JPH0911168A - Manipulator device - Google Patents
Manipulator deviceInfo
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- JPH0911168A JPH0911168A JP7165098A JP16509895A JPH0911168A JP H0911168 A JPH0911168 A JP H0911168A JP 7165098 A JP7165098 A JP 7165098A JP 16509895 A JP16509895 A JP 16509895A JP H0911168 A JPH0911168 A JP H0911168A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、多軸力センサによりマ
ニピュレータに加わる外力を検出して種々の作業に対応
できるようにしたマニピュレータ装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a manipulator device which can detect various external forces applied to a manipulator by a multi-axis force sensor so that it can cope with various operations.
【０００２】[0002]
【従来の技術】原子力設備など直接人間が作業できない
環境下または活線状態の配電線など人間の作業では感電
や、落下等の危険を伴う劣悪な労働条件の伴う作業に対
してはマニピュレータが使用されている。2. Description of the Related Art A manipulator is used for work involving unfavorable working conditions, such as electric shock, falling, etc. Has been done.
【０００３】このマニピュレータとしては、遠隔操作で
作業を行うマスタスレーブマニピュレータやジョイステ
ィックなどで操作するマニピュレータがある。ところ
で、かかるマニピュレータにおいて、種々の作業に対応
させるためにはマニピュレータに多軸力センサを設け、
この多軸力センサによりマニピュレータにかかる外力を
検出して種々の制御に利用している。As this manipulator, there are a master-slave manipulator for remote operation and a manipulator for operating with a joystick. By the way, in such a manipulator, a multi-axis force sensor is provided in the manipulator in order to handle various operations.
This multi-axis force sensor detects the external force applied to the manipulator and uses it for various controls.
【０００４】この多軸力センサの特徴としては、相互の
力が干渉して出力されるため、例として６軸センサとし
て説明すると、６軸分の力信号に一定の変換行列を用い
て変換しないと正規の力、モーメントが算出できない。
そこで、多軸力センサは予め基準となる力、モーメント
を発生することができる校正治具を用いて校正を行い、
変換行列を求めておく。A characteristic of this multi-axis force sensor is that mutual forces interfere with each other and are output. Therefore, if a six-axis sensor is used as an example, the force signals for six axes are not converted using a constant conversion matrix. And the normal force and moment cannot be calculated.
Therefore, the multi-axis force sensor is calibrated in advance using a calibration jig that can generate the reference force and moment.
Find the transformation matrix.
【０００５】従って、マニピュレータに多軸力センサを
搭載後は予め求めておいた変換行列を用いて随時検出さ
れる力、モーメント信号から真の力とモーメントとを算
出している。Therefore, after mounting the multi-axis force sensor on the manipulator, the true force and the moment are calculated from the force and moment signals detected at any time using the conversion matrix obtained in advance.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多軸力
センサの設置条件、マニピュレータの構造条件等により
多軸力センサに対する干渉条件が異なる場合や、多軸力
センサのそれぞれの力、モーメントを増幅するアンプを
交換した場合などには、変換行列が変わってしまうこと
がある。However, when the conditions of interference with the multi-axis force sensor differ due to the installation conditions of the multi-axis force sensor, the structural conditions of the manipulator, etc., and the respective forces and moments of the multi-axis force sensor are amplified. The conversion matrix may change when the amplifier is replaced.
【０００７】また、一度多軸力センサをマニピュレータ
に設置してしまうと多軸力センサ単体で校正した場合に
用いる治具を使用して校正を行うことは難しい。さら
に、マニピュレータに設置後に変換行列が変わってしま
うと、再び多軸力センサを取外して再度校正しても使用
できないことになる。従って、多軸力センサで正確な検
出ができないため、制御精度が低下してしまう恐れがあ
る。Further, once the multi-axis force sensor is installed on the manipulator, it is difficult to calibrate using the jig used when calibrating the multi-axis force sensor alone. Furthermore, if the conversion matrix changes after installation on the manipulator, it cannot be used even if the multi-axis force sensor is removed again and calibrated again. Therefore, since the multi-axis force sensor cannot perform accurate detection, there is a risk that the control accuracy will decrease.
【０００８】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たもので、多軸力センサをマニピュレータに設置後でも
多軸力センサの校正を簡単且つ短時間で行うことができ
るマニピュレータ装置を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a manipulator device capable of easily and quickly calibrating a multi-axis force sensor even after the multi-axis force sensor is installed on the manipulator. The purpose is to
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、次のような手段によりマニピュレータ装置
を構成する。請求項１に対応する発明は、手先部に多軸
力センサを設置したマニピュレータを備えたマニピュレ
ータ装置において、前記マニピュレータの姿勢情報と前
記マニピュレータを駆動するアクチュエータのトルクを
算出するための変数とを用いて前記多軸力センサの校正
を行なうための基準の力、モーメントを求めると共に、
該基準の力、モーメントを発生させる荷重発生手段と、
この荷重発生手段により発生する前記基準の力、モーメ
ントを前記多軸力センサに与えたときの出力値に基づい
て前記多軸力センサを校正する校正手段とを備えたもの
である。In order to achieve the above object, the present invention constitutes a manipulator device by the following means. The invention according to claim 1 uses a posture information of the manipulator and a variable for calculating a torque of an actuator that drives the manipulator, in a manipulator device including a manipulator in which a multi-axis force sensor is installed in a hand portion. And the reference force and moment for calibrating the multi-axis force sensor,
Load generating means for generating the reference force and moment,
Calibration means for calibrating the multiaxial force sensor based on the output value when the reference force and moment generated by the load generating means are applied to the multiaxial force sensor.
【００１０】請求項２に対応する発明は、手先部に多軸
力センサを設置したマニピュレータを備えたマニピュレ
ータ装置において、前記手先部に予め既知の荷重特性の
手先効果器を着脱自在に装着し、この手先効果器の荷重
を既知の力とモーメントとして前記多軸力センサに与え
たときの出力値に基づいて前記多軸力センサを校正する
校正手段とを備えたものである。According to a second aspect of the present invention, in a manipulator device including a manipulator in which a multi-axis force sensor is installed in a hand portion, a hand effector having a known load characteristic is detachably attached to the hand portion in advance. A calibration means for calibrating the multi-axis force sensor based on an output value when the load of the hand effector is given to the multi-axis force sensor as a known force and moment.
【００１１】請求項３に対応する発明は、手先部に多軸
力センサを設置した少なくとも２つのマニピュレータを
備えたマニピュレータ装置において、前記一方のマニピ
ュレータの手先部を他方のマニピュレータの手先部によ
り押圧して前記一方のマニピュレータ側の多軸力センサ
に既知の力、モーメントを加え、そのときの前記多軸力
センサの出力値に基づいて前記多軸力センサを校正する
校正手段を備えたものである。According to a third aspect of the present invention, in a manipulator device including at least two manipulators having a multi-axis force sensor installed on a hand portion, the hand portion of the one manipulator is pressed by the hand portion of the other manipulator. And a known force or moment is applied to the one multi-axis force sensor on the manipulator side, and a calibration means for calibrating the multi-axis force sensor based on the output value of the multi-axis force sensor at that time is provided. .
【００１２】請求項４に対応する発明は、手先部に多軸
力センサを設置した少なくとも２つのマニピュレータを
備えたマニピュレータ装置において、前記２つのマニピ
ュレータの手先部に治具をそれぞれ所定の間隔を存して
固定し、且つ前記一方のマニピュレータの治具を他方の
マニピュレータの治具により押圧して前記一方のマニピ
ュレータ側の多軸力センサに既知の力、モーメントを加
え、そのときの前記多軸力センサの出力値に基づいて前
記多軸力センサを校正する校正手段を備えたものであ
る。According to a fourth aspect of the present invention, in a manipulator device having at least two manipulators each having a multi-axis force sensor installed at a hand portion, a jig is provided at a predetermined distance between the hand portions of the two manipulators. Then, the jig of the one manipulator is pressed by the jig of the other manipulator to apply a known force or moment to the multiaxial force sensor on the one manipulator side, and the multiaxial force at that time is applied. A calibration means for calibrating the multi-axis force sensor based on the output value of the sensor is provided.
【００１３】請求項５に対応する発明は、上記請求項１
乃至４に対応する発明の何ずれかに多軸力センサを校正
したデータを保存するメモリを有し、校正回数を重ねる
毎にその校正データの妥当性を評価し、多軸力センサを
設置し直した場合にも妥当なデータとして出力可能な演
算手段を設けたものである。The invention corresponding to claim 5 is the above claim 1.
4 to 4 has a memory for storing the data obtained by calibrating the multi-axis force sensor, and evaluates the validity of the calibration data each time the calibration is repeated, and installs the multi-axis force sensor. Even if the data is corrected, arithmetic means capable of outputting appropriate data is provided.
【００１４】[0014]
【作用】上記請求項１に対応する発明のマニピュレータ
装置にあっては、マニピュレータの姿勢情報とマニピュ
レータを駆動するアクチュエータのトルクが算出可能な
変数を用いて基準の力、モーメントを生成し、これを多
軸力センサに加えるようにしたので、多軸力センサをマ
ニピュレータに設置した後でも校正できる。In the manipulator device of the invention according to claim 1, the reference force and moment are generated using the manipulator posture information and the variable for which the torque of the actuator for driving the manipulator can be calculated. Since it is added to the multi-axis force sensor, it can be calibrated even after the multi-axis force sensor is installed on the manipulator.
【００１５】上記請求項２に対応する発明のマニピュレ
ータ装置にあっては、既知の荷重特性を有する手先効果
器を用いて多軸力センサに既知の力とモーメントを与え
ることができるので、多軸力センサをマニピュレータに
設置した後でも校正できる。In the manipulator device of the invention according to claim 2, since the known force and moment can be applied to the multi-axis force sensor by using the hand effector having the known load characteristic, the multi-axis force sensor can be applied. It can be calibrated even after the force sensor is installed on the manipulator.
【００１６】上記請求項３に対応する発明のマニピュレ
ータ装置にあっては、装置に備えられている２つのマニ
ピュレータのうち、一方のマニピュレータ側の多軸力セ
ンサに他方のマニピュレータを使用して既知の荷重を与
えることにより、多軸力センサの校正を行なうことがで
きる。In the manipulator device of the invention corresponding to the above-mentioned claim 3, among the two manipulators provided in the device, it is known that a multi-axis force sensor on one manipulator side uses the other manipulator. By applying a load, the multi-axis force sensor can be calibrated.
【００１７】上記請求項４に対応する発明のマニピュレ
ータ装置にあっては、上記請求項３に対応する発明の作
用効果に加えて、校正治具が使用されているので、マニ
ピュレータを損傷することなく多軸力センサを校正する
ことができる。In the manipulator device of the invention according to claim 4, in addition to the function and effect of the invention according to claim 3, a calibration jig is used, so that the manipulator is not damaged. The multi-axis force sensor can be calibrated.
【００１８】上記請求項５に対応する発明のマニピュレ
ータ装置にあっては、多軸力センサを数回校正を行なっ
た後に、再度取付け直した場合でも、再校正をせずに変
換行列を設定することができる。In the manipulator device of the invention according to claim 5, even if the multi-axis force sensor is calibrated several times and then re-mounted, the conversion matrix is set without recalibration. be able to.
【００１９】[0019]
【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。図１は本発明によるマニピュレータ装置の第１の実
施例を示す構成図である。図１において、１は水平部と
垂直部とからなる逆Ｌ字形の架台で、この架台１の水平
部の先端部下面に切欠段部１ａが形成されている。ま
た、架台１の水平部の適宜位置の下面にマニピュレータ
２の基端部が取付けられている。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a manipulator device according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an inverted L-shaped mount including a horizontal portion and a vertical portion, and a notched step portion 1a is formed on the lower surface of the tip of the horizontal portion of the mount 1. Further, the base end of the manipulator 2 is attached to the lower surface of the horizontal portion of the gantry 1 at an appropriate position.
【００２０】このマニピュレータ２は、基端部、中央部
及び先端部にそれぞれ関節部２ｂを有する操作腕２ａか
らなり、この操作腕２ａの先端部側に有する関節部２ｂ
に多軸力センサ３を介在させて手先部４が取付けられて
いる。The manipulator 2 comprises an operating arm 2a having joint portions 2b at the base end portion, the central portion and the distal end portion, respectively, and the joint portion 2b at the tip end side of the operating arm 2a.
The hand portion 4 is attached to the interposition of the multi-axis force sensor 3.
【００２１】一方、５は上記マニピュレータ２に制御信
号線６を介して接続された制御装置で、この制御装置５
はマニピュレータ２を駆動制御すると共に、多軸力セン
サ３からのデータを取込んで多軸力センサを校正する機
能を有している。On the other hand, 5 is a control device connected to the manipulator 2 via a control signal line 6, and this control device 5
Has a function of driving and controlling the manipulator 2 and taking in data from the multi-axis force sensor 3 to calibrate the multi-axis force sensor.
【００２２】図２はマニピュレータ２を駆動制御する制
御系を示す構成図である。ここでは説明を簡単にするた
め、マニピュレータ２を１軸のマニピュレータ２ｃと
し、アクチュエータは電気モータとして示してある。FIG. 2 is a block diagram showing a control system for driving and controlling the manipulator 2. Here, for simplicity of explanation, the manipulator 2 is shown as a uniaxial manipulator 2c, and the actuator is shown as an electric motor.
【００２３】図２において、マニピュレータ２ｃの駆動
はモータ２２により行われ、ドライバ２０によってドラ
イブされる。モータ２２には電機子電流２６が流れ、こ
の電機子電流２６は電流計２１により検出され、電流信
号２５として主制御装置１９に入力される。In FIG. 2, the manipulator 2c is driven by a motor 22 and driven by a driver 20. An armature current 26 flows through the motor 22, and the armature current 26 is detected by the ammeter 21 and input as a current signal 25 to the main controller 19.
【００２４】また、マニピュレータ２ｃの位置は位置検
出器２３によって検出され、その位置検出信号２４は主
制御装置１９に入力される。いま、マニピュレータ２ｃ
が押付対象物２８に押付力２７によって押付けられたと
すると、そのときのマニピュレータ２ｃの位置は特定で
きるため、押付対象物２８に当る位置は位置検出器２３
により検出される位置検出信号２４により特定される。The position of the manipulator 2c is detected by the position detector 23, and the position detection signal 24 is input to the main controller 19. Manipulator 2c now
If the manipulator 2c is pressed against the pressing object 28 by the pressing force 27, the position of the manipulator 2c at that time can be specified.
It is specified by the position detection signal 24 detected by.
【００２５】しかし、マニピュレータ２ｃが図示点線の
ような状態２９では位置は変化しない。さらに、押し続
ければモータ２２の電機子電流２６が増加する。この増
加分はモータ２２、ドライバ２０の仕様にて分かる。従
って、押付力２７は電流信号２５の関数として特定され
るので、これが基準の力、モーメントとして使用され
る。However, the position does not change when the manipulator 2c is in the state 29 as shown by the dotted line in the figure. Further, if it is kept pressed, the armature current 26 of the motor 22 increases. This increase can be known from the specifications of the motor 22 and the driver 20. Therefore, the pressing force 27 is specified as a function of the current signal 25, and this is used as the reference force and moment.
【００２６】図３は上記多軸力センサ３と制御装置５と
の関係を示す構成図である。図３において、多軸力セン
サ３は４ブリッジ歪みゲージ５８が設けられ、この４ブ
リッジ歪みゲージ５８の出力はストレインアンプ５９に
よって力信号６１として前記制御装置５に入力される。
また、この制御装置５からはストレインアンプ５９に電
源を供給している。同様にＮ軸分の４ブリッジ歪みゲー
ジ５８とストレインアンプ５９とが各軸に対応させて第
Ｎ軸まで設けられ、Ｎ軸力センサが構成される。FIG. 3 is a block diagram showing the relationship between the multi-axis force sensor 3 and the controller 5. In FIG. 3, the multi-axis force sensor 3 is provided with a 4-bridge strain gauge 58, and the output of the 4-bridge strain gauge 58 is input to the control device 5 as a force signal 61 by a strain amplifier 59.
The control device 5 also supplies power to the strain amplifier 59. Similarly, a 4-bridge strain gauge 58 for N axes and a strain amplifier 59 are provided up to the Nth axis in association with each axis to configure an N axis force sensor.
【００２７】図４は多軸力センサ３を校正するための機
能を説明するためのブロック図である。図４において、
多軸力センサ３からの多軸力センサデータ４１と、作業
者が指示するか、予め決められた手順によってどの軸に
いくらの荷重がかかったかを判断するための荷重情報３
６とが入力される変換行列計算部３７と、この変換行列
計算部３７で計算された変換行列を記憶するメモリ３８
と、マニピュレータ２ｃを制御する際にメモリ３８に記
憶されている変換行列を取込んで多軸力センサデータ４
１を随時変換して真の力、モーメントを求める主計算部
３９と、メモリ３８より変換行列を取込んで数回行った
校正データを推定して主計算部３９に導く変換行列推定
部４０とを備えている。FIG. 4 is a block diagram for explaining the function for calibrating the multi-axis force sensor 3. In FIG.
The multi-axis force sensor data 41 from the multi-axis force sensor 3 and the load information 3 for judging which load is applied to the axis by the operator or according to a predetermined procedure.
6 is input, and a memory 38 for storing the conversion matrix calculated by the conversion matrix calculation unit 37.
And the conversion matrix stored in the memory 38 when the manipulator 2c is controlled, and the multi-axis force sensor data 4
A main calculation unit 39 for converting 1 to obtain a true force and a moment at any time, and a conversion matrix estimation unit 40 for fetching a conversion matrix from the memory 38 and estimating calibration data performed several times and guiding the calibration data to the main calculation unit 39. Is equipped with.
【００２８】次に上記のように構成されたマニピュレー
タ装置における多軸力センサの校正時の作用について述
べる。図１において、多軸力センサの校正を行うにはマ
ニピュレータ２の手先部４を架台１の水平部の端部に形
成された切欠段部１ａに押し当てて基準の力とモーメン
トを発生させる。そのときのマニピュレータ２の駆動は
図２に示す制御系により制御され、切欠段部１ａに対す
る手先部４の押付力は、電流信号の関数として特定さ
れ、これを基準の力、モーメントとして使用される。Next, the operation of the multi-axis force sensor in the manipulator device configured as described above during calibration will be described. In FIG. 1, in order to calibrate the multi-axis force sensor, the hand portion 4 of the manipulator 2 is pressed against the notched step portion 1a formed at the end of the horizontal portion of the gantry 1 to generate the reference force and moment. The driving of the manipulator 2 at that time is controlled by the control system shown in FIG. 2, and the pressing force of the hand portion 4 against the notch step portion 1a is specified as a function of the current signal, and this is used as a reference force or moment. .
【００２９】ここで、多軸力センサ３として６軸力セン
サを例に図５を参照しながらその校正アルゴリズムにつ
いて説明する。図５（ａ）に示すように６軸力センサ３
ａは外力１０を受けると、６軸力センサ３ａの反応する
力・モーメントベクトル（α）９が出力される。A calibration algorithm for the multi-axis force sensor 3 will be described with reference to FIG. 5 using a 6-axis force sensor as an example. As shown in FIG. 5A, the 6-axis force sensor 3
When a receives an external force 10, a force / moment vector (α) 9 to which the 6-axis force sensor 3a reacts is output.
【００３０】 α＝（Ｆｘ Ｆｙ Ｆｚ Ｍｘ Ｍｙ Ｍｚ）t ……（１） t:転地である。ところが、６軸力センサ３ａの各力、モ
ーメントが干渉している場合、αは真の６軸の力とモー
メントの成分の値とはならない。そこで、真の力、モー
メント（η）は、 η＝Ａα （Ａ：６×６行列） ……（２） としてαに変換行列Ａをかけることにより、干渉分を補
正して求めることができる。Α = (Fx Fy Fz Mx My Mz) t (1) t: It is a turning point. However, when the forces and moments of the 6-axis force sensor 3a interfere with each other, α does not become the value of the true 6-axis force and moment components. Therefore, the true force and moment (η) can be obtained by correcting α for the interference by multiplying α by the conversion matrix A as η = Aα (A: 6 × 6 matrix) (2).
【００３１】以下変換行列Ａの算出方法を説明する。既
知の力・モーメント（γ）８が設定され、即ち６軸力セ
ンサ３ａに既知の力・モーメント（γ）８を加えると、
それに応じた６軸力センサ３ａの反応する力・モーメン
トベクトルが出力される。これをα1 とし、例えば γ＝（１０［Ｎ］ ０ ０ ０ ０ ０）t として、Ｆｘ成分のみの荷重を加え、Ｆｘを数点変えて
α1 を測定することにより、Ｆｘに対する干渉が測定で
きる。６軸力センサ３ａの出力が線形性であれば１次関
数にて表すことができる。ただし、線形性がある多軸力
センサに限定されるものではない。The method of calculating the conversion matrix A will be described below. A known force / moment (γ) 8 is set, that is, when a known force / moment (γ) 8 is applied to the 6-axis force sensor 3a,
The corresponding force / moment vector of the 6-axis force sensor 3a is output. Let this be α 1 and, for example, γ = (10 [N] 0 0 0 0 0) t , apply a load of only the Fx component, measure F 1 by changing Fx at several points, and measure the interference with Fx. it can. If the output of the 6-axis force sensor 3a is linear, it can be expressed by a linear function. However, it is not limited to the multi-axis force sensor having linearity.
【００３２】従って、特定軸のみに荷重を加え、α1 を
適当回数測定することにより、図５（ｂ）に測定例１１
として示すように各成分毎に計算を行った結果、特定軸
と他軸の関係を表すベクトル（βfx）を求めることがで
きる。各軸成分に対しても同様のことを行い、比率を同
じにするためにβfxを定格値とすれば、他の軸を測定し
た際の比率が合うことになる。Therefore, by applying a load only to a specific axis and measuring α 1 a suitable number of times, a measurement example 11 shown in FIG.
As a result of performing the calculation for each component as shown by, the vector (β fx ) representing the relationship between the specific axis and the other axis can be obtained. The same is done for each axis component, and if β fx is set to the rated value in order to make the ratios the same, the ratios when other axes are measured will match.
【００３３】従って、既知の力、モーメント（γ）８が
真の力、モーメント（η）とすれば、α＝Ｂγもしくは
α＝Ｂηは正しい解を得る。その行列Ｂは、 Ｂ＝（βfx βfy βfz βMx βMy βMZ） ……（３） として求まる。（２）式のＡは６軸力センサ３ａが出力
する値、すなわち６軸力センサの反応する力・モーメン
トベクトル（α）９から真の力、モーメント（η）を求
めることにある。Therefore, if the known force and the moment (γ) 8 are the true force and the moment (η), α = Bγ or α = Bη gives a correct solution. The matrix B is obtained as B = (β fx β fy β fz β Mx β My β MZ ) (3). A in the equation (2) is to obtain the true force and the moment (η) from the value output from the 6-axis force sensor 3a, that is, the force / moment vector (α) 9 to which the 6-axis force sensor reacts.
【００３４】ここで、Ｂの逆行列がＡであり、Ａが求め
られる。次に図１に示す架台１の水平部の先端部に形成
された切欠段部１ａにマニピュレータ２の手先部４を押
し当て多軸力センサ３を校正する具体例について図６に
より説明する。Here, the inverse matrix of B is A, and A is obtained. Next, a specific example of calibrating the multiaxial force sensor 3 by pressing the hand end portion 4 of the manipulator 2 against the notched step portion 1a formed at the tip of the horizontal portion of the gantry 1 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
【００３５】図６（ａ）ではＦｚ方向の力に関して、図
６（ｂ）ではＦｘ方向に関しての例である。図６（ａ）
においては、マニピュレータ２が架台１の切欠段部１ａ
にＦｚ方向に既知荷重１２にて押される。また多軸力セ
ンサ３にはＦｚの所定値が荷重されることになる。同様
に図６（ｂ）においては、Ｆｘ方向既知荷重１３にて押
圧されることになる。FIG. 6A shows an example regarding the force in the Fz direction, and FIG. 6B shows an example regarding the Fx direction. FIG. 6 (a)
In the above, the manipulator 2 is provided with the notch step 1a
Is pressed with a known load 12 in the Fz direction. Further, the multiaxial force sensor 3 is loaded with a predetermined value of Fz. Similarly, in FIG. 6B, the pressure is applied by the Fx direction known load 13.
【００３６】このようにして各軸の既知荷重により押圧
したときの荷重情報と多軸力センサのデータが図１に示
す制御装置５に入力されると、この制御装置５では図４
に示すような校正機能により多軸力センサの校正が行わ
れる。In this way, when the load information and the data of the multi-axis force sensor when the pressure is applied by the known load of each axis is input to the control device 5 shown in FIG.
The multi-axis force sensor is calibrated by the calibration function as shown in.
【００３７】即ち、図４において、通常は多軸力センサ
データ４１と上述した荷重情報３６が変換行列計算部３
７に入力されると、この変換行列計算部３７では図５に
て説明したアルゴリズムにより変換行列を計算し、メモ
リ３８に保存する。That is, in FIG. 4, normally, the multi-axis force sensor data 41 and the above-mentioned load information 36 are the conversion matrix calculation unit 3
7, the conversion matrix calculator 37 calculates the conversion matrix by the algorithm described in FIG. 5 and stores it in the memory 38.
【００３８】そして、マニピュレータ２を制御する場合
には変換行列をメモリ３８より主計算部３９に導き、多
軸力センサデータ４１を随時変換し、真の力、モーメン
トを求め、必要に応じて制御に使用する。When controlling the manipulator 2, the transformation matrix is led from the memory 38 to the main calculation unit 39, the multi-axis force sensor data 41 is transformed at any time to obtain the true force and moment, and the control is performed as necessary. To use.
【００３９】ところが、多軸力センサ３の校正を数度繰
返せば、設置前に推定できなかった条件を含んだ変換行
列を求めているため、各成分に大きなばらつきがない場
合には平均化するなどの手法を用いて変換行列を特定し
て行くことができる。However, if the calibration of the multi-axis force sensor 3 is repeated several times, a conversion matrix including a condition that could not be estimated before installation is obtained, so if there is no large variation in each component, averaging is performed. The transformation matrix can be specified using a technique such as.
【００４０】従って、数回行った校正データを変換行列
推定部４０にて推定し、主計算部３９に導くことによ
り、制御時には推定した変換行列を使用することがで
き、校正時間を短縮することができる。Therefore, by estimating the calibration data obtained several times by the conversion matrix estimation unit 40 and guiding it to the main calculation unit 39, the estimated conversion matrix can be used during control, and the calibration time can be shortened. You can
【００４１】また、図３に示すような構成のＮ軸力セン
サにおいて、ストレインアンプが変わった場合や仕様が
変更になった場合にはＮ軸力センサの校正をやり直す必
要があるが、このような場合にも多軸力センサの校正が
可能となる。Further, in the N-axis force sensor having the structure as shown in FIG. 3, if the strain amplifier is changed or the specifications are changed, it is necessary to calibrate the N-axis force sensor again. In any case, the multi-axis force sensor can be calibrated.
【００４２】次に本発明の第２の実施例を図７を参照し
て説明する。図７において、マニピュレータ２は手先部
４に手先効果器１４を着脱可能に取付けるものである。
この場合、着脱部の構成としては手先部４に複数本のピ
ン１５ａを設け、手先効果器１４にはこれらのピン１５
ａが挿入されるピン孔１５ｂを設けてある。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 7, the manipulator 2 has the hand effector 14 detachably attached to the hand portion 4.
In this case, as the structure of the attaching / detaching portion, a plurality of pins 15a are provided on the hand portion 4, and the pin 15 is provided on the hand effector 14.
A pin hole 15b into which a is inserted is provided.
【００４３】このような構成のマニピュレータ装置にお
いて、多軸力センサ３の校正は、次のようにして行なわ
れる。即ち、図７に示すセンサ座標１７において、手先
効果器１４を種々変えることにより、手先効果器荷重ベ
クトル１６が変わり、既知の荷重が分かる。この場合、
手首荷重１８は常に手先効果器１４を装着した状態なら
ば、力センサ出力の零点をとれば無視できる。In the manipulator device having such a structure, the multi-axis force sensor 3 is calibrated as follows. That is, at the sensor coordinates 17 shown in FIG. 7, by changing the hand effector 14 variously, the hand effector load vector 16 changes, and a known load can be known. in this case,
The wrist load 18 can be neglected if the zero point of the force sensor output is taken if the wrist effector 14 is always worn.
【００４４】従って、予め手先効果器１４の荷重特性を
調べておき、これを多軸力センサ３の校正時に図４に示
す荷重情報３６として使用し、且つ図５により説明した
アルゴリズムに基づいて変換行列を求めておくことによ
り、多軸力センサ３の校正を行なうことができる。Therefore, the load characteristic of the hand effector 14 is checked in advance, and this is used as the load information 36 shown in FIG. 4 when the multiaxial force sensor 3 is calibrated, and is converted based on the algorithm described with reference to FIG. By obtaining the matrix, the multi-axis force sensor 3 can be calibrated.
【００４５】図８は手先効果器が多軸力センサ校正専用
手先効果器の場合の構成例を示すものである。図８
（ａ）に示す多軸力センサ校正専用手先効果器１４ｂ
は、回転機４８を中央に設けると共に、その両側に回転
板４９ａ，４９ｂを支持部材５０ａ，５０ｂにより回転
自在に支持させて設け、これら回転板４９ａ，４９ｂ間
に回転機４８の駆動により移動する無端ベルト４６が張
設されている。また、無端ベルト４６上には重り４５が
設置されている。さらに、回転機４８にはその回転位置
を検出する位置検出器４７がベルトを介して連結されて
いる。FIG. 8 shows an example of a structure in which the hand effector is a multi-axis force sensor calibration dedicated hand effector. FIG.
Hand effector 14b dedicated to calibration of multi-axis force sensor shown in (a)
The rotary machine 48 is provided in the center, and rotary plates 49a and 49b are rotatably supported by support members 50a and 50b on both sides of the rotary machine 48. The rotary machines are moved between the rotary plates 49a and 49b by driving the rotary machine 48. An endless belt 46 is stretched. Further, a weight 45 is installed on the endless belt 46. Further, a position detector 47 that detects the rotational position of the rotating machine 48 is connected via a belt.
【００４６】このような構成の多軸力センサ校正専用手
先効果器１４ｂにおいて、前述した制御装置５から駆動
指令５１が回転機４８に入力され、回転機４８が回転す
ると無端ベルト４６が移動する。すると、無端ベルト４
６に設置された重り４５が移動し、その移動箇所、例え
ば重り４５が図示点線位置に移動すると図８（ｂ）距離
Ｌ1 の場合と距離Ｌ2 の場合ではモーメントを変更する
ことができる。In the multi-axis force sensor calibration dedicated hand effector 14b having such a configuration, the drive command 51 is input to the rotating machine 48 from the control device 5 described above, and when the rotating machine 48 rotates, the endless belt 46 moves. Then, the endless belt 4
When the weight 45 installed at 6 moves and the movement position, for example, the weight 45 moves to the dotted line position in the figure, the moment can be changed between the case of the distance L 1 and the case of the distance L 2 in FIG. 8B.
【００４７】また、位置センサ４７により検出された位
置信号５２が制御装置５に入力されると、この制御装置
５ではその位置信号を判定することで重り４５の位置を
特定することができる。When the position signal 52 detected by the position sensor 47 is input to the controller 5, the controller 5 can determine the position of the weight 45 by judging the position signal.
【００４８】図９は第２の実施例の変形例を示すもので
ある。図９においては、マニピュレータ２の手先部４に
校正用治具３０を装着し、対象物側校正治具３１を設置
して校正を行なうようにしたものである。FIG. 9 shows a modification of the second embodiment. In FIG. 9, the calibration jig 30 is attached to the hand portion 4 of the manipulator 2, and the object-side calibration jig 31 is installed to perform the calibration.
【００４９】このように校正治具３０と対象物側校正治
具３１とを使用して予め既知の荷重情報を得ておくこと
により、前述同様に多軸力センサ３の校正を行なうこと
ができる。By thus obtaining the known load information in advance using the calibration jig 30 and the object-side calibration jig 31, the multi-axis force sensor 3 can be calibrated in the same manner as described above. .
【００５０】次に本発明の第３の実施例を図１０を参照
して説明する。図１０において、マニピュレータ２の手
先部４に他のマニピュレータ２Ｂの手先部４ｂを押圧し
てＦｚ方向の既知の荷重１２を多軸力センサ３に加え、
これを既知の力、モーメントとして図５により説明した
アルゴリズムに基づいて変換行列を求めておくことによ
り、多軸力センサ３の校正を行なうことができる。Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 10, the hand 4 of the other manipulator 2B is pressed against the hand 4 of the manipulator 2 to apply a known load 12 in the Fz direction to the multiaxial force sensor 3,
The multi-axis force sensor 3 can be calibrated by obtaining the conversion matrix based on the algorithm described with reference to FIG. 5 using these as known forces and moments.
【００５１】図１１は第３の実施例の変形例を示すもの
である。図１１においては、２台のマニピュレータ２，
２Ｂ双方の手先部４，４ｂに校正用治具３０，３２を装
着し、その他方の校正用治具３０に形成された凹部に一
方の校正用治具３０を嵌合させる構成とし、マニピュレ
ータ２側の校正用治具３０にマニピュレータ２Ｂ側の校
正用治具３２を押圧してＦｚ方向の既知の荷重を多軸力
センサ３に加えるようにしたものである。FIG. 11 shows a modification of the third embodiment. In FIG. 11, two manipulators 2,
2B, the calibration jigs 30 and 32 are attached to both the hand parts 4 and 4b, and one of the calibration jigs 30 is fitted into the recess formed in the other calibration jig 30. The calibration jig 32 on the manipulator 2B side is pressed against the calibration jig 30 on the side to apply a known load in the Fz direction to the multiaxial force sensor 3.
【００５２】このような構成とすれば、正確な基準の
力、モーメントが設定できるので、前述同様に多軸力セ
ンサ３の校正を行なうことができる。図１２は第３の実
施例の他の変形例を示すものである。With such a configuration, the accurate reference force and moment can be set, so that the multi-axis force sensor 3 can be calibrated as described above. FIG. 12 shows another modification of the third embodiment.
【００５３】図１２においては、２台のマニピュレータ
２，２Ｂ双方の手先部４，４ｂに同一形状で同一大きさ
の校正用治具３０，３２ｂを装着すると共に、これら両
校正用治具３０，３２ｂを固定治具３３にて接続する構
成としたものである。In FIG. 12, the calibration jigs 30 and 32b having the same shape and the same size are attached to the hand parts 4 and 4b of both of the two manipulators 2 and 2B, and both calibration jigs 30 and 32b are attached. 32b is connected by a fixing jig 33.
【００５４】このような構成とすれば、治具間の摩擦、
滑りの影響を受けずに基準の力、モーメントを多軸力セ
ンサ３に加えることができる。また、モーメントＭｚ３
４を多軸力センサ３に加える場合は回転中心３５を中心
にモーメントをかけるだけで、正確にモーメントを加え
ることができる。With such a structure, friction between jigs,
The reference force and moment can be applied to the multi-axis force sensor 3 without being affected by slippage. Also, the moment Mz3
When 4 is applied to the multi-axis force sensor 3, the moment can be accurately applied only by applying a moment around the rotation center 35.
【００５５】図１３は多軸力センサの校正機能を有する
ものである。図１３においては、多軸力センサ３を設置
したマニピュレータ２を車両４２に搭載されたブーム４
３の先端のワーキングベース４４に取付ける構成とした
ものである。FIG. 13 has a calibration function for a multi-axis force sensor. In FIG. 13, a manipulator 2 having a multi-axis force sensor 3 installed therein is mounted on a vehicle 42 and a boom 4 is installed.
It is configured to be attached to the working base 44 at the tip of No. 3.
【００５６】上記車両４２は移動するため、マニピュレ
ータ２の搭載後は図６で説明したような手段を用いるこ
とにより、作業現場でも多軸力センサの校正を行なうこ
とができる。Since the vehicle 42 moves, the multi-axis force sensor can be calibrated even at the work site by using the means described in FIG. 6 after mounting the manipulator 2.
【００５７】図１４は多軸力センサ３を備えたマスタマ
ニピュレータを用いて構成されたマスタスレーブ形マニ
ピュレータに本発明を適用した例を示すものである。図
１４において、マスタマニピュレータ５５は制御信号マ
スタ用信号線５７にて制御装置５に接続される。同様
に、マニピュレータ２をスレーブマニピュレータとして
制御信号スレーブ用信号線５６にて制御装置５に接続さ
れる。FIG. 14 shows an example in which the present invention is applied to a master-slave type manipulator constructed by using a master manipulator provided with the multi-axis force sensor 3. In FIG. 14, the master manipulator 55 is connected to the control device 5 via a control signal master signal line 57. Similarly, the manipulator 2 is connected as a slave manipulator to the control device 5 via a control signal slave signal line 56.
【００５８】上記制御装置５では第１の実施例で述べた
のと同様にマスタスレーブの制御、多軸力センサの校正
等を行なう。次に本発明を利用した場合のフローについ
て図１５を参照して説明する。The controller 5 controls the master-slave, calibrates the multi-axis force sensor, etc., as described in the first embodiment. Next, a flow when the present invention is used will be described with reference to FIG.
【００５９】図１５において、通常はステップ１０１で
多軸力センサの専用の校正器にて予め校正を行ない、変
換行列を求めている。ステップ１０２にてマニピュレー
タに多軸力センサを設置する。ステップ１０３にてステ
ップ１０１にて求められた変換行列を用いて、力信号を
変換した値が正しいか否かを検証する。検証結果がおか
しければ、ステップ１０４にて本発明による多軸力セン
サの校正を行なう。In FIG. 15, usually, in step 101, a calibration device dedicated to the multi-axis force sensor is calibrated in advance to obtain a conversion matrix. In step 102, a multi-axis force sensor is installed on the manipulator. In step 103, using the conversion matrix obtained in step 101, it is verified whether the converted value of the force signal is correct. If the verification result is wrong, the multi-axis force sensor according to the present invention is calibrated in step 104.
【００６０】また、ステップ１０５にて多軸力センサの
校正を行なわないでマニピュレータ２に設置した場合も
ステップ１０４にて校正できる。さらに、ステップ１０
６にて図３にて説明したスレイレインアンプ５９をアン
プと総称してアンプを交換した場合も、同様にステップ
１０４にて多軸力センサの校正を行なえばよい。If the multi-axis force sensor is not calibrated in step 105 and installed in the manipulator 2, the calibration can be performed in step 104. Step 10
Even when the sleigh rain amplifier 59 described in FIG. 3 in FIG. 6 is generically called an amplifier and the amplifier is replaced, the multi-axis force sensor may be similarly calibrated in step 104.
【００６１】[0061]
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、多軸
力センサをマニピュレータに設置後でも多軸力センサの
校正を簡単且つ短時間で行うことができるマニピュレー
タ装置を提供できる。As described above, according to the present invention, it is possible to provide a manipulator device capable of calibrating the multi-axis force sensor easily and in a short time even after the multi-axis force sensor is installed on the manipulator.
【図１】本発明によるマニピュレータ装置の第１の実施
例を示す構成図。FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a manipulator device according to the present invention.
【図２】同実施例におけるマニピュレータ装置を駆動制
御する制御系を示す構成図。FIG. 2 is a configuration diagram showing a control system for driving and controlling the manipulator device in the embodiment.
【図３】同実施例において、多軸力センサと制御装置と
の関係を示す構成図。FIG. 3 is a configuration diagram showing a relationship between a multi-axis force sensor and a control device in the embodiment.
【図４】同実施例において、多軸力センサを校正するた
めの機能を説明するためのブロック図。FIG. 4 is a block diagram for explaining a function for calibrating a multi-axis force sensor in the embodiment.
【図５】同実施例において、多軸力センサとして６軸力
センサを例にした場合の校正アルゴリズムの説明図。FIG. 5 is an explanatory diagram of a calibration algorithm when a 6-axis force sensor is taken as an example of the multi-axis force sensor in the embodiment.
【図６】同実施例において、多軸力センサを校正する場
合の具体例を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a specific example in the case of calibrating a multi-axis force sensor in the embodiment.
【図７】本発明の第２の実施例を示す構成説明図。FIG. 7 is a configuration explanatory view showing a second embodiment of the present invention.
【図８】同実施例で用いられる多軸力センサ校正専用手
先効果器の構成例を示す図。FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a hand effector dedicated to calibration of a multi-axis force sensor used in the embodiment.
【図９】第２の実施例の変形例を示す構成図。FIG. 9 is a configuration diagram showing a modification of the second embodiment.
【図１０】本発明の第３の実施例を示す構成図。FIG. 10 is a configuration diagram showing a third embodiment of the present invention.
【図１１】第３の実施例の変形例を示す構成図。FIG. 11 is a configuration diagram showing a modification of the third embodiment.
【図１２】第３の実施例の他の変形例を示す構成図。FIG. 12 is a configuration diagram showing another modification of the third embodiment.
【図１３】本発明によるマニピュレータ装置の適用例を
示す構成図。FIG. 13 is a configuration diagram showing an application example of the manipulator device according to the present invention.
【図１４】本発明によるマニピュレータ装置の他の適用
例を示す構成図。FIG. 14 is a configuration diagram showing another application example of the manipulator device according to the present invention.
【図１５】本発明を利用した場合の全体のフローチャー
ト。FIG. 15 is an overall flowchart when the present invention is used.
１……架台、２……マニピュレータ、３……多軸力セン
サ、４……手先部、５……制御装置、１４……手先効果
器、１５……着脱部、１９……主制御装置、２０……ド
ライバ、２１……電流検出器、２２……モータ、２３…
…位置検出器、２８……押付け対象物、３０，３２……
校正用治具、３１……対象物側校正治具、３３……固定
治具、３７……変換行列計算部、３８……メモリ、３９
……主計算部、４０……変換行列推定部、４２……車
両、４３……ブーム、４４……ワーキングベース、４５
……重り、４６……ベルト、４７……位置センサ、４８
……回転機、４９ａ，４９ｂ……回転板、５０……支持
部材、５５……マスタマニピュレータ。1 ... Stand, 2 ... Manipulator, 3 ... Multi-axis force sensor, 4 ... Hand part, 5 ... Control device, 14 ... Hand effector, 15 ... Attaching / detaching part, 19 ... Main control device, 20 ... driver, 21 ... current detector, 22 ... motor, 23 ...
... Position detector, 28 ... Pressed object, 30, 32 ...
Calibration jig, 31 ... Object side calibration jig, 33 ... Fixed jig, 37 ... Conversion matrix calculation unit, 38 ... Memory, 39
...... Main calculation unit, 40 ...... Transformation matrix estimation unit, 42 …… Vehicle, 43 …… Boom, 44 …… Working base, 45
…… Weight, 46 …… Belt, 47 …… Position sensor, 48
...... Rotating machine, 49a, 49b ...... Rotating plate, 50 ...... Supporting member, 55 ...... Master manipulator.
Claims (5)
ュレータを備えたマニピュレータ装置において、 前記マニピュレータの姿勢情報と前記マニピュレータを
駆動するアクチュエータのトルクを算出するための変数
とを用いて前記多軸力センサの校正を行なうための基準
の力、モーメントを求めると共に、該基準の力、モーメ
ントを発生させる荷重発生手段と、この荷重発生手段に
より発生する前記基準の力、モーメントを前記多軸力セ
ンサに与えたときの出力値に基づいて前記多軸力センサ
を校正する校正手段とを備えたことを特徴とするマニピ
ュレータ装置。1. A manipulator apparatus including a manipulator having a multi-axis force sensor installed on a hand portion, wherein the multi-axis is used by using posture information of the manipulator and a variable for calculating a torque of an actuator that drives the manipulator. The multi-axis force sensor is configured to calculate a reference force and moment for calibrating the force sensor, generate a reference force and moment, and a load generation unit that generates the reference force and moment, and the reference force and moment generated by the load generation unit. And a calibrating means for calibrating the multi-axis force sensor based on the output value given to the manipulator device.
ュレータを備えたマニピュレータ装置において、 前記手先部に予め既知の荷重特性の手先効果器を着脱自
在に装着し、この手先効果器の荷重を既知の力とモーメ
ントとして前記多軸力センサに与えたときの出力値に基
づいて前記多軸力センサを校正する校正手段とを備えた
ことを特徴とするマニピュレータ装置。2. A manipulator device comprising a manipulator having a multi-axis force sensor installed on a hand part, wherein a hand effector having a known load characteristic is detachably attached to the hand part in advance, and a load of the hand effector is applied. A manipulator device comprising: a calibration unit that calibrates the multi-axis force sensor based on an output value when the multi-axis force sensor is given as a known force and moment.
とも２つのマニピュレータを備えたマニピュレータ装置
において、 前記一方のマニピュレータの手先部を他方のマニピュレ
ータの手先部により押圧して前記一方のマニピュレータ
側の多軸力センサに既知の力、モーメントを加え、その
ときの前記多軸力センサの出力値に基づいて前記多軸力
センサを校正する校正手段を備えたことを特徴とするマ
ニピュレータ装置。3. A manipulator device comprising at least two manipulators, each of which has a multi-axis force sensor installed at a hand portion thereof, wherein the hand portion of the one manipulator is pressed by the hand portion of the other manipulator. A manipulator device comprising: a calibration means for applying a known force or moment to a multi-axis force sensor and calibrating the multi-axis force sensor based on an output value of the multi-axis force sensor at that time.
とも２つのマニピュレータを備えたマニピュレータ装置
において、 前記２つのマニピュレータの手先部に治具をそれぞれ所
定の間隔を存して固定し、且つ前記一方のマニピュレー
タの治具を他方のマニピュレータの治具により押圧して
前記一方のマニピュレータ側の多軸力センサに既知の
力、モーメントを加え、そのときの前記多軸力センサの
出力値に基づいて前記多軸力センサを校正する校正手段
を備えたことを特徴とするマニピュレータ装置。4. A manipulator device comprising at least two manipulators, each of which has a multi-axis force sensor installed on a hand portion, wherein jigs are fixed to the hand portions of the two manipulators at predetermined intervals, respectively, and The manipulator jig on one side is pressed by the jig on the other manipulator to apply a known force or moment to the multi-axis force sensor on the one manipulator side, based on the output value of the multi-axis force sensor at that time. A manipulator device comprising a calibration means for calibrating the multi-axis force sensor.
るメモリを有し、校正回数を重ねる毎にその校正データ
の妥当性を評価し、多軸力センサを設置し直した場合に
も妥当なデータとして出力可能な演算手段を設けたこと
を特徴とする請求項１乃至４の何ずれかの項に記載のマ
ニピュレータ装置。5. A multi-axis force sensor having a memory for storing data calibrated, the validity of the calibration data is evaluated each time the number of calibrations is repeated, and it is also valid when the multi-axis force sensor is installed again. 5. The manipulator apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising an arithmetic unit capable of outputting various data.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7165098A JPH0911168A (en) | 1995-06-30 | 1995-06-30 | Manipulator device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7165098A JPH0911168A (en) | 1995-06-30 | 1995-06-30 | Manipulator device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0911168A true JPH0911168A (en) | 1997-01-14 |
Family
ID=15805859
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7165098A Pending JPH0911168A (en) | 1995-06-30 | 1995-06-30 | Manipulator device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0911168A (en) |
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