CN103507070B - 使用三轴力传感器进行力控制的机器人控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人控制装置（11），其相对于工具（4）以及工件（W）中的一方，通过机器人（1）的手前端部使另一方相对移动，控制作用于工具与工件之间的力，该机器人控制装置具备：力检测部（3），其检测单轴方向的力和与该单轴正交并且相互正交的两轴方向的绕轴的力矩；力估算用点设定部（12），其设定用于估算作用于工具（4）与工件（W）之间的力的力估算用点；力估算部（13），其基于通过力检测部检测出的单轴方向的力以及两轴方向的绕轴的力矩、和通过力估算用点设定部设定的力估算用点的位置估算所述两轴方向的力，或者进一步估算绕所述单轴的力矩。由此，能够估算由三轴力传感器不能检测的力以及力矩。

Description

使用三轴力传感器进行力控制的机器人控制装置

技术领域

本发明涉及使用测量由单轴方向的力和与该轴正交且相互正交的两轴方向的绕轴的力矩构成的三个成分的三轴力传感器进行力控制的机器人系统的机器人控制装置。

背景技术

作为三轴力传感器，能够测量由单轴方向的力和与该轴正交且相互正交的两轴方向的绕轴的力矩构成的三个成分的传感器是公知的。如日本特开2010-112864号公报中公开的那样，该种三轴力传感器小型，并且能够以低廉的价格进行生产，现在正在广泛普及。

在此，设通过三轴力传感器3能够检测力的轴为Z轴，设与该轴正交且相互正交的两方向的轴分别为X轴、Y轴。并且，将作用于这些X轴、Y轴、Z轴方向的力分别表示为Fx、Fy、Fz，并且将绕X轴、Y轴、Z轴作用的力矩分别表示为Mx、My、Mz。

日本特开2010-112864号公报中公开了五轴力传感器，该五轴力传感器具备检测力Fz、力矩Mx、My这三个成分的第一测量部和检测力Fx、Fy这两个成分的第二测量部。该种五轴力传感器小型，并且能够直接感知多个轴向的并进力Fx、Fy、Fz以及绕XY各轴的力矩Mx、My。

但是，由于日本特开2010-112864号公报中公开的五轴力传感器具备测量力Fx、Fy的第二测量部，因此其生产以及校准费力费时。

而且，检测力Fz以及力矩Mx、My这三个成分的以往的三轴力传感器只能进行针对Z轴方向的力的控制、或者、针对绕X轴、Y轴的转炬的控制、或者、绕X轴、Y轴的以相互面对为目的的姿势控制等利用这三个成分的力控制。因此，难以应对要求四个以上成分的复杂控制。

发明内容

本发明是鉴于该种情况作出的发明，目的在于提供一种机器人控制装置，即使在使用三轴力传感器的情况下，也能够通过估算由三轴力传感器不能检测的力以及力矩来进行与使用六轴力传感器的情况相同的力控制。

根据为了达成上述目的的第一方案，提供一种机器人控制装置，其相对于工具以及工件中的一方，使另一方通过机器人的手前端部相对移动，控制作用于所述工具与所述工件之间的力，具备：力检测部，其检测单轴方向的力和与该单轴正交并且相互正交的两轴方向的绕轴的力矩；力估算用点设定部，其设定用于估算作用于所述工具与所述工件之间力的力估算用点；力估算部，其基于通过所述力检测部检测出的所述单轴方向的力以及所述两轴方向的绕轴的力矩、和通过所述力估算用点设定部设定的所述力估算用点的位置估算所述两轴方向的力，或者进一步估算绕所述单轴的力矩。

根据第二方案，在第一方案中，所述力估算用点设定部根据所述工具与所述工件之间的相对位置关系、用于计算所述力估算用点的位置的力估算用点计算基准点的位置、所述工具与所述工件之间的挤压方向、所述工具的形状或者所述工件的形状的信息，计算所述力估算用点的位置并进行设定。

根据第三方案，在第二方案中，用于计算所述力估算用点的位置的所述力估算用点计算基准点的位置能够变更，基于变更后的所述力估算用点计算基准点的位置计算所述力估算用点的位置并进行设定。

根据第四方案，在第一方案中，所述力估算用点设定部在所述机器人的动作过程中能够变更所述力估算用点的位置。

根据第五方案，在第一至第四方案的任一方案中，还具备估算所述工具的磨耗量并且修正所述力估算用点的位置的力估算用点修正部。

根据第六方案，在第一、第四、第五方案的任一方案中，所述力估算用点设定部通过对所述力估算用点施加力并基于所述单轴方向的力和所述两轴方向的绕轴的力矩计算所述力估算用点的位置并进行设定。

根据第七方案，在第六方案中，所述力估算用点设定部通过对所述力估算用点施加既知的力来计算该力估算用点的位置并进行设定。

根据第八方案，在第六方案中，在所述力估算用点配置在三个轴中的任一个轴上的情况下，所述力估算用点设定部通过在与由能够测量力的轴以外的两个轴构成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力来计算所述力估算用点的位置并进行设定，或者，在所述力估算用点配置在由能够测量力的轴和剩余两轴中的一个轴构成的平面上的情况下，所述力估算用点设定部通过在与该平面不平行、并且与由能够测量力的轴以外的两轴构成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力来计算所述力估算用点的位置并进行设定。

根据第九方案，在第二、第三、第五方案的任一方案中，还具备力估算用点计算基准点设定部，该力估算用点计算基准点设定部通过对所述力估算用点计算基准点施加力并基于所述单轴方向的力和所述两轴方向的绕轴的力矩计算所述力估算用点计算基准点的位置并进行设定。

根据第十方案，在第九方案中，所述力估算用点计算基准点设定部通过对所述力估算用点计算基准点施加既知的力来计算该力估算用点计算基准点的位置并进行设定。

根据第十一方案，在第九方案中，在所述力估算用点计算基准点配置在三个轴中的任一个轴上的情况下，所述力估算用点计算基准点设定部通过在与由能够测量力的轴以外的两个轴构成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力来计算所述力估算用点计算基准点的位置并进行设定，或者，在所述力估算用点计算基准点配置在由能够测量力的轴和剩余两轴中的一个轴构成的平面上的情况下，所述力估算用点计算基准点设定部通过在与该平面不平行、并且与由能够测量力的轴以外的两轴构成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力来计算所述力估算用点计算基准点的位置并进行设定。

根据附图中所示的本发明的典型实施方式的详细说明，本发明的这些目的、特征和优点以及其它目的、特征和优点更加清楚。

附图说明

图1是包含基于本发明的机器人控制装置的机器人系统的立体图。

图2A是表示三轴力传感器所检测的成分的图。

图2B是表示力估算用点的图。

图3是表示基于本发明的机器人控制装置的动作的流程图。

图4A是与工件接触的工具的大致侧视图。

图4B是与工件接触的工具的另一大致侧视图。

图4C是与工件接触的工具的大致俯视图。

图5A是与工件接触的工具的第一大致侧视图。

图5B是与工件接触的工具的第二大致侧视图。

图5C是与工件接触的工具的第三大致侧视图。

图5D是与工件接触的工具的第四大致侧视图。

图6A是机器人的前端部分的第一放大图。

图6B是机器人的前端部分的第二放大图。

图7A是表示工件的形状的第一图。

图7B是表示工件的形状的第二图。

图7C是表示工件的形状的第三图。

图7D是表示工件的形状的第四图。

图8是机器人的前端部分的另一放大图。

图9A是工件的俯视图。

图9B是工件的另一俯视图。

图10A是另一工件的俯视图。

图10B是另一工件的另一俯视图。

图11A是与工件接触的工具的另一大致侧视图。

图11B是与工件接触的工具的大致俯视图。

图12A是与工件接触的工具的第一大致侧视图。

图12B是与工件接触的工具的第二大致侧视图。

图12C是与工件接触的工具的第三大致侧视图。

图12D是与工件接触的工具的第四大致侧视图。

图13A是与工件接触的工具的另一大致侧视图。

图13B是与工件接触的工件的大致俯视图。

图14是机器人的前端部分的又一放大图。

图15是表示三轴力传感器坐标系的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。以下的图中，对于同样的部件附注同样的参照符号。为了易于理解，这些图适当变更了比例尺。

图1是包含基于本发明的机器人控制装置的机器人系统的立体图。由图1可知，在下文中，使能够检测力的轴为Z轴，使与该Z轴正交并且相互正交两方向的轴分别为X轴、Y轴。并且，将作用于这些X轴、Y轴、Z轴的方向的力分别表示为Fx、Fy、Fz，并且，将绕X轴、Y轴、Z轴作用的力矩分别表示为Mx、My、Mz。

图1中所示的机器人系统10包括机器人1和控制装置11。机器人1是六轴结构的垂直多关节型机器人，但是也可以是六自由度的多关节型机器人以外类型的机器人。在机器人1的机器人臂2的前端安装有用于加工工件W的工具4。而且，出于方便，工具4为朝下的圆锥形，但是也可以采用用于仿形作业、加工作业等的其它形状的工具4。

如图所示，在机器人臂2与工具4之间配置有三轴力传感器3（下文中有时简称为“力传感器”）。力传感器3检测作用于工具4的力Fz以及力矩Mx、My这三个成分。而且，如图1所示，工件W载置于作业台B上。

而且，通过三轴力传感器3检测的力F以及力矩M是受到相对于安装在三轴力传感器3的某个物体由于其它物体的接触而作用的力、以及/或者作用于安装在三轴力传感器3的物体的重心的重力、惯性力（包括哥氏力、陀螺效应）等的影响产生的。

如图1所示，机器人1以及力传感器3与机器人控制装置11连接。机器人控制装置11是数字计算机，控制机器人系统10中机器人1的各轴的位置。而且，力传感器3所检测的力以及力矩数据被输入机器人控制装置11。如图所示，机器人控制装置11包括力估算用点设定部12，该力估算用点设定部12设定用于估算作用于工具4与工件W之间的力的力估算用点。在此，力估算用点是进行如下假设时的点：在外力作用于三轴力传感器3的情况下，除了上述的重力、惯性力等的影响以外，通过其它的物体与三轴力传感器3接触而作用的力作用于具有代表性的某一个点。

并且，机器人控制装置11包括力估算部13，该力估算部13基于通过力传感器3检测到的力Fz以及力矩Mx、My、和通过力估算用点设定部12估算出的力估算用点的位置来估算力Fx、Fy，或者进一步估算力矩Mz。在只需估算力Fx、Fy的情况下，可以只对其进行估算。

并且，机器人控制装置11包括力估算用点修正部14和力估算用点计算基准点设定部15，该力估算用点修正部14估算工具4的磨耗量，并修正力估算用点的位置，该力估算用点计算基准点设定部15计算用于计算力估算用点的位置的力估算用点计算基准点的位置并进行设定。而且，机器人1的示教数据、工具、工件的质量、重心数据等实现本发明所必需的数据等保存在存储部16中。

以下，参照图1等针对安装在机器人1上的工具4对工件W进行仿形的情况进行说明。但是，使安装在机器人臂2的前端部分的工具4相对于工件W相对移动的情况，以及使通过安装在机器人臂2的前端部分把持工件W的手部（图1中没有表示）相对于位于固定位置的加工工具等相对移动的情况，也包含在本发明的范围内。而且，力传感器3没有必要一定安装在机器人1上，也可以固定在作业台B上。而且，也可以是如下情况：作业台B是其它机器人等的能够移动的装置，使由其设置的工件、工具移动。

换而言之，本发明可以是如下结构：力传感器3安装在机器人1侧，机器人1具备工具4，或者把持工件W。并且，本发明可以是如下结构：力传感器3安装或者固定在作业台B等上，机器人1具备工具4或者把持工件。而且，作业台B也可以是能够移动的装置。而且，在以下的说明中，数学式中的“·”表示矢量的内积，“×”表示外积，“*”表示乘法运算。

图2A是表示三轴力传感器所检测的成分的图。如图2A所示，本发明的第一实施方式中，利用通过三轴力传感器3检测的力Fz以及力矩Mx、My这三个成分来进行力控制。图2B是表示力估算用点的图。本发明中，基于力Fz以及力矩Mx、My和相对于三轴力传感器的力估算用点Pc的位置（图2B所示）来估算力Fx、Fy、以及/或者力矩Mz成分。然后，基于这些值，根据需要补偿重力、惯性力等，估算施加在力估算用点上的净力，通过机器人进行力控制。

因此，在第一实施方式中，在使用能够检测力Fz以及力矩Mx、My三成分的三轴力传感器3的同时，能够与可检测六方向的力以及力矩的六轴力传感器等一样，进行任意方向的力控制。在只进行并进方向的力控制的情况下，可以只估算力Fx、Fy。而且，在没有必要对力、力矩的全部进行估算时，也可以只估算必要的成分。

检测力Fz以及力矩Mx、My这三个成分的三轴力传感器3相比同规格的能够检测四轴以上的多轴力传感器通常结构单纯，组装也简单，因此能够抑制生产时费力费时，价格便宜。因此，通过将同规格的能够检测四轴以上的多轴力传感器置换为所述三轴力传感器并且用于力控制，能够抑制机器人系统整体的价格。并且，三轴力传感器3能够实现小型化，因此相比使用以往的能够检测六轴方向的力传感器等情况，还能够将机器人系统制作得更小型。

如图2B所示，将相对于三轴力传感器3固定的三轴力传感器的坐标系称作力传感器坐标系。并且，将从力传感器坐标系观察时的力估算用点Pc的位置设定为Re（rx、ry、rz）。

图3是表示基于本发明的机器人控制装置的动作的流程图。首先，在步骤S10中，三轴力传感器3检测力Fz以及力矩Mx、My。接着，按照以下的要领，在步骤S20中，计算力Fx、Fy，或者进一步计算力矩Mz。

关于通过三轴力传感器3检测的力Fz以及力矩Mx、My与力估算用点Pc以及估算为作用于力估算用点Pc的力Fx、Fy的关系，在不考虑重力、机器人的手前端部的动作带来的影响的情况下，由下式（1）、（2）来表示。

Mx=Fz*ry-Fy*rz（1）

My=-Fz*rx-Fx*rz（2）

因此，力Fx、Fy由下式（3）、（4）来表示。

Fy=（-Mx+Fz*ry）/rz（3）

Fx=（My+Fz*rx）/rz（4）

于是，通过求出的力Fx、Fy，如下式（5）所示估算力矩Mz。这些计算由力推定部13来进行。

Mz=Fy*rx-Fx*ry（5）

而且，在将三轴力传感器3安装在机器人的手前端，将工具4安装在三轴力传感器3，或者使机器人的手前端部把持工件W移动的情况下，通过三轴力传感器3检测的力中还包含通过机器人臂前端的末端执行器与机器人臂一起运动所产生的离心力、哥氏力这样的惯性力等动力学项。以下，针对力估算部13估算考虑了重力、动力学项等的影响的力Fx、Fy以及力矩Mz进行说明。

这种重力以及动力学项通过公知的方法来计算，例如日本专利第4267027号中公开的手法。具体地，使用牛顿-欧拉法、拉格朗日法等解机械手的动力学方程式，根据机器人臂的关节角度矢量θ、该关节角度矢量θ的速度以及加速度求取从三轴力传感器的坐标系观察的、作用于安装在三轴力传感器上的工具的重心的惯性力与重力一起作用于三轴力传感器的坐标系中心的力。由此，能够由力估算部13估算从三轴力传感器的坐标系观察的、作用于三轴力传感器的重力以及动力学项。

以下叙述力估算部13估算如上求取的考虑了重力、动力学项等的影响的力Fx、Fy以及力矩Mz的具体方法。设机器人的手前端的三轴力传感器3上安装的工具4或者工件W通过重力以及机器人的手前端部的移动动作所产生的从三轴力传感器坐标系观察的矢量为Fm。并且，将由检测的力矩Mx、My和估算出的力矩Mz构成的矢量表示为Mm（Mx、My、Mz）。并且，设由估算的力Fx、Fy和检测的力Fz构成的矢量为Fr（Fx、Fy、Fz）。然后，设机器人的手前端的三轴力传感器3上安装的工具4或者工件W的重心的在力传感器坐标系中的位置为Cg（cx、cy、cz）。预先求出位置Cg。

这种情况下，得到以下式（6）表示的关系。

Mm=Re×Fr+Cg×Fm（6）

如上所述，Re是力估算用点Pc的位置。使用该式子（6），力估算部13能够计算考虑了重力、动力学项等的影响的力Fx、Fy以及力矩Mz

而且，力估算用点Pc的位置Re由力估算用点设定部12来设定。力估算用点Pc的位置Re是将在机器人的基准坐标系上赋予的位置在力传感器坐标系上进行表示的位置、或者将对机器人的手前端部赋予的位置在力传感器坐标系上进行表示的位置等。或者，这些由各个位置表示的位置Re可以固定或者可变化。

而且，力估算用点设定部12也可以将设想的接触点附近的位置、或者TCP（工具前端点）等位置设定为力估算用点Pc的位置Re。或者，也可以将预先实际测得的位置、或者动作过程中实际测得的位置设定为力估算用点Pc的位置Re。

为了设定该种力估算用点Pc的位置Re，也可以对机器人设定示教动作等，从而成为既知的位置。而且，也可以根据使用能在机器人的动作过程中以预定间隔取得图像的照相机等取得的图像来设定力估算用点Pc的位置Re。或者，可以使感知接触部分的接触传感器移动，预先取得动作过程中的接触位置，并利用该数据，由力估算用点设定部12设定力估算用点Pc的位置Re。

根据上述方法，在机器人的手前端安装三轴力传感器3，并且安装把持工件W的手部6或者工具4，即使在使机器人的手前端部发生移动的情况下，也能够精度良好地估算力Fx、Fy以及力矩Mz。

本发明的第二至第五实施方式中，为了提高力Fx、Fy以及力矩Mz的估算精度，更加正确地估算相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置Re。

在本发明中，使用力估算用点Pc估算通过三轴力传感器3不能检测的方向的力、力矩。因此，希望更加正确地设定力估算用点Pc。因此，在正确估算力Fx、Fy以及力矩Mz时，使用以下的方法是非常有效的。

力估算用点Pc是假设其它物体接触安装在三轴力传感器3上的工具或者工件而作用的力作用于具有代表性的一个点时的点。因此，通过更加正确地设定力估算用点Pc，能够更加正确地估算力Fx、Fy以及力矩Mz。

在第二实施方式中，工具4与工件W的接触点变化，在相对于三轴力传感器3的接触点的位置发生变化的情况下，使用作为基准的点（力估算用点计算基准点）基于几何学上的关系计算力估算用点Pc的位置Re。

具体地，在第二实施方式中，使用工具4与工件W的相对位置关系、用于计算相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置的“力估算用点计算基准点”、挤压方向、工具4或者工件W的形状的信息，计算相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置。

以下对此进行说明。力估算用点计算基准点Ps是用于计算力估算用点Pc的适当的任意点，由力估算用点计算基准点设定部15设定。在相对于三轴力传感器3的接触点的位置发生变化的情况下，希望将力估算用点计算基准点Ps设定在位于其中心的点或者利于计算的点。而且，也可以将力估算用点计算基准点Ps设定为与力估算用点Pc的最初位置相同的位置，并对该点进行修正。

图4A以及图4B是与工件接触的工具的大致侧视图，图4C是与工件接触的工具的大致俯视图。参照这些图说明力估算用点Pc的一个计算方法。该情况下，力估算用点计算基准点Ps设定在圆锥形工具4的中心线上的一部分，例如工具4的前端。

如图4A以及图4C所示，工具4在圆形的工件W的周围进行仿形。也就是，在图4A以及图4C中，改变工具4的位置和由箭头表示的挤压方向，并且，在改变工具4上的接触位置的同时，使工具4移动。该种情况下，通过将力估算用点Pc估算为更加接近实际接触点的位置，能够更加正确地估算力Fx、Fy以及力矩Mz。

在此，设力估算用点Pc的位置为Re，力估算用点计算基准点Ps的位置为Rb，从力估算用点计算基准点Ps向力估算用点Pc的矢量为Rr。针对机器人1的每个控制周期，根据几何学上的关系求取矢量Rr。于是，通过下述式子（7），力估算用点设定部12求取力估算用点Pc的位置Re。

Re=Rb+Rr（7）

而且，如图4B所示，在工具4相对于工件W倾斜并且改变工具4上的接触位置地运动的情况下，也同上述一样，根据基于力估算用点计算基准点Ps、力估算用点计算基准点Ps与力估算用点Pc的位置关系的计算，能够更加正确地估算力Fx、Fy以及力矩Mz。

另外，图5A至图5D是与工件接触的工具的大致侧视图。该情况下，由图5A以及图5B可知，工具4与工件W的相对位置关系朝向上方变化。同样，如图5C以及图5D所示，即使在工具4相对于工件W倾斜的情况下，工具4与工件W的相对位置关系也朝向上方变化。这样，即使在工具4与工件W的相对位置关系变化的情况下，也能够通过使用式子（7）来更加正确地估算力Fx、Fy、力矩Mz的值。

并且，图6A以及图6B是机器人的前端部分的放大图。在这些图中，三轴力传感器3安装在机器人的手前端部。而且，在比三轴力传感器3更靠前端处安装有手部6，手部6把持工件W。另一方面，工具4固定在其它位置。

在图6A中，在该状态下，在改变工件W的加工部位的同时，进行加工。图6A中所示的工件W的剖面为圆形。在如上所述工件W为比较单纯的形状的情况下，进行加工的位置（与力估算用点Pc大致相同）与力估算用点计算基准点Ps（该情况下，工件W的中心）之间的距离恒定。可以知道，这种情况下，通过与上述相同的手法，能够更加正确地估算力Fx、Fy、力矩Mz的值。

相对于此，图6B中所示的工件W的剖面为矩形，进行加工的位置（与力估算用点Pc大致相同）与力估算用点计算基准点Ps（工件W的中心）之间的距离非恒定。图7A至图7D是表示如下情况例子：把持的工件W的形状比较复杂，力估算用点计算基准点Ps与进行加工作业的部分之间的距离在机器人进行动作时非恒定，并且，进行加工作业的部分存在于从力估算用点计算基准点Ps挤压方向。

这种情况下，预先取得工件W的进行加工的部分的形状信息，根据通过手部6把持时的抓住位置和姿势计算相对于三轴力传感器3的力传感器坐标系的工件W的加工部分的形状信息。这样，能够基于力估算用点计算基准点Ps的位置（例如工件W的中心）、挤压方向、相对于三轴力传感器的工件W的进行加工作业的部分的形状信息计算力估算用点Pc。

另外，图8是机器人的前端部分的另一放大图。如图8所示，在机器人1侧设置三轴力传感器3，使通过手部6把持的工件W相对于固定的工具4作用，该情况下，通过以下方法，能够计算相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置Pe。

首先，通过力估算用点设定部12在固定的工具4的外周部上设定力估算用点Pc。如图8所示，力估算用点Pc的位置在机器人1的动作过程中变化。而且，力估算用点计算基准点Ps位于工具4的中心。

接着，示教机器人1的动作，使工具4与工件W尽可能地在力估算用点Pc接触。作为这种机器人的动作的示教参数，可列举机器人1的轨道或速度、挤压方向、目标挤压力等。

在使机器人1把持的工件接触固定工具的情况下，图9A以及图10A中表示相对于工具4的力估算用点Pc的位置不发生变化的情况，图9B以及图10B中表示相对于工具4的力估算用点Pc的位置发生变化，挤压方向也变化的情况。这样，即使在工件具有复杂形状、并且通过机器人1的移动导致相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置动态地复杂变化的情况下，通过基于相对于机器人的基准坐标系的力估算用点Pc的位置，也能够不需要工件W的加工部分的形状信息地简易地求取相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置。

而且，在示教机器人1的动作时使用力估算用点计算基准点Ps的情况下，设定力估算用点计算基准点Ps、力估算用点Pc与力估算用点计算基准点Ps的相对位置（方向和距离等）（第二或者第三实施方式）。而且，在示教机器人1的动作时不使用力估算用点计算基准点Ps而直接使用力估算用点Pc的情况下，直接动态地设定和更新力估算用点Pc的位置（第四实施方式）。由此，机器人1的动作与相对于机器人1的力估算用点Pc对应起来。

当机器人1正在移动时，力估算部13基于机器人的位置和姿势计算相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置。在此，设表示机器人1的基准坐标系和三轴力传感器3的力传感器坐标系的位置和姿势关系的矩阵为Trf，设表示机器人的基准坐标系和力估算用点Pc的位置和姿势关系的矩阵为Tre。由此，根据Trf和Tre的关系求取相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置。这对于该领域人员是显而易见的。

该情况下，力估算用点Pc与固定在作业台B等上的工具4的位置关系能够比较简单地表示，但是力估算用点Pc与三轴力传感器3的位置关系根据工件W的形状、机器人1的手前端部的姿态而复杂地动态变化。此时，通过基于工具4上的力估算用点Pc与机器人1的位置关系随时更新相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置，能够动态改变力估算用点Pc的位置。

在使用这种手法的情况下，即使在工件W的形状复杂、并且相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置动态地复杂变化的情况下，也能够简易地计算力估算用点Pc。而且，通过使用力估算用点计算基准点Ps，能够通过相对的位置关系表示力估算用点Pc的位置，因此，也能够更加简易地表示力估算用点Pc的位置。

这样，将力估算用点Pc或者力估算用点计算基准点Ps设定在工具4或者手部6等机器人1的手前端部，或者，相对于机器人1的基准坐标系进行设定。于是，通过示教按照几何学上的关系求取力估算用点Pc，能够精度良好地计算不能由三轴力传感器3检测的力以及力矩，例如力Fx、Fy以及力矩Fz。

在第三实施方式中，优选求取力估算用点Pc时使用的基准点在动作过程中也适当改变。亦即，力估算用点修正部14基于来自示教操作盘、键盘等的输入或者机器人1的动作程序、对应于机器人1的动作的切换等规定的设定使相对于三轴力传感器3的力估算用点计算基准点Ps的位置发生变化。由此，在切换到不同的工具4的情况下，即使在工具4上的接触部位发生了变化的情况下，也能够修正接触估算点的位置偏差。

图11A是与工件接触的工具的另一大致侧视图，图11B是与工件接触的工具的大致俯视图。由这些图11A以及图11B可知，在机器人进行动作时改变工具4的位置和挤压方向，改变工具4上的接触位置地移动。这种情况下，有必要使相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置也发生变化。并且，由图11A可知，当工具4相对于工件W的高度发生变化时，有必要改变力估算用点Pc（从Pca至Pcb）。

如图11A所示，在工具4下方位置的力估算用点计算基准点Psa的工具轴向位置的工具圆周上与工件接触的情况下，基于力估算用点计算基准点Psa和在该部分的工具的半径Ra计算力估算用点Pca。而且，在工具4上方位置的力估算用点计算基准点Psb的工具轴向位置的工具圆周上与工件接触的情况下，基于力估算用点计算基准点Psb和在该部分的工具的半径Rb计算力估算用点Pcb。这样，通过使用不同位置的力估算用点计算基准点，能够估算更加正确的接触点。而且，通过将力估算用点Pc估算为更加接近实际的接触点，能够估算更加正确的力。

图12A至图12D是与工件接触的工具的大致侧视图。在这些图中，根据工件W上的位置，改变工具4上的接触部位。这种情况下，与所述图11中所示情况的方法相同。也就是，根据与工件接触的部分在工具4的下方位置（图12A以及图12C）还是与工件接触的部分在工具4的上方位置（图12B以及图12D），使用不同位置的力估算用点计算基准点，估算力估算用点Pc。通过这样适当变更力估算用点计算基准点Ps的值，能够根据挤压方向和至力估算用点Pc的距离信息估算更加正确的接触点。

图13A是与工件接触的工具的另一大致侧视图，图13B是与工件接触的工具的大致俯视图。在图13A以及图13B中所示的例子中，改变工具4的位置和挤压方向，改变工具4上的接触位置地动作。

在第四实施方式中，这种情况下，即使在机器人1的动作过程中等也适当改变力估算用点Pc。也就是，在相对于三轴力传感器3的工具4与工件W的接触部位发生变化时，通过更新相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置，能够适当地进行设定。而且，通过将力估算用点Pc估算为更加接近实际的接触点，能够估算更加正确的力。

作为这种变更手法，可列举：向预先准备的设定值的切换；来自示教操作盘、键盘等的输入或者机器人1的动作程序；对应于机器人1的动作的切换；对应于工具4与工件W的位置关系地准备力估算用点Pc；预先准备与挤压方向对应的力估算用点Pc的位置并根据挤压方向进行变更；预先准备与行进方向对应的力估算用点Pc的位置并根据行进方向进行变更等。

图14是机器人的前端部分的又一放大图。如图14所示，在机器人1侧设置三轴力传感器3，使机器人的手部6把持的工件W相对于固定的工具4作用。这种情况下，为了与固定的工具4接触而使设定在工具4的目标接触点为力估算用点Pc时，随着机器人1的运动，相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置动态变化。

这种情况下，通过基于工具4上的力估算用点Pc与机器人1之间的位置关系随时更新相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc的位置，能够使力估算用点Pc的位置动态变化。而且，在改变固定的工具4上的发生接触的部位时，更新力估算用点Pc即可。这种计算能够如上所述地根据使用表示位置以及姿势的变换矩阵容易地计算。

在第五实施方式中，优选力估算用点修正部14基于工具4的磨耗量的估算修正相对于三轴力传感器3的力估算用点Pc。通过将力估算用点Pc估算为更加接近实际的接触点的位置，能够估算更加正确的力。在三轴力传感器3中，基于磨耗量的估算，更加正确地求取力Fx、Fy以及力矩Mz。

针对估算磨耗量的手法，优选例如通过进行实验来预先制作数据表。这种数据表表示工具4与工件W的材质、施加在工具4上的力、工具4与工件W的相对速度、工具4的转速、执行时间等与工具4的磨耗量的关系。而且，从存储部16读入预先制作的数据表，力估算用点修正部14估算与所述的材质、力等对应的工具4的磨耗量。或者，也可以基于实验等预先制作用于计算磨耗量的函数，基于这种函数估算磨耗量。然后，基于估算出的磨耗量，力估算用点修正部14修正力估算用点Pc。

在第六、第七、第九、第十实施方式中，优选基于既知的力估算力估算用点Pc或者力估算用点计算基准点Ps。于是，基于此时通过三轴力传感器3检测的、单轴方向的力Fz和与该轴正交且相互正交的两方向的绕轴的力矩Mx、My，由力估算用点设定部12或者力估算用点计算基准点设定部15计算力估算力估算用点Pc或者力估算用点计算基准点Ps并进行设定。在作用既知的力的情况下，能够考虑到使用通过挤压量知道挤压力的弹簧装置等、或者挤压至能够测量力的固定的测量装置、或者使能够测量力的装置挤压该部分等方法。由此作用既知的力时，从示教操作盘等通知其定时，根据机器人的姿势取得补偿了重力影响的力以及力矩信息，与指定的或者测量到的力一起适用于上述计算。而且，可以通过实验等预先求出希望是怎样程度的既知力。

这样，在机器人系统10中，通过作用既知的力，能够简易地设定力估算用点Pc或者力估算用点计算基准点Ps。具体方法以下进行说明。

图15是表示三轴力传感器坐标系的图。图15中，力F作用在三轴力传感器坐标系中的点P1时，以下关系式成立。

Mx=b*Fz-c*Fy式（8）

My=-a*Fz+c*Fx式（9）

该情况下，虽然不能检测力矩Mz，但是能够检测力Fz以及力矩Mx、My。

通过这些式（8）以及（9），通过对希望求取位置的点以进行作用的方向、大小不同的方式作用多次既知的力（例如，Fz为任意，（Fx、Fy）=（1、0）、（0、1）等不同的值），从而能够计算P1（a、b、c）。

在第六、第八、第九以及第十一实施方式中，能够基于适当的未知的力估算用点Pc或者力估算用点计算基准点Ps。也就是，使适当的未知大小的力作用于力估算力估算用点Pc或者力估算用点计算基准点Ps，基于此时的通过三轴力传感器3检测的、单轴方向的力Fz和与该轴正交且相互正交两方向的绕轴的力矩Mx、My补偿重力的影响，计算力估算用点Pc或者力估算用点计算基准点Ps并进行设定。在作用适当的未知大小的力时，优选使用示教操作盘等设定使力作用的定时、或者通过作用某一阈值以上的力时等的条件进行设定，取得那时的力以及力矩、机器人的姿势等。

这样，在机器人系统10中，通过作用适当的力，能够简易地设定力估算用点Pc或者力估算用点计算基准点Ps。

如参照图15所说明的那样，力F作用在三轴力传感器坐标系中的点P1时，式（8）以及式（9）成立。因此，能够如上所述地计算P1（a、b、c）。

通过这些式（8）以及式（9），在希望求取位置的点配置在三个轴（X、Y、Z轴）中任一个轴上的情况下，通过对该点在与由能够测量力的轴以外的两个轴构成的平面不平行的既知的方向上作用适当的大小的力F，能够根据Fz的值和力的作用方向的关系求取力Fx、Fy的值，计算力的作用点、也就是力估算用点Pc或者力估算用点计算基准点Ps的位置P1（a、b、c）。

该情况下，如果P1存在于Z轴上，由于a=0、b=0方向既知，因此根据力Fz的值知道力Fx、Fy。因此，能够求取c。

而且，通过对希望求取位置的点在与由能够测量力的轴以外的两个轴构成的平面不平行的既知的方向上以方向不同的方式多次作用适当大小的力，能够根据Fz的值和力的作用方向的关系求取力Fx、Fy的值，计算P1（a、b、c）。

同样，在希望求取位置的点配置在由能够测量力的轴和其之外的一个轴构成的平面上的情况下，通过对该点在与该平面不平行、并且与由能够测量力的轴以外的两个轴构成的平面不平行的既知的方向上作用适当大小的力F，能够根据Fz的值和力的作用方向的关系求取力Fx、Fy的值，计算力的作用点、也就是力估算用点Pc或者力估算用点计算基准点Ps的位置P1（a、b、c）。

该情况下，如果P1存在于X-Z平面上，由于a=0方向既知，因此根据Fz的值知道力Fx、Fy。该条件下，Fx≠0。因此，能够求取b、c。由此可知，在本发明中，力估算用点设定部12能够简易地设定力估算用点Pc，力估算用点计算基准点设定部15能够简易地设定力估算用点计算基准点Ps。

发明的效果如下。

根据本发明，能够使用检测力Fz以及力矩Mx、My这三个成分的三轴力传感器精度良好地估算力Fx、Fy以及/或者力矩Mz。

并且，在使用检测力Fz以及力矩Mx、My这三个成分的三轴力传感器估算力Fx、Fy以及/或者力矩Mz时，有必要更加正确地估算力的作用点，也就是工具与工件之间的接触点。为了使基于三轴力传感器的力控制具有实用性，基于上述的手法简易而且更加正确地估算、设定接触点。由此，能够使用三轴力传感器具有实用性地、更加精度良好地估算力Fx、Fy以及/或者力矩Mz，将力Fx、Fy、Fz以及力矩Mx、My、Mz用于力控制。

本发明在进行向各种方向的力控制的机器人系统中应用了检测力Fz以及力矩Mx、My这三个成分的三轴力传感器。该三轴力传感器相比同规格的能够检测四轴以上的多轴力传感器价格低廉，并且能够小型化，因此能够将该种多轴传感器置换为所述三轴力传感器，通过用于力控制，能够抑制机器人系统整体的价格，并且将机器人系统制作得更小型。

使用典型性的实施方式说明了本发明，但是能够理解，只要是该领域人员，就能够不脱离本发明范围地进行所述的变更以及各种其它变更、省略、追加。

Claims (11)

1.一种机器人控制装置(11)，相对于工具(4)以及工件(W)中的一方，使另一方通过机器人(1)的手前端部相对移动，控制作用于所述工具与所述工件之间的力，其特征在于，具备：

力检测部(3)，其检测单轴方向的力和与该单轴正交并且相互正交的两轴方向的绕轴的力矩；

力估算用点设定部(12)，其设定用于估算作用于所述工具与所述工件之间力的力估算用点；以及

力估算部(13)，其基于通过所述力检测部检测出的所述单轴方向的力以及所述两轴方向的绕轴的力矩、和通过所述力估算用点设定部设定的所述力估算用点的位置估算所述两轴方向的力，或者进一步估算绕所述单轴的力矩。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述力估算用点设定部(12)根据所述工具与所述工件之间的相对位置关系、用于计算所述力估算用点的位置的力估算用点计算基准点的位置、所述工具与所述工件之间的挤压方向、所述工具的形状或者所述工件的形状的信息，计算所述力估算用点的位置并进行设定。

3.根据权利要求2所述的机器人控制装置，其特征在于，

用于计算所述力估算用点的位置的所述力估算用点计算基准点的位置能够变更，

基于变更后的所述力估算用点计算基准点的位置计算所述力估算用点的位置并进行设定。

4.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述力估算用点设定部(12)在所述机器人的动作过程中能够变更所述力估算用点的位置。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的机器人控制装置，其特征在于，

还具备估算所述工具的磨耗量并且修正所述力估算用点的位置的力估算用点修正部(14)。

6.根据权利要求1或4所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述力估算用点设定部(12)通过对所述力估算用点施加力并基于所述单轴方向的力和所述两轴方向的绕轴的力矩计算所述力估算用点的位置并进行设定。

7.根据权利要求6所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述力估算用点设定部(12)通过对所述力估算用点施加既知的力来计算该力估算用点的位置并进行设定。

8.根据权利要求6所述的机器人控制装置，其特征在于，

在所述力估算用点配置在三个轴中的任一个轴上的情况下，所述力估算用点设定部(12)通过在与由能够测量力的轴以外的两个轴构成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力来计算所述力估算用点的位置并进行设定，

或者，在所述力估算用点配置在由能够测量力的轴和剩余两轴中的一个轴构成的平面上的情况下，所述力估算用点设定部(12)通过在与该平面不平行、并且与由能够测量力的轴以外的两轴构成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力，来计算所述力估算用点的位置并进行设定。

9.根据权利要求2或3所述的机器人控制装置，其特征在于，

还具备力估算用点计算基准点设定部(15)，该力估算用点计算基准点设定部(15)通过对所述力估算用点计算基准点施加力并基于所述单轴方向的力和所述两轴方向的绕轴的力矩，计算所述力估算用点计算基准点的位置并进行设定。

10.根据权利要求9所述的机器人控制装置，其特征在于，

所述力估算用点计算基准点设定部(15)通过对所述力估算用点计算基准点施加既知的力来计算该力估算用点计算基准点的位置并进行设定。

11.根据权利要求9所述的机器人控制装置，其特征在于，

在所述力估算用点计算基准点配置在三个轴中的任一个轴上的情况下，所述力估算用点计算基准点设定部(15)通过在与由能够测量力的轴以外的两个轴构成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力来计算所述力估算用点计算基准点的位置并进行设定，

或者，在所述力估算用点计算基准点配置在由能够测量力的轴和剩余两轴中的一个轴构成的平面上的情况下，所述力估算用点计算基准点设定部(15)通过在与该平面不平行、并且与由能够测量力的轴以外的两轴构成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力来计算所述力估算用点计算基准点的位置并进行设定。