JPS62237335A - 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

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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軸カセンサ（即ち力
の５成分とトルクの６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、その該画部分の力と歪
電圧との関係を見出す。歪電圧と力との関係は、−ａ的
に決定されるものであり、数式上は、次式となる。

Ｆ＝ＣＢ］Ｖ　　・・・・・・・・・（１）ここで、Ｆ
は、センサに加わる力、■は歪電圧である。〔Ｂ〕は、
ＦとＶとの関係を示す定数であり、一般に変換行列と呼
ばれる。ＦとＶとは共にベクトルで表視できる。

変換行列〔Ｂ〕を求める従来例には、米国特許第４０９
４１９２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、変換行列を求めろ有力な方法であるか、
多（の労力と時間な必要とする問題点を待つ。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ヤリブレータ！１／できるよ
プにしだ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、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、更にハンド
部に重さ、及び重心位置が既知の標準ワークを取付は又
は保持し、制御装置から指令で上記ロボットの各駆動源
を作動させてロボットに装着された力センサの姿勢を順
次変化させ、ロボットの各動作要素の動作量を検出する
エンコーダからの信号釦もとづいて検出される力センサ
の姿勢１位置情報とデータとして入力された標准ワーク
、ハンド部等の重量及び重心位置とによってｆ’ｔｊｌ
Ｊ御装置が演耳装置力及びモーメントからなる力Ｆを求
め、更に力センサから検出される歪電圧Ｖを制御装置が
取り込み、制御装置は求められた力及びモーメントから
なるＦと取り込まれた歪電圧Ｖとから所定の演算式によ
り力センサの変換行列〔Ｂ〕を演算して記憶手段に記憶
させて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
ーションする方法及びその装置である。

〔作用〕

本発明は、ロボットに力センサと標本ワーク（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過切な標草ワーク（直り）を
装着させた状態で、ある条件に基づき、首を撮らして数
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ＣＢＩをキャリブレーションする場合には
、異なった標単ワーク（重り）を力センサに装Ｎ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ＣＡ）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Ｏ 第２Ｌ！ｇ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１
１を備え付け、その前腕１１の先に５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１６との間に力センサ１２を取付げている。

この力センサ１２は、歪ゲージであり、ハンド訊１５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。

ペースの座標軸（Ｏｂ　−Ｘｂ　−３’ｂ−Ｚｂ　）と
カセン？１２の座標１１１（Ｏｓ−Ｘｓ　　Ｙｓ−ｆ）
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２と内部
部材２６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２５はハンド部１６に固
定する。薄板部材２２は、内部部材２５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２５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ゲージ２
４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、及び虫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゛−１圧と
の関係が一義的に定まる。便って、命電圧の大きさから
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。そこでこの方センナをロ
ボットに取付けた状態で剛８：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１６から検出され
る力侶号やその他記憶されているプログラムＫ（ｌｉＥ
り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６自由度
でもって回転出来るように構成されたリスト（手１）１
０Ｃ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
付げ、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エネ用等
が連結されている。またロボットのりスト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し１
゜ このようにしてロボットの位置θ、カセンサ１２から検
出される電圧Ｖ等をマイコンで構成されたん、力Ｆ。１
重りの重量１重りの重心位置、ハンド部の重量、ハンド
部の重上・位置、力センサの内部重重、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９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、腸１４２と、凡０Ｎ１４５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ディジタル信号に変換するＡ／Ｄ
変換回路５５とそれらを接続するパスライン４７とから
構成されている。

ここで位置ｘｒ、力Ｆ。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１５に与えられる力Ｆによ
ってのみ動作する。即ち受動的な機構となる。一方ハン
ド部１５に力が加わらず（或いはセンサ類１２を取付け
ずＶＣ）位置ｘ１．力Ｆ。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。

いずハにしても制御装（！ｉ４０は、サーボアンプ４９
に対し、ロボットの関節角速度θの指令値を出カシ、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
θを受け、関節角度θ／ハンド系の直交座標Ｘ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。

またロボットに力ａわる外力Ｆ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Ｖとし
て、制御装置４０は、Ａ／Ｄ変換回路５６を介して取込
む。力算出部は、Ｖ、ｘ（θ）を取込みまず歪ゲージの
電圧Ｖ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かもの指
令で演算部４４が行う。

次にハンド部１６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）　ＩＪワックスＢ
〕をハンド部１６の姿勢１位置θ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Ｆを算出する。

こうして算出された１面が１゛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１６が動作す
べき速度τか算出される。仄に１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、ペ
ースの座標系での速度υ。に変換する。

この後、直交座標系での速度ｖｏから、関節角度算出部
によってロボット各軸が取るべき、角速度は逆ヤコビア
ン行列と呼ばれ、その要素（エロボットの各関節角度θ
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カシ゛、ロボッ
トの位置ｘ以外に、力９位置の指令値ＦＣ１ｘｒＩＪ−
入力され、ハンド部の速Ｊｉ　ｖ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Ｖから力セ
ンサ１２に印加さｊた力Ｆを昇出しなけねばならない。

その算出のための剛性変換マトリックスＣＢ〕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プレ
ーシラ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Ｖは、厳密には、Ｖ　＝　Ｖａ　
−Ｖｃｔ　　−−・−・・・・・（２）で規定できる。

ここで、Ｖｄは、力センサ１２に力が加わらない（内部
Ｎ童も力とみなす）時の発生電圧である。このｖｄは、
ｎ次元ベクトルとなる。

Ｖｏは、力センサ１２に力（内部重量も力とみな丁）が
、実際に加わった時に発生する電圧である。この電圧Ｖ
。もｎ次元ベクトルとなる。但し、ｎ≧６である。

力Ｆは、力センサ１２に加わる力であり、センサ座標系
で考える。この方Ｆは、力・モーメントより成り、６次
元ベクトルとなる。

更に、力Ｆと歪′亀圧Ｖとは、線形な関係にあるものと
する。この結果、 Ｆ＝［Ｂ　）　Ｖ　　・・・・・・・・・（６）が成立
する。ここで、〔Ｂ〕は、６行ｎ列の行列となる。

（２）　ｔ　ＩＥＶｄを求めるための手順。

内部型ｔＷｉｎ、内部重量の重心位置ｄｉｎ　（第２図
で示した’５−ｘｓ　−Ｙ８　”ｌ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）とは設計図面
等を利用して事前に求まる故、操作卓４５かも入力でき
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ｖｄを求
めたいが、Ｗｉｎはセンナ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Ｖ４取付
ける。更に、先センサ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ｚｇ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、Ｚ’、、　ｙ、　”ｉ　、姿勢ｆ、ｙ。

ｈ等を入力してロボット１０を操作する。座標軸ｚｆＪ
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。この歪電圧なりｄｏｗとする。

次に、セ／す座標系の座標軸ｚＢ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Ｖｕｐとする。

ｖｄ＝（ｖｄｏｗ＋Ｖｕｐ）／２　　・・・・・−・・
（４）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ｕｄｏｗ（Ｓ系表示〕
、上向き姿勢時の重力方向の単位ベクトルなｕｕｐ（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ｕｄｏｗ　＝−ｕｕｐ　　　−°”　−（
５）となる。

従って、（４）式は正しく、（４）式より電圧ｖｄが求
まることとなる。

（６）歪電圧Ｖと力Ｆとを求めるための手順。

第２図で示したハンド部１６０代りに、標準ワークな力
センサ１２に取付ける。第４図に標準ワークを取付けた
際の糾祝図を示す。標準ワーク６１は、重ｉｔｗＳｔ、
センサ座襟系のもとでの重心位１ｔｄＳｔとする。この
Ｗ　　、ｄ　　は共に操作卓４５から入力でｓｔ　　　
　　ｓｔ きる既知とする。

内Ｓ重重Ｗ・　に対してＷｓｔなる標準ワーク６１をｎ 付加したこととなるから、両者の重ｆｉＷは、Ｗ　””
　Ｗｉｎ　＋　Ｗｓｔ　　　−−−（８）となる。

一方、重心位置ｄ（８系表示）は、 ｄ　”’　（Ｗｉｎ−ｄｉｎ　＋　Ｗｓｔ”ｓｔ　）　
／　（Ｗｉｇ　＋　Ｗｓｔ　）−・−（９）となる。

ここで、第２図に示す如く、リスト１０Ｃのペースの座
標系（Ｏｂ−Ｘｂ　　ＹＢ　　Ｚｊにおいて、重力方向
を示す単位ベクトルなＵ、とする。このＵ、はｅｎｃｏ
ｄｅｒ　Ｐｇから検出されるθ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ｕ８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ｆ、ｙ、Ａとする。この乗件下では次式が成
立つ。

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Ｆとすると
、 となる。ここでｆはセンサ座標系でカセンサ釦働く並進
力、ｍはセンナ座標系での原点まわりのモーメントを表
す。

ｆ　＝　Ｗ　−ｕ８　　　　　　　　＋＋＋　＋＋＋　
＋＋　（１２）ｍ　＝　ｄ　Ｘνν−ｕＢ　＝　ｄ　Ｘ
　ｆ　　−−・＝　（１５）である。したがってＦは６
次元ベクトルである。

ベクトルＦの６要素は、力のＸ　ｒ　ｙｔ　Ｚ軸成分、
モーメントのｘ、ｙ、ｚ軸成分を云う。

一方、歪電圧Ｖは、（２）式より求まる。即ち、実際の
歪１圧Ｖ。を求め、このＶ。から電圧ｖｄを差引けば、
■を求めることができる。

（４）ｆ換行列ＣＢＩを求めるための手順。

以上の（５）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ａ８．ワークｂ＋）、（姿勢ａ３．ワー
クｂｌ）＋”’＊（姿勢ａｍ　ＩワークｂＩｎ　）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
、 ＣＶ＋　、Ｂ”ｔ　、−９Ｆｍ　〕＝ＣＢ　、ｌ　Ｃｖ
＋　、■１−１■□］・・・・・・・・・（１５） は０行ｍ列の行列となる。但し、ｍ≧６．ｎ≧６である
。また、ｐ、　、　ｐ、、・・・、Ｆｍ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、ＣＥ　、ｐｔ　、−９Ｆｍ］をＣｒ３．
ＣＭ。

Ｖ、　、　、、、、　Ｖｍ：を〔Ｖ〕とおくと、〔Ｆ〕
＝〔Ｂ〕〔Ｖ〕　　　・・・・・・・・・（１６）とな
る。従って、 ＊ ＣＢ　］＝１ｍＦ　）　〔Ｖ）　　　　・・・・・・・
・・（１７）となる。但し、 （：　Ｖ　）”＝　ＣＶ　：）”Ｃ（Ｖ）〔ＶＥ”）”
−’　　・・・・・・・・・（１８）である。（１７）
式より、変換行列〔Ｂ〕を求めることができる。

［２］　（１）　ｆ形例。

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、−例としてワーク３４゜ワーク６５
ヲ用い、１つのワークに対し３８！［類以上の異なる姿
勢をとらせ、力センサに加わる力名。

１゛、・・・、１１″ｔ′ｆ！：求める方法である（但
し、ｔ≧６）。

この力Ｆ、〜）ｔ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Ｆ１〜Ｆ
、δ代入し、対応する歪ゲージの電圧Ｖ、　、　Ｖｔ、
・・・。

ｖｔヲｖＩ、■１．・・・、Ｖｍニ代入すれハ（１７）
式！　リＣＢ　〕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１０
Ｃに取付けた力センサ１２の先に重心位置及び重量の概
知なハンド部１５に重心位置及び重量の概知な重り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る。次にこの基本座標で
表わした力センサ１２の姿勢をｆ、ｙ、Ａベクトルで表
わすものとする。ｆ。

５、Ａ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図忙示すよ５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
ルな６１重量なＷとすると、重り１４により力センサ４
に働く並進力ｆ及びモーメントｍは次式で表わされる。

ｆ　ｅ　（−Ｗｆ２．−Ｗ　！１２．−ＷＡ２）　　　
・・・・・・・・・（１９）ｍ　＝　ｄ　Ｘ　ｆ　　　
　　　　　　　　　・・・・・・・・・（２０）但し　
ｆ＝ｃｆ工、ｆ、、ｆ２）　　　　　・・・・・・・・
・（２１）ｊＦ＝（ｌｘ１ｇｙ＋　　ｌｚ　）　　　　
　　・・・・・・・・・（２２）ｘ＝（Ａよ、ｈ、、ｈ
２）　　　　　・・・・・・・・・（２５）１つのワー
クにより（１０）又は（１９）、（１１）又は（２０）
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ｆｌｒｎ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６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Ｊ、及びモーメントのベク
トルｍ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ＣＦ　、ｌの列成分ベクトルＦである。

ｑ＝ｃｆＴ、ｍＴ〕Ｔ−・・・・１２４）但し、Ｔは転
置を表わす。

ここで、ｑベクトルが６つ独立ならばよいわけであるが
、ｄ及びＷが一定のときには線形独立なものが５組しか
出来ない。まず、ｑの成分である並進力に渚目するとｆ
、　、　ｆ、　、　ｆ３が同一平面上に存在しなければ
明らかにｆ、　、　ｆ、　、　ｆ、は線形独立となり、
このとき当然９ｍ＋　９ｔ　＊　ｊｓは線形独立となる
。

で表わされる。ここで、ｆｌ＋ｆ２＊ｆ３が線形独立で
ありたことから、明らかにｆ、は、 ｆ　６＝　ａ　ｆ、　＋ｂ　ｆ、　＋ｃら　・・・・・
・・・・（２６）（但し、ａ、ｂ、ｃは任意の実数） となり、ｆｌ　、　ｆｌ　ｈらの和で表わされる。した
がってｆ、は線形従属となる。次にｍ、を調べる。

（１６）又は（２０）式より 町＝ｄＸｆｉ　　・・・・・・・・・（２７）（２１）
式に（２６）式を代入し整理すると、＝　ａ（ｄｘｆ、
　）＋ｂ（ｄｘｆ、　）＋ｃ（ｄｘｆ３）＝　ａｍ、　
＋ｔ）ｍｔ　＋Ｃｍｓ　　　・・’・・・・・−（２８
）（２６）式及び（２８）式より ｑ１＝ａｑ＋　十Ｅ）ｑｚ　＋　Ｃｑｚ　　　−＝・＝
・（２９）となる。

ることがら線形従属である。以上よりＷ、ｄ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）、　（１５）又は（２０）式よ
りＷを変化させてもｑ、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ｄ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５種類以内
の力を感知できる力センサにおいては５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。

［５］　（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Ｆ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、ＣＢＩを算出する時の条件、例えば （イ）ワークの椎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ＣＢＩ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、”ｂ−Ｘｚ、−ｙ／、−
ｚ’ｂ座像系を屋義したが、必要に応じて他の座標系で
あってもよい。

１：４）　（１）　’に圧Ｖｄ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ｆｍ行列
ＣＡＤＩを用いる方法がある。

第１図に示すように、ある任意の力１；’Ｌ＝　（ｆ、
ｒｔｆｙｔ　＋　　ｆｚｔ　、　ｍｘｔ、、　ｍｙ＊　
＋　ｍｚｔ　＋　１　）　ｋ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右；（υ１．　υ　　υ
　　ｖ４１．υ５Ｌ１υ、１１１）とする＋　　　晩　
＋　　　　３ｔｌ と、力のベクトルを列成分とする行列ＣＦＩと、力セン
サデータを列成分とする行列［Ｖｌが得られる。これを
まとめると、 ＣＶ　］＝（Ｖｒ、Ｖｔ、”・、Ｖｖ、・、Ｖｌ　　）
−Ｃｓ１）となる。ここでｔ≧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り
立つ。

〔Ｖ〕＝〔Ａ〕〔Ｆ〕　・・・・・・・・・（５２）し
たがって、〔Ｆ〕が逆行列ＣＦ）−’を持つかあるいは
擬似逆行列ＣＦ〕　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、 ＣＡ］＝ＣＶ）ＣＦ）−１Ｃｔ＝７）・・・・・・（６
２）［Ａ］−ＣＶＩ　［Ｆ）＊（ｔ＞ｙ　）−−−−−
−Ｃｓｓ）となる。ここで、擬似逆行列〔Ｆｆは最小２
乗近似と考えられ次式で表わされる。

〔Ｆ〕−ＣＦＩ　　Ｃ［Ｆ）［Ｆ）］　　・・・・・・
・・・（５６）〔Ｆ〕が逆行列［：　Ｆ　］−’あるい
は擬似逆行列〔Ｆ〕ゝをもつ条件はＣＦＩの列成分Ｆ、
が線形独立であることが必要かつ十分な条件である。即
ち、ｎ種類（１≦ル≦６）の力を成句可能な力センサに
おいては、九以上の列成分Ｆ、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、本実施例ではル＝６
であるから少なくとも６つの線形独立なカッ列ベクトル
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ＣＡＩ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≦ル≦６）の力が感知可
能な力センサにおいては、少な（ともル組の線形独立な
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（ｆｌ＆＋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。

ｆｆＬｌちこの実施例は、次に示す変換行列ＣＢＩを６
行ル列から７行（ｎ＋１）列に拡張した変換行列ＣＡ〕
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Ｖは、予めオフセット電圧Ｖｄ
を求めてお（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ＣＡＩを求める
ことによりＶｄをあらかじめ求める必要がなくなる。こ
の〔Ａ〕を求める−とし、［ＶＩ行列の列成分Ｖｉ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Ｆ、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１６
を取外すことなく、力センサ１２をロボットのリスｌ’
１０ｃに取付げた状態で極めて簡単にかつ迅速にバイア
ス値を考直した剛性変換マトリックス〔Ｂ〕を算出する
ことができる。

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

更にロボット１０には駆動モータＭと共にエンコーダＰ
ｋ！Ｊが付いて　そわ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
．）・ンド部１５．直り３１゜５４．５５．１４の重量
、力センサ１２、／１ンド部１３゜重り３１　、５４．
５５．１４の重心位ＩＩ）を入力することができる。

史に前記した演算式は制御装置４０の演算部４４に記憶
されている。従ってマイクロプロセッサ４１は、ＲＯＭ
ｔ５に記憶されたプログラムを読み出し、操作卓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Ｖ
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ＣＢ〕をキヤリ
ブレーシヨンし、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１
２から検出される電圧値Ｖにこの〔Ｂ〕を掛算等の演算
処理をすることによりて実際に力センサ１２に印加され
た力Ｆを算出することができ、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（、制＃Ｉ！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掘できるとともに、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
かつ測定時間を駆動することができる。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、しかも力センサの推知に応じた重りを選
定することＫ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変換マトリックスＣＢ
Ｉ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図は他の標臨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）　　１０ｃ・・・リスト（
手首）１２・・・力センサ　　　　１６・・・／１ンド
部１４、５１．５４．５５・・・重り　　Ｍ・・・モー
タＰＥ・・・エンコーダ 乙

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、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、更にハンド部に重さ、及び重心位置が既知の標
   準ワークを取付け又は保持し、制御装置からの指令で上
   記ロボットの各駆動源を作動させてロボットに装着され
   た力センサの姿勢を順次変化させ、ロボットの各動作要
   素の動作量を検出するエンコーダからの信号にもとづい
   て検出される力センサの姿勢、位置情報とデータとして
   入力された標準ワーク、ハンド部等の重量及び重心位置
   とによって制御装置が演算して力及びモーメントからな
   る力＠Ｆ＠を求め、更に力センサから検出される歪電圧
   ＠Ｖ＠を制御装置が取り込み、制御装置は求められた力
   及びモーメントからなる＠Ｆ＠と取り込まれた歪電圧＠
   Ｖ＠とから所定の演算式により力センサの変換行列〔Ｂ
   〕を演算して記憶手段に記憶させて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、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、力センサの姿勢を上向きと下向きとをとらせ、その
   際力センサから得られる歪電圧＠Ｖ＠ｕｐと＠Ｖ＠ｄｏ
   ｗｎから＠Ｖ＠ｄ＝（＠Ｖ＠ｄｏｗｎ＋＠Ｖ＠ｕｐ）／
   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＠Ｖ＠ｄを算出し、変換行列〔
   Ｂ〕をキャリブレーションする際、歪電圧＠Ｖ＠として
   ＠Ｖ＠＝＠Ｖ＠＿０−＠Ｖ＠ｄ（但し、＠Ｖ＠＿０は実
   際に力センサから検出される歪電圧とする。）なる処理
   をしたものを用い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。 ４、４次元以上について感応する力センサについては、
   ハンド部に取付ける標準ワークを複数種類にし、順次ハ
   ンド部に取付け、４種類以上の線形独立な力を附与する
   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。 ５、ｎ次元について感応する力センサについては、力セ
   ンサの姿勢変更及び標準ワークの変更によって（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４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。 ６、歪み電圧＠Ｖ＠を検出する力センサをリスト部とハ
   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）を駆動して各動作要素を動作させて力センサの
   姿勢を任意に変更させる駆動手段と、ロボットに備え付
   けられた各動作要素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、ハンド部に取付け
   又は保持される標準ワーク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標準ワーク等の重量及び重
   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＠Ｆ＠と力センサから検出される歪電圧＠
   Ｖ＠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の演算手段とを備え付けたことを
   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。