JP5962371B2

JP5962371B2 - ロボットシステム並びにセンサ検査装置及び方法

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Publication number: JP5962371B2
Application number: JP2012206517A
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Inventors: 浩一郎林
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Publication date: 2016-08-03
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Description

本発明は、ロボットシステム並びにセンサ検査装置及び方法に関し、特に力制御可能なロボット（以下、これを力制御ロボットと呼ぶ）を含むロボットシステムに適用して好適なものである。

力制御ロボットでは、ロボットアームの先端部に取り付けられた手先工具（工具又は計測用ピンなど）に作用する負荷を力覚センサにより検出し、この負荷が既定値となるようにロボットの位置及び姿勢を制御するようにして力制御を行っている。このため、力制御ロボットでは、力覚センサによる負荷の検出精度として高い検出精度が求められており、力覚センサが正しい力やトルクを検出しているかどうかを適宜検査する必要がある。

このような力制御ロボットにおける力覚センサの検査方法の１つとして、従来、力覚センサの現在の計測値を同一ロボットの同一姿勢における過去の計測値と比較し、力覚センサの現在の計測値と、力覚センサの過去の計測値との差分が予め定められた閾値を超えた場合にオペレータに校正を要求する方法が提案されている。

特開２０００−２２５５９２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された検査方法を、手先工具が交換自在な力制御ロボットに適用しようとすると、手先工具の種類ごとの重量が異なる場合に、手先工具ごとの力覚センサの過去の計測値を保存する必要があり、さらに手先工具を交換するごとに、交換後の手先工具の過去の計測値を読み出して判定を行う必要があるなど、検査作業が煩雑となる問題があった。

また、通常、力覚センサは温度変化等に伴って特性が変化し易い。このため、力制御ロボットに対して特許文献１に開示された検査方法を適用する場合、力覚センサの過去の計測値を適宜更新する必要がある。しかしながら、このような更新作業は煩雑であり、また緩やかな精度劣化を見落とす可能性が高いという問題もある。

さらに、特許文献１に開示された検査方法において、力覚センサの現在及び過去の計測値間の比較を行う際の閾値を、力覚センサの特性変化を許容する十分な余裕を含んだ値に設定すると、異常判定の精度が低くなるという問題もある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、精度良くかつ簡易に力覚センサの検査を行い得るロボットシステム並びにセンサ検査装置及び方法を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、ロボットシステムにおいて、ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットと、前記ロボットの動作を制御するロボット制御部とを設け、前記ロボット制御部が、前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、前記手先工具を前記押当て面に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分を取得し、取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定するようにした。

また本発明においては、ロボットシステムにおいて、ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットと、前記ロボットの動作を制御するロボット制御部とを設け、前記ロボット制御部が、前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に垂直に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、前記手先工具を前記押当て面に垂直に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とを取得し、取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定するようにした。

また本発明においては、ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットにおける前記力覚センサを検査するセンサ検査装置において、前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、前記手先工具を前記押当て面に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分を取得し、取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定するようにした。

さらに本発明においては、ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットにおける前記力覚センサを検査するセンサ検査装置において、前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に垂直に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、前記手先工具を前記押当て面に垂直に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とを取得し、取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定するようにした。

さらに本発明においては、ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットにおける前記力覚センサを検査するセンサ検査方法において、前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に押し当てるよう前記ロボットを動作させる第１のステップと、前記手先工具を前記押当て面に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分を取得する第２のステップと、取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する第３のステップとを設けるようにした。

さらに本発明においては、ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットにおける前記力覚センサを検査するセンサ検査方法において、前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に垂直に押し当てるよう前記ロボットを動作させる第１のステップと、前記手先工具を前記押当て面に垂直に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とを取得する第２のステップと、取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する第３のステップとを設けるようにした。

本発明によれば、力覚センサの検査のために、力覚センサの過去の計測値を記憶しておく必要も、また当該計測値を適宜更新する必要もなく、さらに緩やかな精度劣化を見落とすこともない。よって精度良くかつ簡易に力覚センサの検査を行うことができる。

実施の形態によるロボットシステムの全体構成を概念的に示す概念図である。図１のロボットシステムにおける各種座標系の説明に供する略線図である。第１のセンサ検査処理の処理手順を示すフローチャートである。第２のセンサ検査処理の処理手順を示すフローチャートである。第３のセンサ検査処理の処理手順を示すフローチャートである。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）第１の実施の形態
（１−１）本実施の形態によるロボットシステムの構成
図１において、１は全体として本実施の形態によるロボットシステムを示す。このロボットシステム１は、テーブル２に固定されたワーク（被加工物）３に対してバリ取りなどの所定の加工処理を施すロボット４と、当該ロボット４の動作を制御するロボット制御部５とから構成される。

ロボット４は、基台１０上に設置された多関節のロボットアーム１１を備え、当該ロボットアーム１１の先端にフランジ部１２を介して力覚センサ１３が固定されている。また力覚センサ１３には、スピンドルモータ１４を介して手先工具１５が交換自在に取り付けられており、これにより手先工具１５がワーク３に接触したときに手先工具１５がワーク３から受ける負荷の大きさを力覚センサ１３によって計測し得るようになされている。

ロボット制御部５は、制御装置６及びコントローラ７から構成される。制御装置６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０及びメモリ２１等の情報処理資源を備えるコンピュータ装置であり、例えばパーソナルコンピュータから構成される。制御装置６は、図示しないＣＡＤ（computer aided design）システムから与えられたＣＡＤデータと、力覚センサ１３から与えられる計測値と、コントローラ７から与えられるロボット４の位置及び姿勢を表す位置及び姿勢データとに基づいて手先工具１５を移動させるべき軌道を計算し、かかる計算により得られた軌道データをコントローラ７に通知する。

コントローラ７は、制御装置６と同様に、ＣＰＵ２２及びメモリ２３等の情報処理資源を備えるコンピュータ装置であり、例えばパーソナルコンピュータから構成される。コントローラ７は、制御装置６から与えられる軌道データと、ロボット４内の図示しない各センサから取得した上述の位置及び姿勢データとに基づいて、手先工具１５が制御装置６により算出された軌道上を移動するようにロボット４の位置及び姿勢を制御する。

（１−２）本実施の形態による力覚センサ検査方式
次に、かかるロボットシステム１において定期的（例えば１日に１回）に実行される力覚センサ１３の検査処理（以下、これを力覚センサ検査処理と呼ぶ）について説明する。

上述したロボットシステム１において、ロボット４が手先工具１５をテーブル２の上面等の所定の押当て面に垂直に押し当てる動作を行った場合、手先工具１５が押当て面から受ける反力は、押当て面に対する手先工具１５の押当て方向（押当て面と垂直な方向）と反対方向の力のみであるため、力覚センサ１３が正常に機能しているときには、力覚センサ１３によって手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分がほとんど計測されない（理想的には０）。

一方、力覚センサ１３に異常が発生しているときには、ロボット４が手先工具１５を所定の押当て面に垂直に押し当てる動作を行った場合、力覚センサ１３によって手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分が計測される。これは力覚センサ１３内の不具合が生じたセンサ素子から誤った電圧レベルの信号が出力され、この信号に基づいて任意の座標系における各方向成分を算出する際に、誤差成分が各方向に分散されるため、本来生じるはずのない押当て方向と垂直な方向の力成分を検出したかのような算出結果となることに起因する。このとき押当て方向の力成分にも誤差成分が混入しているが、別の手段により真の押当て力を計測できなければ、押当て方向の力成分における誤差成分の有無は判別することができない。

そこで、本実施の形態によるロボットシステム１では、ロボット４のロボットアーム１１の先端に取り付けられた手先工具１５を、傾き角が既知の押当て面（以下、テーブル２の上面とし、これをテーブル面と呼ぶ）に垂直に押し当て、このとき力覚センサ１３により検出される、手先工具１５がテーブル面から受ける当該手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさに基づいて、力覚センサ１３に異常が発生しているか否かの判定を行う。

具体的に、本実施の形態によるロボットシステム１では、まず、ロボット４の手先工具１５をテーブル面に接触させない程度に近付けた状態で、当該手先工具１５をテーブル面に押し当てる姿勢をロボット４にとらせる。そしてこの状態における力覚センサ１３の計測値を取得し、記憶しておく。

このときの力覚センサ１３の計測値^ＳＦ_０は、力覚センサ１３が６軸力覚センサであるものとして、次式のように表すことができる。

なお（１）式において、Ｆ_ｘ０、Ｆ_ｙ０及びＦ_ｚ０は、力覚センサ１３により計測されたセンサ座標系Σ_Ｓ（図２参照）のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の力をそれぞれ表し、Ｔ_ｘ０、Ｔ_ｙ０及びＴ_ｚ０は、センサ座標系Σ_ＳにおけるＸ軸回りのトルク、Ｙ軸回りのトルク及びＺ軸回りのトルクをそれぞれ表す。

また（１）式において、左上の添え字はその座標系を表す。例えば、図２に示すように、「Ｅ」はフランジ部１２に固定された座標系（以下、これをフランジ座標系と呼ぶ）Σ_Ｅを表し、「Ｓ」は力覚センサ１３に固定された座標系（以下、これをセンサ座標系と呼ぶ）Σ_Ｓを表す。また「ＴＣＰ」は手先工具１５の先端近傍に設定されたツール・センタ・ポイント（Tool Center Point）を原点とする座標系（以下、これをＴＣＰ座標系と呼ぶ）Σ_ＴＣＰを表す。さらに「ＴＢＬ」はテーブル面に固定された座標系（以下、これをテーブル座標系と呼ぶ）Σ_ＴＢＬを表し、「Ｒ」はロボット４の基台１０（図１）に固定された座標系（以下、これをロボット座標系と呼ぶ）Σ_Ｒを表す。

従って、（１）式の「^ＳＦ_０」は、センサ座標系Σ_Ｓでの計測値であることを意味する。因みに、力覚センサ１３内の各センサ素子が歪ゲージである場合、個々の歪ゲージの出力電圧の変化にその歪ゲージ固有のパラメータ行列を乗算することにより力覚センサ１３の計測値^ＳＦ_０を得ることができる。

続いて、手先工具１５の先端をテーブル面に垂直に押し当てるようロボット４を動作させる。この結果、ロボット４はテーブル面から当該テーブル面に対して垂直な方向の反力を受ける。この際、かかる反力が予め定めた目標値になるように制御しても良いが、ここではとにかくロボット４の手先工具１５の先端をテーブル面に垂直に押し当てていれば良い。

次いで、ロボット４の手先工具１５の先端をテーブル面に垂直に押し当てている状態（手先工具１５がテーブル面から反力を受けている状態）で、再度、次式で表される力覚センサ１３の計測値^ＳＦ_１を取得する。

この計測値^ＳＦ_１には、テーブル面からの反力だけでなく、手先工具１５の重量成分も含まれている。そこで、次式のように、（２）式で表される計測値^ＳＦ_１から、（１）式で表される計測値^ＳＦ_０を引くことにより、手先工具１５がテーブル面から受ける反力^ＳＦのみを算出する。この際、力覚センサ１３のゼロ点誤差も除去されることになる。

次いで、（３）式で表されるセンサ座標系Σ_Ｓでの反力（力及びトルク）^ＳＦを、次式
で表されるテーブル座標系Σ_ＴＢＬの力及びトルク^ＴＢＬＦに変換する。このような変換は、次式
により行うことができる。

なお（４）式において、Ｆ_ｘ，Ｆ_ｙ及びＦ_ｚはそれぞれテーブル座標系Σ_ＴＢＬのＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の力を表し、Ｔ_ｘ，Ｔ_ｙ及びＴ_ｚはテーブル座標系Σ_ＴＢＬにおけるそれぞれＸ軸回り、Ｙ軸回り及びＺ軸回りのトルクを表す。また（５）式において、^ＴＢＬＲ_Ｓはテーブル座標系Σ_ＴＢＬを基準としたセンサ座標系Σ_Ｓの回転行列を表し、^ＴＢＬｒ_Ｓはテーブル座標系Σ_ＴＢＬを基準としたセンサ座標系Σ_Ｓの並進ベクトルを表す。

ここで、センサ座標系Σ_Ｓとテーブル座標系Σ_ＴＢＬとの相対位置関係は、実際は多くのデータを経由する。例えば図２について上述したテーブル座標系Σ_ＴＢＬは、ロボット座標系Σ_Ｒを基準とした位置及び姿勢で表現されている。またＴＣＰ座標系Σ_ＴＣＰは、ロボット４のフランジ座標系Σ_Ｅを基準とした位置及び姿勢で表現されている。センサ座標系Σ_Ｓも同様に、ロボット４のフランジ座標系Σ_Ｅを基準とした位置及び姿勢で表現されている。さらにフランジ座標系Σ_Ｅは、ロボット座標系Σ_Ｒを基準とした位置及び姿勢データとして取得することができる。

この場合において、ロボット座標系Σ_Ｒからテーブル座標系Σ_ＴＢＬへの同次変換行列^ＲＴ_ＴＢＬ、フランジ座標系Σ_ＥからＴＣＰ座標系Σ_ＴＣＰへの同次変換行列^ＥＴ_ＴＣＰ、フランジ座標系Σ_Ｅからセンサ座標系Σ_Ｓへの同次変換行列^ＥＴ_Ｓ及びロボット座標系Σ_Ｒからフランジ座標系^ＲＴ_Ｅへの同次変換行列^ＲＴ_Ｅはいずれも既知である。

またセンサ座標系Σ_Ｓからテーブル座標系Σ_ＴＢＬへの同次変換行列^ＴＢＬＴ_Ｓは、次式
で与えられ、この同次変換行列^ＴＢＬＴ_Ｓは次式を満たす。

よって、既知の同次変換行列^ＲＴ_ＴＢＬ、^ＲＴ_Ｅ及び^ＥＴ_Ｓを利用して（７）式により同次変換行列^ＴＢＬＴ_Ｓを算出し、算出結果と（６）式とを比較することにより（５）式の回転行列^ＴＢＬＲ_Ｓ及び並進ベクトル^ＴＢＬｒ_Ｓを得ることができる。

また[ｒ_Ｑ×]は、次式
で表されるベクトルの外積行列を表す。この外積行列は、次式のように表される。

以上により（５）式の右辺の変換行列を得ることができ、この変換行列を用いて（５）式の演算を実行することにより、センサ座標系Σ_Ｓでの力及びトルク^ＳＦを、テーブル座標系Σ_ＴＢＬの力及びトルク^ＴＢＬＦに変換することが可能となる。

続いて、以上のようにして算出したテーブル座標系Σ_ＴＢＬの力及びトルク^ＴＢＬＦに基づいて、力覚センサ１３の状態を判定する。

例えば、テーブル座標系Σ_ＴＢＬのＺ軸がテーブル面に垂直な方向に設定されている場合、（４）式で表されるテーブル座標系基準での力及びトルク^ＴＢＬＦにおいて、Ｚ軸方向の力成分Ｆ_ｚ以外の成分（Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚ，Ｔ_ｘ，Ｔ_ｙ，Ｔ_ｚ）は、上述のように理想的に「０」となる。

そこで、かかるＺ軸方向の力成分Ｆ_ｚ以外の成分のうち、Ｘ軸方向の力成分Ｆ_ｘ及びＹ軸方向の力成分Ｆ_ｙを利用して、これら力成分Ｆ_ｘ及びＦ_ｙが予め設定された第１の閾値（以下、これを第１の異常判定閾値と呼ぶ）よりも小さいか否かに基づいて、力覚センサ１３に異常が発生しているか否かを判定する。この際、力成分Ｆ_ｘ及びＦ_ｙに加えて、Ｘ軸回りのトルク成分Ｔ_ｘ、Ｙ軸回りのトルク成分Ｔ_ｙ及びＺ軸回りのトルク成分Ｔ_ｚを力覚センサ１３の異常判定に利用するようにしても良い。具体的には、トルク成分Ｔ_ｘ、Ｔ_ｙ及びＴ_ｚがそれぞれそのトルク成分Ｔ_ｘ、Ｔ_ｙ及びＴ_ｚについて予め定めた第１の異常判定閾値よりも小さいか否かを判定し、判定結果を力覚センサ１３に異常が発生しているか否かの判定に利用すれば良い。

以上のような方法により力覚センサ１３に異常が発生しているか否かを判定することができるが、１つの姿勢での検査だけでは、手先工具１５のテーブル面への押当て方向が障害が発生した歪ゲージの検出結果が影響しない方向であったときに、力覚センサ１３の異常を見落とすことになる。

そこで、本実施の形態による力覚センサ検査方式では、上述のような判定をロボット４の位置及び姿勢を変えながら複数回行い、その結果に基づいて総合的に力覚センサ１３に異常が発生しているか否かを判断する。

（１−３）第１の力覚センサ検査処理
ここで、上述のような力覚センサ検査処理（以下、これを第１の力覚センサ検査処理と呼ぶ）は、制御装置６のメモリ２１に格納されている図示しない制御プログラムに基づき、図３に示す処理手順に従って、当該制御装置６のＣＰＵ２０の制御のもとに定期的に行われる。

実際上、制御装置６のＣＰＵ２０は、第１の力覚センサ検査処理を開始すると、まず、手先工具１５をテーブル面に接触させない程度に近付けさせ、かつ、当該手先工具１５をテーブル面に押し当てる姿勢をとるようにロボット４を動作させる（ＳＰ１）。この後、ＣＰＵ２０は、（１）式について上述したこの姿勢における力覚センサ１３の計測値^ＳＦ_０を取得し、取得した計測値^ＳＦ_０をメモリ２１に格納する（ＳＰ２）。

続いて、ＣＰＵ２０は、手先工具１５をテーブル２の上面（テーブル面）の所定位置に垂直に押し当てる動作をロボット４に開始させ（ＳＰ３）、この後、力覚センサ１３の出力信号に基づいて、ロボット４の手先工具１５がテーブル面に接触するのを待ち受ける（ＳＰ４：ＮＯ）。

ＣＰＵ２０は、やがて力覚センサ１３の出力信号に基づいてロボット４の手先工具１５がテーブル面に接触したのを確認すると（ＳＰ４：ＹＥＳ）、（２）式について上述したそのときの力覚センサ１３の計測値^ＳＦ_１を取得する（ＳＰ５）。

そしてＣＰＵ２０は、ステップＳＰ５において取得した計測値^ＳＦ_１と、ステップＳＰ２において取得した計測値^ＳＦ_０との差分をとることにより、（３）式について上述したこのときロボット４の手先工具１５がテーブル面から受ける反力^ＳＦを算出し（ＳＰ６）、この後、このようにして得られたセンサ座標系での反力^ＳＦを、（４）式について上述したテーブル座標系Σ_ＴＢＬの力及びトルク^ＴＢＬＦに変換する（ＳＰ７）。

続いて、ＣＰＵ２０は、ステップＳＰ７において得られたテーブル座標系Σ_ＴＢＬの力及びトルク^ＴＢＬＦのうち、テーブル面と垂直な方向以外の力成分が、いずれもその力成分について予め設定されている第１の異常判定閾値よりも小さいか否かを判断する（ＳＰ８）。

ここで、この判断で否定結果を得ることは、力覚センサ１３に異常が発生している可能性があることを意味する。かくして、このときＣＰＵ２０は、力覚センサ１３のチェック又は交換を促す警告画面を例えば制御装置６に表示させ、又は、オペレータに力覚センサ１３をチェック若しくは交換すべき旨のメールを送信するなどの処理を実行した後（ＳＰ９）、この力覚センサ検査処理を終了する。

これに対してステップＳＰ８の判断で肯定結果を得ることは、そのときのロボット４の姿勢において実行した検査では力覚センサ１３に異常が発見されなかったことを意味する。かくして、このときＣＰＵ２０は、検査対象の姿勢として次に設定されている姿勢があるか否かを判断する（ＳＰ１０）。そしてＣＰＵ２０は、この判断で肯定結果を得ると、ステップＳＰ１に戻り、この後、次の姿勢についてステップＳＰ１〜ステップＳＰ９の処理を同様に繰り返す。

そしてＣＰＵ２０は、やがて予め定められたすべての姿勢についてステップＳＰ１〜ステップＳＰ９の処理を実行することによりステップＳＰ１０で肯定結果を得ると、必要に応じて力覚センサ１３に異常が発生していない旨を制御装置６に表示させ又はその旨のメールをオペレータに送信した後、この第１の力覚センサ検査処理を終了する。

（１−４）本実施の形態の効果
以上のように本実施の形態によるロボットシステム１では、ロボット４の手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当て、このとき力覚センサ１３により検出される手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分に基づいて力覚センサ１３の異常の有無を判定するようにしているため、力覚センサ１３の過去の計測値を記憶しておく必要も、また当該計測値を適宜更新する必要もない。また本ロボットシステム１では、力覚センサ１３の異常判定を手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分が第１の異常判定閾値よりも小さいか否か（手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分が第１の異常判定閾値以上か否か）に基づいて行うため、緩やかな精度劣化を見落とすこともなく、さらに当該第１の異常判定閾値を力覚センサ１３の特性変化を許容する十分な余裕を含んだ値に設定する必要もない。よって本ロボットシステム１によれば、精度良くかつ簡易に力覚センサ１３の検査を行うことができる。

また本実施の形態によるロボットシステム１では、上述のような力覚センサ１３の検査を複数の位置及び姿勢で行うため、力覚センサ１３の計測精度の劣化が一方向にのみ生じた場合においても、力覚センサ１３の異常を確実に検出することができる。

（２）第２の実施の形態
上述のようにロボット４の手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当てる際に何らの力制御をすることなく、単に力覚センサ１３により検出された手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分が所定の閾値よりも小さいか否かだけで力覚センサ１３の異常の有無を判定しようとすると、精度良く力覚センサ１３の異常を検出し得ないおそれがある。

これは、ロボット４の手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当てる際の押当て力が弱いと、力覚センサ１３によって検出される手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分も小さくなるため、力覚センサ１３に異常が生じていたとしても、（４）式で表されるＺ軸方向の力成分Ｆ_ｚ以外の成分（Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚ，Ｔ_ｘ，Ｔ_ｙ，Ｔ_ｚ）が上述の第１の異常判定閾値よりも小さくなることがあるからである。

この場合において、ロボット４の手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当てたときに力覚センサ１３によって検出される手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさは、そのとき力覚センサ１３により検出される手先工具１５の押当て方向の力成分（すなわちテーブル面と垂直な方向の力成分）の大きさに比例する。

そこで、本実施の形態によるロボットシステム３０（図１）では、ロボット４の手先工具１５を既定の押当て力（圧力）で垂直にテーブル面に押し当てるように当該ロボット４の力制御を行い、このとき力覚センサ１３により検出される手先工具１５がテーブル面から受ける当該手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさに基づいて、力覚センサ１３に異常が発生しているか否かを判定する。

具体的に、ロボットシステム３０では、ロボット４の手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当てる際、（４）式で表されるテーブル座標系Σ_ＴＢＬの力及びトルク^ＴＢＬＦのうち、テーブル面と垂直な方向の力成分（Ｆ_ｚ）の大きさが予め設定された目標値となるようにロボット４の力制御を行う。そして、このときのテーブル座標系Σ_ＴＢＬにおける手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分（Ｆ_ｘ，Ｆ_ｙ）が、予め設定された閾値（以下、これを第３の異常判定閾値と呼ぶ）よりも小さいか否かに基づいて、力覚センサ１３に異常が発生しているか否かを判定する。

図４は、本実施の形態によるロボットシステム３０において、図３について上述した第１の力覚センサ検査処理に代えて、制御装置３１（図１）のメモリ２１に格納された図示しない制御プログラムに基づき、当該制御装置３１のＣＰＵ２０によって定期的に実行される第２の力覚センサ検査処理の具体的な処理手順を示す。

実際上、制御装置３１のＣＰＵ２０は、本実施の形態による第２の力覚センサ検査処理を開始すると、ステップＳＰ２０〜ステップＳＰ２６を第１の力覚センサ検査処理（図３）のステップＳＰ１〜ステップＳＰ７と同様に処理し、この後、ステップＳＰ２６において得られたテーブル座標系Σ_ＴＢＬの力及びトルク^ＴＢＬＦのうち、Ｚ軸方向の力成分Ｆ_ｚ（（４）式参照）が予め設定された目標値となったか否かを判定する（ＳＰ２７）。

ＣＰＵ２０は、この判定で否定結果を得ると、ステップＳＰ２４に戻り、この後ロボット４がより強い押当て力で手先工具１５をテーブル面に押し当てるようにロボット４を制御しながら、ステップＳＰ２４〜ステップＳＰ２７を同様に繰り返す。

そしてＣＰＵ２０は、やがてかかるＺ軸方向の力成分Ｆ_ｚが目標値に到達することによりステップＳＰ２７において肯定結果を得ると、この後、ステップＳＰ２８〜ステップＳＰ３０を、図３について上述した第１の力覚センサ検査処理のステップＳＰ８〜ステップＳＰ１０と同様に処理し、この後、この第２の力覚センサ検査処理を終了する。

以上のように本実施の形態によるロボットシステム３０では、ロボット４の手先工具１５を既定の押当て力で垂直にテーブル面に押し当てるように当該ロボット４の力制御を行い、このとき力覚センサ１３により検出される手先工具１５がテーブル面から受ける当該手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさに基づいて、力覚センサ１３に異常が発生しているか否かの判定を行うようにしているため、第１の実施の形態のロボットシステム１と比べてかかる判定をより精度良く行うことができる。

（３）第３の実施の形態
上述のように、力覚センサ１３に異常が生じている場合、ロボット４の手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当てたときに力覚センサ１３によって検出される手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさは、そのとき力覚センサ１３により検出される手先工具１５の押当て方向の力成分（テーブル面からの反力）に比例する。

従って、力覚センサ１３により検出される手先工具１５の押当て方向の力成分と、そのとき力覚センサ１３によって検出される手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分との比は、力覚センサ１３の状態に応じて、ロボット４の手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当てる際の押当て力（圧力）に関わりなく一定となる。またこの比の値は、力覚センサ１３によって検出される手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分が大きいほど（つまり力覚センサ１３の状態が悪いほど）大きくなる。

そこで本実施の形態によるロボットシステム４０（図１）では、ロボット４の手先工具１５を垂直にテーブル面に押し当てるように当該ロボット４を動作させ、このとき力覚センサ１３により検出される手先工具１５がテーブル面から受ける当該手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分との比の値に基づいて、力覚センサ１３に異常が発生しているか否かを判定する。

具体的に、ロボットシステム４０では、（４）式で表されるテーブル座標系Σ_ＴＢＬの力及びトルク^ＴＢＬＦのうち、手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分（Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ）と、当該押当て方向の力成分（Ｆ_ｚ）との比の値が予め設定された第２の閾値（以下、これを第２の異常判定閾値と呼ぶ）よりも小さいか否かに基づいて、力覚センサ１３に異常が発生しているか否かを判定する。

図５は、本実施の形態によるロボットシステム４０において、図３について上述した第１の力覚センサ検査処理に代えて、制御装置４１（図１）のメモリ２１に格納された図示しない制御プログラムに基づき、当該制御装置４１のＣＰＵ２０によって定期的に実行される第３の力覚センサ検査処理の具体的な処理手順を示す。

実際上、制御装置４１のＣＰＵ２０は、本実施の形態による第３の力覚センサ検査処理を開始すると、ステップＳＰ４０〜ステップＳＰ４６を第１の力覚センサ検査処理（図３）のステップＳＰ１〜ステップＳＰ７と同様に処理し、この後、スステップＳＰ４６において得られたテーブル座標系Σ_ＴＢＬの力及びトルク^ＴＢＬＦのうち、手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分（Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ）を当該押当て方向の力成分（Ｆ_ｚ）で割る（除算）ことにより、手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分（Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ）と、当該押当て方向の力成分（Ｆ_ｚ）との比の値を計算する。そしてＣＰＵ２０は、この計算により得られたかかる比の値が、いずれも手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分についてそれぞれ予め設定されている第２の異常判定閾値よりも小さいか否かを判断する（ＳＰ４７）。

ＣＰＵ２０は、この判断で否定結果を得ると第１の力覚センサ検査処理のステップＳＰ９と同様の異常検出処理を実行した後（ＳＰ４８）、この第３の力覚センサ検査処理を終了する。

これに対してＣＰＵ２０は、ステップＳＰ４７の判断で肯定結果を得ると、検査対象の姿勢として次に設定されている姿勢があるか否かを判断する（ＳＰ４９）。そしてＣＰＵ２０は、この判断で肯定結果を得ると、ステップＳＰ４０に戻り、この後、次の姿勢についてステップＳＰ４０〜ステップＳＰ４９の処理を同様に繰り返す。

そしてＣＰＵ２０は、やがて予め定められたすべての姿勢についてステップＳＰ４０〜ステップＳＰ４８の処理を実行することによりステップＳＰ４９で肯定結果を得ると、必要に応じて力覚センサ１３に異常が発生していない旨を制御装置４１に表示させ又はその旨のメールをオペレータに送信した後、この第３のセンサ検査処理を終了する。

以上のように本実施の形態によるロボットシステム４０では、ロボット４の手先工具１５を垂直にテーブル面に押し当てたときに力覚センサ１３により検出される手先工具１５がテーブル面から受ける当該手先工具１５の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分との比の値に基づいて、力覚センサ１３に異常が発生しているか否かを判定するため、ロボット４の手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当てる際の押当て力の強弱に関わりなく、力覚センサ１３の異常の有無を精度良く検出することができる。

（４）他の実施の形態
なお上述の第１〜第３の実施の形態においては、力覚センサ１３が６軸力覚センサである場合について述べたが、本発明はこれに限らず、力覚センサ１３が６軸力覚センサ以外の例えば３軸力覚センサである場合にも本発明によるセンサ検査方式を適用することができる。

また上述の第１〜第３の実施の形態においては、制御装置６，３１，４１及びコントローラ７を別装置として構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これら制御装置６，３１，４１及びコントローラ７を同一装置として構成するようにしても良い。

さらに上述の第１〜第３の実施の形態においては、ロボット４の手先工具１５を押し当てる押当て面をテーブル２の上面（テーブル面）とするようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、かかる押当て面をテーブル２の側面やワーク３の一面に設定するようにしても良い。このようにしても同様の効果を得ることができる。

さらに上述の第１〜第３の実施の形態においては、複数の位置及び姿勢で力覚センサ１３の検査を行うようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、ロボット４の位置及び姿勢を一定にして、手先工具１５を押し当てる方向を変える（個々の押当て方向からそれぞれ異なる押当て面に手先工具１５を垂直に押し当てる）ようにしても良い。

さらに上述の第１〜第３の実施の形態においては、ロボット４の力覚センサ１３を検査するセンサ検査装置を制御装置６，３１，４１の一部機能として構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、かかるセンサ検査装置としての機能を有する装置を制御装置６，３１，４１及びコントローラ７とは別個の装置として設けるようにしても良い。

さらに上述の第１〜第３の実施の形態においては、図３について上述した力覚センサ検査処理を定期的に実行するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば定期的な実行に代えて又は加えてオペレータからの指示に基づいてかかる力覚センサ検査処理を実行するようにしても良い。

さらに上述の第１〜第３の実施の形態においては、第１〜第３の力覚センサ検査処理時、ロボット４の手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当てるようにロボット４を制御するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、手先工具１５をテーブル面に対して垂直以外の方向に押し当てるように制御装置６，３１，４１のＣＰＵ２０がロボット４を制御するようにしても良い。手先工具１５をテーブル面に押し当てたときのテーブル面と手先工具１５との間の摩擦力が小さい場合（テーブル面及び手先工具１５の少なくとも一方の摩擦係数が小さい場合）には、このようにしても第１〜第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

さらに上述の第１〜第３の実施の形態においては、ロボット４の手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当てたときに当該手先工具１５がテーブル面から受ける当該手先工具のテーブル面の押付け方向と垂直な方向の力成分に基づいて力覚センサ１３の故障の有無を判定するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、手先工具１５をテーブル面に垂直に押し当てたときに当該手先工具１５がテーブル面から受ける当該手先工具のテーブル面の押付け方向と垂直な方向以外の方向の力成分に基づいて力覚センサ１３の故障の有無を判定するようにしても良い。

本発明は、力覚センサを利用した種々の構成のロボットに広く適用することができる。

１，３０，４０……ロボットシステム、２……テーブル、３……ワーク、４……ロボット、５……ロボット制御部、６，３１，４１……制御装置、７……コントローラ、１１……ロボットアーム、１３……力覚センサ、１５……手先工具。

Claims

ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットと、
前記ロボットの動作を制御するロボット制御部と
を備え、
前記ロボット制御部は、
前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、
前記手先工具を前記押当て面に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分を取得し、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分に基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とするロボットシステム。
前記ロボット制御部は、
前記手先工具を前記押当て面に垂直に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、
前記手先工具を前記押当て面に垂直に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分を取得し、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分に基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。
前記ロボット制御部は、
前記手先工具を既定の押当て力で前記押当て面に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、
前記手先工具を前記既定の押当て力で前記押当て面に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分を取得し、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分に基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロボットシステム。
前記ロボット制御部は、
前記押当て面に前記手先工具を押し当てる前の前記力覚センサの計測値でなる第１の計測値を取得し、
前記押当て面に前記手先工具を押し当てた後の前記力覚センサの計測値でなる第２の計測値を取得し、
前記第２の計測値と前記第１の計測値との差分に基づいて、前記押当て面に前記手先工具を押し当てたときに、前記手先工具が前記押当て面から受ける反力を取得し、
取得した反力を前記押当て面に固定された座標系の力に変換することにより、前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分を取得する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のロボットシステム。
前記ロボット制御部は、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分を予め定められた閾値と比較し、当該力成分が前記閾値以上の場合に、前記力覚センサに異常があると判定する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のロボットシステム。
前記ロボット制御部は、
異なる複数の姿勢で前記手先工具を同一又は異なる押当て面に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、
各前記姿勢ごとに、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分を取得し、取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のロボットシステム。
ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットと、
前記ロボットの動作を制御するロボット制御部と
を備え、
前記ロボット制御部は、
前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に垂直に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、
前記手先工具を前記押当て面に垂直に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とを取得し、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とするロボットシステム。
前記ロボット制御部は、
前記押当て面に前記手先工具を押し当てる前の前記力覚センサの計測値でなる第１の計測値を取得し、
前記押当て面に前記手先工具を押し当てた後の前記力覚センサの計測値でなる第２の計測値を取得し、
前記第２の計測値と前記第１の計測値との差分に基づいて、前記押当て面に前記手先工具を垂直に押し当てたときに、前記手先工具が前記押当て面から受ける反力を取得し、
取得した反力を前記押当て面に固定された座標系の力に変換することにより、前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とを取得する
ことを特徴とする請求項７に記載のロボットシステム。
前記ロボット制御部は、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分との比の値を予め定められた閾値と比較し、当該比の値が前記閾値以上の場合に、前記力覚センサに異常があると判定する
ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のロボットシステム。
前記ロボット制御部は、
異なる複数の姿勢で前記手先工具を同一又は異なる押当て面に垂直に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、
各前記姿勢ごとに、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とを取得し、取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分との比の値に基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか一項に記載のロボットシステム。
ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットにおける前記力覚センサを検査するセンサ検査装置において、
前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、
前記手先工具を前記押当て面に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分を取得し、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とするセンサ検査装置。
ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットにおける前記力覚センサを検査するセンサ検査装置において、
前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に垂直に押し当てるよう前記ロボットを動作させ、
前記手先工具を前記押当て面に垂直に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とを取得し、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とするセンサ検査装置。
ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットにおける前記力覚センサを検査するセンサ検査方法において、
前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に押し当てるよう前記ロボットを動作させる第１のステップと、
前記手先工具を前記押当て面に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分を取得する第２のステップと、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分の大きさに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する第３のステップと
を備えることを特徴とするセンサ検査方法。
前記第１のステップでは、
前記手先工具を前記押当て面に垂直に押し当てるよう前記ロボットを動作させる
ことを特徴とする請求項１３に記載のセンサ検査方法。
前記第１のステップでは、
前記押当て面に前記手先工具を押し当てる前の前記力覚センサの計測値でなる第１の計測値を取得し、
前記第２のステップでは、
前記押当て面に前記手先工具を押し当てた後の前記力覚センサの計測値でなる第２の計測値を取得し、
前記第２の計測値と前記第１の計測値との差分に基づいて、前記押当て面に前記手先工具を押し当てたときに、前記手先工具が前記押当て面から受ける反力を取得し、
取得した反力を前記押当て面に固定された座標系の力に変換することにより、前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分を取得する
ことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載のセンサ検査方法。
前記第３のステップでは、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分を予め定められた閾値と比較し、当該力成分が前記閾値以上の場合に、前記力覚センサに異常があると判定する
ことを特徴とする請求項１３乃至請求項１５のいずれか一項に記載のセンサ検査方法。
前記ロボットの姿勢を変えながら、各姿勢において、前記第１乃至第３のステップを繰り返す
ことを特徴とする請求項１３乃至請求項１６のいずれか一項に記載のセンサ検査方法。
ロボットアームの先端部に力覚センサを介して手先工具が取り付けられた力制御型のロボットにおける前記力覚センサを検査するセンサ検査方法において、
前記手先工具を所定の又は既定の押当て面に垂直に押し当てるよう前記ロボットを動作させる第１のステップと、
前記手先工具を前記押当て面に垂直に押し当てたときに前記力覚センサにより計測される、前記手先工具が前記押当て面から受ける前記手先工具の前記押当て面への押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とを取得する第２のステップと、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とに基づいて前記力覚センサの異常の有無を判定する第３のステップと
を備えることを特徴とするセンサ検査方法。
前記第１のステップでは、
前記押当て面に前記手先工具を押し当てる前の前記力覚センサの計測値でなる第１の計測値を取得し、
前記第２のステップでは、
前記押当て面に前記手先工具を押し当てた後の前記力覚センサの計測値でなる第２の計測値を取得し、
前記第２の計測値と前記第１の計測値との差分に基づいて、前記押当て面に前記手先工具を垂直に押し当てたときに、前記手先工具が前記押当て面から受ける反力を取得し、
取得した反力を前記押当て面に固定された座標系の力に変換することにより、前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分とを取得する
ことを特徴とする請求項１８に記載のセンサ検査方法。
前記第３のステップでは、
取得した前記手先工具の押当て方向と垂直な方向の力成分と、当該押当て方向の力成分との比の値を予め定められた閾値と比較し、当該比の値が前記閾値以上の場合に、前記力覚センサに異常があると判定する
ことを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載のセンサ検査方法。