JPS63109344A - 力検出器の較正システム - 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】 〔概要〕 本発明は、ロボット用力検出器の較正において、手作業
による労力と時間の浪費を解決するため、連続負荷試験
機とマイクロコンピュータを用いて、軸方向に対する自
動較正システムを構成し、かつ効率的なデータ処理方法
を用いて較正の自動化を図ったものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明はロボット用力検出器の三つの軸方向の力成分に
対する較正方法に関する。

力検出器、例えば６自由度カセンサがいかに分解能よく
、また軸間で干渉がない構造が実現できたとしても、そ
れを実証するには荷重と力センサ出力信号との関係を較
正しなければならないし、その較正なくしては力センサ
としては利用価値がない。換言すれば、較正装置のよし
あしで力センサの性能をフルに発揮できるかどうかが決
定される。

このため、力荷重の三つの成分をそれぞれ単独成分のみ
を高精度に与え、かつすみやかに較正結果が得られる較
正装置の開発が望まれている。

〔従来の技術〕

第５図は従来の力検出器の一軸方向の較正装置の原理図
を示す。図において、１は力検出器であってこの力検出
器１の力の作用点Ｏにワイヤ２の一端を接続し、滑車３
を介してワイヤ２の引張り方向を所要の測定方向（例え
ばＸ軸方向）に一致せしめ、かつその引張り方向を滑車
２によりＸ軸方向から鉛直方向に変換せしめ、ワイヤ２
の他端に重量Ｗが既知の錘４を載置する構成になってい
る。

この錘４の重１ｗを変えることにより力検出器１０力の
作用点Ｏに負荷される力Ｆｘの値を知り、これに対応す
る力検出器１の出力により較正を行うことができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

負荷の大きさを変えるには錘４を積み変える必要がある
が、その際振動し易く、力検出器１の出力信号が変動し
易い。したがって、振動が十分小さくなった後に出力信
号を読み取るのであるが、振動が止まるタイミングの予
測が困難であるため、自動化し難く、手作業に頼るしか
なく、時間と労力が掛りすぎる欠点があった。しかも力
検出器は製品を個別に較正を行わなければならず、コス
ト高になる問題もある。

本発明は上記従来の欠点に鑑みて創作されたもので、較
正の自動化が容易に達成される力検出器の較正システム
の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の力検出器の較正システムは第１図に示すように
、上下に可動する梁７に設けられた荷９重ビン１０によ
って、多自由度の力検出器１に圧縮あるいは引張り荷重
を与え、前記力検出器ｌの較正範囲内に荷重を連続的に
可変して付与し、前記荷重ピン１０に設けられたロード
セル６により荷重に対応した電気信号をアナログ信号と
して取り出せる荷重試験機５において、前記アナログ信
号と該アナログ信号に対応する前記力検出器１の多自由
度の出力信号を所要のタイミングで記憶するデータメモ
リ１７を設け、前記アナログ信号と該アナログ信号に対
応する前記力検出器１の多自由度の出力信号との関係を
、それぞれの自由度毎に最小自乗法を用いた線形近似の
演算処理を行う演算部２１で演算して導出する構成にな
っている。

〔作用〕

荷重試験機５は、上下に可動する梁７に設けられた荷重
ビン１０によって、多自由度の力検出器１に圧縮あるい
は引張り荷重を較正範囲内で連続的に可変して付与する
ことができ、外因による負荷の変動を避けることができ
る。かつ、ロードセル６により連続的に負荷の値をアナ
ログ信号として知ることができる。

このアナログ信号とこれに対応する力検出器１の多自由
度の出力信号とを所要のタイミングで記　　　′憶する
データメモリ１７を設けることにより、演算部２１は各
信号の関係をそれぞれの自由度毎に最小自乗法を用いた
線形近似の演算処理を行い較正の自動化が可能となる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面によって詳述する。

なお、構成、動作の説明を理解し易くするために企図を
通じて同一部分には同一符号を付してその重複説明を省
略する。

第１図は本発明の力検出器の較正システムの実施例を示
す構成図である。図において、１は力検出器であって本
実施例の場合は、６自由度として直交３軸方向の圧縮引
張り力Ｆｘ、　Ｆｙ、　Ｆｚと各軸まわりのトルク力Ｍ
ｘ、　Ｍｙ、　Ｍｚに対応する出力端子を備えている。

５は力検出器１に連続可変に所要軸方向毎の荷重をかけ
ることができる荷重試験機であってその構成、作用は次
の通りである。

６は圧電結晶に圧力をかけ、そのときの出力電圧を測定
することにより大きな圧力測定できるロードセルであっ
て、梁７に取りつけられている。

８はロードセル６が出力する荷重信号の出力端ｆ・であ
って、その出力信号は既に較正されているものとする。

梁７は平行に取りつけられた２本のボールネジ９によっ
て水平を保ちながら上下動を行うことができ、荷重ピン
１０によって力検出器１の力の作用点０に垂直方向に軸
方向荷重をかけることができる。この図はＺ軸荷重に対
する較正装置であり、ｙ軸またはＸ軸荷重に対する較正
装置は、第２図に示すように力検出器１をｙ軸またはＸ
軸が鉛直になるように治具１１によって試験機５に支え
、力の作用点ＯにＺＸ平面を形成する治具１２を取りつ
けて荷重ピン１０によって負荷する構成とする。

これらの荷重試験機は一般に一軸引張り・圧縮荷重試験
機を用いて実現できる。本発明はこうした連続負荷がで
き、かつ荷重値を信号として取り出せる荷重試験機を用
いて自動較正システムを構成することならびにそのデー
タ処理の方法である。

力検出器ｌは力を直交座標の３軸の成分とそれぞれの軸
廻りの３つのトルク成分との合計６次元の成分に分解し
て同時に検出し、その出力電圧をそれぞれ直流増幅器１
３によって増幅し、６つの測定信号Ｖは、 Ｖ＝　　　［Ｖ＋　、　　Ｖ２．　　　Ｖ３　、　　　
・　　・　　”Ｖ　６］　　　丁　　−−−−■を与え
る。ここでＴは行列の転置を意味し、直交座標の３軸方
向の力成分Ｆｘ、　Ｆｙ、　Ｆｚに対応する力検出器１
の測定信号をＶｌ＋　Ｖｚ、　Ｖ３とおき、それぞれの
軸廻りの３つのトルク成分Ｍｘ、　Ｍｙ、　Ｍｚに対応
する測定信号をＶ４＋　Ｖ５＋　ｖ、とする。

自動較正システムでは荷重信号と測定信号とをマルチプ
レクサ１４に入力して順次スイッチングを行い、Ａ／Ｄ
変換器１５によりデジタル化して荷重Ｗとそのときの測
定信号Ｖを一組としてサンプリングし、インターフェー
ス部１６を介してデータメモリ１７にその値を格納する
。

サンプリング間隔ΔＴおよび最大荷重Ｗｍａｘはキーボ
ード１８からインターフェース部１６を介して入力設定
する。２０はＣＰＵ、２６はサンプリング等のタイミン
グを制御するタイマである。

ところで力検出器１は無負荷状態においても若干のオフ
セットＶｏ　＝　［Ｖｏ＋　　Ｖｏｗ　・・Ｖ（１６］
　’が存在しているが、較正試験を行う前（すなわち無
負荷時）にデータメモ１月７にその値を取り込んでおく
。較正はそれぞれの出力のオフセット（荷重零の時点に
おける力検出器１の各測定信号の値）をソフト上で取り
除き行う。

すなわち、演算部２１で出力をＥ＝Ｖ−Ｖ、（Ｖは力検
出器１の測定信号）としておき、荷重Ｗとの関係を最小
自乗法により線形近似して求める。

その結果はＣＲＴ２２またはプリンタ２３にそれぞれイ
ンターフェース部２４．２５を介して出力する。

例えば、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚに対する較正試験を行う
場合、６次元の各センサのオフセットを取り除いた出力
信号をそれぞれＥ　Ｉｇ＋　Ｅｚｘ、　　・・８口で表
記すると、−例として Ｅ　＋ｚ＝０．００２０ＸＦｚ Ｅ　ｚ＊　＝　０．００５６　Ｘ　ＦｚＥ３ｇ＝０．６
６２８ＸＦｚ Ｅ　ｂｚ　＝　０．００１４　Ｘ　Ｆｚの関係が求めら
れ、ＣＲＴ２２またはプリンタ２３に出力する。

第３図は各軸方向力成分に対する力検出器出力の関係の
グラフの一例を示したもので第３図（ａ）。

（ｂ）、　（Ｑ）はそれぞれＸ軸、ｙ軸、２軸方向の力
成分に対する力検出器出力の関係の一例を示している。

サンプリングデータをそれぞれプロット・印で記入し、
また線形近似式から得られる直線を表示させた図をＣＲ
Ｔまたはプリンタに出力した例である。このように本シ
ステムでは較正試験の結果を直ちに得ることができる。

第４図は本発明のシステムのデータ処理のフＬ１−チャ
ートを示す。プログラム実行直後にステ、７プ■におい
てキーボード１８によりサンプリング間隔の時間へＴと
最大荷重値Ｗｍａｘ　（定格荷重）を設定する。

次にステップ■において力検出器１が無負荷状態のとき
の測定信号であるオフセット値Ｖ０をサンプリングして
おき、第１図と第２図におけるような力検出器１の姿勢
の違いや、治具１１．１２の違いによる重力の補正をで
きるようにする。

ステップ■で試験機５のスタートを行うと共に、ステッ
プ■でタイマ２６をリセットし、ステップ■で荷重信号
Ｗと測定信号■を１組だけサンプリングする。

較正試験は、最大荷重−１ＩＩａｘまでの負荷試験と最
大荷重Ｗｍａｘのかかった状態から無負荷状態までの除
荷試験をこの順に連続して行う。

ステップ■で負荷試験か除荷試験かを判定し、負荷試験
のときはステップ■で荷重信号Ｗが最大荷重−ａｘに達
しているかどうかを判定し、達していればサンプリング
を終了し、ステップ■の線形近似演算を演算部２１で行
い、負荷試験あるいは除荷試験で得られたデータに対し
て荷重信号Ｗと測定信号Ｖ−Ｖ、との関係を最小自乗法
による線形近似式を求め、その結果をステップ■でＣＲ
Ｔ２２またはプリンタ２３に近似式または図表にて表示
する。

最大荷重Ｗｍａｘに達していなければ、サンプリングを
継続し、ステップ［相］でタイマの値ｔがサンプリング
間隔ΔＴになるまで待った後ステップ■に戻る。

ステップ■で除荷試験のときは、ステップ■で荷重信号
Ｗが零に達しているかどうかを判定し、零の場合はサン
プリングを終了し、ステップ■に移る。零に達していな
ければステップ［相］を介してステップ■に戻りサンプ
リングを継続する。

ステップ■における表示が除荷試験の結果であるばあい
はこのフローチャートを終了し、負荷試験の結果である
場合はステップ■に戻り、試験機５の除荷をモードとし
てスタートする。（すなわち第１図の梁７を上昇させて
いく） 以上の試験は力検出器ｌに対する圧縮から復旧までのも
のであり、引張り試験はＸ軸およびｙ軸方向については
第２図の治具１１．１２を用いて反転させることにより
試験可能となる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本発明の力検出器の較正シス
テムによれば、効率的な測定とそのデータ処理が可能と
なり、較正試験の自動化が実現する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の構成図、 第２図は荷重試験機の荷重方向変換説明図、第３図は各
軸方向力成分に対する力検出器出力関係のグラフ、 第４図は本発明のシステムのデータ処理フローチャート
、 第５図は従来の力検出器の一軸方向の較正装置の原理図
を示す。 図において、１は力検出器、５は荷重試験機、６はロー
ドセル、７は梁、１０は荷重ピン、１７はデータメモリ
、２１は演算部をそれぞれ示す。 ゝで；二 第２図 ４−＋１≧曽田＄　　　　　９　Φ刊や製匡５／＄４と
ｇ万一システム凸データｊｇＷ１０−チマート第４図 従レカ孜力冬忙軸Ｙ鴫枝正刻ト原理図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 上下に可動する梁（７）に設けられた荷重ピン（１０）
   によって、多自由度の力検出器（１）に圧縮あるいは引
   張り荷重を与え、前記力検出器（１）の較正範囲内に荷
   重を連続的に可変して付与すると共に、前記荷重ピン（
   １０）に設けられたロードセル（６）により前記力検出
   器に対する荷重を電気信号として取り出せる荷重試験機
   （５）において、 前記荷重電気信号と、該荷重電気信号に対応する前記力
   検出器（１）の多自由度の出力信号とを所要のタイミン
   グで順次記憶するデータメモリを設け、前記荷重電気信
   号とそれに対応する前記力検出器（１）の多自由度の出
   力信号との関係を、それぞれの自由度毎に最小自乗法を
   用いた線形近似の演算処理を行う演算部（２１）を設け
   て演算導出するようにしたことを特徴とする力検出器の
   較正システム。