式の触覚センサの場合には、多数の計測点に設置された各センサ素子と、これらの出力から各計測点における触覚情報を検出するためのコントローラとの間を結ぶ配線数を低減できることが望ましい。 Furthermore, in the case of a wired tactile sensor, the number of wires connecting between each sensor element installed at a large number of measurement points and a controller for detecting tactile information at each measurement point from these outputs is reduced. It is desirable to be able to do it.
本発明の課題は、各計測点に配置した各歪みゲージ(センサ素子)に作用する接触力に応じて、各ひずみゲージのゲインを自動調節可能な触覚情報検出方法および触覚センサ・システムを提案することにある。 An object of the present invention is to propose a tactile information detection method and a tactile sensor system that can automatically adjust the gain of each strain gauge according to the contact force acting on each strain gauge (sensor element) arranged at each measurement point. There is.
また、本発明の課題は、上記課題に加えて、触覚センサとコントローラとの間の配線数を低減可能な触覚情報検出方法および触覚センサ・システムを提案することにある。 Another object of the present invention is to propose a tactile information detection method and a tactile sensor system that can reduce the number of wires between the tactile sensor and the controller in addition to the above-described problems.
本発明は、各計測点に貼り付けた歪みゲージによって、計測点毎にブリッジ回路を構成し、各ブリッジ回路からの出力に基づき、各計測点に作用する接触力などの触覚情報を検出する触覚情報検出方法において、
周波数の異なる正弦波成分を含む混合正弦波信号を生成し、
この混合正弦波信号を各ブリッジ回路に対してバンドパスフィルタを介して印加することにより、各ブリッジ回路に対して予め定められている単一周波数の正弦波信号を印加し、
各ブリッジ回路から得られる出力を加算して加算出力を生成し、
この加算出力から、三角関数の直交性を利用して、各計測点に作用している接触力および接触方向のうち、少なくとも接触力を求め、
各計測点で計測された電圧振幅と、予め計測点毎に設定されている目標電圧とを比較し、これらの誤差を抑制するように、各計測点のブリッジ回路に印加される各周波数の正弦波信号の電圧振幅を調整して、各計測点のブリッジ回路のゲイン制御を行うことを特徴としている。
The present invention provides a tactile sense that detects a tactile information such as a contact force acting on each measurement point based on an output from each bridge circuit by configuring a bridge circuit for each measurement point by a strain gauge attached to each measurement point. In the information detection method,
Generate a mixed sine wave signal containing sine wave components with different frequencies,
By applying this mixed sine wave signal to each bridge circuit through a bandpass filter, a single frequency sine wave signal determined in advance is applied to each bridge circuit,
Add the outputs obtained from each bridge circuit to generate an added output,
From this added output, by using the orthogonality of the trigonometric function, at least the contact force is obtained from the contact force and the contact direction acting on each measurement point,
The voltage amplitude measured at each measurement point is compared with the target voltage set for each measurement point in advance, and the sine of each frequency applied to the bridge circuit at each measurement point to suppress these errors The gain amplitude of the bridge circuit at each measurement point is controlled by adjusting the voltage amplitude of the wave signal.
また、本発明は、上記の触覚情報検出方法により各計測点に作用する接触力などの触覚情報を検出する触覚情報検出システムであって、
触覚センサと、コントローラと、前記触覚センサから出力される前記加算出力を前記コントローラに供給するための信号出力線と、前記コントローラから出力される前記混合正弦波信号を前記触覚センサに供給するためのゲイン制御線とを有し、
前記触覚センサは、複数のセンサユニットと、各センサユニットの出力を加算して前記加算出力を生成する加算回路とを備え、
各センサユニットは、計測点に配置した複数の歪みゲージから構成される前記ブリッジ回路と、前記混合正弦波信号に含まれている予め定められた単一周波数の正弦波信号を前記ブリッジ回路に印加するためのバンドパスフィルタとを備え、
前記コントローラは、前記信号出力線を介して供給される前記加算出力をAD変換するAD変換器と、AD変換後の加算出力から、三角関数の直交性を利用して、各計測点に作用している接触力およびその接触方向のうち、少なくとも接触力を算出するアナライザと、各計測点で計測された電圧振幅および予め定められている目標電圧を比較し、これらの誤差を抑制するように、前記触覚センサの各センサユニットに印加される各周波数の正弦波信号の電圧振幅を調整する自動利得制御回路と、調整された電圧振幅を備えた各周波数の正弦波を含む混合正弦波を生成して出力するDA変換器とを備えていることを特徴としている。
Further, the present invention is a tactile information detection system for detecting tactile information such as contact force acting on each measurement point by the above-described tactile information detection method,
A tactile sensor, a controller, a signal output line for supplying the controller with the added output output from the tactile sensor, and a mixed sine wave signal output from the controller for supplying to the tactile sensor A gain control line,
The tactile sensor includes a plurality of sensor units and an addition circuit that adds the outputs of the sensor units and generates the addition output.
Each sensor unit applies the bridge circuit composed of a plurality of strain gauges arranged at measurement points and a sine wave signal having a predetermined single frequency included in the mixed sine wave signal to the bridge circuit. And a bandpass filter for
The controller acts on each measurement point using an orthogonality of a trigonometric function from an AD converter that AD converts the addition output supplied via the signal output line and the addition output after AD conversion. Among the contact force and its contact direction, the analyzer that calculates at least the contact force, the voltage amplitude measured at each measurement point and the predetermined target voltage are compared, and these errors are suppressed, An automatic gain control circuit that adjusts the voltage amplitude of a sine wave signal of each frequency applied to each sensor unit of the tactile sensor, and generates a mixed sine wave including a sine wave of each frequency with the adjusted voltage amplitude Output DA converter.
以上述べたように、本発明によれば、触覚センサとコントローラの間が一入力、一出力のインターフェースでありながら、複数のセンサ素子(センサユニット)のゲインを個別に制御可能な感度可変型の触覚情報検出システムを実現できる。 As described above, according to the present invention, a variable sensitivity type that can individually control the gains of a plurality of sensor elements (sensor units) while the interface between the tactile sensor and the controller is one input and one output. A tactile information detection system can be realized.
すなわち、センサユニットとコントローラとのインターフェースを一入力一出力とすることで、各計測点の同時計測と、各計測点から得られる検出信号の同時ゲイン調整とを行うことができる。 That is, by making the interface between the sensor unit and the controller one input and one output, simultaneous measurement of each measurement point and simultaneous gain adjustment of a detection signal obtained from each measurement point can be performed.
また、アナライザでの簡単な信号処理により各計測点に作用する力の情報をリアルタイムに計測できる。 In addition, the force information acting on each measurement point can be measured in real time by simple signal processing in the analyzer.
さらに、常に触覚センサからの信号強度を一定範囲内に保つことができるので、触覚センサが飽和することや、触覚センサの分解能が極端に低下することを防止できる。よって、常に適切なセンシングを行うことができる。 Furthermore, since the signal intensity from the tactile sensor can always be kept within a certain range, it is possible to prevent the tactile sensor from being saturated and the resolution of the tactile sensor from being extremely lowered. Therefore, appropriate sensing can always be performed.
以下に、図面を参照して本発明を適用した自動感度可変型の触覚情報検出システムを詳細に説明する。 Hereinafter, an automatic sensitivity variable tactile information detection system to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
図1は触覚情報検出システムを示す全体構成図であり、図2はその触覚センサの回路構成を示すブロック図である。触覚情報検出システム1は、歪みゲージ式の触覚センサ2とコントローラ3とを有している。触覚センサ2は、センサ基板4と、この基板4の表面にマトリックス状に配列した複数個のセンサユニット5i(i=1、2、3・・・)と、センサユニット5iを覆っているポリマーゲルなどの柔軟性素材6により形成された検出面6aとを備えている。
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a tactile information detection system, and FIG. 2 is a block diagram showing a circuit configuration of the tactile sensor. The tactile
センサユニット5は、検出面6aの計測点に対応する位置に直交状態に配置されている一対の歪みゲージ51、52により構成されたブリッジ回路53と、ブリッジ回路53の出力から差動信号を生成する差動増幅器54と、ブリッジ回路53に特定波長の入力信号を印加するためのバンドパスフィルタ(BPF)55とを備えている。また、触覚センサ2は、各センサユニット5の出力(差動増幅器54の出力)を合成する加算回路56と、加算回路56で得られた合成信号を増幅する増幅器57を有し、増幅器57の出力が単一の信号出力線58を経由してコントローラ3に供給される。一方、コントローラ3はAD変換器7、アナライザ8、自動利得制御回路(以下、AGCと呼ぶ。)9およびDA変換器10を備えている。DA変換器10から出力されるゲイン制御信号が単一のゲイン制御線11を介して触覚センサ2の各センサユニット5に供給される。
The
なお、計測点が増える場合には、例えば、図3に示すように、複数組の触覚センサ2をコントローラ3に対して並列に配置すればよい。
When the number of measurement points increases, for example, a plurality of sets of
触覚情報検出システム1は、触覚情報(本例では、接触力)の計測と、触覚センサ2の各センサユニット5のゲイン制御を同時に行うことが可能である。ゲイン制御のためにコントローラ3のDA変換器10から周波数の異なる正弦波の和(混合正弦波信号)をゲイン制御信号y(t)として出力する。各計測点に置かれた各センサユニット5では、バンドパスフィルタ(BPF)55を介して、予め決められた周波数の正弦波成分のみを含むゲイン制御信号がブリッジ回路53に加わる。この結果、後述のようにゲイン調整が行われる。
The tactile
一方、センサユニット5iのブリッジ回路53から出力される信号Vi(t)の振幅Aiは、センサユニット5iに入力される力に比例し、それぞれの出力が加算回路56により多重化される。よって、複数の計測点での検出出力を、コントローラ3のAD変換器7において一括してAD変換することができる。このような一入力・一出力構成により、コントローラ3は、DA変換器10を介して、簡単に複数の計測点での接触力などの触覚情報の計測、およびゲイン調整を行うことができる。
On the other hand, the amplitude Ai of the signal Vi (t) output from the
次に、コントローラ3のアナライザ8とAGC9で行われる処理の概要を説明する。アナライザ8では、リアルタイムに各計測点における力の情報を算出するために、iチャンネル毎にフーリエ変換と等価な処理を行っている。AGC9では、触覚センサ2のセンサユニット5iからの信号が基準値(目標値)になるように、絶えずゲイン制御を行っている。AGC9の役割は、出来る限り信号の強度をある範囲内で一定に保ち、計測できないような不安定な状態を避けることである。例えば、極端に大きな接触力が特定の計測点に加わったとすると、AGC9は、その計測点に配置されているセンサユニット5iのゲインを制御する正弦波の振幅Aiが小さくなるように制御する。これにより、センサユニット5iからの出力信号Vi(t)が所定範囲内の値に維持される。また、小さな接触力が計測点に作用したときは、AGC9は、センサユニット5iからの信号Vi(t)が所定範囲内に入るように、対応する正弦波の振幅Aiを大きくして、ゲインを上げる。
Next, an outline of processing performed by the
自動利得制御の考え方は既にCCDカメラやMICアンプ等に実装されており、規定レベルを超えた強いレベルの信号が入力してきたときや、規定レベル未満の弱いレベルの信号が入力してきたときには、信号の強度レベルを一定範囲に保つようにしている。本発明では、計測という観点から、AGC機能を取り入れた新しい触覚情報検出システム1を実現している。
The concept of automatic gain control has already been implemented in CCD cameras, MIC amplifiers, etc., and when a signal with a strong level exceeding the specified level is input or when a signal with a weak level less than the specified level is input, The intensity level is kept within a certain range. In the present invention, from the viewpoint of measurement, a new tactile
図4はi番目のセンサユニット5iのフィードバックループを示すブロック図であり、この図には触覚センサ2とコントローラ3の間の信号の流れが示されている。計測点に配置したセンサユニット5iのゲインをコントローラ3の側から同時制御するために、DA変換器10を介して周波数の異なる正弦波の和を出力する。この混合正弦波信号y(t)は式(1)のように表せる。
FIG. 4 is a block diagram showing a feedback loop of the i-th sensor unit 5i. In this figure, a signal flow between the
ただし、Aiとfiは、i番目の電圧振幅と周波数である。各計測点のブリッジ回路53には、式(1)のような混合正弦波信号y(t)が加わることになるが、バンドパスフィルタ55によってブリッジ回路53には予め決めておいた単一周波数fiの正弦波成分だけが加わる。従って、i番目のブリッジ回路53にはAisin(2πfit)だけが加わり、力が歪みセンサ51、52に加えられると、i番目のセンサユニット5iからの出力電圧Vi(t)は式(2)のようになる。
However, A i and f i are the i-th voltage amplitude and frequency. A mixed sine wave signal y (t) as shown in Equation (1) is applied to the
ただし、Giは差動増幅器54のゲイン、φiは印加周波数との位相のずれ、ΔRiは接触力による歪みゲージ51、52の抵抗の変化量、Rはブリッジ回路53のバランス抵抗である。この式から分かるように、差動増幅器54のゲインGiは一定であるから、ブリッジ回路53に印加する電圧振幅Aiをコントローラ3の側から変えることにより、等価的にセンサユニット5iのゲインを変えていることになる。各計測点からの出力信号Vi(t)は、加算回路56により多重化され、コントローラ3で同時に計測することができる。従って、コントローラ3に取り込まれる入力信号Vinput(t)は式(3)のように表せる。
Where G i is the gain of the
ただし、Vinput|maxはAD変換器7などの最大入力電圧である。各計測点に加えられた力は、アナライザ8により算出されるが、最大入力電圧を超える力は算出することができない。そこで、AGC9によりVi(t)の信号の強度レベルを一定範囲内に保つように、適切にゲイン制御を行う。このようにゲイン制御のフィードバックを形成することにより、規定値を超えた強い力がセンサユニット5iに入力しても、信号の飽和を防ぐことができ、センサユニット5iに小さな力が入力したときには、規定範囲内のレベルまでゲインを高くして分解能を上げることができる。つまり、信号の強度レベルを一定範囲内に保つことができ、計測できないといった不安定な状態に陥ることを抑制できる。アナライザ8とAGC9にについては以下にさらに詳しく説明する。
However, V input | max is the maximum input voltage of the
(アナライザ)
図4および図5Aに示すように、センサユニット5iからの出力Vi(t)は、式(2)、(3)により表されるように、計測点に作用する力に応じて振幅変調された周波数成分を含む。したがって、計測点に作用する力を求めるために、以下のようにして復調を行う。各計測点に印加してある周波数(搬送波)は前もって分かっているので、必要な周波数と振幅の関係だけを求めればよい。まず、式(4)、(5)のように、出力VinputをAD変換して得られる出力Vsum(t)に対して正弦波と余弦波との相関を求める。
(analyzer)
As shown in FIGS. 4 and 5A, the output V i (t) from the sensor unit 5i is amplitude-modulated according to the force acting on the measurement point, as represented by the equations (2) and (3). Frequency components included. Therefore, in order to obtain the force acting on the measurement point, demodulation is performed as follows. Since the frequency (carrier wave) applied to each measurement point is known in advance, it is only necessary to obtain the relationship between the necessary frequency and amplitude. First, as in Expressions (4) and (5), a correlation between a sine wave and a cosine wave is obtained for an output V sum (t) obtained by AD conversion of the output V input .
上式から得られたVx(t)とVy(t)をそれぞれローパスフィルタ(LPF)にかけたものをXi(t)、Yi(t)とすると、求める周波数の振幅、つまり接触力Fi(t)は次のように書くことができる。 If V i (t) and Y y (t) obtained by applying V x (t) and V y (t) obtained from the above formulas to X i (t) and Y i (t), respectively, the required frequency amplitude, that is, contact force F i (t) can be written as:
ただし、diはキャリブレーションによって決まる定数であり、位相情報Phasei(t)は接触方向を示す。位相情報は、例えばセンサユニット5iの上方向からの接触か下方向からの接触かを示すものである。例えば、図5Bに示すように、位相情報Phasei(t)が正の場合は接触方向が下向きであることを意味し、図5Cに示すように、位相情報Phasei(t)が負の場合には接触方向が上向きであることを意味する。周波数fi以外の成分は三角関数の直交性により、LPFのカットオフ周波数FcutHz以外がカットされる。このカットオフ周波数fcutの決定は、触覚センサ2への入力をどの程度とするかによって決定され、次式の条件を満たす必要がある。
However, d i is a constant determined by calibration, and phase information Phase i (t) indicates a contact direction. The phase information indicates, for example, whether the contact is from above or below from the sensor unit 5i. For example, as shown in FIG. 5B, when the phase information Phase i (t) is positive, it means that the contact direction is downward, and as shown in FIG. 5C, when the phase information Phase i (t) is negative. Means that the contact direction is upward. Components other than the frequency f i are cut except for the cut-off frequency F cut Hz of the LPF due to the orthogonality of the trigonometric function. The cut-off frequency f cut is determined by how much the input to the
もし、振動や高い周波数まで検出したければ、周波数fiの値を上げればよい。 If it is desired to detect vibration or even a high frequency, the value of the frequency f i may be increased.
(自動利得制御)
AGC9の目的は、自動的にAD変換器7などの飽和を防ぎ、接触情報の分解能を変えることである。図4、図6を参照して説明すると、AGC9は、以下のような操作を行い、センサユニット5iに印加する電圧振幅Ai(t)を適切な値となるように変化させている。
(Automatic gain control)
The purpose of the
ただし、Ari(t)はi番目の計測点で計測された電圧振幅、Aio(t)はi番目の計測点での目標値、Ei(t)はi番目の目標電圧との誤差、ΔWi(t)は印加電圧の修正量を示す。αは小さな定数である。式(10)は積分によって高周波をカットする効果を持たせ、頻繁に変わる誤差をなだらかに変化させるようにしてある。 Where A ri (t) is the voltage amplitude measured at the i-th measurement point, A io (t) is the target value at the i-th measurement point, and E i (t) is the error from the i-th target voltage. , ΔW i (t) indicates the correction amount of the applied voltage. α is a small constant. Equation (10) has an effect of cutting high frequencies by integration, and an error that changes frequently is changed gently.
なお、印加電圧の修正量ΔWi(t)に応じた電圧振幅Ai(t)の更新を、DA変換器10のメモリを書き換えることにより行っている。一般に、DA変換器10で高速に正弦波を作り出すにはメモリとの組合せが考えられるが、メモリ書き換え時間を無視することはできない。例えば、図7に示す理想出力波形(a)を出力したい場合、実際のDA変換器10からの出力波形というのは、理想出力波形(a)と方形波(c)を掛け合わせたような波形(a)となる。なお、図において、TiはDA変換器10のメモリ書き換え時間であり、Tは書き換え更新周期である。
The voltage amplitude A i (t) is updated according to the correction amount ΔW i (t) of the applied voltage by rewriting the memory of the
(実験例)
図8に示すように、触覚センサ2として、スチール板21に1mmの切れ目をいれて、複数の領域に区画し、各領域にセンサユニット5を配置した構成のものを製作した。センサユニット5は計測点に貼り付けた2つの歪みゲージ51、52を用いて構成されたブリッジ回路53を備え、その出力の温度補償を行うようにした。コントローラ3のDA変換器10からは、ソフトウエアにより混合正弦波信号y(t)を作り出して、30kHzでアナログ出力を更新した。各計測点のブリッジ回路53には、アナログBPF55を介して、単一の正弦波を印加した。単一の正弦波だけをブリッジ回路53に印加させるために、クオリティ・ファクタ(遮断特性の急峻さを決めるファクタ)を大きくできる2次バイカット型のBPF55を採用した。このBPF55は、素子のばらつきにより設定値通りに中心周波数を正確に合わせることが困難であったので、DA変換器10から出力される正弦波の周波数を、BPF55の中心周波数に合わせるようにした。各アナログBPF55は、互いに干渉する部分は100dB以上減衰するように設計した。各計測点からの出力はインスツルメンテーション・アンプ54により凡そ1000倍に増幅した。触覚センサ2からの出力信号線を1本にするために、加算回路56により各センサユニット5からの出力を加算して、振幅変調された周波数多重信号を生成した。触覚センサ2からの出力信号を、AD変換器7により5kHzでサンプリングした。正弦波と余弦波の相関を求めるアナライザ8では、ここで用いるカットオフ周波数50HzのデジタルLPFを3次パタワース特性で設計した。実験ではτ/Tを略1.0とするために、ゲイン更新周期Tを250msとし、τ/T=0.80で実験を行った。ただし、実際の計測ではメモリ書き換え更新の後の安定な状態で計測を行った。
(Experimental example)
As shown in FIG. 8, a
図9は、2つの計測点に対して自動利得制御を行わなかったときの実験結果であり、それぞれのセンサユニット(歪みゲージ)には313Hzと604Hzの正弦波をDA変換器10より印加してある。測定では、最初に片方の604Hzを印加してある計測点を触れた後に、2つ同時に触れた。図9Aは触覚センサ2からの出力の生波形であり、図9B、9Cはアナライザ8で処理を行った後のデータである。これらの図においては、t=0.9−1.3secに604Hzの正弦波を印加してあるセンサユニットに触れて、t=1.5−1.9secに両方のセンサユニットに触れたことが読み取れる。図9Bで、0.9−1.2secの間に入力信号がないにも拘わらず若干小さな出力が現れている。これは、中心周波数604HzのBPF55において、印加電圧や入力変位が大きいときに、周波数313Hzにおける減衰が充分ではないからであると考えられる。
FIG. 9 shows experimental results when automatic gain control is not performed on two measurement points. A sine wave of 313 Hz and 604 Hz is applied from the
図10A、10Bには、自動利得制御を行わなかったときに、ゲイン一定の触覚センサ2が飽和してしまう様子を示してある。図10Aには単一計測点からの出力信号を示し、図10Bには単一計測点に対して供給されたDA変換器10からの印加電圧である。図10Aにおいて、t=3900ms後にAD変換器7が飽和してしまっている様子がうかがえる。
FIGS. 10A and 10B show how the
図11A〜図11Dには自動利得制御を行った場合に、接触力を徐々に上げていったときに触覚センサ2のゲインが下がっていく様子を示してある。図11Dは単一計測点からの出力信号を示し、図11A、図11Bは、それぞれ、図11C、図11Dの一部を拡大した図である。図11Aにおいて、TはAGC9のゲイン更新周期であり、Tdはセンサの有効計測期間、TiはDA変換器10のメモリ書き換え時間である。Ti後のデータは、BPFやLPFによる立ち上がり遅れを考慮し、安定な状態まで待った後に計測期間Tdを設けてある。図11C、11Dから、センサユニット5のゲインが接触力に応じて小さくなっていく様子がうかがえる。
11A to 11D show how the gain of the
1 触覚情報検出システム
2 触覚センサ
3 コントローラ
5i センサユニット
51、52 歪みゲージ
53 ブリッジ回路
54 差動増幅器
55 バンドパスフィルタ
56 加算器
57 増幅器
58 信号出力線
6a 検出面
7 AD変換器
8 アナライザ
9 AGC
10 DA変換器
11 ゲイン制御線
DESCRIPTION OF
10
Claims (2)
周波数の異なる正弦波成分を含む混合正弦波信号を生成し、
この混合正弦波信号を各ブリッジ回路に対してバンドパスフィルタを介して印加することにより、各ブリッジ回路に対して予め定められている単一周波数の正弦波信号を印加し、
各ブリッジ回路から得られる出力を加算して加算出力を生成し、
この加算出力から、三角関数の直交性を利用して、各計測点に作用している接触力および接触方向のうち、少なくとも接触力を求め、
各計測点で計測された電圧振幅と、予め計測点毎に設定されている目標電圧とを比較し、これらの誤差を抑制するように、各計測点のブリッジ回路に印加される各周波数の正弦波信号の電圧振幅を調整して、各計測点のブリッジ回路のゲイン制御を行う触覚情報検出方法。 In a tactile information detection method for detecting tactile information such as contact force acting on each measurement point based on an output from each bridge circuit by configuring a bridge circuit for each measurement point by a strain gauge attached to each measurement point. ,
Generate a mixed sine wave signal containing sine wave components with different frequencies,
By applying this mixed sine wave signal to each bridge circuit through a bandpass filter, a single frequency sine wave signal determined in advance is applied to each bridge circuit,
Add the outputs obtained from each bridge circuit to generate an added output,
From this added output, by using the orthogonality of the trigonometric function, at least the contact force is obtained from the contact force and the contact direction acting on each measurement point,
The voltage amplitude measured at each measurement point is compared with the target voltage set for each measurement point in advance, and the sine of each frequency applied to the bridge circuit at each measurement point to suppress these errors A tactile information detection method for controlling the gain of a bridge circuit at each measurement point by adjusting the voltage amplitude of a wave signal.
触覚センサと、コントローラと、前記触覚センサから出力される前記加算出力を前記コントローラに供給するための信号出力線と、前記コントローラから出力される前記混合正弦波信号を前記触覚センサに供給するためのゲイン制御線とを有し、
前記触覚センサは、複数のセンサユニットと、各センサユニットの出力を加算して前記加算出力を生成する加算回路とを備え、
各センサユニットは、計測点に配置した複数の歪みゲージから構成される前記ブリッジ回路と、前記混合正弦波信号に含まれている予め定められた単一周波数の正弦波信号を前記ブリッジ回路に印加するためのバンドパスフィルタとを備え、
前記コントローラは、前記信号出力線を介して供給される前記加算出力をAD変換するAD変換器と、AD変換後の加算出力から、三角関数の直交性を利用して、各計測点に作用している接触力およびその接触方向のうち、少なくとも接触力を算出するアナライザと、各計測点で計測された電圧振幅および予め定められている目標電圧を比較し、これらの誤差を抑制するように、前記触覚センサの各センサユニットに印加される各周波数の正弦波信号の電圧振幅を調整する自動利得制御回路と、調整された電圧振幅を備えた各周波数の正弦波を含む混合正弦波を生成して出力するDA変換器とを備えている触覚情報検出システム。 A tactile information detection system for detecting tactile information such as contact force acting on each measurement point by the tactile information detection method according to claim 1,
A tactile sensor, a controller, a signal output line for supplying the controller with the added output output from the tactile sensor, and a mixed sine wave signal output from the controller for supplying to the tactile sensor A gain control line,
The tactile sensor includes a plurality of sensor units and an addition circuit that adds the outputs of the sensor units and generates the addition output.
Each sensor unit applies the bridge circuit composed of a plurality of strain gauges arranged at measurement points and a sine wave signal having a predetermined single frequency included in the mixed sine wave signal to the bridge circuit. And a bandpass filter for
The controller acts on each measurement point using an orthogonality of a trigonometric function from an AD converter that AD converts the addition output supplied via the signal output line and the addition output after AD conversion. Among the contact force and its contact direction, the analyzer that calculates at least the contact force, the voltage amplitude measured at each measurement point and the predetermined target voltage are compared, and these errors are suppressed, An automatic gain control circuit that adjusts the voltage amplitude of a sine wave signal of each frequency applied to each sensor unit of the tactile sensor, and generates a mixed sine wave including a sine wave of each frequency with the adjusted voltage amplitude A tactile information detection system provided with a DA converter for outputting.
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US7591165B2 (en) * | 2006-03-29 | 2009-09-22 | Tekscan Incorporated | Control circuit for sensor array and related methods |
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JP5024315B2 (en) * | 2009-03-19 | 2012-09-12 | トヨタ自動車株式会社 | Steering torque detection signal transmission device and steering torque detection signal reception device |
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2003
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108332794A (en) * | 2018-02-09 | 2018-07-27 | 中国科学院电子学研究所 | Biomimetic tactile system and multi-function robot |
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