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ソリューションガイド
「サービスロボット」は今日、物流/交通、警備、清掃、家事支援、趣味/娯楽、介護/補助など、さまざまな場面で広く利用されています。サービスロボットが使われる状況は多岐にわたるため、こうしたロボットは、人間とスムーズなコミュニケーションがとれること(ヒューマンマシンインタフェース)や、安全性が確保されていること、状況の変化にも柔軟に対応できることなど、さまざまな要件を満たす必要があります。サービスロボットにとって「センサ」は非常に重要な役割を担っています。本記事ではロボット掃除機を例にTDKの様々なセンサ製品をご紹介します。

「ロボット掃除機」向けTDKセンサ製品

「ロボット掃除機」には多種多様なセンサが搭載されています。代表的なものとして、たとえば、ロボットの位置・姿勢を検出するモーションセンサ、声を認識するマイクロフォン、ダストボックスが満杯であることを検出する気圧センサ、障害物を検知する超音波ToFセンサ、室内環境を検知するガスセンサや温度センサ、バッテリーの電流値を検出する電流センサ、角度や位置を検出するホールセンサ・TMRセンサなどが挙げられます。さらに、小型のブラシ付きモータ、ステッピングモータ、ブラシレスモータなどのモータ駆動用の組み込みマイクロコントローラが設計されており、統合したMCUをエンドアプリケーションの二次的なモーター・コントローラとして使用できます。
TDKでは、個別のアプリケーションの諸要件に対応するセンサソリューションも更にご用意しています。

図1: 掃除機 ブロック図

床面・段差・障害物検知

床面・段差・障害物検知アプリケーションは、TDKの超音波ToF範囲センサCH101およびCH201の性能を最大限に活かすことができます。

CH101およびCH201は、小型・超低消費電力の超音波ToF距離センサです。対象物との距離を、CH101で最大1.2m、CH201で最大5mまで、ミリレベルの精度で測距します。超音波パルスエコー方式を使用しているため、直射日光を含むあらゆる照明条件下で動作し、対象物の色や透明度にも左右されません。視野も広いため、視野角にある複数の物体との距離を同時に測定することも可能です。

床面検知アプリケーションは、CH101の測定値を用いて、床の種類を感知します。床から返ってきた反射波の平均振幅をもとに、床面の「固さ」や「やわらかさ」が検出可能です。
障害物検知アプリケーションは、人やモノなどの障害となる存在を検知します。
段差検知アプリケーションは、CH101モジュールの段差検知機能を使用します。一個のCH101の測定値より、段差を検知することが可能です。一個のCH101センサのみでも、複数のセンサを組み合わせて使用することも可能です。

上記のアプリケーションは、ドローン、掃除機、自律移動ロボット、ヒューマノイド、協働ロボットなど、さまざまなロボット製品に使用できます。

図2: 床面・段差・障害物検知

超音波センシングの基本

床面検知 障害物検知 落下・段差検知

RoboVac(ソフトウェアソリューション)

RoboVacソフトウェアは、InvenSenseのプレミアム6軸モーショントラッキング慣性計測装置(IMU)ICM-42688-Pのロボット掃除機アプリケーション用に開発されたソフトウェアです。ICM-42688-Pの性能を最大限に引き出すとともに、MEMSモーションセンサに見られる既知の短所を補完します。TDKのRoboVacソフトウェアの主な機能には以下のようなものがあります。

  • ICM-42688-Pの高分解能(20ビット)、高精度サンプリング(RTC)、安定性(VLN〕)を最大限に活かして6軸データのから、高精度かつ安定した方位角データを提供することで、ロボットの動作経路を支援。
  • ・ロボットの起動後、運転開始前に、センサバイアスの初期キャリブレーションを実行。
  • ・センサデータの経時および熱による精度劣化を推定し、ホストに運転を一時停止させ、ダイナミックキャリフレーションをおこなうよう通知。
  • ・経時および熱によるバイアス/ドリフトのダイナミックキャリブレーションを適時実行。
図3: ICM-42688-P

ICM-42688-P (ロボットモーショントラッキングアプリケーションに最適な高性能6軸IMU)

  • ・6軸MEMSモーションセンサ
  • ・業界をリードする性能
    時間的および熱によるノイズ、感度、バイアス安定性対策
  • ・アプリケーション性能をさらに高める独自の機能
    RTCと同期したサンプル、20ビットのADC、最大32kHzのODR
  • ・低消費電力
    低ノイズモードでの消費電力(加速度センサ+ジャイロセンサ): 880µA
    低電力モードでの消費電力(加速度センサ): <50µA
  • ・小型パッケージ
    2.5 x 3.0 x 0.91mm LGA-14
主要パラメータ ICM-42688-P コメント
ジャイロセンサ 感度誤差(%) ±0.5 ジャイロセンサにとってもっとも重要なパラメータ
感度温度係数(%/℃) ±0.005 非常にダイナミックな温度範囲をもつアプリケーションにとって、きわめて重要なパラメータ
ゼロレートオフセット(dps) ±0.5
(ボードレベル)
数値が小さいほど、初期キャリブレーションが容易で、オフセット誤差を除去
ゼロレートオフセット温度係数(dps/℃) ±0.005 数値が小さいほど、温度の変動による影響が少ない
ノイズ密度(dps/√Hz) 0.0028 ロボットアプリケーションの主要パラメータ
加速度センサ 感度誤差(%) ±0.5
感度温度係数(%/℃) ±0.007
ゼロGオフセット(mg) ±40
(ボードレベル)
数値が小さいほど、初期キャリブレーションが容易で、オフセット誤差を除去
ゼロGオフセット温度係数(mg/℃) ±0.15 数値が小さいほど、温度の変動による影響が少ない
ノイズ密度(µg/√Hz) 75 ロボットアプリケーションの主要パラメータ
図4: ロボットの方位角のトラッキングでは、センサフュージョンソフトウェアと使用時オートキャリブレーションソフトウェアがカギを握る
  • 通常の6軸センサフュージョンおよびキャリブレーション

VS

  • TDK RoboVac(ソフトウェアソリューション)
  • ・ベスト・イン・クラスのセンサフュージョン
  • ・スマートな使用時オートキャリブレーション
  • ・組み込みや微調整における
    一貫した技術支援の提供
図5: RoboVacアルゴリズムの記述
  • ICM-42688-Pから、加速度センサ、ジャイロセンサ、温度センサの測定値がRoboVacに提供される。
  • ・RoboVacアルゴリズム:
    ホストアプリケーションのクオータニオンを評価し、ロボットの動作を制御。
    センサ誤差(バイアス・ドリフト)のキャリブレーションにより、方位角推定の精度を維持。
    新たにキャリブレーションが必要な場合に、ロボットに停止を指示。
    データ処理速度: 1000Hz、200Hz、100Hz
  • ・キャリブレーションを実行するにあたり、ホストはRoboVacにロボットの状態を入力値として提供。
  • ・スペック: 方位角誤差10度/時以下
  • ・実行概要
    初期キャリブレーションは単回実行
    Pause every 5~10 minutes5~10分毎に休止
    キャリブレーション所要時間は1~2秒
    キャリブレーション実行時はロボットのモーションを停止

「ダストボックスフル」検知

ダストボックスの中にたまったゴミの量は、圧力センサICP-10101を用いてボックス内の気流を監視することで検出されます。吸引されたゴミが堆積したりフィルタが塵埃で詰まったりして、ダストボックス内の気流が滞留すると、ダストボックス内が空の時に比べ、ボックス内の気圧が低下します。
暖房・換気・空調(HVAC)などの局所的な環境影響を排除して検出精度を高めるには、同様の圧力センサをもう一つ用いて外気圧も測定し、内外差圧を求めることが推奨されます。

図6: ダストボックス満杯検知

・圧力センサを用いてダストボックス内の気流を監視

・ゴミのたまり具合やフィルタの詰まり具合を判別

・オプションとして、もう一個の同様の圧力センサを使って、HVACなどの外部環境影響を排除し検出精度を高める

図7: ICP-10101の評価結果

組み込みマイクロコントローラ

TDKのHVCフレックスサーボドライブ製品ファミリは、コストパフォーマンスに優れた、小型・高性能のDCモーター制御を実現します。新開発のHVC 4422Fは、メモリの拡張により、様々な診断機能の要件に対応、さらに、幅広い温度環境下での動作も可能です。内蔵MPUは、RTOSの要件をサポート。32ビットCPUコア(Arm Cortex-M3)搭載のHVCは、ロボット市場をはじめ、産業・民生・計装機器などさまざまな分野での新たなニーズやコストの見直しを提案します 。 ブラシ付き、ステッパ(二極または三相)、ブラシレスDCモーター(BLDC)をダイレクトにコントロールするためのフレキシブルな周辺回路も完備しています。

HVCファミリは、32Kバイト(HVC 4222/4223)または64Kバイト(HVC 4420F/4422)のフラッシュ・プログラム・メモリを備え、コード開発、製品管理、ファームウェアの更新などに高度な柔軟性を提供します。

図8 : HVCの特長

小型モーター向けの完全一体型シングルチップモーターコントロールソリューションMCU+ドライバ

  • ・ ステッパ(センサ付き/センサレスレス)、ブラシ付き/ブラシレスDCモーター制御に適した柔軟性
  • ・ 高度な制御スキームを実現する優れた性能
  • ・ 外部部品を最小化
  • ・ システム診断ルーチンをサポート
  • ・ 開発期間の短縮化
    ¬使いやすい開発ツールやアプリケーションノート
    ¬完全なワーキングデモ
    ¬プロフェッショナルの車載用 として認証済みのファームウェアパッケージ
    ¬異なるアプリケーション間でのコンフィギュレーションや再利用が容易
図9 : ブロック図――システム構成
製品 パッケージ 注文コード インターフェース 温度範囲: 注記
HVC 4222F QFN40 HVC4222F-DL LIN, UART, SPI -40°C - 160°C 32k Flash, 2k RAM,
TA = 150 °C
HVC 4223F QFN40 HVC4223F-DL LIN, UART, SPI -40°C - 150°C 32k Flash, 2k RAM,
TA = 125 °C
HVC 4420F QFN40 HVC4420F-DL LIN, UART, SPI -40°C - 150°C 64k Flash, 4k RAM
integrated MPU
TA = 125 °C
HVC 4422F QFN40 HVC4422F-DL LIN, UART, SPI -40°C - 160°C 64k Flash, 4k RAM
integrated MPU
TA = 150 °C

ロボット用温度センサ

TDKのセンサは、ロボットの温度監視にも使われています。温度の監視は、ロボットのさまざまな機能を制御するのに不可欠です。
TDKは幅広い製品ポートフォリオを取り揃え、精密な温度検出をサポートしています。

リード付きNTCエレメント
NTCエレメントは、信頼性の高いガラス封止を採用、応答特性にすぐれたラジアルリードタイプと、扱いやすい高剛性のアキシャルリードタイプをご用意しています。オプションとして、ヘッドやリード線の絶縁性・防湿性を高めるコーティングや、取り付けを容易にするリード線加工にも対応いたします。

ボンダブルNTCチップ
ボンダブルNTCチップは、ロボット製品の据え置き型バッテリーやモータコントローラなど、実装にワイヤボンディングを用いる半導体デバイスでの使用を意図した製品です。こうしたチップ型センサは、インテリジェントなパワーモジュールに直接取り付けられ、パワー半導体のジャンクション温度の監視をおこないます。

図10: NTCの製品概要
ガラス封止型 樹脂コート型 ボンダブル
タイプ ラジアルリード アキシャルリード ミニセンサ 新ミニセンサ チップ
外観
タイプ
(品番)
G15*0/G15*1
(B575*0G1*/B575*1G1*)
NTCDS/NTCDA
/NTCDE/NTCDZ
S864
(B57864S*)
L862
(開発中)
S860
(B57860S*)
特徴
  • 優れた高速応答
  • 小型サイズ
  • 取扱い易い硬質なリード線
  • 耐湿性アップ
  • 高速応答
  • 鉛フリー
  • 狭い温度許容差
  • 優れた長期安定性
  • 高い熱衝撃性
  • 鉛フリー
  • UL認証(E69802)
  • 上下面メタライズ(金または銀)
  • 高温での抵抗値規格が可能
温度範囲 -40 °C to 300 °C -40 °C to 250 °C -55 °C to 155 °C -55 °C to 155 °C -40 °C to 150 °C
リード線
  • ジュメット線(銅クラッドFeNi線)
  • オプション:ガラス部とリード線を絶縁コーティング。(G15*1)温度範囲260℃まで
  • リード間隔のオプション可能
  • ニッケルめっきCP線、スズめっきも可能
  • オプション:リード曲げ加工(NTCDA, NTCDE)
  • オプション:絶縁、応力軽減のコーティング(NTCDZ)温度範囲160℃まで
  • 銀めっき絶縁ニッケル線、AWG30
  • 銀めっき絶縁ニッケル線
  • リードレス型
  • ボンディング可能なNTCチップ
包装 バルク、テーピング バルク
つづら折り
バルク バルク、テーピング テープ
(8インチフレームまで)

積層チップNTC
SMDチップタイプのNTCは、オンボードの温度検知や温度補償に最適です。チップサイズは3216から0402まで取り揃えています。導電性接着剤対応品もご用意しています。
>>「チップNTCサーミスタ セレクションガイド」へのリンク

温度センサ アッセンブリ/システム
ロボットのIGBT、コンデンサ、コイルなどのヒートシンクを介した直接・間接的な温度監視には、取り付けが容易なネジ接続タイプ(ねじ込み型またはネジ止め型)のセンサが確立されたソリューションとなっています。気温センサは、冷却空気の温度を検出して冷却ファンを制御するのに好適です。
標準品に加え、NTC特性、リード線長/端子加工などのカスタム対応も承りますので、お気軽にお問合せください。

図11: NTCセンサ アッセンブリ/システムの製品概要
ねじ込み型センサ ネジ止め型センサ 空気温度センサ ケースタイプセンサ
タイプ K45 M703/M1703 NTCGP(ラグ端子) M500 NTCGP(樹脂ディップ) NTCRP
Picture
特徴
  • 回転ネジ付きアルミケースタイプ
  • 絶縁電圧:Vins >2500Vac/1s
  • ネジ付きケースとの良好な熱的結合(M3ネジ)
  • スズめっき銅リード線
  • RoHS対応
  • 金属タグ付きケーブルグランドケースタイプ
  • 絶縁電圧: Vins > 2700 Vac/1s (カスタム対応可)
  • 金属タグとの良好な熱的結合
  • ネジ止め式で取り付けが容易
  • RoHS対応
  • ラグ端子付きエポキシ樹脂ディップタイプ
  • ネジ止め固定が可能で、取り付け面の安定した温度検知が可能
  • 応答時間: 6sec max.(静止油中)
  • 鉛フリー
  • RoHS対応
  • エポキシ樹脂ディップタイプ(ポリ塩化ビニル[PVC]絶縁線)
  • 応答時間: approx. 20sec(気流中)
  • 絶縁電圧: Vins > 1250 Vac/1s
  • RoHS対応
  • エポキシ樹脂ディップタイプ
  • スズめっきポリ塩化ビニル[PVC]絶縁平行線
  • 応答時間: 6sec max.(静止油中)
  • 鉛フリー
  • RoHS対応
  • ガラス封止ラジアルリード・樹脂ケースタイプ
  • 過酷環境下での高信頼性
  • 最大200℃の高い動作温度
  • 鉛フリー
  • RoHS対応
使用温度範囲 -10 °C ~ +125 °C M703: -20°C ~ 125°C
M1703: -10°C ~ 260°C
(センサヘッド)
-40 °C ~ +125 °C -30 °C ~ +100 °C -55 °C ~ +105 °C -40 °C ~ +200 °C
標準
形状・寸法

RoboKit

TDK「RoboKit」は、最新のロボット開発キットです。このキットを用いることで、TDKのロボット市場向けポートフォリオを構成する各種ソリューションのシームレスな統合が可能になります。
「RoboKit」は、TDKのロボット向け主要製品 6軸モーショントラッキング慣性計測装置(IMU)ICM-42688-P、静電容量型圧力センサICP-10111、MEMSデジタルマイクロフォンICS-43434、超音波ToF(Time of Flight)センサCH101およびCH201、Micronasモータコントローラ、角度センサ、圧力センサなどを統合します。
TDKは、ロボット市場の高度な要求を満たす多種多様なソリューション、たとえばInvenSense IMUと「RoboVac」ソフトウェアを用いた方位角精度10度/時以下、Coursa Driveの導入して慣性航法装置(INS)、Chirp超音波ToFセンサによる対象物の色や照明条件にいっさい左右されない堅牢な障害物検知、Micronasモータコントローラを用いたロボットの関節制御、さらには、温度センサや磁気センサによる種々のソリューションなどを提供しています。
TDK「RoboKit」ソフトウェアは、主流のオペレーティングシステムであるROS(ロボティック・オペレーティング・システム)との互換性も備えています。また、IMUと超音波ToFセンサ用のROS対応ドライバもご用意しています。

>>InvenSense(RoboKit)へのリンク