論文の概要: Compact Optical Single-axis Joint Torque Sensor Using Redundant Photo-Reflectors and Quadratic-Programming Calibration

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.16040v1
• Date: Tue, 17 Mar 2026 00:56:51 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-21 18:33:56.886473
• Title: Compact Optical Single-axis Joint Torque Sensor Using Redundant Photo-Reflectors and Quadratic-Programming Calibration
• Title（参考訳）: 冗長フォトリフレクタと擬似プログラミング校正を用いた小型光単軸ジョイントトルクセンサ
• Authors: Hyun-Bin Kim, Byeong-Il Ham, Kyung-Soo Kim,
• Abstract要約: 多くの協調作業ロボットにおける電流センサによるトルク推定は、ギアボックススチクション/フリクションと電流トルク非線形性により低トルクの精度が低下する。 本研究では,非接触型フォトリフレクタを用いた関節トルクセンサを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.8411993084160283
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: This study proposes a non-contact photo-reflector-based joint torque sensor for precise joint-level torque control and safe physical interaction. Current-sensor-based torque estimation in many collaborative robots suffers from poor low-torque accuracy due to gearbox stiction/friction and current-torque nonlinearity, especially near static conditions. The proposed sensor optically measures micro-deformation of an elastic structure and employs a redundant array of photo-reflectors arranged in four directions to improve sensitivity and signal-to-noise ratio. We further present a quadratic-programming-based calibration method that exploits redundancy to suppress noise and enhance resolution compared to least-squares calibration. The sensor is implemented in a compact form factor (96 mm diameter, 12 mm thickness). Experiments demonstrate a maximum error of 0.083%FS and an RMS error of 0.0266 Nm for z-axis torque measurement. Calibration tests show that the proposed calibration achieves a 3 sigma resolution of 0.0224 Nm at 1 kHz without filtering, corresponding to a 2.14 times improvement over the least-squares baseline. Temperature chamber characterization and rational fitting based compensation mitigate zero drift induced by MCU self heating and motor heat. Motor-level validation via torque control and admittance control confirms improved low torque tracking and disturbance robustness relative to current-sensor-based control.
• Abstract（参考訳）: 本研究では,非接触型フォトリフレクタを用いた関節トルクセンサを提案する。 多くの協調作業ロボットにおける電流センサによるトルク推定は、ギアボックススチクション/フリクションと電流トルク非線形性(特に静的条件)による低トルクの精度の低下に悩まされている。 提案センサは、弾性構造の微細変形を光学的に測定し、感度と信号対雑音比を改善するために、4方向に配置された冗長なフォトレフレクタアレイを用いる。 さらに,最小二乗校正に比べて雑音抑制と分解能向上のために冗長性を利用する2次プログラミングに基づく校正手法を提案する。 センサーはコンパクトなフォームファクター(直径96mm、厚さ12mm)で実装される。 実験では、最大誤差は0.083%FS、RMS誤差は0.0266Nmである。 キャリブレーション試験により、最小二乗のベースラインの2.14倍の改善に対応して、1kHzで0.0224 Nmの3シグマ分解能が得られることが示された。 MCU自己加熱とモータ熱により誘導される温度室特性と合理的な補償によるゼロドリフトを緩和する。 トルク制御とアプタンス制御によるモータレベルの検証は、電流センサベース制御と比較して低トルクトラッキングと外乱ロバスト性の改善を確認する。

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