使用三軸力傳感器進行力控制的機器人控制裝置製造方法
2023-05-14 03:17:36
使用三軸力傳感器進行力控制的機器人控制裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供一種機器人控制裝置（11），其相對於工具（4）以及工件（W）中的一方，通過機器人（1）的手前端部使另一方相對移動，控制作用於工具與工件之間的力，該機器人控制裝置具備：力檢測部（3），其檢測單軸方向的力和與該單軸正交並且相互正交的兩軸方向的繞軸的力矩；力估算用點設定部（12），其設定用於估算作用於工具（4）與工件（W）之間的力的力估算用點；力估算部（13），其基於通過力檢測部檢測出的單軸方向的力以及兩軸方向的繞軸的力矩、和通過力估算用點設定部設定的力估算用點的位置估算所述兩軸方向的力，或者進一步估算繞所述單軸的力矩。由此，能夠估算由三軸力傳感器不能檢測的力以及力矩。
【專利說明】使用三軸力傳感器進行力控制的機器人控制裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及使用測量由單軸方向的力和與該軸正交且相互正交的兩軸方向的繞軸的力矩構成的三個成分的三軸力傳感器進行力控制的機器人系統的機器人控制裝置。
【背景技術】
[0002]作為三軸力傳感器，能夠測量由單軸方向的力和與該軸正交且相互正交的兩軸方向的繞軸的力矩構成的三個成分的傳感器是公知的。如日本特開2010-112864號公報中公開的那樣，該種三軸力傳感器小型，並且能夠以低廉的價格進行生產，現在正在廣泛普及。
[0003]在此，設通過三軸力傳感器3能夠檢測力的軸為Z軸，設與該軸正交且相互正交的兩方向的軸分別為X軸、Y軸。並且，將作用於這些X軸、Y軸、Z軸方向的力分別表示為Fx、Fy、Fz，並且將繞X軸、Y軸、Z軸作用的力矩分別表示為Mx、My、Mz。
[0004]日本特開2010-112864號公報中公開了五軸力傳感器,該五軸力傳感器具備檢測力Fz、力矩Mx、My這三個成分的第一測量部和檢測力Fx、Fy這兩個成分的第二測量部。該種五軸力傳感器小型，並且能夠直接感知多個軸向的並進力Fx、Fy、Fz以及繞XY各軸的力矩 Mx、My。
[0005]但是，由於日本特開2010-112864號公報中公開的五軸力傳感器具備測量力Fx、Fy的第二測量部，因此其生產以及校準費力費時。
[0006]而且，檢測力Fz以及力矩Mx、My這三個成分的以往的三軸力傳感器只能進行針對Z軸方向的力的控制、或者、針對繞X軸、Y軸的轉炬的控制、或者、繞X軸、Y軸的以相互面對為目的的姿勢控制等利用這三個成分的力控制。因此，難以應對要求四個以上成分的複雜控制。
【發明內容】
[0007]本發明是鑑於該種情況作出的發明，目的在於提供一種機器人控制裝置，即使在使用三軸力傳感器的情況下，也能夠通過估算由三軸力傳感器不能檢測的力以及力矩來進行與使用六軸力傳感器的情況相同的力控制。
[0008]根據為了達成上述目的的第一方案，提供一種機器人控制裝置，其相對於工具以及工件中的一方，使另一方通過機器人的手前端部相對移動，控制作用於所述工具與所述工件之間的力，具備:力檢測部，其檢測單軸方向的力和與該單軸正交並且相互正交的兩軸方向的繞軸的力矩；力估算用點設定部，其設定用於估算作用於所述工具與所述工件之間力的力估算用點；力估算部，其基於通過所述力檢測部檢測出的所述單軸方向的力以及所述兩軸方向的繞軸的力矩、和通過所述力估算用點設定部設定的所述力估算用點的位置估算所述兩軸方向的力，或者進一步估算繞所述單軸的力矩。
[0009]根據第二方案，在第一方案中，所述力估算用點設定部根據所述工具與所述工件之間的相對位置關係、用於計算所述力估算用點的位置的力估算用點計算基準點的位置、所述工具與所述工件之間的擠壓方向、所述工具的形狀或者所述工件的形狀的信息，計算所述力估算用點的位置並進行設定。
[0010]根據第三方案，在第二方案中，用於計算所述力估算用點的位置的所述力估算用點計算基準點的位置能夠變更，基於變更後的所述力估算用點計算基準點的位置計算所述力估算用點的位置並進行設定。
[0011]根據第四方案，在第一方案中，所述力估算用點設定部在所述機器人的動作過程中能夠變更所述力估算用點的位置。
[0012]根據第五方案，在第一至第四方案的任一方案中，還具備估算所述工具的磨耗量並且修正所述力估算用點的位置的力估算用點修正部。
[0013]根據第六方案，在第一、第四、第五方案的任一方案中，所述力估算用點設定部通過對所述力估算用點施加力並基於所述單軸方向的力和所述兩軸方向的繞軸的力矩計算所述力估算用點的位置並進行設定。
[0014]根據第七方案，在第六方案中，所述力估算用點設定部通過對所述力估算用點施加既知的力來計算該力估算用點的位置並進行設定。
[0015]根據第八方案，在第六方案中，在所述力估算用點配置在三個軸中的任一個軸上的情況下，所述力估算用點設定部通過在與由能夠測量力的軸以外的兩個軸構成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力來計算所述力估算用點的位置並進行設定，或者，在所述力估算用點配置在由能夠測量力的軸和剩餘兩軸中的一個軸構成的平面上的情況下，所述力估算用點設定部通過在與該平面不平行、並且與由能夠測量力的軸以外的兩軸構成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力來計算所述力估算用點的位置並進行設定。
[0016]根據第九方案，在第二、第三、第五方案的任一方案中，還具備力估算用點計算基準點設定部，該力估算用點計算基準點設定部通過對所述力估算用點計算基準點施加力並基於所述單軸方向的力和所述兩軸方向的繞軸的力矩計算所述力估算用點計算基準點的位置並進行設定。
[0017]根據第十方案，在第九方案中，所述力估算用點計算基準點設定部通過對所述力估算用點計算基準點施加既知的力來計算該力估算用點計算基準點的位置並進行設定。
[0018]根據第十一方案，在第九方案中，在所述力估算用點計算基準點配置在三個軸中的任一個軸上的情況下，所述力估算用點計算基準點設定部通過在與由能夠測量力的軸以外的兩個軸構成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力來計算所述力估算用點計算基準點的位置並進行設定，或者，在所述力估算用點計算基準點配置在由能夠測量力的軸和剩餘兩軸中的一個軸構成的平面上的情況下，所述力估算用點計算基準點設定部通過在與該平面不平行、並且與由能夠測量力的軸以外的兩軸構成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力來計算所述力估算用點計算基準點的位置並進行設定。
[0019]根據附圖中所示的本發明的典型實施方式的詳細說明，本發明的這些目的、特徵和優點以及其它目的、特徵和優點更加清楚。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是包含基於本發明的機器人控制裝置的機器人系統的立體圖。
[0021]圖2A是表示三軸力傳感器所檢測的成分的圖。
[0022]圖2B是表不力估算用點的圖。[0023]圖3是表示基於本發明的機器人控制裝置的動作的流程圖。
[0024]圖4A是與工件接觸的工具的大致側視圖。
[0025]圖4B是與工件接觸的工具的另一大致側視圖。
[0026]圖4C是與工件接觸的工具的大致俯視圖。
[0027]圖5A是與工件接觸的工具的第一大致側視圖。
[0028]圖5B是與工件接觸的工具的第二大致側視圖。
[0029]圖5C是與工件接觸的工具的第三大致側視圖。
[0030]圖是與工件接觸的工具的第四大致側視圖。
[0031]圖6A是機器人的前端部分的第一放大圖。
[0032]圖6B是機器人的前端部分的第二放大圖。
[0033]圖7A是表示工件的形狀的第一圖。
[0034]圖7B是表示工件的形狀的第二圖。
[0035]圖7C是表示工件的形狀的第三圖。
[0036]圖7D是表示工件的形狀的第四圖。
[0037]圖8是機器人的前端部分的另一放大圖。
[0038]圖9A是工件的俯視圖。
[0039]圖9B是工件的另一俯視圖。
[0040]圖1OA是另一工件的俯視圖。
[0041]圖1OB是另一工件的另一俯視圖。
[0042]圖1lA是與工件接觸的工具的另一大致側視圖。
[0043]圖1lB是與工件接觸的工具的大致俯視圖。
[0044]圖12A是與工件接觸的工具的第一大致側視圖。
[0045]圖12B是與工件接觸的工具的第二大致側視圖。
[0046]圖12C是與工件接觸的工具的第三大致側視圖。
[0047]圖12D是與工件接觸的工具的第四大致側視圖。
[0048]圖13A是與工件接觸的工具的另一大致側視圖。
[0049]圖13B是與工件接觸的工件的大致俯視圖。
[0050]圖14是機器人的前端部分的又一放大圖。
[0051]圖15是表不三軸力傳感器坐標系的圖。
【具體實施方式】
[0052]以下，參照【專利附圖】
【附圖說明】本發明的實施方式。以下的圖中，對於同樣的部件附註同樣的參照符號。為了易於理解，這些圖適當變更了比例尺。
[0053]圖1是包含基於本發明的機器人控制裝置的機器人系統的立體圖。由圖1可知，在下文中，使能夠檢測力的軸為Z軸，使與該Z軸正交並且相互正交兩方向的軸分別為X軸、Y軸。並且，將作用於這些X軸、Y軸、Z軸的方向的力分別表示為Fx、Fy、Fz，並且，將繞X軸、Y軸、Z軸作用的力矩分別表示為Mx、My、Mz。
[0054]圖1中所示的機器人系統10包括機器人I和控制裝置11。機器人I是六軸結構的垂直多關節型機器人，但是也可以是六自由度的多關節型機器人以外類型的機器人。在機器人I的機器人臂2的前端安裝有用於加工工件W的工具4。而且，出於方便，工具4為朝下的圓錐形，但是也可以採用用於仿形作業、加工作業等的其它形狀的工具4。
[0055]如圖所示，在機器人臂2與工具4之間配置有三軸力傳感器3(下文中有時簡稱為「力傳感器」)。力傳感器3檢測作用於工具4的力Fz以及力矩Mx、My這三個成分。而且，如圖1所示，工件W載置於作業臺B上。
[0056]而且，通過三軸力傳感器3檢測的力F以及力矩M是受到相對於安裝在三軸力傳感器3的某個物體由於其它物體的接觸而作用的力、以及/或者作用於安裝在三軸力傳感器3的物體的重心的重力、慣性力(包括哥氏力、陀螺效應)等的影響產生的。
[0057]如圖1所示，機器人I以及力傳感器3與機器人控制裝置11連接。機器人控制裝置11是數字計算機，控制機器人系統10中機器人I的各軸的位置。而且，力傳感器3所檢測的力以及力矩數據被輸入機器人控制裝置U。如圖所示，機器人控制裝置11包括力估算用點設定部12，該力估算用點設定部12設定用於估算作用於工具4與工件W之間的力的力估算用點。在此，力估算用點是進行如下假設時的點:在外力作用於三軸力傳感器3的情況下，除了上述的重力、慣性力等的影響以外，通過其它的物體與三軸力傳感器3接觸而作用的力作用於具有代表性的某一個點。
[0058]並且，機器人控制裝置11包括力估算部13，該力估算部13基於通過力傳感器3檢測到的力Fz以及力矩Mx、My、和通過力估算用點設定部12估算出的力估算用點的位置來估算力Fx、Fy,或者進一步估算力矩Mz。在只需估算力Fx、Fy的情況下,可以只對其進行估
笪
o
[0059]並且，機器人控制裝置11`包括力估算用點修正部14和力估算用點計算基準點設定部15，該力估算用點修正部14估算工具4的磨耗量，並修正力估算用點的位置，該力估算用點計算基準點設定部15計算用於計算力估算用點的位置的力估算用點計算基準點的位置並進行設定。而且，機器人I的示教數據、工具、工件的質量、重心數據等實現本發明所必需的數據等保存在存儲部16中。
[0060]以下，參照圖1等針對安裝在機器人I上的工具4對工件W進行仿形的情況進行說明。但是，使安裝在機器人臂2的前端部分的工具4相對於工件W相對移動的情況，以及使通過安裝在機器人臂2的前端部分把持工件W的手部(圖1中沒有表示)相對於位於固定位置的加工工具等相對移動的情況，也包含在本發明的範圍內。而且，力傳感器3沒有必要一定安裝在機器人I上，也可以固定在作業臺B上。而且，也可以是如下情況:作業臺B是其它機器人等的能夠移動的裝置，使由其設置的工件、工具移動。
[0061]換而言之，本發明可以是如下結構:力傳感器3安裝在機器人I側，機器人I具備工具4，或者把持工件W。並且，本發明可以是如下結構:力傳感器3安裝或者固定在作業臺B等上，機器人I具備工具4或者把持工件。而且，作業臺B也可以是能夠移動的裝置。而且，在以下的說明中，數學式中的「 ?」表示矢量的內積，「 X 」表示外積，「*」表示乘法運算。
[0062]圖2A是表示三軸力傳感器所檢測的成分的圖。如圖2A所示，本發明的第一實施方式中，利用通過三軸力傳感器3檢測的力Fz以及力矩Mx、My這三個成分來進行力控制。圖2B是表示力估算用點的圖。本發明中，基於力Fz以及力矩Mx、My和相對於三軸力傳感器的力估算用點Pc的位置(圖2B所示)來估算力Fx、Fy、以及/或者力矩Mz成分。然後，基於這些值，根據需要補償重力、慣性力等，估算施加在力估算用點上的淨力，通過機器人進行力控制。
[0063]因此，在第一實施方式中，在使用能夠檢測力Fz以及力矩Mx、My三成分的三軸力傳感器3的同時，能夠與可檢測六方向的力以及力矩的六軸力傳感器等一樣，進行任意方向的力控制。在只進行並進方向的力控制的情況下，可以只估算力Fx、Fy。而且，在沒有必要對力、力矩的全部進行估算時，也可以只估算必要的成分。
[0064]檢測力Fz以及力矩Mx、My這三個成分的三軸力傳感器3相比同規格的能夠檢測四軸以上的多軸力傳感器通常結構單純，組裝也簡單，因此能夠抑制生產時費力費時，價格便宜。因此，通過將同規格的能夠檢測四軸以上的多軸力傳感器置換為所述三軸力傳感器並且用於力控制，能夠抑制機器人系統整體的價格。並且，三軸力傳感器3能夠實現小型化，因此相比使用以往的能夠檢測六軸方向的力傳感器等情況，還能夠將機器人系統製作得更小型。
[0065]如圖2B所不,將相對於三軸力傳感器3固定的三軸力傳感器的坐標系稱作力傳感器坐標系。並且，將從力傳感器坐標系觀察時的力估算用點Pc的位置設定為Re (rx、ry、rz)。
[0066]圖3是表示基於本發明的機器人控制裝置的動作的流程圖。首先，在步驟S 10中，三軸力傳感器3檢測力Fz以及力矩Mx、My。接著，按照以下的要領，在步驟S20中，計算力Fx、Fy,或者進一步計算力矩Mz。
[0067]關於通過三軸力傳感器3檢測的力Fz以及力矩Mx、My與力估算用點Pc以及估算為作用於力估算用點Pc的力Fx、Fy的關係，在不考慮重力、機器人的手前端部的動作帶來的影響的情況下，由下式(I)、(2)來表示。
[0068]Mx=Fz*ry-Fy*rz (I)
[0069]My=_Fz*rx_Fx*rz (2)
[0070]因此,力Fx、Fy由下式(3)、(4)來表示。
[0071]Fy= (-Mx+Fz*ry) /rz (3)
[0072]Fx= (My+Fz*rx) /rz (4)
[0073]於是，通過求出的力Fx、Fy，如下式(5)所示估算力矩Mz。這些計算由力推定部13來進行。
[0074]Mz=Fy*rx-Fx*ry (5)
[0075]而且，在將三軸力傳感器3安裝在機器人的手前端，將工具4安裝在三軸力傳感器3，或者使機器人的手前端部把持工件W移動的情況下，通過三軸力傳感器3檢測的力中還包含通過機器人臂前端的末端執行器與機器人臂一起運動所產生的離心力、哥氏力這樣的慣性力等動力學項。以下，針對力估算部13估算考慮了重力、動力學項等的影響的力Fx、Fy以及力矩Mz進行說明。
[0076]這種重力以及動力學項通過公知的方法來計算，例如日本專利第4267027號中公開的手法。具體地，使用牛頓-歐拉法、拉格朗日法等解機械手的動力學方程式，根據機器人臂的關節角度矢量0、該關節角度矢量e的速度以及加速度求取從三軸力傳感器的坐標系觀察的、作用於安裝在三軸力傳感器上的工具的重心的慣性力與重力一起作用於三軸力傳感器的坐標系中心的力。由此，能夠由力估算部13估算從三軸力傳感器的坐標系觀察的、作用於三軸力傳感器的重力以及動力學項。[0077]以下敘述力估算部13估算如上求取的考慮了重力、動力學項等的影響的力Fx、Fy以及力矩Mz的具體方法。設機器人的手前端的三軸力傳感器3上安裝的工具4或者工件W通過重力以及機器人的手前端部的移動動作所產生的從三軸力傳感器坐標系觀察的矢量為Fm。並且，將由檢測的力矩Mx、My和估算出的力矩Mz構成的矢量表示為Mm(Mx、My、Mz)。並且，設由估算的力Fx、Fy和檢測的力Fz構成的矢量為Fr (Fx、Fy、Fz)。然後，設機器人的手前端的三軸力傳感器3上安裝的工具4或者工件W的重心的在力傳感器坐標系中的位置為Cg (cx、cy、cz)。預先求出位置Cg。
[0078]這種情況下，得到以下式(6)表示的關係。
[0079]Mm=Re X Fr+Cg X Fm (6)
[0080]如上所述，Re是力估算用點Pc的位置。使用該式子(6)，力估算部13能夠計算考慮了重力、動力學項等的影響的力Fx、Fy以及力矩Mz
[0081]而且，力估算用點Pc的位置Re由力估算用點設定部12來設定。力估算用點Pc的位置Re是將在機器人的基準坐標系上賦予的位置在力傳感器坐標系上進行表示的位置、或者將對機器人的手前端部賦予的位置在力傳感器坐標系上進行表示的位置等。或者，這些由各個位置表示的位置Re可以固定或者可變化。
[0082]而且，力估算用點設定部12也可以將設想的接觸點附近的位置、或者TCP(工具前端點)等位置設定為力估算用點Pc的位置Re。或者，也可以將預先實際測得的位置、或者動作過程中實際測得的位置設定為力估算用點Pc的位置Re。
[0083]為了設定該種力估算用點Pc的位置Re，也可以對機器人設定示教動作等，從而成為既知的位置。而且，也可以根據使用能在機器人的動作過程中以預定間隔取得圖像的照相機等取得的圖像來設定力估算用點Pc的位置Re。或者，可以使感知接觸部分的接觸傳感器移動，預先取得動作過程中的接觸位置，並利用該數據，由力估算用點設定部12設定力估算用點Pc的位置Re。
[0084]根據上述方法，在機器人的手前端安裝三軸力傳感器3，並且安裝把持工件W的手部6或者工具4，即使在使機器人的手前端部發生移動的情況下，也能夠精度良好地估算力Fx, Fy以及力矩Mz。
[0085]本發明的第二至第五實施方式中，為了提高力Fx、Fy以及力矩Mz的估算精度，更加正確地估算相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置Re。
[0086]在本發明中，使用力估算用點Pc估算通過三軸力傳感器3不能檢測的方向的力、力矩。因此，希望更加正確地設定力估算用點Pc。因此，在正確估算力Fx、Fy以及力矩Mz時，使用以下的方法是非常有效的。
[0087]力估算用點Pc是假設其它物體接觸安裝在三軸力傳感器3上的工具或者工件而作用的力作用於具有代表性的一個點時的點。因此，通過更加正確地設定力估算用點Pcjg夠更加正確地估算力Fx、Fy以及力矩Mz。
[0088]在第二實施方式中，工具4與工件W的接觸點變化，在相對於三軸力傳感器3的接觸點的位置發生變化的情況下，使用作為基準的點(力估算用點計算基準點)基於幾何學上的關係計算力估算用點Pc的位置Re。
[0089]具體地，在第二實施方式中，使用工具4與工件W的相對位置關係、用於計算相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置的「力估算用點計算基準點」、擠壓方向、工具4或者工件W的形狀的信息，計算相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置。
[0090]以下對此進行說明。力估算用點計算基準點Ps是用於計算力估算用點Pc的適當的任意點，由力估算用點計算基準點設定部15設定。在相對於三軸力傳感器3的接觸點的位置發生變化的情況下，希望將力估算用點計算基準點Ps設定在位於其中心的點或者利於計算的點。而且，也可以將力估算用點計算基準點Ps設定為與力估算用點Pc的最初位置相同的位置，並對該點進行修正。
[0091]圖4A以及圖4B是與工件接觸的工具的大致側視圖，圖4C是與工件接觸的工具的大致俯視圖。參照這些圖說明力估算用點Pc的一個計算方法。該情況下，力估算用點計算基準點Ps設定在圓錐形工具4的中心線上的一部分，例如工具4的前端。
[0092]如圖4A以及圖4C所示，工具4在圓形的工件W的周圍進行仿形。也就是，在圖4A以及圖4C中，改變工具4的位置和由箭頭表示的擠壓方向，並且，在改變工具4上的接觸位置的同時，使工具4移動。該種情況下，通過將力估算用點Pc估算為更加接近實際接觸點的位置，能夠更加正確地估算力Fx、Fy以及力矩Mz。
[0093]在此，設力估算用點Pc的位置為Re，力估算用點計算基準點Ps的位置為Rb，從力估算用點計算基準點Ps向力估算用點Pc的矢量為Rr。針對機器人I的每個控制周期，根據幾何學上的關係求取矢量Rr。於是，通過下述式子(7)，力估算用點設定部12求取力估算用點Pc的位置Re。
[0094]Re=Rb+Rr (7)
[0095]而且，如圖4B所示，在工具4相對於工件W傾斜並且改變工具4上的接觸位置地運動的情況下，也同上述一樣，根據基於力估算用點計算基準點Ps、力估算用點計算基準點Ps與力估算用點Pc的位置關係的計算，能夠更加正確地估算力Fx、Fy以及力矩Mz。
[0096]另外，圖5A至圖是與工件接觸的工具的大致側視圖。該情況下，由圖5A以及圖5B可知，工具4與工件W的相對位置關係朝向上方變化。同樣，如圖5C以及圖所示，即使在工具4相對於工件W傾斜的情況下，工具4與工件W的相對位置關係也朝向上方變化。這樣，即使在工具4與工件W的相對位置關係變化的情況下，也能夠通過使用式子(7)來更加正確地估算力Fx、Fy、力矩Mz的值。
[0097]並且，圖6A以及圖6B是機器人的前端部分的放大圖。在這些圖中，三軸力傳感器3安裝在機器人的手前端部。而且，在比三軸力傳感器3更靠前端處安裝有手部6，手部6把持工件W。另一方面，工具4固定在其它位置。
[0098]在圖6A中，在該狀態下，在改變工件W的加工部位的同時，進行加工。圖6A中所示的工件W的剖面為圓形。在如上所述工件W為比較單純的形狀的情況下，進行加工的位置(與力估算用點Pc大致相同)與力估算用點計算基準點Ps (該情況下，工件W的中心)之間的距離恆定。可以知道，這種情況下，通過與上述相同的手法，能夠更加正確地估算力Fx、Fy、力矩Mz的值。
[0099]相對於此，圖6B中所示的工件W的剖面為矩形，進行加工的位置(與力估算用點Pc大致相同)與力估算用點計算基準點Ps 件W的中心)之間的距離非恆定。圖7A至圖7D是表示如下情況例子:把持的工件W的形狀比較複雜，力估算用點計算基準點Ps與進行加工作業的部分之間的距離在機器人進行動作時非恆定，並且，進行加工作業的部分存在於從力估算用點計算基準點Ps擠壓方向。[0100]這種情況下，預先取得工件W的進行加工的部分的形狀信息，根據通過手部6把持時的抓住位置和姿勢計算相對於三軸力傳感器3的力傳感器坐標系的工件W的加工部分的形狀信息。這樣，能夠基於力估算用點計算基準點Ps的位置(例如工件W的中心)、擠壓方向、相對於三軸力傳感器的工件W的進行加工作業的部分的形狀信息計算力估算用點Pc。
[0101]另外，圖8是機器人的前端部分的另一放大圖。如圖8所示，在機器人I側設置三軸力傳感器3，使通過手部6把持的工件W相對於固定的工具4作用，該情況下，通過以下方法，能夠計算相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置Pe。
[0102]首先，通過力估算用點設定部12在固定的工具4的外周部上設定力估算用點Pc。如圖8所示，力估算用點Pc的位置在機器人I的動作過程中變化。而且，力估算用點計算基準點Ps位於工具4的中心。
[0103]接著，示教機器人I的動作，使工具4與工件W儘可能地在力估算用點Pc接觸。作為這種機器人的動作的示教參數，可列舉機器人I的軌道或速度、擠壓方向、目標擠壓力等。[0104]在使機器人I把持的工件接觸固定工具的情況下，圖9A以及圖1OA中表示相對於工具4的力估算用點Pc的位置不發生變化的情況，圖9B以及圖1OB中表示相對於工具4的力估算用點Pc的位置發生變化，擠壓方向也變化的情況。這樣，即使在工件具有複雜形狀、並且通過機器人I的移動導致相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置動態地複雜變化的情況下，通過基於相對於機器人的基準坐標系的力估算用點Pc的位置，也能夠不需要工件W的加工部分的形狀信息地簡易地求取相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置。
[0105]而且，在示教機器人I的動作時使用力估算用點計算基準點Ps的情況下，設定力估算用點計算基準點Ps、力估算用點Pc與力估算用點計算基準點Ps的相對位置(方向和距離等)(第二或者第三實施方式)。而且，在示教機器人I的動作時不使用力估算用點計算基準點Ps而直接使用力估算用點Pc的情況下，直接動態地設定和更新力估算用點Pc的位置(第四實施方式)。由此，機器人I的動作與相對於機器人I的力估算用點Pc對應起來。
[0106]當機器人I正在移動時，力估算部13基於機器人的位置和姿勢計算相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置。在此，設表示機器人I的基準坐標系和三軸力傳感器3的力傳感器坐標系的位置和姿勢關係的矩陣為Trf?，設表示機器人的基準坐標系和力估算用點Pc的位置和姿勢關係的矩陣為Tre。由此，根據Trf和Tre的關係求取相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置。這對於該領域人員是顯而易見的。
[0107]該情況下，力估算用點Pc與固定在作業臺B等上的工具4的位置關係能夠比較簡單地表示，但是力估算用點Pc與三軸力傳感器3的位置關係根據工件W的形狀、機器人I的手前端部的姿態而複雜地動態變化。此時，通過基於工具4上的力估算用點Pc與機器人I的位置關係隨時更新相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置，能夠動態改變力估算用點Pc的位置。
[0108]在使用這種手法的情況下，即使在工件W的形狀複雜、並且相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置動態地複雜變化的情況下，也能夠簡易地計算力估算用點Pc。而且，通過使用力估算用點計算基準點Ps，能夠通過相對的位置關係表示力估算用點Pc的位置，因此，也能夠更加簡易地表示力估算用點Pc的位置。[0109]這樣，將力估算用點Pc或者力估算用點計算基準點Ps設定在工具4或者手部6等機器人I的手前端部，或者，相對於機器人I的基準坐標系進行設定。於是，通過示教按照幾何學上的關係求取力估算用點Pc，能夠精度良好地計算不能由三軸力傳感器3檢測的力以及力矩，例如力Fx、Fy以及力矩Fz。
[0110]在第三實施方式中，優選求取力估算用點Pc時使用的基準點在動作過程中也適當改變。亦即，力估算用點修正部14基於來自示教操作盤、鍵盤等的輸入或者機器人I的動作程序、對應於機器人I的動作的切換等規定的設定使相對於三軸力傳感器3的力估算用點計算基準點Ps的位置發生變化。由此，在切換到不同的工具4的情況下，即使在工具4上的接觸部位發生了變化的情況下，也能夠修正接觸估算點的位置偏差。
[0111]圖1lA是與工件接觸的工具的另一大致側視圖，圖1lB是與工件接觸的工具的大致俯視圖。由這些圖1lA以及圖1lB可知，在機器人進行動作時改變工具4的位置和擠壓方向，改變工具4上的接觸位置地移動。這種情況下，有必要使相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置也發生變化。並且，由圖1lA可知，當工具4相對於工件W的高度發生變化時，有必要改變力估算用點Pc (從Pca至Pcb)。
[0112]如圖1lA所示，在工具4下方位置的力估算用點計算基準點Psa的工具軸向位置的工具圓周上與工件接觸的情況下，基於力估算用點計算基準點Psa和在該部分的工具的半徑Ra計算力估算用點Pea。而且，在工具4上方位置的力估算用點計算基準點Psb的工具軸向位置的工具圓周上與工件接觸的情況下，基於力估算用點計算基準點Psb和在該部分的工具的半徑Rb計算力估算用點Pcb。這樣，通過使用不同位置的力估算用點計算基準點，能夠估算更加正確的接觸點。而且，通過將力估算用點Pc估算為更加接近實際的接觸點，能夠估算更加正確的力。
[0113]圖12A至圖12D是與工件接觸的工具的大致側視圖。在這些圖中，根據工件W上的位置，改變工具4上的接觸部位。這種情況下，與所述圖11中所示情況的方法相同。也就是，根據與工件接觸的部分在工具4的下方位置(圖12A以及圖12C)還是與工件接觸的部分在工具4的上方位置(圖12B以及圖12D)，使用不同位置的力估算用點計算基準點，估算力估算用點Pc。通過這樣適當變更力估算用點計算基準點Ps的值，能夠根據擠壓方向和至力估算用點Pc的距離信息估算更加正確的接觸點。
[0114]圖13A是與工件接觸的工具的另一大致側視圖，圖13B是與工件接觸的工具的大致俯視圖。在圖13A以及圖13B中所示的例子中，改變工具4的位置和擠壓方向，改變工具4上的接觸位置地動作。
[0115]在第四實施方式中，這種情況下，即使在機器人I的動作過程中等也適當改變力估算用點Pc。也就是，在相對於三軸力傳感器3的工具4與工件W的接觸部位發生變化時，通過更新相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置，能夠適當地進行設定。而且，通過將力估算用點Pc估算為更加接近實際的接觸點，能夠估算更加正確的力。
[0116]作為這種變更手法，可列舉:向預先準備的設定值的切換；來自示教操作盤、鍵盤等的輸入或者機器人I的動作程序；對應於機器人I的動作的切換；對應於工具4與工件W的位置關係地準備力估算用點Pc ;預先準備與擠壓方向對應的力估算用點Pc的位置並根據擠壓方向進行變更；預先準備與行進方向對應的力估算用點Pc的位置並根據行進方向進行變更等。[0117]圖14是機器人的前端部分的又一放大圖。如圖14所示，在機器人I側設置三軸力傳感器3，使機器人的手部6把持的工件W相對於固定的工具4作用。這種情況下，為了與固定的工具4接觸而使設定在工具4的目標接觸點為力估算用點Pc時，隨著機器人I的運動，相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置動態變化。
[0118]這種情況下，通過基於工具4上的力估算用點Pc與機器人I之間的位置關係隨時更新相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc的位置，能夠使力估算用點Pc的位置動態變化。而且，在改變固定的工具4上的發生接觸的部位時，更新力估算用點Pc即可。這種計算能夠如上所述地根據使用表示位置以及姿勢的變換矩陣容易地計算。
[0119]在第五實施方式中，優選力估算用點修正部14基於工具4的磨耗量的估算修正相對於三軸力傳感器3的力估算用點Pc。通過將力估算用點Pc估算為更加接近實際的接觸點的位置，能夠估算更加正確的力。在三軸力傳感器3中，基於磨耗量的估算，更加正確地求取力Fx、Fy以及力矩Mz。
[0120]針對估算磨耗量的手法，優選例如通過進行實驗來預先製作數據表。這種數據表表示工具4與工件W的材質、施加在工具4上的力、工具4與工件W的相對速度、工具4的轉速、執行時間等與工具4的磨耗量的關係。而且，從存儲部16讀入預先製作的數據表，力估算用點修正部14估算與所述的材質、力等對應的工具4的磨耗量。或者，也可以基於實驗等預先製作用於計算磨耗量的函數，基於這種函數估算磨耗量。然後，基於估算出的磨耗量，力估算用點修正部14修正力估算用點Pc。
[0121]在第六、第七、第九、第十實施方式中，優選基於既知的力估算力估算用點Pc或者力估算用點計算基準點Ps。於是，基於此時通過三軸力傳感器3檢測的、單軸方向的力Fz和與該軸正交且相互正交的兩方向的繞軸的力矩Mx、My，由力估算用點設定部12或者力估算用點計算基準點設定部15計算力估算力估算用點Pc或者力估算用點計算基準點Ps並進行設定。在作用既知的力的情況下，能夠考慮到使用通過擠壓量知道擠壓力的彈簧裝置等、或者擠壓至能夠測量力的固定的測量裝置、或者使能夠測量力的裝置擠壓該部分等方法。由此作用既知的力時，從示教`操作盤等通知其定時，根據機器人的姿勢取得補償了重力影響的力以及力矩信息，與指定的或者測量到的力一起適用於上述計算。而且，可以通過實驗等預先求出希望是怎樣程度的既知力。
[0122]這樣，在機器人系統10中，通過作用既知的力，能夠簡易地設定力估算用點Pc或者力估算用點計算基準點Ps。具體方法以下進行說明。
[0123]圖15是表不三軸力傳感器坐標系的圖。圖15中，力F作用在三軸力傳感器坐標系中的點Pl時，以下關係式成立。
[0124]Mx=b*Fz_c*Fy 式(8)
[0125]My=_a*Fz+c*Fx 式(9)
[0126]該情況下，雖然不能檢測力矩Mz，但是能夠檢測力Fz以及力矩Mx、My。
[0127]通過這些式(8)以及(9)，通過對希望求取位置的點以進行作用的方向、大小不同的方式作用多次既知的力(例如，Fz為任意，(Fx、Fy) = (1、0)、(0、1)等不同的值),從而能夠計算 Pl (a、b、c)。
[0128]在第六、第八、第九以及第十一實施方式中，能夠基於適當的未知的力估算用點Pc或者力估算用點計算基準點Ps。也就是，使適當的未知大小的力作用於力估算力估算用點Pc或者力估算用點計算基準點Ps，基於此時的通過三軸力傳感器3檢測的、單軸方向的力Fz和與該軸正交且相互正交兩方向的繞軸的力矩Mx、My補償重力的影響,計算力估算用點Pc或者力估算用點計算基準點Ps並進行設定。在作用適當的未知大小的力時，優選使用示教操作盤等設定使力作用的定時、或者通過作用某一閾值以上的力時等的條件進行設定，取得那時的力以及力矩、機器人的姿勢等。
[0129]這樣，在機器人系統10中，通過作用適當的力，能夠簡易地設定力估算用點Pc或者力估算用點計算基準點Ps。
[0130]如參照圖15所說明的那樣，力F作用在三軸力傳感器坐標系中的點Pl時，式(8)以及式(9)成立。因此，能夠如上所述地計算Pl (a、b、c)。
[0131]通過這些式(8)以及式(9)，在希望求取位置的點配置在三個軸(X、Y、Z軸)中任一個軸上的情況下，通過對該點在與由能夠測量力的軸以外的兩個軸構成的平面不平行的既知的方向上作用適當的大小的力F，能夠根據Fz的值和力的作用方向的關係求取力Fx、Fy的值，計算力的作用點、也就是力估算用點Pc或者力估算用點計算基準點Ps的位置Pl
(a、b、C)。
[0132]該情況下，如果Pl存在於Z軸上，由於a=0、b=0方向既知，因此根據力Fz的值知道力Fx、Fy。因此，能夠求取C。
[0133]而且，通過對希望求取位置的點在與由能夠測量力的軸以外的兩個軸構成的平面不平行的既知的方向上以方向不同的方式多次作用適當大小的力，能夠根據Fz的值和力的作用方向的關係求取力Fx、Fy的值,計算Pl (a、b、C)。
[0134]同樣，在希望求取位置的點配置在由能夠測量力的軸和其之外的一個軸構成的平面上的情況下，通過對該點在與該平面不平行、並且與由能夠測量力的軸以外的兩個軸構成的平面不平行的既知的方向上作用適當大小的力F，能夠根據Fz的值和力的作用方向的關係求取力Fx、Fy的值，計算力的作用點、也就是力估算用點Pc或者力估算用點計算基準點Ps的位置Pl (a、b、c)。
[0135]該情況下，如果Pl存在於X-Z平面上，由於a=0方向既知，因此根據Fz的值知道力Fx、Fy。該條件下，Fx古O。因此,能夠求取b、c。由此可知,在本發明中，力估算用點設定部12能夠簡易地設定力估算用點Pc，力估算用點計算基準點設定部15能夠簡易地設定力估算用點計算基準點Ps。
[0136]發明的效果如下。
[0137]根據本發明，能夠使用檢測力Fz以及力矩Mx、My這三個成分的三軸力傳感器精度良好地估算力Fx、Fy以及/或者力矩Mz。
[0138]並且，在使用檢測力Fz以及力矩Mx、My這三個成分的三軸力傳感器估算力Fx、Fy以及/或者力矩Mz時，有必要更加正確地估算力的作用點，也就是工具與工件之間的接觸點。為了使基於三軸力傳感器的力控制具有實用性，基於上述的手法簡易而且更加正確地估算、設定接觸點。由此，能夠使用三軸力傳感器具有實用性地、更加精度良好地估算力Fx、Fy以及/或者力矩Mz，將力Fx、Fy、Fz以及力矩Mx、My、Mz用於力控制。
[0139]本發明在進行向各種方向的力控制的機器人系統中應用了檢測力Fz以及力矩Mx、My這三個成分的三軸力傳感器。該三軸力傳感器相比同規格的能夠檢測四軸以上的多軸力傳感器價格低廉，並且能夠小型化，因此能夠將該種多軸傳感器置換為所述三軸力傳感器，通過用於力控制，能夠抑制機器人系統整體的價格，並且將機器人系統製作得更小型。
[0140]使用典型性的實施方式說明了本發明，但是能夠理解，只要是該領域人員，就能夠不脫離本發明範圍地進行所述的變更以及各種其它變更、省略、追加。
【權利要求】
1.一種機器人控制裝置(11)，相對於工具(4)以及工件(W)中的一方，使另一方通過機器人(I)的手前端部相對移動，控制作用於所述工具與所述工件之間的力，其特徵在於，具備: 力檢測部(3)，其檢測單軸方向的力和與該單軸正交並且相互正交的兩軸方向的繞軸的力矩； 力估算用點設定部(12)，其設定用於估算作用於所述工具與所述工件之間力的力估算用點；以及 力估算部(13)，其基於通過所述力檢測部檢測出的所述單軸方向的力以及所述兩軸方向的繞軸的力矩、和通過所述力估算用點設定部設定的所述力估算用點的位置估算所述兩軸方向的力，或者進一步估算繞所述單軸的力矩。
2.根據權利要求1所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 所述力估算用點設定部(12)根據所述工具與所述工件之間的相對位置關係、用於計算所述力估算用點的位置的力估算用點計算基準點的位置、所述工具與所述工件之間的擠壓方向、所述工具的形狀或者所述工件的形狀的信息，計算所述力估算用點的位置並進行設定。
3.根據權利要求2所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 用於計算所述力估算用點的位置的所述力估算用點計算基準點的位置能夠變更，基於變更後的所述力估算用點計算基準點的位置計算所述力估算用點的位置並進行設定。
4.根據權利要求1所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 所述力估算用點設定部(12)在所述機器人的動作過程中能夠變更所述力估算用點的位置。
5.根據權利要求1~4中任一項所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 還具備估算所述工具的磨耗量並且修正所述力估算用點的位置的力估算用點修正部(14)。
6.根據權利要求1、4、5中任一項所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 所述力估算用點設定部(12)通過對所述力估算用點施加力並基於所述單軸方向的力和所述兩軸方向的繞軸的力矩計算所述力估算用點的位置並進行設定。
7.根據權利要求6所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 所述力估算用點設定部(12)通過對所述力估算用點施加既知的力來計算該力估算用點的位置並進行設定。
8.根據權利要求6所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 在所述力估算用點配置在三個軸中的任一個軸上的情況下，所述力估算用點設定部(12)通過在與由能夠測量力的軸以外的兩個軸構成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力來計算所述力估算用點的位置並進行設定， 或者，在所述力估算用點配置在由能夠測量力的軸和剩餘兩軸中的一個軸構成的平面上的情況下，所述力估算用點設定部(12)通過在與該平面不平行、並且與由能夠測量力的軸以外的兩軸構成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力，來計算所述力估算用點的位置並進行設定。
9.根據權利要求2、3、5中任一項所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 還具備力估算用點計算基準點設定部(15)，該力估算用點計算基準點設定部(15)通過對所述力估算用點計算基準點施加力並基於所述單軸方向的力和所述兩軸方向的繞軸的力矩，計算所述力估算用點計算基準點的位置並進行設定。
10.根據權利要求9所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 所述力估算用點計算基準點設定部(15)通過對所述力估算用點計算基準點施加既知的力來計算該力估算用點計算基準點的位置並進行設定。
11.根據權利要求9所述的機器人控制裝置，其特徵在於， 在所述力估算用點計算基準點配置在三個軸中的任一個軸上的情況下，所述力估算用點計算基準點設定部(15)通過在與由能夠測量力的軸以外的兩個軸構成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力來計算所述力估算用點計算基準點的位置並進行設定， 或者，在所述力估算用點計算基準點配置在由能夠測量力的軸和剩餘兩軸中的一個軸構成的平面上的情況下，所述力估算用點計算基準點設定部(15)通過在與該平面不平行、並且與由能夠測量力的軸以外的兩軸構成的平面不平行的既知的方向上施加任意的力來計算所述力估算用點計算基準 點的位置並進行設定。
【文檔編號】B25J13/08GK103507070SQ201210213883
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月25日 優先權日:2012年6月25日
【發明者】佐藤貴之, 巖竹隆裕 申請人:發那科株式會社