JP2008068331A - ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 周囲の電気ノイズの影響は小さく、また、モータ部から発生する熱による精度低下や動作不良が無く、ケーブル類の配線数を削減できるようにする。
【解決手段】 光学式エンコーダは、電力を供給して発光ダイオード等の投光部から回転スリット円板へ投光を行ない、回転スリット円板を通過した光は受光用光ファイバで制御装置に導かれる。制御装置には光ファイバケーブルで伝送された光信号を電気信号に変換する光電変換部を有しモータを駆動制御する。光学式エンコーダの投光部への電源は、制御装置から１対の共通電源ラインで多関節ロボットへ送られ、ロボット機内で複数の光学式エンコーダに並列接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、関節の回動動作をモータで駆動する多関節ロボットの各モータの回転角度を検出する光学式エンコーダを適用したロボットシステムに関する。

従来の光学式エンコーダは、モータの回転軸に締結されたエンコーダ軸に等間隔のスリットが刻まれた回転スリット円板が取り付けられ、この回転スリット円板を挟んで発光ダイオード等の投光部と、フォトトランジスタ等の光を電気信号に変換する光電変換部が対向配置されている。投光部から回転スリット円板に向けて発せられた光は、回転スリット円板が回転することで光が透過又は遮光されて受光部に達し、受光部では、前述の透過又は遮光による光を、受光強弱に相関した電気信号に変換及び信号処理することでモータの回転及び位置を電気信号として制御装置に出力している。
この電気信号は、９０度位相の異なる２相信号（Ａ相及びＢ相）と、１回転毎に１パルスの原点信号（Ｚ相）であり、これら電気信号は、それぞれ独立してオープンコレクタ形式又はラインドライバ／レシーバ形式で制御装置に出力され、制御装置では信号処理され、モータの回転位置として検出され、モータを駆動制御するように構成されている。他の電気信号を出力する形式としては、モータの位置（回転数及び角度）をエンコーダの内部で求め、シリアル通信で制御装置に伝送するものもある。

（従来例１）
図３は、以上で説明した従来のエンコーダ部３０２をモータ部３０１に接続して、一体とした場合の外観図である。電源ライン３１１、電気信号ライン３１２、外来ノイズから信号を防御するシールド３１３をまとめてエンコーダ電気ケーブル３１４と呼ぶこととし、信号コネクタ３１０を介して制御装置（不図示）に接続されている。３０３は電子回路基板で、発光部３０６への電源供給と受光部３０７で受光した光を光電変換と信号処理を行なって電気信号ライン３１２と信号コネクタ３１０を介して制御装置に出力している。
ここでは、エンコーダの電気信号を制御装置に伝送する方式としてラインドライバ方式を用いているため、Ａ相、Ｂ相の信号線にはＡ(＋)及びＡ(−)ならびにＢ(＋)及びＢ(−)の電気信号ライン３１２が必要となり、エンコーダ電気ケーブル３１４は電源ライン３１１及びシールド３１２を含め合計７本のラインで構成されている。
３２１はモータ部３０１を駆動するための電力を供給するモータパワーケーブルであり、モータパワーコネクタ３２０を介して制御装置に接続されるようになっている。ここで、モータ部１は、３相ＡＣサーボモータとすると、モータパワーケーブル３２１は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の電力ラインならびにシールドの合計４本のラインで構成されている。
このように、従来例１の光学式エンコーダでは、制御装置からエンコーダ部３０２へ電力を供給し、エンコーダ部３０２の電子回路基板３０３で信号処理を行いモータの回転角度信号を生成し、電気信号として制御装置に伝送し、制御装置はモータの回転角信号を帰還信号としてモータをサーボ制御するようになっている。

しかし、この従来例１の光学式エンコーダは、周囲の電気ノイズの影響を小さくするためにエンコーダの電気信号をラインドライバ／レシーバ形式によって制御装置へ伝送するためエンコーダ信号線の数が依然として多く必要となるといった問題や、エンコーダの筐体内部に多くの素子を搭載した電子回路基板３０３を内蔵する必要があるため、モータ駆動による熱の影響を受けて素子の電気的な特性が変化し、回転角度情報の精度が低下や動作不良となる可能性を秘めている問題や、更には電子回路基板３０３をエンコーダ内に設置するためエンコーダ部の小型化が難しいといった問題を抱えていた。

（従来例２）
そこで、従来例１の問題を解決するために、図４に示すように、エンコーダ部４０２の外部に配置した投光部（不図示）から発せられた光を光コネクタ４１０及び光ファイバーケーブル４１１を用いてエンコーダ部４０２内に導き回転スリット円板４０４に照射し、透過又は反射した光を光ファイバケーブル４２１及び光コネクタ４２０を介してエンコーダ部４０２の外部に配置した光電変換部（不図示）へ光信号として伝送する光学式エンコーダが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このように従来例２の光学式エンコーダは投光および受光とも光ファイバケーブルを用いているため従来例１に比べて周囲の電気ノイズの影響を低減できるとともに、電子回路基板をエンコーダ部４０２に配置していないため、モータが駆動するときに発する熱によって電気的特性が変化し、回転角度の精度の悪化や動作不良となることが無くなり、更には、電子回路基板をエンコーダ部４０２の外部に配置するため、エンコーダ部４０２の部品点数が減少し、小型化を実現できるようになっている。
特開昭５９−１７３７１３号公報

ロボットは関節の回動動作をモータで駆動するものが一般的であるが、このモータの回転位置を検出するエンコーダに従来例１または従来例２のような光学式エンコーダを備えることで、ロボットの各アームを自由に制御することができるようになっている。
しかし、多関節ロボットの各関節は、多関節であるがゆえに関節が連なっているので、例えば先端部のモータに備わるエンコーダの配線（出力信号伝送ライン）が、基部のモータの近傍及び各アーム（ロボットの腕）内に布線されることとなる。

図５は従来例１の光学式エンコーダを用いて３軸のモータを駆動制御する場合の配線図である。５０１は多関節ロボット、５００は各モータをそれぞれ独立に制御するための制御装置である。制御装置５００と多関節ロボット５０１の機内に備わるモータ部５０２とは、モータパワーケーブル５１１及びモータパワーコネクタ５１０とを介して接続され、エンコーダ部５０３とはエンコーダ電気ケーブル５２１及びエンコーダコネクタ５２０で接続されている。
一般の多関節ロボット５０１では、ロボットの関節部にモータ部５０２及びエンコーダ部５０３が組み合わされ、それぞれ配置されており、エンコーダ電気ケーブル５２１が符号５２２のように束状としてロボットのアーム及び関節に沿って布線されている。制御装置５００と多関節ロボット５０１とは、離隔した位置に配置されるため、ロボットのベース部には全てのケーブルが束となって配線され、これらの配線の束がロボットベース部から制御装置へと接続されているのである。

従来例２の光学式エンコーダでは、エンコーダの信号をエンコーダ部４０２の内部で電気信号に変換せず、光ファイバーを利用して光信号のまま制御装置に伝送するため、従来例１に比べ、モータから発生する熱の影響による回転角度精度の低下防止やエンコーダ部の小型化に効果が期待できるようになっている。

図６は従来例２の光学式エンコーダを用いて３軸のモータを駆動制御する場合の配線図である。６０１は多関節ロボット、６００は各モータをそれぞれ独立に制御するための制御装置である。
制御装置６００と多関節ロボット６０１の機内に備わるモータ部６０２とはモータパワーケーブル６１１及びモータパワーコネクタ６１０とを介して接続され、エンコーダ部６０３とは光ファイバケーブル６２１及び光コネクタ６２０を介して接続されている。
制御装置６００には、図示しない投光部と光電変換部が配置されており、投光部が発した光は光コネクタ６２０および光ファイバケーブル６２１を通って回転スリット円板４０４（図４参照）へと照射され、回転スリット円板４０４を通過した光は光ファイバケーブル６２１および光コネクタ６２０を介して光電変換部へ導かれるようになっている。これらのケーブルの束６２２が多関節ロボット６０１のベース部から制御装置６００へと接続されているのである。尚、光コネクタ６２０及び光ファイバケーブル６２１は、光の往路と復路が独立し、かつ一体構成されている。

特に、多軸ロボットを構成する際に配線数の増加は、ロボット基部のモータの近傍及び各アーム内の配線の線積率（総断面積に占める配線の面積の割合）が大きくなり、そのため、ロボットの動作範囲に制限がある、また、屈曲のために断線しやすくなるという問題が潜在的に存在する。また、近年では、小物部品のハンドリング等では細い指状アームで手の形に構成したロボットや、ワークへの接近性をよくするためにアームを細くしなければならないものがある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、光学式エンコーダを備えたモータで動作する多軸ロボットのエンコーダと制御装置間の接続ラインを更に少なくすることでケーブルを細くすることができる多軸ロボット用光学式エンコーダを適用したロボットシステムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、各々の関節にモータを有した多関節のロボットの前記モータは、該モータの回転軸に接続され該モータの回転軸の回転とともに回転するスリットが設けられた回転円板を有し、前記回転円板を挟んで対向し片方には光照射する投光部と、他方には前記投光部より光照射され前記回転円板の前記スリットを通過した光が入射する少なくとも２つの光ファイバとを備え、前記光ファイバで入射光が導かれ前記モータの回転位置を検出する光学式エンコーダが出力する前記回転位置に基づいて前記ロボットを動作制御する制御装置を備えたロボットシステムにおいて、前記投光部には発光素子を備え、前記投光部への電力は前記制御装置より電源ラインを介して供給されることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記投光部は、光を発する発光ダイオードと前記発光ダイオードの光を集光または拡散する少なくとも１つのレンズとを組み合わせた光学系で構成したことを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、複数の前記投光部への電力は、前記投光部へ電力の供給する前記制御装置から少なくとも１対のラインを含む共通電源ラインで前記ロボット本体内に導かれ、前記ロボット本体内に導かれた前記共通電源ラインから並列に分岐した電源ラインで供給されることを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記投光部へ電力の供給する前記電源ライン又は共通電源ラインに前記発光部への電圧若しくは電流又は電圧及び電流を調整する調整器を備えたことを特徴とするものである。

請求項１乃至４に記載の発明によると、エンコーダの筐体内部に発光素子以外の電気回路を必要とせず、また、エンコーダの信号を光ファイバで光信号のまま制御装置へ伝送するため、周囲の電気ノイズの影響を低減でき、更にモータから発生する熱の影響による回転角度精度の低下や動作不良の虞のない光学式エンコーダで、特に投光器への電源供給を制御装置から共通電源ラインで給電するため、制御装置との接続ラインを更に減少することで接続ケーブルを細くすることができる。
さらに、請求項４に記載の発明によると、投光部に電力を供給する電源ラインに供給電力（電圧及び電流）を調整する調整器を設けたため、たとえば多関節ロボットと制御装置との距離の違いによる投光器への供給電圧及び電流の調整を不用にする事ができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の多軸ロボット用光学式エンコーダの構成図である。図１において、１はロボットの関節を駆動するモータ部、２はモータの筐体に取り付けられたエンコーダ部である。１１はモータ部１を駆動するための電力を供給するモータパワーラインであり、モータパワーコネクタ１０を介して制御装置（不図示）に接続されている。エンコーダ部２のエンコーダ軸３には回転スリット円板４が取り付けられており、ベアリング５にてエンコーダ部２の筐体に固定されている。このエンコーダ軸３はモータ部１の回転軸と締結されているため、モータ部１の回転軸が回転することで回転スリット円板４も回転するようになっている。６は発光ダイオードなどで構成される投光部、９は電源ライン、１０１は電源コネクタであり、電源コネクタ１０１は制御装置の図示しない電源に接続して電力を電源ライン９を介して投光部６へ供給することで投光部６は光を発することができる。投光部６が発した光は、レンズ７にて集中光となり回転スリット円板４に光を照射する。回転スリット円板４には等間隔のスリットが印刷又は刻まれているので、モータの回転軸が回転すると回転スリット円板４も回転し、光がスリットを透過したり遮光したりするようになっている。このようにして、回転スリット円板４を透過した光は、更にスリットが印刷又は刻まれた固定スリット板８を通ることで複数に分かれた光となり、それぞれを信号として検出することで、回転角度信号の分解能を上げることができる。この複数の信号としては、一般にはＡ相信号、Ｂ相信号、Ｚ相信号などがあるが、ここでは図や説明を簡単にするためＡ相信号とＢ相信号の２相の信号で説明する。固定スリット板８を透過した２相の光はそれぞれ２つの受光用の光ファイバケーブル１０２で受光する。受光用の光ファイバケーブル１０２の一端は、エンコーダ部２の筐体内に導かれ、固定スリット板８を通過した光を受ける。光ファイバケーブル１０２の他端には受光用光コネクタ１０３で一体に固定されており、Ａ相、Ｂ相としてそれぞれ受光した２相の光はこの受光用光コネクタ１０３を介して図示しない制御装置に配置した光電変換部に導かれるようになっており、モータが回転することで２相の光信号が変化するため受光部で変換した電気信号も変化するようになっている。

制御装置に配置した光電変換部には、光信号を電気信号に変換するフォトトランジスタやその電気信号を増幅する増幅器及び信号処理器などで構成されており、この回転によって変化する電気信号はモータの回転角度情報として制御装置で処理され、制御装置に接続したモータパワーコネクタ１０およびモータパワーライン１１を介してモータ部１へ供給する電流を調整することでモータの回転を制御できるようになっている。
図示していないが、投光部６へ供給される電圧及び電流の調整は、必要に応じて制御装置とエンコーダ部２との間で、熱などの影響の少ない部位に調整器を設けることができる。この調整器は、例えば発光部が発光ダイオードであれば、順電流を制限する直列接続する抵抗器である。また、他の例では、制御装置から供給される例えば直流２４Ｖの電圧を、発光ダイオードに見合う電圧及び電流に調整するものである。
本発明が従来技術の特に従来例２と異なる部分は、回転スリット円板４に光を投光する投光部６をエンコーダ部２の筐体内に配置し、投光部６へは電源ライン９を介して電力供給を行ない、回転スリット円板４を通過した光は直接受光用の光ファイバケーブル１０２で受光し、制御装置へ導かれることである。発光ダイオード等の発光部６は、モータ部１が発する熱の影響が少ないので、モータの位置検出に大きな影響を受けることがない。

図２は、本発明の多軸ロボット用光学式エンコーダを用いて３軸のモータを駆動制御する場合の配線図である。２０１は多関節ロボット、２００は各モータをそれぞれ独立に制御するための制御装置であり、モータ部１とはモータパワーライン２１及びモータパワーコネクタ２０とを介して接続され、エンコーダ部２とは光ファイバケーブル１０２及び受光用の光コネクタ１０３並びに投光部６用の電力が共通電源コネクタ１７、共通電源ライン１８、電源コネクタ１５及び電源ライン１６で接続されている。
制御装置２００には、光電変換部２０２が配置されており、投光部６が発した光は回転スリット円板４へと照射され、回転スリット円板４および固定スリット板８を透過した光は受光用の光ファイバケーブル１０２および受光用光コネクタ１０３を通って光電変換部２０２へ導かれるようになっている。

投光部６に電力を供給するため、制御装置２００内の電源２０３から共通電源コネクタ１７及び共通電源ライン１８を介し多関節ロボット２０１に送られる。多関節ロボット２０１機内で共通電源ライン１８から複数の光学式エンコーダには、並列に電源コネクタ１５及び電源ライン１６を介してエンコーダ部２に接続している。２０５は調整器であり、投光部６の発光素子よりの発光量が適切となるように電圧若しくは電流又は電圧及び電流を調整し、モータの発熱の影響の少ないところに配置される。
ただし、調整器２０５の設置は必須ではない。
このように投光部６に電力を供給する電源ライン１６及び電力コネクタ１５を、それぞれの光学式エンコーダ毎に独立に配置できるようにしたことで、従来では、多軸ロボットを構成する場合に、光路を関節軸の数だけロボットの基部を通すことが必要であったものを、１つの共通電源ライン１６（正負の１対）だけで済むようになるのである。これで、例えば、多関節ロボット２０１の先端部に更にモータを追加するようなときでも、ロボット機内（ロボットの内部）で共通電源ライン１８を更に並列に分岐し接続するだけで投光部への配線ができるようになっている。

現在世の中に普及している産業用ロボットでは、一般に６つの関節軸を有しているので、図２で示した３軸のモータを駆動制御する場合より、省線の効果は明らかである。また、今後のロボットは更に多軸化が進展すると予想されるが、このような場合に本発明の効果が期待できる。
本発明では、特にアームが細い又は基部配線領域が狭い多関節ロボットに有効である。

本発明の第１実施例を示す多軸ロボット用光学式エンコーダの構成図 本発明の第２実施例を示すロボットシステムの構成図 従来例１の光学式エンコーダの説明図 従来例２の光学式エンコーダの説明図 従来例１の光学式エンコーダを適用したロボットシステムの構成図 従来例２の光学式エンコーダを適用したロボットシステムの構成図

符号の説明

１、３０１、５０２、６０２ モータ部
２、３０２、４０２、５０３、６０３ エンコーダ部
３ エンコーダ軸
４、３０４、４０４ 回転スリット円板
５ ベアリング
６ 投光部
７ レンズ
８ 固定スリット板
９、１６ 電源ライン
１０、２０、３２０、５１０、６１０ モータパワーコネクタ
１１、２１、３２１、５１１、６１１ モータパワーライン
１０１ 電源コネクタ
１０２ 光ファイバケーブル
１０３ 受光用光コネクタ
１７ 共通電源コネクタ
１８ 共通電源ライン
２００、５００、６００ 制御装置
２０１、５０１、６０１ 多関節ロボット
２０２ 光電変換部
２０３ 電源
３０３ 電子回路基板
３０６ 発光部
３０７ 受光部
３１０ 信号コネクタ
３１１ 電源ライン
３１２ 電気信号ライン
３１３ シールド
３１４ エンコーダ電気ケーブル
４１０、４２０、６２０ 光コネクタ
４１１、４２１、６２１ 光ファイバーケーブル
５２０ エンコーダコネクタ
５２１ エンコーダ電気ケーブル

Claims (4)

1. 各々の関節にモータを有した多関節のロボットの前記モータは、該モータの回転軸に接続され該モータの回転軸の回転とともに回転するスリットが設けられた回転円板を有し、前記回転円板を挟んで対向し片方には光照射する投光部と、他方には前記投光部より光照射され前記回転円板の前記スリットを通過した光が入射する少なくとも２つの光ファイバとを備え、前記光ファイバで入射光が導かれ前記モータの回転位置を検出する光学式エンコーダが出力する前記回転位置に基づいて前記ロボットを動作制御する制御装置を備えたロボットシステムにおいて、
   前記投光部には発光素子を備え、
   前記投光部への電力は前記制御装置より電源ラインを介して供給されることを特徴とするロボットシステム。
2. 前記投光部は、光を発する発光ダイオードと前記発光ダイオードの光を集光または拡散する少なくとも１つのレンズとを組み合わせた光学系で構成したことを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
3. 複数の前記投光部への電力は、
   前記投光部へ電力の供給する前記制御装置から少なくとも１対のラインを含む共通電源ラインで前記ロボット本体内に導かれ、前記ロボット本体内に導かれた前記共通電源ラインから並列に分岐した電源ラインで供給されることを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
4. 前記投光部へ電力の供給する前記電源ライン又は共通電源ラインに前記発光部への電圧若しくは電流又は電圧及び電流を調整する調整器を備えたことを特徴とする請求項１又は３記載のロボットシステム。

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