マルチ

産業用ロボットは、精密な組み立てや高速ピッキング/梱包作業にこれまで以上に手頃な価格で提供されます。 視覚などの機能が向上することで、世代が新しくなるたびに、より人間らしい器用さと柔軟性が提供されます。 信頼性が高くコスト効率の高い触覚により、壊れやすい物体を扱うことができるようになり、さらに幅広い作業を遂行し、人間とより安全に対話できるようになりました。

ロボットに触覚センシングを導入するために、いくつかの技術が検討されています。 これらには、外部力によって調整されるマイクロ流体チャネル内を流れる液体金属の抵抗を測定する液体金属センサーが含まれます。 このタイプのセンサーはロボットの指先全体に組み込むことができますが、局所的な 3D 力は測定できません。 代わりに、分散された力が抵抗の変化にマッピングされます。 このようなセンサーのグループはパターンを検出できます。 したがって、この手法は主に、専用のトレーニング後の特殊な分類タスクで使用されます。

別のアプローチでは、ハイエンドの光学カメラを使用して、グリップ面に埋め込まれた、またはグリップ面を覆っているエラストマー材料の変形を測定します。 この技術は市販されており、すでにスマートマルチモーダルロボットグリッパーに使用されています。 ただし、カメラには十分なピクセル アレイが必要であり、分析のためにビデオ レートでデータを送信するには、かなりの通信帯域幅と電力が必要です。

別の光学ベースのソリューションでは、完全なカメラの代わりにフォトダイオード検出器の象限を使用することで、これらの課題の一部を克服します。 弾性ドームの内側から光が照射され、検出器が接触力によるドームの変形を感知します。 ただし、消費電力は一般的な 3D 磁力計の数倍であるため、よりシンプルで効率的な代替手段を提供できます。

このような磁気センサーでは、カメラベースのシステムで使用されているものと同様のエラストマー素材に磁石が埋め込まれています。 後部に取り付けられた磁力計は、エラストマーの変形に伴う磁石の変位によって引き起こされる磁場の変化を測定することにより、3D 力検知を実現します。 このようなセンサーのいくつかは、単一出力磁力計を使用して実証されており、触覚ピクセル、または「タクセル」として想像できます。 研究者らは、単純な単一ピクセルや 2×2 アレイから、磁性微粒子で構成される 15 mm2 の連続磁気スキンに至るまで、さまざまな構成を構築してきました。 このような単一ピクセル磁力センサーは、センサーと柔軟なフィルムの正弦磁化および深層学習技術を組み合わせることで、1 mm 未満の解像度を達成しました。

ここで参照されている磁気センサーは、Melexis MLX90393 シングルピクセル磁力計を使用しています。 磁気センシングの利点には、比較的低消費電力でコンピューティングと通信のオーバーヘッドが最小限に抑えられることが含まれますが、単一ピクセルのセンシングは外部磁場からの干渉に対して脆弱です。 磁力計の出力は、電気モーターの作動、他の磁石の存在、地球磁場の変動など、周囲の無関係な影響によって歪む可能性があります。

同じ集積回路 (IC) パッケージ内に複数の隣接ピクセルを備えた磁力センサー (図 1) は、差動測定を可能にすることで漂遊磁界に対する耐性を提供します。 この記事では、Tactaxis 勾配マルチピクセル磁気センサーがどのように構築され、テストされたかについて説明します。

Melexis MLX90372 線形変位センサーは、勾配検出原理を実証するための便利なプラットフォームを提供します。 このセンサーは通常、円弧に沿った角変位を出力します。 ただし、デバイスをテスト モードに設定すると、メモリから個々のピクセルの生の磁気読み取り値に直接アクセスできるようになります。 このセンサーは標準の 5 mm × 4.3 mm × 0.9 mm TSSOP パッケージに収容されており、ダイごとに 2 つのピクセルを備えた 2 つの並列 CMOS ダイが含まれています。 したがって、この単一のコンパクトなコンポーネントには、約 2 mm 離れて配置された 4 つの磁気ピクセルが含まれており、磁場の勾配を測定できるようになります。 各ピクセルはフィールド Bz の法線成分と Bx 面内成分を感知します。

IC パッケージの上部には、軸方向に磁化されたディスク磁石が埋め込まれた柔らかいエラストマーがあります。 円筒形のエラストマーサンプルを使用すると、磁石の傾きが最小限に抑えられ、柔軟な表面が得られます。 エラストマーに接触力を加えると磁石が変位し、磁場のパターンが変調されます。 4 つの磁気ピクセルはそれぞれこの変位を感知するため、垂直方向の力と横方向の力の影響を検出できます。 磁石の法線変位の場合、勾配成分 ∂Bx/∂x が最も影響を受けます。 逆に、横方向の変位の場合、影響は主に勾配成分 ∂Bz/∂x に影響します。

センサーは磁石の変位のみを測定することに注意してください。 変位と加えられる力との関係は他の要因に依存するため、さらなる校正と計算が必要です。 磁石のサイズ、エラストマーの硬度、エラストマーのシリンダーの直径はすべて、力が加えられたときのセンサー出力の大きさに影響します。 より大きく強力な磁石により、フルスケールの力にほとんど影響を与えることなく、信号対雑音比 (SNR) が向上します。 より硬いエラストマーにより、より大きなフルスケール力が可能になります。 ただし、同じ力を加えた場合、磁石の変位は柔らかい材料に比べて小さくなります。 したがって、硬度が増加すると、磁気信号の変化が減少し、SNR も減少します。 最後に、エラストマーの直径は、全体の力と磁石のすぐ上の局所的な圧力の間の倍率として機能します。 直径が大きいほど、力がより広い領域に分散され、それによって SNR が低下しますが、より大きなフルスケールの力に対応できます。

図 2 にシグナルチェーンの機能ブロック図を示します。

信号処理はオフチップで実行され、温度の上昇 (-0.5 %/°C) に伴うホール効果の感度低下を補正するために、チップの 8 つのデジタル出力信号をスケーリングすることから始まります。

次に、浮遊磁界は、磁界成分の組み合わせを使用して除去されます。 Bx フィールドと Bz フィールドの平均が最初に除去され、磁場の勾配に関連する残りの項が残ります。 事実上、力センサー アルゴリズムは 2 つのダイ内の磁場の違いを処理します。

特徴拡張ブロックは、各センシング ピクセルのノルム √(Bx2 + Bz2) を計算し、各ピクセルで 12 次元のベクトル信号 {Bx, Bz, Bnorm} を生成します。

最後のステップでは、相互作用項を含む、12 次元ベクトルのすべての 2 次多項式の組み合わせを含む新しいベクトルを生成します。 これにより、次元 91 のベクトル信号が生成されます。

最後に、推論ステージでは、91 行 5 列の重み行列を使用して、ベクトル信号から力と平面トルクの値を計算します。 重量は、3 軸移動プラットフォームに取り付けられた基準ロード セルを使用して、既知の変位を加えてエラストマーに応力を加えるトレーニング手順を通じて取得されます。 ロードセルからの力とセンサーからの対応する磁気信号が測定され、深さ 1.5 mm、半径 1.1 mm の変位範囲全体にわたって 13,000 の位置で保存されました。

外部磁場の影響がどのように排除されるかを実証するために、±2 mT を発生する 2 つのヘルムホルツ コイルの間にセンサーを配置しました (図 3a)。 一般的な家電製品から約3cmの距離で同等の強度の電界を体験できます。

勾配測定の概念を使用してセンサーによって測定された力を図 3b (青い曲線) に示します。これは、漂遊磁界誤差がフルスケールの 0.3% に制限されていることを示しています。 その後、プロトタイプのセンサーは、初期の単一ピクセル センサーの動作をエミュレートし、漂遊磁界の除去なしで単純な磁力計として動作するように再構成されました。 漂遊磁界は拒絶されることなく信号経路に直接漏れ、-2 mT で最大 20 % の誤差を生じます (赤い曲線)。 これは、勾配センサーよりもほぼ 2 桁大きいです。

プロトタイプの Tactaxis センサーは市販のロボット ハンドに取り付けられました。 基本的な力制御アルゴリズムは、手で風船を優しく掴むように実装されました。 図 4 は、デモのセットアップを示しています。

センサーを単一ピクセルの単純な磁力計として使用すると、漂遊磁界の外乱が存在しない場合、力は最初は適切に調整されます。 磁石を使用して漂遊磁界を導入すると、力センサーが破損し、極性に応じて手がバルーンを解放したり押しつぶしたりする原因となりました。

Tactaxis センサーを適切なマルチピクセル モードで使用すると、力は常に適切に調整され、数センチメートルの距離まで接近する磁石の影響を受けませんでした。

表 1 は、Tactaxis マルチピクセル センサーの特性を、市販の単一ピクセルの磁気、光学、および圧電力センサーと比較しています。

シングルピクセル磁気センサーはコンパクトで、特にマルチセンサー構成において、最先端の解像度で 3D 力ベクトルセンシングを実現します。 ただし、漂遊磁界に対する感度が依然として重要な制限となっています。

光学センサーは本来、漂遊磁場の影響を完全に受けず、同様の 3D 力感知性能を提供します。 機能的にはロボットハンドの統合に優れていますが、個別の光学コンポーネントによりコストが上昇します。

ピエゾ抵抗センサーは、IC パッケージとほぼ同じサイズの小さなフォームファクターという利点があり、競争力のある力の分解能を実現しますが、感知できるのは法線方向の力のみです。

対照的に、プロトタイプの Tactaxis マルチピクセル センサーは、磁気センサーの既知の資産、つまり 3D 力感知、柔らかさ、経済性、コンパクトさを実現し、現実世界の寄生浮遊磁界に対する優れた耐性を備えています。 したがって、この勾配センシングの概念により、ロボット用途の力センシングの堅牢性が向上しました。

この記事は、Melexis のグローバル イノベーション マネージャーである Gael Close によって執筆されました。 詳細については、Close 氏までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。 閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。

この記事は、Sensor Technology Magazine の 2023 年 5 月号に初めて掲載されました。

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