JP7171102B1 - Method of using force sensor, program for using force sensor and force sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】零点温度特性の校正を行わずとも、ロボットに取り付けられた力覚センサを適切に使用可能とする。【解決手段】実施形態に係る力覚センサの使用方法は、ロボット1に設けられる力覚センサ5の使用方法であって、ロボット1は、ロボットアーム3を含むロボット本体2と、ロボット1のワークWに対する作業を行うエンドエフェクタ4と、少なくとも軸方向に作用した力を検出する力覚センサ5と、ロボットアーム3を制御するコントローラ10と、を備え、コントローラ10は、ワークWの作業位置にわずかな力が作用したときの力覚センサ5のセンサ出力を作業位置に対応付けた零点出力データベース121から、これから作業しようとする作業位置における零点出力を取得し、取得した零点出力とワークWに加えようとする力とに基づいて力覚センサ5のセンサ出力の目標値を算出し、算出された目標値に基づいてロボットアーム3を制御する。【選択図】図1Kind Code: A1 A force sensor attached to a robot can be appropriately used without calibrating zero-point temperature characteristics. A method of using a force sensor according to an embodiment is a method of using a force sensor 5 provided in a robot 1. The robot 1 includes a robot main body 2 including a robot arm 3 and a work piece of the robot 1. An end effector 4 that performs work on W, a force sensor 5 that detects at least the force acting in the axial direction, and a controller 10 that controls the robot arm 3. From the zero-point output database 121 that associates the sensor output of the force sensor 5 with the work position when a force is applied, the zero-point output at the work position to be worked from now is acquired, and the acquired zero-point output and the work W are added. A target value of the sensor output of the force sensor 5 is calculated based on the applied force, and the robot arm 3 is controlled based on the calculated target value. [Selection drawing] Fig. 1
Description
本発明は、力覚センサの使用方法、力覚センサ使用プログラムおよび力覚センサに関し、より詳しくは、ロボットに取り付けられ、少なくとも軸方向に作用した力を検出する力覚センサを使用するための方法、当該方法をコンピュータに実行させるプログラム、および当該力覚センサに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for using a force sensor, a program for using a force sensor, and a force sensor, and more particularly, to a method for using a force sensor that is attached to a robot and detects a force acting at least in the axial direction. , a program for causing a computer to execute the method, and the force sensor.
従来、所定の軸方向に作用した力(以下、単に「力」ともいう。)および所定の軸周りに作用したモーメント(トルク)を電気信号として出力する力覚センサが知られている(例えば、特許文献1参照)。力覚センサに力またはモーメントが加えられると、力覚センサの起歪体が弾性変形して歪みが生じ、変位する。その変位の大きさを、電気信号として検出することにより、加えられた力またはモーメントの大きさが計測される。 2. Description of the Related Art Conventionally, a force sensor that outputs a force acting in a predetermined axial direction (hereinafter also simply referred to as "force") and a moment (torque) acting around a predetermined axis as electrical signals is known (for example, See Patent Document 1). When a force or moment is applied to the force sensor, the strain-generating body of the force sensor elastically deforms, causing strain and displacement. By detecting the magnitude of the displacement as an electrical signal, the magnitude of the applied force or moment is measured.
このような力覚センサは、産業用ロボットを初めとして、協働ロボット、生活支援ロボット、医療用ロボットおよびサービスロボット等、各種ロボットの制御に幅広く利用されている。 Such force sensors are widely used for controlling various robots such as industrial robots, collaborative robots, life support robots, medical robots, and service robots.
ところで、力覚センサは、製品として出荷される際に、感度、零点出力、他軸感度、感度温度特性および零点温度特性(零点出力の温度特性)の校正が必要とされる。力覚センサの零点出力は、力覚センサに何も負荷を与えない状態における出力をいい、零点温度特性は零点出力の温度変動をいう。 By the way, when a force sensor is shipped as a product, it is necessary to calibrate its sensitivity, zero-point output, multi-axis sensitivity, sensitivity temperature characteristic, and zero-point temperature characteristic (temperature characteristic of zero-point output). The zero-point output of the force sensor is the output when no load is applied to the force sensor, and the zero-point temperature characteristic is the temperature variation of the zero-point output.
感度、零点出力および他軸感度は、室温等、所定の温度において行えばよいため、比較的簡単に校正できる。また、感度温度特性は、静電容量型および歪ゲージ型のいずれの力覚センサについても感度が温度によって変動しないため、実際上、校正が不要である。 Sensitivity, zero-point output, and other-axis sensitivity can be calibrated relatively easily because they can be performed at a predetermined temperature such as room temperature. Further, the sensitivity-temperature characteristics of both the capacitance type and the strain gauge type force sensors do not fluctuate with temperature, so calibration is practically unnecessary.
これに対して、零点温度特性は零点出力の温度変動を無視できないことから、その校正は、力覚センサを恒温槽に入れ、所定の温度範囲(たとえば-10~60℃)における複数の温度について零点出力を測定し、各温度の零点出力が一定になるように補正係数を求めることによって行われる。さらに、校正後に再度、温度を変えながら零点出力を測定し、零点出力が温度に対して一定になっていることを確認する。このとき、もし零点温度特性が仕様の範囲に入っていなければ、補正係数を再度求めなければならない。 On the other hand, since the zero-point temperature characteristic cannot ignore the temperature fluctuation of the zero-point output, the calibration is performed by placing the force sensor in a constant temperature bath and This is done by measuring the zero point output and finding a correction factor so that the zero point output at each temperature is constant. Furthermore, after calibration, measure the zero-point output again while changing the temperature to confirm that the zero-point output is constant with respect to temperature. At this time, if the zero point temperature characteristic is not within the specified range, the correction coefficient must be obtained again.
上記のように、零点温度特性を校正するには、恒温槽などの設備が必要になる上、補正係数を求めるのに長い時間を要することから、力覚センサのコストが増加する要因の一つとなっている。 As mentioned above, calibrating the zero-point temperature characteristic requires equipment such as a constant temperature bath, and it takes a long time to obtain the correction coefficient, which is one of the factors that increase the cost of the force sensor. It's becoming
そこで、本発明は、零点温度特性の校正を行わずとも、ロボットに取り付けられた力覚センサを適切に使用可能とする、力覚センサの使用方法、力覚センサ使用プログラムおよび力覚センサを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a method for using a force sensor, a program for using a force sensor, and a force sensor that enable the appropriate use of a force sensor attached to a robot without calibrating the zero-point temperature characteristics. intended to
本発明に係る力覚センサの使用方法は、
ロボットに設けられる力覚センサの使用方法であって、
前記ロボットは、
ロボットアームを含むロボット本体と、
前記ロボットアームの先端に設けられ、前記ロボットの対象物に対する作業を行うエンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタと前記ロボットアームの間に設けられ、少なくとも軸方向に作用した力を検出する力覚センサと、
前記力覚センサのセンサ出力に基づいて前記ロボットアームを制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記対象物の作業位置にわずかな力が作用したときの前記力覚センサのセンサ出力を前記作業位置に対応付けた零点出力データベースから、これから作業しようとする作業位置における零点出力を取得し、前記取得した零点出力と前記対象物に加えようとする力とに基づいて前記力覚センサのセンサ出力の目標値を算出し、前記算出された目標値に基づいて前記ロボットアームを制御する。
A method of using the force sensor according to the present invention includes:
A method of using a force sensor provided in a robot, comprising:
The robot is
a robot body including a robot arm;
an end effector provided at the tip of the robot arm for performing an operation on an object of the robot;
a force sensor provided between the end effector and the robot arm for detecting a force acting at least in the axial direction;
a controller that controls the robot arm based on the sensor output of the force sensor;
The controller obtains a zero point output at a work position to be worked on from a zero point output database in which the sensor output of the force sensor when a slight force acts on the work position of the object is associated with the work position. calculating a target value of the sensor output of the force sensor based on the obtained zero-point output and the force to be applied to the object; and controlling the robot arm based on the calculated target value. do.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記零点出力データベースは、当該零点出力データベースが作成されたときの前記力覚センサの温度と対応付けられていてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The zero-point output database may be associated with the temperature of the force sensor when the zero-point output database is created.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記力覚センサの前記温度は、前記力覚センサ、前記ロボット本体または前記コントローラに設けられた温度センサにより計測されてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The temperature of the force sensor may be measured by a temperature sensor provided in the force sensor, the robot body, or the controller.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記コントローラは、前記力覚センサの現在温度と、前記零点出力データベースに対応付けられた温度との間の温度差が所定値以内の場合に、前記零点出力データベースから零点出力を取得するようにしてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The controller acquires the zero-point output from the zero-point output database when the temperature difference between the current temperature of the force sensor and the temperature associated with the zero-point output database is within a predetermined value. good too.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記コントローラは、前記温度差が前記所定値よりも大きい場合、新たな零点出力データベースを作成するようにしてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The controller may create a new zero point output database when the temperature difference is greater than the predetermined value.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記コントローラは、前記力覚センサの現在温度と、互いに異なる前記力覚センサの温度の下で作成された複数の前記零点出力データベースとに基づいて、前記これから作業しようとする作業位置における零点出力を推定し、前記推定された零点出力と、前記対象物に加えようとする力とに基づいて前記力覚センサのセンサ出力の目標値を算出するようにしてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The controller determines the zero-point output at the work position to be worked on based on the current temperature of the force sensor and a plurality of the zero-point output databases created under different temperatures of the force sensor. A target value of the sensor output of the force sensor may be calculated based on the estimated zero-point output and the force to be applied to the object.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記コントローラは、前記ロボットの稼働時間が所定の時間を経過するごとに、あるいは所定の時刻に達するごとに、前記零点出力データベースを作成するようにしてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The controller may create the zero-point output database each time the operating time of the robot elapses or reaches a predetermined time.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記コントローラは、前記零点出力データベースを作成するデータベース作成部を有し、
前記データベース作成部は、前記力覚センサの定格荷重に応じた力が前記対象物の作業位置に作用するように前記ロボットアームを制御し、前記対象物に前記力が作用したときの前記力覚センサのセンサ出力を零点出力として前記作業位置に対応付けることを、前記対象物の所定範囲における複数の作業位置について行うようにしてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The controller has a database creation unit that creates the zero-point output database,
The database creation unit controls the robot arm so that a force corresponding to the rated load of the force sensor acts on the work position of the object, and controls the force sense when the force acts on the object. Correlating the sensor output of the sensor as the zero-point output with the work position may be performed for a plurality of work positions in a predetermined range of the object.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記力覚センサの定格荷重に応じた力は、前記力覚センサの定格荷重の所定割合の大きさであるようにしてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The force corresponding to the rated load of the force sensor may be a magnitude of a predetermined proportion of the rated load of the force sensor.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記所定割合は1/100以下であるようにしてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The predetermined ratio may be 1/100 or less.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記コントローラは、前記目標値を算出する目標値算出部を有し、
前記目標値算出部は、前記これから作業しようとする作業位置における零点出力の電圧と、前記対象物に作用させようとする力に対応する電圧との差を前記目標値として算出するようにしてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The controller has a target value calculation unit that calculates the target value,
The target value calculation unit may calculate the difference between the zero-point output voltage at the work position to be worked on and the voltage corresponding to the force to be applied to the object as the target value. good.
また、前記力覚センサの使用方法において、
前記コントローラは、前記ロボットアームを制御するロボット制御部を有し、
前記ロボット制御部は、前記力覚センサのセンサ出力が前記目標値に一致するように前記ロボットアームを制御するようにしてもよい。
Further, in the method of using the force sensor,
The controller has a robot control unit that controls the robot arm,
The robot control section may control the robot arm so that the sensor output of the force sensor matches the target value.
本発明に係る力覚センサ使用プログラムは、
前記力覚センサの使用方法をコンピュータに実行させる。
A program using a force sensor according to the present invention includes:
A computer is caused to execute the method of using the force sensor.
本発明に係る力覚センサは、
ロボットに取り付けられ、少なくとも軸方向に作用した力を検出する力覚センサであって、
前記ロボットを制御するコントローラが零点出力データベースを作成するために、前記力覚センサの温度を検出する温度センサを備え、前記零点出力データベースは、わずかな力が対象物の作業位置に作用したときの前記力覚センサのセンサ出力を前記作業位置に対応付けたものである、力覚センサ。
A force sensor according to the present invention includes:
A force sensor that is attached to a robot and detects a force acting at least in the axial direction,
A controller for controlling the robot includes a temperature sensor for detecting the temperature of the force sensor to create a zero-point output database, and the zero-point output database is stored when a slight force acts on the working position of the object. A force sensor that associates a sensor output of the force sensor with the work position.
また、前記力覚センサにおいて、
前記わずかな力は、前記力覚センサの定格荷重の1/100以下であるようにしてもよい。
Further, in the force sensor,
The slight force may be 1/100 or less of the rated load of the force sensor.
本発明によれば、零点温度特性の校正を行わずとも、ロボットに取り付けられた力覚センサを適切に使用可能とする、力覚センサの使用方法、力覚センサ使用プログラムおよび力覚センサを提供することができる。 According to the present invention, a method of using a force sensor, a program for using the force sensor, and a force sensor are provided, which enable appropriate use of the force sensor attached to the robot without calibrating the zero-point temperature characteristics. can do.
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<力覚センサが設けられたロボット>
まず、図1~図5を参照して、実施形態に係る力覚センサの使用方法が適用されるロボットについて説明する。以下では、産業用ロボットを例にとって説明する。ただし、これに限らず、本実施形態に係る力覚センサの使用方法は、産業用ロボット、協働ロボット、生活支援ロボット、医療用ロボットおよびサービスロボット等の各種ロボットに適用可能である。
<Robot equipped with a force sensor>
First, a robot to which the method of using the force sensor according to the embodiment is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. An industrial robot will be described below as an example. However, the method of using the force sensor according to the present embodiment is not limited to this, and can be applied to various robots such as industrial robots, collaborative robots, life support robots, medical robots, and service robots.
ロボット1は、図1に示すように、ロボット本体2と、ロボットアーム3と、エンドエフェクタ4と、力覚センサ5と、コントローラ10とを備えている。
The
ロボット本体2は、ロボットアーム3を含んでいる。ロボットアーム3は、多関節アーム構造を有している。
A
エンドエフェクタ4は、ロボットアーム3の先端に設けられ、ロボット1のワーク(対象物)Wに対する作業を行うためのものである。本実施形態では、図2に示すように、エンドエフェクタ4はグラインダーであり、ロボット1はグラインダーによりワークWの表面を研磨するものとして構成されている。図2では、XYZ直交座標系において、平板状のワークWがXY平面内に置かれている。なお、エンドエフェクタ4は、グラインダーに限定されず、グリッパー、ツールチェンジャー等であってもよい。
The
力覚センサ5は、ロボットアーム3の先端に取り付けられている。より詳しくは、図2に示すように、力覚センサ5は、ロボットアーム3とエンドエフェクタ4との間に設けられている。力覚センサ5は、図示しない電気ケーブルを介して、コントローラ10に電気的に接続されている。なお、力覚センサ5とコントローラ10が無線により通信可能に接続されてもよい。
A
力覚センサ5は、製品として出荷される際に零点出力の校正がなされている。すなわち、ロボット1に取り付けられる前に、力覚センサ5は、室温等の所定温度における零点出力が比較的広い範囲に収まるように校正されている。たとえば、力覚センサ5の定格荷重が100Nであって定格荷重における感度が2.5Vである場合、力覚センサ5はセンサ出力が2.5V±0.3Vの範囲内に収まるように校正されている。
The
コントローラ10は、力覚センサ5から出力され、検出値を示す電気信号(センサ出力)に基づいてロボットアーム3を制御する。センサ出力は、一般的には、検出対象の力の成分値からなるベクトル量である。力覚センサ5が力に加えてモーメントを検出する場合は、センサ出力にモーメントの成分値が含まれる。なお、コントローラ10は、エンドエフェクタ4を制御するように構成されてもよい。
The
本実施形態では、コントローラ10は、図1に示すように、ロボット本体2とは別体に構成されている。なお、コントローラ10の配置は、コントローラ10は、ロボット本体2に内蔵されていてもよい。
In this embodiment, the
ここで、力覚センサ5についてさらに詳しく説明する。
Here, the
力覚センサ5の中心点Oを原点とするXYZ三次元座標系を定義したときに、力覚センサ5は、少なくとも軸方向に作用した力、すなわち、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力FyおよびZ軸方向の力Fzのうち少なくとも一つを検出可能に構成されている。
When an XYZ three-dimensional coordinate system with the center point O of the
なお、力覚センサ5は、軸方向に作用した力に加え、軸周りに作用したモーメント(X軸周りのモーメントMx、Y軸周りのモーメントMyおよびZ軸周りのモーメントMzのうち少なくとも一つ)を検出可能に構成されてもよい。
In addition to the force acting in the axial direction, the
力覚センサ5の構造的な構成は特に限定されない。たとえば、力覚センサ5は、図示しないが、力またはモーメントを受ける受力体と、受力体等を支持する支持体と、受力体および支持体に接続された起歪体と、検出回路(後述の処理部51に対応する。)と、検出素子(後述の検出素子52に対応する。)とを備える。
A structural configuration of the
エンドエフェクタ4は力覚センサ5の受力体にボルト等で着脱可能に取り付けられ、支持体はロボットアーム3にボルト等で着脱可能に取り付けられる。起歪体は、受力体に作用した力またはモーメントによって弾性変形可能に構成される。起歪体は、環状部材、複数の弧状部材、または複数の梁部材などで構成される。
The
機能面から見ると、力覚センサ5は、図3に示すように、処理部51と、検出素子52と、温度センサ53と、通信部54とを備えている。
From a functional point of view, the
処理部51は、検出素子52や温度センサ53により検出された検出値を電気的に処理した後、通信部54を介してコントローラ10に出力する。処理部51は、たとえば、検出値を電圧変換するC/V変換器(図示せず)と、アナログの電圧値をデジタル値に変換するA/Dコンバータ(図示せず)とを有する。
The
検出素子52は、起歪体の弾性変形により生じた起歪体の変位を検出する。この検出素子52は、静電容量型であってもよいし、歪みゲージ型であってもよい。静電容量型の場合、検出素子52は、起歪体に固定された第1の電極(変位電極)と、第1の電極に対向するように受力体または支持体に設けられた第2の電極(固定電極)とを有する。歪みゲージ型の場合、検出素子52は、起歪体に設けられた複数の歪みゲージを有する。いずれのタイプであれ、力覚センサ5の受力体が力またはモーメントを受けると、起歪体が弾性変形して歪みを生じ、変位する。この起歪体の変位が検出素子52により検出されて検出値が出力される。
The
温度センサ53は、力覚センサ5の温度を検出するためのセンサであり、たとえばサーミスタを含む。力覚センサ5に温度センサが設けられることで、力覚センサの温度を正確に測定することができる。なお、これに限らず、ロボット本体2(たとえばロボットアーム3の先端部分)、またはコントローラ10等に温度センサを設け、当該温度センサの検出値に基づいて力覚センサ5の温度を推定してもよい。この場合、力覚センサ5に温度センサ53が設けられなくてもよい。
Temperature sensor 53 is a sensor for detecting the temperature of
通信部54は、検出素子52や温度センサ53で検出された値に基づく情報を力覚センサ5がコントローラ10に送信するためのインターフェースであり、たとえばRS422規格に基づくものである。なお、通信部54の通信規格は、これに限られず、他の規格であってもよい。また、通信部54は、ローカル5G、2.4GHzワイヤレス接続、Bluetooth(登録商標)等により、力覚センサ5とコントローラ10を無線接続するものであってもよい。
The
次に、コントローラ10について、さらに詳しく説明する。
Next, the
力覚センサ5から出力された電気信号(センサ出力)は、上述した電気ケーブルを介してコントローラ10に送信される。コントローラ10は、力覚センサ5から受信した電気信号に基づいてロボット1の制御を行い、ロボットアーム3およびエンドエフェクタ4の動作を制御する。ロボット1の制御では、力覚センサ5の検出素子52から出力される検出値に基づいて算出される成分値が参照される。成分値は、力覚センサ5に作用した力を示す値であり、軸成分毎に算出される。なお、力覚センサ5が力だけでなくモーメントを検出する場合は、モーメントを示す成分値も算出される。
An electrical signal (sensor output) output from the
コントローラ10は、図4に示すように、処理部11と、記憶部12と、通信部13とを備えている。本実施形態では、処理部11は、マイコン等のプロセッサから構成され、記憶部12に記憶されたプログラムを実行することで所定の機能を実現する。
The
処理部11は、各種情報を入力する情報入力部111と、力覚センサ5のセンサ出力に基づく制御を行うロボット制御部112と、零点出力データベース121を作成するデータベース作成部113と、ロボットアーム3を制御するための目標値を算出する目標値算出部114とを有する。
The
処理部11の各部はコントローラ10内のプロセッサが所定のプログラムを実行することにより、ソフトウェアによる処理がハードウェア資源を用いて具体的に実現されるものであってもよいし、あるいは、コントローラ10に実装されているハードウェア自身により実現されるものであってもよい。
Each part of the
記憶部12は、零点出力などが格納された零点出力データベース121を記憶している。ここでいう「零点出力」は、エンドエフェクタ4とともにロボットアーム3に取り付けられた力覚センサ5に対して、エンドエフェクタ4による負荷やロボットアーム3の姿勢による負荷以外の負荷(外的負荷)が加えられていないとみなせる状態における力覚センサ5のセンサ出力のことであり、力覚センサが製品として出荷されるときの零点出力(すなわち、背景技術で説明した零点出力)とは異なる。以下の「零点出力」も同様の意味である。
The
なお、記憶部12には、処理部11で実行されるプログラムやデータが記憶されてもよい。記憶部12は、ハードディスク(HDD)、不揮発性の半導体メモリなどにより構成されている。
Note that the
通信部13は、力覚センサ5が送信した情報を受信するためのインターフェースであり、たとえばRS422規格に基づくものである。なお、通信部13の通信規格は、これに限られず、他の規格であってもよい。また、通信部13は、ローカル5G、2.4GHzワイヤレス接続、Bluetooth(登録商標)等により、力覚センサ5とコントローラ10を無線接続するものであってもよい。
The
ここで、零点出力データベース121について説明する。
Here, the zero
零点出力データベース121は、力覚センサ5の使用時において、ロボットアーム3を制御するための目標値を算出するために参照するデータベースである。この零点出力データベース121は、対象物(ワークW)の作業位置にわずかな力またはモーメントが作用したときの力覚センサ5のセンサ出力(すなわち、零点出力)を当該作業位置に対応付けたデータベースである。
The zero-
ここで、「わずかな力またはモーメント」とは、エンドエフェクタ4とともにロボットアーム3に取り付けられた力覚センサ5に対する外的負荷を無視できる程度の小さい力またはモーメントである。具体的には、「わずかな力またはモーメント」は、力覚センサ5の定格荷重に比べて十分に小さい力またはモーメントであり、たとえば、力覚センサ5の定格荷重の1/100以下の大きさであり、好ましくは、1/1000以上1/100以下の大きさである。
Here, the "slight force or moment" is a force or moment so small that an external load on the
図5は、零点出力データベース121の一例を示している。この例では、ワークWにおける作業位置を示すXYZ座標(作業位置の座標)と、当該作業位置における零点出力(センサ出力)と、零点出力を検出したときの力覚センサ5の温度とが対応付けられている。図5に示すように、零点出力は、一般的には、Fx、Fy、Fz、Mx、MyおよびMzの各成分値からなるベクトル量である。零点出力データベース121には、力覚センサ5が出力した各成分の電圧値が記憶されている。
FIG. 5 shows an example of the zero
本実施形態では図2に示すようにワークWがXY平面内にあるため、零点出力データベース121において、作業位置のZ座標は省略可能である。また、本実施形態ではZ軸方向の力Fzのみに基づいてロボット1を制御するため、零点出力はFzのみでもよい。
In this embodiment, the work W is on the XY plane as shown in FIG. Further, in this embodiment, the
図5の例では、零点出力データベース121は、当該零点出力データベース121が作成されたときの力覚センサ5の温度と対応付けられている。なお、作業位置ごとの温度が格納されているが、これに限られず、所定の作業位置の温度(たとえばT1)のみが零点出力データベース121に格納されてもよい。力覚センサ5の温度が零点出力データベース121に対応付けられていることは必須ではない。
In the example of FIG. 5, the zero-
なお、零点出力データベース121は、コントローラ10の記憶部12に記憶される場合に限られず、コントローラ10と通信可能に接続された外部の情報処理装置の記憶部に記憶されてもよい。外部の情報処理装置は、たとえば、ロボットが稼働する工場内のサーバ、インターネットを介して接続されたクラウドサーバ等である。
Note that the zero-
次に、処理部11の各機能部の詳細について説明する。
Next, details of each functional unit of the
情報入力部111は、力覚センサ5から受信した電気信号もしくは電気信号が示す検出値などの各種情報を入力する。
The
ロボット制御部112は、情報入力部111が入力したセンサ出力(成分値)に基づいてロボットアーム3を制御する。より詳しくは、ロボット制御部112は、力覚センサ5のセンサ出力が、目標値算出部114により算出された目標値に一致するようにロボットアーム3を制御する。なお、ロボット制御部112がエンドエフェクタ4を制御してもよい。
The
データベース作成部113は、力覚センサ5の定格荷重に応じた力またはモーメントがワークWの作業位置に作用するようにロボットアーム3を制御し、ワークWに力またはモーメントが作用したときの力覚センサ5のセンサ出力を零点出力として作業位置(座標)に対応付けることを、ワークWの所定範囲(加工範囲、作業範囲)における複数の作業位置について行うことにより、零点出力データベース121を作成する。作成方法の具体例については、のちほど図6および図7を参照して説明する。
The
目標値算出部114は、零点出力データベース121から、これから作業しようとする作業位置における零点出力を取得する。そして、目標値算出部114は、取得した零点出力と、ワークWに加えようとする力またはモーメントとに基づいて、力覚センサ5のセンサ出力の目標値を算出する。たとえば、目標値算出部114は、これから作業しようとする作業位置における零点出力の電圧と、ワークWに作用させようとする力またはモーメントに対応する電圧との差を目標値として算出する。ロボット制御部112は、力覚センサ5のセンサ出力が、このように算出された目標値に一致するようにロボットアーム3を制御する。
The
上記のように、コントローラ10は、零点出力データベース121から、これから作業しようとする作業位置における零点出力を取得し、取得した零点出力とワークWに加えようとする力またはモーメントとに基づいて力覚センサ5のセンサ出力の目標値を算出し、算出された目標値に基づいてロボットアーム3を制御するように構成されている。
As described above, the
<零点出力データベースの作成方法>
次に、図6~図8を参照して、零点出力データベース121の作成方法の一例について説明する。
<How to create a zero point output database>
Next, an example of a method for creating the zero
ステップS1:コントローラ10の処理部11が、作業位置(測定位置)を初期化する。具体的には、作業位置を示すインデックスiを1とする。本例では、ワークW上の作業位置は図7に示すようにP1~P9からなり、作業位置PiはP1に初期化される。各作業位置P1~P9は作業範囲(加工範囲)Aに含まれている。
Step S1: The processing
ステップS2:コントローラ10の処理部11が、作業位置が最後の位置に到達済みであるかどうかを判定する。本例では、作業位置がP9に到達済みであるかどうかが判定される。具体的には、インデックスiが作業位置の数N以下であるかどうかを判定する。判定の結果、作業位置が最後の位置に到達済み場合(S2:No)、零点出力データベース121がすでに完成しているので作成フローを終了する。他方、作業位置が最後の位置に到達していない場合(S2:Yes)、ステップS3に進む。
Step S2: The processing
ステップS3:コントローラ10の処理部11(情報入力部111)が、力覚センサ5の温度を取得する。力覚センサ5の温度は、力覚センサ5の温度センサ53で測定される。なお、ロボット本体2またはコントローラ10等に設けられた温度センサで取得された温度から力覚センサ5の温度を推定してもよい。
Step S<b>3 : The processing section 11 (information input section 111 ) of the
ステップS4:コントローラ10の処理部11が、ステップS3で取得された温度と前回取得された温度との差が所定値(例えば5℃)以内であるかどうかを判定する。判定の結果、温度差が所定値以内にない場合(S4:No)、ステップS1に戻り、最初の作業位置P1から零点出力データベース121の作成をやり直す。他方、温度差が所定値以内の場合(S4:Yes)、ステップS5に進む。なお、本ステップを初めて行う場合(すなわち、i=1の場合)、判定は行わずにステップS5に進む。
Step S4: The processing
ステップS5:コントローラ10の処理部11(ロボット制御部112)が、ワークWにおけるi番目の作業位置(すなわち、Pi)に力覚センサ5の定格荷重に応じた力またはモーメントが作用するようにロボットアーム3を制御する。ここで、力覚センサ5の定格荷重に応じた力またはモーメントは、定格荷重に比べて十分に小さく、力覚センサ5の定格荷重の所定割合の大きさである。この割合は、たとえば、1/100以下であり、好ましくは、1/1000以上1/100以下である。このように、力覚センサ5の定格荷重に比べて十分に小さい力またはモーメントをワークWの作業位置Piに作用させることで、エンドエフェクタ4による負荷やロボットアーム3の姿勢による負荷以外の負荷(外的負荷)が加えられていないとみなせる状態における力覚センサ5のセンサ出力(すなわち、本実施形態でいう零点出力)を取得することができる。
Step S5: The processing unit 11 (robot control unit 112) of the
ステップS6:コントローラ10の処理部11(情報入力部111)が、ステップS5でロボットアーム3が制御された状態における、力覚センサ5のセンサ出力を取得する。
Step S6: The processing section 11 (information input section 111) of the
ステップS7:コントローラ10の処理部11が、ステップS6で取得されたセンサ出力を作業位置Piに対応に対応付けて記憶部12に記憶させる。
Step S7: The processing
ステップS8:作業位置を示すインデックスiを1つ増やす。 Step S8: Increment the index i indicating the working position by one.
ステップS8の後、ステップS1に進み、次の作業位置についてステップS2~S7の処理を行う。すべての作業位置について上記処理を行うことで、ワークWの作業範囲Aに係る零点出力データベース121が作成される。
After step S8, the process proceeds to step S1, and the processing of steps S2 to S7 is performed for the next work position. By performing the above processing for all work positions, the zero
図8は、上記方法によって作成された零点出力データベース121の一例を示している。ワークWの表面を平面としたため、作業位置の座標はX座標とY座標のみである。零点出力(センサ出力)は、Z軸方向の力Fzのみであり、力覚センサ5が出力した電圧値である。
FIG. 8 shows an example of the zero
なお、図8に示すように、各作業位置で測定された力覚センサ5の温度を作業位置に関連付けて記憶してもよい。
As shown in FIG. 8, the temperature of the
なお、上記の方法では、作業位置の数は9つ(P1~P9)であったが、これに限られるものではない。また、ワークWの所定範囲を連続的にスイープして、力覚センサ5から作業範囲A内の各点における零点出力を取得してもよい。この場合、エンドエフェクタ4がワークWの表面をなぞるようにロボットアーム3が制御される。
In the above method, the number of work positions is nine (P1 to P9), but the number is not limited to this. Alternatively, a predetermined range of the workpiece W may be continuously swept, and the zero-point output at each point within the working range A may be obtained from the
また、クリーンルームなど温度が制御された環境にロボット1が設置されている場合は、ステップS3およびS4を省略してもよい。
Also, if the
<力覚センサの使用方法>
次に、図9に示すように、零点出力データベース121に基づいて力覚センサ5を使用する方法について説明する。
<How to use the force sensor>
Next, as shown in FIG. 9, a method of using the
ステップS11:コントローラ10の処理部11(情報入力部111)が、力覚センサ5の温度(現在温度)を取得する。力覚センサ5の温度の取得方法は前述のステップS3と同様であるので詳しい説明は省略する。
Step S11: The processing section 11 (information input section 111) of the
ステップS12:コントローラ10の処理部11が、ステップS11で取得された現在温度と、零点出力データベース121の温度との差が所定値(例えば5℃)以内であるかどうかを判定する。零点出力データベース121の温度とは、零点出力データベース121が作成されたときの力覚センサ5の温度のことである。図8の例で言えば、たとえば温度T1であるが、温度T1~T9の平均値などの統計量であってもよい。
Step S12: The processing
判定の結果、温度差が所定値以内にない場合(S12:No)、ステップS1に戻り、零点出力データベース121の作成をやり直す。他方、温度差が所定値以内の場合(S12:Yes)、ステップS13に進む。
As a result of the determination, if the temperature difference is not within the predetermined value (S12: No), the process returns to step S1, and the zero-
ステップS13:コントローラ10の処理部11が、零点出力データベース121から、これから作業しようとする作業位置における零点出力を取得する。たとえば、これから作業しようとする作業位置が図7の作業位置P5の場合、処理部11は零点出力データベース121から作業位置P5に対応付けられた零点出力(Fz11)を読み出す。
Step S13: The processing
ステップS14:コントローラ10の処理部11(目標値算出部114)が、ステップS13で取得した零点出力と、ワークWに加えようとする力またはモーメントとに基づいて、力覚センサ5のセンサ出力の目標値を算出する。たとえば、これから作業しようとする作業位置P5に所望のZ軸方向の力Fzを加えるために、目標値算出部114は、ステップS13で読み出した零点出力Fz11を示す第1の電圧と、所望の力Fzに対応する第2の電圧との差を目標値として算出する。第2の電圧は力覚センサ5の感度から算出される。
Step S14: The processing unit 11 (target value calculation unit 114) of the
たとえば、力覚センサ5の定格荷重が±100Nであって定格荷重における感度が±2.5Vであり、ステップS13で読み出された零点出力が2.6Vの場合を考える。-10Nの力をワークWに作用させたいときは、ステップS14で算出される目標値は、2.35V(=2.6-10/100×2.5)となる。
For example, consider the case where the rated load of the
ステップS15:コントローラ10の処理部11(ロボット制御部112)が、ステップS14で算出された目標値に基づいてロボットアーム3を制御する。具体的には、ロボット制御部112は、力覚センサ5のセンサ出力がステップS14で算出された目標値に一致するようにロボットアーム3を制御する。
Step S15: The processing section 11 (robot control section 112) of the
上記のようにしてロボットアーム3を制御することで、所望の力またはモーメントをワークWの作業位置に作用させることができる。
By controlling the
ワークWの所定範囲Aについて作業する場合は、作業位置を変えながらステップS11~S15を実行する。ロボット1が温度制御された環境に設置されている場合、二巡目以降についてはステップS11およびS12を省略してもよい。
When working on the predetermined range A of the work W, steps S11 to S15 are executed while changing the working position. If the
なお、上記の説明では、簡単のために、Z軸方向の力Fzのみをワークに作用させる場合について説明したが、他の軸方向の力またはモーメントを作用させる場合についても、上記と同様の方法で力覚センサ5を使用してロボット1を適切に制御することが可能である。すなわち、6軸成分のうち任意の複数の成分をワークに作用させることも可能である。この場合、ワークに作用させようとする複数の成分の零点出力を零点出力データベース121からそれぞれ読み出し、成分ごとに目標値を算出し、各成分のセンサ出力が当該成分の目標値にそれぞれ一致するようにロボットアーム3を制御すればよい。
In the above description, for the sake of simplicity, the case where only the force Fz in the Z-axis direction is applied to the work was described, but the same method as described above can be applied to the case in which other axial forces or moments are applied. , it is possible to appropriately control the
これにより、ロボット1はワークの研磨作業に限られず、ねじ締め、溶接、裁断等の作業にも対応可能である。たとえば、エンドエフェクタにワークを吸着させて移動させる作業や、エンドエフェクタ(グリッパー)でピンを掴み、ワークに設けられた孔に当該ピンを挿入する作業などを行うことができる。
As a result, the
以上説明したように、本実施形態に係る力覚センサ5の使用方法によれば、エンドエフェクタ4とともにロボットアーム3に取り付けられた力覚センサ5のセンサ出力の計測結果に基づいて作成された零点出力データベース121を参照して、力覚センサ5のセンサ出力の目標値を算出する。これにより、力覚センサ5の零点温度特性が校正されていなくても、力覚センサ5を適切に使用することができ、ロボット1をその用途に応じて適切に制御することができる。
As described above, according to the method of using the
さらに、本実施形態に係る力覚センサ5の使用方法によれば、力覚センサ5の温度変動により零点出力が変化した場合であっても、零点出力データベース121を作成し直すことで、力覚センサ5の適正な使用を維持することができる。
Furthermore, according to the method of using the
また、本実施形態によれば、恒温槽などの設備や長時間にわたる測定が必要な零点温度特性の校正を行う必要がないため、力覚センサ5のコストを低減することができる。
In addition, according to the present embodiment, the cost of the
<力覚センサの使用方法に係る別の実施形態>
上記の使用方法では、ステップS12の判定の結果、温度差が所定値以内にない場合、零点出力データベースを作成し直したが、ワークWに対する作業が一旦停止するため作業効率が低下してしまう。そこで、事前に温度の異なる複数の零点出力データベースを用意しておく。たとえば、図10に示すように、力覚センサ5の温度Ta、TbおよびTcにおいて作成された零点出力データベース121a、121bおよび121cを記憶部12に記憶しておく。温度Taと温度Tbの差、および温度Tbと温度Tcの差は、たとえば10℃である。そして、力覚センサ5の現在温度と、零点出力データベース121a、121bおよび121cとに基づいて零点出力を推定する。かかる実施形態について、図11を参照して詳しく説明する。
<Another embodiment related to the method of using the force sensor>
In the above method of use, if the result of determination in step S12 is that the temperature difference is not within the predetermined value, the zero-point output database is recreated, but the work on the workpiece W is temporarily stopped, resulting in a decrease in work efficiency. Therefore, a plurality of zero-point output databases with different temperatures are prepared in advance. For example, as shown in FIG. 10,
ステップS21:コントローラ10の処理部11(情報入力部111)が、力覚センサ5の温度(現在温度)を取得する。
Step S21: The processing section 11 (information input section 111) of the
ステップS22:コントローラ10の処理部11が、ステップS21で取得された力覚センサ5の現在温度と、複数の零点出力データベース121a、121bおよび121cとに基づいて、これから作業しようとする作業位置における零点出力を推定する。零点出力の推定は、補間、外挿、内挿などの処理によって行う。これから作業しようとする作業位置が図7の作業位置P5であって、ステップS21で取得された温度が温度Taと温度Tbの間にある場合、処理部11は零点出力データベース121aおよび121bから作業位置P5に対応付けられた零点出力Fz11aおよびFz11bをそれぞれ読み出す。そして、ステップS21で取得された温度と、読み出された2つの零点出力とを用いて内挿処理により、当該温度における零点出力を推定する。
Step S22: Based on the current temperature of the
ステップS23:コントローラ10の処理部11(目標値算出部114)が、ステップS22で推定された零点出力と、ワークWに加えようとする力またはモーメントとに基づいて、力覚センサのセンサ出力の目標値を算出する。具体的な目標値の算出方法は、前述のステップS14で説明した方法と同様である。
Step S23: The processing unit 11 (target value calculation unit 114) of the
ステップS24:コントローラ10の処理部11(ロボット制御部112)が、ステップS23で算出された目標値に基づいてロボットアーム3を制御する。具体的なロボットアーム3の制御方法は、前述のステップS15で説明した方法と同様である。
Step S24: The processing section 11 (robot control section 112) of the
ワークWの所定範囲Aについて作業する場合は、作業位置を変えながらステップS21~S24を実行する。ロボット1が温度制御された環境に設置されている場合、二巡目以降についてはステップS21を省略してもよい。
When working on the predetermined range A of the work W, steps S21 to S24 are executed while changing the working position. If the
上記のように、推定された零点出力に基づいてロボットアーム3を制御することで、零点出力データベースを作成し直すために作業が中断する事態を回避することができる。
As described above, by controlling the
なお、上記の実施形態では、温度センサを用いて力覚センサ5の温度を測定もしくは推定し、所定の温度変化があった場合に零点出力データベース121を作成し直した。これに限られず、コントローラ10(データベース作成部113)は、温度変化以外のトリガーに基づいて零点出力データベース121を新たに作成してもよい。たとえば、ロボット1の稼働時間が所定の時間(たとえば1時間)を経過するごとに、あるいは所定の時刻(たとえば9時、11時、13時、15時、17時)に達するごとに、零点出力データベース121を新たに作成してもよい。これにより、温度センサを用いることなく、零点出力データベース121を更新することができる。
In the above embodiment, the temperature sensor is used to measure or estimate the temperature of the
具体的には、ロボット1の稼働時間が所定の時間を経過するごとに零点出力データベース121を新たに作成する場合、図6のフローチャートにおけるステップS3では、コントローラ10の処理部11がロボット1の稼働時間を取得する。たとえば、処理部11は、ロボット1が稼働し始める際に記憶部12にそのときの時刻を記憶しておき、当該時刻と現在時刻との差から稼働時間を算出する。その後、ステップS4では、処理部11が、ステップS3で取得した稼働時間に基づき、所定の時間が経過したか否かを判定する。図9のフローチャートの場合においても同様である。すなわち、ステップS11において処理部11がロボット1の稼働時間を取得し、ステップS12において処理部11が、稼働時間に基づき所定の時間が経過したか否かを判定すればよい。
Specifically, when the zero-
また、所定の時刻に達した際に零点出力データベース121を新たに作成する場合、図6のフローチャートにおけるステップS3では、コントローラ10の処理部11が、コントローラ10の内部または外部の時計から現在時刻を取得する。その後、ステップS4では、処理部11が、ステップS3で取得した現在時刻に基づき、所定の時刻に達したか否かを判定する。図9のフローチャートの場合においても同様である。すなわち、ステップS11において処理部11が現在時刻を取得し、ステップS12において処理部11が現在時刻に基づき所定の時刻に達したか否かを判定すればよい。
Further, when the zero
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。 Based on the above description, those skilled in the art may conceive additional effects and various modifications of the present invention, but aspects of the present invention are not limited to the above-described embodiments. Various additions, changes, and partial deletions are possible without departing from the conceptual idea and spirit of the present invention derived from the content defined in the claims and equivalents thereof.
1 ロボット
2 ロボット本体
3 ロボットアーム
4 エンドエフェクタ
5 力覚センサ
51 処理部
52 検出素子
53 温度センサ
54 通信部
10 コントローラ
11 処理部
111 情報入力部
112 ロボット制御部
113 データベース作成部
114 目標値算出部
12 記憶部
121 零点出力データベース
13 通信部
A 作業範囲
P1~P9 作業位置
W ワーク(対象物)
1
Claims (14)
前記ロボットは、
ロボットアームを含むロボット本体と、
前記ロボットアームの先端に設けられ、前記ロボットの対象物に対する作業を行うエンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタと前記ロボットアームの間に設けられ、少なくとも軸方向に作用した力を検出する力覚センサと、
前記力覚センサのセンサ出力に基づいて前記ロボットアームを制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記対象物の作業位置にわずかな力が作用したときの前記力覚センサのセンサ出力を前記作業位置に対応付けた零点出力データベースから、これから作業しようとする作業位置における零点出力を取得し、前記取得した零点出力と前記対象物に加えようとする力とに基づいて前記力覚センサのセンサ出力の目標値を算出し、前記算出された目標値に基づいて前記ロボットアームを制御する、力覚センサの使用方法。 A method of using a force sensor provided in a robot, comprising:
The robot is
a robot body including a robot arm;
an end effector provided at the tip of the robot arm for performing an operation on an object of the robot;
a force sensor provided between the end effector and the robot arm for detecting a force acting at least in the axial direction;
a controller that controls the robot arm based on the sensor output of the force sensor;
The controller obtains a zero point output at a work position to be worked on from a zero point output database in which the sensor output of the force sensor when a slight force acts on the work position of the object is associated with the work position. calculating a target value of the sensor output of the force sensor based on the obtained zero-point output and the force to be applied to the object; and controlling the robot arm based on the calculated target value. and how to use the force sensor.
前記データベース作成部は、前記力覚センサの定格荷重に応じた力が前記対象物の作業位置に作用するように前記ロボットアームを制御し、前記対象物に前記力が作用したときの前記力覚センサのセンサ出力を零点出力として前記作業位置に対応付けることを、前記対象物の所定範囲における複数の作業位置について行う、請求項1~7のいずれかに記載の力覚センサの使用方法。 The controller has a database creation unit that creates the zero-point output database,
The database creation unit controls the robot arm so that a force corresponding to the rated load of the force sensor acts on the work position of the object, and controls the force sense when the force acts on the object. 8. The method of using the force sensor according to claim 1, wherein a plurality of work positions within a predetermined range of said object are associated with said work position as a sensor output of said sensor as a zero point output.
前記目標値算出部は、前記これから作業しようとする作業位置における零点出力の電圧と、前記対象物に作用させようとする力に対応する電圧との差を前記目標値として算出する、請求項1~10のいずれかに記載の力覚センサの使用方法。 The controller has a target value calculation unit that calculates the target value,
2. The target value calculation unit calculates, as the target value, a difference between a zero-point output voltage at the work position to be worked on and a voltage corresponding to a force to be applied to the object. 11. A method of using the force sensor according to any one of -10.
前記ロボット制御部は、前記力覚センサのセンサ出力が前記目標値に一致するように前記ロボットアームを制御する、請求項1~11のいずれかに記載の力覚センサの使用方法。 The controller has a robot control unit that controls the robot arm,
12. The method of using a force sensor according to claim 1, wherein said robot control unit controls said robot arm so that a sensor output of said force sensor matches said target value.
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