JP2010249585A - 現在位置特定装置及び現在位置特定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動体の電源遮断後における再起動時に最終出力端の現在位置を特定可能な現在位置特定装置及び方法を提供する。
【解決手段】被駆動体１６を減速機１５を介して駆動する駆動モータ１０と、減速機の出力軸１５ａに取り付けられ出力軸の回転位置を検出する第１のアブソリュート型エンコーダ１１と、駆動モータのモータ軸に接続され駆動モータの回転位置を検出する第２のアブソリュート型エンコーダ１２とを備え、駆動モータへの電源投入により、駆動モータの現在位置を含む原点からの所定区間を出力軸の回転位置として第１のアブソリュート型エンコーダの出力から特定し、駆動モータの１回転内の回転位置を第２のアブソリュート型エンコーダの出力から特定し、出力軸の回転位置と駆動モータの回転位置とから駆動モータの原点からの現在位置を特定する位置特定演算手段を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばロボットの作業中断や非常停止時に好適に使用可能な現在位置特定装置及び現在位置特定方法に関する。

従来から例えばロボット等の位置決めを行うにあたって、エンコーダをモータの回転軸に取り付け、エンコーダの出力を利用して位置を算出していた。このような現在位置特定装置のエンコーダにはインクリメント型エンコーダを用いる場合（例えば、特許文献１参照）と、アブソリュート型エンコーダを用いる場合（例えば、特許文献２参照）があった。

特許文献１に記載のインクリメント型エンコーダを用いた構成においては、外部システムの同期特性を保持し、フレキシピリティ動作を可能とするため、パルス出力、カウンタを２つ設け、動作プログラムデータを設定し、最大カウント値を変数として計算し、主動軸モータの位置合わせを自動で行うような複雑な構成をとっていた。

特開平０６−１２０５５３号公報 特開２００７−２７１４５９号公報

ロボットの位置決め装置のエンコーダにインクリメント型エンコーダを用いた場合は、その出力がパルス状であるため、ロボットの作業中断や非常停止等の際、再起動するとロボットの現在位置が分からず、強制的に原点復帰をする必要があった。

そして、この原点復帰を急激に行うと、原点のドグを検知しても急にロボットが停止できず、ロボットの慣性重量により原点を通り越してしまうので、ゆっくりと原点復帰することが必須とされていた。

このような原点復帰を行う場合、特に位置精度を上げるために分解能を高くすると、ロボットが原点近くに位置する場合は良いが、原点からかなり離れて位置する場合には原点まで戻るのにかなりの時間を要していた。

このように、インクリメント型エンコーダを用いた場合、ロボットの作業中断や非常停止に際して時間のかかる原点復帰を毎回行わなければならず、作業効率の低下を招いていた。

これに加えて、インクリメント型エンコーダを用いてロボットの位置決めを行う場合、ロボットの作業中断後や非常停止後の原点復帰に際して、直動型ロボットであれば原点までの復帰経路（移動の軌跡）がある程度予測できる。しかしながら、特に多関節型ロボットの場合、その構造上、例えばロボットアーム等の最終出力端が多軸になるので、ロボットがどのような経路を通って原点まで復帰するのかを予想することが難しく、作業者がロボットの近くにいたりすると安全上好ましくなかった。

特に、非常停止等でロボットが止まってしまった場合、原点復帰のために最終出力端が大きく動作してしまう場合があり、修理用の工具等や装置等の接触により周辺の動作環境に影響を及ぼす場合もあった。

一方、アブソリュート型エンコーダをモータの回転軸に単に設けた構成では、電源を遮断しても再電源投入時にロボットの現在位置を把握できるので、ロボットの原点復帰は不要となる。しかしながら、特許文献２に記載された具体的分解能からも明らかなように、アブソリュート型エンコーダの分解能には限界があり、精度の高い位置決めができなかった。従って、複雑で細かい動作を行う被駆動体の位置決め装置（現在位置特定装置）への適用は難しかった。

本発明の目的は、例えばロボット等の被駆動体の電源遮断後における再起動時に、位置の特定を必要とする最終出力端の現在位置を、被駆動体を動かすことなく特定可能な現在位置特定装置及び現在位置特定方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る現在位置特定装置は、
駆動モータの回転軸に取り付けられかつ駆動モータの回転位置を検出するエンコーダを用いて被駆動体に現在の位置及び駆動指令を行う現在位置特定装置であって、
被駆動体を減速機を介して駆動する駆動モータと、
前記減速機の被駆動体側の出力軸に取り付けられかつ当該出力軸の回転位置を検出する第１のアブソリュート型エンコーダと、
前記駆動モータのモータ軸に接続され、当該駆動モータの回転位置を検出する第２のアブソリュート型エンコーダと、を備えると共に、
前記駆動モータへの電源投入により、前記駆動モータの原点からの現在位置を含む所定区間を前記第１のアブソリュート型エンコーダの出力から前記出力軸の回転位置として特定し、前記駆動モータの１回転内の回転位置を前記第２のアブソリュート型エンコーダの出力から特定し、前記出力軸の回転位置と前記駆動モータの回転位置とから前記駆動モータの原点からの現在位置を特定する位置特定演算手段を備えたことを特徴としている。

また、本発明の請求項２に係る現在位置特定方法は、
駆動モータの回転軸に取り付けられかつ駆動モータの回転位置を検出するエンコーダを用いて被駆動体に現在の位置及び駆動指令を行う現在位置特定方法であって、
被駆動体を減速機を介して駆動する駆動モータと、前記減速機の被駆動体側の出力軸に取り付けられかつ当該出力軸の回転位置を検出する第１のアブソリュート型エンコーダと、前記駆動モータのモータ軸に接続され、当該駆動モータの回転位置を検出する第２のアブソリュート型エンコーダと、を備えた現在位置特定装置を用意し、
前記駆動モータへの電源投入により、前記現在位置特定装置を介して前記駆動モータの原点からの位置を含む所定区間を前記第１のアブソリュート型エンコーダの出力から前記出力軸の回転位置として特定する第１のステップと、
前記駆動モータの１回転内の回転位置を前記第２のアブソリュート型エンコーダの出力から特定する第２のステップと、
前記第１のステップで求めた前記出力軸の回転位置と、前記第２のステップで求めた前記駆動モータの回転位置とから前記駆動モータの原点からの現在位置を特定する第３のステップと、を有したことを特徴としている。

多軸ロボットのアームの制御などに用いられる位置センサに２つのアブソリュート型エンコーダを使用することにより、高分解能にモータの位置を検出することができ、駆動モータの現在位置を正確に特定することが可能となる。

より具体的には、被駆動体を駆動するモータに何らかの要因で電源遮断が発生した場合、駆動電源遮断後電源再投入時に被駆動体を原点までゆっくり移動させる原点復帰を必要としない。これによって、被駆動体を高速で原点（初期位置）に移動させたり被駆動体が停止した位置から再び被駆動体を作動させることができる。また、単純で廉価な構成にできると共に、被駆動体の高精度な位置決めを容易に行うことができるようになる。

本発明によると、例えばロボット等の被駆動体の電源遮断後における再起動時に、位置の特定を必要とする最終出力端の現在位置を、被駆動体を動かすことなく特定可能な現在位置特定装置及び現在位置特定方法を提供することができる。

本実施形態に係るロボットの現在位置特定装置の概略構成図である。 図１に示したロボットの現在位置特定装置のブロック図である。 本実施形態に係るロボットの現在位置特定装置を用いた現在位置特定方法を説明するフローチャートである。 ロボットアーム可動範囲における本実施形態の第１のアブソリュート型エンコーダの出力と第２のアブソリュート型エンコーダの出力との相対関係を示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態に係る現在位置特定装置について図面に基づいて説明する。なお、本実施形態ではこの現在位置特定装置をロボットに適用したロボットの現在位置特定装置として説明する。

図１は、本実施形態に係るロボットの現在位置特定装置の概略構成図である。また、図２は、図１に示したロボットの現在位置特定装置のブロック図である。また、図３は、本実施形態に係るロボットの現在位置特定装置を用いた現在位置特定方法を説明するフローチャートである。また、図４は、ロボットアーム可動範囲における本実施形態の第１のアブソリュート型エンコーダの出力と第２のアブソリュート型エンコーダの出力との相対関係を示す説明図である。

なお、本発明に係るロボットの現在位置特定装置は、以下の実施形態においては多関節型ロボットに適用するが、必ずしもこれに限定されず、直交座標型ロボットや極座標型ロボット、スカラー型ロボット、円筒座標型ロボットにも適用可能である。

本実施形態に係るロボットの現在位置特定装置１は、上述のように多関節型ロボットに適用され、図１に示すように、ロボットの多関節間の各アーム（各出力軸）に取り付けられ駆動モータとしての役目を果たすサーボモータ（以下、「モータ」とする）１０と、モータ１０に減速機１５を介して連結された第１のアブソリュート型エンコーダ１１と、モータ１０のモータ軸を１０ａに直結した第２のアブソリュート型エンコーダ１２と、を有している。なお、図１及び図２に示す構成は、複数のアームのうち最終出力端であるハンドを端部に有するアーム１６に取り付けられた現在位置特定装置であるが、本実施形態に係る現在位置特定装置１は、実際には多関節型ロボットの各アームに図１及び図２に示す現在位置特定装置１が取り付けられている。

より具体的には、第１のアブソリュート型エンコーダ１１は、モータ１０の回転を減速比１：ｎの減速機１５を介して減速し、この減速した出力軸１５ａを介してロボットのアーム１６に取り付けられている。そして、第１のアブソリュート型エンコーダ１１を介して、３６０度以内を可動範囲とするアーム１６、即ち減速機１５のアーム側出力軸１５ａの回転角度を測定するようになっている。なお、アーム１６の回転位置を検出する第１のアブソリュート型エンコーダ１１の分解能は、モータ軸１０ａの１回転より小さくなっている。これを例示的に説明すると、第１のアブソリュート型エンコーダ１１の分解能を２５６とした場合、本実施形態ではモータ１０の１回転を減速比１：ｎの減速機１５で減速した出力軸１５ａの回転数（１／ｎ）回転よりも第１のアブソリュート型エンコーダ１１の分解能１／２５６の方が小さくなっている。即ち、各アームに連結された出力軸１５ａの回転角度を１回転あたり２５６の分解能で測定するようになっている。

アーム１６の回転角度は、図２に示す出力軸（アーム）１回転以内の出力軸位置算出手段１１１によって求められる。第１のアブソリュート型エンコーダ１１の分解能（２５６）によるアームの回転角度は１／２５６ごとに求まる。なお、減速機の減速比は、１：ｎのため、モータ１０の回転に関して、（１／２５６）×ｎ＝ｎ／２５６回転ごとに異なる出力が第１のアブソリュート型エンコーダ１１から得られる。即ち、第１のアブソリュート型エンコーダ１１によってモータの回転角度がｎ／２５６回転ごとにモータ１０の位置を何れかの区間に含んだ異なる区間に対応する出力が段階的に得られる。

一方、第２のアブソリュート型エンコーダ１２は、本実施形態の場合、２５６の分解能を有している。即ち、モータ１回転に対して２５６の分解能で回転角度を検出するようになっている（図４参照）。モータ１０の回転角度は、図２に示すモータ１回転以内のモータ位置算出手段１１２によって求められる。そして、アーム１６（減速機１５の出力軸１５ａ）の１回転以内の回転位置に対応したモータの３６０度×ｎで規定される原点からの絶対回転位置（現在位置）が、後述するように図２に示すアーム１回転以内のモータ位置算出手段１１３によって正確に求められる。

図３は、本実施形態に係るロボットの現在位置特定装置を用いた現在位置特定方法を説明するフローチャートである。以下に図３に基づいて本実施形態に係るロボットの現在位置特定方法を説明する。

最初にロボットの電源投入を行う（ステップＳ１１）。次いで、被駆動体側のアブソリュート型エンコーダ（第１のアブソリュート型エンコーダ）の現在の出力値を読み取る（ステップＳ１２）。この読み取りは、図２の出力軸１回転以内の出力軸位置算出手段１１１が行う。次いで、この時のモータ側アブソリュート型エンコーダ（第２のアブソリュート型エンコーダ）の出力値を読み取る（ステップＳ１３）。この読み取りは、図２に示すモータ１回転以内のモータ位置算出手段１１２が行う。次いで、予め決められた分解能に基づき、アーム１回転以内の回転位置に対応するモータの原点からの絶対回転位置を演算する（ステップＳ１４）。次いで、演算結果をモータの現在位置として出力する（ステップＳ１５）。この場合のモータの現在位置の演算と出力は、図２に示すアーム１回転以内のモータ位置算出手段１１３が行う。なお、この第１及び第２のアブソリュート型エンコーダ１１，１２を用いたモータ１０の絶対回転位置（現在位置）の具体的計算方法については後述する。

そして、ロボットヘの通常モータ制御に移行する。この通常モータ制御においては、第１及び第２のアブソリュート型エンコーダ１１，１２の絶対回転位置（現在位置）の上述した具体的計算方法を引き続き用いる。

続いて、上述の現在位置特定装置１を用いた現在位置特定方法の図３に示すステップＳ１２〜Ｓ１４についてより詳細に説明する。図４は、ロボットアーム可動範囲における本実施形態の第１のアブソリュート型エンコーダ１１の出力と第２のアブソリュート型エンコーダ１２の出力との相対関係を示す説明図であり、被駆動体であるアームを駆動するモータの現在位置を特定する本発明の原理例を説明した図である。

第１のアブソリュート型エンコーダは、出力軸（アーム）１回転以内のモータの大まかな位置を特定する役目を果たしている。即ち、出力軸１回転以内の回転位置に応じて２５６段階の均等に区分された出力値が段階的に出力され、出力軸が完全に１回転すると出力がリセットされる。そして、出力軸１回転以内のモータの大まかな位置、即ちモータの現在位置を含む所定区間に対応する出力値を出力軸１回転あたりその回転位置に応じて２５６段階にわたって出力するようになっている。具体的には、本実施形態の場合、ｎ／２５６回転ごとに変化するモータ回転区間の何れの区間にモータが位置しているかを特定する。

第２のアブソリュート型エンコーダは、モータ１回転以内の現在位置を正確に検出する役目を果たしている。即ち、第２のアブソリュート型エンコーダによってモータの１回転以内の回転位置に応じて２５６段階の均等に区分された出力値が出力され、モータが完全に１回転すると出力がリセットされる。そして、モータ１回転以内のモータの回転位置をモータの回転角度に応じて２５６段階に亘ってこの回転位置に対応した異なる出力値として出力するようになっている。

これを更に例示的な出力値ａ，ｂを用いて詳しく説明する。図４において、被駆動体の現在位置はａ点にあるとする。なお、図４（ａ）の特性図においては、横軸がモータｎ回転以内における絶対回転位置（現在位置）を表し、縦軸は第２のアブソリュート型エンコーダの出力を表している。また、図４（ｂ）の特性図においては、横軸が出力軸の１回転以内における回転位置を表し、縦軸は第１のアブソリュート型エンコーダの出力を表している。

モータ軸に備わった第２のアブソリュート型エンコーダは、上述したようにモータ１回転内の回転位置を分解能２５６によって特定するようになっている。即ち、図４に示す複数並んだ第２のアブソリュート型エンコーダの直角三角形をなす出力特性のうち、斜辺に当たる部分が実際にはその下側に示す第１のアブソリュート型エンコーダの出力特性のようにモータ１／２５６回転ごとに２５６段階の異なる出力に分かれている。

また、出力軸に備わった第１のアブソリュート型エンコーダは、アーム（出力軸）１回転内の回転位置を分解能２５６によって特定するようになっている。即ち、図４に示すように、出力軸１／２５６回転ごとに２５６回に亘って出力が段階的に変化する。

図４における第１のアブソリュート型エンコーダの出力はａの出力であり、このときの第２のアブソリュート型エンコーダの出力はｂとなっている。出力ａに相当する第１のアブソリュート型エンコーダの回転位置ｐは、図４（ｂ）からｘ＜＝ｐ＜＝ｙの区間内に含まれていることになる。ここで、図４（ａ）の第２のアブソリュート型エンコーダの出力ｂに対応する位置ｚを求めることで、モータｎ回転中のモータの絶対回転位置（現在位置）は、ｚに対応するｚ’であることが分かる。

ここで、図４の場合、減速機の減速比ｎが１０とし、出力軸１回転につき第１のアブソリュート型エンコーダの分解能が２５６であるとし、出力軸に備わった第１のアブソリュート型エンコーダの出力ａが１２８と仮定し、モータ軸に備わった第２のアブソリュート型エンコーダの出力ｂが１００と仮定する。この場合、減速機ｎが１０であることから、出力軸１回転につきモータは１０回転していることになるので、出力ａが１２８の場合、モータは５回転と途中ｂの位置にあることとなり、２５６×５＋ｂがモータの絶対回転位置（現在位置）となる。そして、ｂは１００であるので、出力軸に備わった第１のアブソリュート型エンコーダの出力に、モータ軸に備わった第２のアブソリュート型エンコーダの出力を重畳させることにより、２５６×５＋１００＝１３８０だけモータが回転してこれに対応する絶対回転位置（現在位置）にあり、アーム１６がこれに対応する回転位置にあることが分かる。このように、本発明によると、１つのアブソリュート型エンコーダでは検出できない高い分解能でアームの絶対回転位置（現在位置）実現することができる。

このような方法により、本実施形態ではモータ１０が原点位置から何回転しているかをロボットの各アーム１６に取り付けられたモータごとに行うことで、ロボットの作業中断や非常停止後の再電源投入時に、ロボットをわざわざ原点復帰させることなく、アーム１６の端末のハンドの現在位置を正確に知ることができる。そして、この現在位置をロボット制御装置に取り込み、その後、上述と同様の演算方法によりアームを駆動するモータの現在位置を逐次正確に算出することでアームの各モータを制御し、ひいてはロボットを制御する。

多関節型ロボットの場合、本発明を適用すると、アーム１６の最終出力端であるハンドが動くことなくその時点の現在位置を正確に知ることができる。その結果、多関節型ロボットの再電源投入による原点復帰に伴う不都合な点、具体的にはロボットアーム等の最終出力端が多軸になることで、原点復帰時に各アーム１６が同時に動き、ロボットがどのような経路を通って原点まで復帰するのかを予想することが難しくなって予想外の経路でいきなりロボットが原点復帰してロボットの近くにいる作業者を驚かせたり危険な目に合わせたりするような不都合を回避できる。

以上説明したように、本発明では、被駆動体であるロボットの各アームに連結された出力軸ごとに設ける位置センサとしてアブソリュート型エンコーダを用い、モータの回転軸にもアブソリュート型エンコーダを用いた。これにより、例えば両方ともアブソリュート型エンコーダの中では比較的廉価である分解能２５６（８ビット）程度のものを用いても信号の安定性を高く維持できる。また、原点復帰のために複雑な動作演算を必要とせず、ロボットの最終出力端の位置を短時間で特定することが可能となる。

また、本発明によると、ロボットの作業を途中で中断した場合やロボットを非常停止した場合に、ロボットの現在位置をすぐに知ることができる。即ち、従来のようにロボットを原点までゆっくりと移動させる時間のかかる原点復帰を必要としなくなる。そのため、ロボットの現在位置を認識した後に必要に応じてロボットを高速で原点まで復帰させても良く、若しくは、例えば組立て作業を工程の途中で中断している場合、その中断した位置からロボットの作業を再開しても良い。

また、従来ではロボットが作業ツールやワークを把持している状態で、ロボットの作業を途中で中断した場合やロボットを非常停止した場合、作業者がそれらのツールやワークをロボットから取り外して本来のツール保管場所やワークの仮置きステーションに直接手で置かなければならなかった。しかしながら、本発明によると、ロボットは停止した位置が認識できるので、ロボットが自らツールやワークを本来のツール保管場所やワークの仮置きステーションに運んで収納したり置いたりすることが可能となる。

また、従来ではロボットアームが多軸になると、原点復帰動作の軌道もばらばらであるため、予想がつかない動きになることがあり、また、位置精度を高めるためにアブソリュート型エンコーダを高分解能にすればするほど原点復帰に時間がかかったが、本発明によってこのようなやっかいな問題を一挙に解決することが可能となった。

更には、従来では非常停止等で止まった位置によっては、原点復帰のために大きな動作が必要になり、このような場合は、ロボットの動作や周辺の環境が整っていないことが多いため、本発明によるとなるべく小さな動き、短い時間で位置を特定できることは、安全のためにも有利である。

また、アブソリュート型エンコーダの分解能は、モータ軸１回転より小さくなっているという条件を満たせば上述した２５６に限定されず、５１１、若しくは１０２４でも良い。しかしながら、分解能２５６のアブソリュート型エンコーダの方がコスト的に廉価で入手し易く、かつ本発明に適用しても十分精度の高い現在位置特定が可能になるというメリットがある。

また、アブソリュート型エンコーダに求められる分解能は、上述したようにモータの減速比ｎ以上であれば良い。なお、通常は減速比ｎは大きくても２００程度なので、２５６（８ビット）の分解能があれば十分である。

本発明に係るロボットの現在位置特定装置は、上述した実施形態においては多関節型ロボットに適用したが、必ずしもこれに限定されず、直交座標型ロボットや極座標型ロボット、スカラー型ロボット、円筒座標型ロボットのアーム（出力軸）ごとに取り付けて、これらのロボットの時間のかかる原点復帰を行わずに済ませることも可能である。

また、本発明は、上述した実施形態のようなロボットの現在位置特定装置に限定されず、例えばＮＣ工作機や倉庫内の自動搬送機の現在位置の特定等にも利用可能である。

１ 現在位置特定装置
１０ モータ（サーボモータ）
１０ａ モータ軸
１１ 第１のアブソリュート型エンコーダ
１２ 第２のアブソリュート型エンコーダ
１５ 減速機
１５ａ 出力軸
１６ アーム
１１１ 出力軸１回点以内の出力軸位置算出手段
１１２ モータ１回転以内のモータ位置算出手段
１１３ アーム１回転以内のモータ位置算出手段

Claims (2)

1. 駆動モータの回転軸に取り付けられかつ駆動モータの回転位置を検出するエンコーダを用いて被駆動体に現在の位置及び駆動指令を行う現在位置特定装置であって、
   被駆動体を減速機を介して駆動する駆動モータと、
   前記減速機の被駆動体側の出力軸に取り付けられかつ当該出力軸の回転位置を検出する第１のアブソリュート型エンコーダと、
   前記駆動モータのモータ軸に接続され、当該駆動モータの回転位置を検出する第２のアブソリュート型エンコーダと、を備えると共に、
   前記駆動モータへの電源投入により、前記駆動モータの原点からの現在位置を含む所定区間を前記第１のアブソリュート型エンコーダの出力から前記出力軸の回転位置として特定し、前記駆動モータの１回転内の回転位置を前記第２のアブソリュート型エンコーダの出力から特定し、前記出力軸の回転位置と前記駆動モータの回転位置とから前記駆動モータの原点からの現在位置を特定する位置特定演算手段を備えたことを特徴とする現在位置特定装置。
2. 駆動モータの回転軸に取り付けられかつ駆動モータの回転位置を検出するエンコーダを用いて被駆動体に現在の位置及び駆動指令を行う現在位置特定方法であって、
   被駆動体を減速機を介して駆動する駆動モータと、前記減速機の被駆動体側の出力軸に取り付けられかつ当該出力軸の回転位置を検出する第１のアブソリュート型エンコーダと、前記駆動モータのモータ軸に接続され、当該駆動モータの回転位置を検出する第２のアブソリュート型エンコーダと、を備えた現在位置特定装置を用意し、
   前記駆動モータへの電源投入により、前記現在位置特定装置を介して前記駆動モータの原点からの位置を含む所定区間を前記第１のアブソリュート型エンコーダの出力から前記出力軸の回転位置として特定する第１のステップと、
   前記駆動モータの１回転内の回転位置を前記第２のアブソリュート型エンコーダの出力から特定する第２のステップと、
   前記第１のステップで求めた前記出力軸の回転位置と、前記第２のステップで求めた前記駆動モータの回転位置とから前記駆動モータの原点からの現在位置を特定する第３のステップと、を有したことを特徴とする現在位置特定方法。
   

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