JP2006292386A - 位置検出センサの摩耗診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ロボットの関節の各自由度の動作を行なうモータの出力位置を検出するポテンショメータの摩耗を、自動的に、定量的に、しかも高精度に診断する。
【解決手段】
ポテンショメータ１６の出力データを取得し、ある時点Ａを含む過去いくつかのサンプル値、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ・・・の差分（Ｂ−Ｃ）、（Ｂ−Ｄ）、（Ｂ−Ｅ）、（Ｂ−Ｆ）から、ノイズピーク値を算出し、該ノイズピーク値を判定しきい値と比較して、判定しきい値を超える場合に摩耗しているものと判断する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、位置検出センサの摩耗診断方法に係り、とくにフィードバック制御系における接触型位置検出センサの摩耗診断方法に関する。

例えば特開２００２−１４４２６０号公報には、ロボットに搭載された視覚センサ、マイク、測距センサ、姿勢センサなどの入力と、関節アクチュエータ、スピーカなどの出力を複数組合わせることで、機体の機能・動作を自律的に確認・診断するとともに、自己診断結果に基づいて改善や調整を行なうようにし、先に確認が済んだ機能ユニットを用いて未確認の機能ユニットの確認を行なうようにし、改善不可能な問題点は、確認作業が終了した正常な機能ユニットを介してユーザに通知することによって、自律的な自己診断により故障原因を究明して自己整備することができる脚式移動ロボットが開示されている。

このようなロボットは、その関節部位に、自由度の数に相当するサーボモータを備えるとともに、その回転角度をそれぞれ対応するエンコーダによって取出すようにしており、このエンコーダの出力をコンパレータによって目標値と比較し、誤差を制御器に入力し、制御器の出力をサーボモータに加えるフィードバック制御を行なうことによって、関節の各部位がそれぞれ目標とする位置に移動するようにしている。

ここで各関節のそれぞれの自由度を構成するモータのエンコーダは、例えば特開２００２−１５１３１０号公報に開示されているようなポテンショメータ（ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ 電位差計）が用いられている。ポテンショメータは、計ろうとする電圧を正確な既知の電圧と比較し、零位法による測定を行なうもので、平衡時には計られる電圧が全く流れないことから、最も正確な電圧が測定可能である。

しかしながらポテンショメータは、抵抗体上をブラシが接触しながら移動する構造を用いているために、長期間に亙って使用すると、摺動部が摩耗してしまい、出力電圧値にノイズの発生が起きる。摩耗したポテンショメータでは、正しい現在位置情報が得られず、このためにこのポテンショメータを用いた場合には、フィードバック制御系が正常に機能しなくなる場合があり、ロボットの場合には、その動作が不正確になる。従ってポテンショメータが摩耗しているか否かの診断を行ない、新品に交換する必要がある。

従来は、ポテンショメータの摩耗を診断するために、以下の方法が用いられていた。第１の方法は、装置の動作状態を目視によりチェックし、ポテンショメータの摩耗を推測することによって診断を行なうものである。この手法は、操作者の経験や勘に依存するために、判断基準が明確ではなく、精度も低い。

ポテンショメータの摩耗を診断する別の方法は、装置を分解し、ポテンショメータ単体での特性を測定し、ポテンショメータの摩耗を診断するものである。この方法は装置を分解することを要し、作業工数が多くなる欠点があり、実用的ではない。
特開２００２−１４４２６０号公報 特開２００２−１５１３１０号公報

本願発明の課題は、操作者の経験や勘に依存することなく、高精度で摩耗診断が可能な位置検出センサの摩耗診断方法を提供することである。

本願発明の別の課題は、判断基準が明確であって、しかも精度が高い位置検出センサの摩耗診断方法を提供することである。

本願発明のさらに別の課題は、制御系と接続されたコンピュータによって自動的に診断が可能な位置検出センサの摩耗診断方法を提供することである。

本願発明のさらに別の課題は、位置検出センサを含む部位を分解することなく、しかも位置検出センサの摩耗の診断が可能な位置検出センサの摩耗診断方法を提供することである。

本願発明のさらに別の課題は、定量的に、高精度で、かつ容易に判別可能な位置検出センサの摩耗診断方法を提供することである。

本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想およびその実施の形態によって明らかににされよう。

本願の主要な発明は、フィードバック制御系における接触型位置検出センサの摩耗診断方法において、
前記位置検出センサの出力データを取得し、ある時点を含む過去のいくつかのサンプル値の差分からノイズピーク値を算出し、該ノイズピーク値を判定しきい値と比較して、判定しきい値を超えている場合に摩耗していると判断することを特徴とする位置検出センサの摩耗診断方法に関するものである。

ここで、ある時点のサンプル値と、その前のサンプル値との比較を行ない、その差がノイズ識別しきい値よりも大きい場合にのみ、摩耗診断を行なってよい。またうある時点のサンプル値をＡとし、その前のサンプル値をＢとしたときに、Ａ−Ｂがノイズ識別しきい値より大きい場合に、ノイズ値を算出する処理に移行し、Ａ−Ｂがノイズ識別しきい値より小さい場合に、ノイズ値を０としてよい。またある時点のサンプル値をＡとし、その前のサンプル値をＢとし、さらに前のサンプル値をＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆ・・・としたときに、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｄ、Ｂ−Ｅ、Ｂ−Ｆ・・・の内の最小値の絶対値をノイズ値とし、このノイズ値の算出を対象範囲について行ない、対象範囲内の最大のノイズ値を判定しきい値と比較して、判定しきい値を超えている場合に摩耗していると判断してよい。またノイズが発生している点がいくつ連続しているか、を調べることによって摩耗の範囲を診してよい。また対象範囲内において、正常な部分とノイズが発生している部分の割合を求め、その割合によって全体的な摩耗の度合いを診断してよい。また接触型位置検出センサがポテンショメータであってよい。また接触型位置検出センサがフィードバック制御されるモータの出力回転角度を検出する位置検出センサであってよい。

本願発明の好ましい態様は、フィードバック制御系における接触型位置検出センサの摩耗診断システムにおいて、接触型位置検出センサの出力電圧データログを取得し、現在を含む過去いくつかのサンプル値の差分からノイズピーク値を算出し、判定しきい値と比較する診断アルゴリズムを追加することによって、接触型位置検出センサの摩耗を、装置を分解せずに高精度で診断するようにしたものである。ここで、ノイズの幅、ノイズの発生頻度を用いて、接触型位置検出センサの摩耗を診断することも可能になる。このような位置検出センサを用いるフィードバック制御系には、エンターテイメントロボット、産業用ロボット、生産設備、車両、家電用品等が存在し、これらのフィードバック制御系に適用される。

上記のような態様によれば、装置を分解せずに、搭載されている接触型位置検出センサの診断を行なうことができる。また位置検出センサが摩耗しているか否かを、定量的かつ明確に分類することができる。また位置検出センサの摩耗を、高精度に診断することが可能になる。位置検出センサが摩耗していると判断された装置は、高い確率で、フィードバック制御系の動作異常が容易に発現する。よってノイズの分布により、位置検出センサのどの部位が摩耗しているかを、特定することができる。また異なる位置検出センサについて、摩耗状況の序列をつけることができる。またある位置の周辺で、位置検出センサの摩耗の範囲を診断することができる。また位置検出センサの全体的な摩耗の度合いを診断することができる。

本願の主要な発明は、フィードバック制御系における接触型位置検出センサの摩耗診断方法において、位置検出センサの出力データを取得し、ある時点を含む過去のいくつかのサンプル値の差分からノイズピーク値を算出し、該ノイズピーク値を判定しきい値と比較して、判定しきい値を超えている場合に摩耗していると判断するようにしたものである。

従ってこのような位置検出センサの摩耗診断方法によれば、位置検出センサの出力データを取得し、この出力データの内のある時点を含む過去のいくつかのサンプル値の差分からノイズピーク値を算出し、このノイズピーク値を判定しきい値と比較することによって、摩耗の判断が可能になる。しかもこの判断は、フィードバック制御系を制御するコンピュータによって自動的に行なうことができるために、明確な判断基準に基づいて、高精度な摩耗診断を行なうことが可能になる。しかもこのときに、位置検出センサの取付け部位を分解する必要がなく、またそのための作業も必要でなくなる。

以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図１は本実施の形態に係るロボットのある関節部位の構成を示すものであって、この関節は自由度が５の関節になっており、この関節を制御するためのコントローラ１０を備えている。そしてコントローラ１０には、各自由度に対応するモータ１１、１２、１３、１４、１５が接続され、コントローラ１０によって制御されるようになっている。また各モータ１１〜１５の回転角度を検出するための位置検出センサとして、エンコーダ１６、１７、１８、１９、２０がそれぞれ取付けられている。従ってコントローラ１０によってモータ１１〜１５を回転制御すると、そのときのモータ１１〜１５の回転角度がエンコーダ１６〜２０によって取出され、コントローラ１０に入力されることになる。

ここでコントローラ１０による各モータ１１〜１５の制御は、例えば図２に示すようなＰＩＤ制御器２５を用いたフィードバック制御によって行なわれる。ＰＩＤ制御器２５はその出力端がモータ１１の入力端に接続されるとともに、このモータ１１の出力回転位置が図示を省略したエンコーダ１６を通して取出され、コンパレータ２６において目標値と比較される。コンパレータ２６は誤差分に応じた出力をＰＩＤ制御器２５に供給する。従ってＰＩＤ制御器２５は上記誤差分に応じた制御出力を制御対象であるモータ１１に供給する。この動作が繰返し行なわれることによって、やがてコンパレータ２６による誤差分が０になり、ここでモータ１１の回転が停止し、関節の所定の部位が目標値に一致する。

次に上記エンコーダ１６を構成するポテンショメータの摩耗診断について説明する。この摩耗診断は、図１に示すコントローラ１０を構成するコンピュータによって行なわれる。そしてそのときの動作は図３に示すフローチャートの手順で行なわれる。

以下この摩耗診断システムの動作を説明する。まずロボットを測定用設備に設置する。ここで測定用設備とは、ロボットを乗せて固定するための置き台である。そして測定時に、この置き台はロボット関節に負荷を与えるための装置を備えている。

次に測定モーションの実行および位置データのログ取得を行なう。測定モーションとは、位置データログを取得するために行なう、ロボット専用動作のことである。例えば以下のような動作をする。

動作１ 測定対象関節について、メカニカルな全リミット間、すなわちフルストローク間を、一定の速度で、１回または複数回往復動作させる。これは、通常の位置データログ取得の際に用いる。速度、往復回数については、位置データログ取得のサンプリングレートによって決定する。測定対象以外の関節は、ここでは静止させておく。

動作２ 測定対象関節を静止させ、その周囲の関節を動作させる。これは、測定対象関節のある点について、重点的に位置データログの取得を行なう場合に用いる。ある点とは、エンコーダを構成するポテンショメータの摩耗がとくに激しいと予想される点である。周囲の関節を動作させる際に、設備の一部と接触させることによって、ロボットの関節に負荷を与える場合もある。これは、測定対象関節に適度な外力を加えて、ポテンショメータを微摺動させる目的で行なうものである。

位置データログとは、ポテンショメータの出力電圧値をデジタル変換し、ＣＳＶ形式（テキスト形式のファイル）で記録したものである。設定したサンプリングレートに従い、指定した時間の間、連続して出力電圧を記録する。出力電圧値は、ロボットの関節角度の絶対位置を表している。

これ以降の説明のために、位置データログを任意の点のサンプルに名前を付ける。例えばある任意の点のサンプル値をＡとする。そしてＡの１つ前のサンプル値をＢとする。さらに前のサンプル値を、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ・・・としていく（図５参照）。

次に以下の手順で、「現在を含む過去いくつかのサンプル値の差分から、ノイズピーク値を算出する」ステップを行なう。ここでまず第１に、Ａ−Ｂと「ノイズ識別しきい値」との比較を行なう。Ａ−Ｂ≧「ノイズ識別しきい値」の場合には、その点の「ノイズ値」を算出する処理に移行する。これに対してＡ−Ｂ＜「ノイズ識別しきい値」の場合には、その点の「ノイズ値」を０にする（図３参照）。

なおここで「ノイズ識別しきい値」とは、ある任意の点付近のポテンショメータの出力値の推移が、正常であるか、異常であるか、すなわちノイズが発生しているか否かを識別するために予め設定された値である。ノイズが発生した場合には、図４および図５に示すように、ポテンショメータの出力値が急激に下降し、その後に急激に上昇し、本来の値に戻る。よって、ポテンショメータの出力値の急激な上昇が確認された場合には、その付近にノイズが発生している、と考えられる。「ノイズ識別しきい値」は、サンプリングレートや、測定モーションの動作速度等によって決定される。

次に「ノイズ値」の算出のステップに移行する。図３に示すように、以下の式を、ある任意の点の「ノイズ値」とする。
ノイズ値Ｎ＝ａｂｓ［ｍｉｎ｛０、（Ｂ−Ｃ）、（Ｂ−Ｄ）、（Ｂ−Ｅ）、（Ｂ−Ｆ）、・・・｝］
なお上記の式でａｂｓは絶対値を意味し、ｍｉｎは最小値をとることを意味する。また「サンプル値の差分」をいくつ使用するかは、位置データログのサンプリングレートにより決定する。例えば図５に示す場合には、「ノイズ識別しきい値」＝６とし、「現在を含む過去５つのサンプル値の差分」を使用している。

次に図３に示す「ノイズピーク値」の算出のステップに移行する。ここではデータ全域について、「ノイズ値Ｎ」の算出を行ない、その最大値を「ノイズピーク値Ｎｍａｘ」とする。そしてこれを、ポテンショメータの摩耗状態を示す指標とする。

次いで「ノイズピーク値」と「判定用しきい値」の比較を行なう。なおポテンショメータの取付け部位ごとに、統計的手法により予め決定された「判定用しきい値」を設定している。算出した「ノイズピーク値」と、「判定用しきい値」とを比較し、次のようにして診断を行なう。
「ノイズピーク値」≧「判定用しきい値」→ポテンショメータが摩耗している。「ノイズピーク値」＜「判定用しきい値」→ポテンショメータは摩耗していない。

図４は実際にポテンショメータから取得されたデータの変化を示している。図５はこのようなデータを模式的に示したものである。図５においてノイズ識別しきい値＝６とし、現在を含む過去５つのサンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを使用した場合について具体的に説明する。

なお図５に示すように、ノイズ値が総てマイナスである理由は、ポテンショメータの摺動部が摩耗することによって、摩耗粉が発生する。この摩耗粉は絶縁物質から構成される。従ってこのような絶縁物質の摩耗粉の上にブラシが乗上げると、ブラシは瞬間的に絶縁される。すなわち絶縁によって抵抗値が極大になり、このためにポテンショメータの出力電圧が一時的に急激に低下する（図４参照）。従ってこのように出力電圧が瞬間的に下がっている状態を、「ノイズが発生している」と判断しているために、ノイズが総てマイナス方向の値になる。
（Ａ−Ｂ）＞ノイズ識別しきい値＝６なので、
ノイズ値Ｎ＝ａｂｓ［ｍｉｎ｛０、（Ｂ−Ｃ）、（Ｂ−Ｄ）、（Ｂ−Ｅ）｝］＝ａｂｓ［ｍｉｎ｛０、−６０、−８９、−９６｝］＝９６
従ってこの場合におけるＡ点のノイズ値は、９６になる。

次に別のポテンショメータの診断方法について説明する。

「ノイズの幅」を用いる方法
ノイズが発生している点の周辺では、ポテンショメータの出力電圧の特徴的な推移が見られる。すなわち出力電圧が正常である点の間にノイズが発生している点が発現する。よってこの「ノイズが発生している点」が何点連続しているかを調べることにより、「ノイズの幅」が判別できる。これを用いることで、ノイズが発生している点の周辺の、摩耗の範囲を診断することが可能になる。

この動作は具体的には、例えば図６に示される。すなわちロボットを測定用設備に設置し、測定モーションの実行を行ない、位置データログを取得する。そしてまずリセット動作を行ない、カウンタと最大ノイズ幅をそれぞれ０に設定する。

この後に１つずつデータを読込むとともに、それぞれのデータとその前のデータとの比較を行ない、Ａ−Ｂの値がノイズ識別しきい値よりも大きいかどうかの判断を行なう。大きい場合にはカウンタに１を加算する。そしてカウンタの値が最大ノイズ幅かどうかの判断を行ない、最大ノイズ幅よりも大きい場合には、最大ノイズ幅をカウンタ値とする。この動作を全データが終了するまで行ない、最大ノイズ幅がノイズ幅用判定しきい値よりも大きいかどうかの判断を行なう。最大ノイズ幅がノイズ幅用判定しきい値よりも大きい場合にはポテンショメータは摩耗していると判断し、そうでない場合にはポテンショメータは摩耗していないと判断する。

「ノイズ発生頻度」を用いる方法
データの全域について、正常な部分と、ノイズが発生している部分の割合を求める。この割合の大小によって、ポテンショメータの全体的な摩耗度合いを診断することができる。

この動作を、具体的には、例えば図７に示されるフローチャートに沿って実行する。すなわちロボットを測定用設備に設置し、測定モーションの実行と、位置データログの取得とを行なう。そしてカウンタを０にリセットする。

この後にデータを１つずつ読込み、その前のデータとの比較を行なう。ある時点のデータＡとその前のデータＢとの差分を計算し、この値がノイズ識別しきい値よりも大きいかどうかの判断を行なう。大きい場合にはカウンタ値に１を加える。そしてこれを全データが終了するまで行なう。全データが終了した場合には、全データに対するカウンタ値が、ノイズ発生割合用しきい値を超えているかどうかの判断を行ない、カウンタ／全データ値がノイズ発生割合用しきい値を超えている場合には、ポテンショメータがほぼ全域で摩耗していると判断する。これに対してそうでない場合には、ポテンショメータは部分的に摩耗していると判断する。

以下本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の範囲内で各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態は、ロボットの自由度が５の関節のポテンショメータの摩耗診断方法について説明したが、本願発明はロボット以外の各種のフィードバックシステムにおける位置検出センサの摩耗診断に広く利用可能である。

本願発明は、位置検出センサによって位置検出を行ない、この検出出力に応じてフィードバック制御を行なうシステムにおける上記位置検出センサの摩耗診断に利用することができる。

システムの構成を示すブロック図である。 フィードバック制御系の構成を示すブロック図である。 位置検出センサの摩耗診断システムの動作を示すフローチャートである。 ポテンショメータの出力データを示すグラフである。 ポテンショメータの出力値の推移をモデル的に示したグラフである。 ノイズの幅によって摩耗診断を行なう動作を示すフローチャートである。 ノイズの発生頻度によって摩耗診断を行なう動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…コントローラ、１１〜１５…モータ、１６〜２０…エンコーダ（位置検出センサ）、２５…ＰＩＤ制御器、２６…コンパレータ

Claims (8)

1. フィードバック制御系における接触型位置検出センサの摩耗診断方法において、
   前記位置検出センサの出力データを取得し、ある時点を含む過去のいくつかのサンプル値の差分からノイズピーク値を算出し、該ノイズピーク値を判定しきい値と比較して、判定しきい値を超えている場合に摩耗していると判断することを特徴とする位置検出センサの摩耗診断方法。
2. ある時点のサンプル値と、その前のサンプル値との比較を行ない、その差がノイズ識別しきい値よりも大きい場合にのみ、摩耗診断を行なうことを特徴とする請求項１に記載の位置検出センサの摩耗診断方法。
3. ある時点のサンプル値をＡとし、その前のサンプル値をＢとしたときに、Ａ−Ｂがノイズ識別しきい値より大きい場合に、ノイズ値を算出する処理に移行し、Ａ−Ｂがノイズ識別しきい値より小さい場合に、ノイズ値を０とすることを特徴とする請求項１に記載の位置検出センサの摩耗診断方法。
4. ある時点のサンプル値をＡとし、その前のサンプル値をＢとし、さらに前のサンプル値をＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆ・・・としたときに、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｄ、Ｂ−Ｅ、Ｂ−Ｆ・・・の内の最小値の絶対値をノイズ値とし、このノイズ値の算出を対象範囲について行ない、対象範囲内の最大のノイズ値を判定しきい値と比較して、判定しきい値を超えている場合に摩耗していると判断することを特徴とする請求項１に記載の位置検出センサの摩耗診断方法。
5. ノイズが発生している点がいくつ連続しているか、を調べることによって摩耗の範囲を診断することを特徴とする請求項１に記載の位置検出センサの摩耗診断方法。
6. 対象範囲内において、正常な部分とノイズが発生している部分の割合を求め、その割合によって全体的な摩耗の度合いを診断することを特徴とする請求項１に記載の位置検出センサの摩耗診断方法。
7. 接触型位置検出センサがポテンショメータであることを特徴とする請求項１に記載の位置検出センサの摩耗診断方法。
8. 接触型位置検出センサがフィードバック制御されるモータの出力回転角度を検出する位置検出センサであることを特徴とする請求項１に記載の位置検出センサの摩耗診断方法。
   

Images