DE102017005043A1

DE102017005043A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erkennen einer Abnormalität eines Gelenks eines Parallelarmroboters

Info

Publication number: DE102017005043A1
Application number: DE102017005043.0A
Authority: DE
Inventors: Kenichiro Abe; Hikaru Yamashiro; Yukio Takeda; Yusuke Sugahara; Daisuke Matsuura; Masumi OHNO; Yunfeng Wu
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Fanuc Corp
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Fanuc Corp
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2037-05-27
Also published as: CN107457798A; US20170348855A1; US10350753B2; CN107457798B; JP2017217709A; JP6374439B2; DE102017005043B4

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mühelosen Erkennen einer Abnormalität eines Gelenkteils eines Delta-Parallelarmroboters, der eine Verbindungskugelstruktur aufweist, durch Schätzen eines Reibungsmoments eines Kugelgelenks des Roboters. Eine Steuerung des Roboters weist auf: einen Steuerabschnitt, der dazu konfiguriert ist, die Bewegung des Roboters zu steuern; einen Drehmoment-Messabschnitt, der dazu konfiguriert ist, während der Roboter betrieben wird, einen Änderungsbetrag eines Antriebsmoments basierend auf einem Stromwert des Motors zu messen oder zu berechnen, bevor und nachdem der Roboter eine festgelegte Haltung darstellt, bei der ein Vorzeichen einer relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen einer Kugel und einem Gehäuse des Kugelgelenks geändert wird; und einen Beurteilungsabschnitt, der dazu konfiguriert ist zu beurteilen, dass, wenn der gemessene Änderungsbetrag einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, ein Reibungszustand des Kugelgelenks entsprechend dem Motor abnormal ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen einer Abnormalität eines Gelenks eines Parallelarmroboters.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Als Mittel zum Positionieren eines einen Endeffektor aufweisenden beweglichen Teils in drei Dimensionen ist ein Parallelarmroboter mit einem Delta-Parallelarmmechanismus wohlbekannt. Der Delta-Parallelarmroboter weist einen Basisteil, einen beweglichen Teil und einen Antriebsverbindungsarm und einen passiven (angetriebenen) Verbindungsarm zum Verbinden des beweglichen Teils mit dem Basisteil auf. In vielen Fällen weist der Parallelarmroboter drei Paare von Antriebsverbindungsarmen und passiven Verbindungsarmen auf, und der bewegliche Teil kann mit drei Freiheitsgraden (X, Y, Z) durch einzelnes Steuern der Bewegung jedes Paares bewegt werden.
Im Allgemeinen sind der passive Verbindungsarm und der Antriebsverbindungsarm über ein drei Freiheitsgrade aufweisendes Kugelgelenk verbunden, und der passive Verbindungsarm und der bewegliche Verbindungsarm sind ebenfalls über ein drei Freiheitsgrade aufweisendes Kugelgelenk verbunden. Beispielsweise offenbart JP 2002-529258 A eine Ausgestaltung eines Kugelgelenks, in der eine Kugel geometrisch von einem Gehäuse getrennt ist und die Kugel zu dem Gehäuse hin durch ein elastisches Material, wie eine Feder, vorgespannt ist. Des Weiteren offenbart JP 2014-046406 A ein Beispiel eines Gelenks eines Parallelarmroboters, der eine Verbindungskugel-Struktur aufweist, in der eine Kugel und ein Gehäuse so zusammengeführt sind, dass die Kugel nicht ohne weiteres von dem Gehäuse getrennt werden kann.
Andererseits ist es eine herkömmliche Technik, eine Abnormalität der Bewegung eines Roboters frühzeitig zu erkennen und dann eine Verringerung einer Arbeitsrate des Roboters zu begrenzen. Beispielsweise offenbart JP 2005-186183 A ein Abnormalitäts-Beurteilungsverfahren, das umfasst: Berechnen einer geschätzten momentanen Position basierend auf einer Sollposition durch einen Tiefpassfilter, der eine Zeitkonstante aufweist, die einem Kehrwert einer Positions-Schleifenverstärkung entspricht; Berechnen eines Absolutwerts einer Differenz zwischen der geschätzten momentanen Position und einer durch einen an einem Servomotor befestigten Geber erkannten momentanen Ist-Position; Berechnen einer Gesamtmenge eines Beobachter-Feedbacks basierend auf einem Drehmoment-Sollwert zum Antreiben des Servomotors, einem Differenzwert der Ist-Position und einem bekannten Stördrehmoment; Berechnen eines Abnormalitäts-Erkennungsschwellenwerts basierend auf der Gesamtmenge des Beobachter-Feedbacks und einer geschätzten Geschwindigkeit, die durch Differenzieren der geschätzten momentanen Position erhalten wird; und Beurteilen, dass eine Abnormalität in dem Roboter auftritt, wenn der Absolutwert größer er als der Abnormalitäts-Erkennungsschwellenwert ist.
Des Weiteren offenbart JP 2006-281421 A ein Abnormalitäts-Erkennungsverfahren, umfassend: Messen einer Eigenfrequenz eines Roboterarms in Bezug auf ein Gelenk eines Roboterkörpers; Einstellen einer konstanten Geschwindigkeitsbewegung, bei der der Roboterarm am meisten durch von einem Antriebsmotor und einem Untersetzungsgetriebe erzeugten Schwingungen resoniert, als eine Betriebsbedingung zum Erkennen einer Abnormalität des Roboterkörpers; und Beurteilen, dass eine Abnormalität in dem Roboterkörper auftritt, wenn ein variabler Drehmomentwert, der aus einem Motordrehmomentwert berechnet wird, der durch Verwendung eines an dem Antriebsmotor oder dem Untersetzungsgetriebe bereitgestellten Temperatursensors korrigiert wird, einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
In der wie in JP 2002-529258 A beschriebenen Ausgestaltung kann, wenn eine Kollision oder unerwartet hohe Geschwindigkeitsbewegung auftritt, eine Bindungskraft zum Halten der Kugel in dem Gehäuse an dem Gelenk des passiven Verbindungsarms verringert werden, wodurch das Gelenk dementiert werden kann.
Andererseits kann in der Ausgestaltung von JP 2014-046406 A die Kugel aufgrund einer mechanischen Verbindung nicht ohne weiteres von dem Gehäuse getrennt werden, wenn eine Kollision usw. auftritt. Wenn diesbezüglich, wie in JP 2002-529258 A , eine elastische Kraft, wie die Feder, verwendet wird, kann die Reibungskraft des Kugelgelenks aufgrund der elastischen Kraft im Wesentlichen konstant gehalten werden. Andererseits kann in der der Verbindungskugel-Struktur, wie in JP 2014-046406 A , die Reibungskraft aufgrund eines Abstands zwischen Plattenlochmitten oder Produktionsschwankungen der Verbindungskugel beträchtlich verändert werden. Wenn des Weitern ein Fremdstoff in einen Kugelgleitabschnitt der Verbindungskugel eindringt, kann die Gleitbewegung des Kugelgelenks nicht leichtgängig ausgeführt werden und dessen Reibungskraft kann übermäßig erhöht werden.
Wenn die Reibungskraft des Kugelgelenks übermäßig erhöht wird, dann wird ein Drehmoment des Antriebsmotors ebenfalls erhöht. Als eine Folge davon kann sich ein kontinuierliches Bewegungsverhalten des Roboters verschlechtern, eine überschüssige Last kann auf jedes Bauteil der Verbindungsarmstruktur ausgeübt werden, und/oder eine überschüssige Wärme kann an dem Kugelgelenk erzeugt werden, wodurch eine unerwartete Fehlfunktion auftreten kann. Im Allgemeinen wird ein Delta-Roboter verwendet, wenn eine Hochgeschwindigkeitsbewegung erforderlich ist und daher eine Hand oder ein Zusatzgerät des Roboters ernsthaft beschädigt werden kann, wenn die oben angesprochene Fehlfunktion auftritt. Wenn eine Abnormalität in dem Kugelgelenk auftritt ist es daher erwünscht, dass die Abnormalität sobald wie möglich erfasst oder erkannt wird.
Es kann schwierig sein, eine Abnormalität des Kugelgelenks des Delta-Parallelarmroboters durch Verwendung des Verfahrens von JP 2005-186183 A oder JP 2006-281421 A zu erkennen, da das Kugelgelenk des Delta-Parallelarmroboters ein passives Gelenk ist, das der Haltung des Roboters folgt und von der Antriebsseite (Antriebsmotor) weg positioniert ist, und es ist somit schwierig, den Reibungszustand des passiven Gelenks zu erkennen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein müheloses Erkennen einer Abnormalität eines Gelenkteils oder eines eine Verbindungskugel-Struktur aufweisenden Delta-Parallelarmroboters vorzusehen, indem ein Reibungsmoment (Gleitverschleiß) eines Kugelgelenks des Roboters geschätzt wird.
Folglich sieht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erkennen einer Abnormalität eines Gelenkteils eines Parallelarmroboters vor, wobei der Parallelarmroboter umfasst: einen Basisteil, einen beweglichen Teil, der von dem Basisteil weg positioniert ist; zwei oder mehr Verbindungsarmteile, die den beweglichen Teil mit dem Basisteil verbinden, wobei jedes Verbindungsarmteil einen Freiheitsgrad relativ zu dem Basisteil umfasst; und mehrere Motoren, die jeweils die Verbindungsarmteile antreiben, wobei jeder Verbindungsarmteil umfasst: einen Antriebsverbindungsarm, der mit dem Basisteil verbunden ist; zwei passive Verbindungsarme, die sich parallel zueinander erstrecken und den Antriebsverbindungsteil mit dem beweglichen Teil verbinden; ein Paar von ersten Kugelgelenken, die die passiven Verbindungsarme mit dem Antriebsverbindungsarm verbinden; ein Paar von zweiten Kugelgelenken, die die passiven Verbindungsarme mit dem beweglichen Teil verbinden; und eine zwischen dem Paar von ersten Kugelgelenken positionierte Rückhalteplatte, um eine Drehung der zwei passiven Verbindungsarme um jede Achse des Roboters zu begrenzen, und wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Messen, während der Parallelarmroboter betrieben wird, eines Änderungsbetrags eines Antriebsmoments basierend auf einem Stromwert des Motors, bevor und nachdem der Roboter eine festgelegte Haltung darstellt, bei der ein Vorzeichen einer relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen einer Kugel und einem Gehäuse von jeweils dem ersten und zweiten Kugelgelenk geändert wird; und Beurteilen, dass, wenn der Änderungsbetrag des Antriebsdrehmoment einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, ein Reibungszustand des Kugelgelenks entsprechend dem Motor abnormal ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte: Feststellen eines Reibungsmoments eines jeden Kugelgelenks des Parallelarmroboters durch Nutzen eines multivariablen linearen Regressionsverfahrens, das eine Dynamikanalyse in Bezug auf den erhaltenen Änderungsbetrag des Antriebsmoments basierend auf einem Dynamikmodell des Parallelarmroboters verwendet, das ein Reibungskraftmodell des Kugelgelenks und mechanische Parameter umfasst, die Lasten eines Werkstücks und einer an dem beweglichen Teil befestigten Hand, Information zum Trägheitsmoment und eine Masse und Abmessungen des Parallelarmroboters umfassen; und Bestimmen einer Position, in der eine Fehlfunktion auftritt, und eines Grads der Fehlfunktion.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht eine Vorrichtung zum Erkennen einer Abnormalität eines Kugelgelenkteils eines Parallelarmroboters vor, wobei der Parallelarmroboter umfasst: einen Basisteil, einen beweglichen Teil, der von dem Basisteil weg positioniert ist; zwei oder mehr Verbindungsarmteile, die den beweglichen Teil mit dem Basisteil verbinden, wobei jedes Verbindungsarmteil einen Freiheitsgrad relativ zu dem Basisteil umfasst; und mehrere Motoren, die jeweils die Verbindungsarmteile antreiben, wobei jeder Verbindungsarmteil umfasst: einen Antriebsverbindungsarm, der mit dem Basisteil verbunden ist; zwei passive Verbindungsarme, die sich parallel zueinander erstrecken und den Antriebsverbindungsteil mit dem beweglichen Teil verbinden; ein Paar von ersten Kugelgelenken, die die passiven Verbindungsarme mit dem Antriebsverbindungsarm verbinden; ein Paar von zweiten Kugelgelenken, die die passiven Verbindungsarme mit dem beweglichen Teil verbinden; und eine zwischen dem Paar von ersten Kugelgelenken positionierte Rückhalteplatte, um eine Drehung der zwei passiven Verbindungsarme um jede Achse des Roboters zu begrenzen, und wobei die Vorrichtung umfasst: einen Drehmoment-Messabschnitt, der dazu konfiguriert ist, während der Parallelarmroboter betrieben wird, einen Änderungsbetrag eines Antriebsmoments basierend auf einem Stromwert des Motors zu messen, bevor und nachdem der Roboter eine festgelegte Haltung darstellt, bei der ein Vorzeichen einer relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen einer Kugel und einem Gehäuse von jeweils dem ersten und zweiten Kugelgelenk geändert wird; und einen Beurteilungsabschnitt, der dazu konfiguriert ist, zu beurteilen, dass, wenn der Änderungsbetrag des Antriebsdrehmoment einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, ein Reibungszustand des Kugelgelenks entsprechend dem Motor abnormal ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obengenannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlicher werden, wobei:
1 eine Ansicht ist, die eine schematische Ausgestaltung eines Delta-Parallelarmroboters zeigt, bei dem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen einer Abnormalität gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden können;
2 eine teilweise vergrößerte Ansicht einer Struktur jedes Kugelgelenks des Parallelarmroboters von 1 ist;
3 ein Diagramm ist, das eine zeitliche Änderung einer relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen einer Kugel und einem Gehäuse des Kugelgelenks zeigt;
4 ein Diagramm ist, das eine zeitliche Änderung eines Reibungsmoments in dem Kugelgelenk zeigt;
5 eine Ansicht ist, die ein Beispiel eines Reibungsmodells des Kugelgelenks ist;
6 eine Ansicht ist, die ein Beispiel eines strukturellen Modells des Parallelarmroboters zeigt;
7 eine Ansicht ist, die ein dem Modell von 6 entsprechendes vereinfachtes Modell zeigt; und
8 ein Schaubild ist, das ein Beispiel eines Ergebnisses der Feststellung des Reibungsmoments ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGEN
Die 1 ist eine Ansicht, die eine schematische Ausgestaltung eines Delta-Parallelarmroboters 10 zeigt, bei dem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen einer Abnormalität gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden können. Der Parallelarmroboter 10 umfasst einen Basisteil 12; einen beweglichen Teil 14, der von dem beweglichen Teil 12 weg positioniert (normalerweise darunter positioniert) ist; zwei oder mehr (in der dargestellten Ausführungsform, drei) Verbindungsarmteile 16a, 16b und 16c, die den beweglichen Teil 14 mit dem Basisteil 12 verbinden, wobei jeder Verbindungsarmteil einen Freiheitsgrad relativ zu dem Basisteil 12 umfasst; und mehrere (normalerweise die gleiche Anzahl wie die Verbindungsarmteile, und in der dargestellten Ausführungsform drei) Motoren 18a, 18b und 18c, die jeweils entsprechend die Verbindungsarmteile 16a, 16b und 16c antreiben. An dem beweglichen Teil 14 kann ein Endeffektor (schematisch in 6 und 7 gezeigt), wie eine Roboterhand, befestigt sein.
Der Verbindungsarmteil 16a besteht aus einem Antriebsverbindungsarm 20a, der mit dem Basisteil 12 und einem Paar (zwei) von passiven Verbindungsarmen 22a, die sich parallel zueinander erstrecken und den Antriebsverbindungsarm 20a mit beweglichen Teil 14 verbinden, verbunden ist. Der Antriebsverbindungsarm 20a und die passiven Verbindungsarme 22a sind durch ein Paar (zwei) von ersten Kugelgelenken (oder Kugelgelenkköpfen) 24a miteinander verbunden. Des Weiteren sind der bewegliche Teil 14 und die passiven Verbindungsarme 22a durch ein Paar (zwei) von zweiten Kugelgelenken (oder Kugelgelenkköpfen) 26a miteinander verbunden.
Die 2 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht einer Struktur (oder einer Verbindungskugel-Struktur) jedes Kugelgelenks (in diesem Fall Kugelgelenk 24a oder 26a) des Parallelarmroboters 10. Das Kugelgelenk 24a weist eine Kugel 28 (am Antriebsverbindungsarm 20a befestigt), ein Gehäuse 30 (an einem der passiven Verbindungsarme 22a befestigt) zum Aufnehmen der Kugel 28 und eine zwischen der Kugel 28 und dem Gehäuse 30 positionierte Gleitbuchse 32 auf. Gleichermaßen weist das Kugelgelenk 26a eine Kugel 28 (an dem beweglichen Teil befestigt), ein Gehäuse 30 (an den anderen der passiven Verbindungsarme 22a befestigt) zum Aufnehmen der Kugel 28 und eine zwischen der Kugel 28 und dem Gehäuse 30 positionierte Gleitbuche auf. Wie in 1 gezeigt weist der Parallelarmroboter 10 ferner auf der Antriebsverbindungsarmseite (oder dem oberen Teil) der passiven Verbindungsarme eine Rückhalteplatte 34a auf, die zwischen den Gehäusen der ersten Kugelgelenke 24a positioniert und verbunden ist, um eine Drehung von zwei parallelen passiven Verbindungsarmen 22a um jede Achse des Roboters zu begrenzen.
Andere Verbindungsarmteile 16b und 16c können die gleiche Ausgestaltung wie das Verbindungsarmteil 16a aufweisen. Daher werden die Bauteile der Verbindungsarmteile 16b und 16c entsprechend den Bauteilen des Verbindungsarmteils 16a mit jeweiligen Bezugsziffern versehen, bei denen sich nur das letzte Zeichen von der Bezugsziffer des Verbindungsarmteils 16a unterscheidet (z. B. sind die Bauteile der Verbindungsarmteile 16b und 16c entsprechend dem passiven Verbindungsarm 22a mit den Bezugsziffern 22b beziehungsweise 22c versehen) und eine ausführliche Erklärung derselben wird weggelassen.
Wie schematisch in 1 gezeigt weist der Parallelarmroboter 10 eine Steuerung 36 auf, die dazu konfiguriert ist, den Parallelarmroboter 10 zu steuern. Konkret weist die Steuerung 36 auf: einen Steuerabschnitt 38, der dazu konfiguriert ist, die Bewegung des Parallelarmroboters 10 zu steuern; einen Drehmoment-Messabschnitt 40, der dazu konfiguriert ist, während der Parallelarmroboter 10 betrieben wird, einen Änderungsbetrag eines Antriebsmoments basierend auf einem Stromwert des Motors zu messen oder zu berechnen, bevor und nachdem der Roboter 10 eine festgelegte Haltung darstellt, bei der ein Vorzeichen (plus/minus oder eine Richtung) einer relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen einer Kugel 28 und einem Gehäuse 30 des Kugelgelenks geändert wird; und einen Beurteilungsabschnitt 42, der dazu konfiguriert ist, zu beurteilen, dass, wenn der durch den Drehmoment-Messabschnitt 40 gemessene Änderungsbetrag des Antriebsdrehmoment einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, ein Reibungszustand des Kugelgelenks entsprechend dem Motor abnormal ist. Die Steuerung 38 kann ferner einen Anzeigeabschnitt 44 aufweisen, der dazu konfiguriert ist, ein Ergebnis einer Beurteilung durch den Beurteilungsabschnitt 42 für eine Bedienperson anzuzeigen. In dieser Ausführungsform kann eine Vorrichtung oder eine Funktion zum Erkennen der Abnormalität des Gelenkteils des Roboters (z. B. ein Stromsensor zum Messen des Motorstroms und/oder eine CPU zum Beurteilen der Abnormalität) in die Steuerung 36 integriert sein. Ansonsten kann eine solche Vorrichtung oder Funktion für eine andere Vorrichtung vorgesehen werden, wie etwa einen (Personal-)Computer, der dem Parallelarmroboter zugeordnet ist.
Funktionsgemäß kann in dem Delta-Parallelarmroboter während einer horizontalen Bewegung eines Vorderendes, wie der Hand, ein Zeitpunkt auftreten, wenn das Vorzeichen (oder die Richtung) der relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen der Kugel und dem Gehäuse des Kugelgelenks geändert wird. Wenn diesbezüglich die Reibung in dem Kugelgelenk unerheblich ist, wird das Antriebsmoment durch die Reibung nicht beeinträchtigt. Wenn anderseits das Reibungsmoment relativ groß ist, kann das Antriebsmoment erheblich beeinträchtigt werden, da das Vorzeichen (die Richtung) der Reibung schroff geändert werden kann.
Die 3 und 4 sind Diagramme, die ein Beispiel eines Vorgangs zum Erkennen einer Abnormalität (z. B. übermäßige Reibung) des Gelenkteils (Kugelgelenk) des Parallelarmroboters 10 basierend auf der Änderung des Antriebsmoments, wie oben beschrieben, erklären. Selbst wenn das Vorderende (z. B. ein Werkzeug-Mittelpunkt) des Roboters mit einer konstanten Geschwindigkeit in der horizontalen Richtung (entlang einer X-Achse), wie in 3 gezeigt, unter den relativen Winkelgeschwindigkeiten (X, Y, Z) des Kugelgelenks der J1-Achse (siehe 6, wie nachfolgend beschrieben) bewegt wird, kann das Vorzeichen der relativen Winkelgeschwindigkeit um die Y-Achse zu einem bestimmten Zeitpunkt (bei 2,3 Sekunden in dem Beispiel von 3) geändert werden.
Andererseits zeigt 4 eine zeitliche Änderung des Drehmoments (31), das aus dem Stromwert des Motors 18a berechnet wird, in Bezug auf zwei Fälle, d. h. einem Fall, in dem die Reibung des Kugelgelenks relativ klein ist (eine durchgezogene Linie), und dem anderen Fall, in dem die Reibung des Kugelgelenks relativ groß ist (eine gestrichelte Linie). Wie in 4 gezeigt wird in Bezug auf das Antriebsmoment zu dem Zeitpunkt (2,3 Sekunden), wenn sich das Vorzeichen der relativen Winkelgeschwindigkeit um eine bestimmte Achse ändert, das Antriebsmoment stufenweise geändert, wenn die Reibung des Kugelgelenks groß ist. Daher kann durch Beobachten oder Überwachen der stufenweisen Änderung zu diesem Zeitpunkt die Abnormalität erkannt werden. Mit anderen Worten, der Änderungsbetrag des Antriebsmoments wird basierend auf dem Stromwert des Motors, das zu vorbestimmten Zeitintervallen gemessen wird, berechnet oder erhalten bevor und nachdem der Roboter die festgelegte Haltung darstellt, in der das Vorzeichen der relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen der Kugel und dem Gehäuse jedes Kugelgelenks geändert wird, und es kann dann beurteilt werden, dass, wenn der Änderungsbetrag des Antriebsmoments den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet (z. B. 0,8 Nm vor und nach einem Zeitpunkt von 2,3 Sekunden), der Reibungszustand des Kugelgelenks entsprechend dem Motor abnormal ist.
Da das Kugelgelenk ein passives Gelenk ist, ist es schwierig, das Auftreten oder das Vorhandensein der Abnormalität aus dem Motordrehmoment der Antriebsseite direkt zu erkennen. Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, dass, wenn das Vorzeichen (die Richtung) der relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen der Kugel und dem Gehäuse des Kugelgelenks geändert wird, während der bewegliche Teil auf einem Weg mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt wird, das Antriebsmoment des Motors zwischen vor und nach der Änderung des Antriebsmoments stufenweise geändert wird.
In dem Beispiel mit Bezug auf die 3 und 4 kann ein Anstieg des Reibungsmoments erkannt werden, wohingegen es schwierig sein kann zu erkennen, wo (bei welchem Kugelgelenk) die Reibung übermäßig erhöht ist. Daher kann durch Darstellen eines Reibungsmodells des Kugelgelenks (Kugelgelenkkopf), wie in 5 gezeigt, und durch Feststellen der Größe des Reibungsmoments aus dem Antriebsmoment an jedem Abschnitt des Modells eine konkrete Position festgestellt werden, an der die Reibung übermäßig erhöht ist. Diesbezüglich zeigt 6 ein strukturelles Modell, das dem Parallelarmroboter 10 von 1 entspricht. Um jedoch die Berechnung zu vereinfachen, kann ein vereinfachtes Modell, wie in 7 gezeigt, das äquivalent zu dem Modell von 6 ist, verwendet werden. Nachfolgend wird ein Beispiel eines Verfahrens zum Erkennen der Abnormalität, wenn das Modell des Kugelgelenks (Kugelgelenkkopf), das die wie in 5 gezeigte Reibungskraft (Reibungsmoment) aufweist, auf das äquivalente Modell von 7 angewendet wird.
Wie durch die Gleichung (1) dargestellt kann das Reibungsmoment in dem Kugelgelenk so angenähert werden, dass das Reibungsmoment eine konstante Größe aufweist. In Gleichung (1) wird das von dem k + 1-ten Verbindungsarm in der i-ten Kette auf den k-ten Verbindungsarm ausgeübte Reibungsmoment als M_i,k,k+1 dargestellt. Wie diesbezüglich in 5 gezeigt wird die Winkelgeschwindigkeit von jedem das Kugelgelenk bildenden Verbindungsarm als ω_i,k und ω_i,k+1 dargestellt, und die Größe des Reibungsmoments in jedem Kugelgelenk S_i,k wird als M_i,k dargestellt. Außerdem stellt Gleichung (2) eine Beziehung zwischen Reibungsmoment M_i,k,k+1 und Reibungsmoment M_i,k+1,k, die von dem k-ten Verbindungsarm in der i-ten Kette auf den k + 1-ten Verbindungsarm ausgeübt werden, dar.
Die Gleichungen (1) und (2) können auf Dynamikmodelle des Parallelarmroboters angewendet werden, wenn das Reibungsmoment als eine auf jeden Verbindungsarm ausgeübte Kraft betrachtet wird. Beispielsweise wird hierin eine Analyse auf Basis des d'Alembertschen Prinzips erklärt. Wenn das d'Alembertsche Prinzip verwendet wird, kann eine Dynamik-Beziehung in dem System durch Gleichung (3) dargestellt werden. Des Weiteren kann F_i,k, in Gleichung (3) durch Gleichung (4) dargestellt werden, und f_i,k und m_i,k in Gleichung (4) können durch die Gleichungen (5) und (6) dargestellt werden.
In Gleichung (3) zeigen der erste und der zweite Ausdruck auf der rechten Seite Größen aufgrund von Trägheit und Schwerkraft an, und der dritte Ausdruck auf der rechten Seite zeigt eine Größe aufgrund der Reibungskraft des Kugelgelenks an. Außerdem zeigen m_k, g, I_k, R_i,k, ω_i,k, r_i,k und J_i,k in Gleichung (5) oder (6) eine Masse von jedem Verbindungsarm, eine Gravitationsbeschleunigung, einen Trägheitstensor, eine Haltungs-Umwandlungsmatrix, eine Winkelgeschwindigkeit, eine translatorische Verschiebung beziehungsweise eine Jacobi-Matrix an.
Wie oben beschrieben kann basierend auf der Änderung des Antriebsmoments zum Zeitpunkt t' (z. B. 2,3 Sekunden in 3), wenn das Vorzeichen der relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen den Bauteilen des Kugelgelenks geändert wird, die Größe des Reibungsmoments in jedem Kugelgelenk durch Verwendung der Gleichung (3) festgestellt werden. In Gleichung (3) wird die größte Änderung des Antriebsmoments τ zwischen vor und nach dem Zeitpunkt t' durch den Ausdruck bezüglich des Reibungsmoments des Kugelgelenks verursacht. Daher kann die folgende Gleichung (7) erhalten werden, indem die Ausdrücke, außer dem dritten Ausdruck in Gleichung (3), vernachlässigt werden, um Δτ des Antriebsmoments zwischen vor und nach dem Zeitpunkt t' zu berechnen.
In Gleichung (7) bedeutet das Zeichen „Δ” die Differenz in Bezug auf die daran angefügte Variable zwischen vor und nach dem Zeitpunkt t'. Daher kann die folgende Gleichung (8) aus den Gleichungen (1), (2) und (7) eingeführt werden.
Aus Gleichung (8) ist eine lineare Beziehung zwischen Δτ und einen Regressionskoeffizienten Ms (= [M_1,1 ... M_3,2]^T ersichtlich, daher kann Gleichung (8) als Gleichung (9) umgeschrieben werden. Δτ = AM_S (9)
Diesbezüglich kann Δτ als die schrittweise Änderung des Antriebsmoments betrachtet werden und somit kann Δτ als eine Variable X₃ angenähert werden, wie durch die folgende Gleichung (10) dargestellt. In Gleichung (10) entsprechen die Werte τ_measured und τ_simulated einem tatsächlich gemessenen Wert beziehungsweise einem Analysewert (geschätzten Wert) des Reibungsmoments des Kugelgelenks.
In Gleichung (10) sind X₃ und A in jeder Bewegung bestimmte Variablen, und somit kann der Regressionskoeffizient Ms durch ein multivariables lineares Regressionsverfahren unter Verwendung eines Lösungsansatzes der kleinsten Quadrate usw. festgestellt werden. Beispielsweise kann der Regressionskoeffizient Ms aus der folgenden Gleichung (11) berechnet werden. Außerdem ist das Zeichen „j” in Gleichung (11) eine Variable, die jeder Bewegung des Roboters zugeordnet ist.
Die 8 zeigt das unter Verwendung der Gleichung (11) berechnete Reibungsmoment jedes Kugelgelenks, während es mit dessen aktuellen gemessenen Wert verglichen wird. In 8 können die Kugelgelenke S_1,1 und S_1,2 dem ersten Kugelgelenk 24a beziehungsweise dem zweiten Kugelgelenk 26a entsprechen. Gleichermaßen können die Kugelgelenke S_2,1 und S_2,2 den Kugelgelenken 24b beziehungsweise 26b in 1 entsprechen, und die Kugelgelenke S_3,1 und S_3,2 können den Kugelgelenken 24c beziehungsweise 26c in 1 entsprechen.
Wie in 8 gezeigt ist in beiden Kugelgelenken S_1,1 und S_2,2, in denen das Reibungsmoment relativ hoch ist, der erhaltene Analysewert (berechnete Wert) nahe am aktuellen gemessenen Wert und somit ist die Feststellung der Reibungskraft äußerst wirksam. Daher kann in der Ausführungsform das Reibungsmoment von jedem Kugelgelenk des Parallelarmroboters präzise geschätzt werden und die Position und der Grad der Fehlfunktion (reibungsbedingte Abnormalität) können festgestellt werden.
In obengenannter Ausführungsform wird das Reibungsmoment von jedem Kugelgelenk des Parallelarmroboters durch Nutzen des multivariablen linearen Regressionsverfahren unter Verwendung der Dynamikanalyse in Bezug auf die erhaltene Betragsänderung des Antriebsmoments basierend auf dem Dynamikmodell des Parallelarmroboters, das das Reibungskraftmodell des Kugelgelenks und mechanische Parameter umfasst, die Lasten des Werkstücks und der am beweglichen Teil 14 befestigten Hand (Endeffektor), Information zur Trägheit, und eine Masse und Abmessungen des Parallelarmroboters 10 umfassen, festgestellt. Obwohl das d'Alembertsche Prinzip in der obenstehenden Ausführungsform verwendet wird, kann ein anderes Verfahren, wie ein Newton-Euler-Verfahren oder ein Lagrange-Verfahren verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Abnormalität des Gelenkteils des Delta-Parallelarmroboters mühelos und schnell durch Überwachen des Reibungsmoments des Gelenkteils erkannt werden. Daher kann eine den Roboter umfassende Produktionslinie davor bewahrt werden, unerwartet unterbrochen oder gestoppt zu werden, indem das Bauteil des Kugelgelenks repariert oder ausgetauscht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002-529258 A [0003, 0006, 0007]
JP 2014-046406 A [0003, 0007, 0007]
JP 2005-186183 A [0004, 0009]
JP 2006-281421 A [0005, 0009]

Claims

Verfahren zum Erkennen einer Abnormalität eines Gelenkteils eines Parallelarmroboters (10), wobei der Parallelarmroboter umfasst: einen Basisteil (12); einen beweglichen Teil (14), der von dem Basisteil weg positioniert ist; zwei oder mehr Verbindungsarmteile (16a, 16b, 16c), die den beweglichen Teil mit dem Basisteil verbinden, wobei jedes Verbindungsarmteil einen Freiheitsgrad relativ zu dem Basisteil umfasst; und mehrere Motoren (18a, 18b, 18c), die jeweils die Verbindungsarmteile antreiben, wobei jeder Verbindungsarmteil umfasst: einen Antriebsverbindungsarm (20a, 20b, 20c), der mit dem Basisteil verbunden ist; zwei passive Verbindungsarme (22a, 22b, 22c), die sich parallel zueinander erstrecken und den Antriebsverbindungsteil mit dem beweglichen Teil verbinden; ein Paar von ersten Kugelgelenken (24a, 24b, 24c), die die passiven Verbindungsarme mit dem Antriebsverbindungsarm verbinden; ein Paar von zweiten Kugelgelenken (26a, 26b, 26c), die die passiven Verbindungsarme mit dem beweglichen Teil verbinden; und eine zwischen dem Paar von ersten Kugelgelenken positionierte Rückhalteplatte (34, 34b, 34c), um eine Drehung der zwei passiven Verbindungsarme um jede Achse des Roboters zu begrenzen, und wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Messen, während der Parallelarmroboter betrieben wird, eines Änderungsbetrags eines Antriebsmoments basierend auf einem Stromwert des Motors, bevor und nachdem der Roboter eine festgelegte Haltung darstellt, bei der ein Vorzeichen einer relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen einer Kugel (28) und einem Gehäuse (30) von jeweils dem ersten und zweiten Kugelgelenk geändert wird; und Beurteilen, dass, wenn der Betrag der Änderung des Antriebsdrehmoments einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, ein Reibungszustand des Kugelgelenks entsprechend dem Motor abnormal ist.
Verfahren nach Anspruch 1, die Schritte umfassend: Feststellen eines Reibungsmoments eines jeden Kugelgelenks des Parallelarmroboters durch Nutzen eines multivariablen linearen Regressionsverfahrens, das eine Dynamikanalyse in Bezug auf den erhaltenen Änderungsbetrag des Antriebsmoments basierend auf einem Dynamikmodell des Parallelarmroboters verwendet, das ein Reibungskraftmodell des Kugelgelenks und mechanische Parameter umfasst, die Lasten eines Werkstücks und einer an dem beweglichen Teil befestigten Hand, Information zum Trägheitsmoment und eine Masse und Abmessungen des Parallelarmroboters umfassen; und Bestimmen einer Position, in der eine Fehlfunktion auftritt, und eines Grads der Fehlfunktion.
Vorrichtung zum Erkennen einer Abnormalität eines Gelenkteils eines Parallelarmroboters (10), wobei der Parallelarmroboter umfasst: einen Basisteil (12), einen beweglichen Teil (14), der von dem Basisteil weg positioniert ist; zwei oder mehr Verbindungsarmteile (16a, 16b, 16c), die den Basisteil und den beweglichen Teil verbinden, wobei jedes Verbindungsarmteil einen Freiheitsgrad relativ zu dem Basisteil umfasst; und mehrere Motoren (18a, 18b, 18c), die jeweils die Verbindungsarmteile antreiben, wobei jeder Verbindungsarmteil umfasst: einen Antriebsverbindungsarm (20a, 20b, 20c), der mit dem Basisteil verbunden ist; zwei passive Verbindungsarme (22a, 22b, 22c), die sich parallel zueinander erstrecken und den Antriebsverbindungsteil mit dem beweglichen Teil verbinden; ein Paar von ersten Kugelgelenken (24a, 24b, 24c), die die passiven Verbindungsarme mit dem Antriebsverbindungsarm verbinden; ein Paar von zweiten Kugelgelenken (26a, 26b, 26c), die die passiven Verbindungsarme mit dem beweglichen Teil verbinden; und eine zwischen dem Paar von ersten Kugelgelenken positionierte Rückhalteplatte (34a, 34b, 34c), um eine Drehung der zwei passiven Verbindungsarme um jede Achse des Roboters zu begrenzen, und wobei die Vorrichtung umfasst: einen Drehmoment-Messabschnitt (40), der dazu konfiguriert ist, während der Parallelarmroboter betrieben wird, einen Änderungsbetrag eines Antriebsmoments basierend auf einem Stromwert des Motors zu messen, bevor und nachdem der Roboter eine festgelegte Haltung darstellt, bei der ein Vorzeichen einer relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen einer Kugel (28) und einem Gehäuse (30) von jeweils dem ersten und zweiten Kugelgelenk geändert wird; und einen Beurteilungsabschnitt (42), der dazu konfiguriert ist, zu beurteilen, dass, wenn der Betrag der Änderung des Antriebsdrehmoments einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, ein Reibungszustand des dem Motor entsprechenden Kugelgelenks abnormal ist.