JP2515594B2 - ロボットの力制御方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、多関節型ロボットにおいて、アームの先端
部に力検出器を設け、この力検出器の検出出力と各種デ
ータとに基づき、対象物から受けている実際の力を求
め、この力に基づき力制御を行うロボットの力制御方法
及び装置に関する。

［従来の技術］ 第９図は従来のロボット制御装置の概略構成図であ
り、図において、10はロボット本体、例えば、ロボット
である。12はロボットアーム11の先端部に取り付けられ
た力検出器としての力センサ、14は作業を行うためのツ
ール、例えば、ハンド装置である（作業に応じた作業工
具、ハンド装置及びその他の保持物、被保持物等の物体
を総称して、ツールと呼ぶ）。なお、ツール14は力セン
サ12の先に取り付けられている。20はロボット10の力制
御を行う制御装置で、力センサ12の力検出信号を処理す
るセンサ・プロセッサ21と、センサ・プロセッサ21の出
力値を補正し、サーボ・プロセッサ23を介してロボット
10の力制御を行うメイン・プロセッサ22を備えている。
30はワーク、50は力センサ12の校正のために使用される
測定器である。

上記のように構成された従来のロボットにおいて、ア
ーム11に力センサ12を取り付けて力の検出を行うとき、
力センサ12が検出した検出値には、対象物から受ける力
以外の成分（つまり、ツール14等の重力の影響による力
検出値及び力センサ自身の誤差成分）が含まれているた
め、対象物から受ける実際の力の値を得るためには、力
センサ12で検出した力の値から、その出力値に含まれる
ツール14等の質量等の影響によって発生している重力成
分と力センサ自体の誤差成分を補正する必要がある。こ
れは、アーム11に取り付けた力センサ12自身の誤差成分
や、ツール14等の質量、形状及び取付け姿勢に起因し、
ロボット10にいろいろな姿勢をとらせたときに、その出
力値に含まれている力センサ12の力検出部以降に取り付
けられているツール14等の重力による影響値が力センサ
12の測定値に影響を与え、実際に対象物から受けた力の
値とは異なったものとなるからである。

そこで、このような問題を解消するべく従来はその補
正方法の１つとして、予め、アーム11に取り付けた力セ
ンサ12の測定値に影響を与える力センサ12自体やツール
14の質量、重心位置をアーム11からツール14を外した状
態で測定器50を用いて計測し、その後アーム11に取り付
け、その測定器50より得られたデータを基に任意の姿勢
をロボット10にとらせた時の重力の影響値を演算し、そ
の演算結果で得られた重力影響成分値を実作業時にて差
し引き、力センサ12の検出出力における重力の影響によ
る誤差を補償するという方法を用いていた。

また、別の方法としては、例えば特開昭62−74594号
公報に示すようなものがあり、これは、予めロボット先
端とハンド装置間に力センサを設け、ロボットに複数の
姿勢をとらせたときの力センサの出力値と、そのときの
ロボットの姿勢情報を利用して、力センサより出力され
ている出力値の重力による影響値を求め、力センサの出
力値から差し引くことにより重力の影響を補償する方法
である。

この場合、上記重力の補償を行うとき、力センサの製
作誤差、ロボットに取り付けるときの取付け条件、使用
環境等によって力センサで測定される出力値に誤差が生
じ、実際力センサで検出した値を何の補正も行わずに力
の値として使用するときは対象物から加わっている正確
な力の値が求められないため、力センサよりの出力誤差
である誤差成分値を補正して使用する必要が生じる。

そこで、発生する力センサの誤差成分を予め力センサ
単体の状態で測定装置を使用して求めておき、その値を
力センサの誤差成分として実際に検出された出力値に補
正をかけるという方法を用いている。そして、上記公報
の実施例に示すように、予めハンド装置にかかる重力に
よる影響値を算出するとき、演算器によって算出すると
いう方法をとっている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のような従来方法では、力センサ
に及ぼしているセンサ以降に取り付けられているツール
等の物体による重力の影響や、力センサ自体の持ってい
る誤差成分を補償し、かつ対象物から受ける外力を正確
に求めることが難しく、上に示したいくつかの手法によ
っても実際に重力や誤差成分を正確に求めかつ補償する
ことは困難であった。

例えば、上にあげた公報の例でいうならば、一般的に
力センサは、ストレインゲージを利用した構成になって
いるものが多く、力センサの出力値にはそのセンサの誤
差成分が含まれており、しかもその誤差成分は使用環境
温度やセンサ等の発熱により変動する。このようなこと
から、力の検出を行う際には、かかる使用環境温度等に
よる影響をも考慮し力センサ自体の出力誤差を補償して
やる必要がある。こうした力検出誤差を補償するため
に、予めハンド装置等の力センサに及ぼす重力の補償を
行う際に力検出誤差値を求め、以後この値を利用して重
力の補償を行うものであり、ここで求めた誤差成分値は
最初に行った条件下でのみ有効であり、力センサ自身か
らの発熱や使用環境温度の変化による影響については何
も考慮されていない。よって、使用条件を常に一定にし
ておかなければ正確な検出出力が得られないという問題
が発生するが、これは実際上不可能に近く、特に力セン
サは電源ON後の立ち上がり後、数分〜数十分は力センサ
の出力値に大きな変動が現れるため、この間待たなけれ
ばならず、ロボットの使用効率の上からも問題となって
くる。

また、他の特開昭62−114892号公報では、作業中に何
度か力センサの誤差を補正し直して作業を行う方法が示
されているが、この方式においては誤差補正の更新時に
ロボットを停止させて演算を行う必要があり、ロボット
の動特性等を考慮すると、この停止に幾分かの時間を割
かなければならずタクトタイム等の問題が生じる。

また、従来はこれらのキャリブレーションをプログラ
マブルにユーザーが行える機能を有していないため、作
業エリアが十分に取れない場所ではキャリブレーション
を行うことができなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされ
たもので、ロボット先端に力センサやツール等の物体を
取り付けた状態で、それらの質量、重心位置、誤差成分
を求めるためのキャリブレーションが行え、かつ使用環
境温度や力センサ自体の温度変化による力センサの出力
変化を考慮し、作業時ロボットを停止させずに力センサ
に加わっている重力成分及び力センサ誤差成分を補償す
ることができるロボットの力制御方法及び装置を提供す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るロボットの力制御方法は、ロボット本体
のアーム先端に力検出器を介してツールを取り付け、対
象物から受ける力を前記力検出器で検出することにより
力制御を行うロボットの力制御方法において、 前記力検出器に所定の姿勢を少なくとも２通り以上と
らせるように前記ロボット本体に指令を与えて動作さ
せ、この力検出器の姿勢を変化させたときの該力検出器
の出力値と、そのときの該力検出器の姿勢情報との関係
により、演算手段が前記力検出器の検出出力の重量成分
を決定する前記ツール等からなる負荷体の質量及び重心
位置を求め、並びに前記出力値に含まれている力検出器
自身の誤差成分値を仮想的に求める段階と、次に入力手
段により使用環境温度に基づく外部環境パラメータを入
力することにより、予め記憶手段に記憶されているセン
サ環境パラメータ表の中から、入力された前記外部環境
パラメータと電源投入時からの経過時間とに基づき前記
演算手段が該当するセンサ環境パラメータを選択し、こ
の選択されたセンサ環境パラメータを用いて前記誤差成
分値を補正するようにして、補正された誤差成分値を求
める段階と、実動作時に出力手段が前記負荷体の質量、
重心位置及び前記力検出器の姿勢情報の現在値より重力
成分値を求め、この重力成分値及び補正された前記誤差
成分値を前記力検出器の出力値より差し引くことによ
り、前記対象物より受けている実際の力を求め、この求
められた力に基づく信号を前記ロボット本体に出力する
段階とを有することを特徴とするものである。

また、本発明に係るロボットの力制御装置は、ロボッ
ト本体のアーム先端に力検出器を介してツールを取り付
け、対象物から受ける力を前記力検出器で検出すること
により力制御を行うロボットの力制御方法において、 使用環境温度に基づく外部環境パラメータと電源投入
時からの経過時間とから当該センサ環境パラメータが求
められるセンサ環境パラメータ表を記憶する記憶手段
と、 外部環境パラメータを入力する入力手段と、 ロボット本体に少なくとも２通り以上の姿勢をとらせ
たの姿勢をときの前記力検出器の出力値と姿勢情報に基
づき、前記力検出器の検出出力の重量成分を決定する前
記ツール等からなる負荷体の質量及び重心位置を算出す
るとともに前記力検出器自身の誤差成分値を仮想的に算
出し、並びに入力手段により外部環境パラメータを入力
することにより前記記憶手段に記憶されている前記セン
サ環境パラメータ表の中から該当するセンサ環境パラメ
ータを選択し、この選択されたセンサ環境パラメータを
用いて前記誤差成分値を補正する演算手段と、 実動作時に、前記質量、重心位置及び前記力検出器の
姿勢情報の現在値により重力成分値を算出し、この算出
された重力成分値と補正された前記誤差成分値とを前記
力検出器の出力値から差し引くことにより対象物より受
けている実際の力を算出し、この算出された力に基づく
信号をロボット本体に出力する出力手段と、 を備えたことを特徴とするものである。

［作用］ 本発明におけるロボットの力制御方法並びにロボット
の力制御装置は、ロボットアームの先端に取り付けられ
た力検出器を介して、例えばワークを保持しているツー
ルが支持された状態で、力検出器の検出出力の重力成分
を決定する負荷体の質量、重心位置及び力検出器自身の
誤差成分を求めるためのキャリブレーションをプログラ
ムにより行うことができ、かつその後の環境温度の変化
等による力検出器の出力変化を考慮し、実作業時に入力
手段から外部環境パラメータを入力することによりセン
サ環境パラメータ表を用いて、力検出器自身の誤差成分
を補正し、力検出器の姿勢及び負荷体の質量及び重心位
置により算出される重力成分の現在値及び補正された誤
差成分を力検出器の検出出力から差し引くことにより実
際に対象物から受けている力を求める。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図により説明する。

第１図は本発明のロボットの力制御方法に用いる制御
装置の概略構成図である。第１図において、第９図と同
一符号は同一または相当部分を示しており、24は環境の
違いによってセンサ誤差成分を補正するために使用され
るパラメータマトリックス（第３図参照）を予め記憶し
ておくための記憶手段で、例えば、内部記憶部である。
25はこの外部環境パラメータを入力するための入力手段
で、例えば、ティーチングペンダントである。

第１図に示すロボット10は、第９図と同様に、アーム
11の先端部に力センサ12を備え、その先にワーク30を保
持するためのハンド装置14を持っている。制御装置20の
演算手段、例えば、センサ・プロセッサ21は、力センサ
12からの検出信号を力・トルク値に変換し、所要の演算
を行い、後述する重力補償成分とセンサ誤差成分を算出
する機能を有する。また、メイン・プロセッサ22は、力
センサ12の検出値からセンサ・プロセッサ21で求められ
た重力補償成分とセンサ誤差成分を差し引き、対象物よ
り受ける実際の力をサーボ・プロセッサ23に出力し、ロ
ボット10全体を力制御する。なお、メイン・プロセッサ
22及びサーボ・プロセッサ23より出力手段が構成される
ものとする。

さらに詳述する。ロボット10は、力センサ12の先にハ
ンド装置14とワーク30を保持した状態に置かれ、その状
態で、力センサ12によってその力センサ12に加わってい
るセンサ出力値を観測し、センサ・プロセッサ21でその
力検出信号を処理し、そのときのロボット10の姿勢と、
ここで観測されたセンサ出力値との関係より、重力補償
を行うために、ハンド装置14,ワーク30並びに力センサ1
2自身の自重によって発生している重力成分を算出する
際に必要となる諸情報、つまり力センサの力検出出力の
重力成分を決定する負荷体の質量と重心位置、仮想セン
サ誤差成分を求め、内部記憶装置24に記憶されているセ
ンサ環境プロセッサとの演算により重力補償成分及びセ
ンサ誤差成分をセンサ・プロセッサ21で求める。

以上の動作を第２図〜第４図により説明する。

第２図は重力補償を行うに必要な重量及び重心位置を求
めるためのブロック図、第３図は力センサ12の環境によ
る出力値に含まれる誤差成分を補償するためのセンサ環
境パラメータ図、第４図は実動作において対象物から受
ける力を求める過程を示したブロック図である。

第２図において、ロボット10に任意の姿勢をとらせた
ときの、力センサ12で検出されたセンサ信号31を入力し
た後、そのセンサ信号の処理32を行い、力・トルク値に
変換した後のデータを記憶33する。次に、ロボット10に
幾通りかの、少なくとも２通り以上の姿勢をとらせ（第
６図）、そのときのこれらの各姿勢について力・トルク
データを同様に記憶33する。一方、ロボットの姿勢につ
いても同様にセンサ信号を入力したときの姿勢データ34
を各々記憶35する。そして、質量、重心位置算出のため
のデータが揃った後、センサ・プロセッサ21で質量、重
心位置算出のための演算36を施し、質量、重心位置及び
仮想センサ誤差成分値38を求めその結果を記憶37する。
そして、第４図に示すように、力制御実動作時に対象物
から受ける力39は、第３図に示すような電源ON時からの
経過時間とティーチングペンダント25より入力された外
部環境パラメータの関係より、選択されたセンサ環境パ
ラメータ40を利用して、上記センサ・プロセッサ21で質
量、重心位置算出のときに求めた仮想センサ誤差成分値
38との演算を施し、センサ誤差成分41を求め更新する。
そして、力制御実動作時にその記憶されたデータを使っ
て重力成分42を算出し、重力補償及びセンサ・データ補
償をメイン・プロセッサ22で行い力制御を行う。

次に、上記の質量及び重心位置の算出方法について述
べる。

第５図に示すように、力センサ12,ハンド装置14及び
ワーク30を含む負荷体、例えば、負荷Ｌの重心位置を原
点とし、慣性座標系Ｉとこれに平行な平行座標系Ｇを考
える。

重心に働く重力^GF_gは、負荷質量をＭとすると^G F_g＝（0,0,mg,0,0,0）^t と表せる。

力センサ12に固定された座標系をＳとし、原点が重心
に一致し、センサ座標系Ｓと平行な座標系をＧ′とす
る。

そのとき、慣性座標系で表したセンサ座標系の姿勢を とすると、座標系Ｇ′で表した重力^G′F_gは、 となる。

次に、センサ座標系Ｓで表した座標系Ｇ′の位置Ｐを とする。

座標系Ｓと座標系Ｇ′の姿勢は一致しているので、座
標系Ｇ′から見たセンサ座標系^G′P_Sは、 となる。

座標系Ｓで表した重力^SF_gは、 となる。

そこで、上記のように表される力センサ12にある姿勢
をとらせ、そのときの各々のセンサデータを検出し、そ
の値を基にして連立方程式を解けば、質量及び重心位置
を求めることができる。

また、実際に力センサ12で検出される力・トルク値に
は、センサ誤差値を含んでいるので、この仮想センサ誤
差値ｅを、 とすると、検出される力^SF_GRは となる。

これより未知数e_fx′e_fy′e_fz′e_mx′e_my′e_mzを求め
れば、仮想センサ誤差値が求められる。

以下に、５ポイント姿勢を変化させ、そのときのデー
タを利用して質量、重心位置及び仮想センサ誤差値を求
める一例を示す。

慣性座標系とセンサ座標系が第６図（ａ）のように示
されるとき となる。

これを、センサ座標系でＸ軸回りにθ回転すると、 となる。（第６図（ｂ））。

さらに、ツール系のＺ軸回りに1/2π回転させると となる（第６図（ｃ））。

ツール系でＹ軸回りに1/2π回転させると となる（第６図（ｄ））。

Ｚ軸回りに−1/2π回転させると となる（第６図（ｅ））。

これより、まずmg,e_fx′e_fy′e_fzを求めると、 となり、 をＦとおくとき を解くことで求められる。

このとき、［▲K^T ₁▼K₁］^−１▲K^T ₁▼は疑似逆行列とす
る。

次に、l_x，l_y，l_z，e_mx′e_my′e_mzを求めると、 となり、 をK₂とおき、 をＭとおくとき、 前記同様に疑似逆行列を用いて、 を解くことで求められる。

以上によって、負荷Ｌの質量、すなわち、力センサ12
の検出出力における重力成分の要因となる力センサ12自
身の質量とツールの質量とからなる質量を算出するとと
もに、その重心位置を算出することができる。なお、こ
の場合のツールはハンド装置14及びワーク30からなるも
のとする。また、その算出におけるフローチャートを第
７図に示す。

また、プログラム可能なキャリブレーションの実現手
段として、第８図にその一例としての実現方法であると
ころのロボット言語用プログラム例を示す。

次に、実動作において、対象物から受ける力を求める
方法について述べる。

センサ電源ON時からの経過時間と、ティーチングペン
ダントより入力された値より、内部記憶部に記憶されて
いるセンサ環境パラメータ（第３図）から環境パラメー
タを選択し、前記求めた仮想センサ誤差値との関係より
センサ誤差成分を求める。

このとき、仮想センサ誤差値を Ｅ＝（e_fx′e_fy′e_fz′e_mx′e_my′e_mz）^t センサ誤差値を Ｅ′＝（ｅ′_fx′ｅ′_fy′ｅ′_fz′ｅ′_mx′ｅ′_my′
ｅ′_mz′）^t 環境パラメータをαと置くとき センサ誤差値は、 Ｅ′＝Ｅ×α で示される。

以上より、実際に作業を行うときは、 実際に検出された力・トルク値を Ｆ＝（fx,fy,fz,mx,my,mz）^t 力センサ12がハンド装置等の重力成分によって受けてい
る力・トルク値を Ｆ′＝（fx′,fy′,fz′,mx′,my′,mz′）^t このとき、Ｆ′は上記で求めた質量、重心位置及びセン
サの姿勢情報により算出することができ、実際には対象
物から受けている力及びトルクＦ″は、 Ｆ″＝Ｆ−Ｆ′−Ｅ′ で求められることになる。

なお、本発明は、ロボットの制御の他に、力制御に係
る工作機械並びに専用機にも適用できるものである。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、ロボットアームの先端
に取り付けられた力検出器を介して、例えばワークを保
持しているツールが支持された状態で、力検出器の検出
出力の重力成分を決定する負荷体の質量、重心位置及び
力検出器自身の誤差成分を求めるためのキャリブレーシ
ョンをプログラムにより行うことができ、かつその後の
環境温度の変化等による力検出器の出力変化を考慮し、
実作業時に入力手段から外部環境パラメータを入力する
ことによりセンサ環境パラメータ表を用いて力検出器自
身の誤差成分を補正し、力検出器の姿勢及び負荷体の質
量及び重心位置により算出される動力成分の現在及び補
正された誤差成分を力検出器の検出出力から差し引くこ
とにより実際に対象物から受けている力を正確に求める
ことができるので、ロボット本体側としては従来装置の
ままであっても正確な力制御を行うことができる効果が
ある。また、作業時にロボットを停止させずにキャリブ
レーションができるので、キャリブレーションによるタ
クトタイムの増大化を防止できる効果がある。また、研
磨作業等においては、キャリブレーションのためのロボ
ットの停止による作業の不均一性の発生を防止できる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のロボットの力制御方法を実施する制御
装置の概略構成図、第２図は重力補償を行うのに必要な
質量及び重心位置を求めるためのブロック図、第３図は
力センサの環境による出力値に含まれる誤差成分を補償
するためのセンサ環境パラメータ図、第４図は実動作に
おいて対象物から受ける力を求める過程を示したブロッ
ク図、第５図はキャリブレーションを行う際の座標系を
表した説明図、第６図はキャリブレーションの実現方法
の説明図、第７図はキャリブレーションを行うためのフ
ローチャート、第８図はキャリブレーションをプログラ
マブルに実現するための一例であるロボット言語用プロ
グラミング例を示した図、第９図は従来のロボット制御
装置の概略構成図である。 10…ロボット 11…ロボットアーム 12…力センサ 14…ツール 20…ロボット制御装置 21…センサ・プロセッサ 22…メイン・プロセッサ 23…サーボ・プロセッサ 24…内部記憶部 30…ワーク 40…センサ環境パラメータ なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロボット本体のアーム先端に力検出器を介
   してツールを取り付け、対象物から受ける力を前記力検
   出器で検出することにより力制御を行うロボットの力制
   御方法において、 前記力検出器に所定の姿勢を少なくとも２通り以上とら
   せるように前記ロボット本体に指令を与えて動作させ、
   この力検出器の姿勢を変化させたときの該力検出器の出
   力値と、そのときの該力検出器の姿勢情報との関係よ
   り、演算手段が前記力検出器の検出出力の重量成分を決
   定する前記ツール等からなる負荷体の質量及び重心位置
   を求め、並びに前記出力値に含まれている力検出器自身
   の誤差成分値を仮想的に求める段階と、次に入力手段に
   より使用環境温度に基づく外部環境パラメータを入力す
   ることにより、予め記憶手段に記憶されているセンサ環
   境パラメータ表の中から、入力された前記外部環境パラ
   メータと電源投入時からの経過時間とに基づき前記演算
   手段が該当するセンサ環境パラメータを選択し、この選
   択されたセンサ環境パラメータを用いて前記誤差成分値
   を補正するようにして、補正された誤差成分値を求める
   段階と、実動作時に出力手段が前記負荷体の質量、重心
   位置及び前記力検出器の姿勢情報の現在値より重力成分
   値を求め、この重力成分値及び補正された前記誤差成分
   値を前記力検出器の出力値より差し引くことにより、前
   記対象物より受けている実際の力を求め、この求められ
   た力に基づく信号を前記ロボット本体に出力する段階と
   を有することを特徴とするロボットの力制御方法。
2. 【請求項２】ロボット本体のアーム先端に力検出器を介
   してツールを取り付け、対象物から受ける力を前記力検
   出器で検出することにより力制御を行うロボットの力制
   御装置において、 使用環境温度に基づく外部環境パラメータと電源投入時
   からの経過時間とから当該センサ環境パラメータが求め
   られるセンサ環境パラメータ表を記憶する記憶手段と、 外部環境パラメータを入力する入力手段と、 前記ロボット本体に少なくとも２通り以上の姿勢をとら
   せたときの前記力検出器の出力値と姿勢情報に基づき、
   前記力検出器の検出出力の重力成分を決定する前記ツー
   ル等からなる負荷体の質量及び重心位置を算出するとと
   もに前記力検出器自身の誤差成分値を仮想的に算出し、
   並びに前記入力手段により外部環境パラメータを入力す
   ることにより前記記憶手段に記憶されている前記センサ
   環境パラメータ表の中から該当するセンサ環境パラメー
   タを選択し、この選択されたセンサ環境パラメータを用
   いて前記誤差成分値を補正する演算手段と、 実動作時に、前記質量、重心位置及び前記力検出器の姿
   勢情報の現在値により重力成分値を算出し、この算出さ
   れた重力成分値と補正された前記誤差成分値とを前記力
   検出器の出力値から差し引くことにより前記対象物より
   受けている実際の力を算出し、この算出された力に基づ
   く信号を前記ロボット本体に出力する出力手段と、 を備えたことを特徴とするロボットの力制御装置。