多関節ロボットシステム、多関節ロボット、力測定モジュール、力測定方法およびプログラム
【課題】 多関節ロボットのリンクおよび関節に作用する力やモーメントを測定すること。
【解決手段】 本発明の多関節ロボットは、関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク１７４側の出力軸１７６それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、該箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材１９０と、歪み発生部材１９０に接して配置され、曲げ歪みを検出する歪みセンサとを含む。測定制御手段は、関節部の軸まわりに発生する負荷トルクを歪みセンサの出力値から算出し、仮想仕事の原理に従って関節部の負荷トルクからリンクに作用する力に換算する演算手段を含む。
【解決手段】 本発明の多関節ロボットは、関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク１７４側の出力軸１７６それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、該箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材１９０と、歪み発生部材１９０に接して配置され、曲げ歪みを検出する歪みセンサとを含む。測定制御手段は、関節部の軸まわりに発生する負荷トルクを歪みセンサの出力値から算出し、仮想仕事の原理に従って関節部の負荷トルクからリンクに作用する力に換算する演算手段を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの制御技術に関し、より詳細には、多関節ロボットのリンクおよび関節に作用する力やモーメントを測定する多関節ロボットシステム、多関節ロボット、力測定モジュール、力測定方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボット制御技術は、コンピュータの進歩に伴って進歩し、ロボットに要求される運動はますます複雑化および高度化し、それに伴い位置制御および力制御の高精度化・高速化が要求されている。産業用ロボットでは、アーム先端の位置および姿勢という位置制御のみで充分対応できることが多いが、外部環境との適応が求められる場合には力制御が必要となる。例えば研磨・研削用ロボットにおいては、ワークと工具との接触力を制御し、多足歩行の脚式ロボットにおいては、脚部と地面との支持力を制御する必要がある。また、人を含め外部環境との接触が避けられない医療・介護の分野での応用や、地雷探索等の屋外の不整地、荒地での作業に関連する分野での応用に際しては、ロボットの全身的な環境適応能力を向上させるため、各関節およびリンクに作用する力やモーメントを自在に制御可能とすることが望ましい。
【０００３】
また工場、実験室などの整備された特定環境ではなく、人間の生活環境や荒野等の非整備環境下でロボットを動作させる場合には、外部環境に整備したセンサを利用したり、予めすべてを想定してロボットに各種センサを取り付けたりすることが困難であるため、外部環境から作用する力等の内部的な情報として外部環境を把握可能し、ロボットを自律化することが望ましい。
【０００４】
上述したような接触力や支持力の力制御を行うために、従来では、ロードセルなどの力センサをロボットアームや脚式移動ロボットの先端リンクに設置し、直接的にロボットの手先に作用する力を測定する手法が知られている（非特許文献１，非特許文献２）。図１３（Ａ）は、従来の力制御で用いられるロードセル５００の基本構造を示す。図１３（Ａ）に示すように、ロードセル５００は、表面に歪みゲージ５０６が貼り付けられたカラム型の起歪体５０４が、ベース５０２上に配置され、ベース５０２、ハウジング５０８およびダイヤフラム５１０によって密閉されている。起歪体５０４の端部の着力点に作用する荷重が、起歪体５０４の歪みとして歪みゲージにより計測される。このようなロードセルを先端リンクに配置することにより、ロボットの手先や足先に作用する力を検出する。
【０００５】
その他、上記力センサを用いたロボット制御に関連して、例えば特開２００６−８２２００号公報（特許文献１）は、基体と、２本の脚部と、そのそれぞれの先端に足関節を介して連結される足部と、足部と脚部の間に配置されて足関節を駆動する電動モータと、足部と脚部の間に配置されて足部が接地する床面から作用する床反力を検出する６軸力センサとを少なくとも備えると共に、足部に床面と接地するときの衝撃を緩衝する緩衝部材を備えてなる脚式移動ロボットを開示している。
【０００６】
また、関節に作用する負荷トルクを計測する方法としては、図１３（Ｂ）に示すように、関節軸５２２に歪みゲージ５２４を貼り付け、関節軸の歪みを測定して、負荷トルクに変換する技術を挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−８２２００号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】”６軸力覚センサシステム”、［online］、ニッタ株式会社、製品情報、メカトロ・センサ製品、センサ製品、6軸力覚センサ［２００９年８月２６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ；http://www.nitta.co.jp/product/mechasen/sensor/6dof_top.html＞
【非特許文献２】”ＡＴＩセンサ”、［online］、ビー・エル・オートテック株式会社、ＦＡ製品情報、［２００９年８月２６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ；https://www.bl-autotec.co.jp/FA/01_02ati/0102top.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述したロードセル５００は、構造的に大きなサイズとなってしまうため、ロボットの手先にしか配置することができず、上述した全身的な環境適応力を向上させる観点から充分なものではない。さらにロードセルは、力の６軸成分を同時測定することができるものが存在するが、各成分の干渉を補償するために複雑なアルゴリズムによる演算を必要とし、ロードセル自体が高コストであることに加え、制御系の計装コストや処理の演算コストも増大させてしまう。
【００１０】
また図１３（Ｂ）に示すような関節軸５２２の歪み測定による負荷トルクの測定は、長い弾性軸に対しては有効であるが、ロボット関節軸のような比較的短い剛性軸では、発生するねじり歪みが小さく、測定精度が低下していしまう。
【００１１】
したがって、ロボットの全身的な環境適応力を向上させるためには、従来技術は、測定精度、計装コスト、力センサのサイズ等の観点から未だ充分なものではなく、各関節に作用する負荷トルクおよびリンクに作用する力やモーメントを高い精度で測定可能とする、簡素かつ低コストな技術の開発が望まれていた。また、ロボットの全身のあらゆる箇所に装着することができ、全身的な高い環境適応力を実現する技術の開発が望まれていた。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、多関節ロボットにおいて、各関節に作用する負荷トルク、各リンクに作用する力およびモーメントの測定を、高精度に、簡素かつ低コストで実現することを可能とし、ロボットの全身的な環境適応力を向上させることが可能な多関節ロボットシステム、多関節ロボット、力測定モジュール、力測定方法およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、多関節ロボットの各関節において関節座標系の負荷トルクを高い精度で測定可能であれば、この負荷トルクから仮想仕事の原理によってカルテシアン座標系の各リンクの力およびモーメントへ換算することができ、高い精度で測定することが可能である点に着目した。そして、発明者は、この着目点に鑑み鋭意検討した結果、関節部の駆動力入力側と出力側との間に、入力側および出力側から作用する偶力に応じて弾性的に歪みを発生する歪み発生部材、より具体的には十文字形状板バネを採用することで、関節座標系の負荷トルクを充分な高い精度で測定することが可能となり、ひいては、各リンクの力およびモーメントを高精度に測定することが可能となることを見出し、本発明に至ったのである。
【００１４】
すなわち本発明によれば、上記課題を解決するために、複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットと、多関節ロボットの力測定を実行する測定制御手段とを含む多関節ロボットシステムが提供される。本発明による多関節ロボットシステムの多関節ロボットは、関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、これら箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材と、歪み発生部材に接して配置され、曲げ歪みを検出する歪みセンサとを含む。多関節ロボットシステムの測定制御手段は、関節部の軸まわりに発生する負荷トルクを歪みセンサの出力値から算出し、仮想仕事の原理に従って各関節部の負荷トルクからリンクに作用する力、具体的には力およびモーメントの両方または一方に換算する。
【００１５】
本発明では、さらに歪み発生部材および歪みセンサは、関節部のそれぞれに備えることができる。そして、測定制御手段は、１以上の関節部それぞれで発生する１以上の負荷トルクを要素としたトルク・ベクトルから、複数のリンクのうちのひとつについて、仮想変位および関節の仮想角変位を関係付けるヤコビ行列を用いて、そのひとつのリンクに作用する力およびモーメントを要素とするベクトルを算出することができる。
【００１６】
さらに本発明では、歪み発生部材は、中央部と、中央部から離間し、それぞれ出力軸または駆動軸に固定される４以上の固定部と、中央部と前記固定部それぞれとを接続する４以上の弾性を有する板状部を含むことができる。また歪み発生部材は、出力軸側に固定される偶数個の固定部の一組と、駆動軸側に固定される偶数個の固定部の一組とを含むことができ、前記関節軸まわりに偶数回の回転対称性を有することが好ましい。さらに本発明では、多関節ロボットシステムは、求められた前記リンクに作用する力を入力として、所与の目標値に前記多関節ロボットを力制御する力制御手段をさらに含むことができる。
【００１７】
さらに本発明によれば、上記歪み発生部材と、上記歪みセンサと、測定制御手段とを含む力測定モジュールを提供することができる。さらにまた本発明によれば、複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットの力測定方法および該力測定方法をコンピュータ上に実現するためのプログラムが提供される。本発明の力測定方法では、まず、関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定される歪み発生部材で、該箇所に作用する偶力に応じて発生する弾性的な曲げ歪みを検出する。そして、この検出した曲げ歪みから関節部の軸周りに発生する負荷トルクを算出し、さらに仮想仕事の原理に従って関節部の負荷トルクからリンクに作用する力に換算する。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成によれば、各関節において出力軸側−駆動軸間に作用する負荷トルクが歪み発生部材の弾性的な曲げ歪みとして計測され、仮想仕事の原理に従って、リンクに作用する力およびモーメントの値を求めることが可能となる。作用する負荷トルクを歪み発生部材により弾性的な曲げ歪みとして計測するため、太く、短くかつ剛性の高い関節軸を有する関節であっても負荷トルクが測定可能となる。関節の負荷トルクの測定が高精度にできるため、リンクに作用する力およびモーメントが実用的な精度で換算し、ロボット制御に適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の多関節ロボットシステムの実施形態を示す図。
【図２】６自由度多関節ロボットを示す関節モデル図。
【図３】２自由度多関節ロボットを示す関節モデル図。
【図４】多関節ロボットの関節に設けられるトルクセンサ機構の概略図。
【図５】本発明の多関節ロボットシステムにおいて用いることができる十字板バネの構造を示す平面図。
【図６】固定された十字板バネの構造を示す斜視図（Ａ）および側面図（Ｂ）。
【図７】本実施形態の多関節ロボットシステムで用いることができる他のバネ構造を示す平面図。
【図８】本発明の多関節ロボットシステムの力測定および力制御の機能ブロック図。
【図９】本発明の多関節ロボットにおける関節まわりの構造を示す側面図。
【図１０】本発明の十字板バネを適用した関節リンク機構の力学モデル図。
【図１１】本発明の多関節ロボットの関節に取り付けることができる十字板バネの外観写真（Ａ）および歪み分布解析結果（Ｂ）を示す図。
【図１２】本発明の多関節ロボットにおける関節部まわりの外観を示す写真。
【図１３】従来技術の（Ａ）ロードセルの基本構造および（Ｂ）トルク測定機構を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を具体的な実施形態をもって説明するが、本発明は、後述する実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
＜セクションＡ：多関節ロボットシステムの全体構成＞
以下、本発明の実施形態による多関節ロボットシステムの全体構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の多関節ロボットシステムの実施形態を示す図である。本発明の多関節ロボットシステム１００は、コンピュータ装置１０４により制御されており、コンピュータ装置１０４は、プログラミング言語、例えばアセンブラ、フォートラン、ＣＯＢＯＬ、Ｃ、Ｃ＋＋などによるプログラミングの下で、本発明の力測定手法を適用するプログラムを実装している。
【００２２】
コンピュータ装置１０４は、多関節ロボット１２０の各関節に取り付けられるトルクセンサ機構（図示せず）からの測定データを、バスライン１１４を介して多関節ロボット１２０から取得する。バスライン１１４は、例えばＧＰ−ＩＢなどの汎用インタフェースＩ／Ｆおよび駆動要素への指令を行うハードウェア・インタフェースなどのソフトウェア／ハードウェアを含むインタフェース１１２を介して、多関節ロボット１２０へと接続されている。本発明の力測定手法により、多関節ロボット１２０から取得した測定データを用いて関節座標系の負荷トルクが求められ、さらにこの負荷トルクからカルテシアン座標系のリンクに作用する力およびモーメントが求められる。
【００２３】
コンピュータ装置１０４は、さらに測定データから求めた力およびモーメントを用いて、ロボット制御シーケンス、またはマウス１１０またはキーボード１０６などからユーザ入力によって与えられた目標値に一致するように、インピーダンス制御、ハイブリッド制御、コンプライアンス制御などの種々の力制御方式に従って、多関節ロボット１２０の手先等を力制御するための制御データをバスライン１１４を介して多関節ロボット１２０に伝送することができる。これにより、多関節ロボット１２０を駆動するためのステッピング・モータや油圧モータなどの動力発生要素が駆動されて、多関節ロボット１２０の力およびモーメントが目標値に一致するよう制御される。
【００２４】
またコンピュータ装置１０４は、力制御に移行する前に、ロボット制御シーケンス、またはマウス１１０またはキーボード１０６などからユーザ入力によって与えられた目標位置あるいは軌道に追随するように、多関節ロボット１２０の手先等を位置姿勢制御するための制御データをバスライン１１４を介して多関節ロボット１２０に伝送することもできる。
【００２５】
なお、本発明では、処理を実行するプログラムは、ハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ）１０８に格納しておくことができ、プログラム実行時には、不揮発性の記憶手段として、ＨＤＤ１０８からプログラムを読み出してコンピュータ装置１０４が処理を実行する。また、コンピュータ装置１０４には、ＥＥＰＲＯＭ（図示せず）またはフラッシュメモリなど、外付けまたは内蔵で不揮発性の記憶手段を、ＨＤＤ１０８とは別に備えていても良い。
【００２６】
本発明で使用するコンピュータ装置１０４は、汎用のパーソナル・コンピュータ、またはワークステーションとして構成することもできるし、制御のみを目的としたＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)として、ロボットシステムに実装することもできる。
【００２７】
＜セクションＢ：多関節ロボット＞
以下、本実施形態の多関節ロボットシステムにおける多関節ロボットの構造について、図２および図３を参照しながら説明する。図２および図３は、本発明で使用する多関節ロボットの実施形態を示す。図２は、６自由度多関節ロボットを示した関節モデル１５０を示す。図２に示す多関節ロボットは、６つの関節Ｊ１〜Ｊ６と、これら関節を介して連結される７つのリンクＬ１〜Ｌ７とを含んで構成される。基盤部ＧからはリンクＬ１が第１関節Ｊ１へと延びている。第１関節Ｊ１からは、リンクＬ２が第２関節Ｊ２へと延び、第２関節Ｊ２からは、リンクＬ３が第３関節Ｊ３まで延びている。第３関節Ｊ３から第４関節Ｊ４までは、リンクＬ４が延びている。第２関節Ｊ２および第３関節Ｊ３は、リンクＬ２、Ｌ３の軸に直交する方向に回転軸を有する曲げ関節とされており、第１関節Ｊ１および第４関節Ｊ４は、リンクＬ１，Ｌ４の軸を中心とする回転軸を有するねじり関節とされている。なお、リンクＬ１および第１関節Ｊ１は、基盤部Ｇに固定されたモータなどを用いて実装してもよい。
【００２８】
第４関節Ｊ４からは、さらにリンクＬ５が第５関節Ｊ５まで延びており、第５関節Ｊ５からさらにリンクＬ６が第６関節Ｊ６まで延びている。第５関節Ｊ５は、リンクＬ５の軸に直交する方向に回転軸を有する曲げ関節とされており、第６関節Ｊ６は、リンクＬ６の軸を中心とする回転軸を有するねじり関節とされている。第６関節Ｊ６には、リンクＬ７を介してワークＷが固定され、多関節ロボットによる種々の作業を可能としている。本発明では、ワークＷ（リンクＬ７先端）に作用する力およびモーメントを測定対象および制御対象とすることができる。ワークＷ（リンクＬ７先端）に作用する力およびモーメントは、図２に示すように、カルテシアン座標系の三次元方向の力（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）およびモーメント（ｍｘ，ｍｙ，ｍｚ）で記述される。なお、図２では、各関節の回転軸まわりの回転角をθｉ（ｉ＝１，...，６）として示している。図２に示した多関節ロボット１２０は、ＰＵＭＡ型の６自由度多関節ロボットを構成し、位置制御の場合には任意の位置および姿勢に一致するよう制御することができ、力制御の場合には、ワークＷ（リンクＬ７先端）に作用する任意の力およびモーメントを目標値に一致するよう制御することができる。
【００２９】
各関節の回転軸まわりに発生する関節座標系の負荷トルクと、上記力ｆおよびモーメントｍとの関係は、仮想仕事の原理により、下記式（１）で示す一般式を用いて表すことができる。
【００３０】
【数１】
【００３１】
上記式（１）中、ベクトルτは、各関節に作用する各負荷トルクτｉを要素とした負荷トルク・ベクトルであり、各関節の負荷トルクτｉは、後述する本発明のトルクセンサ機構で測定することができる。上記式（１）中、行列Ｊは、下記式（２）で与えられるヤコビ行列であり、Ｔは転置を示す記号である。下記式（２）中、変数ΖおよびΘは、リンクの並進位置および座標軸回りの回転角をそれぞれ表し、変数上に示すドットは、一次微分を示す。すなわち、ヤコビ行列は、リンクの移動速度と関節角速度とを関係付ける。また、リンク移動速度および関節角速度は、ある瞬間における無限に小さい変位および角変位と見なすことができるため、上記ヤコビ行列Ｊは、関節の仮想角変位とリンクの仮想変位とを関係付ける変換行列ともいえる。
【００３２】
【数２】
【００３３】
図２に示す６自由度の多関節ロボットの関節モデル１５０において、ワークＷ（リンクＬ７先端）に注目した場合には、上記式（１）に示す一般式は、カルテシアン座標系の三次元方向の力（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）およびモーメント（ｍｘ，ｍｙ，ｍｚ）と、関節座標系の負荷トルクτｉ（ｉ＝１，...，６）とを用いて下記式（３）で表される。
【００３４】
【数３】
【００３５】
上記式（３）中のヤコビ行列Ｊは、ワークＷの並進位置（ｘ、ｙ、ｚ）および座標軸回りの回転角（θｘ，θｙ，θｚ）と、各関節の回転軸まわりの回転角θｉ（ｉ＝１，...，６）とを用いて表される、下記式（４）で与えられる６×６の正方行列となり、簡易な演算により求めることができる。
【００３６】
【数４】
【００３７】
上記式（３）および（４）により、本発明のトルクセンサ機構で測定される関節座標系の負荷トルク・ベクトルτ（τ１，τ２，τ３，τ４，τ５，τ６）から、ワークＷに作用するカルテシアン座標系の三次元方向の力（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）およびモーメント（ｍｘ，ｍｙ，ｍｚ）へ換算することが可能となる。なお、上述した説明では、ワークＷ（リンクＬ７先端）に作用する力およびモーメントに注目しているが、任意のリンクに注目し、その注目するリンクに作用する力およびモーメントを測定および制御することもできる。
【００３８】
なお、本発明で使用することができる多関節ロボットは、図２に示すＰＵＭＡ型の６自由度多関節ロボットに限定されるものではなく、他の任意の型の６自由度多関節ロボットを使用することができ、さらに６自由度に限定されるものではなく任意のＮ自由度の多関節ロボットを用いることができる。また、多関節ロボットは、冗長自由度を有していてもよい。その場合には、ヤコビ行列Ｊが非正方行列となるが、擬似ヤコビ行列Ｊ＋に変換し、上記式中ヤコビ行列Ｊを擬似ヤコビ行列Ｊ＋に置き換えることで対応することができる。なお、擬似ヤコビ行列Ｊ＋は、下記式（５）で表される。
【００３９】
【数５】
【００４０】
以下、図３を参照して、他の実施形態の多関節ロボットの場合について説明する。図３は、２自由度多関節ロボットを示した関節モデル１６０を示す。図３に示すように、２自由度の多関節ロボットは、２つの関節Ｊ８，Ｊ９と、これら関節を介して連結される３つのリンクＬ８〜１０とを含んで構成される。基盤部ＧからはリンクＬ８が第１関節Ｊ８へと延び、第１関節Ｊ８からは、リンクＬ９が第２関節Ｊ９へと延び、第２関節Ｊ９にはリンクＬ１０を介してワークＷが配設されている。第１関節Ｊ８および第２関節Ｊ９は、リンクＬ８、Ｌ９の軸に直交する方向に回転軸を有する曲げ関節とされている。本発明では、ワークＷ（リンクＬ１０先端）に作用する力を測定対象および制御対象とすることができる。この対象となる力は、図３に示すように、基盤部Ｇを基準としたカルテシアン座標系の二次元方向の力（ｆｙ，ｆｚ）で記述される。
【００４１】
図３に示す２自由度の多関節ロボットにおけるワークＷ（リンクＬ１０先端）に注目した場合には、上記式（１）に示す一般式は、カルテシアン座標系の力（ｆｙ，ｆｚ）と、関節座標系の負荷トルクτｉ（ｉ＝８，９）とを用いて、下記式（６）および下記式（７）で表される。
【００４２】
【数６】
【００４３】
上記ヤコビ行列Ｊは、ワークＷの並進位置（ｙ、ｚ）と、各関節の回転軸まわりの回転角（θ８，θ９）とを用いた上記式（４）で与えられる、２×２の正方行列となり、簡易な演算により求めることができる。上記式（６）および（７）により、本発明のトルクセンサ機構で測定される関節座標系の負荷トルク・ベクトル（τ８，τ９）から、ワークＷに作用するカルテシアン座標系の三次元方向の力（ｆｙ，ｆｚ）へ換算することができる。
【００４４】
＜セクションＣ：トルクセンサ機構＞
以下、多関節ロボット１２０の各関節周りに作用する負荷トルクを測定するトルクセンサ機構について、図４〜図７および図１１を参照しながら説明する。図４は、多関節ロボット１２０の関節に設けられるトルクセンサ機構の概略を示す図である。なお、図４は、リンク軸に直交する方向に回転軸を有する曲げ関節にトルクセンサ機構が設けられている場合を例示する。
【００４５】
図４に示すトルクセンサ機構１７０において、リンク１７２は、モータやアクチュエータなどの駆動力発生装置１８０が固定される駆動力入力側リンクであり、リンク１７４は、駆動力発生装置１８０からの駆動力が入力される出力側リンクである。出力側リンク１７４の出力軸１７６と、駆動力発生装置１８０側の駆動軸とは、本発明の歪み発生部材１９０を介して接続される。図４では、歪み発生部材１９０と出力軸１７６とが出力軸固定部材１７８により固定され、歪み発生部材１９０と駆動力発生装置１８０の駆動軸とが駆動軸固定部材１８２により固定されている。
【００４６】
歪み発生部材１９０は、駆動力発生装置１８０からの駆動力を出力軸１７６に伝達するとともに、歪み発生部材１９０の出力軸側および駆動軸側の間に作用する負荷トルクによって一部で弾性的に曲げ歪みを生じるような構造とされている。駆動力が入力されない場合にも、出力側リンク１７４に作用する重力や慣性力により、回転軸まわりに負荷トルクが作用する。
【００４７】
歪み発生部材１９０には、金属抵抗、半導体抵抗などの歪みゲージや、光ファイバなどの歪みセンサが貼り付けられており、負荷トルクによって歪み発生部材１９０の一部に発生した弾性的な曲げ歪みを測定し、この歪み測定値から負荷トルクを求めることができる。歪みセンサは、アクティブ・ダミー法、２アクティブゲージ、４アクティブゲージ法などのこれまで知られた如何なる方式に従って、弾性的な曲げ歪みが発生する箇所の周辺に貼り付けることができる。歪み測定値と負荷トルクとは、一般的には線形的な関係を有しており、特に限定されるものではないが、歪みセンサ出力信号Ｖｉから適切な係数ｋを用いて下記式（８）を用いて表すことができる。なお、図４に示す例では、曲げ関節を用いた場合を図示しているが、ねじり関節を用いる場合についても、当業者であれば、同様に適用できることが理解されるであろう。
【００４８】
【数７】
【００４９】
歪み発生部材１９０としては、より具体的には、図５に示す十字板バネを用いることができる。図５は、本発明の多関節ロボットシステムにおいて歪み発生部材として用いることができる十字板バネの構造を示す平面図である。十字板バネ２００は、駆動軸および出力軸の軸心Ｏを中心とする中央部２０２と、中央部２０２から離間して設けられる４つの固定部２０６ａ〜ｄと、それぞれの固定部２０６を中央部２０２に片持ち梁状に固定する平板部２０４ａ〜ｄとを含んで構成される。
【００５０】
軸心Ｏを中心に１８０度ずれて配置される２つの固定部２０６ｂ，２０６ｄの組は、紙面上面側（手前）に設けられて、それぞれの固定部２０６ｂ，２０６ｄに設けられた締結穴２０８ｂ，２０８ｄを介して、出力軸側および駆動軸側のいずれか一方に固定される。一方、軸心を中心に１８０度ずれ、かつ固定部２０６ｂ，２０６ｄの組と９０度ずれて配置される２つの固定部２０６ａ、２０６ｃの組は、紙面下面側（奥）に設けられ、それぞれの固定部２０６ａ，２０６ｃに設けられた締結穴２０８ａ，２０８ｃを介して、出力軸側および駆動軸側の他方に固定される。
【００５１】
図６は、出力軸１７６の出力軸固定部材１７８により固定された十字板バネ２００の構造を示す斜視図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。なお、図６（Ａ）においては、駆動軸固定部材１８２の図示が省略されていることに留意されたい。出力軸−駆動軸間に負荷トルクが作用すると、固定部２０６の組のうちの一方を固定とした場合に、他方の組に軸心から離間した箇所で偶力（Ｆｃ，−Ｆｃ）が作用し、中央部２０２および固定部２０６を接続する平板部２０４は、この偶力（Ｆｃ，−Ｆｃ）により、その大きさに応じた弾性的な曲げ歪みを発生させる。
【００５２】
中央部２０２および固定部２０６は、このような力に対し剛性が高くなる構造を有しており、一方平板部２０４は、一定範囲の大きさの力に応答して弾性的に曲げ歪みを生じさせると共に、想定される最大トルクに対して平板部２０４に生じる最大応力が降伏応力を越えないような厚みを有している。平板部２０４の厚みは、理論計算、有限要素法構造解析、試験片を用いた実験等の結果に従って、十字板バネの材質等を考慮して決定することが好ましい。
【００５３】
また図６に示すように、十字板バネ２００の適切な箇所に歪みセンサ２１０ａ，２１０ｂが貼り付けられ、平板部２０４に生じる弾性的な曲げ歪みが測定される。なお、図６に示す歪みセンサ２１０の配置は、温度補償効果を有するアクティブ・ダミー法による場合のものである。歪みセンサの取り付け位置も同様に、理論計算、有限要素法構造解析、試験片を用いた実験等の結果に基づき、曲げ歪み量が最も大きくなる箇所とすることが好ましい。
【００５４】
図１１は、本発明の多関節ロボットの関節に取り付けることができる十字板バネの外観写真（Ａ）および歪み分布解析結果（Ｂ）を示す図である。図１１（Ｂ）は、十字板バネ構造をモデル化し、弾性域において矢印で示す偶力を作用させた場合に、十字板バネに発生する応力および歪みを有限要素法解析により解析した結果である。図１１（Ｂ）中、暗い領域が応力や歪みの変化が大きな箇所を示している。図１１（Ａ）中、円形に囲んだ箇所に歪みセンサが貼り付けられており、これは、図１１（Ｂ）に示す比較的歪みの大きな円形で囲んだ箇所と対応する。図１１に示されるように、図５に示す十字板バネ２００では、固定部２０６が平板部２０４の片側に付いているため、平板部２０４に非対称に力が作用する。このため、歪みセンサ２１０の取り付け位置は、図１１（Ｂ）に示すような有限要素法等による歪み分布の解析結果を考慮して決定することが好ましい。
【００５５】
なお、本発明で使用することができる歪み発生部材１９０は、図５および図６に示す４つの平板部２０４を含む十字板バネ２００に限定されるものではなく、４以上の平板部および固定部を含んでいてもよい。この場合、歪み発生部材は、軸心まわりに偶数回の回転対称性を有することが好ましい。また、歪み発生部材１９０は、出力軸側および駆動軸側それぞれに偶数個の固定部の一組を備えることが好ましい。さらに歪み発生部材の材料としては、アルミ合金、ステンレス、りん青銅、炭素鋼など、これまで板バネ材料として好適に用いられることが知られた如何なる金属材料、エンジニアリングプラスチックなどの樹脂材料を用いて作成することができる。歪み発生部材は、同一材料で一体的に形成することが好ましいが、中央部２０２、平板部２０４および固定部２０６を異なる材料製作し、接合してもよい。
【００５６】
図７は、本実施形態の多関節ロボットシステムで用いることができる歪み発生部材１９０の他のバネ構造を示す平面図である。板バネ構造２２０は、駆動軸および出力軸の軸心Ｏを中心とする中央部２２２と、中央部から離間して設けられる８つの固定部２２６と、それぞれの固定部２２６を中央部２２２に片持ち梁状に固定する８つの平板部２２４とを含んで構成される。
【００５７】
軸心を中心に９０度ずつずらされて配置される４つの固定部の組２２６Ａは、紙面上面側（手前）に設けられて、締結穴を介して出力軸側および駆動軸側のいずれか一方に固定される。一方、軸心を中心に９０度ずつずらされ、かつ固定部の組２２６Ａに対しそれぞれ４５度ずらして配置される４つの固定部の組２２６Ｂは、紙面下面側（奥）に設けられ、締結穴を介して出力軸側および駆動軸側の他方に固定される。出力軸−駆動軸間に負荷トルクが作用すると、固定部２２６の組のうちの一方を固定とした場合に、他方の組に軸心から離間した作用点で偶力が作用し、平板部２２４は、この偶力の大きさに応じて弾性的な曲げ歪みを発生させる。なお、図７には、８つの固定部を含む歪み発生部材を例示したが、取り付け位置、軸の太さ、力伝達率の要求に応じて、６つなどの多数の固定部を含む歪み発生部材にも同様に拡張することができる。
【００５８】
＜セクションＤ：力測定およびロボット制御機構＞
以下、上述したトルクセンサ機構を用いた多関節ロボットの力測定およびロボット制御について説明する。図８は、本発明の多関節ロボットシステムの力測定およびロボット制御の機能ブロック図である。図８に示すように、コンピュータ装置１０４は、本発明の処理を実行する制御処理モジュール３０２を実装しており、制御処理モジュール３０２は、ＩＤＥ(International Device Electronics)やＳＣＳＩ(Small Computer System Interface)などのインタフェース３１０を介して接続されたＨＤＤ１０８から、制御プログラムをＣＰＵ（図示せず）が呼び出し、実行空間を提供するＲＡＭ３０６にプログラムを展開してプログラムを実行させることにより実現される。
【００５９】
コンピュータ装置１０４は、ＲＯＭ３０４などを備えており、ＲＯＭ３０４には、ＢＩＯＳ(Basic Input Output System)などが格納されており、コンピュータ装置１０４の初期設定や制御のために使用するデータをＣＰＵに渡している。なお、本発明のコンピュータ装置１０４をワークステーションまたはサーバとして構成する場合には、カーネル／ＯＳ／アプリケーションの構成として記述することができる、ＵＮＩＸ（登録商標）、ＬＩＮＵＸ（登録商標）のアーキテクチャを備えるコンピュータ装置を使用することができる。
【００６０】
コンピュータ装置１０４は、マウス／キーボード／シーケンス制御プログラムの出力などとして与えられる力およびモーメント、位置姿勢の目標値や各種設定値を目標設定部３２０が受け取り、ＲＡＭ３０６に格納して以後の制御処理モジュール３０２が使用可能としている。制御処理モジュール３０２は、ロボット制御部３１２および力測定部３１４を含んで構成され、力測定部３１４は、各リンクに作用する力およびモーメントを測定して、ロボット制御御部３１２へ換算データを渡し、ロボット制御部３１２は、力測定部３１４により測定された力およびモーメントを使用して多関節ロボット１２０を力制御あるいは位置姿勢制御を実行する。
【００６１】
多関節ロボット１２０には、歪みセンサ３２４、モータ３２６およびエンコーダ３２８を含む関節ユニット３２２が各関節毎に設けられており、各関節のモータ３２６は、モータドライバ３３０に接続されている。エンコーダ、モータおよび歪みセンサの各関節への取り付けの様態を図９および図１２に示す。図９は、本発明の多関節ロボットにおけるひとつの関節部まわりの構造を示す側面図である。図１２は、本発明の多関節ロボットにおけるひとつの関節部まわりの外観を示す写真である。なお、右側にある写真の短形領域を拡大した写真が図の左側に示されている。
【００６２】
図９および図１２に示すように、駆動力入力側リンク４０２には、モータ４２０が設けられ、モータ４２０の駆動力が、減速機４１８、プーリ４１６、ベルト４１４およびプーリ４１２を介して十字板バネ４１０に入力される。一方、十字板バネ４１０の駆動軸の反対側は出力側リンク４０４の出力軸に固定され、出力軸にはさらにエンコーダ４０６が取り付けられている。エンコーダ４０６は、出力側リンク４０４の回転角を入力側リンク４０２を基準として測定する。
【００６３】
再び図８を参照すると、力測定部３１４は、より具体的には、各関節の歪みセンサ３２４からの出力信号をＡ／Ｄコンバータなどを介して測定データとして取得し、各負荷トルクτｉを演算する、負荷トルク演算部３１８を含んで構成される。力測定部３１４は、負荷トルク演算部３１８が演算した負荷トルクτｉから、上記ヤコビ行列を用いて、負荷トルクを各リンクに作用する力およびモーメントに換算する力・モーメント演算部３１６をさらに含んで構成される。
【００６４】
ロボット制御部３１２は、インタフェースＩ／Ｆ１１２を介して関節ユニット３２２のエンコーダ３２８およびモータドライバ３３０と接続し、力測定部３１４が測定した各リンクに作用する力およびモーメントを使用して、インピーダンス制御、ハイブリッド制御、コンプライアンス制御などの種々の力制御方式により力制御を行うことができる。力制御の対象は、図２に示す関節モデルにおけるワークＷ（リンクＬ７先端）であってもよいし、他の任意のリンクであってもよい。またハイブリッド制御の場合には、所定のリンクについて、力およびモーメントの選択された任意の成分と、位置姿勢の対応する成分とを制御することができる。また、ロボット制御部３１２は、力制御に移行する前などに、位置姿勢の目標値やその軌道等にそって位置姿勢制御を行うこともできる。
【００６５】
図１０は、本発明の十字板バネを適用した関節リンク機構の力学モデルを示す。図１０に示す力学モデルは、多関節ロボットシステムで力制御のために用いることができる。図１０に示すように、関節リンク機構では、モータ４５６の出力トルクτｍが減速機４５４を介してリンク４５２に対し入力されている。リンク４５２と減速機４５４との間には、ばね定数ｋのバネおよび減衰係数Ｄｋのダンパーが挿入されており、これは十字板バネに相当するものである。なお、図１０中、リンク４５２の回転軸周りの回転角をθ１１で、減速機４５４の軸周りの回転角をθｍで、モータ４５６の軸周りの回転角をθ１２で示している。図１０に示す関節リンク機構のモデルに基づくリンクおよびモータの運動方程式は、それぞれ下記式（９）および（１０）で表される。
【００６６】
【数８】
【００６７】
上記式（９）中、Ｉ１はリンクの慣性モーメントを表し、Ｄ１はリンクの動粘性抵抗係数を表し、Ｔｑｆｌは外力によりリンクに発生するトルクを表し、Ｍｇｌｇｓｉｎθ１１は重力によるトルクを表す。また上記式（１０）中、ｎは伝達比（ギア比やプーリ比）を表し、Ｉｍはモータの慣性モーメントを表し、Ｄｍはモータの動粘性抵抗係数を表し、Ｔｑｆｍは、外力によりモータに発生するトルクを表し、τｍは、モータの出力トルクを表す。また上記式（９）および（１０）中のτｓｐｒｉｎｇは、十字板バネに作用する負荷トルクを表し、下記式（１１）で定式化される。
【００６８】
【数９】
【００６９】
以上説明した多関節ロボットシステムでは、上記トルクセンサ機構により、各関節において出力軸側−駆動軸間に作用する負荷トルクが十字板バネなどの歪み発生部材の弾性的な曲げ歪みとして計測され、各関節の負荷トルクを要素とする負荷トルク・ベクトルτから、リンクの仮想変位と関節の仮想角変位とを関係付けるヤコビ行列Ｊの転置行列を用いて、リンクに作用する力およびモーメントの値を求めることが可能となる。作用する負荷トルクを歪み発生部材１９０により弾性的な曲げ歪みとして計測するため、太く、短くかつ剛性の高い関節軸を有する関節であっても負荷トルクが測定可能であり、さらに直接的に軸のねじり歪みを計測する場合に比べて高精度に測定することが可能となる。関節の負荷トルクの測定が高精度にできるため、リンクに作用する力およびモーメントが実用的な精度で換算し、ロボット制御に適用することが可能となる。
【００７０】
また、本発明の力測定手法によれば、多関節ロボットの各関節のトルク、各リンクに作用する力およびモーメントを測定することが可能となる。また、本発明のトルクセンサ機構は、小型かつ簡易な構造で製作することができるため、各関節毎に設けることができ、ひいては、ロボット全身の力を測ることができ，ロボットの全身力制御が可能となる。また、本発明の力測定手法は、演算負荷が小さいため、ロボットシステムの計装コストおよび処理に必要な演算資源等を削減することができ、低コスト化を図ることができる。
【００７１】
以上説明したように、上述した実施形態によれば、多関節ロボットにおいて、各関節に作用する負荷トルク、各リンクに作用する力およびモーメントの測定を、高精度に、簡素かつ低コストで実現することを可能とし、ロボットの全身的な環境適応力を向上させることが可能な多関節ロボットシステムおよび力測定方法が提供される。
【００７２】
なお、上述した多関節ロボットシステムを構成する多関節ロボットを個別に提供することができ、また、上記トルクセンサ機構と、制御処理モジュールの機能を実現するコントローラまたはコンピュータとを含む力測定モジュールとして提供することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の多関節ロボットシステムは、把持、組み立て、研磨、研削などの作業を行う産業用ロボットの他、多足歩行ロボット、医療介護ロボット、レスキューロボット、農作業ロボットなど、人を含め外部環境との接触が不可避な用途で用いられるロボットに好適に適用することが期待される。本発明の多関節ロボットシステムは、多関節ロボットの関節およびリンクに作用する力やモーメントといったロボットの内部情報を測定して、位置姿勢制御および力制御に活用することができるため、人の生活環境や荒野等の非整備環境下でロボットを動作させる場合に好適に用いることができる。
【００７４】
本実施形態の上記機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）などのオブジェクト指向プログラミング言語などで記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭなどの装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。
【００７５】
これまで本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７６】
１００…多関節ロボットシステム、１０４…コンピュータ装置、１０６…キーボード、１０８…ＨＤＤ、１１０…マウス、１１２…インタフェース、１１４…バスライン、１２０…多関節ロボット、１５０…関節モデル、１６０…関節モデル、１７０…トルクセンサ機構、１７２…入力側リンク、１７４…出力側リンク、１７６…出力軸、１７８…出力軸固定部材、１８０…駆動力発生装置、１８２…駆動軸固定部材、１９０…歪み発生部材、２００…十字板バネ、２０２…中央部、２０４…平板部、２０６…固定部、２０８…締結穴、２１０…歪みセンサ、２２０…板バネ構造、２２２…中央部、２２４…平板部、２２６…固定部、３０２…制御処理モジュール、３０４…ＲＯＭ、３０６…ＲＡＭ、３１０…インタフェース、３１２…ロボット制御部、３１４…力測定部、３１６…力・モーメント演算部、３１８…負荷トルク演算部、３２０…目標設定部、３２２…関節ユニット、３２４…歪みセンサ、３２６…モータ、３２８…エンコーダ、３３０…モータドライバ、４０２…入力側リンク、４０４…出力側リンク、４０６…エンコーダ、４１０…十字板バネ、４１２…プーリ、４１４…ベルト、４１６…プーリ、４１８…減速機、４２０…モータ、４５２…リンク、４５４…減速機、４５６…モータ、Ｇ…基盤部、ＪＮ…関節、ＬＮ…リンク、Ｗ…ワーク、５００…ロードセル、５０２…ベース、５０４…起歪体、５０６…歪みゲージ、５０８…ハウジング、５１０…ダイヤフラム、５２２…関節軸、５２４…歪みゲージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの制御技術に関し、より詳細には、多関節ロボットのリンクおよび関節に作用する力やモーメントを測定する多関節ロボットシステム、多関節ロボット、力測定モジュール、力測定方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボット制御技術は、コンピュータの進歩に伴って進歩し、ロボットに要求される運動はますます複雑化および高度化し、それに伴い位置制御および力制御の高精度化・高速化が要求されている。産業用ロボットでは、アーム先端の位置および姿勢という位置制御のみで充分対応できることが多いが、外部環境との適応が求められる場合には力制御が必要となる。例えば研磨・研削用ロボットにおいては、ワークと工具との接触力を制御し、多足歩行の脚式ロボットにおいては、脚部と地面との支持力を制御する必要がある。また、人を含め外部環境との接触が避けられない医療・介護の分野での応用や、地雷探索等の屋外の不整地、荒地での作業に関連する分野での応用に際しては、ロボットの全身的な環境適応能力を向上させるため、各関節およびリンクに作用する力やモーメントを自在に制御可能とすることが望ましい。
【０００３】
また工場、実験室などの整備された特定環境ではなく、人間の生活環境や荒野等の非整備環境下でロボットを動作させる場合には、外部環境に整備したセンサを利用したり、予めすべてを想定してロボットに各種センサを取り付けたりすることが困難であるため、外部環境から作用する力等の内部的な情報として外部環境を把握可能し、ロボットを自律化することが望ましい。
【０００４】
上述したような接触力や支持力の力制御を行うために、従来では、ロードセルなどの力センサをロボットアームや脚式移動ロボットの先端リンクに設置し、直接的にロボットの手先に作用する力を測定する手法が知られている（非特許文献１，非特許文献２）。図１３（Ａ）は、従来の力制御で用いられるロードセル５００の基本構造を示す。図１３（Ａ）に示すように、ロードセル５００は、表面に歪みゲージ５０６が貼り付けられたカラム型の起歪体５０４が、ベース５０２上に配置され、ベース５０２、ハウジング５０８およびダイヤフラム５１０によって密閉されている。起歪体５０４の端部の着力点に作用する荷重が、起歪体５０４の歪みとして歪みゲージにより計測される。このようなロードセルを先端リンクに配置することにより、ロボットの手先や足先に作用する力を検出する。
【０００５】
その他、上記力センサを用いたロボット制御に関連して、例えば特開２００６−８２２００号公報（特許文献１）は、基体と、２本の脚部と、そのそれぞれの先端に足関節を介して連結される足部と、足部と脚部の間に配置されて足関節を駆動する電動モータと、足部と脚部の間に配置されて足部が接地する床面から作用する床反力を検出する６軸力センサとを少なくとも備えると共に、足部に床面と接地するときの衝撃を緩衝する緩衝部材を備えてなる脚式移動ロボットを開示している。
【０００６】
また、関節に作用する負荷トルクを計測する方法としては、図１３（Ｂ）に示すように、関節軸５２２に歪みゲージ５２４を貼り付け、関節軸の歪みを測定して、負荷トルクに変換する技術を挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−８２２００号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】”６軸力覚センサシステム”、［online］、ニッタ株式会社、製品情報、メカトロ・センサ製品、センサ製品、6軸力覚センサ［２００９年８月２６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ；http://www.nitta.co.jp/product/mechasen/sensor/6dof_top.html＞
【非特許文献２】”ＡＴＩセンサ”、［online］、ビー・エル・オートテック株式会社、ＦＡ製品情報、［２００９年８月２６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ；https://www.bl-autotec.co.jp/FA/01_02ati/0102top.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述したロードセル５００は、構造的に大きなサイズとなってしまうため、ロボットの手先にしか配置することができず、上述した全身的な環境適応力を向上させる観点から充分なものではない。さらにロードセルは、力の６軸成分を同時測定することができるものが存在するが、各成分の干渉を補償するために複雑なアルゴリズムによる演算を必要とし、ロードセル自体が高コストであることに加え、制御系の計装コストや処理の演算コストも増大させてしまう。
【００１０】
また図１３（Ｂ）に示すような関節軸５２２の歪み測定による負荷トルクの測定は、長い弾性軸に対しては有効であるが、ロボット関節軸のような比較的短い剛性軸では、発生するねじり歪みが小さく、測定精度が低下していしまう。
【００１１】
したがって、ロボットの全身的な環境適応力を向上させるためには、従来技術は、測定精度、計装コスト、力センサのサイズ等の観点から未だ充分なものではなく、各関節に作用する負荷トルクおよびリンクに作用する力やモーメントを高い精度で測定可能とする、簡素かつ低コストな技術の開発が望まれていた。また、ロボットの全身のあらゆる箇所に装着することができ、全身的な高い環境適応力を実現する技術の開発が望まれていた。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、多関節ロボットにおいて、各関節に作用する負荷トルク、各リンクに作用する力およびモーメントの測定を、高精度に、簡素かつ低コストで実現することを可能とし、ロボットの全身的な環境適応力を向上させることが可能な多関節ロボットシステム、多関節ロボット、力測定モジュール、力測定方法およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、多関節ロボットの各関節において関節座標系の負荷トルクを高い精度で測定可能であれば、この負荷トルクから仮想仕事の原理によってカルテシアン座標系の各リンクの力およびモーメントへ換算することができ、高い精度で測定することが可能である点に着目した。そして、発明者は、この着目点に鑑み鋭意検討した結果、関節部の駆動力入力側と出力側との間に、入力側および出力側から作用する偶力に応じて弾性的に歪みを発生する歪み発生部材、より具体的には十文字形状板バネを採用することで、関節座標系の負荷トルクを充分な高い精度で測定することが可能となり、ひいては、各リンクの力およびモーメントを高精度に測定することが可能となることを見出し、本発明に至ったのである。
【００１４】
すなわち本発明によれば、上記課題を解決するために、複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットと、多関節ロボットの力測定を実行する測定制御手段とを含む多関節ロボットシステムが提供される。本発明による多関節ロボットシステムの多関節ロボットは、関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、これら箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材と、歪み発生部材に接して配置され、曲げ歪みを検出する歪みセンサとを含む。多関節ロボットシステムの測定制御手段は、関節部の軸まわりに発生する負荷トルクを歪みセンサの出力値から算出し、仮想仕事の原理に従って各関節部の負荷トルクからリンクに作用する力、具体的には力およびモーメントの両方または一方に換算する。
【００１５】
本発明では、さらに歪み発生部材および歪みセンサは、関節部のそれぞれに備えることができる。そして、測定制御手段は、１以上の関節部それぞれで発生する１以上の負荷トルクを要素としたトルク・ベクトルから、複数のリンクのうちのひとつについて、仮想変位および関節の仮想角変位を関係付けるヤコビ行列を用いて、そのひとつのリンクに作用する力およびモーメントを要素とするベクトルを算出することができる。
【００１６】
さらに本発明では、歪み発生部材は、中央部と、中央部から離間し、それぞれ出力軸または駆動軸に固定される４以上の固定部と、中央部と前記固定部それぞれとを接続する４以上の弾性を有する板状部を含むことができる。また歪み発生部材は、出力軸側に固定される偶数個の固定部の一組と、駆動軸側に固定される偶数個の固定部の一組とを含むことができ、前記関節軸まわりに偶数回の回転対称性を有することが好ましい。さらに本発明では、多関節ロボットシステムは、求められた前記リンクに作用する力を入力として、所与の目標値に前記多関節ロボットを力制御する力制御手段をさらに含むことができる。
【００１７】
さらに本発明によれば、上記歪み発生部材と、上記歪みセンサと、測定制御手段とを含む力測定モジュールを提供することができる。さらにまた本発明によれば、複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットの力測定方法および該力測定方法をコンピュータ上に実現するためのプログラムが提供される。本発明の力測定方法では、まず、関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定される歪み発生部材で、該箇所に作用する偶力に応じて発生する弾性的な曲げ歪みを検出する。そして、この検出した曲げ歪みから関節部の軸周りに発生する負荷トルクを算出し、さらに仮想仕事の原理に従って関節部の負荷トルクからリンクに作用する力に換算する。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成によれば、各関節において出力軸側−駆動軸間に作用する負荷トルクが歪み発生部材の弾性的な曲げ歪みとして計測され、仮想仕事の原理に従って、リンクに作用する力およびモーメントの値を求めることが可能となる。作用する負荷トルクを歪み発生部材により弾性的な曲げ歪みとして計測するため、太く、短くかつ剛性の高い関節軸を有する関節であっても負荷トルクが測定可能となる。関節の負荷トルクの測定が高精度にできるため、リンクに作用する力およびモーメントが実用的な精度で換算し、ロボット制御に適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の多関節ロボットシステムの実施形態を示す図。
【図２】６自由度多関節ロボットを示す関節モデル図。
【図３】２自由度多関節ロボットを示す関節モデル図。
【図４】多関節ロボットの関節に設けられるトルクセンサ機構の概略図。
【図５】本発明の多関節ロボットシステムにおいて用いることができる十字板バネの構造を示す平面図。
【図６】固定された十字板バネの構造を示す斜視図（Ａ）および側面図（Ｂ）。
【図７】本実施形態の多関節ロボットシステムで用いることができる他のバネ構造を示す平面図。
【図８】本発明の多関節ロボットシステムの力測定および力制御の機能ブロック図。
【図９】本発明の多関節ロボットにおける関節まわりの構造を示す側面図。
【図１０】本発明の十字板バネを適用した関節リンク機構の力学モデル図。
【図１１】本発明の多関節ロボットの関節に取り付けることができる十字板バネの外観写真（Ａ）および歪み分布解析結果（Ｂ）を示す図。
【図１２】本発明の多関節ロボットにおける関節部まわりの外観を示す写真。
【図１３】従来技術の（Ａ）ロードセルの基本構造および（Ｂ）トルク測定機構を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を具体的な実施形態をもって説明するが、本発明は、後述する実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
＜セクションＡ：多関節ロボットシステムの全体構成＞
以下、本発明の実施形態による多関節ロボットシステムの全体構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の多関節ロボットシステムの実施形態を示す図である。本発明の多関節ロボットシステム１００は、コンピュータ装置１０４により制御されており、コンピュータ装置１０４は、プログラミング言語、例えばアセンブラ、フォートラン、ＣＯＢＯＬ、Ｃ、Ｃ＋＋などによるプログラミングの下で、本発明の力測定手法を適用するプログラムを実装している。
【００２２】
コンピュータ装置１０４は、多関節ロボット１２０の各関節に取り付けられるトルクセンサ機構（図示せず）からの測定データを、バスライン１１４を介して多関節ロボット１２０から取得する。バスライン１１４は、例えばＧＰ−ＩＢなどの汎用インタフェースＩ／Ｆおよび駆動要素への指令を行うハードウェア・インタフェースなどのソフトウェア／ハードウェアを含むインタフェース１１２を介して、多関節ロボット１２０へと接続されている。本発明の力測定手法により、多関節ロボット１２０から取得した測定データを用いて関節座標系の負荷トルクが求められ、さらにこの負荷トルクからカルテシアン座標系のリンクに作用する力およびモーメントが求められる。
【００２３】
コンピュータ装置１０４は、さらに測定データから求めた力およびモーメントを用いて、ロボット制御シーケンス、またはマウス１１０またはキーボード１０６などからユーザ入力によって与えられた目標値に一致するように、インピーダンス制御、ハイブリッド制御、コンプライアンス制御などの種々の力制御方式に従って、多関節ロボット１２０の手先等を力制御するための制御データをバスライン１１４を介して多関節ロボット１２０に伝送することができる。これにより、多関節ロボット１２０を駆動するためのステッピング・モータや油圧モータなどの動力発生要素が駆動されて、多関節ロボット１２０の力およびモーメントが目標値に一致するよう制御される。
【００２４】
またコンピュータ装置１０４は、力制御に移行する前に、ロボット制御シーケンス、またはマウス１１０またはキーボード１０６などからユーザ入力によって与えられた目標位置あるいは軌道に追随するように、多関節ロボット１２０の手先等を位置姿勢制御するための制御データをバスライン１１４を介して多関節ロボット１２０に伝送することもできる。
【００２５】
なお、本発明では、処理を実行するプログラムは、ハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ）１０８に格納しておくことができ、プログラム実行時には、不揮発性の記憶手段として、ＨＤＤ１０８からプログラムを読み出してコンピュータ装置１０４が処理を実行する。また、コンピュータ装置１０４には、ＥＥＰＲＯＭ（図示せず）またはフラッシュメモリなど、外付けまたは内蔵で不揮発性の記憶手段を、ＨＤＤ１０８とは別に備えていても良い。
【００２６】
本発明で使用するコンピュータ装置１０４は、汎用のパーソナル・コンピュータ、またはワークステーションとして構成することもできるし、制御のみを目的としたＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)として、ロボットシステムに実装することもできる。
【００２７】
＜セクションＢ：多関節ロボット＞
以下、本実施形態の多関節ロボットシステムにおける多関節ロボットの構造について、図２および図３を参照しながら説明する。図２および図３は、本発明で使用する多関節ロボットの実施形態を示す。図２は、６自由度多関節ロボットを示した関節モデル１５０を示す。図２に示す多関節ロボットは、６つの関節Ｊ１〜Ｊ６と、これら関節を介して連結される７つのリンクＬ１〜Ｌ７とを含んで構成される。基盤部ＧからはリンクＬ１が第１関節Ｊ１へと延びている。第１関節Ｊ１からは、リンクＬ２が第２関節Ｊ２へと延び、第２関節Ｊ２からは、リンクＬ３が第３関節Ｊ３まで延びている。第３関節Ｊ３から第４関節Ｊ４までは、リンクＬ４が延びている。第２関節Ｊ２および第３関節Ｊ３は、リンクＬ２、Ｌ３の軸に直交する方向に回転軸を有する曲げ関節とされており、第１関節Ｊ１および第４関節Ｊ４は、リンクＬ１，Ｌ４の軸を中心とする回転軸を有するねじり関節とされている。なお、リンクＬ１および第１関節Ｊ１は、基盤部Ｇに固定されたモータなどを用いて実装してもよい。
【００２８】
第４関節Ｊ４からは、さらにリンクＬ５が第５関節Ｊ５まで延びており、第５関節Ｊ５からさらにリンクＬ６が第６関節Ｊ６まで延びている。第５関節Ｊ５は、リンクＬ５の軸に直交する方向に回転軸を有する曲げ関節とされており、第６関節Ｊ６は、リンクＬ６の軸を中心とする回転軸を有するねじり関節とされている。第６関節Ｊ６には、リンクＬ７を介してワークＷが固定され、多関節ロボットによる種々の作業を可能としている。本発明では、ワークＷ（リンクＬ７先端）に作用する力およびモーメントを測定対象および制御対象とすることができる。ワークＷ（リンクＬ７先端）に作用する力およびモーメントは、図２に示すように、カルテシアン座標系の三次元方向の力（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）およびモーメント（ｍｘ，ｍｙ，ｍｚ）で記述される。なお、図２では、各関節の回転軸まわりの回転角をθｉ（ｉ＝１，...，６）として示している。図２に示した多関節ロボット１２０は、ＰＵＭＡ型の６自由度多関節ロボットを構成し、位置制御の場合には任意の位置および姿勢に一致するよう制御することができ、力制御の場合には、ワークＷ（リンクＬ７先端）に作用する任意の力およびモーメントを目標値に一致するよう制御することができる。
【００２９】
各関節の回転軸まわりに発生する関節座標系の負荷トルクと、上記力ｆおよびモーメントｍとの関係は、仮想仕事の原理により、下記式（１）で示す一般式を用いて表すことができる。
【００３０】
【数１】
【００３１】
上記式（１）中、ベクトルτは、各関節に作用する各負荷トルクτｉを要素とした負荷トルク・ベクトルであり、各関節の負荷トルクτｉは、後述する本発明のトルクセンサ機構で測定することができる。上記式（１）中、行列Ｊは、下記式（２）で与えられるヤコビ行列であり、Ｔは転置を示す記号である。下記式（２）中、変数ΖおよびΘは、リンクの並進位置および座標軸回りの回転角をそれぞれ表し、変数上に示すドットは、一次微分を示す。すなわち、ヤコビ行列は、リンクの移動速度と関節角速度とを関係付ける。また、リンク移動速度および関節角速度は、ある瞬間における無限に小さい変位および角変位と見なすことができるため、上記ヤコビ行列Ｊは、関節の仮想角変位とリンクの仮想変位とを関係付ける変換行列ともいえる。
【００３２】
【数２】
【００３３】
図２に示す６自由度の多関節ロボットの関節モデル１５０において、ワークＷ（リンクＬ７先端）に注目した場合には、上記式（１）に示す一般式は、カルテシアン座標系の三次元方向の力（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）およびモーメント（ｍｘ，ｍｙ，ｍｚ）と、関節座標系の負荷トルクτｉ（ｉ＝１，...，６）とを用いて下記式（３）で表される。
【００３４】
【数３】
【００３５】
上記式（３）中のヤコビ行列Ｊは、ワークＷの並進位置（ｘ、ｙ、ｚ）および座標軸回りの回転角（θｘ，θｙ，θｚ）と、各関節の回転軸まわりの回転角θｉ（ｉ＝１，...，６）とを用いて表される、下記式（４）で与えられる６×６の正方行列となり、簡易な演算により求めることができる。
【００３６】
【数４】
【００３７】
上記式（３）および（４）により、本発明のトルクセンサ機構で測定される関節座標系の負荷トルク・ベクトルτ（τ１，τ２，τ３，τ４，τ５，τ６）から、ワークＷに作用するカルテシアン座標系の三次元方向の力（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）およびモーメント（ｍｘ，ｍｙ，ｍｚ）へ換算することが可能となる。なお、上述した説明では、ワークＷ（リンクＬ７先端）に作用する力およびモーメントに注目しているが、任意のリンクに注目し、その注目するリンクに作用する力およびモーメントを測定および制御することもできる。
【００３８】
なお、本発明で使用することができる多関節ロボットは、図２に示すＰＵＭＡ型の６自由度多関節ロボットに限定されるものではなく、他の任意の型の６自由度多関節ロボットを使用することができ、さらに６自由度に限定されるものではなく任意のＮ自由度の多関節ロボットを用いることができる。また、多関節ロボットは、冗長自由度を有していてもよい。その場合には、ヤコビ行列Ｊが非正方行列となるが、擬似ヤコビ行列Ｊ＋に変換し、上記式中ヤコビ行列Ｊを擬似ヤコビ行列Ｊ＋に置き換えることで対応することができる。なお、擬似ヤコビ行列Ｊ＋は、下記式（５）で表される。
【００３９】
【数５】
【００４０】
以下、図３を参照して、他の実施形態の多関節ロボットの場合について説明する。図３は、２自由度多関節ロボットを示した関節モデル１６０を示す。図３に示すように、２自由度の多関節ロボットは、２つの関節Ｊ８，Ｊ９と、これら関節を介して連結される３つのリンクＬ８〜１０とを含んで構成される。基盤部ＧからはリンクＬ８が第１関節Ｊ８へと延び、第１関節Ｊ８からは、リンクＬ９が第２関節Ｊ９へと延び、第２関節Ｊ９にはリンクＬ１０を介してワークＷが配設されている。第１関節Ｊ８および第２関節Ｊ９は、リンクＬ８、Ｌ９の軸に直交する方向に回転軸を有する曲げ関節とされている。本発明では、ワークＷ（リンクＬ１０先端）に作用する力を測定対象および制御対象とすることができる。この対象となる力は、図３に示すように、基盤部Ｇを基準としたカルテシアン座標系の二次元方向の力（ｆｙ，ｆｚ）で記述される。
【００４１】
図３に示す２自由度の多関節ロボットにおけるワークＷ（リンクＬ１０先端）に注目した場合には、上記式（１）に示す一般式は、カルテシアン座標系の力（ｆｙ，ｆｚ）と、関節座標系の負荷トルクτｉ（ｉ＝８，９）とを用いて、下記式（６）および下記式（７）で表される。
【００４２】
【数６】
【００４３】
上記ヤコビ行列Ｊは、ワークＷの並進位置（ｙ、ｚ）と、各関節の回転軸まわりの回転角（θ８，θ９）とを用いた上記式（４）で与えられる、２×２の正方行列となり、簡易な演算により求めることができる。上記式（６）および（７）により、本発明のトルクセンサ機構で測定される関節座標系の負荷トルク・ベクトル（τ８，τ９）から、ワークＷに作用するカルテシアン座標系の三次元方向の力（ｆｙ，ｆｚ）へ換算することができる。
【００４４】
＜セクションＣ：トルクセンサ機構＞
以下、多関節ロボット１２０の各関節周りに作用する負荷トルクを測定するトルクセンサ機構について、図４〜図７および図１１を参照しながら説明する。図４は、多関節ロボット１２０の関節に設けられるトルクセンサ機構の概略を示す図である。なお、図４は、リンク軸に直交する方向に回転軸を有する曲げ関節にトルクセンサ機構が設けられている場合を例示する。
【００４５】
図４に示すトルクセンサ機構１７０において、リンク１７２は、モータやアクチュエータなどの駆動力発生装置１８０が固定される駆動力入力側リンクであり、リンク１７４は、駆動力発生装置１８０からの駆動力が入力される出力側リンクである。出力側リンク１７４の出力軸１７６と、駆動力発生装置１８０側の駆動軸とは、本発明の歪み発生部材１９０を介して接続される。図４では、歪み発生部材１９０と出力軸１７６とが出力軸固定部材１７８により固定され、歪み発生部材１９０と駆動力発生装置１８０の駆動軸とが駆動軸固定部材１８２により固定されている。
【００４６】
歪み発生部材１９０は、駆動力発生装置１８０からの駆動力を出力軸１７６に伝達するとともに、歪み発生部材１９０の出力軸側および駆動軸側の間に作用する負荷トルクによって一部で弾性的に曲げ歪みを生じるような構造とされている。駆動力が入力されない場合にも、出力側リンク１７４に作用する重力や慣性力により、回転軸まわりに負荷トルクが作用する。
【００４７】
歪み発生部材１９０には、金属抵抗、半導体抵抗などの歪みゲージや、光ファイバなどの歪みセンサが貼り付けられており、負荷トルクによって歪み発生部材１９０の一部に発生した弾性的な曲げ歪みを測定し、この歪み測定値から負荷トルクを求めることができる。歪みセンサは、アクティブ・ダミー法、２アクティブゲージ、４アクティブゲージ法などのこれまで知られた如何なる方式に従って、弾性的な曲げ歪みが発生する箇所の周辺に貼り付けることができる。歪み測定値と負荷トルクとは、一般的には線形的な関係を有しており、特に限定されるものではないが、歪みセンサ出力信号Ｖｉから適切な係数ｋを用いて下記式（８）を用いて表すことができる。なお、図４に示す例では、曲げ関節を用いた場合を図示しているが、ねじり関節を用いる場合についても、当業者であれば、同様に適用できることが理解されるであろう。
【００４８】
【数７】
【００４９】
歪み発生部材１９０としては、より具体的には、図５に示す十字板バネを用いることができる。図５は、本発明の多関節ロボットシステムにおいて歪み発生部材として用いることができる十字板バネの構造を示す平面図である。十字板バネ２００は、駆動軸および出力軸の軸心Ｏを中心とする中央部２０２と、中央部２０２から離間して設けられる４つの固定部２０６ａ〜ｄと、それぞれの固定部２０６を中央部２０２に片持ち梁状に固定する平板部２０４ａ〜ｄとを含んで構成される。
【００５０】
軸心Ｏを中心に１８０度ずれて配置される２つの固定部２０６ｂ，２０６ｄの組は、紙面上面側（手前）に設けられて、それぞれの固定部２０６ｂ，２０６ｄに設けられた締結穴２０８ｂ，２０８ｄを介して、出力軸側および駆動軸側のいずれか一方に固定される。一方、軸心を中心に１８０度ずれ、かつ固定部２０６ｂ，２０６ｄの組と９０度ずれて配置される２つの固定部２０６ａ、２０６ｃの組は、紙面下面側（奥）に設けられ、それぞれの固定部２０６ａ，２０６ｃに設けられた締結穴２０８ａ，２０８ｃを介して、出力軸側および駆動軸側の他方に固定される。
【００５１】
図６は、出力軸１７６の出力軸固定部材１７８により固定された十字板バネ２００の構造を示す斜視図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。なお、図６（Ａ）においては、駆動軸固定部材１８２の図示が省略されていることに留意されたい。出力軸−駆動軸間に負荷トルクが作用すると、固定部２０６の組のうちの一方を固定とした場合に、他方の組に軸心から離間した箇所で偶力（Ｆｃ，−Ｆｃ）が作用し、中央部２０２および固定部２０６を接続する平板部２０４は、この偶力（Ｆｃ，−Ｆｃ）により、その大きさに応じた弾性的な曲げ歪みを発生させる。
【００５２】
中央部２０２および固定部２０６は、このような力に対し剛性が高くなる構造を有しており、一方平板部２０４は、一定範囲の大きさの力に応答して弾性的に曲げ歪みを生じさせると共に、想定される最大トルクに対して平板部２０４に生じる最大応力が降伏応力を越えないような厚みを有している。平板部２０４の厚みは、理論計算、有限要素法構造解析、試験片を用いた実験等の結果に従って、十字板バネの材質等を考慮して決定することが好ましい。
【００５３】
また図６に示すように、十字板バネ２００の適切な箇所に歪みセンサ２１０ａ，２１０ｂが貼り付けられ、平板部２０４に生じる弾性的な曲げ歪みが測定される。なお、図６に示す歪みセンサ２１０の配置は、温度補償効果を有するアクティブ・ダミー法による場合のものである。歪みセンサの取り付け位置も同様に、理論計算、有限要素法構造解析、試験片を用いた実験等の結果に基づき、曲げ歪み量が最も大きくなる箇所とすることが好ましい。
【００５４】
図１１は、本発明の多関節ロボットの関節に取り付けることができる十字板バネの外観写真（Ａ）および歪み分布解析結果（Ｂ）を示す図である。図１１（Ｂ）は、十字板バネ構造をモデル化し、弾性域において矢印で示す偶力を作用させた場合に、十字板バネに発生する応力および歪みを有限要素法解析により解析した結果である。図１１（Ｂ）中、暗い領域が応力や歪みの変化が大きな箇所を示している。図１１（Ａ）中、円形に囲んだ箇所に歪みセンサが貼り付けられており、これは、図１１（Ｂ）に示す比較的歪みの大きな円形で囲んだ箇所と対応する。図１１に示されるように、図５に示す十字板バネ２００では、固定部２０６が平板部２０４の片側に付いているため、平板部２０４に非対称に力が作用する。このため、歪みセンサ２１０の取り付け位置は、図１１（Ｂ）に示すような有限要素法等による歪み分布の解析結果を考慮して決定することが好ましい。
【００５５】
なお、本発明で使用することができる歪み発生部材１９０は、図５および図６に示す４つの平板部２０４を含む十字板バネ２００に限定されるものではなく、４以上の平板部および固定部を含んでいてもよい。この場合、歪み発生部材は、軸心まわりに偶数回の回転対称性を有することが好ましい。また、歪み発生部材１９０は、出力軸側および駆動軸側それぞれに偶数個の固定部の一組を備えることが好ましい。さらに歪み発生部材の材料としては、アルミ合金、ステンレス、りん青銅、炭素鋼など、これまで板バネ材料として好適に用いられることが知られた如何なる金属材料、エンジニアリングプラスチックなどの樹脂材料を用いて作成することができる。歪み発生部材は、同一材料で一体的に形成することが好ましいが、中央部２０２、平板部２０４および固定部２０６を異なる材料製作し、接合してもよい。
【００５６】
図７は、本実施形態の多関節ロボットシステムで用いることができる歪み発生部材１９０の他のバネ構造を示す平面図である。板バネ構造２２０は、駆動軸および出力軸の軸心Ｏを中心とする中央部２２２と、中央部から離間して設けられる８つの固定部２２６と、それぞれの固定部２２６を中央部２２２に片持ち梁状に固定する８つの平板部２２４とを含んで構成される。
【００５７】
軸心を中心に９０度ずつずらされて配置される４つの固定部の組２２６Ａは、紙面上面側（手前）に設けられて、締結穴を介して出力軸側および駆動軸側のいずれか一方に固定される。一方、軸心を中心に９０度ずつずらされ、かつ固定部の組２２６Ａに対しそれぞれ４５度ずらして配置される４つの固定部の組２２６Ｂは、紙面下面側（奥）に設けられ、締結穴を介して出力軸側および駆動軸側の他方に固定される。出力軸−駆動軸間に負荷トルクが作用すると、固定部２２６の組のうちの一方を固定とした場合に、他方の組に軸心から離間した作用点で偶力が作用し、平板部２２４は、この偶力の大きさに応じて弾性的な曲げ歪みを発生させる。なお、図７には、８つの固定部を含む歪み発生部材を例示したが、取り付け位置、軸の太さ、力伝達率の要求に応じて、６つなどの多数の固定部を含む歪み発生部材にも同様に拡張することができる。
【００５８】
＜セクションＤ：力測定およびロボット制御機構＞
以下、上述したトルクセンサ機構を用いた多関節ロボットの力測定およびロボット制御について説明する。図８は、本発明の多関節ロボットシステムの力測定およびロボット制御の機能ブロック図である。図８に示すように、コンピュータ装置１０４は、本発明の処理を実行する制御処理モジュール３０２を実装しており、制御処理モジュール３０２は、ＩＤＥ(International Device Electronics)やＳＣＳＩ(Small Computer System Interface)などのインタフェース３１０を介して接続されたＨＤＤ１０８から、制御プログラムをＣＰＵ（図示せず）が呼び出し、実行空間を提供するＲＡＭ３０６にプログラムを展開してプログラムを実行させることにより実現される。
【００５９】
コンピュータ装置１０４は、ＲＯＭ３０４などを備えており、ＲＯＭ３０４には、ＢＩＯＳ(Basic Input Output System)などが格納されており、コンピュータ装置１０４の初期設定や制御のために使用するデータをＣＰＵに渡している。なお、本発明のコンピュータ装置１０４をワークステーションまたはサーバとして構成する場合には、カーネル／ＯＳ／アプリケーションの構成として記述することができる、ＵＮＩＸ（登録商標）、ＬＩＮＵＸ（登録商標）のアーキテクチャを備えるコンピュータ装置を使用することができる。
【００６０】
コンピュータ装置１０４は、マウス／キーボード／シーケンス制御プログラムの出力などとして与えられる力およびモーメント、位置姿勢の目標値や各種設定値を目標設定部３２０が受け取り、ＲＡＭ３０６に格納して以後の制御処理モジュール３０２が使用可能としている。制御処理モジュール３０２は、ロボット制御部３１２および力測定部３１４を含んで構成され、力測定部３１４は、各リンクに作用する力およびモーメントを測定して、ロボット制御御部３１２へ換算データを渡し、ロボット制御部３１２は、力測定部３１４により測定された力およびモーメントを使用して多関節ロボット１２０を力制御あるいは位置姿勢制御を実行する。
【００６１】
多関節ロボット１２０には、歪みセンサ３２４、モータ３２６およびエンコーダ３２８を含む関節ユニット３２２が各関節毎に設けられており、各関節のモータ３２６は、モータドライバ３３０に接続されている。エンコーダ、モータおよび歪みセンサの各関節への取り付けの様態を図９および図１２に示す。図９は、本発明の多関節ロボットにおけるひとつの関節部まわりの構造を示す側面図である。図１２は、本発明の多関節ロボットにおけるひとつの関節部まわりの外観を示す写真である。なお、右側にある写真の短形領域を拡大した写真が図の左側に示されている。
【００６２】
図９および図１２に示すように、駆動力入力側リンク４０２には、モータ４２０が設けられ、モータ４２０の駆動力が、減速機４１８、プーリ４１６、ベルト４１４およびプーリ４１２を介して十字板バネ４１０に入力される。一方、十字板バネ４１０の駆動軸の反対側は出力側リンク４０４の出力軸に固定され、出力軸にはさらにエンコーダ４０６が取り付けられている。エンコーダ４０６は、出力側リンク４０４の回転角を入力側リンク４０２を基準として測定する。
【００６３】
再び図８を参照すると、力測定部３１４は、より具体的には、各関節の歪みセンサ３２４からの出力信号をＡ／Ｄコンバータなどを介して測定データとして取得し、各負荷トルクτｉを演算する、負荷トルク演算部３１８を含んで構成される。力測定部３１４は、負荷トルク演算部３１８が演算した負荷トルクτｉから、上記ヤコビ行列を用いて、負荷トルクを各リンクに作用する力およびモーメントに換算する力・モーメント演算部３１６をさらに含んで構成される。
【００６４】
ロボット制御部３１２は、インタフェースＩ／Ｆ１１２を介して関節ユニット３２２のエンコーダ３２８およびモータドライバ３３０と接続し、力測定部３１４が測定した各リンクに作用する力およびモーメントを使用して、インピーダンス制御、ハイブリッド制御、コンプライアンス制御などの種々の力制御方式により力制御を行うことができる。力制御の対象は、図２に示す関節モデルにおけるワークＷ（リンクＬ７先端）であってもよいし、他の任意のリンクであってもよい。またハイブリッド制御の場合には、所定のリンクについて、力およびモーメントの選択された任意の成分と、位置姿勢の対応する成分とを制御することができる。また、ロボット制御部３１２は、力制御に移行する前などに、位置姿勢の目標値やその軌道等にそって位置姿勢制御を行うこともできる。
【００６５】
図１０は、本発明の十字板バネを適用した関節リンク機構の力学モデルを示す。図１０に示す力学モデルは、多関節ロボットシステムで力制御のために用いることができる。図１０に示すように、関節リンク機構では、モータ４５６の出力トルクτｍが減速機４５４を介してリンク４５２に対し入力されている。リンク４５２と減速機４５４との間には、ばね定数ｋのバネおよび減衰係数Ｄｋのダンパーが挿入されており、これは十字板バネに相当するものである。なお、図１０中、リンク４５２の回転軸周りの回転角をθ１１で、減速機４５４の軸周りの回転角をθｍで、モータ４５６の軸周りの回転角をθ１２で示している。図１０に示す関節リンク機構のモデルに基づくリンクおよびモータの運動方程式は、それぞれ下記式（９）および（１０）で表される。
【００６６】
【数８】
【００６７】
上記式（９）中、Ｉ１はリンクの慣性モーメントを表し、Ｄ１はリンクの動粘性抵抗係数を表し、Ｔｑｆｌは外力によりリンクに発生するトルクを表し、Ｍｇｌｇｓｉｎθ１１は重力によるトルクを表す。また上記式（１０）中、ｎは伝達比（ギア比やプーリ比）を表し、Ｉｍはモータの慣性モーメントを表し、Ｄｍはモータの動粘性抵抗係数を表し、Ｔｑｆｍは、外力によりモータに発生するトルクを表し、τｍは、モータの出力トルクを表す。また上記式（９）および（１０）中のτｓｐｒｉｎｇは、十字板バネに作用する負荷トルクを表し、下記式（１１）で定式化される。
【００６８】
【数９】
【００６９】
以上説明した多関節ロボットシステムでは、上記トルクセンサ機構により、各関節において出力軸側−駆動軸間に作用する負荷トルクが十字板バネなどの歪み発生部材の弾性的な曲げ歪みとして計測され、各関節の負荷トルクを要素とする負荷トルク・ベクトルτから、リンクの仮想変位と関節の仮想角変位とを関係付けるヤコビ行列Ｊの転置行列を用いて、リンクに作用する力およびモーメントの値を求めることが可能となる。作用する負荷トルクを歪み発生部材１９０により弾性的な曲げ歪みとして計測するため、太く、短くかつ剛性の高い関節軸を有する関節であっても負荷トルクが測定可能であり、さらに直接的に軸のねじり歪みを計測する場合に比べて高精度に測定することが可能となる。関節の負荷トルクの測定が高精度にできるため、リンクに作用する力およびモーメントが実用的な精度で換算し、ロボット制御に適用することが可能となる。
【００７０】
また、本発明の力測定手法によれば、多関節ロボットの各関節のトルク、各リンクに作用する力およびモーメントを測定することが可能となる。また、本発明のトルクセンサ機構は、小型かつ簡易な構造で製作することができるため、各関節毎に設けることができ、ひいては、ロボット全身の力を測ることができ，ロボットの全身力制御が可能となる。また、本発明の力測定手法は、演算負荷が小さいため、ロボットシステムの計装コストおよび処理に必要な演算資源等を削減することができ、低コスト化を図ることができる。
【００７１】
以上説明したように、上述した実施形態によれば、多関節ロボットにおいて、各関節に作用する負荷トルク、各リンクに作用する力およびモーメントの測定を、高精度に、簡素かつ低コストで実現することを可能とし、ロボットの全身的な環境適応力を向上させることが可能な多関節ロボットシステムおよび力測定方法が提供される。
【００７２】
なお、上述した多関節ロボットシステムを構成する多関節ロボットを個別に提供することができ、また、上記トルクセンサ機構と、制御処理モジュールの機能を実現するコントローラまたはコンピュータとを含む力測定モジュールとして提供することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の多関節ロボットシステムは、把持、組み立て、研磨、研削などの作業を行う産業用ロボットの他、多足歩行ロボット、医療介護ロボット、レスキューロボット、農作業ロボットなど、人を含め外部環境との接触が不可避な用途で用いられるロボットに好適に適用することが期待される。本発明の多関節ロボットシステムは、多関節ロボットの関節およびリンクに作用する力やモーメントといったロボットの内部情報を測定して、位置姿勢制御および力制御に活用することができるため、人の生活環境や荒野等の非整備環境下でロボットを動作させる場合に好適に用いることができる。
【００７４】
本実施形態の上記機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）などのオブジェクト指向プログラミング言語などで記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭなどの装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。
【００７５】
これまで本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７６】
１００…多関節ロボットシステム、１０４…コンピュータ装置、１０６…キーボード、１０８…ＨＤＤ、１１０…マウス、１１２…インタフェース、１１４…バスライン、１２０…多関節ロボット、１５０…関節モデル、１６０…関節モデル、１７０…トルクセンサ機構、１７２…入力側リンク、１７４…出力側リンク、１７６…出力軸、１７８…出力軸固定部材、１８０…駆動力発生装置、１８２…駆動軸固定部材、１９０…歪み発生部材、２００…十字板バネ、２０２…中央部、２０４…平板部、２０６…固定部、２０８…締結穴、２１０…歪みセンサ、２２０…板バネ構造、２２２…中央部、２２４…平板部、２２６…固定部、３０２…制御処理モジュール、３０４…ＲＯＭ、３０６…ＲＡＭ、３１０…インタフェース、３１２…ロボット制御部、３１４…力測定部、３１６…力・モーメント演算部、３１８…負荷トルク演算部、３２０…目標設定部、３２２…関節ユニット、３２４…歪みセンサ、３２６…モータ、３２８…エンコーダ、３３０…モータドライバ、４０２…入力側リンク、４０４…出力側リンク、４０６…エンコーダ、４１０…十字板バネ、４１２…プーリ、４１４…ベルト、４１６…プーリ、４１８…減速機、４２０…モータ、４５２…リンク、４５４…減速機、４５６…モータ、Ｇ…基盤部、ＪＮ…関節、ＬＮ…リンク、Ｗ…ワーク、５００…ロードセル、５０２…ベース、５０４…起歪体、５０６…歪みゲージ、５０８…ハウジング、５１０…ダイヤフラム、５２２…関節軸、５２４…歪みゲージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットと、前記多関節ロボットの力測定を実行する測定制御手段とを含む多関節ロボットシステムであって、前記多関節ロボットは、
前記関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、該箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材と、
前記歪み発生部材に接して配置され、前記曲げ歪みを検出する歪みセンサと
を含み、前記測定制御手段は、
前記関節部の軸まわりに発生する負荷トルクを前記歪みセンサの出力値から算出し、仮想仕事の原理に従って前記関節部の前記負荷トルクから前記リンクに作用する力に換算する演算手段
を含む、多関節ロボットシステム。
【請求項２】
前記歪み発生部材および前記歪みセンサは、前記関節部のそれぞれに備えられ、前記測定制御手段は、前記複数のリンクのうちのひとつについて、前記１以上の関節部それぞれで発生する１以上の負荷トルクを要素としたトルク・ベクトルから、該リンクの仮想変位および関節の仮想角変位を関係付けるヤコビ行列を用いて、該リンクに作用する力およびモーメントを要素とするベクトルを算出する、請求項１に記載の多関節ロボットシステム。
【請求項３】
前記歪み発生部材は、中央部と、前記中央部から離間し、それぞれ前記出力軸または前記駆動軸に固定される４以上の固定部と、前記中央部と前記固定部それぞれとを接続する４以上の弾性板状部とを含む、請求項１または２に記載の多関節ロボットシステム。
【請求項４】
前記歪み発生部材は、前記出力軸側に固定される偶数個の前記固定部の一組と、前記駆動軸側に固定される偶数個の前記固定部の一組とを含む、請求項３に記載の多関節ロボットシステム。
【請求項５】
前記歪み発生部材は、前記関節部の軸まわりに偶数回の回転対称性を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多関節ロボットシステム。
【請求項６】
求められた前記リンクに作用する力を入力として、所与の目標値に前記多関節ロボットを力制御する力制御手段をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多関節ロボットシステム。
【請求項７】
複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットであって、前記多関節ロボットは、
前記関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、該箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材と、
前記歪み発生部材に接して配置され、前記曲げ歪みを検出する歪みセンサと、
前記関節部の軸まわりに発生する負荷トルクを前記歪みセンサの出力値から算出し、仮想仕事の原理に従って前記関節部の前記負荷トルクから前記リンクに作用する力に換算するために、検出した前記曲げ歪みを外部出力する出力端子と
を含む、多関節ロボット。
【請求項８】
複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットの関節部に取り付けられる力測定モジュールであって、
前記関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、該箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材と、
前記歪み発生部材に接して配置され、前記曲げ歪みを検出する歪みセンサと、
前記関節部の軸まわりに発生する負荷トルクを前記歪みセンサの出力値から算出し、仮想仕事の原理に従って前記関節部の前記負荷トルクから前記リンクに作用する力に換算する測定制御手段と
を含む、力測定モジュール。
【請求項９】
複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットの力測定方法であって、
前記関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定される歪み発生部材で、該箇所に作用する偶力に応じて発生する弾性的な曲げ歪みを検出するステップと、
検出した前記曲げ歪みから前記関節部の軸周りに発生する負荷トルクを算出するステップと、
仮想仕事の原理に従って前記関節部の前記負荷トルクから前記リンクに作用する力に換算するステップと
を含む、力測定方法。
【請求項１０】
前記換算するステップは、前記複数のリンクのうちのひとつについて、前記１以上の関節部それぞれで発生する１以上の負荷トルクを要素としたトルク・ベクトルを生成するサブステップと、該リンクの仮想変位および関節の仮想角変位を関係付けるヤコビ行列を用いて、該リンクに作用する力およびモーメントを要素とするベクトルを算出するサブステップとを含む、請求項９に記載の力測定方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の力測定方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータ実行可読なプログラム。
【請求項１】
複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットと、前記多関節ロボットの力測定を実行する測定制御手段とを含む多関節ロボットシステムであって、前記多関節ロボットは、
前記関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、該箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材と、
前記歪み発生部材に接して配置され、前記曲げ歪みを検出する歪みセンサと
を含み、前記測定制御手段は、
前記関節部の軸まわりに発生する負荷トルクを前記歪みセンサの出力値から算出し、仮想仕事の原理に従って前記関節部の前記負荷トルクから前記リンクに作用する力に換算する演算手段
を含む、多関節ロボットシステム。
【請求項２】
前記歪み発生部材および前記歪みセンサは、前記関節部のそれぞれに備えられ、前記測定制御手段は、前記複数のリンクのうちのひとつについて、前記１以上の関節部それぞれで発生する１以上の負荷トルクを要素としたトルク・ベクトルから、該リンクの仮想変位および関節の仮想角変位を関係付けるヤコビ行列を用いて、該リンクに作用する力およびモーメントを要素とするベクトルを算出する、請求項１に記載の多関節ロボットシステム。
【請求項３】
前記歪み発生部材は、中央部と、前記中央部から離間し、それぞれ前記出力軸または前記駆動軸に固定される４以上の固定部と、前記中央部と前記固定部それぞれとを接続する４以上の弾性板状部とを含む、請求項１または２に記載の多関節ロボットシステム。
【請求項４】
前記歪み発生部材は、前記出力軸側に固定される偶数個の前記固定部の一組と、前記駆動軸側に固定される偶数個の前記固定部の一組とを含む、請求項３に記載の多関節ロボットシステム。
【請求項５】
前記歪み発生部材は、前記関節部の軸まわりに偶数回の回転対称性を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多関節ロボットシステム。
【請求項６】
求められた前記リンクに作用する力を入力として、所与の目標値に前記多関節ロボットを力制御する力制御手段をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多関節ロボットシステム。
【請求項７】
複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットであって、前記多関節ロボットは、
前記関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、該箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材と、
前記歪み発生部材に接して配置され、前記曲げ歪みを検出する歪みセンサと、
前記関節部の軸まわりに発生する負荷トルクを前記歪みセンサの出力値から算出し、仮想仕事の原理に従って前記関節部の前記負荷トルクから前記リンクに作用する力に換算するために、検出した前記曲げ歪みを外部出力する出力端子と
を含む、多関節ロボット。
【請求項８】
複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットの関節部に取り付けられる力測定モジュールであって、
前記関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、該箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材と、
前記歪み発生部材に接して配置され、前記曲げ歪みを検出する歪みセンサと、
前記関節部の軸まわりに発生する負荷トルクを前記歪みセンサの出力値から算出し、仮想仕事の原理に従って前記関節部の前記負荷トルクから前記リンクに作用する力に換算する測定制御手段と
を含む、力測定モジュール。
【請求項９】
複数のリンクが１以上の関節部を介して連結される多関節ロボットの力測定方法であって、
前記関節部に設けられ、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定される歪み発生部材で、該箇所に作用する偶力に応じて発生する弾性的な曲げ歪みを検出するステップと、
検出した前記曲げ歪みから前記関節部の軸周りに発生する負荷トルクを算出するステップと、
仮想仕事の原理に従って前記関節部の前記負荷トルクから前記リンクに作用する力に換算するステップと
を含む、力測定方法。
【請求項１０】
前記換算するステップは、前記複数のリンクのうちのひとつについて、前記１以上の関節部それぞれで発生する１以上の負荷トルクを要素としたトルク・ベクトルを生成するサブステップと、該リンクの仮想変位および関節の仮想角変位を関係付けるヤコビ行列を用いて、該リンクに作用する力およびモーメントを要素とするベクトルを算出するサブステップとを含む、請求項９に記載の力測定方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の力測定方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータ実行可読なプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−５６６０１（Ｐ２０１１−５６６０１Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０６８０３（Ｐ２００９−２０６８０３）
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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