JPS6190895A - 力センサの変換行列検出方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ロボットに装着場れる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′
成圧と力（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検出方法に関する
。

〔発明の背景〕

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
に決定逼れるものであす、ｅｌ、式上は、次式となる。

Ｆ＝（Ｂ）Ｖ　　　　　・・・・・・・・・・・・（１
）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
ルで表現できる。

変換行列〔Ｂ〕　を求める従来例には、Ｕ　Ｓ　Ｐ。

４０９４１９２　ｒ　Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄＡｏｎａｒ
ａｔｕｓ　ｆｏｒ　ＳｉｘＤｅｇｒｐｅ　ｏｆＦｒｅｅ
ｄｏｍ　Ｆａｒｃｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｊ　　がある０
この従来例の測定装置を第１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１爆を
変えたり、ケーブル４の取付方間を変えたりする。これ
によって、を換行列に必要なデータを得、変換行列の算
出を行う０ 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。

〔発明の目的〕

本発明は、ロピノト自体に力センサを装着したままで変
換行列の検出を可能とした力センサの変換行列の検出方
法を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、ロゲットに力センサと標準ワークを装着して
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（力ととルク）を加えたことと同等になることに層
目してな嘔れた。肌ち、口♂ソトに力センサ及び適切な
標準ワークを装着妊せた状態で、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自動的に変換
行列を検出するようにした。

〔発明の実施例〕

第２図は、本発明の詳細な説明図である。アーム１１は
ロビノトの一部を構成するアームである。

アーム１１の先端とハンド部１３との間に、力センサ１
２を取付ける。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力対応の歪電圧を
発生する。ここで、力とは、力とトルクとの両者を云う
。この力は、６次元ベクトルとなる。

ベースの座標軸（ｏｂ　　Ｘｂ７ｂｚｂ）と力センサ１
２の座標軸（Ｏｓ　　”３　７．−Ｚ、　）　　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ｎと薄板部材ｎとエリ成る。外部部材２１はアー
ム部１１の先端部に固定し、内部部材ｎはバンド部１３
に固定する。薄板部材２２は、内部部材％と外部部材２
１とを連結する。この薄板部材四の一部に歪ゲージ冴を
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
した内部部材乙に力が伝わり、連結板２４を介して歪ゲ
ージあがたわむ。この歪み対応の電圧が歪グージムの出
力端子を現われ、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、歪電圧の太き塔から力を検出
できる。この力と歪電圧との関係を定めるのが、変換行
列〔Ｂ〕　　である。

（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＝ｖｏ−ｖｄ
　　　・・・・・・・・・・・・（２）で規定できる。

ここで、■、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ＶＮ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す）が
、実際に加わった時に発生する電圧である。この電圧ｖ
ｏ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、センサ座標本
で考える。この力Ｆは、力・トルクより成り、６次元ベ
クトルとなる。

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

（２）　　電圧ｖｄを求めるための手順。

内部重量は無視して考えられない。しかし、内部重量Ｗ
ｉｎ、内部重量の重心位置ｄｉｎ（図２で示した’ｓ　
　”ｓ　　’ｓ　　”ｓで示芒れるセンサ座標系（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、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＋　Ｗ　ｉｎ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−２をロゴノドのアーム部１１の先端に取付け
る。更に、先センサー２の先端には何もつけない。従っ
て、実際のロゴノド動作系である第２図の如きハンド部
１３の取付けはしない。

そこで、センサ座標系の座ｍｌ１１１ｚ、を下向き、即
ち重力の方向を向くようにロゴノドを操作する。座標軸
２、が重力方向になった条件下で、力センサ−２で歪電
圧を測定する。この歪電圧をｖｄ　ｏｗとする。

次に、センサ座標系の座標軸２　を上向きの姿勢とし、
この姿勢のもとで力センサ−２で歪電圧を測定する。こ
の歪電圧を■。、とする。

ＶｄｏｗとＶ　ｕ　ｐ　　とより、電圧Ｖｄ　は、次式
で求める。

”ａ　＝　（’ｄｏｗ　＋　”ｕｐ　）／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
７１０わる内部重量に工って生じる刀とトルクとのそれ
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Ｕｕ、　
（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、ｕ　ｄｏ　Ｗ＝ｕ　ｕｐ　　　　　
””””””　（５）となる。そこで、力Ｆ１．トルク
Ｆ２は、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。

（３）歪電圧Ｖと力Ｆとを求めるための手順。

第２図で示したノ・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　
、センサ座標系のもとての重心位置ｄａｔとする。この
Ｗ、ｊ　ｌ　ｄ３ｔは共に、既知とする。

内部重量Ｗｉｎに対してＷ、ｔなる標準ワーク１３を付
加したこととなるから、両者の重量Ｗは、Ｗ＝Ｗｉ　ｎ
　＋　”ｓｔ　　　　−・−・・（８）となる。

一方、重心位置ｄ（Ｓ系表示）は、 ｄ　＝　（Ｗｉｎ’　ｄ　ｉｎ　＋　Ｗｓｔ　”、０　
／（Ｗｔ　ｎ＋Ｗａｔ　）　・・・（９）となる。

ここで、第２図に示す如く、アーム１１のベースの座標
系（’ｂ　　Ｘｂ　　Ｙｂｚｂ）において、重力方向を
示す単位ベクトルをｉ、とする。このｉ、は既知である
。

センサ座標系での重心方向を示す単位ベクトルを１３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　、ｇ　、ｈとする。この条件下では、下式が成立つ
。

”ｓ　＝”　’　ｇ　、’　）Ｔ’　ｙ　ｂ　・”　・
・・”’　（ｉｏ）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・トルクはまと
めてＦとすると。

となる。ここで、Ｆは、センナ座標系として表示し、ト
ルクとは、センサ座標系での原点まわりのトルクとする
。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、ｙ、ｚ軸成分。

トルクの！、７．Ｚ軸成分を云う。

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

（４）菱撲行夕１１　ＣＢ　〕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
準ワークのもとての１つの測定例である。実際には、姿
勢を変化妊せ、標準ワークを変化（重量や重心位置の変
化）畑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ａｌ　ｌワークｂ、）、（姿勢ＩＬ２　
ｒワークｂ２）、・・・、（姿勢ａｍｌワークｂｍ）の
もとてそれぞれ測定を行うと、 が得られることとなる。０２）式を行列でまとめると、 ・・・・・・・・・０３） となる。ここで、〔Ｆｌ、Ｆ２．・・・、Ｆｍ〕は６行
ｍ列の行列、〔Ｂ〕は６行ｎ列の行列、（Ｖｌ　＋　Ｆ
２　＋　”’　、Ｖ曜は５行ｍ列の行列となる。但し、
ｍ≧５．ｎ≧６である。また、Ｆ、　、Ｆ２．・・・、
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。

０３）式は、ＣＦｌ　＋　”２　＋　”’　＋　Ｆｍ］
をＣＦＩ、ＣＶ＋。

Ｆ２．・・・、ｖｍ〕をＣＶＩ　　とおくと、ＣＦ）＝
（Ｂ）〔ｖ〕　　　・・・・・・・・・　０４）となる
。従って、 ｊＢ：］ｍ＝Ｆ　：］　〔Ｖ　〕”　　　・・・・・・
・・・　α５）となる。但し、 〔Ｖ〕＊＝〔ｖ）Ｔ〔〔ｖ〕〔ｖ）Ｔ〕−１・・・・・
・・・・（１６）である。０５）式より、変換行列〔Ｂ
〕を求めることができる。

（５）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
りうる。第５図に示す如く、ｚ３軸上に重心を持つワー
ク３４をセンサ１２に取付け、種々の姿勢をとらせる。

姿勢の例を第６図に示す。

第６図は、５個の姿勢であり、（ａ）は下向き、（ｂ）
はｘ′、軸回りに＋４５１′の傾斜、（Ｃ）はｘ’軸軸
回に−４５゜の傾斜、（ｄ）はｙ′５軸囲軸回＋４５°
の傾斜、（Ｃ）はｙ’軸軸回に一４５°の傾斜を示す。

いずれも、ベース系の座標軸で考えている。即ち、０１
）−ｘ′ｂ−ｙ′、−３′５座標系は、ベース系の対応
するｘ、ｙ・２軸とｘシ。

ｙｂ、”ｂ軸との姿勢を同一とし、原点ｏＧがセンサ系
の原点０　と一致略せるような構成の座標系とする。

以上の第６図の５つの姿勢のもとで、それぞれの力’　
＋　Ｆｂ　＋　”Ｃ＋　Ｆｄ　ｒ　Ｆｅ　　を測定する
。この５個は独立したベクトルとなる。１つのワークで
は姿勢を父えるだけでは最大５個の独立したベクトルし
か取れないが、本方式では、６個の独立したベクトルを
必要とする。そこで第７図に示すように、ワーク３４の
代りに、ｚ３軸上に重心のないワーク３５を力センサ１
２に取付ける。次に、ｚ３軸囲りのモーメントが零でな
い工うな姿勢をとらせ　゛る。この姿勢で６個目の独立
したベクトルであるする（但し、ｍ＝６）。

そこで、０３）式にＦａ−Ｆｆを代入し、対応する歪ゲ
ージの電圧ｖ、　、　Ｖｂ、　、・、　ｖ（を”ｌ　＊
　Ｆ２　ｒ　”’ｖｍに代入すれば、０５）式より〔Ｂ
〕を得ることができる。

（６）　　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敬は、最低６個の独立したＦを含ん
でいるとの条件芒え満たせば、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Ｓａ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 （・′）梢１隻の良い〔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′、−ｘ′、−ｙ′５
−ｚ′。

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。

〔発明の効果〕

本発明によれば、変換行列を専用装置を使用することな
（ｏ＋ｙット自身を利用して検出できることとなった。

算出時間、労力の低下を生むこととなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例図、第２図は本発明の実施例図、第３図
は力センサの構成側図、第４図は標準ワークを取り付け
た場合の図、第５図は他の標準ワークを取り付けた場合
の図、第６図は測定モードを示す図、第７図は他の測定
モードを示す図である。 １０・・・ロゲットのベース部、１１・・・７−ム部、
１２・・・力センサ、１３・・・ハント部。 代理人　弁理士　　秋　本　正　実 第１図 第２図 第３囚 第４図 第５図 第６図 ２ら ↑ 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ロボットアームとハンド部との間に装着される力セ
   ンサであって、該センサがハンド部に印加する力＠Ｆ＠
   に感応し、＠Ｆ＠＝〔Ｂ〕＠Ｖ＠（但し、〔Ｂ〕は変換
   行列）なる関係の歪電圧＠Ｖ＠を発生する特性とする時
   の変換行列〔Ｂ〕を検出する検出方法において、 ロボットアームの先端部に装着した力センサの先端に重
   さ、重心位置の既知の種々の標準ワークを次々に取付け
   、この標準ワークの取付けのもとでの力センサの歪電圧
   ＠Ｖ＠Ｎ及び力・トルクより成る力＠Ｆ＠を求め、該得
   られた＠Ｖ＠と＠Ｆ＠とから変換行列〔Ｂ〕を検出して
   なる力センサの変換行列検出方法。 ２、ロボットアームとハンド部との間に装着される力セ
   ンサであって、該センサがハンド部に印加する力＠Ｆ＠
   に感応し、＠Ｆ＠＝〔Ｂ〕＠Ｖ＠（但し、〔Ｂ〕は変換
   行列）なる関係の歪電圧＠Ｖ＠を発生する特性とする時
   の変換行列〔Ｂ〕を検出する検出方法において、 ロボットアームの先端部に装着した力センサの先端に少
   くとも２個の標準ワークをそれぞれ取付けると共に該標
   準ワークの姿勢を次々に変化させての力センサの歪電圧
   ＠Ｖ＠、及び力・トルクより成る力＠Ｆ＠を求め、該得
   られた＠Ｖ＠と＠Ｆ＠とから変換行列〔Ｂ〕を検出して
   なる力センサの変換行列検出方法。