JPH06262563A - 産業用ロボットの位置教示支援用力表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ティーチング・プレイバック方式のティーチ
ング作業に伴うオペレータの負担の軽減と安全の確保。 【構成】 産業用ロボットの手首部に力センサを搭載
し、該力センサによって検出された６軸力をツール座標
系上で表現されるデータに変換して、ＣＲＴ等の画面上
にグラフィック表示する。センサで検出された６軸力を
ツール座標系上のデータに変換するに先だって、ロボッ
トに支持された部分にかかる重力に由来する力センサ出
力成分を補償することにより、ティーチング時の接触力
に由来する力のみを抽出表示することが出来る。センサ
出力から差し引かれるべき補償量は、ロボットの姿勢に
よって変化するから、ロボットコントローラからロボッ
トの姿勢データを獲得して、補償量を計算する。オペレ
ータは、画面を観察してツールポイントにかかる６軸力
を確認しながらティーチング作業を行うことが出来るの
で、ロボットに接近することなく位置教示の精度を向上
させることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ティーチング・プレイ
バック方式により運転される産業用ロボットに対してテ
ィーチングを実行する際に使用される位置教示支援用力
表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボットを用いたシステムを利用
して各種作業を実行する場合には、意図する作業内容に
正確に適合した動作をロボットが行なうよう、ロボット
に対して位置教示（ティーチング；「姿勢」の教示も含
む。以下、同様。）を行わなければならない。このティ
ーチング作業に要するオペレータの負担を軽減する為
に、いわゆるオフライン方式によるティーチングが利用
されている。

【０００３】このオフラインティーチング方式は、ワー
ク等の作業対象物及び作業環境に関する正確なデータが
事前に用意されており、作業内容が単純で要求されるロ
ボット位置精度がそれ程高くないようなケースにおいて
は高い有効性を発揮することが知られている。

【０００４】しかし、一般には、オフラインティーチン
グ時に用意されるデータのみに基づいてロボット位置を
完全に決定することが困難であることが多い。そこで、
オフラインティーチング実行済みの場合も含めて、オペ
レータが作業現場で実際にロボットを動かしながら最終
的な位置教示を行なってからロボットの再生運転を実行
する、いわゆるティーチング・プレイバック方式が頻繁
に利用されている。

【０００５】このティーチング・プレイバック方式にお
けるティーチング対象となる作業に嵌め合い等の接触作
業が含まれている場合、接触によって関連部分に過剰な
負荷が発生しないよう接触状態の監視を行いながら、高
精度の位置合わせを実現することが要求される。従来、
このような位置教示時における接触状態の監視は、専ら
熟練したオペレータの視覚的判断と経験的な勘に頼って
行なわれてきた。

【０００６】即ち、ティーチング時に発生する負荷に対
応した力をロボットシステム側で検出し、その結果を表
示してオペレータに知らせることによって、ティーチン
グ作業の負担を軽減する支援手段をロボットシステムに
装備させるという考え方は採用されていなかった。

【０００７】力制御の手法によって作業時にかかる力を
取り扱う方式は知られているが、これを位置教示時に利
用することは行なわれていない。力フィードバックによ
るマスター・スレーブ方式を位置教示に採用する試みも
なされてはいるが、これは、接触時に発生する力をオペ
レータに対しても力の形で伝えることを前提とする技術
に属し、従って、力センサの他に力の伝達機構や力制御
技術を不可欠の要件とするものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記説明したことから
判るように、ティーチング・プレイバック方式における
ティーチング時には、ロボット側に支持されたツールあ
るいは把持物体と、ロボットと一体関係にないワーク、
治具等の外界物体との間の接触状態を細心の注意を払っ
て視覚的に監視しながら作業を進めなければならないか
ら、熟練したオペレータといえども作業負担が大きくな
ることは避けられなかった。

【０００９】そして、接触状態を正確に視認する為に
は、当該部分に接近する必要が生ずるから、必然的にロ
ボットの動作範囲に接近あるいは進入することになり、
安全確保上大きな問題となっていた。

【００１０】また、接触状態にある部分がオペレータの
視野の死角に入り、視覚的に接触状態を確認すること自
体が困難な場合も少なくない。そのような場合に無理に
接近を図れば、より大きな危険につがることになり、テ
ィーチング作業の安全性、効率及び位置合わせ精度を向
上させる上で、大きな障害となっていた。

【００１１】本願発明は、これら従来のティーチング・
プレイバック方式におけるティーチング作業に伴う問題
点を解決することを企図したものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願発明は、産業用ロボ
ットの手首部に搭載された力センサと、該力センサによ
って検出された６軸力をツール座標系上で表現される６
軸力データに変換する変換手段と、前記ツール座標系上
で表現される６軸力データに対応した情報を表示する表
示手段とを備えた産業用ロボットの位置教示支援用力表
示装置を提供することにより、上記問題点を解決したも
のである（請求項１に記載の構成）。

【００１３】また、上記構成に更に、ロボットに支持さ
れた部分にかかる重力に由来する前記力センサ出力成分
を補償する手段を具備させることによって、ツール、ロ
ボットハンド、力センサ自体等の自重による影響を取り
除き、接触状態に起因した負荷分をより正確な形でオペ
レータに知らせることを可能にしたものである。

【００１４】

【作用】本願発明において用いられる力センサは、６軸
力（６分力とも言う。）を測定出来る型のものであり、
力センサが感知した６軸力をその力センサに設定された
座標系（以下、センサ座標系Σs ；Ｏs −Ｓx 、Ｓy 、
Ｓz とする。）上で表現されるデータの形で出力するも
のである。即ち、力センサ内の各部に配置された複数の
センシング要素からの力検出信号（検出電圧）をΣs の
原点Ｏs を作用点とする力の６軸力に換算し（通常は、
検出電圧を６軸力に換算する変換行列がキャリブレーシ
ョンによって用意されている。）、Ｓx 、Ｓy 、Ｓz 各
座標軸方向の力成分＜ｆ＞s ＝（ｆx 、ｆy 、ｆz ）及
び各座標軸回りのモーメント成分＜ｍ＞s ＝（ｍx 、ｍ
y 、ｍz ）を表わす信号をセンサ検出信号として出力す
るものである。

【００１５】本願発明においては、このような力センサ
をロボットの手首部に搭載する。作業内容に応じ、力セ
ンサに直接ツールを装着する場合と、ハンドを介してワ
ーク等の物体を把持する場合とがある。前者の場合に
は、ロボット本体部、力センサ及び装着ツールがロボッ
トと一体関係にある系を構成し、後者の場合には、ロボ
ット本体部、力センサ、ハンド及び把持物体でロボット
と一体関係にある系が構成されることになる。

【００１６】そして、力センサにより、上記ロボットと
一体関係にある系と作業対象ワーク、治具等ロボットと
は結合関係のない物体で構成される外界系との間の接触
によって作用し合う力をロボット手首部に搭載された力
センサによって検出する。

【００１７】上述したように、力センサの検出出力は、
センサ座標系Σs の原点Ｏs を作用点とした６軸力を表
わしているので、センサ部分にかかる負荷のみを知れば
済むという状況であれば、力センサの出力から、＜ｆ＞
s ＝（ｆx 、ｆy 、ｆz ）と＜ｍ＞s ＝（ｍx 、ｍy 、
ｍz ）を適当な表示装置を用いて表示すれば良いことに
なる。

【００１８】しかし、ティーチング時には、ツールと作
業対象物あるいは把持物体と該把持物体と嵌め合いを行
なう外界物体との間の接触により、ツールまたは把持物
体にどの程度の大きさの力及びモーメントがどの方向に
作用しているかをリアルタイムに表示することが、オペ
レータによるティーチング作業をより安全で精度の高い
ものにする上で重要であると考えられる。

【００１９】即ち、ロボットは後にプレイバックされて
ティーチングされた通りの動きをするのであるから、テ
ィーチング時に、ツールまたは把持物体に大きな負荷が
かかっているのに気付かずに位置を教示してしまうと、
再生運転時にその負荷が実際のツール、把持物体にかか
り、また、その反作用として外界物体にも等価な負荷が
作業サイクル毎に及ぼされることになる。特に、嵌め合
いの様な作業を実行する場合には、作業自体がスムーズ
に行なわれないだけでなく、多数のワークに損傷を与え
る等の恐れを生じるからである。

【００２０】そこで、本願発明では、ロボット手首部に
搭載された力センサの検出出力を適当な位置に設定され
たツール座標系Σt （Ｏ−Ｔx Ｔy Ｔz ）に関して表現
された６軸力データに変換して表示する。この変換関係
について一般的に述べると、次のようになる。

【００２１】上記３次元のセンサ座標系Σs とツール座
標系Σt とは別に、各々６次元のセンサ座標系Σps及び
ツール座標系Σqtを考える。各座標系Σps及びΣqt上の
位置ベクトルと各６個の成分を＜ｐ＞＝［ｐ1 、ｐ2 、
ｐ3 、ｐ4 、ｐ5 、ｐ6 ］及び＜ｑ＞＝［ｑ1 、ｑ2 、
ｑ3 、ｑ4 、ｑ5 、ｑ6 ］で表わすことにする。この
時、６次元の微小変位δを各座標系Σps、Σqt上で表現
したものを各々＜δｐ＞及び＜δｑ＞とすると、次の
（１）式が成立する。

【００２２】 ＜δｐ＞＝Ｊ・＜δｑ＞ ・・・（１） 但し、Ｊは２つの座標系Σps、Σqtに関する微分関係を
表わすヤコビ行列（ヤコビアン）である。これを表記す
れば、下記（２）式となる。

【００２３】

【式１】 今、ある同じ力を座標系Σqt上で表わしたものを＜Ｑ
＞、Σps上で表わしたものを＜Ｐ＞とすると、次の
（３）式の関係が成立する。 ＜Ｑ＞＝Ｊ^T ・＜Ｐ＞ ・・・（３） 添字^T は、転置行列を表わしている。この関係は、いわ
ゆる仮想仕事の原理により導くことが出来る。即ち、微
小な仮想仕事δＷは次の（４）式の様に変形される。 δＷ＝＜Ｑ＞^T ・＜δｑ＞−＜Ｐ＞^T ・＜δｐ＞ ＝＜Ｑ＞^T ・＜δｑ＞−＜Ｐ＞^T Ｊ・＜δｑ＞ ＝＜Ｑ＞^T ・＜δｑ＞−（Ｊ・＜Ｐ＞）^T ＜δｑ＞ ・・・（４） そして、仕事量＝０であることから、直ちに上記（３）
式が導かれる。

【００２４】ヤコビアンの各行列要素Ｊikは、座標系座
標系ΣpsとΣqtの関係によって定められるが、センサ座
標系Σs とツール座標系Σt の関係を適当に定めること
により、偏微分演算を実際に行なって、ヤコビアンのす
べての行列要素を求めるという手続きによらなくても、
センサ座標系Σs −ツール座標系Σt 間のデータ変換式
を決定することが出来る（後記、実施例参照。）。

【００２５】また、このような座標変換を行なう前にツ
ール、ハンド、把持物体、力センサ等を含む系自身（以
下、単に自重系と言う。）に働く重力に起因した力の寄
与分を補償する処理を行なうことによって、ツールポイ
ントＯt （ツール座標系Σt；Ｏt −Ｔx Ｔy Ｔz ）に
及ぼされる接触力の６軸成分をより正確に表わした表示
データを獲得することが出来る。力センサの６軸力検出
値＜ｆ＞s 、＜ｍ＞s から差し引くかれるべき６軸力成
分＜ｆ＞sg、＜ｍ＞sgは、ロボットの姿勢、換言すれば
センサ座標系Σs の重力作用方向（地面に鉛直な方向）
に対する姿勢と、自重系の重量Ｗと、センサ座標系Σs
からみた自重系の重心Ｇの位置＜Ｏs Ｇ＞＝＜ｇ＞によ
って決まるから、予めＷ及び＜ｇ＞の値を重力補正用デ
ータとして、システムのメモリに入力しておき、ティー
チング時における姿勢データを利用して＜ｆ＞sg及び＜
ｍ＞sgを計算すれば良い。姿勢データはロボットコント
ローラから得られる各軸の現在値データに基づいて求め
ることが出来る。

【００２６】このようにして、重力補正された６軸力＜
ｆ＞sc＝＜ｆ＞s −＜ｆ＞sg並びに＜ｍ＞sc＝＜ｍ＞s
−＜ｍ＞sgを計算した上で、前述したセンサ座標系Σs
からツール座標系Σt への座標変換を実行すれば、自重
分を補正した６軸力のツール座標系Σt 上表現データ、
＜ｆ＞tc並びに＜ｍ＞tcを得ることが出来る。また、力
センサ、ツール、ハンド、把持物体をティーチングと同
じようにロボット搭載・支持させたままで、ロボット手
首部からツールあるいは把持物体の先端までが鉛直方
向、水平方向に延在する姿勢を順次取らせて力センサ出
力を検出することによって、差引量＜ｆ＞sg及び＜ｍ＞
sgのデータを獲得することも考えられる。

【００２７】以上説明した手法に従って獲得された６軸
力データ、＜ｆ＞tc及び＜ｍ＞tc、あるいは＜ｆ＞t 及
び＜ｍ＞t を、ＣＲＴ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等
の画面上にオペレータが見易い形で表示（例えば、カラ
ーグラフィック表示）させながらティーチング作業を行
うようにすれば、オペレータはこの表示画面に支援され
ながらティーチング作業を進めることが出来る。

【００２８】

【実施例】図１は、本願発明に係る産業用ロボットの位
置教示支援用力表示装置を組み込んだシステムの一例の
要部ブロック図であり、図２は、ロボット手首部に搭載
される力センサ、ロボットハンド、把持物体、作業対象
物等の配置関係を模式的に描いた図に、センサ座標系Σ
s 座標系Σs とツール座標系Σt の設定例及び自重系の
重心位置を併記したものである。また、図３は、ティー
チング作業時にＣＲＴモニタ画面上に映し出される６軸
力グラフィック表示の一例を模式的に示した図である。
更に、図４は、ＣＲＴモニタ画面上に６軸力の表示を行
なう為の処理の概要を説明するフローチャートである。
これら図１〜図４を参照して、本願発明の実施例につい
て説明する。

【００２９】先ず図１を参照すると、システム全体は、
位置教示支援ディスプレイコントローラ１０と、ロボッ
トコントローラ２０と、該ロボットコントローラ２０に
よって制御されるロボット本体３０と、該ロボット本体
３０の手首部に支持された力センサ４０と、センサ４０
によって検出された６軸力をツールポイントにおける値
に変換した結果を表示するＣＲＴモニタ６０から構成さ
れている。

【００３０】位置教示支援ディスプレイコントローラ１
０は中央演算処理装置（以下，ＣＰＵという。）１１を
有し、該ＣＰＵ１１には、ＲＯＭからなるメモリ１２、
ＲＡＭからなるメモリ１３、力センサ４０の出力信号を
処理する検出信号処理装置５０に制御信号を送ると共
に、処理後の検出信号を受け取るセンサインターフェイ
ス１４、ロボットコントローラ１０からロボットの姿勢
を定める為のデータを獲得する為の通信に使用される通
信インターフェイス１５、位置教示支援ディスプレイコ
ントローラ１０に各種指令を発し、また、必要な設定値
等を入力する為のキーボード１６、６軸力をグラフィッ
ク表示するＣＲＴモニタ６０に接続されたモニタインタ
ーフェイス１７が、バス１８を介して接続されている。

【００３１】ロボット本体３０の手首部に搭載された力
センサ４０には、歪ゲージで構成され、発振器により交
流駆動される複数のブリッジ回路が内蔵されており、そ
の各出力が検出信号処理装置５０に入力される。検出信
号処理装置５０に於ける信号処理の概略を例記すれば、
次のようになる。即ち、入力された各検出信号は差動ア
ンプで増幅後、同期整流されて直流信号に変換された上
でマルチプレクサに入力される。マルチプレクサは、位
置教示支援ディスプレイコントローラ１０のＣＰＵ１１
からセンサインターフェイス１４を介して受け取る制御
信号に従って、各センサ検出出力成分の信号を順次サン
プルホールド回路及びＡ／Ｄコンバータを介して、セン
サインターフェイス１４へ送り出す。

【００３２】ＲＯＭ１２及びＲＡＭ１３には、これら検
出信号処理装置５０との間の信号授受をコントロールす
る為のプログラムと共に、センサインターフェイス１４
を介して受信した検出信号に基づいてセンサ座標系Σs
上での６軸力データを算出し、自重寄与分を差し引いた
上で、ツール座標系Σt データに変換する演算を実行す
る一連の処理（後述する図４のフローチャート参照。）
を実行する為のプログラム及び関連設定データ（検出出
力を６軸力に変換するマトリックスデータ、重心位置デ
ータ、自重重量データ、Σs −Σt 変換データ等）が予
め格納される。

【００３３】自重寄与分を算出するには、力表示を行な
う時点におけるロボットの姿勢を特定するデータが必要
となる。そのデータとしては、ロボットコントローラ２
０が有している各軸の現在位置データを利用する。その
為に、ロボットコントローラ２０は、位置教示支援ディ
スプレイコントローラ１０から自身の通信インタフェイ
ス（図示省略。）を介して各軸位置データ送信指令を受
け取ると、自身のＣＰＵ（図示省略。）の空き時間を利
用して可及的速やかにロボットの各軸位置データを自身
の通信インターフェイス（図示せず。）を通して位置教
示支援ディスプレイコントローラ２０の通信インターフ
ェイス１５に向けて送り出すよう、自身のＲＯＭメモリ
（図示省略）内に格納されたコントロールプログラムに
よって制御されている。

【００３４】また、最終的に表示されるべき６軸力の大
きさを図３に示した態様でグラフィック表示する為のプ
ログラムもＲＯＭ２内に格納されている。その際、図３
に示したように、実際に設定されるツール座標系Σt
（図２参照）に対応した座標系をＣＲＴ画面上にハンド
周辺の模式映像と共に表示するようにプログラムを組ん
でおくことによって、接触力に由来して発生している６
軸力の大きさと方向をより明確にオペレータに認識させ
ることが容易となる。

【００３５】本実施例においては、上記構成と機能を有
するシステムを利用して、図２に示されたような嵌め合
い作業に関するティーチングを実行するケースを考え
る。設定されるツール座標系Σt とセンサ座標系Σs の
関係及び力センサにかかる自重分の重心についても、図
２に併記されているものを想定する。

【００３６】図２を説明すると、１はロボット本体３０
の手首部で、その先端に形成された取り付け面に力セン
サ４０が取り付け固定されている。力センサ４０の先端
部分には装着面が形成されており、作業内容に応じてハ
ンド、エフェクタ等が装着出来るようになっている。こ
こでは、図示形状のハンド３が装着される。該ハンド２
には第１のワーク３が把持され、これを第２のワーク４
の特定位置に形成された凹部５に嵌入する作業を教示す
る様子が描かれている。

【００３７】図示した状態において、第１のワーク３と
第２のワークは接触状態にあり、第１のワーク３は接触
点６を作用点として、矢印で示したような力Ｆを第２の
ワーク４から受けている。この力は、第１のワーク３、
ハンド２を介して力センサ４０の検出部（歪ゲージ）に
伝達され、力センサ４０に設定されているセンサ座標系
Σs （Ｏs −ＳxＳy Ｓz ）に関する６軸力が検出さ
れ、上述したように、検出信号処理装置５０を介して位
置教示支援ディスプレイコントローラ１０に送られる。

【００３８】一方、第１のワーク３の先端中心部にはＯ
t を原点とするツール座標系Σt （Ｏt −Ｔx Ｔy Ｔz
）が設定される。各座標軸Ｔx 、Ｔy 、Ｔz は、セン
サ座標系Σs の各座標軸Ｓx 、Ｓy 、Ｓz と各々平行に
選ばれており、両座標系間の距離はＬである。

【００３９】このような条件が満たされている場合、Σ
s データとΣt データの変換計算式の具体的内容は次の
ようにして求められる。作用の説明の欄で用いた表記を
そのまま使用することにし、センサ座標系Σsで表わさ
れる重力補正後の６軸力を＜ｆ＞sc＝（ｆxc、ｆyc、ｆ
zc）、モーメントを＜ｍ＞sc＝（ｍxc、ｍyc、ｍzc）で
表わす。重力補正前の値を＜ｆ＞s 及び＜ｍ＞s 、重力
補正分を＜ｆ＞sg＝（ｆxg、ｆyg、ｆzg）及び＜ｍ＞sg
＝（ｍxg、ｍyg、ｍzg）とすると、 ＜ｆ＞sc＝＜ｆ＞s −＜ｆ＞sg＝（ｆxc、ｆyc、ｆzc）＝（ｆx −ｆxg、 ｆy −ｆyg、ｆz −ｆzg） ・・・（５） ＜ｍ＞sc＝＜ｍ＞s −＜ｍ＞sg＝（ｍxc、ｍyc、ｍzc）＝（ｍx −ｍxg、 ｍy −ｍyg、ｍz −ｍzg） ・・・（６） である。

【００４０】重力補正された６軸力＜ｆ＞sc、＜ｍ＞sc
をツール座標系Σt に変換した各軸方向の成分を、 ＜ｆ＞tc＝（ｆ'xc 、ｆ'yc 、ｆ'zc ） ・・・（７） モーメント成分を、 ＜ｍ＞sc＝（ｍ'xc 、ｍ'yc 、ｍ'zc ） ・・・（８） で表わせば、下記の各関係式が成立する。（＜ｆ＞sc及
び＜ｍ＞scを重力補正前の＜ｆ＞s 及び＜ｍ＞s に置き
換えても、同様の関係が成立する。） ｍ'xc ＝＜ｎ＞・［（＜ｆ＞sc×＜ｐ＞）＋＜ｍ＞sc］ ・・・（９） ｍ'yc ＝＜ｏ＞・［（＜ｆ＞sc×＜ｐ＞）＋＜ｍ＞sc］ ・・（１０） ｍ'zc ＝＜ａ＞・［（＜ｆ＞sc×＜ｐ＞）＋＜ｍ＞sc］ ・・（１１） ｆ'xc ＝＜ｎ＞・＜ｆ＞sc ・・（１２） ｆ'yc ＝＜ｏ＞・＜ｆ＞sc ・・（１３） ｆ'zc ＝＜ａ＞・＜ｆ＞sc ・・（１４） ここで、「・」「×」は各々内積と外積を表わす。ま
た、各ベクトル＜ｎ＞、＜ｏ＞、＜ａ＞及び＜ｐ＞は、
ツール座標系Σt をセンサ座標系Σs から見た時の各座
標軸Ｔx 、Ｔy 、Ｔz の向きを表わす単位ベクトル及び
原点位置を表わすベクトルである。

【００４１】図２の様に座標設定を行なえば、各ベクト
ル＜ｎ＞、＜ｏ＞、＜ａ＞、＜ｐ＞の各成分は、次の通
りとなる。 ＜ｎ＞＝（１、０、０） ・・（１５） ＜ｏ＞＝（０、１、０） ・・（１６） ＜ａ＞＝（０、０、１） ・・（１７） ＜ｐ＞＝（０、０、Ｌ） ・・（１８） これら（１５）式〜（１８）式を（９）式〜（１４）に
代入すれば、次の様なΣs −Σt 変換式を得ることが出
来る。 ｍ'xc ＝＜ｎ＞・［（＜ｆ＞sc×＜ｐ＞）＋＜ｍ＞sc］ ・・（１９） ｍ'yc ＝＜ｏ＞・［（＜ｆ＞sc×＜ｐ＞）＋＜ｍ＞sc］ ・・（２０） ｍ'zc ＝＜ａ＞・［（＜ｆ＞sc×＜ｐ＞）＋＜ｍ＞sc］ ・・（２２） ｆ'xc ＝＜ｎ＞・＜ｆ＞sc ・・（２２） ｆ'yc ＝＜ｏ＞・＜ｆ＞sc ・・（２３） ｆ'zc ＝＜ａ＞・＜ｆ＞sc ・・（２４） また、力センサ４０の検出出力に影響を及ぼす自重系の
重量をＷ、重心位置をＧ（０、０、Ｌ' ）とし、センサ
座標系Σs の原点Ｏs から重心位置Ｇへ向かうベクトル
を＜ｇ＞で表わすことにすると、図２のケースでは、＜
ｇ＞、Ｓz 、Ｔz の３者は１直線上に乗ることになる。
そして、鉛直方向下向き方向の単位ベクトルを＜Ｅ＞＝
（Ｅx 、Ｅy 、Ｅz ）とすれば、＜ｆ＞sg及び＜ｍ＞sg
の各成分（ｆxg、ｆyg、ｆzg）及び（ｍxg、ｍyg、ｍz
g）は、次のように表わされることなる。（ここでは、
センサ座標系Σs とツール座標系Σt の向きは同一であ
るから、Ｅx 、Ｅy 、Ｅz は両座標系に共通の表記とす
る。） ｆxg＝ＷＥx ・・・（２５） ｆyg＝ＷＥy ・・・（２６） ｆzg＝ＷＥz ・・・（２７） ｍxg＝−Ｌ' ＷＥy ・・・（２８） ｍyg＝Ｌ' ＷＥX ・・・（２９） ｍzg＝０ ・・・（３０） これら（２５）式〜（３０）式を用いて、（５）式、
（６）式を書き直せば次のようになる。

【００４２】 ｍxc＝ｍx ＋Ｌ' ＷＥy ・・・（３１） ｍyc＝ｍy −Ｌ' ＷＥx ・・・（３２） ｍzc＝ｍz ・・・（３３） ｆxc＝ｆx −ＷＥx ・・・（３４） ｆyc＝ｆy −ＷＥy ・・・（３５） ｆzc＝ｆz −ＷＥz ・・・（３６） 結局、図２に示された事例においては、（３１）式〜
（３６）式を使って、（１９）式〜（２４）式の各右辺
を計算し、その結果を図３に例示したような態様に従っ
てグラフィック表示すれば良いことになる。単位ベクト
ル＜Ｅ＞の各成分Ｅx ,Ｅy ,Ｅz は、Ｚ軸を鉛直下向き
にとったワーク座標系Σo （図２参照）に対するツール
座標系Σt の姿勢を表わしており、そのデータはロボッ
トコントローラ２０から得られる各軸の現在位置データ
から計算することが出来る。

【００４３】表示位置教示支援ディスプレイコントロー
ラ１０のＣＰＵ１１が行なう６軸力表示の為の処理の概
要の一例を記せば、図４のようになる。必要なプログラ
ムの入力、力センサ４０の装着とキャリブレーション、
ツール座標系Σt の設定、重力補正の為のＬ' 及びＷの
データの入力（作用の説明の欄で述べたように、ロボッ
トアームに水平方向、鉛直方向等の姿勢を取らせた状態
で観測される６軸力値に基づいて、重力補正の為の差引
量＜ｆ＞sg、＜ｍ＞sgのデータを求めても良い。）等、
必要な準備作業はすべて完了しているものとしてこれを
説明する。

【００４４】プレイバック方式の再生運転の為のティー
チング作業の開始前後の適当な時点で、位置教示支援デ
ィスプレイコントローラ１０、力センサ４０、検出信号
処理装置５０、ＣＲＴモニタ６０等の電源をオンし、キ
ーボード１６から表示開始の指令を与えて、６軸力の表
示処理を開始する（スタート）。先ず、ロボットコント
ローラ２０へ向け、ロボット各軸の現在値データの送信
指令を通信インターフェイス１５を介して送信する（ス
テップＳ１）。

【００４５】ロボットコントローラ２０からの送信待ち
状態を経て（ステップＳ２）、ロボットの各軸値データ
を通信インターフェイス１５を介して受信する（ステッ
プＳ３）。受信された各軸値データに基づいて鉛直下向
き単位ベクトル＜Ｅ＞の各成分Ｅx 、Ｅy 、Ｅz を計算
する（ステップＳ４）。次いで、検出信号処理装置５０
内のマルチプレクサに制御信号をセンサインターフェイ
ス１４を介して送り、受信したセンサ４０の検出データ
を、予めＲＡＭ１３に格納したマトリクスデータを利用
して６軸力に変換してセンサ座標系Σs 上で表わされた
６軸力データ、＜ｆ＞s 、＜ｍ＞s を獲得する（ステッ
プＳ５）。

【００４６】＜ｆ＞s 、＜ｍ＞s の各成分に対して、ス
テップＳ４で求めたベクトル＜Ｅ＞のデータを使い、前
述（３１）式〜（３６）式に相当する計算を実行し、重
力補正された６軸力データ＜ｆ＞sc、＜ｍ＞scを得る
（ステップＳ６）。更に、前述（１９）式〜（２４）式
に相当する計算を行なって、ツール座標系Σt 上で表現
された重力補正済みの６軸力データ＜ｆ＞tc、＜ｍ＞tc
を獲得する（ステップＳ７）。最後に、このＴx 、Ｔy
Ｔz 各軸方向の力＜ｆ＞tc、及び各軸回りのモーメント
＜ｍ＞tcの成分データｆ'xc 、ｆ'yc 、ｆ'zc 、ｍ'xc
、ｍ'yc 、ｍ'zcを図３に示されたような態様でグラフ
ィック表示する。

【００４７】ＣＲＴモニタ６０に表示出力を送り出した
ならば、表示終了の指令がキーボード１６から入力され
ているか否かを判断し（ステップＳ９）、入力がなけれ
ば表示画面をそのままに維持しながら、ステップＳ１へ
戻り、ステップＳ２〜ステップＳ９の処理を繰り返す。
２サイクル目以降のステップＳ８の処理は、表示画面の
更新の形で行なわれる。オペレータがキーボード１６か
ら表示の終了を入力すると、ステップＳ９でイエスの判
断がなされて、モニタ画面上の６軸力の表示が終了され
る（エンド）。

【００４８】なお、図３では表示の体裁を考慮して、６
軸力各成分を、Ｆx 、Ｆy 、Ｆz 、Ｍx 、Ｍy 、Ｍz で
表示し、ツール座標系Σt の各座標軸Ｔx 、Ｔy 、Ｔz
を、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸として表示すると共に、各座標軸回り
のモーメント成分の向きを矢印で表わす表示法が採用さ
れている。画面の見易さから考えて、６軸力の表示方式
はこのようなグラフィック表示とするのが合理的と思わ
れるが、数字のみの表示、グラフィック表示と数字表示
の併用等の形態を採用しても良いことは勿論である。

【００４９】また、６軸力の各成分に何段階かのレベル
を設定出来るようにして、警戒レベルを越えたら赤色表
示を出したり、ブザーを鳴らす等の音響的表示手段を適
宜用いるという表示方式も考えられる。

【００５０】ティーチング字のロボットの姿勢（ツール
座標系Σt の姿勢）の変化がゆるやかである場合には、
ステップＳ５〜ステップＳ９を数回繰り返す毎にステッ
プＳ１〜ステップＳ４を実行するように処理フローを改
めて（モードの選択切換によっても良い。）、処理時間
の短種を図り、ＣＲＴモニタ６０の画面がよりリアルタ
イムに６軸力測定値を表示出来るようにすることも考え
られる。

【００５１】更に、上記実施例では図２、図３に示され
ているように、力センサ４０にハンド２を装着し、該ハ
ンド２にワーク３を把持する配置がとられているが、力
センサ４０に直接ツールを装着する配置とした場合で
も、上記説明に実質的な変更を特に加える必要がないこ
とも明らかであろう。

【００５２】

【発明の効果】本願発明によれば、ティーチング・プレ
イバック方式により産業用ロボットの位置教示と再生運
転を行う場合のティーチング作業時に、ツールポイント
に作用している６軸力（方向と大きさ）をＣＲＴ等の表
示手段の画面上で視認しながらロボットを操作して位置
教示を実行出来るので、オペレータの安全を損なうこと
なく高い位置合わせ精度を実現することが出来る。高い
位置合わせ精度が要求される嵌め合い作業等に対するテ
ィーチングを実行する場合や、接触部分が死角に入る場
合、作業スペース、安全確保等の理由から接触部分にア
クセスすることが困難な状態が想定される場合等におい
て、本願発明の有用性は特に大である。

【００５３】また、力センサで検出された６軸力をツー
ル座標系上のデータに変換するに先だって、ロボットに
支持された部分にかかる重力に由来する力センサ出力成
分を補償することにより、ティーチング時の接触力に由
来する力のみを抽出表示することが可能なので、ロボッ
トの姿勢の変化に影響されない形で、より正確な接触力
をオペレータにリアルタイムに知らせることが出来る。
これにより、重力に由来した力を接触力と誤認して、不
正確な位置教示を行なう等の恐れが取り除かれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の産業用ロボットの位置教示支援用力
表示装置を組み込んだシステムの一例の要部ブロック図
である。

【図２】ロボット手首部に搭載される力センサ、ロボッ
トハンド、把持物体、作業対象物等の配置関係を模式的
に描いた図に、センサ座標系とツール座標系の設定例及
び自重系の重心位置を併記したものである。

【図３】ティーチング作業時にＣＲＴモニタ画面上に映
し出される６軸力グラフィック表示の一例を模式的に示
した図である。

【図４】６軸力を表示する為の処理の概要を示したフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１ ロボットアーム ２ ハンド ３ 第１のワーク ４ 第２のワーク ５ 凹部 １０ 位置教示支援ディスプレイコントローラ １１ 中央演算処理装置（ＣＰＵ） １２ ＲＯＭ １３ ＲＡＭ １４ センサインターフェイス １５ 通信インターフェイス １６ キーボード １７ モニタインターフェイス １８ バス ２０ ロボットコントローラ ３０ ロボット本体 ４０ 力センサ ５０ 検出信号処理装置 Σs （Ｏs −Ｓx Ｓy Ｓz ） センサ座標系 Σt （Ｏt −Ｔx Ｔy Ｔz ） ツール座標系 Σo （Ｏ−Ｘo Ｙo Ｚo ） ワーク座標系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 産業用ロボットの手首部に搭載された力
   センサと、該力センサによって検出された６軸力をツー
   ル座標系上で表現される６軸力データに変換する変換手
   段と、前記ツール座標系上で表現される６軸力データに
   対応した情報を表示する表示手段とを備えた位置教示支
   援用力表示装置。
2. 【請求項２】 前記産業用ロボットに支持された質量部
   分にかかる重力に由来する前記力センサ出力成分を補償
   する手段を備えた請求項１に記載の産業用ロボットの位
   置教示支援用力表示装置。