JP6431005B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、検出対象にかかる外力およびモーメントの少なくとも一方を検出するセンサ装置に関する。

ロボット等の検出対象にかかる外力やモーメント等を検出するための手段として、ひずみゲージ式センサや静電容量式センサ等がある。静電容量式センサは、製造性やコストの面においてひずみゲージ式センサより優れているが、力に対して静電容量値の変化が線形にならないため、検出精度が低いという問題がある。

以下、静電容量式センサの検出原理について簡単に説明する。外力が付加されると外力に応じて静電容量式センサを構成する電極対（２つの電極）を設置した筐体にひずみが生じ、ひずみに応じて電極対の距離（電極間の距離）が変化する。電極間の距離に応じて、静電容量値（検出値）が変化するため、この検出値を計測することで、検出対象にかかる外力またはモーメントを計算することができる。

ここで、外力と電極対を設置した筐体のひずみとの関係は線形となり、電極対を設置した筐体のひずみと電極間の距離との関係も線形となるが、電極間の距離と検出値（静電容量値）との関係は非線形となる。電極対を構成する２つの電極が平行で、かつ、電極間の距離が電極面積に比べて十分に小さければ、電極間の距離に対して静電容量値は反比例の関係となる。一方で、２つの電極が平行ではなく傾きを持っている場合等の平行コンデンサの条件を満たさない場合は、単純に反比例の関係では表現することができなくなる。

測定した値から外力およびモーメント等を求める方法としては、検出した検出値と、検出対象に付加された外力およびモーメントとの関係を示すモデル関数を仮定し、このモデル関数を用いて検出値から外力およびモーメントを求めるという手法が一般的である。このモデル関数は、１個以上の未知のパラメータを含む関数で表現される。

以下、一般的なモデル関数の１つである１次多項式のモデル関数を例に挙げて説明する。具体例として、６つのセンサ素子（静電容量式センサ素子）によって外力およびモーメントを検出し、６つのセンサ素子の検出値に基づいて、６つの軸方向における外力およびモーメントを求める場合について考える。

６つのセンサ素子の検出値を６次元ベクトルで表すと、以下に示す式（１）のようになる。また、求める外力およびモーメントを６次元ベクトルで表すと、以下に示す式（２）のようになる。

未知のパラメータを、式（３）に示すように６×６の行列で表現したとき、外力およびモーメントに対するモデル関数を、式（４）で表すことができる。

数式（３）で表された行列Ｃの各パラメータの値を決定するために、複数のパターン（１、・・・、Ｎ）の力およびモーメントを検出対象に与えて、センサ素子が検出した値を取得する。取得した複数のデータは、（ｆｉ，ｖｉ）となる。ただし、ｉ＝１、・・・、Ｎ、とする。取得した複数のデータ（ｆｉ，ｖｉ）に基づいて、行列Ｃの各パラメータの値を決定する。一般的には、二乗誤差の最小化等の予め決められた基準で行列Ｃの各パラメータを決定する。例えば、二乗誤差の最小化で各パラメータを決定する場合は、下記に示す式（５）のｃｍが最小となるように、行列Ｃの各パラメータを決定する。

下記に示す特許文献１には、ひずみゲージ式を用いた多軸センサにおいて、二重に配置した検出部からの検出値の平均をとることで検出精度を向上させることが開示されている。具体的には、軸間の干渉誤差（他軸干渉誤差）を精度の悪化の要因と考え、センサ素子をグループ毎に対称に配置することで、他軸干渉誤差をグループ間で対称に発生させ、検出値の平均値をとることで他軸干渉誤差を打ち消している。

特開２０１０−１４６９５号公報

しかしながら、従来技術のようにモデル関数で表現可能な入出力の関係には限界があるため、実際に加わった外力およびモーメントとモデル関数で計算した外力およびモーメントとの間には誤差が生じる。特に、静電容量式センサのように、外力と検出値との関係が非線形の場合は、この誤差の影響が大きくなる。

また、センサが検出した検出値に発生する誤差の全てが上記したグループ間で対称的に分布するわけでもなく、上記特許文献１では、対称的に発生しない誤差に対して有効に対処することができない。特に、静電容量式センサ素子の場合は、非線形が原因で生じる誤差が、グループ間で対称的になるという保証はないため、静電容量式センサ素子を用いた場合は、さらに精度が低下する。

そこで、本発明は、実際に付加された外力・モーメントと、センサ素子で検出した検出値に基づいて求めた力・モーメントとの誤差を低減するセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明は、センサ装置であって、検出対象にかかる外力およびモーメントの少なくとも一方を検出するためのセンサ素子と、前記センサ素子が検出した検出信号に基づいて、前記検出対象に付加される予め決められた軸方向における力およびモーメントの少なくも一方の値を第１の値として演算する演算部と、を有する複数の系統と、前記複数の系統の各々の前記演算部が演算した前記第１の値を比較し、その差が所定量以上の場合は、異常があると判断する異常判断部と、を備え、前記複数の系統の少なくとも１つの前記系統の前記演算部は、前記複数の系統の各々の前記センサ素子が検出した複数の前記検出信号に基づいて、前記検出対象に付加される前記軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方の値を第２の値として演算する。

この構成により、複数の系統のセンサ素子が検出した検出信号に基づいて、検出対象に付加される軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方が第２の値として演算されるので、センサ装置の検出精度が向上する。つまり、実際に付加された外力・モーメントと、センサ素子で検出した検出信号に基づいて求めた力・モーメントとの誤差を低減することができる。また、センサ装置が正常かどうかを精度よく判断することができる。

本発明は、前記センサ装置であって、前記複数の系統の各々は、前記センサ素子を複数有し、前記複数の系統の各々の前記演算部は、複数の前記軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方の値を演算してもよい。これにより、演算部は、複数の軸方向における第１の値、第２の値を求めることができる。したがって、センサ装置は、複数の軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方を検出することができる。

本発明は、前記センサ装置であって、前記複数の系統の各々の前記演算部は、自己の前記系統の前記センサ素子が検出した前記検出信号を前記第１の値に変換するための第１変換特性情報が記憶された第１の記憶媒体を有し、前記複数の系統の少なくとも１つの前記系統の前記演算部は、前記複数の系統の各々の前記センサ素子が検出した前記検出信号を前記第２の値に変換するための第２変換特性情報が記憶された第２の記憶媒体をさらに有してもよい。これにより、演算部は、精度よく第１の値および第２の値を演算することができる。

本発明は、前記センサ装置であって、前記複数の系統の各々の前記演算部は、互いに通信が可能であり、他の前記系統の前記センサ素子が検出した前記検出信号を、前記他の系統の前記演算部から受信してもよい。これにより、各系統の演算部は、他の系統のセンサ素子が検出した検出信号を取得することができ、第２の値を演算することができる。

本発明は、前記センサ装置であって、前記複数の系統の各々は、前記センサ素子が検出した前記検出信号をデジタル信号に変換する変換部を有し、前記複数の系統の各々の前記変換部は、デジタル信号に変換した前記検出信号を、前記複数の系統の前記演算部に出力してもよい。これにより、各系統の演算部は、他の系統のセンサ素子が検出した検出信号を取得することができ、第２の値を演算することができる。

本発明は、前記センサ装置であって、前記異常判断部は、前記複数の系統の各々に設けられていてもよい。これにより、系統毎にセンサ装置が正常か否かを判断することができる。

本発明によれば、複数の系統のセンサ素子が検出した検出信号に基づいて、検出対象に付加される軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方が第２の値として演算されるので、センサ装置の検出精度が向上する。つまり、実際に付加された外力・モーメントと、センサ素子で検出した検出信号に基づいて求めた力・モーメントとの誤差を低減することができる。また、センサ装置が正常かどうかを精度よく判断することができる。

実施の形態におけるセンサ装置の構成を示す図である。 変形例１におけるセンサ装置の構成を示す図である。

本発明に係るセンサ装置について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

図１は、実施の形態におけるセンサ装置１０の構成を示す図である。センサ装置１０は、複数（Ｎ個）のセンサ素子１２、変換部１４、および、制御部１６を有する系統Ｓを２つ備える。各系統Ｓの複数のセンサ素子１２は、多軸センサ１８を構成する。このセンサ素子１２は、静電容量式のセンサ素子またはひずみゲージ式のセンサ素子であってもよく、それ以外のセンサ素子であってもよい。

２つの系統Ｓのセンサ素子１２、変換部１４、および、制御部１６を、互いに区別するために、一方の系統（第１の系統）Ｓ１のセンサ素子１２、変換部１４、および、制御部１６を、１２ａ、１４ａ、１６ａで表し、他方の系統（第２の系統）Ｓ２のセンサ素子１２、変換部１４、および、制御部１６を、１２ｂ、１４ｂ、１６ｂで表す場合がある。また、第１の系統Ｓ１の多軸センサ１８を１８ａで表し、第２の系統Ｓ２の多軸センサ１８を１８ｂで表す場合がある。

第１の系統Ｓ１の多軸センサ１８ａ（複数（Ｎ個）のセンサ素子１２ａ）と、第２の系統Ｓ２の多軸センサ１８ｂ（複数（Ｎ個）のセンサ素子１２ｂ）とは、互いにロボットの同一の箇所（以下、検出対象と呼ぶ。）に付加される予め決められた複数の軸方向の外力およびモーメントを検出するためのセンサ素子である。

各系統Ｓ（Ｓ１、Ｓ２）の変換部１４（１４ａ、１４ｂ）は、自己の系統Ｓ（Ｓ１、Ｓ２）の複数のセンサ素子１２（１２ａ、１２ｂ）および制御部１６と接続線を介して電気的に接続されている。つまり、変換部１４ａは、複数のセンサ素子１２ａおよび制御部１６ａと電気的に接続され、変換部１４ｂは、複数のセンサ素子１２ｂおよび制御部１６ｂと電気的に接続されている。

説明をわかり易くするため、本実施の形態のセンサ装置１０は、第１の系統Ｓ１のセンサ素子１２ａの数Ｎ、および、第２の系統Ｓ２のセンサ素子１２ｂの数Ｎをともに６個とし、この６つのセンサ素子１２ａ、１２ｂを用いて６軸方向の外力およびモーメントを求めるものとする。６軸の方向の力およびモーメントは、Ｘ軸方向の力、Ｙ軸方向の力、Ｚ軸方向の力、Ｘ軸回り方向のモーメント、Ｙ軸回り方向のモーメント、および、Ｚ軸回り方向のモーメントとする。なお、各系統Ｓのセンサ素子１２の数と、力およびモーメントを求める軸の数とは同一でなくてもよい。

複数（Ｎ＝６）のセンサ素子１２ａから構成される第１の系統Ｓ１の多軸センサ１８ａが検出した複数（Ｎ＝６）の検出信号（検出値）は、第１の系統Ｓ１の変換部１４ａに出力される。変換部１４ａは、多軸センサ１８ａが検出した複数（Ｎ＝６）の検出信号をデジタル信号に変換する。変換部１４ａによってデジタル信号に変換された複数（Ｎ＝６）の検出信号（検出値）を、ｕ_１，・・・、ｕ_６、とする。変換部１４ａは、変換した複数（Ｎ＝６）のデジタル信号の検出信号ｕ_１，・・・、ｕ_６を、第１の系統Ｓ１の制御部１６ａに出力する。多軸センサ１８ａが検出した複数（Ｎ＝６）の検出信号（デジタル信号）ｕ_１，・・・、ｕ_６を６（＝Ｎ）次元ベクトルＵで表記すると、以下の式（６）のようになる。

同様に、複数（Ｎ＝６）のセンサ素子１２ｂから構成される第２の系統Ｓ２の多軸センサ１８ｂが検出した複数（Ｎ＝６）の検出信号（検出値）は、第２の系統Ｓ２の変換部１４ｂに出力される。変換部１４ｂは、多軸センサ１８ｂが検出した複数（Ｎ＝６）の検出信号をデジタル信号に変換する。変換部１４ｂによってデジタル信号に変換された複数（Ｎ＝６）の検出信号（検出値）を、ｖ_１，・・・、ｖ_６、とする。変換部１４ｂは、変換した複数（Ｎ＝６）のデジタル信号の検出信号ｖ_１，・・・、ｖ_６を、第２の系統Ｓ２の制御部１６ｂに出力する。多軸センサ１８ｂが検出した複数（Ｎ＝６）の検出信号（デジタル信号）ｖ_１，・・・、ｖ_６を６（＝Ｎ）次元ベクトルＶで表記すると、以下の式（７）のようになる。

各系統Ｓ（Ｓ１、Ｓ２）の制御部１６（１６ａ、１６ｂ）の各々は、ＣＰＵ等のプロセッサとプログラムが記憶された記憶媒体とを有し、プロセッサがプログラムを実行することで、本実施の形態の制御部１６（１６ａ、１６ｂ）として機能する。各系統Ｓの制御部１６は、演算部２０と異常判断部２２とを有する。２つの系統Ｓの演算部２０および異常判断部２２を互いに区別するために、第１の系統Ｓ１の演算部２０および異常判断部２２を、２０ａ、２２ａで表し、第２の系統Ｓ２の演算部２０および異常判断部２２を、２０ｂ、２２ｂで表す場合がある。第１の系統Ｓ１の制御部１６ａと第２の系統Ｓ２の制御部１６ｂとは互いに通信可能となっている。制御部１６ａ、１６ｂは、無線によって通信を行ってもよく、制御部１６ａと制御部１６ｂとを通信線（有線）で接続し、この通信線を介して通信を行ってもよい。

演算部２０ａは、第１の系統Ｓ１の多軸センサ１８ａが検出した複数の検出信号（デジタル信号）ｕ_１，・・・、ｕ_６に基づいて、前記検出対象に付加される予め決められた複数（Ｎ＝６）の軸方向の力およびモーメントの値（以下、第１の値と呼ぶ場合がある。）を演算する。ここで、演算部２０ａが演算した複数（Ｎ＝６）の軸方向の力およびモーメントの値をｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６、とする。演算部２０ａが演算（算出）した複数（Ｎ＝６）の第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６を６（＝Ｎ）次元ベクトルＦ^Ｕで表すと、以下に示す数（８）で表すことができる。

同様に、演算部２０ｂは、第２の系統Ｓ２の多軸センサ１８ｂが検出した複数の検出信号（デジタル信号）ｖ_１，・・・、ｖ_６に基づいて、前記検出対象に付加される予め決められた複数（Ｎ＝６）の軸方向の力およびモーメントの値（以下、第１の値と呼ぶ場合がある。）を演算する。ここで、演算部２０ｂが演算した複数（Ｎ＝６）の軸方向の力およびモーメントの値をｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６、とする。演算部２０ｂが演算（算出）した複数（Ｎ＝６）の第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６を６（＝Ｎ）次元ベクトルＦ^Ｖで表すと、以下に示す数（９）で表すことができる。

なお、本実施の形態では、ｆ^Ｕ _１、ｆ^Ｖ _１はＸ軸方向の力を示すものとし、ｆ^Ｕ _２，ｆ^Ｖ _２はＹ軸方向の力を、ｆ^Ｕ _３，ｆ^Ｖ _３はＺ軸方向の力を示すものとする。また、ｆ^Ｕ _４、ｆ^Ｖ _４はＸ軸回り方向のモーメントを示すものとし、ｆ^Ｕ _５，ｆ^Ｖ _５はＹ軸回り方向のモーメントを、ｆ^Ｕ _６，ｆ^Ｖ _６はＺ軸回り方向のモーメントを示すものとする。

ベクトルＵからベクトルＦ^Ｕを求めるための複数のパラメータ（第１変換特性情報）ｃ^Ｕを式（１０）に示すようにＮ×Ｎ（ただし、Ｎ＝６）の行列（変換行列）Ｃ^Ｕで表現したとき、Ｆ^Ｕ、Ｃ^Ｕ、Ｕを、以下の式（１１）に示すような関係式（モデル関数）で表すことができる。

同様に、ベクトルＶからベクトルＦ^Ｖを求めるための複数のパラメータ（第１変換特性情報）ｃ^Ｖを式（１２）に示すようにＮ×Ｎ（ただし、Ｎ＝６）の行列（変換行列）Ｃ^Ｖで表現したとき、Ｆ^Ｖ、Ｃ^Ｖ、Ｖを、以下の式（１３）に示すような関係式（モデル関数）で表すことができる。

したがって、演算部２０ａは、式（６）、（８）、（１０）、（１１）を用いることで、多軸センサ１８ａ（複数のセンサ素子１２ａ）が検出した複数の検出信号（デジタル信号）ｕ_１，・・・、ｕ_６に基づいて、複数の第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６を求めることができる。同様に、演算部２０ｂは、式（７）、（９）、（１２）、（１３）を用いることで、多軸センサ１８ｂ（複数のセンサ素子１２ｂ）が検出した複数の検出信号（デジタル信号）ｖ_１，・・・、ｖ_６に基づいて、複数の第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６を求めることができる。

この行列Ｃ^Ｕの複数のパラメータｃ^Ｕは、第１の系統Ｓ１の演算部２０ａの記憶媒体（第１の記憶媒体）２４に記憶されており、行列Ｃ^Ｖの複数のパラメータｃ^Ｖは、第２の系統Ｓ２の演算部２０ｂの記憶媒体（第１の記憶媒体）２４に記憶されている。ここでも、２つの系統Ｓの記憶媒体２４を区別するために、第１の系統Ｓ１の記憶媒体２４を２４ａで表し、第２の系統Ｓ２の記憶媒体２４を２４ｂで表す場合がある。

演算部２０ａは、演算した第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６を自己の系統（第１の系統）Ｓ１の異常判断部２２ａに出力するとともに、他の系統（第２の系統）Ｓ２の異常判断部２２ｂに送信する。演算部２０ｂは、演算した第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６を自己の系統（第２の系統）Ｓ２の異常判断部２２ｂに出力するとともに、他の系統（第１の系統）Ｓ１の異常判断部２２ａに送信する。また、演算部２０ａは、自己の系統（第１の系統）Ｓ１の多軸センサ１８ａが検出した複数の検出信号（デジタル信号）ｕ_１，・・・、ｕ_６を他の系統（第２の系統）Ｓ２の演算部２０ｂに送信する。また、演算部２０ｂは、自己の系統（第２の系統）Ｓ２の多軸センサ１８ｂが検出した複数の検出信号（デジタル信号）ｖ_１，・・・、ｖ_６を他の系統（第１の系統）Ｓ１の演算部２０ａに送信する。

演算部２０ａは、自己の系統（第１の系統）Ｓ１の多軸センサ１８ａが検出した複数の検出信号ｕ_１，・・・、ｕ_６と、他の系統（第２の系統）Ｓ２の多軸センサ１８ｂが検出した複数の検出信号ｖ_１，・・・、ｖ_６とに基づいて、前記検出対象に付加される予め決められた複数（Ｎ＝６）の軸方向の力およびモーメントの値（以下、第２の値と呼ぶ場合がある。）をさらに演算する。同様に、演算部２０ｂは、自己の系統（第２の系統）Ｓ２の多軸センサ１８ｂが検出した複数の検出信号ｖ_１，・・・、ｖ_６と、他の系統（第１の系統）Ｓ１の多軸センサ１８ａが検出した複数の検出信号ｕ_１，・・・、ｕ_６とに基づいて、複数（Ｎ＝６）の第２の値をさらに演算する。ここで、演算部２０ａおよび演算部２０ｂの各々が演算した複数の第２の値をｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６、とする。複数（Ｎ＝６）の第２の値ｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６を６（＝Ｎ）次元ベクトルＦ^Ｗで表すと、以下に示す式（１４）で表すことができる。

なお、本実施の形態では、ｆ^Ｗ _１はＸ軸方向の力を示すものとし、ｆ^Ｗ _２はＹ軸方向の力を、ｆ^Ｗ _３はＺ軸方向の力を示すものとする。また、ｆ^Ｗ _４はＸ軸回り方向のモーメントを示すものとし、ｆ^Ｗ _５はＹ軸回り方向のモーメントを、ｆ^Ｗ _６はＺ軸回り方向のモーメントを示すものとする。

ここで、多軸センサ１８ａが検出した複数（Ｎ＝６）の検出信号（デジタル信号）ｕ_１，・・・、ｕ_６と多軸センサ１８ｂが検出した複数（Ｎ＝６）の検出信号（デジタル信号）ｖ_１，・・・、ｖ_６を１２（＝２・Ｎ）次元ベクトルＷで表記すると、以下の式（１５）のようになる。

ベクトルＷからベクトルＦ^Ｗを求めるための複数のパラメータ（第２変換特性情報）ｃ^Ｗを式（１６）に示すように、（Ｎ）×（２・Ｎ）の行列（変換行列）Ｃ^Ｗで表現したとき、Ｆ^Ｗ、Ｃ^Ｗ、Ｗを、以下の式（１７）に示すような関係式（モデル関数）で表すことができる。ただし、Ｎ＝６、とする。

したがって、演算部２０ａおよび演算部２０ｂの各々は、式（１４）〜（１７）を用いることで、多軸センサ１８ａ（複数のセンサ素子１２ａ）が検出した複数の検出信号（デジタル信号）ｕ_１，・・・、ｕ_６と多軸センサ１８ｂ（複数のセンサ素子１２ｂ）が検出した複数の検出信号（デジタル信号）ｖ_１，・・・、ｖ_６とに基づいて、複数の第２の値ｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６を求めることができる。この行列Ｃ^Ｗの複数のパラメータｃ^Ｗは、各系統Ｓの演算部２０の記憶媒体（第２の記憶媒体）２６に記憶されている。ここでも、２つの系統Ｓの記憶媒体２６を区別するために、第１の系統Ｓ１の記憶媒体２６を２６ａで表し、第２の系統Ｓ２の記憶媒体２６を２６ｂで表す。

なお、行列Ｃ^Ｕ、Ｃ^Ｖ、Ｃ^Ｗの各パラメータｃ^Ｕ、ｃ^Ｖ、ｃ^Ｗを、本明細書の背景技術で説明したような、二乗誤差の最小化で決定するようにしてもよく、他の手法によって決定してもよい。要は、検出対象に付加された外力およびモーメントと、そのときにセンサ素子１２が検出した検出信号に基づいて算出された外力およびモーメントとの誤差が小さくなるように、各各パラメータｃ^Ｕ、ｃ^Ｖ、ｃ^Ｗを決定すればよい。

このように、誤差が小さくなるように行列Ｃ^Ｗの各パラメータｃ^Ｗを決定し、式（１４）〜（１７）を用いて第２の値ｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６を求めることで、実際に付加された外力・モーメントと、センサ素子で検出した検出値に基づいて検出した力・モーメントの誤差を低減させることができる。つまり、第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６、第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６、または、第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６と第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６との平均をとった値と比較して、誤差を抑えることができる。

そのため、制御部１６ａ（演算部２０ａ）および制御部１６ｂ（演算部２０ｂ）の少なくとも一方は、算出した複数の第２の値ｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６を外部機器に送信する。制御部１６ａおよび制御部１６ｂは、外部機器と無線または有線によって通信可能となっている。外部機器は、送られてきた複数の第２の値ｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６に基づいて、所定の制御（例えば、ロボットの制御等）を行う。

なお、第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６と第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６との値の平均をとった場合は、その平均値を、以下の式（１８）で表すことができる。式（１８）に示すように、これらのモデル関数（関係式）は、式（１７）に示すモデル関数（関係式）の範囲に含まれるが、行列（変換行列）Ｃ^ＵＶの各パラメータは、誤差が小さくなるように決定されていないため、式（１７）に比べ、誤差が大きくなる。

各系統Ｓ（Ｓ１、Ｓ２）の異常判断部２２（２２ａ、２２ｂ）は、第１の系統Ｓ１の演算部２０ａから送られてきた複数の第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６と、第２の系統Ｓ２の演算部２０ｂから送られてきた複数の第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６とをそれぞれ比較し、その差（絶対値）｜ｆ^Ｕ _１−ｆ^Ｖ _１｜，・・・，｜ｆ^Ｕ _６−ｆ^Ｖ _６｜、をそれぞれ求める。この差は、軸方向が同一となる第１の値同士を比較して、その差分（絶対値）を得る。そして、各系統Ｓの異常判断部２２（２２ａ、２２ｂ）は、算出したそれぞれの差｜ｆ^Ｕ _１−ｆ^Ｖ _１｜，・・・，｜ｆ^Ｕ _６−ｆ^Ｖ _６｜の少なくとも１つが所定量以上であるか否かを判断し、所定量以上であると判断すると、センサ装置１０に何らかの異常があると判断する。なお、差の二乗が所定量以上か否かを判断し、差の二乗が所定量以上の場合に異常と判断してもよい。

第１の系統Ｓ１の異常判断部２２ａ（制御部１６ａ）および第２の系統Ｓ２の異常判断部２２ｂ（制御部１６ｂ）の少なくとも一方は、異常があると判断すると、異常を示す信号を外部機器に送信する。外部機器は、異常を示す信号が送られてくると、センサ装置１０に異常があることをオペレータに報知する。報知の方法としては、液晶ディスプレイ等の表示部（図示略）に、センサ装置１０に異常があることを表示したり、スピーカ（図示略）から警告音を出力してもよい。

［変形例］
上記実施の形態は、以下のように変形してもよい。

（変形例１）図２は、変形例１におけるセンサ装置１０Ａの構成を示す図である。上記実施の形態と同一の構成または機能については同一の符号を付し、異なる部分だけを説明する。

センサ装置１０Ａは、センサ部５０と、制御装置５２とを備える。センサ部５０は、複数（Ｎ＝６）のセンサ素子１２、変換部１４、および、制御部５４を有する系統Ｓを２つ備える。本変形例１でも、第１の系統Ｓ１に対応する構成要素（機能も含む）と第２の系統Ｓ２に対応する構成要素（機能も含む）を区別するために、第１の系統Ｓ１に対応する構成要素については、参照符号の後にａを付し、第２の系統Ｓ２に対応する構成要素については、参照符号の後にｂを付して説明する場合がある。したがって、例えば、第１の系統Ｓ１のセンサ素子１２、変換部１４、および、制御部５４を、１２ａ、１４ａ、５４ａで表し、第２の系統Ｓ２のセンサ素子１２、変換部１４、および、制御部５４を、１２ｂ、１４ｂ、５４ｂで表す場合がある。複数（Ｎ＝６）のセンサ素子１２ａは、第１の系統Ｓ１の多軸センサ１８ａ（１８）を構成し、複数（Ｎ＝６）のセンサ素子１２ｂは、第２の系統Ｓ２の多軸センサ１８ｂ（１８）を構成する。

各系統Ｓ（Ｓ１、Ｓ２）の制御部５４（５４ａ、５４ｂ）は、ＣＰＵ等のプロセッサとプログラムが記憶された記憶媒体とを有し、プロセッサがプログラムを実行することで、本変形例１の制御部５４（５４ａ、５４ｂ）として機能する。制御部５４（５４ａ、５４ｂ）は、演算部２０（２０ａ、２０ｂ）を有する。

変形例１においては、変換部１４ａは、多軸センサ１８ａ（複数のセンサ素子１２ａ）が検出した複数の検出信号（デジタル信号）ｕ_１，・・・、ｕ_６を自己の系統（第１の系統）Ｓ１の演算部２０ａに出力するとともに、他の系統（第２の系統）Ｓ２の演算部２０ｂに出力する。つまり、変換部１４ａは、演算部２０ａと接続線を介して電気的に接続されているとともに、演算部２０ｂとも接続線を介して電気的に接続されている。

また、変換部１４ｂは、多軸センサ１８ｂ（複数のセンサ素子１２ｂ）が検出した複数の検出信号（デジタル信号）ｖ_１，・・・、ｖ_６を自己の系統（第２の系統）Ｓ２の演算部２０ｂに出力するとともに、他の系統（第１の系統）Ｓ１の演算部２０ａに出力する。つまり、変換部１４ｂは、演算部２０ｂと接続線を介して電気的に接続されているとともに、演算部２０ａとも接続線を介して電気的に接続されている。

上記実施の形態で述べたように、演算部２０ａは、複数の検出信号ｕ_１，・・・、ｕ_６に基づいて複数の第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６を演算するとともに、複数の検出信号ｕ_１，・・・、ｕ_６と複数の検出信号ｖ_１，・・・、ｖ_６とに基づいて複数の第２の値ｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６を演算する。演算部２０ｂは、複数の検出信号ｖ_１，・・・、ｖ_６に基づいて複数の第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６を演算するとともに、複数の検出信号ｖ_１，・・・、ｖ_６と複数の検出信号ｕ_１，・・・、ｕ_６とに基づいて複数の第２の値ｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６を演算する。

演算部２０ａ（制御部５４ａ）および演算部２０ｂ（制御部５４ｂ）の少なくとも一方は、算出した複数の第２の値ｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６を外部機器に送信する。制御部５４ａおよび制御部５４ｂは、外部機器と無線または有線によって通信可能となっている。外部機器は、送られてきた複数の第２の値ｆ^ｗ _１，・・・，ｆ^ｗ _６に基づいて、所定の制御（例えば、ロボットの制御等）を行う。なお、演算部２０ａ、２０ｂ（制御部５４ａ、５４ｂ）は、制御装置５２を介して外部機器に複数の第２の値^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６を送信してもよい。

制御装置５２は、２つの系統Ｓ（Ｓ１、Ｓ２）に対応して２つの制御部６０（６０ａ、６０ｂ）を備える。２つの制御部６０（６０ａ、６０ｂ）の各々は、ＣＰＵ等のプロセッサとプログラムが記憶された記憶媒体とを有し、プロセッサがプログラムを実行することで、本変形例１の制御部６０（６０ａ、６０ｂ）として機能する。制御部６０（６０ａ、６０ｂ）は、異常判断部２２（２２ａ、２２ｂ）を有する。

演算部２０ａ（制御部５４ａ）と異常判断部２２ａ（制御部６０ａ）とは、互いに無線または有線によって通信可能となっており、演算部２０ｂ（制御部５４ｂ）と異常判断部２２ｂ（制御部６０ｂ）とは、互いに無線または有線によって通信可能となっている。また、異常判断部２２ａ（制御部６０ａ）と異常判断部２２ｂ（制御部６０ｂ）とは無線または有線によって互いに通信可能となっている。

演算部２０ａ（制御部５４ａ）は、算出した複数の第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６を異常判断部２２ａ（制御部６０ａ）に送信する。異常判断部２２ａ（制御部６０ａ）は、演算部２０ａ（制御部５４ａ）から送信された複数の第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６を、異常判断部２２ｂ（制御部６０ｂ）に送信する。演算部２０ｂ（制御部５４ｂ）は、算出した複数の第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６を異常判断部２２ｂ（制御部６０ｂ）に送信する。異常判断部２２ｂ（制御部６０ｂ）は、演算部２０ｂ（制御部５４ｂ）から送信された複数の第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６を異常判断部２２ａ（制御部６０ａ）に送信する。

異常判断部２２ａおよび異常判断部２２ｂの各々は、複数の第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６と複数の第１の値ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６とをそれぞれ比較し、その差（絶対値）｜ｆ^Ｕ _１−ｆ^Ｖ _１｜，・・・，｜ｆ^Ｕ _６−ｆ^Ｖ _６｜、をそれぞれ求める。そして、異常判断部２２ａおよび異常判断部２２ｂは、算出したそれぞれの差｜ｆ^Ｕ _１−ｆ^Ｖ _１｜，・・・，｜ｆ^Ｕ _６−ｆ^Ｖ _６｜の少なくとも１つが所定量以上であるか否かを判断し、所定量以上であると判断すると、センサ装置１０Ａに何らかの異常があると判断する。なお、差の二乗が所定量以上か否かを判断し、差の二乗が所定量以上の場合に異常と判断してもよい。

第１の系統Ｓ１の異常判断部２２ａ（制御部６０ａ）および第２の系統Ｓ２の異常判断部２２ｂ（制御部６０ｂ）の少なくとも一方は、異常があると判断すると、異常を示す信号を外部機器に送信する。外部機器は、異常を示す信号が送られてくると、センサ装置１０Ａに異常があることをオペレータに報知する。報知の方法としては、液晶ディスプレイ等の表示部（図示略）にセンサ装置１０Ａに異常があることを表示したり、スピーカ（図示略）から警告音を出力してもよい。

（変形例２）上記実施の形態および変形例１では、第１の系統Ｓ１の演算部２０ａおよび第２の系統Ｓ２の演算部２０ｂは、ともに第２の値ｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６を演算するようにしたが、どちらか一方のみが第２の値ｆ^Ｗ _１，・・・，ｆ^Ｗ _６を演算してもよい。また、第１の系統Ｓ１の異常判断部２２ａおよび第２の系統Ｓ２の異常判断部２２ｂは、ともに異常があるか否かを判断するようにしたが、どちらか一方のみが異常の判断を行ってもよい。

（変形例３）上記実施の形態では、各系統Ｓに対応して異常判断部２２をそれぞれ設けるようにしたが、いずれか１つの系統Ｓにのみ異常判断部２２を設けてもよい。また、上記変形例１では、各系統Ｓに対応してそれぞれ２つの制御部６０ａ、６０ｂ（異常判断部２２ａ、２２ｂ）を制御装置５２に設けるようにしたが、１つの制御部６０（１つの異常判断部２２）を制御装置５２に設けるようにしてもよい。この場合は、演算部２０ａ、２０ｂは、ともに算出した第１の値ｆ^Ｕ _１，・・・，ｆ^Ｕ _６、ｆ^Ｖ _１，・・・，ｆ^Ｖ _６を１つの制御部６０（異常判断部２２）に送信する。

（変形例４）センサ装置１０、１０Ａは、３つ以上の系統Ｓを有していてもよい。

（変形例５）センサ装置１０、１０Ａの各系統Ｓのセンサ素子１２の数は１つであってもよい。また、センサ装置１０、１０Ａの演算部２０は、複数の軸方向の力およびモーメントではなく、予め決められた１つの軸方向における力またはモーメントを求めてもよい。

（変形例６）センサ装置１０、１０Ａの演算部２０は、力またはモーメントのどちから一方のみを求めてもよい。

（変形例７）上記した変形例１〜６を、矛盾が生じない範囲内で任意に組み合わせてもよい。

以上説明したように、上記実施の形態および変形例１〜３のいずれかで説明したセンサ装置１０、１０Ａは、検出対象にかかる外力およびモーメントの少なくとも一方を検出するためのセンサ素子１２と、センサ素子１２が検出した検出信号に基づいて、前記検出対象に付加される予め決められた軸方向における力およびモーメントの少なくも一方の値を第１の値として演算する演算部２０と、を有する複数の系統Ｓと、複数の系統Ｓの各々の演算部２０が演算した第１の値を比較し、その差が所定量以上の場合は、異常があると判断する異常判断部２２と、を備える。複数の系統Ｓの少なくとも１つの系統Ｓの演算部２０は、複数の系統Ｓの各々のセンサ素子１２が検出した複数の検出信号に基づいて、前記検出対象に付加される予め決められた軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方の値を第２の値として演算する。

このように、演算部２０が、複数の系統Ｓのセンサ素子１２が検出した検出信号に基づいて、検出対象に付加される軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方を第２の値として演算するので、センサ装置１０、１０Ａの検出精度が向上する。つまり、実際に付加された外力・モーメントと、センサ素子１２で検出した検出信号に基づいて求めた力・モーメントとの誤差を低減することができる。また、異常判断部２２は、系統Ｓ毎に演算された第１の値を比較し、その差が所定量以上の場合は、異常と判断するので、センサ装置１０、１０Ａが正常かどうかを精度よく判断することができる。

複数の系統Ｓの各々は、センサ素子１２を複数有し、複数の系統Ｓの各々の演算部２０は、予め決められた複数の軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方の値を演算してもよい。これにより、演算部２０は、複数の軸方向における第１の値、第２の値を求めることができる。したがって、センサ装置１０、１０Ａは、複数の軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方を検出することができる。

複数の系統Ｓの各々の演算部２０は、自己の系統Ｓのセンサ素子１２が検出した検出信号を第１の値に変換するためのパラメータｃ（第１変換特性情報）が記憶された記憶媒体２４を有する。複数の系統Ｓの少なくとも１つの系統Ｓの演算部２０は、複数の系統Ｓの各々のセンサ素子１２が検出した検出信号を第２の値に変換するためのパラメータｃ（第２変換特性情報）が記憶された記憶媒体２６をさらに有してもよい。これにより、演算部２０は、精度よく第１の値および第２の値を演算することができる。

複数の系統Ｓの各々の演算部２０は、互いに通信が可能であり、他の系統Ｓのセンサ素子１２が検出した検出信号を、他の系統Ｓの演算部２０から受信してもよい。これにより、各系統Ｓの演算部２０は、他の系統Ｓのセンサ素子１２が検出した検出信号を取得することができ、第２の値を演算することができる。

複数の系統Ｓの各々は、センサ素子１２が検出した検出信号をデジタル信号に変換する変換部１４を有し、複数の系統Ｓの各々の変換部１４は、デジタル信号に変換した検出信号を、複数の系統Ｓの演算部２０に出力してもよい。これにより、各系統Ｓの演算部２０は、他の系統Ｓのセンサ素子１２が検出した検出信号を取得することができ、第２の値を演算することができる。

異常判断部２２は、複数の系統Ｓの各々に設けられてもよい。これにより、系統Ｓ毎にセンサ装置１０、１０Ａが正常か否かを判断することができる。

１０、１０Ａ…センサ装置 １２…センサ素子
１４…変換部 １６、５４、６０…制御部
１８…多軸センサ ２０…演算部
２２…異常判断部 ２４、２６…記憶媒体
５０…センサ部 ５２…制御装置

Claims (6)

1. 検出対象にかかる外力およびモーメントの少なくとも一方を検出するためのセンサ素子と、前記センサ素子が検出した検出信号に基づいて、前記検出対象に付加される予め決められた軸方向における力およびモーメントの少なくも一方の値を第１の値として演算する演算部と、を有する複数の系統と、
   前記複数の系統の各々の前記演算部が演算した前記第１の値を比較し、その差が所定量以上の場合は、異常があると判断する異常判断部と、
   を備え、
   前記複数の系統の少なくとも１つの前記系統の前記演算部は、前記複数の系統の各々の前記センサ素子が検出した複数の前記検出信号に基づいて、前記検出対象に付加される前記軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方の値を第２の値として演算し、
   前記複数の系統の各々の前記演算部は、互いに通信が可能であり、他の前記系統の前記センサ素子が検出した前記検出信号を、前記他の系統の前記演算部から受信する
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置であって、
   前記異常判断部は、前記複数の系統の各々に設けられている
   ことを特徴とするセンサ装置。
3. 検出対象にかかる外力およびモーメントの少なくとも一方を検出するためのセンサ素子と、前記センサ素子が検出した検出信号に基づいて、前記検出対象に付加される予め決められた軸方向における力およびモーメントの少なくも一方の値を第１の値として演算する演算部と、を有する複数の系統と、
   前記複数の系統の各々の前記演算部が演算した前記第１の値を比較し、その差が所定量以上の場合は、異常があると判断する異常判断部と、
   を備え、
   前記複数の系統の少なくとも１つの前記系統の前記演算部は、前記複数の系統の各々の前記センサ素子が検出した複数の前記検出信号に基づいて、前記検出対象に付加される前記軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方の値を第２の値として演算し、
   前記異常判断部は、前記複数の系統の各々に設けられている
   ことを特徴とするセンサ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ装置であって、
   前記複数の系統の各々は、前記センサ素子を複数有し、
   前記複数の系統の各々の前記演算部は、複数の前記軸方向における力およびモーメントの少なくとも一方の値を演算する
   ことを特徴とするセンサ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ装置であって、
   前記複数の系統の各々の前記演算部は、自己の前記系統の前記センサ素子が検出した前記検出信号を前記第１の値に変換するための第１変換特性情報が記憶された第１の記憶媒体を有し、
   前記複数の系統の少なくとも１つの前記系統の前記演算部は、前記複数の系統の各々の前記センサ素子が検出した前記検出信号を前記第２の値に変換するための第２変換特性情報が記憶された第２の記憶媒体をさらに有する
   ことを特徴とするセンサ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ装置であって、
   前記複数の系統の各々は、前記センサ素子が検出した前記検出信号をデジタル信号に変換する変換部を有し、
   前記複数の系統の各々の前記変換部は、デジタル信号に変換した前記検出信号を、前記複数の系統の前記演算部に出力する
   ことを特徴とするセンサ装置。

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