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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024101945
(43)【公開日】2024-07-30
(54)【発明の名称】ロボットシステム
(51)【国際特許分類】
B25J 13/08 20060101AFI20240723BHJP
G01L 5/167 20200101ALI20240723BHJP
G01L 1/26 20060101ALI20240723BHJP
【ＦＩ】
B25J13/08 Z
G01L5/167
G01L1/26 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023006192
(22)【出願日】2023-01-18
(71)【出願人】
【識別番号】000002369
【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100091292
【弁理士】
【氏名又は名称】増田 達哉
(74)【代理人】
【識別番号】100173428
【弁理士】
【氏名又は名称】藤谷 泰之
(74)【代理人】
【識別番号】100091627
【弁理士】
【氏名又は名称】朝比 一夫
(72)【発明者】
【氏名】廣田 道泰
(72)【発明者】
【氏名】竪山 光普
【テーマコード（参考）】
2F051
3C707
【Ｆターム（参考）】
2F051AA10
2F051DA03
2F051DB03
3C707AS01
3C707AS06
3C707AS12
3C707BS12
3C707DS01
3C707ES03
3C707HS27
3C707KS21
3C707KS23
3C707KS29
3C707KS33
3C707KT01
3C707KT06
3C707KV01
3C707KW03
3C707KX07
3C707LU06
3C707MT04
(57)【要約】
【課題】回転工具に加わった力を正確に検出することができるロボットシステムを提供すること。
【解決手段】先端部を有するロボットアームと、前記ロボットアームの前記先端部に設置され、外力を検出する力検出部と、前記力検出部に設置され、回転軸回りに回転する加工部を有する回転工具を支持する支持部材と、前記加工部の回転位置を検出する回転位置検出部と、前記回転位置検出部が検出した回転位置に基づいて、前記力検出部が出力した検出値を補正する補正部と、を備えることを特徴とするロボットシステム。
【選択図】図１２
【解決手段】先端部を有するロボットアームと、前記ロボットアームの前記先端部に設置され、外力を検出する力検出部と、前記力検出部に設置され、回転軸回りに回転する加工部を有する回転工具を支持する支持部材と、前記加工部の回転位置を検出する回転位置検出部と、前記回転位置検出部が検出した回転位置に基づいて、前記力検出部が出力した検出値を補正する補正部と、を備えることを特徴とするロボットシステム。
【選択図】図１２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
先端部を有するロボットアームと、
前記ロボットアームの前記先端部に設置され、外力を検出する力検出部と、
前記力検出部に設置され、回転軸回りに回転する加工部を有する回転工具を支持する支持部材と、
前記加工部の回転位置を検出する回転位置検出部と、
前記回転位置検出部が検出した回転位置に基づいて、前記力検出部が出力した検出値を補正する補正部と、を備えることを特徴とするロボットシステム。
前記ロボットアームの前記先端部に設置され、外力を検出する力検出部と、
前記力検出部に設置され、回転軸回りに回転する加工部を有する回転工具を支持する支持部材と、
前記加工部の回転位置を検出する回転位置検出部と、
前記回転位置検出部が検出した回転位置に基づいて、前記力検出部が出力した検出値を補正する補正部と、を備えることを特徴とするロボットシステム。
【請求項2】
前記補正部は、前記回転位置に加え、前記回転工具の重心および前記回転軸から前記重心までの距離に基づいて、前記検出値を補正する請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項3】
前記補正部は、前記加工部の回転の遠心力に起因する力の成分を前記検出値から除去する補正を行う請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項4】
前記補正部は、前記支持部材の振動に起因する力の成分を除去する第１の補正と、前記加工部の回転の遠心力に起因する力の成分を前記検出値から除去する第２の補正とを行う請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項5】
前記力検出部が検出する前記検出値は、前記回転軸を法線とする面内で互いに直交するα軸およびβ軸を設定したとき、前記α軸に沿った力の成分Ｆαと、前記β軸に沿った力の成分Ｆβとを含み、
前記第２の補正は、前記α軸に沿った補正成分Ｆα１および前記β軸に沿った補正成分Ｆβ１の値を求め、前記成分Ｆαから前記補正成分Ｆα１を減算し、前記成分Ｆβから前記補正成分Ｆβ１を減算することにより行われる請求項４に記載のロボットシステム。
前記第２の補正は、前記α軸に沿った補正成分Ｆα１および前記β軸に沿った補正成分Ｆβ１の値を求め、前記成分Ｆαから前記補正成分Ｆα１を減算し、前記成分Ｆβから前記補正成分Ｆβ１を減算することにより行われる請求項４に記載のロボットシステム。
【請求項6】
前記回転軸は、前記力検出部の中心軸と離間している請求項１ないし５のいずれか１項に記載のロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ロボットシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１に記載されているロボットは、基台と、基台に接続されたロボットアームと、ロボットアームの先端部に接続されたエンドエフェクターと、エンドエフェクターに加わった力を検出する力覚センサーと、を備えている。また、エンドエフェクターは、回転することにより作業対象物に対し加工を行う回転工具である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】ＷＯ２０１４／１２９５２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に記載のロボットでは、エンドエフェクターの回転によりエンドエフェクターに遠心力が生じるが、この遠心力に起因して力覚センサーの検出精度が低下してしまうという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明のロボットシステムは、先端部を有するロボットアームと、
前記ロボットアームの前記先端部に設置され、外力を検出する力検出部と、
前記力検出部に設置され、回転軸回りに回転する加工部を有する回転工具を支持する支持部材と、
前記加工部の回転位置を検出する回転位置検出部と、
前記回転位置検出部が検出した回転位置に基づいて、前記力検出部が出力した検出値を補正する補正部と、を備えることを特徴とする。
前記ロボットアームの前記先端部に設置され、外力を検出する力検出部と、
前記力検出部に設置され、回転軸回りに回転する加工部を有する回転工具を支持する支持部材と、
前記加工部の回転位置を検出する回転位置検出部と、
前記回転位置検出部が検出した回転位置に基づいて、前記力検出部が出力した検出値を補正する補正部と、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】本発明の好適な実施形態に係るロボットシステムの全体構成図である。
【図2】力検出部を示す斜視図である。
【図3】力検出部を示す縦断面図である。
【図4】力検出部を示す横断面図である。
【図5】力センサーを示す縦断面図である。
【図6】力検出素子を示す縦断面図である。
【図7】力センサーおよび慣性センサーの配置を示す模式図である。
【図8】慣性センサーを示す分解斜視図である。
【図9】慣性センサーの内部に収容された基板を示す斜視図である。
【図10】力検出回路の回路構成を示すブロック図である。
【図11】回転工具および支持部材を示す側面図である。
【図13】力検出部が検出した回転工具の回転により生じる遠心力の波形を示す図であって、α軸の並進力成分Ｆαを経時的に示すグラフである。
【図14】力検出部が検出した回転工具の回転により生じる遠心力の波形を示す図であって、β軸の並進力成分Ｆβを経時的に示すグラフである。
【図15】本発明の第２実施形態に係わる回転位置検出部の構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、本発明のロボットシステムを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【0008】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の好適な実施形態に係るロボットシステムの全体構成図である。図１中、回転工具および支持部材の記載は省略されている。図２は、力検出部を示す斜視図である。図３は、力検出部を示す縦断面図である。図４は、力検出部を示す横断面図である。図５は、力センサーを示す縦断面図である。図６は、力検出素子を示す縦断面図である。図７は、力センサーおよび慣性センサーの配置を示す模式図である。図８は、慣性センサーを示す分解斜視図である。図９は、慣性センサーの内部に収容された基板を示す斜視図である。図１０は、力検出回路の回路構成を示すブロック図である。図１１は、回転工具および支持部材を示す側面図である。図１２は、図１１中の矢印Ｂ方向から見た図である。図１３は、力検出部が検出した回転工具の回転により生じる遠心力の波形を示す図であって、α軸の並進力成分Ｆαを経時的に示すグラフである。図１４は、力検出部が検出した回転工具の回転により生じる遠心力の波形を示す図であって、β軸の並進力成分Ｆβを経時的に示すグラフである。
図１は、本発明の好適な実施形態に係るロボットシステムの全体構成図である。図１中、回転工具および支持部材の記載は省略されている。図２は、力検出部を示す斜視図である。図３は、力検出部を示す縦断面図である。図４は、力検出部を示す横断面図である。図５は、力センサーを示す縦断面図である。図６は、力検出素子を示す縦断面図である。図７は、力センサーおよび慣性センサーの配置を示す模式図である。図８は、慣性センサーを示す分解斜視図である。図９は、慣性センサーの内部に収容された基板を示す斜視図である。図１０は、力検出回路の回路構成を示すブロック図である。図１１は、回転工具および支持部材を示す側面図である。図１２は、図１１中の矢印Ｂ方向から見た図である。図１３は、力検出部が検出した回転工具の回転により生じる遠心力の波形を示す図であって、α軸の並進力成分Ｆαを経時的に示すグラフである。図１４は、力検出部が検出した回転工具の回転により生じる遠心力の波形を示す図であって、β軸の並進力成分Ｆβを経時的に示すグラフである。
【0009】
図１に示すロボットシステム１は、例えば、精密機器やこれを構成する部品等の対象物の給材、除材、搬送、加工および組立等の作業を行うことができる。ロボットシステム１は、単腕の６軸垂直多関節ロボットであるロボット２と、ロボット２の駆動を制御するロボット制御装置２０と、を有する。
【0010】
ロボット２は、基台２１と、基台２１に対し回転自在に連結されたロボットアーム２２と、ロボットアーム２２に装着された力検出部３と、図１１に示すエンドエフェクターである回転工具２３と、回転工具２３を支持する支持部材２４とを有する。
【0011】
なお、以下の説明では、ロボットアーム２２について、図１中の基台２１側を「基端」または「基端部」とも言い、その反対側すなわち力検出部３側を「先端」または「先端部」とも言う。
【0012】
基台２１は、ロボットアーム２２の基端側に位置し、例えば、床、壁、天井および移動可能な台車上等に固定されている。ロボットアーム２２は、基端から先端に向かって順次配置されたアーム２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６を有し、隣接するアーム同士が回転自在に連結されたロボティックアームである。ロボットアーム２２の隣接するアーム間には、関節Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５およびＪ６が設置されている。このうち、関節Ｊ２、Ｊ３、Ｊ５は、曲げ関節であり、関節Ｊ１、Ｊ４、Ｊ６は、ねじり関節である。ただし、ロボットアーム２２としては、特に限定されず、作業内容に合わせて適宜選択することができる。また、ロボットアーム２２の先端には、制御点ＴＣＰが設置されている。
【0013】
関節Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５およびＪ６には、それぞれ、モーターＭとエンコーダーＥとが設置されている。ロボット制御装置２０は、ロボットシステム１の運転中、各エンコーダーＥの出力が示す関節Ｊ１～Ｊ６の回転角度と制御目標である目標回転角度とを一致させるフィードバック制御を実行する。これにより、各関節Ｊ１～Ｊ６を目標回転角度に保つことができ、ロボットアーム２２を所望の位置および姿勢とすることができる。よって、ロボット２を所望の動作で駆動することができる。
【0014】
ロボット制御装置２０は、ロボット２の駆動を制御する。ロボット制御装置２０は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理するプロセッサー（ＣＰＵ）と、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部装置との接続を行う外部インターフェースと、を有する。メモリーにはプロセッサーにより実行可能な各種プログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラム等を読み込んで実行することができる。なお、ロボット制御装置２０の構成要素の一部または全部は、ロボット２の筐体の内側に配置されてもよい。また、ロボット制御装置２０は、複数のプロセッサーにより構成されてもよい。
【0015】
図１１に示すように、ロボットアーム２２の先端部すなわちアーム２２６の先端には、力検出部３が設置されており、力検出部３の先端すなわち図１１中下端には、支持部材２４が設置されている。力検出部３の構成に関しては、後に詳述する。支持部材２４は、回転工具２３を支持する部材であり、長尺な板状部材で構成されている。支持部材２４は、その厚さ方向が、関節Ｊ６の回転軸に沿った向きで設置されている。
【0016】
【0017】
なお、支持部材２４の形状は、上記に限定されず、平面視で正方形をなしていてもよく、円形をなしていてもよい。また、支持部材２４は、図示のような板状部材に限定されず、例えば、棒状部材、枠状部材であってもよい。さらに、支持部材２４は、接近・離間する一対の爪を有するハンドであってもよい。この場合、回転工具２３は、ハンドの一対の爪により把持される。
【0018】
回転工具２３は、回転軸Ｏ回りに回転する加工部２３１と、加工部２３１を回転駆動するモーター２３２と、モーター２３２の回転位置を検出するエンコーダー２３３と、を有する。ここで、「回転位置」とは、基準位置Ｐ０からの回転角度のことを言う。
【0019】
加工部２３１は、回転部とも言い、所定の方向および速度で回転軸Ｏ回りに回転することにより、作業対象物であるワークに対し所望の加工を行うものである。加工部２３１としては、例えば、ドライバー、ポリッシャー、研磨または研削砥石、ドリル、フライス等が挙げられる。
【0020】
モーター２３２は、ロボット制御装置２０と電気的に接続されており、図示しないモータードライバーを介してロボット制御装置２０により通電条件が制御されることで駆動が制御される。モーター２３２としては、交流モーターであってもよく、直流モーターであってもよい。
【0021】
エンコーダー２３３は、モーター２３２の回転角度、すなわち回転位置情報を検出するものであり、本実施形態では、いわゆるロータリーエンコーダーが用いられる。エンコーダー２３３は、力検出回路７と電気的に接続されており、検出したモーター２３２の回転位置情報を、力検出回路７に送信する。なお、この構成に限定されず、エンコーダー２３３は、検出したモーター２３２の回転位置情報を、ロボット制御装置２０に送信し、ロボット制御装置２０が力検出回路７に送信する構成であってもよい。
【0022】
エンコーダー２３３としては、例えば、ロータリーエンコーダー、リニアエンコーダーが挙げられる。本実施形態では、ロータリーエンコーダーが用いられる。エンコーダー２３３の検出方式は、特に限定されず、例えば、光学式、電気式、磁気式のもの等が挙げられる。エンコーダー２３３が光学式のロータリーエンコーダーである場合、反射式、透過式のいずれのものでもよい。
【0023】
【0024】
力検出部３は、力検出部３に加えられた外力の６軸成分を検出可能な６軸力覚センサーである。なお、互いに直交する３つの軸であるα軸、β軸およびγ軸を設定したとき、６軸成分は、α軸、β軸およびγ軸のそれぞれの方向の並進力（せん断力）成分と、これら３軸のそれぞれの軸回りの回転力（モーメント）成分と、からなる。
【0025】
図２に示すように、力検出部３は、その中心軸Ａ１回りに略９０°間隔に配置された４つの力センサー４と、４つの力センサー４に対応して配置された４つの慣性センサー６と、各力センサー４および各慣性センサー６からの信号に基づいて外力を検出する力検出回路７と、これら各部を収納しているケース５と、を有する。力検出部３では、各力センサー４からの出力信号を、それに対応する慣性センサー６からの出力信号に基づいて補正し、補正した４つの補正信号に基づいて力検出部３に加えられた外力を検出する。
【0026】
図２、図３および図１１に示すように、ケース５は、第１ケース部材５１と、第１ケース部材５１に対して間隔を隔てて配置されている第２ケース部材５２と、第１ケース部材５１および第２ケース部材５２の外周部に設けられた側壁部材５３と、を有する。このような構成のケース５では、第１ケース部材５１の図３中の上面５１０が支持部材２４を取り付ける支持部材用取付面として機能し、第２ケース部材５２の図３中の下面５２０がロボットアーム２２に取り付けるアーム用取付面として機能する。ただし、これに限定されず、逆であってもよい。
【0027】
図３および図４に示すように、第１ケース部材５１は、天板５１１と、天板５１１の下面に設けられ、中心軸Ａ１回りに等間隔（９０°間隔）に配置された４つの与圧部５１２と、を有する。また、天板５１１には、その中央部に中心軸Ａ１に沿った貫通孔５１１ａが形成されている。また、各与圧部５１２には、後述する与圧ボルト５０が挿通される複数の貫通孔５１２ａが形成されている。
【0028】
また、第２ケース部材５２は、底板５２１と、底板５２１の図３中の上面に設けられ、前述した４つの与圧部５１２と対向するように中心軸Ａ１回りに等間隔（９０°間隔）に配置された４つの与圧部５２２と、を有する。また、底板５２１には、その中央部に中心軸Ａ１に沿った貫通孔５２１ａが形成されている。また、各与圧部５２２には、与圧ボルト５０の先端部が螺合する雌ネジ孔５２２ａが複数形成されている。
【0029】
また、側壁部材５３は、円筒状をなし、図３中の上端部および下端部がそれぞれ第１ケース部材５１および第２ケース部材５２に対して、例えば、ネジ止め、嵌合等によって固定されている。また、側壁部材５３と前述した天板５１１と底板５２１とで囲まれた内部空間Ｓ１には４つの力センサー４、４つの慣性センサー６および力検出回路７が収納されている。
【0030】
図４に示すように、４つの力センサー４は、平面視で、中心軸Ａ１を通りβ軸に平行な線分ＣＬに対して対称となるように配置されている。また、各力センサー４は、対をなす与圧部５１２、５２２との間に位置し、これら与圧部５１２、５２２によって挟持されている。与圧ボルト５０は、与圧部５１２、５２２を連結し、第１ケース部材５１と第２ケース部材５２とを固定している。また、与圧ボルト５０を締め込むことにより、与圧部５１２、５２２の間に位置する力センサー４が与圧されている。与圧ボルト５０は、各力センサー４に対して一対設けられており、一対の与圧ボルト５０が力センサー４の両側に位置している。
【0031】
次に、力センサー４について説明する。４つの力センサー４は、互いに同様の構成であるため、以下では、１つの力センサー４について代表して説明し、他の３つについては、その説明を省略する。また、以下では、説明の便宜上、力センサー４に対して、互いに直交する３つの軸であるＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸を設定する。さらに、各軸を示す矢印の先端側を「プラス側」とし、基端側を「マイナス側」とする。また、Ａ軸に沿う方向を「Ａ軸方向」、Ｂ軸に沿う方向を「Ｂ軸方向」、Ｃ軸に沿う方向を「Ｃ軸方向」という。
【0032】
図５に示すように、力センサー４は、パッケージ４１と、パッケージ４１に収納された力検出素子４２と、を有する。力センサー４は、与圧部５１２、５２２に挟まれており、与圧ボルト５０によって、力検出素子４２が矢印Ｐで示す方向に与圧されている。力センサー４に加わる外力、具体的にはＡ軸方向のせん断力およびＢ軸方向のせん断力は、パッケージ４１を介して力検出素子４２に伝わり、受けた外力に基づく信号が力検出素子４２から出力される。このように、力検出素子４２を与圧しておくことにより、外力を精度よく検出することができる。なお、与圧ボルト５０の締結力を適宜調整することにより、力検出素子４２に加わる与圧を調整することができる。
【0033】
また、パッケージ４１は、基体４１１と、基体４１１に接合された蓋体４１２と、を有する。パッケージ４１の内側には気密な収納空間Ｓが形成され、収納空間Ｓに力検出素子４２が収納されている。パッケージ４１に力検出素子４２を収納することにより、力検出素子４２を外界から保護すなわち防塵、防水することができる。収納空間Ｓの雰囲気としては、特に限定されないが、真空状態またはそれに近い減圧状態であることが好ましい。
【0034】
力検出素子４２は、力検出素子４２に加えられた外力のＡ軸方向の成分に応じた電荷ＱａおよびＢ軸方向の成分に応じた電荷Ｑｂを出力する。また、力検出素子４２は、圧電素子４２０と、圧電素子４２０をＣ軸方向から挟む一対の中間基板４２３、４２４と、を有する。また、圧電素子４２０は、Ａ軸方向のせん断力に応じて電荷Ｑａを出力する第１圧電素子４２１と、Ｂ軸方向のせん断力に応じて電荷Ｑｂを出力する第２圧電素子４２２と、を有する。
【0035】
図６に示すように、第１圧電素子４２１は、Ｃ軸方向マイナス側から、グランド電極層４２１Ａ、圧電体層４２１Ｂ、出力電極層４２１Ｃ、圧電体層４２１Ｄ、グランド電極層４２１Ｅ、圧電体層４２１Ｆ、出力電極層４２１Ｇ、圧電体層４２１Ｈ、グランド電極層４２１Ｉが順に積層した構成となっている。また、第２圧電素子４２２は、第１圧電素子４２１上に積層されており、Ｃ軸方向マイナス側から、グランド電極層４２２Ａ、圧電体層４２２Ｂ、出力電極層４２２Ｃ、圧電体層４２２Ｄ、グランド電極層４２２Ｅ、圧電体層４２２Ｆ、出力電極層４２２Ｇ、圧電体層４２２Ｈ、グランド電極層４２２Ｉが順に積層した構成となっている。なお、本実施形態では、グランド電極層４２１Ｉ、４２２Ａが一体化されている。
【0036】
また、圧電体層４２１Ｂ、４２１Ｄ、４２１Ｆ、４２１Ｈ、４２２Ｂ、４２２Ｄ、４２２Ｆ、４２２Ｈは、それぞれ、Ｙカット水晶板すなわち水晶の結晶軸であるＹ軸（機械軸）を厚さ方向とする水晶板で構成されている。これにより、高感度、広いダイナミックレンジ、高い剛性等の優れた特性を有する力検出素子４２となる。圧電体層４２１Ｂ、４２１Ｆでは、水晶の結晶軸であるＸ軸（電気軸）がＡ軸方向プラス側を向き、圧電体層４２１Ｄ、４２１Ｈでは、水晶のＸ軸がＡ軸方向マイナス側を向いている。また、圧電体層４２２Ｂ、４２２Ｆでは、水晶のＸ軸がＢ軸方向プラス側を向き、圧電体層４２２Ｄ、４２２Ｈでは、水晶のＸ軸がＢ軸方向マイナス側を向いている。
【0037】
ただし、圧電体層４２１Ｂ、４２１Ｄ、４２１Ｆ、４２１Ｈ、４２２Ｂ、４２２Ｄ、４２２Ｆ、４２２Ｈは、水晶以外の圧電材料を用いた構成であってもよい。水晶以外の圧電材料としては、例えば、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。
【0038】
また、グランド電極層４２１Ａ、４２１Ｅ、４２１Ｉ、４２２Ａ、４２２Ｅ、４２２Ｉは、それぞれ、グランド電位ＧＮＤに電気的に接続されている。また、出力電極層４２１Ｃ、４２１ＧからＡ軸方向の成分に応じた電荷Ｑａが出力され、出力電極層４２２Ｃ、４２２ＧからＢ軸方向の成分に応じた電荷Ｑｂが出力される。電荷Ｑａ、Ｑｂは、それぞれ、基体４１１に設けられた端子４１３を介して力検出回路７に送られる。
【0039】
一対の中間基板４２３、４２４は、圧電素子４２０をＣ軸方向両側から挟み込むように配置されている。これにより、中間基板４２３、４２４によってグランド電極層４２１Ａ、４２２Ｉを覆うことができ、これらを保護することができると共に、これらとパッケージ４１との意図しない導通を抑制することができる。また、Ｃ軸方向の与圧を圧電素子４２０の全域に均一に伝えることができる。
【0040】
中間基板４２３、４２４は、水晶で構成されている。これにより、高い機械的強度を有する中間基板４２３、４２４となり、外力を力検出素子４２に的確に伝達することができる。さらに、中間基板４２３は、隣接する圧電体層４２２Ｈと同じ構成となっている。すなわち、中間基板４２３は、Ｙカット水晶板であり、水晶のＸ軸がＢ軸方向マイナス側を向いている。同様に、中間基板４２４は、隣接する圧電体層４２１Ｂと同じ構成となっている。すなわち、中間基板４２４は、Ｙカット水晶板であり、水晶のＸ軸がＡ軸方向プラス側を向いている。このように、中間基板４２３、４２４の結晶軸を隣接する圧電体層４２２Ｈ、４２１Ｂの結晶軸と一致させることにより、これらの熱膨張係数を揃えることができ、熱膨張に起因する出力ドリフトを効果的に低減することができる。
【0041】
以上、力センサー４について説明した。ここで、４つの力センサー４を力センサー４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄとしたとき、これら４つの力センサー４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄの向きは、図７に示す通りである。力センサー４Ａは、Ａ軸がγ軸プラス側を向き、Ｂ軸がβ軸に対して＋４５°傾斜している。また、力センサー４Ｂは、Ａ軸がγ軸マイナス側を向き、Ｂ軸がβ軸に対して－４５°傾斜している。また、力センサー４Ｃは、Ａ軸がγ軸プラス側を向き、Ｂ軸がβ軸に対して－１３５°傾斜している。また、力センサー４Ｄは、Ａ軸がγ軸マイナス側を向き、Ｂ軸がβ軸に対して＋１３５°傾斜している。
【0042】
このような配置では、力センサー４Ａ、４Ｃの力検出軸であるＢ軸と、力センサー４Ｂ、４Ｄの力検出軸であるＢ軸と、がγ軸からの平面視で、互いに交差している。このように、複数の力センサー４の力検出軸が互いに同一とならず交差していることにより、外力の６軸成分を検出することができる。特に、本実施形態では、力センサー４Ａ、４ＣのＢ軸と、力センサー４Ｂ、４ＤのＢ軸と、が直交しているため、外力の６軸成分をより精度よく検出することができる。
【0043】
次に、慣性センサー６について説明するが、４つの慣性センサー６は、互いに同様の構成であるため、以下では、１つの慣性センサー６について代表して説明する。また、以下では、説明の便宜上、慣性センサー６の慣性検出軸として、互いに直交する３つの軸であるａ軸、ｂ軸およびｃ軸を設定し、さらに、各軸を示す矢印の先端側を「プラス側」とし、基端側を「マイナス側」とする。また、ａ軸に沿う方向を「ａ軸方向」、ｂ軸に沿う方向を「ｂ軸方向」、ｃ軸に沿う方向を「ｃ軸方向」という。
【0044】
慣性センサー６は、慣性計測ユニット（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）とも呼ばれ、ａ軸、ｂ軸およびｃ軸の各軸回りの角速度および各軸方向の加速度を独立して検出することができる６軸センサーである。図８に示すように、慣性センサー６は、アウターケース６１と、アウターケース６１に挿入されたセンサーモジュール６２と、これらを接合する接合部材６３と、を有する。アウターケース６１の外形は、平面形状が略正方形の直方体であり、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に、それぞれ取り付け用のネジ穴６１１が形成されている。
【0045】
センサーモジュール６２は、インナーケース６２１と、基板６２２と、を有する。インナーケース６２１は、基板６２２を支持する部材であり、アウターケース６１の内部に収まる形状となっている。また、インナーケース６２１には後述するコネクター６４を露出させるための開口６２１ａが形成されている。このようなインナーケース６２１は、接合部材６３を介してアウターケース６１に接合されている。
【0046】
図９に示すように、基板６２２の上面には、コネクター６４、ｃ軸回りの角速度を検出する角速度センサー６５ｃ、ａ軸、ｂ軸およびｃ軸の各軸方向の加速度を検出する加速度センサー６６などが実装されている。また、基板６２２の側面には、ａ軸回りの角速度を検出する角速度センサー６５ａおよびｂ軸回りの角速度を検出する角速度センサー６５ｂが実装されている。
【0047】
また、基板６２２の下面には、制御ＩＣ６７が実装されている。制御ＩＣ６７は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、慣性センサー６の各部を制御する。制御ＩＣ６７は、情報を処理するプロセッサー（ＣＰＵ）と、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有する。また、メモリーにはプロセッサーにより実行可能なプログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶されたプログラムを読み込んで実行する。このような制御ＩＣ６７は、角速度センサー６５ａ、６５ｂ、６５ｃおよび加速度センサー６６からの出力信号に基づいてａ軸、ｂ軸およびｃ軸の各軸回りの角速度および各軸方向の加速度をそれぞれ独立して検出する。
【0048】
以上、慣性センサー６について説明した。ここで、４つの慣性センサー６を慣性センサー６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄとしたとき、これら４つの慣性センサー６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄの配置は、図７に示す通りである。
【0049】
慣性センサー６Ａは、力センサー４Ａと対をなし、力センサー４Ａと同じ与圧部５２２に固定され、力センサー４Ａの近傍に配置されている。また、慣性センサー６Ｂは、力センサー４Ｂと対をなし、力センサー４Ｂと同じ与圧部５２２に固定され、力センサー４Ｂの近傍に配置されている。また、慣性センサー６Ｃは、力センサー４Ｃと対をなし、力センサー４Ｃと同じ与圧部５２２に固定され、力センサー４Ｃの近傍に配置されている。また、慣性センサー６Ｄは、力センサー４Ｄと対をなし、力センサー４Ｄと同じ与圧部５２２に固定され、力センサー４Ｄの近傍に配置されている。このように、対をなすセンサー同士を近接して配置することにより、対をなす慣性センサー６によって力センサー４の検出軸に加わった加速度および角速度を精度よく検出することができる。
【0050】
また、慣性センサー６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄの向きは、図７に示す通りである。慣性センサー６Ａのａ軸およびｂ軸は、それぞれ、対をなす力センサー４ＡのＡ軸およびＢ軸に沿っている。また、慣性センサー６Ｂのａ軸およびｂ軸は、それぞれ、対をなす力センサー４ＢのＡ軸およびＢ軸に沿っている。また、慣性センサー６Ｃのａ軸およびｂ軸は、それぞれ、対をなす力センサー４ＣのＡ軸およびＢ軸に沿っている。また、慣性センサー６Ｄのａ軸およびｂ軸は、それぞれ、対をなす力センサー４ＤのＡ軸およびＢ軸に沿っている。
【0051】
このように、対をなす慣性センサー６と力センサー４とで慣性検出軸と力検出軸とを揃えることにより、各慣性センサー６によって、対をなす力センサー４から出力される信号（電荷Ｑａ、Ｑｂ）に含まれる加速度成分および角速度成分を精度よく検出することができる。なお、前記「ａ軸がＡ軸に沿う」とは、ａ軸とＡ軸とが平行または同一直線状に位置している場合のみならず、例えば、技術上許容される誤差、製造上生じ得る誤差等を有する場合を含む意味である。前記「ｂ軸がＢ軸に沿う」についても同様であり、ｂ軸とＢ軸とが平行または同一直線状に位置している場合のみならず、例えば、技術上許容される誤差、製造上生じ得る誤差等を有する場合を含む意味である。
【0052】
ロボットシステム１は、以上述べたような力検出部３より得られる情報に基づいて、ロボットアーム２２の力制御を行うことができる。
【0053】
正確な力制御を行うためには、本来、力検出部３では、回転工具２３が作業対象物に接触することにより受ける反力、すなわち外力Ｆ０だけを検出したい。しかしながら、実際には、回転工具２３が作動すると、力検出部３は、回転工具２３に加わる外力Ｆ０に加え、支持部材２４の振動に起因する慣性成分である外力Ｆ１と、回転工具２３の加工部２３１の回転により生じる加工部２３１の遠心力ＦＴに起因する外力Ｆ２と、を受ける。力センサー４からの信号だけでは外力Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２を区別することができず、これらの合力Ｆ３（＝Ｆ０＋Ｆ１＋Ｆ２）として力を検出することとなる。そのため、検出対象である外力Ｆ０を精度よく検出することができない。そこで、本発明では、力検出部３は、力検出回路７により、外力Ｆ１および外力Ｆ２の値を求め、外力Ｆ１および外力Ｆ２を合力Ｆ３から除去することにより、外力Ｆ０を優れた精度で検出できるように構成されている。
【0054】
具体的には、力検出回路７は、慣性センサー６の検出値に基づいて外力Ｆ１を算出し、力センサー４の検出値に基づいて外力Ｆ２を算出する。
【0055】
以下、力検出回路７について説明するが、合力Ｆ３から外力Ｆ１を除去する補正を第１補正と言い、合力Ｆ３から外力Ｆ２を除去する補正を第２補正と言う。なお、回転工具２３を作業対象物と接触せずに回転させた状態について説明する。すなわち、外力Ｆ０＝０として説明する。
【0056】
図１０に示すように、力検出回路７は、力センサー４からの信号に基づいて力すなわち合力Ｆ３を算出する第１処理部７１と、第１処理部７１で算出された力から慣性成分すなわち外力Ｆ１を除去する第２処理部７２と、第２処理部で処理された情報に基づいて外力Ｆ０＋Ｆ２を算出する第３処理部７３と、外力Ｆ０＋Ｆ２から加工部２３１の回転により受ける力すなわち外力Ｆ２を除去する第４処理部７４と、を有する。これらのうち、第２処理部７２および第３処理部７３が第１補正部であり、第４処理部７４が第２補正部である。
【0057】
まず、第１の補正について説明する。
第１処理部７１は、力センサー４Ａからの電荷Ｑａ、Ｑｂに基づいて力センサー４Ａに加わった力（Ａ軸方向のせん断力ＦＡａおよびＢ軸方向のせん断力ＦＡｂ）を算出し、力センサー４Ｂからの電荷Ｑａ、Ｑｂに基づいて力センサー４Ｂに加わった力（Ａ軸方向のせん断力ＦＢａおよびＢ軸方向のせん断力ＦＢｂ）を算出し、力センサー４Ｃからの電荷Ｑａ、Ｑｂに基づいて力センサー４Ｃに加わった力（Ａ軸方向のせん断力ＦＣａおよびＢ軸方向のせん断力ＦＣｂ）を算出し、力センサー４Ｄからの電荷Ｑａ、Ｑｂに基づいて力センサー４Ｄに加わった力（Ａ軸方向のせん断力ＦＤａおよびＢ軸方向のせん断力ＦＤｂ）を算出する。
第１処理部７１は、力センサー４Ａからの電荷Ｑａ、Ｑｂに基づいて力センサー４Ａに加わった力（Ａ軸方向のせん断力ＦＡａおよびＢ軸方向のせん断力ＦＡｂ）を算出し、力センサー４Ｂからの電荷Ｑａ、Ｑｂに基づいて力センサー４Ｂに加わった力（Ａ軸方向のせん断力ＦＢａおよびＢ軸方向のせん断力ＦＢｂ）を算出し、力センサー４Ｃからの電荷Ｑａ、Ｑｂに基づいて力センサー４Ｃに加わった力（Ａ軸方向のせん断力ＦＣａおよびＢ軸方向のせん断力ＦＣｂ）を算出し、力センサー４Ｄからの電荷Ｑａ、Ｑｂに基づいて力センサー４Ｄに加わった力（Ａ軸方向のせん断力ＦＤａおよびＢ軸方向のせん断力ＦＤｂ）を算出する。
【0058】
ここで、前述したように、第１処理部７１で算出したＡ軸方向のせん断力ＦＡａ～ＦＤａには、支持部材２４の駆動に起因して回転工具２３に加わるＡ軸方向の加速度成分およびＡ軸回りの角速度成分が含まれており、Ｂ軸方向のせん断力ＦＡｂ～ＦＤｂには、支持部材２４の駆動に起因して回転工具２３に加わるＢ軸方向の加速度成分およびＢ軸回りの角速度成分が含まれている。そこで、第２処理部７２では、第１処理部７１で算出したＡ軸方向のせん断力ＦＡａ～ＦＤａからＡ軸方向の加速度成分およびＡ軸回りの角速度成分を除去し、Ｂ軸方向のせん断力ＦＡｂ～ＦＤｂからＢ軸方向の加速度成分およびＢ軸回りの角速度成分を除去する。
【0059】
第２処理部７２は、慣性センサー６Ａで検出されたａ軸方向の加速度ＡＡａに基づいてＡ軸方向の加速度に起因して力センサー４Ａが受けたせん断力ＦＡＡａを算出し、慣性センサー６Ａで検出されたｂ軸方向の加速度ＡＡｂに基づいて、Ｂ軸方向の加速度に起因して力センサー４Ａが受けたせん断力ＦＡＡｂを算出し、慣性センサー６Ａで検出されたａ軸回り角速度ωＡａに基づいて、Ａ軸回りの角速度に起因して力センサー４Ａが受けたせん断力ＦωＡａを算出し、慣性センサー６Ａで検出されたｂ軸回り角速度ωＡｂに基づいて、Ｂ軸回りの角速度に起因して力センサー４Ａが受けたせん断力ＦωＡｂを算出する。
【0060】
せん断力ＦＡＡａ、ＦＡＡｂは、例えば、回転工具２３の質量等から算出される係数と加速度ＡＡａ、ＡＡｂとの乗算により算出することができる。また、せん断力ＦωＡａ、ＦωＡｂは、例えば、回転工具２３の質量等から算出される係数と角速度ωＡａ、ωＡｂとの乗算により算出することができる。ただし、せん断力ＦＡＡａ、ＦＡＡｂ、ＦωＡａ、ＦωＡｂの算出方法は、特に限定されない。
【0061】
同様に、第２処理部７２は、慣性センサー６Ｂ、６Ｃ、６Ｄで検出されたａ軸方向およびｂ軸方向の加速度ＡＢａ、ＡＢｂ、ＡＣａ、ＡＣｂ、ＡＤａ、ＡＤｂに基づいて、Ａ軸方向およびＢ軸方向の加速度に起因して力センサー４Ｂ、４Ｃ、４Ｄが受けたせん断力ＦＡＢａ、ＦＡＢｂ、ＦＡＣａ、ＦＡＣｂ、ＦＡＤａ、ＦＡＤｂを求め、慣性センサー６Ｂ、６Ｃ、６Ｄで検出されたａ軸回りおよびｂ軸回りの角速度ωＢａ、ωＢｂ、ωＣａ、ωＣｂ、ωＤａ、ωＤｂに基づいて、Ａ軸回りおよびＢ軸回りの角速度に起因して力センサー４Ｂ、４Ｃ、４Ｄが受けたせん断力ＦωＢａ、ＦωＢｂ、ＦωＣａ、ＦωＣｂ、ＦωＤａ、ＦωＤｂを求める。
【0062】
次に、第２処理部７２は、せん断力ＦＡａからせん断力ＦＡＡａ、ＦωＡａを減算することにより補正せん断力ＦＡａ０を算出し、せん断力ＦＡｂからせん断力ＦＡＡｂ、ＦωＡｂを減算することにより補正せん断力ＦＡｂ０を算出する。つまり、ＦＡａ０＝ＦＡａ－（ＦＡＡａ＋ＦωＡａ）であり、ＦＡｂ０＝ＦＡｂ－（ＦＡＡｂ＋ＦωＡｂ）である。これにより、せん断力ＦＡａ、ＦＡｂから力センサー４Ａが受けた角速度および角速度に起因する力成分である外力Ｆ１が除去された補正せん断力ＦＡａ０、ＦＡｂ０が得られる。
【0063】
同様に、第２処理部７２は、せん断力ＦＢａからせん断力ＦＡＢａ、ＦωＢａを減算することにより補正せん断力ＦＢａ０を算出し、せん断力ＦＢｂからせん断力ＦＡＢｂ、ＦωＢｂを減算することにより補正せん断力ＦＢｂ０を算出する。また、せん断力ＦＣａからせん断力ＦＡＣａ、ＦωＣａを減算することにより補正せん断力ＦＣａ０を算出し、せん断力ＦＣｂからせん断力ＦＡＣｂ、ＦωＣｂを減算することにより補正せん断力ＦＣｂ０を算出する。また、せん断力ＦＤａからせん断力ＦＡＤａ、ＦωＤａを減算することにより補正せん断力ＦＤａ０を算出し、せん断力ＦＤｂからせん断力ＦＡＤｂ、ＦωＤｂを減算することにより補正せん断力ＦＤｂ０を算出する。
【0064】
第３処理部７３は、第２処理部７２により算出された８つの補正せん断力ＦＡａ０、ＦＡｂ０、ＦＢａ０、ＦＢｂ０、ＦＣａ０、ＦＣｂ０、ＦＤａ０、ＦＤｂ０に基づいて、外力Ｆ０＋Ｆ２（α軸方向の並進力成分Ｆα、β軸方向の並進力成分Ｆβ、γ軸方向の並進力成分Ｆγ、α軸周りの回転力成分Ｍα、β軸周りの回転力成分Ｍβ、γ軸周りの回転力成分Ｍγ）を算出する。
【0065】
このような第２処理部７２および第３処理部７３が、第１の補正を行う第１補正部である。
【0066】
次に、第２の補正について説明する。
外力Ｆ０＋Ｆ２のうち、α軸方向の並進力成分Ｆαおよびβ軸方向の並進力成分Ｆβには、図１１および図１２に示す、回転軸Ｏからずれた重心Ｇを有する加工部２３１の回転により生じる遠心力ＦＴに起因する外力Ｆ２が含まれている。第４処理部７４は、α軸方向の並進力成分Ｆαから、加工部２３１の遠心力ＦＴのα軸方向の並進力成分ＦＴαを除去して、並進力成分Ｆαｘを算出する補正を行うとともに、β軸方向の並進力成分Ｆβから、加工部２３１の遠心力ＦＴのβ軸方向の並進力成分ＦＴβを除去して、並進力成分Ｆβｘを算出する補正を行う。このようにして得られたＦαｘおよびＦβｘは、ロボット制御装置２０へ送信され、信号処理がなされる。
外力Ｆ０＋Ｆ２のうち、α軸方向の並進力成分Ｆαおよびβ軸方向の並進力成分Ｆβには、図１１および図１２に示す、回転軸Ｏからずれた重心Ｇを有する加工部２３１の回転により生じる遠心力ＦＴに起因する外力Ｆ２が含まれている。第４処理部７４は、α軸方向の並進力成分Ｆαから、加工部２３１の遠心力ＦＴのα軸方向の並進力成分ＦＴαを除去して、並進力成分Ｆαｘを算出する補正を行うとともに、β軸方向の並進力成分Ｆβから、加工部２３１の遠心力ＦＴのβ軸方向の並進力成分ＦＴβを除去して、並進力成分Ｆβｘを算出する補正を行う。このようにして得られたＦαｘおよびＦβｘは、ロボット制御装置２０へ送信され、信号処理がなされる。
【0067】
外力Ｆ０＝０であるため、外力Ｆ２は、加工部２３１の遠心力ＦＴの大きさと同じであるとみなすことができる。すなわち、α軸方向の並進力成分Ｆαおよびβ軸方向の並進力成分Ｆβを経時的な波形で示したとき、その波形の振幅は、加工部２３１の遠心力ＦＴの大きさとみなすことができる。
【0068】
回転工具２３の加工部２３１およびモーター２３２のローターの重心（以下、単に「重心Ｇ」とも言う）は、回転軸Ｏと一致していることが理想であるが、加工部２３１等の形状、組立精度、組付け誤差等の影響で、回転軸Ｏから偏心した位置にあることが多い。回転軸Ｏから重心Ｇまでの距離をｒとし、加工部２３１およびモーター２３２のローターの重心Ｇでの質量をｍとし、加工部２３１の回転速度（回転数）をωとしたとき、回転工具２３に作用する遠心力ＦＴは、ｍω２ｒで表すことができる。ωは、エンコーダー２３３からの出力値から求めることができる。すなわち、ωは、エンコーダー２３３が検出した位置情報と時間とに基づいて算出することができる。また、重心Ｇ、および、回転軸Ｏから重心Ｇまでの距離ｒは、何らかの方法で算出し、例えば第４処理部７４に記憶させておく。
【0069】
遠心力ＦＴが回転工具２３に作用する方向は、モーター２３２の回転位置（回転角度）に応じて変わってくる。図１２に示すように、図１１中矢印Ｂ方向から見たとき、例えば、重心Ｇが基準位置Ｐ０から反時計回りに６０°の位置にあるときには、基準位置Ｐ０から反時計回りに６０°の方向の遠心力ＦＴ（＝ｍω２ｒ）が生じる。この遠心力ＦＴは、支持部材２４を介して力検出部３に伝達され、力検出部３の力センサー４には、遠心力ＦＴと同じ大きさ、同じ方向の力である外力Ｆ２が加わる。この遠心力ＦＴおよび外力Ｆ２の方向は、時間の経過と共に、すなわち回転軸Ｏ回りの重心Ｇの位置（角度ωｔ＋φ）の変化に伴って随時変化する。なお、本実施形態では、基準位置Ｐ０は、図１２中、回転軸Ｏを中心として３時の位置としている。
【0070】
時間ｔのときの基準位置Ｐ０に対する重心Ｇの角度は、ωｔ＋φで表すことができる。φは、初期角度であり、基準位置Ｐ０からの回転角度である。
【0071】
このため、遠心力ＦＴのα軸方向の並進力成分ＦＴαは、
ＦＴα＝ｍω２ｒ×ｓｉｎ（ωｔ＋φ）・・・（式１）
となり、遠心力ＦＴのβ軸方向の並進力成分ＦＴβは、
ＦＴβ＝ｍω２ｒ×ｃｏｓ（ωｔ＋φ）・・・（式２）
となる。
ＦＴα＝ｍω２ｒ×ｓｉｎ（ωｔ＋φ）・・・（式１）
となり、遠心力ＦＴのβ軸方向の並進力成分ＦＴβは、
ＦＴβ＝ｍω２ｒ×ｃｏｓ（ωｔ＋φ）・・・（式２）
となる。
【0072】
図１３および図１４に示すように、力検出部３が受ける力で見ると、外力Ｆ２のα軸方向の並進力成分Ｆαは、
Ｆα＝ｍω２ｒ×ｓｉｎ（ωｔ＋φ）・・・（式１’）
となり、外力Ｆ２のβ軸方向の並進力成分Ｆβは、
Ｆβ＝ｍω２ｒ×ｃｏｓ（ωｔ＋φ）・・・（式２’）
となる。
Ｆα＝ｍω２ｒ×ｓｉｎ（ωｔ＋φ）・・・（式１’）
となり、外力Ｆ２のβ軸方向の並進力成分Ｆβは、
Ｆβ＝ｍω２ｒ×ｃｏｓ（ωｔ＋φ）・・・（式２’）
となる。
【0073】
力センサー４が検出したα軸方向の並進力成分Ｆαの大きさをω２で除算することにより、ｍ×ｒを求めることができる。β軸方向の並進力成分Ｆβの大きさをω２で除算してもｍ×ｒを求めることができる。
【0074】
このようにして、ｍ、ｒおよび初期角度φを求めておくと、ロボット２の作業中に、前記式１および式２に時間ｔおよび回転速度ωを代入するという簡単な方法によって、そのときの遠心力ＦＴの大きさと方向を把握することができる。すなわち並進力成分ＦＴαおよびＦＴβを把握することができる。
【0075】
同様に、前記式１’および式２’を用いて外力Ｆ２のα軸方向の並進力成分Ｆαを求めることができるとともに、外力Ｆ２のβ軸方向の並進力成分Ｆβを求めることができる。
【0076】
よって、遠心力ＦＴのα軸方向の並進力成分Ｆαｘ（＝Ｆα－ＦＴα）を求めることができるとともに、遠心力ＦＴのβ軸方向の並進力成分Ｆβｘ（＝Ｆβ－ＦＴβ）を求めることができる。
【0077】
そして、これらの値（並進力成分Ｆαｘ、並進力成分Ｆβｘ）を、α軸方向の並進力成分Ｆαおよびβ軸方向の並進力成分Ｆβからそれぞれ減算することにより、回転工具２３の加工部２３１の回転により生じる加工部２３１の遠心力ＦＴに起因する外力Ｆ２を外力Ｆ０から除去することができる。
【0078】
このようにして算出された外力Ｆ０は、より正確な値であり、ロボット制御装置２０に送信される。そして、ロボット制御装置２０は、外力Ｆ０に基づいてロボット２のロボットアーム２２の駆動を制御し、ロボットアーム２２の移動および回転工具２３を用いた作業対象物への作業を行うことができる。これにより、ロボット２をより精度よく制御することができる。
【0079】
特に、回転速度ωを一定の値とし、作業中に回転速度ωをリアルタイムで検出せずに、定められた値を代入する方法も考えられるが、このような方法であると、リアルタイムの回転速度ωの変化に対応することができず、正確な補正が難しい。よって、本発明は、作業中に回転速度ωが随時変化した場合であっても、より正確な補正が可能となる。その結果、ロボットアーム２２の駆動に際し、より適正な制御、特に力検出部３の検出値に基づく力制御をより適正に行うことができる。
【0080】
以上、第２の補正について整理すると、下記表１に示すようになる。
【0081】
【表1】
【0082】
ＦＴ…遠心力成分
ＦＴα：並進力成分
ＦＴβ：並進力成分
Ｆα：並進力成分
Ｆβ：並進力成分
Ｆ０：外力（加工部２３１が作業対象物から受ける反力）
Ｆ１：慣性成分
Ｆα１：補正成分
Ｆβ１：補正成分
Ｆαｘ：並進力成分（補正後の成分）
Ｆβｘ：並進力成分（補正後の成分）
ｍ：加工部２３１の重心Ｇでの質量
ω：加工部２３１の回転速度
φ：初期角度
ｒ：回転軸Ｏから重心Ｇまでの距離
ＦＴα：並進力成分
ＦＴβ：並進力成分
Ｆα：並進力成分
Ｆβ：並進力成分
Ｆ０：外力（加工部２３１が作業対象物から受ける反力）
Ｆ１：慣性成分
Ｆα１：補正成分
Ｆβ１：補正成分
Ｆαｘ：並進力成分（補正後の成分）
Ｆβｘ：並進力成分（補正後の成分）
ｍ：加工部２３１の重心Ｇでの質量
ω：加工部２３１の回転速度
φ：初期角度
ｒ：回転軸Ｏから重心Ｇまでの距離
【0083】
以上説明したように、ロボットシステム１は、先端部を有するロボットアーム２２と、ロボットアーム２２の先端部に設置され、外力を検出する力検出部３と、力検出部３に設置され、回転軸Ｏ回りに回転する加工部２３１を有する回転工具２３を支持する支持部材２４と、加工部２３１の回転位置を検出する回転位置検出部の一例であるエンコーダー２３３と、エンコーダー２３３が検出した回転位置に基づいて、力検出部３が出力した検出値を補正する補正部としての第４処理部７４と、を備える。これにより、エンドエフェクターの一例である回転工具２３に実際に加わった力（例えば、Ｆ０）をより正確に検出することができる。よって、ロボット２のロボットアーム２２をより適正に制御し、駆動することができる。
【0084】
なお、本実施形態では、力検出回路７が補正、すなわち、第１の補正および第２の補正を行う構成であったが、本発明ではこれに限定されず、ロボット制御装置２０が第１の補正および第２の補正を行う構成であってもよい。
【0085】
補正部である第４処理部７４は、加工部２３１の回転の遠心力ＦＴに起因する力の成分を検出値から除去する補正を行う。検出値のノイズの大半を占める加工部２３１の回転の遠心力ＦＴに起因する力を除去することにより、力検出部３の検出精度をより高めることができる。
【0086】
補正部である第４処理部７４は、支持部材２４の振動に起因する力の成分を除去する第１の補正と、加工部２３１の回転の遠心力ＦＴに起因する力の成分を検出値から除去する第２の補正とを行う。これにより、力検出部３の検出精度をさらに高めることができる。なお、本発明では、第１の補正を行うのを省略し、あるいは簡略化してもよい。
【0087】
力検出部３が検出する検出値は、回転軸Ｏを法線（γ軸）とする面（α－β面）内で互いに直交するα軸およびβ軸を設定したとき、α軸に沿った力の成分Ｆαと、β軸に沿った力の成分Ｆβとを含み、第２の補正は、α軸に沿った補正成分Ｆα１および前記β軸に沿った補正成分Ｆβ１値を求め、成分Ｆαから補正成分Ｆα１を減算し、成分Ｆβから補正成分Ｆβ１を減算することにより行われる。これにより、力検出部３の検出精度をさらに高めることができる。
【0088】
支持部材２４は、ロボットアーム２２の先端部に設定された制御点ＴＣＰから、回転軸Ｏと直交する方向に離間した位置で回転工具２３を支持する。すなわち、回転軸Ｏは、力検出部３の中心軸Ａ１と離間している。このような構成であると、制御点ＴＣＰと回転軸Ｏとが一致している場合と比較して、制御点ＴＣＰと作業対象物であるワークに対し加工部２３１が加工する加工点との距離を短くすることができるため、加工の精度を向上することができる。また、力検出部３は、回転工具２３の遠心力ＦＴの影響をより大きく受けやすく本発明の効果をより有効に発揮することができる。
【0089】
図１１に示すように、制御点ＴＣＰと回転軸Ｏとの離間距離Ｌは、特に限定されないが、例えば、２ｍｍ以上５００ｍｍ以下とするのが好ましく、５ｍｍ以上３００ｍｍ以下とするのがより好ましい。なお、ここでの直交とは、技術上許容される誤差、製造上生じ得る誤差等を有する場合を含む意味である。
【0090】
なお、支持部材２４は、ロボットアーム２２の先端に設定された制御点ＴＣＰと、回転軸Ｏとが重なる位置で回転工具２３を支持する構成であってもよい。すなわち、制御点ＴＣＰと、回転軸Ｏとが一致している（離間距離Ｌ＝０）構成であってもよい。
【0091】
＜第２実施形態＞
図１５は、本発明の第２実施形態に係わる回転位置検出部の構成を示す側面図である。
図１５は、本発明の第２実施形態に係わる回転位置検出部の構成を示す側面図である。
【0092】
以下、図１５を参照しつつ本発明のロボットシステムの第２実施形態について説明するが、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については説明を省略する。
【0093】
前記第１実施形態では、回転位置検出部の一例としてエンコーダー２３３について説明したが、本発明ではこれに限定されない。すなわち、第２実施形態における回転位置検出部は、加工部２３１に設けられたマーカー２３４と、撮像部としてのモーションキャプチャーカメラ２３５とを有する。マーカー２３４は、重心Ｇの位置に設置することができるが、これに限定されない。また、撮像部は、モーションキャプチャーカメラ２３５に限定されず、他の電子式カメラであってもよい。
【0094】
モーションキャプチャーカメラ２３５は、回転している加工部２３１のマーカー２３４を撮像する。モーションキャプチャーカメラ２３５は、ロボット制御装置２０と電気的に接続されており、モーションキャプチャーカメラ２３５で撮像された画像データは、ロボット制御装置２０へ随時送信され、信号処理がなされる。
【0095】
ロボット制御装置２０では、モーションキャプチャーカメラ２３５の画像データから、マーカー２３４の回転位置情報を作成し、このマーカー２３４の回転位置情報に基づいて、加工部２３１の回転位置（角度ωｔ＋φ）および回転速度（ω）等を求めることができる。求めた加工部２３１の回転位置等に基づいて、前記と同様の第１の補正および第２の補正を行う。
【0096】
第２実施形態における前述した第１の補正および第２の補正の方法は、第１実施形態と同様である。第２実施形態のロボットシステムにおいても、第１実施形態で述べたのと同様の効果が得られる。
【0097】
以上、本発明のロボットシステムを、図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、各実施形態のロボットシステムは、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
【符号の説明】
【0098】
１…ロボットシステム、２…ロボット、３…力検出部、４…力センサー、４Ａ…力センサー、４Ｂ…力センサー、４Ｃ…力センサー、４Ｄ…力センサー、５…ケース、６…慣性センサー、６Ａ…慣性センサー、６Ｂ…慣性センサー、６Ｃ…慣性センサー、６Ｄ…慣性センサー、７…力検出回路、２０…ロボット制御装置、２１…基台、２２…ロボットアーム、２３…回転工具、２４…支持部材、４１…パッケージ、４２…力検出素子、５０…与圧ボルト、５１…第１ケース部材、５２…第２ケース部材、５３…側壁部材、６１…アウターケース、６２…センサーモジュール、６３…接合部材、６４…コネクター、６５ａ…角速度センサー、６５ｂ…角速度センサー、６５ｃ…角速度センサー、６６…加速度センサー、６７…制御ＩＣ、７１…第１処理部、７２…第２処理部、７３…第３処理部、７４…第４処理部、２２１…アーム、２２２…アーム、２２３…アーム、２２４…アーム、２２５…アーム、２２６…アーム、２３１…加工部、２３２…モーター、２３３…エンコーダー、２３４…マーカー、２３５…モーションキャプチャーカメラ、２４１…貫通孔、４１１…基体、４１２…蓋体、４１３…端子、４２０…圧電素子、４２１…第１圧電素子、４２１Ａ…グランド電極層、４２１Ｂ…圧電体層、４２１Ｃ…出力電極層、４２１Ｄ…圧電体層、４２１Ｅ…グランド電極層、４２１Ｆ…圧電体層、４２１Ｇ…出力電極層、４２１Ｈ…圧電体層、４２１Ｉ…グランド電極層、４２２…第２圧電素子、４２２Ａ…グランド電極層、４２２Ｂ…圧電体層、４２２Ｃ…出力電極層、４２２Ｄ…圧電体層、４２２Ｅ…グランド電極層、４２２Ｆ…圧電体層、４２２Ｇ…出力電極層、４２２Ｈ…圧電体層、４２２Ｉ…グランド電極層、４２３…中間基板、４２４…中間基板、５１０…上面、５１１…天板、５１１ａ…貫通孔、５１２…与圧部、５１２ａ…貫通孔、５２０…下面、５２１…底板、５２１ａ…貫通孔、５２２…与圧部、５２２ａ…雌ネジ孔、６１１…ネジ穴、６２１…インナーケース、６２１ａ…開口、６２２…基板、Ａ１…中心軸、ＡＡａ…加速度、ＡＡｂ…加速度、ＡＢａ…加速度、ＡＢｂ…加速度、ＡＣａ…加速度、ＡＣｂ…加速度、ＡＤａ…加速度、ＡＤｂ…加速度、ＣＬ…線分、Ｅ…エンコーダー、Ｆ０…外力、Ｆ２…外力、ＦＡＡａ…せん断力、ＦＡＡｂ…せん断力、ＦＡＢａ…せん断力、ＦＡＢｂ…せん断力、ＦＡＣａ…せん断力、ＦＡＣｂ…せん断力、ＦＡＤａ…せん断力、ＦＡＤｂ…せん断力、ＦＡａ…せん断力、ＦＡａ０…補正せん断力、ＦＡｂ…せん断力、ＦＡｂ０…補正せん断力、ＦＢａ…せん断力、ＦＢａ０…補正せん断力、ＦＢｂ…せん断力、ＦＢｂ０…補正せん断力、ＦＣａ…せん断力、ＦＣａ０…補正せん断力、ＦＣｂ…せん断力、ＦＣｂ０…補正せん断力、ＦＤａ…せん断力、ＦＤａ０…補正せん断力、ＦＤｂ…せん断力、ＦＤｂ０…補正せん断力、ＦＴ…遠心力、ＦＴα…並進力成分、ＦＴβ…並進力成分、Ｆα…並進力成分、Ｆαｘ…並進力成分、Ｆβ…並進力成分、Ｆβｘ…並進力成分、Ｆγ…並進力成分、ＦωＡａ…せん断力、ＦωＡｂ…せん断力、ＦωＢａ…せん断力、ＦωＢｂ…せん断力、ＦωＣａ…せん断力、ＦωＣｂ…せん断力、ＦωＤａ…せん断力、ＦωＤｂ…せん断力、Ｇ…重心、ＧＮＤ…グランド電位、Ｊ１…関節、Ｊ２…関節、Ｊ３…関節、Ｊ４…関節、Ｊ５…関節、Ｊ６…関節、Ｍ…モーター、Ｍα…回転力成分、Ｍβ…回転力成分、Ｍγ…回転力成分、Ｏ…回転軸、Ｐ…矢印、Ｐ０…基準位置、Ｑａ…電荷、Ｑｂ…電荷、Ｓ…収納空間、Ｓ１…内部空間、ＴＣＰ…制御点
【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14】
【図15】