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JP5550468B2 - 力覚センサの校正方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ロボットシステムのロボットに搭載された力覚センサの校正方法に関する。
アームの先端に力覚センサを介してハンド等のエンドエフェクタが設けられたロボットを備えた産業用のロボットシステムが知られている。この種のロボットシステムでは、ロボットにより部品の組立を行う場合、組付け作業の際に手首部分に生じる力やモーメント成分を力覚センサにより検出し、ハンドを含むロボットの姿勢制御を行う。
力覚センサの製造段階において、外力に対する出力のバラツキが発生するために、その出力を校正しなければならない。そのため、6軸の力覚センサであれば、力Fx,Fy,Fz、モーメントMx,My,Mzの各軸毎に錘など用いて力を付与し、その出力に基づいて校正する。この校正された力覚センサをアームに装着して使用することになる。
一方で、力覚センサが搭載されたロボットの使用時に、誤って過大な負荷がかかり、塑性変形等が生じ測定精度を低下させてしまうことがある。その場合には、一旦、アームから力覚センサを取り外し、再校正作業を行っていたため、手間がかかるものであった。これに対して、力覚センサを搭載した状態で力覚センサの校正を行うものが提案されている(特許文献1参照)。この特許文献1では、まず、予め力覚センサが正常に機能している際に基準データを取得しておく。そして、力覚センサの校正が必要となった際には、ロボットの姿勢を所定のパターンで変化させることで、力覚センサの姿勢を変化させて力覚センサの出力信号の変化量を求め、これを基準データと比較し、更新することで校正を行う。これにより、力覚センサをロボットに装着したままで校正できるとしている。
特開平11−237296号公報
しかしながら、上述した従来の校正方法では、基準データを事前に取得しなければならない。また、アームの先端に設けられているエンドエフェクタが、基準データを取得した際のエンドエフェクタではなかった場合には、エンドエフェクタを交換しなければならず、手間がかかるといった問題があった。
そして、近年、ロボットシステムが一対のロボットを備えて協調作業するようにしたものが提案されており、ロボットの数が多く、より簡易に力覚センサを校正する方法が望まれていた。
そこで、本発明は、エンドエフェクタを交換せずに、力覚センサをアームの先端に装着したままで校正できる簡易な力覚センサの校正方法を提供することを目的とするものである。
本発明の力覚センサの校正方法は、アームと、前記アームの先端に力覚センサを介して設けられたエンドエフェクタとを有する一対のロボットを備えたロボットシステムにおける前記力覚センサの校正方法であって、前記一対のロボットを撮像して前記一対のロボットの位置補正を行い、前記一対のロボットのエンドエフェクタ同士を当接させる当接工程と、前記当接工程の実行による一方のロボットの力覚センサの第一の検出信号及び他方のロボットの力覚センサの第二の検出信号を求める測定工程と、前記他方のロボットの力覚センサが出力した第二の検出信号が、前記一方のロボットの力覚センサの第一の検出信号に基づく力又はモーメントを示す値と同一の値に変換されるように前記検出信号を力又はモーメントを示す値に変換する前記他方のロボットの変換データを更新する校正工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、校正済みの力覚センサを基準に校正対象の力覚センサを校正していることとなるので、基準のエンドエフェクタを取り付けて事前に基準データを取得しておく必要はなく、また、エンドエフェクタを交換する必要もなく、校正が簡易になる。
本発明の実施の形態に係るロボットシステムの概略構成を示す説明図である。 力覚センサの校正方法を説明するための図である。(a)は力Fx(Fy)の校正方法の一例を示す図、(b)はモーメントMy(Mx)の校正方法の一例を示す図、(c)は力Fzの校正方法の一例を示す図、(d)はモーメントMzの校正方法の一例を示す図である。 別の実施の形態の力覚センサの校正方法を説明するための図である。(a)は校正済みの力覚センサに作用する力Fxを使用して校正対象の力覚センサの力Fzの校正方法の一例を示す図、(b)は校正済みの力覚センサの力Fxを利用した校正対象の力覚センサのモーメントMyの校正方法の一例を示す図である。 本発明のさらに別の実施の形態に係るロボットシステムの概略構成を示す説明図である。 力覚センサの校正方法を説明するための図であり、(a)はロボットの位置補正を行う前を示す図、(b)はロボットの位置補正を行った後を示す図である。 さらに別の実施の形態の力覚センサの校正方法を説明するための図であり、(a)はロボットの位置補正を行う前を示す図、(b)はロボットの位置補正を行った後を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るロボットシステムの概略構成を示す説明図である。図1に示すように、ロボットシステム100はロボット101,102を一対備えている。一対のロボット101,102を用いることで、協調作業が可能となる。一対のロボット101,102は、同一の構成であり、仮想垂直面Pに対して面対称に架台200の水平面上に設けられている。一方のロボット101は、多関節のアーム4aと、アーム4aの先端(手首部)に力覚センサ1を介して取り付けられたエンドエフェクタとしてのハンド3aと、を有している。また、他方のロボット102は、多関節のアーム4bと、アーム4bの先端(手首部)に力覚センサ2を介して取り付けられたエンドエフェクタとしてのハンド3bと、を有している。各アーム4a,4bの基端は、架台200の水平面に固定されている。各アーム4a,4bは、水平関節、垂直関節などを有する多関節のものであり、各関節には、不図示のモータ等の駆動部が設けられている。また、ロボットシステム100は、力測定装置5、ロボット制御装置6及びコントローラ7を備えている。
力覚センサ1,2は、例えば6軸の力覚センサであり、互いに直交する3つの力成分Fx,Fy,Fz及びそれらの軸回りの3つのモーメントMx,My,Mzを検出するためのものである。各力覚センサ1,2は、不図示の複数の検出素子を有し、各検出素子から検出信号d1,d2である電圧が出力される。以下、力覚センサ1が出力する電圧を第1の検出信号d1、力覚センサ2が出力する電圧を第2の検出信号d2とする。
力測定装置5は、第1の検出信号d1及び第2の検出信号d2を入力する。そして、力測定装置5は、第1の変換データc1に基づいて、入力した第1の検出信号d1を、力またはモーメントを示す値である第1の測定値D1に変換する演算を行う演算部51を有している。また、力測定装置5は、第1の検出信号d1を第1の測定値D1に変換する第1の変換データc1を記憶する記憶部52を有している。つまり、演算部51は、記憶部52から第1の変換データc1を読み出して、第1の検出信号d1を第1の測定値D1に変換する。また、力測定装置5の演算部51は、第2の変換データc2に基づいて、入力した第2の検出信号d2を、力またはモーメントを示す値である第2の測定値D2に変換する演算を行う。また、力測定装置5の記憶部52は、第2の検出信号d2を第2の測定値D2に変換する第2の変換データc2を記憶している。つまり、演算部51は、記憶部52から第2の変換データc2を読み出して、第2の検出信号d2を第2の測定値D2に変換する。記憶部52に記憶されている変換データc1,c2は、例えば検出信号d1,d2を示す電圧値を力又はモーメントを示す測定値D1,D2に変換するための行列、変換式、変換テーブルなどの変換パラメータである。
コントローラ7は、システム全体を統括して制御するものであり、入力した各測定値D1,D2に基づき、各ロボット101,102に対する動作指令i1,i2をロボット制御装置6に出力する。ロボット制御装置6は、ロボット101,102に設けられている不図示のモータに動作指令i1,i2に対応する電流I1,I2を供給してモータを動作させ、ロボット101,102を動作させるものである。
ところで、力覚センサ1,2は、過大な負荷や経年変化による劣化があり、精度が低くなり、校正が必要になる場合がある。本実施の形態では、力覚センサ1は、校正済みの力覚センサであり、力覚センサ2は、校正対象の力覚センサである。ここで、校正済みの力覚センサとは、過大な負荷や経年変化による劣化がほとんどなく、精度が保たれた力覚センサである。力覚センサ2は、過大な負荷や経年変化による劣化があり、精度低下が疑われる力覚センサとする。以下、校正対象の力覚センサ2が出力する検出信号d2を力又はモーメントを示す値に変換するための変換データc2を更新する力覚センサの校正方法について説明する。
図2は、力覚センサ2の校正方法を説明するための図である。ここで、力覚センサ1,2は、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸方向の力Fz、X軸方向のモーメントMx、Y軸方向のモーメントMy、Z軸方向のモーメントMzを検出できる6軸の力覚センサとして説明する。
<1.力Fx(Fy)の校正方法>
図2(a)に力Fx(Fy)の校正方法の一例を示す。まず、コントローラ7は、ロボット制御装置6を介して、一対のロボット101,102のエンドエフェクタ同士であるハンド3a,3b同士を当接させるように各ロボット101,102を動作させる(当接工程)。この場合、一対のロボット101,102がY−Z平面(仮想面)P1に対して面対称の姿勢になるように各ロボット101,102を動作させる。そして、ロボット101をX方向に移動させ、ロボット102を−X方向へ移動させてハンド3a,3b同士を接触させる。そのときに力覚センサ1,2に生じるX軸方向の力Fxの大きさは、作用・反作用の法則より同一となる。
次に、力測定装置5の演算部51は、当接工程の実行による一方のロボット101の校正済みの力覚センサ1の検出信号d1を、変換データc1を用いて力Fxを示す測定値D1に変換する(測定工程)。図2(a)の場合は、測定値D1は、−fxである。
次に、力測定装置5の演算部51は、測定工程で得られた測定値D1に基づき、当接工程により反作用によって他方のロボット102のハンド3bに作用している力Fxを示す値fxを求める(算出工程)。具体的には、測定値D1が−fxであり、ハンド3bには反作用でfxが作用しているので、演算部51は、測定値D1の符合を反対にする演算を行うことで値fxを求める。
次に、力測定装置5の演算部51は、当接工程で他方のロボット102の力覚センサ2が出力した検出信号d2が、算出工程で得られた力Fxを示す値fxと同一の値に変換されるように、変換データc2を更新する(校正工程)。これにより、力覚センサ2の力Fxが校正されたこととなる。また、アーム4a、4bをZ軸方向に90°回転させれば、同様に力覚センサ2の力Fyも校正できることがわかる。
<2.モーメントMy(Mx)の校正方法>
図2(b)にモーメントMy(Mx)の校正方法の一例を示す。この場合、当接工程として、校正済みの力覚センサ1が搭載されたハンド3aを有するロボット101と、校正対象の力覚センサ2が搭載されたハンド3bを有するロボット102とをY−Z平面P1に対して所定の角度をもって面対称の姿勢になるように移動する。アーム4aをX方向に移動し、アーム4bを−X方向へ移動させて双方のアームのハンド3a,3b同士を接触させる。所定の角度を持って接触させることにより、力覚センサ1,2の取り付け面から距離がある箇所で力を生じるために、力覚センサ1によりモーメント−myが検出されることになる。以下、<1.Fx(Fy)の校正方法>と同様にして、MxおよびMyを校正できることがわかる。
つまり、力測定装置5の演算部51は、当接工程の実行による一方のロボット101の校正済みの力覚センサ1の検出信号d1を、変換データc1を用いてモーメントMyを示す測定値D1(−my)に変換する(測定工程)。次に、力測定装置5の演算部51は、測定工程で得られた測定値D1に基づき、当接工程により反作用によって他方のロボット102のハンド3bに作用しているモーメントMyを示す値myを求める(算出工程)。次に、力測定装置5の演算部51は、当接工程で他方のロボット102の力覚センサ2が出力した検出信号d2が、算出工程で得られたモーメントMyを示す値myと同一の値に変換されるように、変換データc2を更新する(校正工程)。これにより、力覚センサ2のモーメントMyが校正されたこととなる。モーメントMxについても同様である。
<3.力FzおよびモーメントMzの校正方法>
図2(c)に力Fzの校正方法の一例、図2(d)にモーメントMzの校正方法の一例を示す。この場合、当接工程として、校正済みの力覚センサ1が搭載されたハンド3aを有するロボット101と、校正対象の力覚センサ2が搭載されたハンド3bを有するロボット102とをX−Y平面(仮想面)P2に対して面対称の姿勢になるように移動する。力Fzの校正は、アーム4aをZ方向に移動し、アーム4bを−Z方向へ移動させてFzの力を発生させることにより行う。モーメントMzの校正は、例えば6軸垂直多関節ではJ6軸にあたる箇所を回転させて、Mzの力を発生させることにより行う。
以上、本実施の形態によれば、校正済みの力覚センサ1を基準に校正対象の力覚センサ2を校正したこととなる。したがって、力覚センサ2を校正する際には、基準となるエンドエフェクタを取り付けて事前に基準データを取得しておく必要はなく、また、エンドエフェクタを交換する必要もない。これにより、力覚センサ2の校正が簡易となり、また、力覚センサ2をアーム4bの先端に装着したままで高精度に校正できる。
なお、Y−Z平面(仮想面)P1とX−Y平面(仮想面)P2とは異なる仮想面としているが、同一の仮想面であってもよく、この場合、図1に示す仮想垂直面Pとすればよい。
ここで、生産工程の変更などにより、エンドエフェクタとアームの変更等が起きる場合がある。エンドエフェクタとアームの長さが変わると、想定した接触点からずれてしまい校正精度が低下してしまう可能性がある。その対策として、ロボット制御装置にエンドエフェクタとアームの形状をパラメータに入れて位置補正を行えば良いが、手間がかかる。
そこで、本実施の形態では、図1及び図2に示したように、校正済みの力覚センサ1が搭載されたロボット101と、校正対象の力覚センサ2が搭載されたロボット102とを仮想垂直面Pに対して面対称の姿勢とし、ハンド3a,3b同士を接触させている。ハンド3a(3b)およびアーム4a(4b)の形状変更されたとしても接触位置が面対称になるため、ハンド3a(3b)およびアーム4a(4b)の形状によらず、容易に校正が可能となる。以上から、力覚センサ2をロボット102に装着したままで校正できる簡易な方法を提供できることがわかる。
次に、別の実施の形態の校正対象の力覚センサ2の校正方法について説明する。これまで示した校正方法は、力覚センサ1,2の同じ軸同士の方法であった。しかしながら、その方法だけに限らず、校正対象の力覚センサ2に作用している力又はモーメントが測定できれば、力覚センサ2の校正が可能である。
図3に、別の実施の形態の力覚センサ2の校正方法を説明するための図を示す。以下、図3を参照しながら説明する。図3(a)に、校正済みの力覚センサ1に作用する力Fxを使用して校正対象の力覚センサ2の力Fzの校正方法の一例を示す。当接工程として、校正済みの力覚センサ1が搭載されたハンド3aと、校正対象の力覚センサ2が搭載されたハンド3bとを直交するように移動させる。そして、アーム4aを−Z方向に移動させ、アーム4bをZ方向に移動させてハンド3a,3b同士を当接させる。これにより、校正済みの力覚センサ1には−fxの力が発生し、校正対象の力覚センサ2には、fxと同じ大きさの力fzが発生する。これを利用して力覚センサ2を校正する。
具体的に説明すると、力測定装置5の演算部51は、当接工程の実行による一方のロボット101の校正済みの力覚センサ1の検出信号d1を、変換データc1を用いて力Fxを示す測定値D1(−fx)に変換する(測定工程)。次に、力測定装置5の演算部51は、測定工程で得られた測定値D1(−fx)に基づき、当接工程により反作用によって他方のロボット102のハンド3bに作用している力Fzを示す値fzを求める(算出工程)。次に、力測定装置5の演算部51は、当接工程で他方のロボット102の力覚センサ2が出力した検出信号d2が、算出工程で得られた力Fzを示す値fzと同一の値に変換されるように、変換データc2を更新する(校正工程)。
次に、図3(b)に、校正済みの力覚センサ1の力Fxを利用した校正対象の力覚センサ2のモーメントMyの校正方法の一例を示す。当接工程として、校正済みの力覚センサ1が搭載されたハンド3aと、校正対象の力覚センサ2が搭載されたハンド3bとを直交するように移動させる。そして、アーム4aをX方向に移動させ、アーム4bを−X方向に移動させて、ハンド3a,3b同士の先端部を当接させる。これにより、校正済みの力覚センサ1には値fzの力Fzが発生し、校正対象の力覚センサ2には値myのモーメントMyが発生する。そのモーメントMyの値myの大きさは、ハンド3bの長さをLとするとmy=fz×Lとなる。これを利用して力覚センサ2を校正する。
具体的に説明すると、力測定装置5の演算部51は、当接工程の実行による一方のロボット101の校正済みの力覚センサ1の検出信号d1を、変換データc1を用いて力Fzを示す測定値D1(fz)に変換する(測定工程)。次に、力測定装置5の演算部51は、測定工程で得られた測定値D1(fz)に基づき、当接工程により反作用によって他方のロボット102のハンド3bに作用しているモーメントMyを示す値myを、my=fz×Lの演算により求める(算出工程)。次に、力測定装置5の演算部51は、当接工程で他方のロボット102の力覚センサ2が出力した検出信号d2が、算出工程で得られたモーメントMyを示す値myと同一の値に変換されるように、変換データc2を更新する(校正工程)。このようにして、6軸力覚センサであれば、6×6=36通りの校正方法が可能である。
次に、さらに別の実施の形態の力覚センサの校正方法について説明する。この実施の形態では、さらにカメラによる位置補正を利用して校正対象の力覚センサ2を校正する。図4は、本発明のさらに別の実施の形態に係るロボットシステムの概略構成を示す説明図である。水平多関節、垂直多間接などから構成されるアームは、ロボット制御装置からの位置指令に対して誤差を生じる恐れがある。そこで、図4に示すロボットシステム100Aは、図1のロボットシステム100に示す各装置と同様の装置を備えると共に、カメラ8及びカメラ8の画像を処理するビジョン測定装置9を備えている。
図5は、力覚センサの校正方法を説明するための図であり、図5(a)はロボット101,102の位置補正を行う前を示す図、図5(b)はロボット101,102の位置補正を行った後を示す図である。当接工程において、図5(a)に示すように、ハンド3aとハンド3bとが、所定の校正位置からずれる場合がある。そこで、カメラ8を利用して、以下の手順で各ロボット101,102の位置補正を行う。
当接工程において、まずカメラ8により一対のロボット101,102のハンド3a,3bを撮像して画像を取得する。ビジョン測定装置9はカメラ8から送信された画像を処理して、所定の校正位置からの誤差を計算する。その計算結果をコントローラ7に送り、ロボット制御装置6を通してアーム4a、4bに位置指令を与え、一対のロボット101,102の位置補正を行う。再度、カメラ8により、ハンド3a、3bの画像を取得し、所定の校正位置からの誤差が許容範囲内であれば位置修正作業は終了となる。そして、図5(b)に示すように、一対のロボット101,102のハンド3a,3b同士を当接させる。なお、測定工程、算出工程、校正工程は、上述した実施の形態と同様であるので説明を省略する。
このようにして、カメラ8によるハンド3a,3bおよびアーム4a,4bの位置補正を含んだ校正を行うことで、力覚センサ2の校正作業をより高精度で実行することが可能となる。
次に、さらに別の実施の形態の力覚センサの校正方法について説明する。図6は、さらに別の実施の形態の力覚センサの校正方法を説明するための図であり、図6(a)はロボット101,102の位置補正を行う前を示す図、図6(b)はロボット101,102の位置補正を行った後を示す図である。この実施の形態では、各ハンド3a,3bに互いに嵌合可能な位置決め用の凹凸部10a,10bを形成している。ここで、ハンド3aの凹凸部10aとハンド3bの凹凸部10bとの嵌め合い公差は、校正精度の許容範囲内に収まる位置誤差になるように設計されている。
当接工程において、各ハンド3a,3bの凹凸部10a,10bが互いに嵌合するように、コントローラ7を手動操作して、ロボット制御装置6を通じて、アーム4a,4bを微修正することができる。これにより、各ハンド3a,3bの位置決めがなされる。その他の方法としては、凹凸部10a,10bの嵌合作業の際に生じるハンド3aの校正済みの力覚センサ1の値を用いて、アーム4aをインピーダンス制御により動作させることも可能である。力覚センサによるインピーダンス制御は公知技術であるため説明は省略する。手動または校正済みの力覚センサ1によるインピーダンス制御により位置補正作業が終了となる。なお、測定工程、算出工程、校正工程は、上述した実施の形態と同様であるので説明を省略する。
このようにして、ハンド3a,3bの凹凸部10a,10bを利用してハンド3a,3bの位置決めを行うことで、力覚センサ2の校正作業をより高精度で実行することが可能となる。
1 校正済みの力覚センサ
2 校正対象の力覚センサ
3a,3b ハンド(エンドエフェクタ)
4a,4b アーム
100,100A ロボットシステム
101,101 ロボット

Claims (3)

  1. アームと、前記アームの先端に力覚センサを介して設けられたエンドエフェクタとを有する一対のロボットを備えたロボットシステムにおける前記力覚センサの校正方法であって、
    前記一対のロボットを撮像して前記一対のロボットの位置補正を行い、前記一対のロボットのエンドエフェクタ同士を当接させる当接工程と、
    前記当接工程の実行による一方のロボットの力覚センサの第一の検出信号及び他方のロボットの力覚センサの第二の検出信号を求める測定工程と、
    前記他方のロボットの力覚センサが出力した第二の検出信号が、前記一方のロボットの力覚センサの第一の検出信号に基づく力又はモーメントを示す値と同一の値に変換されるように前記検出信号を力又はモーメントを示す値に変換する前記他方のロボットの変換データを更新する校正工程と、
    を備えたことを特徴とする力覚センサの校正方法。
  2. 前記当接工程では、前記一対のロボットが面対称の姿勢でエンドエフェクタ同士を当接させることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサの校正方法。
  3. 前記各エンドエフェクタには、互いに嵌合可能な凹凸部が形成されており、
    前記当接工程では、前記各エンドエフェクタの凹凸部を互いに嵌合させて位置決めすることを特徴とする請求項1又は2に記載の力覚センサの校正方法。
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