JPH0690104B2 - 力センサの変換行列をキヤリブレ−シヨンする方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ロボットに装着される６軸力センサ（即ち力
の３成分とトルクの３成分を検出できる）における歪電
圧と力（力とトルクを総称して“力”と示す）との関係
を示す変換行列を自動的に検出する力センサの検出方法
及びその装置に関するものである。

〔従来の技術〕

力センサはロボットに装着され、その該当部分の力と歪
電圧との関係を見出す。歪電圧と力との関係は、一義的
に決定されるものであり、数式上は、次式となる。

＝〔Ｂ〕 ………（１） ここで、は、センサに加わる力、は歪電圧である。
〔Ｂ〕は、ととの関係を示す定数であり、一般に変
換行列と呼ばれる。ととは共にベクトルで表現でき
る。

変換行列［Ｂ］を求める従来例には、米国特許第409419
2号がある。

この従来例の測定装置を第９図に示す。ベース１に力セ
ンサ２を固定して取付ける。力センサ２の移動部３にケ
ーブル４を取付け、このケーブル４の先端に滑車を介し
て分銅５をつり下げる。かかる装置で、分銅５の重さを
変えたり、ケーブル４の取付方向を変えたりする。これ
によって、変換行列に必要なデータを得、変換行列の算
出を行う。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この従来例は、変換行列を求める有力な方法であるが、
多くの労力と時間を必要とする問題点を持つ。また力セ
ンサをロボットに装着し、衝撃力等で力センサの特性値
が変動した場合、その都度ロボットからはずして算出し
なければならなかった。

本発明の目的は、ロボット自体に装着された力センサの
特性値である変換行列をキャリブレーションできるよう
にした力センサの変換行列のキャリブレーションする方
法及び装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、ベース上を垂直
軸まわりに旋回する旋回台と、該旋回台上を水平軸に中
心に回転する上腕と、該上腕の先に回転自在に連結され
た前腕と、該前腕の先端に３自由度でもって回転可能な
リスト部と、該リスト部の先端にワークを把持するハン
ド部と、これらを駆動制御する制御装置とを備えた関節
形ロボットであって、前記ロボットのリスト部とハンド
部との間に力センサを装着し、該ハンド部に重量及び重
心位置が既知の重りを取付けまたは把持し、前記制御装
置からの指令で前記ロボットの各駆動源を作動させ、前
記ロボットに装着させた力センサの姿勢を上向きと下向
きに変化させ、前記ロボットの各関節に設けられたエン
コーダの信号に基づいて検出される力センサの姿勢、位
置情報と、データとして入力された重り、ハンド部等の
重量及び重心位置とによって力及びモーメントからなる
力を求め、力センサから得られる上向きの歪電圧up
とdowから、ｄ＝（up＋dow）/2なる演算をし
て、力センサの内部重量によって発生する力センサから
の歪電圧ｄを算出し、歪電圧＝ｏ−ｄ（ｏは
実際に力センサから検出される歪電圧）と前記力及びモ
ーメントからなる力とにより所定の演算式により力セ
ンサの変換行列［Ｂ］を演算して記憶させ、力センサの
変換行列［Ｂ］をキャリブレーションすることを特徴と
する。

〔作用〕

本発明は、ロボットに力センサと標準ワーク（重り）を
装着して異る姿勢を取らすことが、力センサに対して多
くの独立な力（力とモーメント）を加えたことと同等に
なると共に、ロボット自体から姿勢及びその座標が同時
に検出することができることに着目してなされた。即
ち、ロボットに力センサ及び適切な標準ワーク（重り）
を装着させた状態で、ある条件に基づき、首を振らして
数種の異る姿勢を取らすだけでロボット自体から検出さ
れる姿勢及び座標に基づいて自動的に変換行列をキャリ
ブレーションできるようにしたことにある。

また本発明は、４次元以上について感応する力センサに
つき変換行列［Ｂ］をキャリブレーションする場合に
は、異なった標準ワーク（重り）を力センサに装着する
ことが必要となる。

また、本発明はｎ次元について感応する力センサについ
ては（ｎ＋１）以上の線形独立な力を付与し、バイアス
値を含んだ変換行列［Ａ］としてキャリブレーションす
ることを特徴とするものである。

〔実施例〕

以下本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

第２図は、本発明に係る力センサを装着したロボットを
示す図である。６自由度を有するロボット10としては様
々の形態で知られている。

このロボット10は旋回台10a,上腕10b,前腕11を備え付
け、その前腕11の先に３自由度を有するリスト（手首）
10cが設けられ、リスト10cとハンド部13との間に力セン
サ12を取付けている。

この力センサ12は、歪ゲージであり、ハンド部13に加わ
った力に感応して６自由度について力対応の歪電圧を発
生する。ここで、力とは、力とモーメントとの両者を云
う。この力は、６次元ベクトルとなる。

ベースの座標軸（o_b-x_b-y_b-z_b）と力センサ12の座標軸
（o_s-x_s-y_s-z_s）とは第２図に示す如く異なる。

力センサ12の構成を第３図に示す。外部部材21と内部部
材23と薄板部材22とより成る。外部部材21はリスト10c
に固定し、内部部材23はハンド部13に固定する。薄板部
材22は、内部部材23と外部部材21とを連結する。この薄
板部材22の一部に歪ゲージ24を取付ける。

この構成で、ハンド部13に力が加わると、それに連結し
た内部部材23に力が伝わり、連結板24を介して歪ゲージ
24がたわむ。この歪み対応の電圧が歪みゲージ24の出力
端子に現われ、電圧の検出となる。ここで、薄板部の数
寸法，取付位置，及び歪ゲージの貼付ける枚数位置等を
適切に定めることによって、力と歪電圧との関係が一義
的に定まる。従って、歪電圧の大きさから力を検出でき
る。この力と歪電圧との関係を定めるのが、剛性変換行
列［Ｂ］である。しかしながらこの剛性変換行列［Ｂ］
は、力センサ12をロボットに取付けた後、経時変化やハ
ンド部に衝撃的な力が加わったりして変動することは十
分考えられる。そこでこの力センサをロボットに取付け
た状態で剛性変換マトリックス〔Ｂ〕をキャリブレーシ
ョンすることが必要となる。

ところでロボット10には、力センサ13から検出される力
信号やその他記憶されているプログラムに従って所定の
動作をさせるために、第８図に示すように制御装置40が
接続されている。

即ち、ベース上を垂直軸まわりに旋回する旋回台10a
と、この旋回台10a上を水平軸を中心に回転する上腕10b
と、この上腕10bの先に回転自在に連結された前腕11
と、この前腕11の先端に図示の如く３自由度でもって回
転出来るように構成されたリスト（手首）10cとを有す
る関節形ロボット10であって、この関節形ロボット10の
リスト10cの先に力センサ12を取付け、この力センサ12
によりロボットに加えられた力を検出し、またロボット
10の各動作要素10a,10b,11,10cの各々を駆動するモータ
Ｍ等に連結されたエンコーダPE等からロボットの現在位
置を検出するようになっている。なお、モータＭには各
動作要素の回転速度を検出できるようにタコジェネTG等
が連結されている。またロボットのリスト10cに対象物
との距離を検出する近接センサ等を取付けてもよい。

このようにしてロボットの位置，力センサ12から検出
される電圧等をマイコンで構成された制御装置40に取
込み、更に位置_ｒ，姿勢，，，力_ｃ，重りの
重量，重りの重心位置，ハンド部の重量，ハンド部の重
心位置，力センサの内部重量，力センサの重心位置，動
作経路を作成するための所定の点の教示，等の指令値を
操作卓45等から制御装置40に入力して与えられる。即ち
制御装置40は例えばマイクロプロセッサ41と、RAM42
と、ROM43と、演算部44と、操作卓45に接続するインタ
ーフェース回路（I/F）46と、D/A変換回路50と、エンコ
ーダPEからの出力を計数するカウンタ51と、アンプ52か
ら出力されるアナログ信号をティジタル信号に変換する
A/D変換回路53とそれらを接続するバスライン47とから
構成されている。

ここで位置_ｒ，力_ｃ等の指令値は０でもよいがこの
ときは、ロボットはハンド部13に与えられる力によっ
てのみ動作する。即ち受動的な機構となる。一般的ハン
ド部13に力が加わらず（或いはセンサ類12を取付けず
に）位置_ｒ，力_ｃ等の指令値のみが与えられたとき
はその指令値によって動きを定められる。

いずれにしても制御装置40は、サーボアンプ49に対し、
ロボットの関節角速度θの指令値を出力し、ロボット10
を動作させる。

制御装置40の座標変換は、ロボットの各関節のエンコー
ダPEからの信号をカウンタ28で計数して現在位置を受
け、間接角度／ハンド系の直交座標なる座標変換を
行なう。実際にはマイクロプロセッサ41からの指令で演
算部44が行う。またロボットに加わる外力を、力セン
サ12が検出し、力センサ12を構成している歪ゲージの電
圧として、制御装置40は、A/D変換回路53を介して取
込む。力算出部は、，（）を取込みまず歪ゲージ
の電圧を歪／力の変換マトリックス〔Ｂ〕等により力
に変換する。実際には、マイクロプロセッサ41からの指
令で演算部44が行う。次にハンド部13及びハンドが把持
する物の重量が大きい場合には、ハンドの姿勢によって
力センサ12に与える値が異る。このため、剛性変換マト
リックス〔Ｂ〕をハンド部13の姿勢，位置に基づいて
キャリブレーションし、これによる影響を取り除き、実
際にロボットに加わった力を算出する。

こうして算出された値がであり、制御主要部に与えら
れる。制御主要部によって、ハンド部13が動作すべき速
度が算出される。次にはハンドに固定された座標系
での値であるので、これを座標変換によって、ベースの
座標系での速度_０に変換する。

この後、直交座標系での速度_０から、関節角度算出部
によってロボット各軸が取るべき、角速度が出力され
る。ただし＝J^-1υ_０（ここにJ^-1は逆ヤコビアン行列
と呼ばれ、その要素はロボットの各関節角度の関数で
ある。）これに基づき、サーボアンプ49が作動し、ロボ
ットの各関節用のモータＭが動作する。

制御主要部には、上記のロボットからの力、ロボット
の位置以外に、力，位置の指令値_ｃ，_ｒが入力さ
れ、ハンド部の速度が出力される。

ところで力センサ12から検出される電圧値から力セン
サ12に印加された力を算出しなければならない。その
算出のための剛性変換マトリックス〔Ｂ〕を予めキャリ
ブレーションして定めておく必要がある。このように本
発明の特徴とする力センサの変換マトリックス〔Ｂ〕
を、力センサをロボットに取付けた状態でキャリブレー
ションする方法について以下具体的に説明する。

〔１〕（１）変換行列〔Ｂ〕を求めるための前提事項。

力センサ12の歪電圧は、厳密には、 ＝_０−_ｄ ………（２） で規定できる。ここで、_ｄは、力センサ12に力が加わ
らない（内部重量も力とみなす）時の発生電圧である。
この_ｄは、ｎ次元ベクトルとなる。_０は、力センサ
12に力（内部重量も力とみなす）が、実際に加わった時
に発生する電圧である。この電圧_０もｎ次元ベクトル
となる。但し、ｎ≧６である。

力は、力センサ12に加わる力であり、センサ座標系で
考える。この力は、力・モーメントより成り、６次元
ベクトルとなる。

更に、力と歪電圧とは、線形な関係にあるものとす
る。この結果、 ＝〔Ｂ〕 ………（３） が成立する。ここで、〔Ｂ〕は、６行ｎ列の行列とな
る。

（２）電圧ｄを求めるための手順。

内部重量Win、内部重量の重心位置in（第２図で示し
たo_s-x_s-y_s-z_sで示されるセンサ座標系（以後Ｓ系と称
す）で表わされた値）とは設計図等を利用して事前に求
まる故、操作卓45から入力できる既知と考えてよい。

内部重量Winを取り除いた時の歪ゲージ電圧ｄを求め
たいが、Winはセンサの一部であり取除くことはできな
い。そこで、以下の方法をとる。

力センサ12をロボットのアーム部11の先端に取付ける。
更に、力センサ12の先端には何もつけない。

そこで、センサ座標系の座標軸z_sを下向き、即ち重力の
方向を向くように第８図に示すコントロールテーブル45
から位置，，，姿勢，，等を入力してロボ
ット10を操作する。座標軸z_sが重力方向になった条件下
で、力センサ12で歪電圧を測定する。この歪電圧をdo
wとする。

次に、センサ座標系の座標軸z_sを上向きの姿勢とし、こ
の姿勢のもとで力センサ12で歪電圧を測定する。この歪
電圧をupとする。

dowとupとより、電圧ｄは、次式で求める。

この下向き、上向きとは、姿勢を重力方向に関して反転
するとの考え方であり、これにより、力センサに加わる
内部重量によって生じる力とモーメントとのそれぞれの
正負が反転し相殺されて零となる。今、下向き姿勢時の
重力方向の単位ベクトルをdow（Ｓ系表示），上向き
姿勢時の重力方向の単位ベクトルをup（Ｓ系表示）と
する。但し、いずれも、センサ座標系で考える。この場
合 dow＝−up ………（５） となる。そこで、力，モーメントは、 となる。

従って、（４）式は正しく、（４）式より電圧ｄが求
まることとなる。

（３）歪電圧と力とを求めるための手順。

第２図で示したハンド部13の代りに、標準ワークを力セ
ンサ12に取付ける。第４図に標準ワークを取付けた際の
斜視図を示す。標準ワーク31は、重量Wst,座標系のもと
での重心位置stとする。このWst,stは共に操作卓45
から入力できる既知とする。

内部重量Winに対してWstなる標準ワーク31を付加したこ
ととなるから、両者の重量Ｗは、 Ｗ＝Win＋Wst ………（８） となる。

一方、重心位置（Ｓ系表示）は、 ＝（Win・in＋Wst・st）／（Win＋Wst）…（９） となる。

ここで、第２図に示す如く、リスト10cのベースの座標
系（o_b-x_b-y_b-z_b）において、重力方向を示す単位ベク
トルを_ｂとする。この_ｂはエンコーダPEから検出さ
れるに基いて得られる既知の値である。センサ座標系
での重心方向を示す単位ベクトルを_ｓとする。センサ
座標系での各座標軸方向の単位ベクトルを，，と
する。この条件下では次式が成立つ。_ｓ ＝〔，，〕^Ｔ・_ｂ ………（10） さて、力センサの内部重量と標準ワークの重量の双方を
考慮したもとでの力・モーメントはまとめてとする
と、 となる。ここではセンサ座標系で力センサに働く並進
力、はセンサ座標系での原点まわりのモーメントを表
す。

＝Ｗ・_ｓ ………（12） ＝ｄ×Ｗ・_ｓ＝× ………（13） である。したがっては６次元ベクトルである。

ベクトルの６要素は、力のx,y,z軸成分、モーメント
のx,y,z軸成分を云う。

一方、歪電圧は、（２）式より求まる。即ち、実際の
歪電圧_０を求め、この_０んら電圧ｄを差引けば、
Ｖを求めることができる。

（４）変換行列〔Ｂ〕を求めるための手順。

以上の（３）項で述べた工程は、１つの姿勢と１つの標
準ワークのもとでの１つの測定例である。実際には、操
作卓45から指令し、ロボットの姿勢を変化させ、標準ワ
ークを変化（重量や重心位置の変化）させたそれぞれの
条件のもとで測定することとなる。

そこで、（姿勢a₁，ワークb₁），（姿勢a₂，ワーク
b₂），…，（姿勢a_m，ワークb_m）のもとでそれぞれ測定
を行うと、 が得られることとなる。（14）式を行列でまとめると、 〔_１，_２，…，_ｍ〕＝〔Ｂ〕〔_１，_２，…，
_ｍ〕 ………（15） となる。ここで、〔_１，_２，…，_ｍ〕は６行ｍ列
の行列，〔Ｂ〕は６行ｎ列の行列、〔_１，_２，…，
_ｍ〕はｎ行ｍ列の行列となる。但し、ｍ≧6,n≧６で
ある。また、_１，_２，…，_ｍの中には少なくとも
６個の独立なベクトルを含むこととする。

（15）式は、〔_１，_２，…，_ｍ〕を〔Ｆ〕，〔
_１，_２，…，_ｍ〕を〔Ｖ〕とおくと、 〔Ｆ〕＝〔Ｂ〕〔Ｖ〕 ………（16） となる。従って、 〔Ｂ〕＝〔Ｆ〕〔Ｖ〕^＊ ………（17） となる。但し、 〔Ｖ〕^＊＝〔Ｖ〕^Ｔ〔〔Ｖ〕〔Ｖ〕^Ｔ〕^−１ ………（1
8） である。（17）式より、変換行列〔Ｂ〕を求めることが
できる。

〔２〕（１）変形例。

以上の実施例は、姿勢及びワークの異なるセット（例え
ば６個のセット）による方法であったが、他の方法もあ
る。

これは、第６図及び第７図に示すような重心位置の異な
る２種類のワーク、一例としてワーク34,ワーク35を用
い、１つのワークに対し３種類以上の異なる姿勢をとら
せ、力センサに加わる力_１，_２…，_ｌを求める方
法である（但し、ｌ≧６）。この力_１〜_ｌは以下に
述べるように少なくとも６個の独立した力を含むもので
あり、（15）式に_１〜_ｌを代入し、対応する歪ゲー
ジの電圧_１，_２，…，_ｌを_１，_２，…，_ｍ
に代入すれば（17）式より〔Ｂ〕を得ることができる。

（２）６個の独立した力を加える方法 第11図において、力センサの姿勢を変化させるのにロボ
ット10を使用し、このロボット10のリスト部10cに取付
けた力センサ12の先に重心位置及び重量の既知のハンド
部13に重心位置及び重量の既知の重なり14を吊り下げる
ことにより、力センサ12に独立な力を加えている。地球
の重力方向の反対方向をｚ軸とし、任意にx,yの座標軸
を決める。次にこの基本座標で表わした力センサ12の姿
勢を，，ベクトルで表わすものとする。，，
は、センサ系の座標軸を基本座標系でみた場合の方向
余弦である。ここで、第７図に示すようにセンサ系でみ
た重り14（ハンド部13含む）までの位置ベクトルを，
重量をＷとすると、重り14により力センサ４に働く並進
力及びモーメントは次式で表わされる。

＝（−Wfz,−Wgz,−Whz） ………（19） ＝× ………（20） 但し＝（fx,fy,fz） ………（21） ＝（gx,gy,gz） ………（22） ＝（hx,hy,hz） ………（23） １つのワークにより（10）又は（19），（11）又は（2
0）式から明らかなように力センサの姿勢を変化させる
ことにより，が十分に変化することがわかる。しか
し、このようにして力センサに加えることのできる力及
びモーメントは３組までしか線形独立でない。ここで、
ｑベクトルを並進力のベクトル，及びモーメントのベ
クトルからなる６次元ベクトルとする。これはとりも
なおさず、行列〔Ｆ〕の列成分ベクトルである。

＝〔^Ｔ，^Ｔ〕^Ｔ ………（24） 但し、Ｔは転置を表わす。

ここで、ベクトルが６つ独立ならばよいわけである
が、及びＷが一定のときには線形独立なものが３組し
か出来ない。まず、の成分である並進力に着目すると
_１，_２，_３が同一平面上に存在しなければ明らか
に_１，_２，_３は線形独立となり、このとき当然
_１，_２，_３は線形独立となる。そこでもう一つの
がどうか調べる。は ＝〔^Ｔ，^Ｔ〕^Ｔ（≧４） ………（25） で表わされる。ここで、_１，_２，_３が線形独立で
あったことから、明らかにｆは、 ＝ａ_１＋ｂ_２＋ｃ_３ ………（26） （但し、a,b,cは任意の実数） となり、f₁，f₂，f₃の和で表わされる。したがって
は線形従属となる。次にを調べる。

（13）又は（20）式より ＝× ………（27） （21）式に（26）式を代入し整理すると、 ＝×（ａ_１＋ｂ_２＋（ｃ_３） ＝ａ（×_１）＋ｂ（×_２）＋ｃ×_３） ＝am₁+bm₂+cm₃ ………（28） （26）式及び（28）式より ＝ａ_１＋ｂ_２＋ｃ_３ ………（29） となる。

したがって、は_１＋_２＋_３の和で表わされる
ことから線形従属である。以上よりW,が一定の場合に
は線形独立な力は３組しか得られないことがわかる。
（12）又は（19），（13）又は（20）式よりＷを変化さ
せてもは、定数倍となるだけであることから他の独
立な力を得るには重心位置までの位置ベクトルを変化
させる必要がある。したがって、４組以上の線形独立な
力を加えるには重心位置の異なる重りと取り換えればよ
いことになる。以上まとめると３種類以内の力を感知で
きる力センサにおいては３組までの独立な力を加えれば
よいことから一つの重りですみ、４種類以上の力を感知
する力センサにおいては、４つ以上の独立な力を加える
必要があることから２種類の重りが必要となることがわ
かる。

〔３〕（１）他の変形例。

前述の例は一例であり、ワークの種類やワークの数及び
姿勢の種類や姿勢の数は、最低６個の独立したを含ん
でいるとの条件さえ満たせば、どの様に選んでもかまわ
ない。従って、〔Ｂ〕を算出する時の条件、例えば （イ）ワークの種類の変更を少なくしたい （ロ）ワークの姿勢はできるだけ下向き姿勢に近くした
い （ハ）精度の良い〔Ｂ〕を得たい 等の各要求に応じて適切な組合せを選べばよい。また、
姿勢を説明する便宜上、ｏ′_ｂ−ｘ′_ｂ−ｙ′_ｂ−ｚ′
_ｂ座標系を定義したが、必要に応じて他の座標系であっ
てもよい。

〔４〕（１）電圧ｄを含めた変換行列を求める方法。

本発明のもう一つの特徴として変換行列の中にオフセッ
トの力・モーメントを一つの列成分としてもつ変換行列
〔Ａ〕を用いる方法がある。

第１図に示すように、ある任意の力＝（fx ,fy ,
fz ,mx ,my ,mz ,1）を力センサに加えたとき、力
センサから出力されるデータを＝（υ_１，
υ_２，υ_３，υ_４，υ_５，υ_６,1）とする
と、力のベクトルを列成分とする行列〔Ｆ〕と、力セン
サデータを列成分とする行列〔Ｖ〕が得られる。これを
まとめると、 〔Ｆ〕＝（_１，_２，…，_７，…，_ｌ）…（30） 〔Ｖ〕＝（_１，_２，…，_７，…，_ｌ）…（31） となる。ここでｌ≧７である。これらと剛性マトリクス
〔Ａ〕との間には明らかに次の関係式が成立つ。

〔Ｖ〕＝〔Ａ〕〔Ｆ〕 ………（32） したがって、〔Ｆ〕が逆行列〔Ｆ〕^−１を持つかあるい
は凝似逆行列〔Ｆ〕_＊をもつかすれば剛性マトリクス
〔Ａ〕を求めることが可能である。即ち、 〔Ａ〕＝〔Ｖ〕〔Ｆ〕^−１（ｌ＝７） ……（32） 〔Ａ〕＝〔Ｖ〕〔Ｆ〕^＊（ｌ＞７） ……（33） となる。ここで、凝似逆行列〔Ｆ〕^＊は最小２乗近似と
考えられ表わされる。

〔Ｆ〕^＊＝〔Ｆ〕^Ｔ〔〔Ｆ〕〔Ｆ〕^Ｔ〕^−１ ………（3
3） 〔Ｆ〕が逆行列〔Ｆ〕^−１あるいは凝似逆行列〔Ｆ〕^＊
をもつ条件は〔Ｆ〕の列成分が線形独立であること
が必要かつ十分な条件である。すなわち、ｎ種類（１≦
ｎ≦６）の力を感知可能な力センサにおいては、ｎ以上
の列成分が線形独立でなくてはならないことがわか
る。したがって、本実施例ではｎ＝６であるから少なく
とも６つの線形独立な力の列ベクトルを力センサに加え
る必要がある。但し、バイアス値を含めた拡張した剛性
マトリクス〔Ａ〕は７×７であるから、さらに線形独立
な力の列ベクトルが１以上必要である。以上まとめる
と、ｎ種類（１≦ｎ≦６）の力が感知可能な力センサに
おいては、少なくともｎ組の線形独立な力を力センサに
加える必要があり、バイアス値を含んだ剛性マトリクス
Ａを求めるには（ｎ＋１）組以上の線形独立な力を力セ
ンサに加えることが必要十分条件である。

即ちこの実施例は、次に示す変換行列〔Ｂ〕を６行ｎ列
から７行（ｎ＋１）列に拡張した変換行列〔Ａ〕を求め
るもので次にその一例を示す。

前に述べたように歪電圧は、予めオフセット電圧ｄ
を求めておくことにより、これを（２）式のように引
き、このデータを電圧の行列〔Ｖ〕のデータとしてき
た。ところが本発明のもう一つの特徴である〔Ａ〕を求
めることによりｄをあらかじめ求める必要がなくな
る。この〔Ａ〕を求める一つの例として（15）式の
〔Ｆ〕行列の列成分を とし、〔Ｖ〕行列の列成分Ｖを とすることにより求めることができる。この場合最低７
個の独立した′を含んでいればよい。

このように６次元ベクトルを有する力センサ12について
は、測定回数の合計が７回以上あれば、ハンド部13を取
外すことなく、力センサ12をロボットのリスト10cに取
付けた状態で極めて簡単にかつ迅速にバイアス値を考慮
した剛性変換マトリクス〔Ｂ〕を算出することができ
る。

いずれにしても前記のように、ロボット10には制御装置
40が設置されている。

更にロボット10には駆動モータＭと共にエンコーダPEが
付いてそれからロボットの力センサ12の位置、姿勢が検
出することができる。更に制御装置40の操作卓45からの
指令入力によってロボットの力センサ12に任意の位置、
姿勢を取らせることができる。更に操作卓45から既知で
あるデータ（例えば力センサ12,ハンド部13,重り31,34,
35,14の重量，力センサ12,ハンド部13,重り31,34,35,14
の重心位置）を入力することができる。

更に前記した演算式は制御装置40演算部44に記憶されて
いる。従ってマイクロプロセッサ41は、ROM43に記憶さ
れたプログラムを読み出し、装置卓45からの指令で様々
な姿勢をとらせると共に、重りを変え、重り等の重量及
びその重心位置を操作卓45から与え、各々の条件のとき
力センサ12から検出される電圧値に基づいて、上記演
算部44で所定の演算を施すことにより、力センサの剛性
変換マトリックス〔Ｂ〕をキャリブレーションし、これ
をRAM42に記憶する。このキャリブレーションする処理
手順を第１図に示す。以後、マイクロプロセッサ41は、
上記RAM42に記憶された剛性変換マトリックス〔Ｂ〕を
読み出し、力センサ12から検出される電圧値にこの
〔Ｂ〕を掛算等の演算処理をすることによって実際に力
センサ12に印加された力を演算することができ、ロボ
ットに力センサ12から検出される信号にもとづいて、所
定の作業を行なわしめることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、剛性変換行列
〔Ｂ〕を専用治具等を使用することなく、制御装置を具
備したロボット自身で演算によって求めることができ、
算出時間、及び労力の低下をはかることができる作用効
果を奏する。即ち、ロボットから力センサを取り外す等
の作業をなくすことができる。

更に本発明によれば、力センサのバイアス値を常に織り
込んで力・モーメントの測定を行なうので、バイアス値
の変動の有無がいちはやく把握できるとともに、バイア
ス値を変動させる外力が作用しても力センサからワーク
類を取りはずすことなく再度測定できるため、高精度で
かつ測定時間を短縮することができる。さらに、全ての
力・モーメントに対処できる力センサの変換行列を求め
ることができ、しかも力センサの種類に応じた重りを選
定することにより、効率よく測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の力センサの剛性交換マトリックス
〔Ｂ〕を算出する手順を示したフローチャート図、第２
図は本発明の一実施例を示す図、第３図は力センサの構
成例を示す図、第４図は標準ワークを取り付けた場合を
示す図、第５図は他の標準ワークを取り付けた場合を示
す図、第６図は他の標準ワークを取り付けた場合を示す
図、第７図は本発明に係る力センサの姿勢等を表わした
図、第８図は本発明に係るロボットの制御装置等を示し
た図、第９図は従来例を示す図である。 10…関節形ロボット、10c…リスト（手首） 12…力センサ、13…ハンド部 14,31,34,35…重り、Ｍ…モータ PE…エンコーダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒井 信一 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 増井 知幸 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−136133（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−151032（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベース上を垂直軸まわりに旋回する旋回台
   と、 該旋回台上を水平軸に中心に回転する上腕と、 該上腕の先に回転自在に連結された前腕と、 該前腕の先端に３自由度でもって回転可能なリスト部
   と、 該リスト部の先端にワークを把持するハンド部と、 これらを駆動制御する制御装置とを備えた関節形ロボッ
   トであって、 前記ロボットのリスト部とハンド部との間に力センサを
   装着し、 該ハンド部に重量及び重心位置が既知の重りを取付けま
   たは把持し、 前記制御装置からの指令で前記ロボットの各駆動源を作
   動させ、 前記ロボットに装着させた力センサの姿勢を上向きと下
   向きに変化させ、 前記ロボットの各関節に設けられたエンコーダの信号に
   基づいて検出される力センサの姿勢、位置情報と、デー
   タとして入力された重り、ハンド部等の重量及び重心位
   置とによって力及びモーメントからなる力を求め、 力センサから得られる上向きの歪電圧upとdowから ｄ＝（up＋dow）/2なる演算をして、力センサの
   内部重量によって発生する力センサからの歪電圧ｄを
   算出し、 歪電圧＝ｏ−ｄ（ｏは実際に力センサから検出
   される歪電圧）と前記力及びモーメントからなる力と
   により所定の演算式により力センサの変換行列［Ｂ］を
   演算して記憶させ、力センサの変換行列［Ｂ］をキャリ
   ブレーションすることを特徴とする力センサの変換行列
   をキャリブレーションする方法。
2. 【請求項２】力センサの姿勢をとらせるのに互いに直角
   に近くなるようにさせることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の力センサの変換行列をキャリブレーショ
   ンする方法。
3. 【請求項３】４次元以上について感応する力センサにつ
   いては、前記ハンド部に取り付ける重りを複数種にし、
   複数の重りを順次取り付け、４種類以上の線形独立な力
   を付与することを特許請求の範囲第１項記載の力センサ
   の変換行列をキャリブレーションする方法。
4. 【請求項４】ｎ次元について感応する力センサについて
   は、力センサの姿勢変更によって（ｎ＋１）組以上の線
   形独立な力を付与し、バイアス値を含んだ変換行列
   ［Ａ］としてキャリブレーションすることを特徴とする
   特許請求の範囲第３項記載の力センサの変換行列をキャ
   リブレーションする方法。
5. 【請求項５】ベース上を垂直軸まわりに旋回する旋回台
   と、 該旋回台上を水平軸に中心に回転する上腕と、 該上腕の先に回転自在に連結された前腕と、 該前腕の先端に３自由度でもって回転可能なリスト部
   と、 該リスト部の先端にワークを把持するハンド部と、 これらを駆動制御する制御装置とを備えた関節形ロボッ
   トであって、 歪電圧を検出する力センサをロボットのリスト部とハン
   ド部との間に装着したロボットと該ロボットの各駆動源
   （Ｍ）を駆動して各関節部を動作させて力センサの姿勢
   を上向きと下向きに変更させる駆動手段と、 各関節部の動作量を検出するエンコーダからの信号を入
   力する第１の入力手段と、 前記ハンド部に取り付けまたは把持される重り及びハン
   ド部の重量及びその重心位置を入力する第２の入力手段
   と、 第１の入力手段によって入力された力センサの姿勢、位
   置情報と第２の入力手段によって入力された重り等の重
   量及び重心位置とによって力及びモーメントからなる力
   Ｆを算出する第１の演算手段と、 該第１の演算手段によって演算された力と、力センサ
   から得られる上向きの歪電圧upとdowからｄ＝
   （up＋dow）/2なる演算をして、力センサの内部重
   量によって発生する力センサからの歪電圧ｄを算出
   し、歪電圧＝ｏ−ｄ（ｏは実際に力センサから
   検出される歪電圧）とから、所定の演算式によって力セ
   ンサの変換行列［Ｂ］を演算してキャリブレーション
   し、その変換行列［Ｂ］を記憶する第２の演算手段と を具備したことを特徴とするロボットに装着された力セ
   ンサの変換行列をキャリブレーションする装置。