WO2021177147A1 - 力センサの診断装置およびロボット制御装置 - Google Patents

力センサの診断装置およびロボット制御装置 Download PDF

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岩山　貴敏
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ファナック株式会社
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    • G05B2219/40582—Force sensor in robot fixture, base

Definitions

  • the present invention relates to a diagnostic device for a force sensor and a robot control device.
  • an industrial robot is provided with a force sensor that detects an external force applied to the robot in order to detect the contact of the robot with an object or a person (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the force sensor is arranged near the installation surface on which the robot is installed.
  • the detection accuracy of the force sensor may decrease for some reason. If the robot operates with the detection accuracy of the force sensor lowered, the contact of the robot with an object or a person may not be detected accurately. Therefore, it is necessary to confirm that the detection accuracy of the force sensor satisfies a predetermined criterion before starting the operation of the robot. However, there are several causes for the decrease in detection accuracy, and it is not easy to identify the cause.
  • One aspect of the present disclosure is a force sensor that diagnoses a force sensor provided on the robot, and the force sensor is arranged near the installation surface on which the robot is installed and detects a force and a moment applied to the robot from the outside.
  • a calculation unit that calculates the theoretical values of the force and the moment detected by the force sensor, and the measured values of the force and the moment detected by the force sensor are used as the force and the measured value of the moment.
  • the robot system 100 includes an industrial robot 1 and a robot control device 2 connected to the robot 1 and controlling the robot 1.
  • the robot 1 includes a robot main body 3, an installation plate 4 for fixing the robot main body 3 to the installation surface S, and a force sensor 5 for detecting a force and a moment applied to the robot main body 3 from the outside.
  • the robot 1 is a collaborative robot that works in the same work space as an operator, and the robot body 3 is a 6-axis vertical articulated robot.
  • the robot body 3 has a base 6, a swivel body 7, a first arm 8, and a second arm 9.
  • the swivel body 7 is mounted on the base 6 and is rotatable with respect to the base 6 around the first axis J1 in the vertical direction.
  • the base end portion of the first arm 8 is supported by the swivel cylinder 7 and is rotatable with respect to the swivel cylinder 7 around the second axis J2 in the horizontal direction.
  • the base end portion of the second arm 9 is supported by the tip end portion of the first arm 8 and is rotatable with respect to the first arm 8 around the third axis J3 in the horizontal direction.
  • the robot body 3 is provided with a plurality of servomotors (not shown) for rotating the swivel cylinder 7, the first arm 8 and the second arm 9, and the rotation angles of the swivel cylinder 7, the first arm 8 and the second arm 9.
  • a plurality of encoders (not shown) for detecting each are provided.
  • a mounting surface 10 to which the load 11 is mounted is provided at the tip of the second arm 9.
  • the load 11 is, for example, an end effector such as a hand or a tool.
  • the installation plate 4 is arranged on a horizontal or substantially horizontal installation surface S such as a floor surface, and is provided with an anchor bolt 12 such as a chemical anchor with a very large force, for example, a force of several tons. , Fixed to the installation surface S.
  • the force sensor 5 is arranged between the base 6 and the installation plate 4, and is fixed to the base 6 and the installation plate 4.
  • the force sensor 5 has a cylindrical main body that is distorted by an external force applied to the robot main body 3, and a plurality of strain sensors fixed to the main body.
  • the force sensor 5 is, for example, a 6-axis force sensor, and the force detected by the force sensor 5 includes three force components in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and the moment detected by the force sensor 5 is It contains three moment components around the X-axis, Y-axis and Z-axis.
  • the X-axis, Y-axis and Z-axis are orthogonal to each other.
  • the force sensor 5 arranged in the vicinity of the installation surface S is easily affected by the installation state of the installation plate 4 on the installation surface S, and the force is caused by the installation plate 4 being erroneously installed on the installation surface S.
  • the sensor 5 may be distorted.
  • FIG. 2A shows an example of correct installation of the installation plate 4
  • FIG. 2B shows an example of incorrect installation of the installation plate 4.
  • the shim 13 is inserted into the gap between the installation plate 4 and the installation surface S in order to secure the flatness of the installation plate 4.
  • FIG. 2A shows an example of correct installation of the installation plate 4
  • FIG. 2B shows an example of incorrect installation of the installation plate 4.
  • the robot control device 2 includes a storage unit 21, a control unit 22, a calculation unit 23, a determination unit 24, and a notification unit 25.
  • the robot control device 2 has a sensor diagnosis function for diagnosing the force sensor 5, and the calculation unit 23, the determination unit 24, and the notification unit 25 are responsible for the sensor diagnosis function. That is, in one embodiment, the diagnostic device for the force sensor is mounted on the robot control device 2 as a part of the robot control device 2.
  • the storage unit 21 stores a sensor diagnosis program for diagnosing the force sensor 5.
  • the robot control device 2 has a processor, and when the processor executes processing according to a sensor diagnosis program, the functions described later of the control unit 22, the calculation unit 23, the determination unit 24, and the notification unit 25 are realized.
  • the storage unit 21 has a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read-Only Memory), and any other storage device.
  • the storage unit 21 stores the set value of the load 11 connected to the robot 1.
  • the set values are, for example, as shown in FIG. 4, the mass M of the load 11, the position of the center of gravity (Gx, Gy, Gz) of the load 11 with reference to the center position of the mounting surface 10, and the load 11 around the center of gravity G. Includes inertia Ix, Iy, Iz.
  • the set value is input to the robot control device 2 by an operator and stored in the storage unit 21, for example.
  • the control unit 22 controls the robot body 3 and the force sensor 5.
  • the control unit 22 causes the robot body 3 to execute a sensor diagnosis operation that changes the posture of the robot body 3 by controlling the servomotor. Further, the control unit 22 causes the force sensor 5 to detect a force and a moment during the change in the posture of the robot body 3 in the sensor diagnosis operation.
  • the measured values Fa and Ma of the force and the moment detected by the force sensor 5 are transmitted from the force sensor 5 to the robot control device 2 and used for the diagnosis of the force sensor 5.
  • the 5 and 6 show the sensor diagnosis operation of the robot body 3.
  • the posture of the robot body 3 changes from the initial posture to the first posture by the rotation of only the swivel cylinder 7 around the first axis J1 (see FIG. 5), and then around the second axis J2.
  • the rotation of only the first arm 8 changes the posture from the first posture to the second posture (see FIG. 6).
  • the initial posture is a posture in which the load 11 is arranged at a position horizontally separated from the first axis J1, for example, a posture in which the first arm 8 and the second arm 9 extend horizontally.
  • the rotation angle range of each of the swivel cylinder 7 and the first arm 8 in the sensor diagnosis operation is arbitrarily set by the operator.
  • the swivel body 7 and the first arm 8 are preferably rotated to their respective maximum rotation angles, and the amount of rotation of each of the swivel body 7 and the first arm 8 is preferably 90 ° or more.
  • the swivel cylinder 7 rotates from 0 ° to 180 °
  • the first arm 8 rotates from 90 ° to 0 ° (see FIG. 9A). That is, in the initial posture, the rotation angle of the swivel cylinder 7 is 0 °, and the rotation angle of the first arm 8 is 90 °.
  • the first arm 8 extends horizontally at 90 ° and vertically at 0 °.
  • the calculation unit 23 reads the set value of the load 11 from the storage unit 21, and calculates the theoretical values Ft and Mt of the force and the moment detected by the force sensor 5 during the sensor diagnosis operation using the set value of the load 11. do.
  • the theoretical value Ft is the root mean square of the theoretical values of the three force components in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions
  • the theoretical value Mt is the three moment components around the X-axis, Y-axis, and Z-axis. Is the root mean square of the theoretical value of.
  • the calculation unit 23 acquires information on the posture of the robot body 3 at each time during the sensor diagnosis operation.
  • the rotation angles of the swivel cylinder 7, the first arm 8, and the second arm 9 are transmitted from the encoder to the robot control device 2, and are stored in the storage unit 21 in time series.
  • the calculation unit 23 calculates the posture of the robot body 3 at each time from the rotation angle stored in the storage unit 21, and calculates the theoretical values Ft and Mt using the set value of the load 11 and the posture of the robot body 3. do.
  • the determination unit 24 compares the measured values Fa and Ma with the theoretical values Ft and Mt to determine whether the set value of the load 11 is correct and whether the installation plate 4 is erroneously installed. It is determined whether or not the force sensor 5 is distorted due to the cause.
  • the measured value Fa is the root mean square of the three force components in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions actually detected by the force sensor 5, and the measured value Ma is actually detected by the force sensor 5. It is the root mean square of the three moment components around the X-axis, Y-axis, and Z-axis.
  • the determination unit 24 determines that the detection accuracy of the force sensor 5 is "pass”. On the other hand, when it is determined that the set value of the load 11 is incorrect and / or the force sensor 5 is distorted, the determination unit 24 determines that the detection accuracy of the force sensor 5 is "failed”. Judgment is made, and one mode is selected from “mode 1", “mode 2", and “mode 3" based on the cause of the failure.
  • the notification unit 25 has a display (not shown) and displays the determination result of the determination unit 24 on the display. When the determination result is "pass”, the notification unit 25 displays "pass”. When the determination result is unacceptable, as shown in FIG. 7, the notification unit 25 displays the mode selected by the determination unit 24 and the coping method corresponding to the selected mode.
  • the robot control device 2 starts the diagnosis method of the force sensor 5.
  • the sensor diagnosis method is executed in a situation where no external force or moment is applied to the robot body 3.
  • the control unit 22 controls the robot body 3 and the force sensor 5, so that the measured force value Fa and the measured moment value Ma are acquired (step S1). Specifically, the robot body 3 executes the sensor diagnosis operation, and the swivel body 7 and the first arm 8 rotate in order. As a result, the posture of the robot body 3 changes from the initial posture to the first posture, and then from the first posture to the second posture. Then, the force and the moment are detected by the force sensor 5 during the rotation of the swivel body 7 and the rotation of the first arm 8.
  • the calculation unit 23 uses the set value of the load 11 connected to the robot body 3 to detect the force and moment by the force sensor 5 during the rotation of the swivel body 7 and the rotation of the first arm 8.
  • the theoretical values Ft and Mt of are calculated (step S2).
  • the moment error ⁇ M
  • the control unit 22 sets the zero point of the force sensor 5 so that the force and the moment detected by the force sensor 5 become zero when the robot body 3 is arranged in the initial posture, and then the robot body 22 sets the zero point.
  • the posture of 3 may be changed.
  • the theoretical values Ft and Mt calculated by the calculation unit 23 are always zero regardless of the change in the posture of the robot body 3 from the initial posture.
  • FIG. 9A shows the time change of the rotation angles of the swivel cylinder 7 and the first arm 8 during the sensor diagnosis operation
  • FIG. 9B shows the time change of the measured force Fa and the theoretical value Ft during the sensor diagnosis operation, that is, the force.
  • the time change of the error ⁇ F is shown
  • FIG. 9C shows the time change of the measured value Ma and the theoretical value Mt of the moment during the sensor diagnosis operation, that is, the time change of the moment error ⁇ M.
  • the zero points of the force sensor 5 are set so that the force error ⁇ F and the moment error ⁇ M in the initial posture are each zero.
  • the force error ⁇ F and the moment error ⁇ M are always zero or substantially zero, respectively.
  • the determination unit 24 compares the moment error ⁇ M with the predetermined first threshold value Th1 (step S4), and determines whether or not the set value of the load 11 is correct. Specifically, when the moment error ⁇ M is equal to or less than the first threshold value Th1 over the entire period during which the posture of the robot body 3 is changing, it is determined that the set value of the load 11 is correct. On the other hand, as shown in FIG. 9C, when there is a period in which the moment error ⁇ M is larger than the first threshold value Th1 during the period in which the posture of the robot body 3 is changing, the set value of the load 11 is incorrect. Judged.
  • the determination unit 24 compares the force error ⁇ F with the predetermined second threshold value Th2 (step S5 or S6), and determines whether or not the force sensor 5 is distorted due to the erroneous installation of the installation plate 4. .. Specifically, when the force error ⁇ F is equal to or less than the second threshold value Th2 over the entire period in which the posture of the robot body 3 is changing, it is determined that the force sensor 5 is not distorted. On the other hand, as shown in FIG. 9B, if there is a period in which the force error ⁇ F is larger than the second threshold value Th2 during the period in which the posture of the robot body 3 is changing, it is determined that the force sensor 5 is distorted. NS.
  • step S5 When it is determined that the set value of the load 11 is correct and the force sensor 5 is not distorted (YES in step S4 and YES in step S5), the detection accuracy of the force sensor 5 is determined to be "pass”. Judged by. Then, the notification unit 25 notifies that the diagnosis result is "pass” (step S7), and the diagnosis method of the force sensor 5 ends.
  • step S4 When the set value of the load 11 is correct (YES in step S4) and the force sensor 5 is determined to be distorted (NO in step S5), the detection accuracy of the force sensor 5 is determined to be "failed". Determined by unit 24.
  • the cause of the "failure” is the distortion of the force sensor 5 due to the erroneous installation of the installation plate 4. Therefore, the "mode 3" corresponding to the erroneous installation of the installation plate 4 is selected by the determination unit 24, and the notification unit 25 notifies that the diagnosis result is the "mode 3" (step S8).
  • confirmation of the installation state of the installation plate 4 is notified together with the diagnosis result.
  • step S6 If the set value of the load 11 is incorrect (NO in step S4) and it is determined that the force sensor 5 is not distorted (YES in step S6), the detection accuracy of the force sensor 5 is "fail". Is determined by the determination unit 24. In this case, the cause of "failure” is an error in the set value of the load 11. Therefore, the "mode 2" corresponding to the error in the set value of the load 11 is selected by the determination unit 24, and the notification unit 25 notifies that the diagnosis result is the "mode 2" (step S9). At this time, as a countermeasure, confirmation of the set value of the load 11 is notified together with the diagnosis result.
  • the detection accuracy of the force sensor 5 is "failed". It is determined by the determination unit 24.
  • the cause of "failure” is an erroneous installation of the installation plate 4 and an erroneous setting value of the load 11. Therefore, "mode 1" corresponding to the erroneous installation of the installation plate 4 and the erroneous setting value of the load 11 is selected by the determination unit 24, and the notification unit 25 notifies that the diagnosis result is "mode 1" ( Step S10).
  • confirmation and re-diagnosis of the set value of the load 11 are notified together with the diagnosis result.
  • diagnosis result is "Fail”
  • the operator corrects the set value of the load 11 or the installation state of the installation plate 4 according to the coping method notified by the notification unit 25, and then performs the diagnosis method of the force sensor 5. It is executed again (YES in step S11). Until the diagnosis result becomes "pass”, the operator repeats the correction of the set value of the load 11 or the installation state of the installation plate 4 and the re-execution of the diagnosis.
  • the detection accuracy of the force sensor 5 may decrease due to the distortion of the force sensor 5 due to the erroneous installation of the installation plate 4 and the erroneous setting of the set value of the load 11.
  • the robot body 3 operates with the detection accuracy of the force sensor 5 lowered, for example, there is a situation in which the robot body 3 stops when the contact is detected regardless of whether the robot body 3 is in contact with an object or a person. Can occur. Therefore, in order for the robot 1 to operate normally, it is necessary to confirm that the detection accuracy of the force sensor 5 satisfies the necessary criteria before the operation of the robot body 3 starts.
  • the force and the moment are detected by the force sensor 5 while changing the posture of the robot body 3, and the force error ⁇ F and the moment error ⁇ M are measured.
  • the moment error ⁇ M becomes particularly large
  • the force error ⁇ F becomes particularly large. Therefore, based on the moment error ⁇ M and the force error ⁇ F, it is possible to determine whether or not the set value of the load is correct and whether or not the force sensor 5 is distorted. Further, the cause of the decrease in the detection accuracy of the force sensor 5 can be identified by a simple operation of the robot body 3 and a simple calculation by the robot control device 2.
  • the worker is notified of the identified cause and the coping method according to the cause.
  • the worker is notified of the identified cause and the coping method according to the cause.
  • the threshold values Th1 and Th2 for the errors ⁇ M and ⁇ F are changed according to the amount of change in the posture of the robot body 3 in the sensor diagnosis operation, that is, according to the amount of rotation of the swivel cylinder 7 and the first arm 8. May be good.
  • the rotation range of the swivel body 7 and the first arm 8 may be limited due to the presence of a structure around the robot body 3.
  • the errors ⁇ M and ⁇ F also increase. Therefore, if the threshold values Th1 and Th2 are fixed regardless of the amount of rotation, whether the set value of the load 11 is correct or not. And there is a possibility that it cannot be accurately determined whether or not the force sensor 5 is distorted.
  • the thresholds Th1 and Th2 may be proportional to the rotation amount so that the thresholds Th1 and Th2 decrease as the rotation amount decreases.
  • the determination unit 24 determines the detection accuracy of the force sensor 5 in two stages of "pass” and "fail", but instead of this, the determination unit 24 may determine in three or more stages. .. For example, as shown in FIG. 10, the determination unit 24 may make a determination in four stages of "excellent", “good”, “slightly bad”, and “bad". In this example, in the case of "slightly bad” or "bad", the mode and the coping method are notified by the notification unit 25. According to this configuration, the operator can more specifically recognize the degree of detection accuracy of the force sensor 5 based on the more detailed judgment result.
  • the force error ⁇ F and the moment error ⁇ M are continuously detected during the change in the posture of the robot main body 3, but instead, the force is obtained only when the posture of the robot main body 3 is a predetermined posture.
  • the error ⁇ F and the moment error ⁇ M may be detected.
  • the force error ⁇ F and the moment error ⁇ M are detected at two times when the postures of the robot body 3 are the first posture and the second posture, and the determination of steps S4 to S6 is executed using the difference between the errors at the two times. You may.
  • the determination unit 24 determines both whether the set value of the load 11 is correct and whether the force sensor 5 is distorted. Instead, the force sensor determines. It may be determined only whether or not 5 is distorted. Even if the determined judgment result to be notified is only whether or not the force sensor 5 is distorted, it is possible to assist the operator in identifying the cause of the decrease in the detection accuracy of the force sensor 5 and urge the operator to take appropriate measures. can.
  • the diagnostic device of the force sensor is realized as a part of the function of the robot control device 2, but instead, the diagnostic device of the force sensor is a separate body from the robot control device 2.
  • a force sensor diagnostic device including a calculation unit 23, a determination unit 24, and a notification unit 25 may be arranged outside the robot control device 2 and connected to the robot control device 2.
  • the robot 1 is a 6-axis vertical articulated robot, but the robot 1 may be a vertical articulated robot having a number of axes other than 6 axes, or a robot having another joint configuration. good.

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Abstract

力センサの診断装置は、ロボットに設けられた力センサを診断し、力センサはロボットが設置される設置面の近傍に配置されロボットに外部から加わる力およびモーメントを検出する。力センサの診断装置は、力センサによって検出される力およびモーメントの各々の理論値を算出する算出部（２３）と、力センサによって検出された力およびモーメントの実測値を力およびモーメントの理論値と比較することによって、力センサが歪んでいるか否かを判断する判断部（２４）と、判断部（２４）の判断結果を報知する報知部（２５）とを備える。

Description

力センサの診断装置およびロボット制御装置
　本発明は、力センサの診断装置およびロボット制御装置に関するものである。
　従来、産業用のロボットには、物体または人とのロボットの接触を検出するために、ロボットに加わる外力を検出する力センサが設けられている（例えば、特許文献１および２参照。）。特許文献１，２において、力センサは、ロボットが設置される設置面の近傍に配置される。
特開２０１９－０４２９０６号公報 特開２０１８－０８０９４１号公報
　力センサの検出精度が何らかの原因によって低下することがある。力センサの検出精度が低下した状態でロボットが動作した場合、物体または人とのロボットの接触が正確に検出されない可能性が有る。したがって、ロボットの動作開始前に、力センサの検出精度が所定の基準を満たすことを確認する必要がある。しかし、検出精度の低下の原因はいくつか有り、原因の特定は容易ではない。
　本開示の一態様は、ロボットに設けられた力センサを診断し、該力センサは前記ロボットが設置される設置面の近傍に配置され前記ロボットに外部から加わる力およびモーメントを検出する、力センサの診断装置であって、前記力センサによって検出される前記力および前記モーメントの各々の理論値を算出する算出部と、前記力センサによって検出された前記力および前記モーメントの実測値を前記力および前記モーメントの前記理論値と比較することによって、前記力センサが歪んでいるか否かを判断する判断部と、該判断部の判断結果を報知する報知部とを備える力センサの診断装置である。
一実施形態に係るロボットシステムの全体構成図である。 設置プレートの正しい設置の例を示す図である。 設置プレートの誤った設置の例を示す図である。 一実施形態に係るロボット制御装置の機能ブロック図である。 ロボットに接続されている負荷の設定値の例を説明する図である。 センサ診断動作におけるロボット本体の旋回胴の動作を説明する図である。 センサ診断動作におけるロボット本体の第１アームの動作を説明する図である。 報知部が表示する力センサの診断結果の例を示す図である。 ロボット制御装置によって実行される力センサの診断方法を示すフローチャートである。 センサ診断動作における旋回胴および第１アームの回転角度の時間変化を示すグラフである。 センサ診断動作における力誤差ΔＦの時間変化を示すグラフである。 センサ診断動作におけるモーメント誤差ΔＭの時間変化を示すグラフである。 判断部の判断結果の変形例を示す図である。
　以下に、一実施形態に係る力センサの診断装置、ロボット制御装置およびロボットシステムについて図面を参照して説明する。
　本実施形態に係るロボットシステム１００は、図１に示されるように、産業用のロボット１と、ロボット１に接続されロボット１を制御するロボット制御装置２とを備える。
　ロボット１は、ロボット本体３と、ロボット本体３を設置面Ｓに固定するための設置プレート４と、ロボット本体３に外部から加わる力およびモーメントを検出する力センサ５とを備える。例えば、ロボット１は作業者と同じ作業空間で作業する協働ロボットであり、ロボット本体３は６軸の垂直多関節ロボットである。
　ロボット本体３は、基台６、旋回胴７、第１アーム８および第２アーム９を有する。旋回胴７は、基台６上に載置され、鉛直方向の第１軸線Ｊ１回りに基台６に対して回転可能である。第１アーム８の基端部は、旋回胴７に支持され、水平方向の第２軸線Ｊ２回りに旋回胴７に対して回転可能である。第２アーム９の基端部は、第１アーム８の先端部に支持され、水平方向の第３軸線Ｊ３回りに第１アーム８に対して回転可能である。
　ロボット本体３には、旋回胴７、第１アーム８および第２アーム９をそれぞれ回転させる複数のサーボモータ（図示略）と、旋回胴７、第１アーム８および第２アーム９の回転角度をそれぞれ検出する複数のエンコーダ（図示略）とが設けられている。
　第２アーム９の先端には、負荷１１が取り付けられる取付面１０が設けられている。負荷１１は、例えば、ハンドまたはツール等のエンドエフェクタである。
　設置プレート４は、図２Ａに示されるように、床面等の水平または略水平な設置面Ｓ上に配置され、ケミカルアンカ等のアンカボルト１２によって非常に大きな力で、例えば数トンの力で、設置面Ｓに固定される。
　力センサ５は、基台６と設置プレート４との間に配置され、基台６および設置プレート４に固定されている。例えば、力センサ５は、ロボット本体３に加わる外力によって歪む円筒状の本体と、本体に固定された複数の歪センサとを有する。力センサ５は、例えば６軸力センサであり、力センサ５によって検出される力は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の３つの力成分を含み、力センサ５によって検出されるモーメントは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸回りの３つのモーメント成分を含む。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、相互に直交する。
　設置面Ｓの近傍に配置される力センサ５は、設置プレート４の設置面Ｓへの設置状態の影響を受け易く、設置プレート４が設置面Ｓに誤って設置されていることが原因で力センサ５が歪むことがある。
　図２Ａは、設置プレート４の正しい設置の例を示し、図２Ｂは、設置プレート４の誤った設置の例を示している。図２Ａに示されるように、設置面Ｓに凹凸がある場合、設置プレート４の平坦度を確保するために、設置プレート４と設置面Ｓとの間の隙間にシム１３が挿入される。図２Ｂに示されるように、シム１３が挿入されていなかったりシム１３が不適切に挿入されていたりする場合、アンカボルト１２からの力によって設置プレート４が矢印で示されるように変形し、設置プレート４に固定されている力センサ５が歪む。
　ロボット制御装置２は、図３に示されるように、記憶部２１と、制御部２２と、算出部２３と、判断部２４と、報知部２５とを備える。
　ロボット制御装置２は、力センサ５を診断するセンサ診断機能を有し、算出部２３、判断部２４および報知部２５がセンサ診断機能を担っている。すなわち、一実施形態において、力センサの診断装置は、ロボット制御装置２の一部分としてロボット制御装置２に搭載されている。
　記憶部２１には、力センサ５の診断用のセンサ診断プログラムが記憶されている。ロボット制御装置２は、プロセッサを有し、プロセッサがセンサ診断プログラムに従って処理を実行することによって、制御部２２、算出部２３、判断部２４および報知部２５の後述の機能が実現される。
　記憶部２１は、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ＲＯＭ（Read-Only　Memory）およびその他の任意の記憶装置を有する。記憶部２１には、ロボット１に接続されている負荷１１の設定値が記憶されている。設定値は、例えば、図４に示されるように、負荷１１の質量Ｍ、取付面１０の中心位置を基準とする負荷１１の重心位置（Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚ）、重心Ｇ回りの負荷１１のイナーシャＩｘ，Ｉｙ，Ｉｚを含む。設定値は、例えば、作業者によってロボット制御装置２に入力され記憶部２１に記憶される。
　制御部２２は、ロボット本体３および力センサ５を制御する。制御部２２は、サーボモータを制御することによって、ロボット本体３の姿勢を変化させるセンサ診断動作をロボット本体３に実行させる。また、制御部２２は、センサ診断動作におけるロボット本体３の姿勢の変化中に力およびモーメントの検出を力センサ５に実行させる。力センサ５によって検出された力およびモーメントの実測値Ｆａ，Ｍａは、力センサ５からロボット制御装置２に送信され、力センサ５の診断に使用される。
　図５および図６は、ロボット本体３のセンサ診断動作を示している。センサ診断動作において、ロボット本体３の姿勢は、第１軸線Ｊ１回りの旋回胴７のみの回転によって初期姿勢から第１姿勢に変化し（図５参照。）、続いて、第２軸線Ｊ２回りの第１アーム８のみの回転によって第１姿勢から第２姿勢へ変化する（図６参照。）。初期姿勢は、負荷１１が第１軸線Ｊ１から水平方向に離れた位置に配置される姿勢であり、例えば、第１アーム８および第２アーム９が水平に延びる姿勢である。
　センサ診断動作における旋回胴７および第１アーム８の各々の回転角度範囲は、作業者によって任意に設定される。旋回胴７および第１アーム８は、各々の最大回転角度まで回転することが好ましく、旋回胴７および第１アーム８の各々の回転量は９０°以上であることが好ましい。
　例えば、センサ診断動作において、旋回胴７は０°から１８０°まで回転し、第１アーム８は９０°から０°まで回転する（図９Ａ参照。）。すなわち、初期姿勢において、旋回胴７の回転角度は０°であり、第１アーム８の回転角度は９０°である。第１アーム８は、９０°において水平方向に延び、０°において鉛直方向に延びる。
　算出部２３は、負荷１１の設定値を記憶部２１から読み出し、センサ診断動作中に力センサ５によって検出される力およびモーメントの各々の理論値Ｆｔ，Ｍｔを負荷１１の設定値を用いて算出する。例えば、理論値Ｆｔは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の３つの力成分の理論値の二乗平均平方根であり、理論値Ｍｔは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸回りの３つのモーメント成分の理論値の二乗平均平方根である。
　ロボット本体３の姿勢の変化に応じて理論値Ｆｔ，Ｍｔが変化する場合、理論値Ｆｔ，Ｍｔを算出するためにロボット本体３の姿勢の情報が必要である。このような場合、算出部２３は、センサ診断動作中の各時刻でのロボット本体３の姿勢の情報を取得する。例えば、旋回胴７、第１アーム８および第２アーム９の各々の回転角度がエンコーダからロボット制御装置２に送信され、記憶部２１に時系列に記憶される。算出部２３は、記憶部２１に記憶された回転角度から各時刻でのロボット本体３の姿勢を算出し、負荷１１の設定値とロボット本体３の姿勢とを用いて理論値Ｆｔ，Ｍｔを算出する。
　判断部２４は、後で詳述するように、実測値Ｆａ，Ｍａを理論値Ｆｔ，Ｍｔと比較することによって、負荷１１の設定値が正しいか否か、および、設置プレート４の誤設置が原因で力センサ５が歪んでいるか否かを判断する。例えば、実測値Ｆａは、力センサ５によって実際に検出されたＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の３つの力成分の二乗平均平方根であり、実測値Ｍａは、力センサ５によって実際に検出されたＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸回りの３つのモーメント成分の二乗平均平方根である。
　負荷１１の設定値が正しいと判断し、かつ、力センサ５が歪んでいないと判断した場合、判断部２４は、力センサ５の検出精度は「合格」であると判断する。
　一方、負荷１１の設定値が誤っていると判断し、かつ／または、力センサ５が歪んでいると判断した場合、判断部２４は、力センサ５の検出精度は「不合格」であると判断し、さらに、不合格の原因に基づいて「モード１」、「モード２」および「モード３」の中から１つのモードを選択する。
　報知部２５は、ディスプレイ（図示略）を有し、判断部２４の判断結果をディスプレイに表示する。判断結果が「合格」である場合、報知部２５は、「合格」を表示する。判断結果が不合格である場合、図７に示されるように、報知部２５は、判断部２４によって選択されたモードと、選択されたモードに対応する対処方法とを表示する。
　次に、ロボット制御装置２によって実行される力センサ５の診断方法について図８を参照して説明する。例えば、作業者の指示に基づいてセンサ診断プログラムが実行されることによって、ロボット制御装置２は力センサ５の診断方法を開始する。センサ診断方法は、ロボット本体３に外部から力およびモーメントが加わらない状況で実行される。
　まず、制御部２２がロボット本体３および力センサ５を制御することによって、力の実測値Ｆａおよびモーメントの実測値Ｍａが取得される（ステップＳ１）。具体的には、ロボット本体３がセンサ診断動作を実行し、旋回胴７および第１アーム８が順番に回転する。これにより、ロボット本体３の姿勢が、初期姿勢から第１姿勢へ変化し、続いて第１姿勢から第２姿勢へ変化する。そして、旋回胴７の回転中および第１アーム８の回転中に力センサ５によって力およびモーメントが検出される。
　次に、算出部２３によって、ロボット本体３に接続されている負荷１１の設定値を用いて、旋回胴７の回転中および第１アーム８の回転中に力センサ５によって検出される力およびモーメントの理論値Ｆｔ，Ｍｔが算出される（ステップＳ２）。
　次に、判断部２４によって、実測値Ｆａと理論値Ｆｔとの間の差分の大きさである力誤差ΔＦ＝｜Ｆａ－Ｆｔ｜、および、実測値Ｍａと理論値Ｍｔとの間の差分の大きさであるモーメント誤差ΔＭ＝｜Ｍａ－Ｍｔ｜が算出される（ステップＳ３）。
　制御部２２は、ロボット本体３が初期姿勢に配置されているときに力センサ５によって検出される力およびモーメントがそれぞれゼロとなるように、力センサ５のゼロ点を設定し、その後にロボット本体３の姿勢を変化させてもよい。この場合、算出部２３によって算出される理論値Ｆｔ，Ｍｔは、初期姿勢からのロボット本体３の姿勢の変化に関わらず常にゼロである。
　図９Ａは、センサ診断動作中の旋回胴７および第１アーム８の回転角度の時間変化を示し、図９Ｂは、センサ診断動作中の力の実測値Ｆａおよび理論値Ｆｔの時間変化、すなわち力誤差ΔＦの時間変化を示し、図９Ｃは、センサ診断動作中のモーメントの実測値Ｍａおよび理論値Ｍｔの時間変化、すなわちモーメント誤差ΔＭの時間変化を示している。
　図９Ｂおよび図９Ｃにおいて、初期姿勢における力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭがそれぞれゼロとなるように力センサ５のゼロ点が設定されている。負荷１１の設定値が正しく、かつ、設置プレート４の誤設置に起因する歪みが力センサ５に生じていない場合、力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭはそれぞれ常にゼロまたは略ゼロとなる。
　一方、作業者が質量Ｍまたは重心位置（Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚ）として誤った値を入力したこと等が原因で負荷１１の設定値が誤っている場合、ロボット本体３に外部から力およびモーメントが加わっていないにも関わらず、ゼロではない力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭが検出される。この場合、ロボット本体３の姿勢の変化に伴って力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭが変化し、特に、旋回胴７の回転に伴ってモーメント誤差ΔＭが大きく変化する。
　また、設置プレート４の誤設置に起因する歪みが力センサ５に生じている場合、ロボット本体３に外部から力が加わっていないにも関わらず、ゼロではない力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭが検出される。この場合、ロボット本体３の姿勢の変化に伴って力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭは変化し、特に、第１アーム８の回転に伴って力誤差ΔＦが大きく変化する。
　次に、判断部２４によって、モーメント誤差ΔＭが所定の第１閾値Ｔｈ１と比較され（ステップＳ４）、負荷１１の設定値が正しいか否かが判断される。具体的には、ロボット本体３の姿勢が変化している全期間にわたってモーメント誤差ΔＭが第１閾値Ｔｈ１以下である場合、負荷１１の設定値は正しいと判断される。一方、図９Ｃに示されるように、ロボット本体３の姿勢が変化している期間中にモーメント誤差ΔＭが第１閾値Ｔｈ１よりも大きい期間が存在する場合、負荷１１の設定値が誤っていると判断される。
　続いて、判断部２４によって、力誤差ΔＦが所定の第２閾値Ｔｈ２と比較され（ステップＳ５またはＳ６）、設置プレート４の誤設置が原因で力センサ５が歪んでいるか否かが判断される。具体的には、ロボット本体３の姿勢の変化している全期間にわたって力誤差ΔＦが第２閾値Ｔｈ２以下である場合、力センサ５は歪んでいないと判断される。一方、図９Ｂに示されるように、ロボット本体３の姿勢の変化している期間中に力誤差ΔＦが第２閾値Ｔｈ２よりも大きい期間が存在する場合、力センサ５は歪んでいると判断される。
　負荷１１の設定値が正しく、かつ、力センサ５が歪んでいないと判断された場合（ステップＳ４のＹＥＳかつステップＳ５のＹＥＳ）、力センサ５の検出精度は「合格」であると判断部２４によって判断される。そして、診断結果が「合格」であることが報知部２５によって報知され（ステップＳ７）、力センサ５の診断方法が終了する。
　負荷１１の設定値が正しく（ステップＳ４のＹＥＳ）、かつ、力センサ５が歪んでいると判断された場合（ステップＳ５のＮＯ）、力センサ５の検出精度は「不合格」であると判断部２４によって判断される。この場合、「不合格」の原因は、設置プレート４の誤設置に起因する力センサ５の歪みである。したがって、設置プレート４の誤設置に対応する「モード３」が判断部２４によって選択され、診断結果が「モード３」であることが報知部２５によって報知される（ステップＳ８）。このときに、対処方法として、設置プレート４の設置状態の確認が診断結果と一緒に報知される。
　負荷１１の設定値が誤っており（ステップＳ４のＮＯ）、かつ、力センサ５が歪んでいないと判断された場合（ステップＳ６のＹＥＳ）、力センサ５の検出精度は「不合格」であると判断部２４によって判断される。この場合、「不合格」の原因は、負荷１１の設定値の誤りである。したがって、負荷１１の設定値の誤りに対応する「モード２」が判断部２４によって選択され、診断結果が「モード２」であることが報知部２５によって報知される（ステップＳ９）。このときに、対処方法として負荷１１の設定値の確認が診断結果と一緒に報知される。
　負荷１１の設定値が誤っており、かつ、力センサ５が歪んでいると判断された場合（ステップＳ４のＮＯかつステップＳ６のＮＯ）、力センサ５の検出精度は「不合格」であると判断部２４によって判断される。この場合、「不合格」の原因は、設置プレート４の誤設置および負荷１１の設定値の誤りである。したがって、設置プレート４の誤設置および負荷１１の設定値の誤りに対応する「モード１」が判断部２４によって選択され、診断結果が「モード１」であることが報知部２５によって報知される（ステップＳ１０）。このときに、対処方法として、負荷１１の設定値の確認および再診断が診断結果と一緒に報知される。
　診断結果が「不合格」である場合、作業者は、報知部２５によって報知された対処方法に従って負荷１１の設定値または設置プレート４の設置状態を修正し、その後、力センサ５の診断方法を再度実行させる（ステップＳ１１のＹＥＳ）。診断結果が「合格」になるまで、作業者は、負荷１１の設定値または設置プレート４の設置状態の修正と、診断の再実行とを繰り返す。
　このように、設置プレート４の誤設置に因る力センサ５の歪みおよび負荷１１の設定値の誤設定が原因で、力センサ５の検出精度が低下することがある。力センサ５の検出精度が低下した状態でロボット本体３が動作した場合、例えば、ロボット本体３が物体または人に接触していないに関わらず接触が検出されてロボット本体３が停止するという状況が発生し得る。したがって、ロボット１を正常に動作させるためには、ロボット本体３の動作開始前に力センサ５の検出精度が必要な基準を満たすことを確認する必要がある。ただし、例えば力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭのみに基づいて検出精度の低下の原因を特定することは、作業者にとって容易ではない。
　本実施形態によれば、センサ診断動作において、ロボット本体３の姿勢を変化させながら力センサ５によって力およびモーメントが検出され、力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭが測定される。負荷１１の設定値が誤っている場合、特にモーメント誤差ΔＭが大きくなり、力センサ５が歪んでいる場合、特に力誤差ΔＦが大きくなる。したがって、モーメント誤差ΔＭおよび力誤差ΔＦに基づいて、負荷の設定値が正しいか否か、および、力センサ５が歪んでいるか否かを判断することができる。また、力センサ５の検出精度の低下の原因を、ロボット本体３の簡単な動作およびロボット制御装置２による簡単な計算によって特定することができる。
　また、負荷１１の設定値が誤っている場合、旋回胴７が回転したときのモーメント誤差ΔＭが大きくなり、力センサ５が歪んでいる場合、第１アーム８が回転したときの力誤差ΔＦが大きくなる。したがって、旋回胴７および第１アーム８をそれぞれ単独で回転させることによって、負荷１１の設定値の誤設定と力センサ５の歪みとを相互に区別して判断することができる。
　また、本実施形態によれば、特定された原因と一緒に原因に応じた対処方法が作業者に報知される。これにより、作業者に適切な対処を促すことができる。作業者は、報知された対処方法に従って適切な対処を行うことによって、力センサ５の検出精度の調整を短時間でかつ確実に完了することができる。
　上記実施形態において、センサ診断動作におけるロボット本体３の姿勢の変化量に応じて、すなわち旋回胴７および第１アーム８の回転量に応じて、誤差ΔＭ，ΔＦに対する閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２を変更してもよい。
　例えば、ロボット本体３の周囲に構造物が存在するなどの理由で、旋回胴７および第１アーム８の回転範囲が制限されることがある。旋回胴７および第１アーム８の回転量が大きい程、誤差ΔＭ，ΔＦも大きくなるので、回転量に関わらず閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２が固定である場合、負荷１１の設定値が正しいか否か、および力センサ５が歪んでいるか否かを正確に判断できない可能性が有る。
　回転量が大きい程、閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２を大きくすることによって、負荷１１の設定値が正しいか否か、および力センサ５が歪んでいるか否を正確に判断することができる。例えば、回転量が９０°未満である場合、回転量が小さくなるにつれて閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２が小さくなるように、閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２を回転量に比例させてもよい。
　上記実施形態において、判断部２４は、力センサ５の検出精度を「合格」および「不合格」の２段階で判断することとしたが、これに代えて、３段階以上で判断してもよい。例えば、図１０に示されるように、判断部２４は、「優」、「良」、「やや悪い」、「悪い」の４段階で判断してもよい。この例において、「やや悪い」または「悪い」の場合に、モードおよび対処方法が報知部２５によって報知される。
　この構成によれば、作業者は、より詳細な判断結果に基づいて、力センサ５の検出精度の程度をより具体的に認識することができる。
　上記実施形態においては、ロボット本体３の姿勢の変化中に力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭを検出し続けることとしたが、これに代えて、ロボット本体３の姿勢が所定の姿勢であるときのみ力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭを検出してもよい。
　例えば、ロボット本体３の姿勢が第１姿勢および第２姿勢である２つの時刻において力誤差ΔＦおよびモーメント誤差ΔＭを検出し、２つの時刻における誤差の差分を用いてステップＳ４からＳ６の判断を実行してもよい。
　上記実施形態においては、判断部２４が、負荷１１の設定値が正しいか否か、および、力センサ５が歪んでいるか否かの両方を判断することとしたが、これに代えて、力センサ５が歪んでいるか否かのみを判断してもよい。
　報知される判断結果が力センサ５が歪んでいるか否かのみであっても、作業者による力センサ５の検出精度の低下の原因の特定を支援し、作業者に適切な対処を促すことができる。
　上記実施形態において、力センサの診断装置がロボット制御装置２の機能の一部として実現されることとしたが、これに代えて、力センサの診断装置がロボット制御装置２とは別体であってもよい。例えば、算出部２３、判断部２４および報知部２５を備える力センサの診断装置が、ロボット制御装置２の外部に配置されロボット制御装置２に接続されてもよい。
　上記実施形態において、ロボット１が、６軸の垂直多関節ロボットであることとしたが、ロボット１は６軸以外の軸数の垂直多関節ロボット、または、他の関節構成のロボットであってもよい。
　１　ロボット
　２　ロボット制御装置
　５　力センサ
　１１　負荷
　２１　記憶部
　２２　制御部
　２３　算出部
　２４　判断部
　２５　報知部
　Ｓ　設置面

Claims (14)

  1. 　ロボットに設けられた力センサを診断し、該力センサは前記ロボットが設置される設置面の近傍に配置され前記ロボットに外部から加わる力およびモーメントを検出する、力センサの診断装置であって、
    　前記力センサによって検出される前記力および前記モーメントの各々の理論値を算出する算出部と、
    　前記力センサによって検出された前記力および前記モーメントの実測値を前記力および前記モーメントの前記理論値と比較することによって、前記力センサが歪んでいるか否かを判断する判断部と、
    　該判断部の判断結果を報知する報知部とを備える力センサの診断装置。
  2. 　前記判断部が、前記モーメントの前記実測値と前記モーメントの前記理論値との間の差分の大きさであるモーメント誤差および前記力の前記実測値と前記力の前記理論値との間の差分の大きさである力誤差に基づいて、前記力センサが歪んでいるか否かを判断する請求項１に記載の力センサの診断装置。
  3. 　前記判断部は、
    　前記モーメント誤差が所定の第１閾値以下であり、かつ、前記力誤差が所定の第２閾値以下である場合に、前記力センサが歪んでいないと判断し、
    　前記モーメント誤差が所定の第１閾値以下であり、かつ、前記力誤差が所定の第２閾値よりも大きい場合に、前記力センサが歪んでいると判断する請求項２に記載の力センサの診断装置。
  4. 　前記算出部が、前記力および前記モーメントの各々の理論値を、前記ロボットに接続されている負荷の設定値を用いて算出し、
    　前記判断部が、前記力および前記モーメントの実測値を前記力および前記モーメントの前記理論値と比較することによって、前記負荷の前記設定値が正しいか否かをさらに判断する請求項１から請求項３のいずれかに記載の力センサの診断装置。
  5. 　前記判断部が、前記モーメントの前記実測値と前記モーメントの前記理論値との間の差分の大きさであるモーメント誤差に基づいて、前記負荷の設定値が正しいか否かを判断する請求項４に記載の力センサの診断装置。
  6. 　前記判断部は、
    　前記モーメント誤差が所定の第１閾値以下である場合に、前記負荷の設定値が正しいと判断し、
    　前記モーメント誤差が所定の第１閾値よりも大きい場合に、前記負荷の設定値が誤っていると判断する請求項５に記載の力センサの診断装置。
  7. 　前記判断部は、前記ロボットの姿勢が変化したときの前記モーメント誤差および前記力誤差に基づいて、前記力センサが歪んでいるか否かを判断する請求項３に記載の力センサの診断装置。
  8. 　前記判断部が、前記ロボットの姿勢の変化量に応じて前記所定の第２閾値を変更する請求項７に記載の力センサの診断装置。
  9. 　前記判断部は、前記ロボットの姿勢が変化したときの前記モーメント誤差に基づいて、前記負荷の前記設定値が正しいか否かを判断する請求項６に記載の力センサの診断装置。
  10. 　前記判断部が、前記ロボットの姿勢の変化量に応じて前記所定の第１閾値を変更する請求項９に記載の力センサの診断装置。
  11. 　前記算出部が、前記ロボットの姿勢の情報を取得し、取得された姿勢に基づいて前記力の理論値および前記モーメントの理論値を算出する請求項１から請求項１０のいずれかに記載の力センサの診断装置。
  12. 　ロボットに設けられた力センサを診断する機能を有し、該力センサは前記ロボットが設置される設置面の近傍に配置され前記ロボットに外部から加わる力およびモーメントを検出する、ロボット制御装置であって、
    　前記ロボットを制御する制御部と、
    　前記力センサによって検出される前記力および前記モーメントの各々の理論値を算出する算出部と、
    　前記力センサによって検出された前記力および前記モーメントの実測値を前記力および前記モーメントの前記理論値と比較することによって、前記力センサが歪んでいるか否かを判断する判断部と、
    　該判断部の判断結果を報知する報知部とを備えるロボット制御装置。
  13. 　前記ロボットに接続されている負荷の設定値を記憶する記憶部を備え、
    　前記算出部が、前記力および前記モーメントの各々の理論値を、前記記憶部に記憶されている前記負荷の設定値を用いて算出し、
    　前記判断部が、前記力および前記モーメントの実測値を前記力および前記モーメントの前記理論値と比較することによって、前記負荷の前記設定値が正しいか否かをさらに判断する請求項１２に記載のロボット制御装置。
  14. 　前記制御部が、前記ロボットの姿勢を変化させるセンサ診断動作を前記ロボットに実行させると共に、前記センサ診断動作における前記ロボットの姿勢の変化中に前記力および前記モーメントの検出を前記力センサに実行させる請求項１３に記載のロボット制御装置。
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