JP2012045673A - 産業機器の回転関節制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】減速機を使用して回転負荷にトルクを供給するトルク制御において、駆動状態あるいは制動状態といったトルクの供給状態を検知する。
【解決手段】本発明は、回転負荷８３に対して回転動力を供給する回転関節装置が発生させるトルクを制御する回転関節制御装置７１を提供する。回転関節装置は、駆動トルクを発生する駆動トルク発生部５１と、所定の回転比で変速された回転数の回転動力を所定の効率で出力する出力軸を有する変速装置３０と、出力側トルクを伝達するトルク伝達構造とを有する。回転関節制御装置７１は、変速装置３０が出力軸に回転動力を出力している伝達状態である駆動状態と、変速装置３０が入力軸に回転動力を出力している伝達状態である制動状態とを判定する伝達状態判定部７１ａを備える。伝達状態判定部７１は、駆動トルクと回転比の積である無損失トルクと、出力側トルクとの比較に基づいて駆動状態と制動状態と判別する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、産業用ロボットのアームに関する技術であり、特にアームの駆動制御に関する。

産業用ロボットのアームは、典型的には、電動モータで発生させた駆動トルクを変速機で変速させてアームに回転動力（回転仕事率）を伝達させることによって操作されている。アームと変速機との間の回転動力の伝達は、アームと変速機とを機械的に接続する締結構造によって伝達される。締結構造の設計仕様は、従来は、予め想定される運転範囲内において締結構造に印加される最大のトルクである最大トルクが印加される状態（ワーストケース）を想定し、電動モータの駆動トルクにトルク制限を設けることを前提として設定されていた。トルク制限は、産業用ロボットを過大なトルクから保護するとともに、締結構造等の産業用ロボットの構造の軽量化を実現している。

特開平６−１９０７７０号公報

しかし、本発明者は、締結構造に最大トルクが印加される状態（ワーストケース）がアームの制動時（減速時）において発生することと、アームの駆動時（増速時）においては締結構造に加えられるトルクが制動時に比較して顕著に小さくなっていることを見出した。本知見によれば、アームの駆動時においては締結構造の構造強度や剛性といった特性を十分に活かしきれていないことになる。

本発明は、上述の従来の課題を解決するために創作されたものであり、変速装置を使用して回転負荷にトルクを供給するトルク制御において、駆動状態あるいは制動状態といったトルクの供給状態の検知を可能とすることを目的とする。このような検知が可能となれば、トルクの供給状態に応じたトルク制限を可能として締結構造の構造強度や剛性といった特性を十分に活かすことができるとともに、回転関節制御装置の故障探知といった他の目的にも利用することができる。

以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、必要に応じて効果等を示しつつ説明する。

手段１．回転負荷に対して回転動力を供給する回転関節装置が発生させるトルクを制御する産業機器の回転関節制御装置であって、
前記回転関節装置は、駆動トルクを発生させる駆動トルク発生部と、前記駆動トルクを入力する入力軸と所定の回転比で変速された回転数の回転動力を所定の効率で出力する出力軸とを有する変速装置と、前記出力軸から前記回転負荷に伝達されるトルクである出力側トルクを伝達するトルク伝達構造と、を有し、
前記変速装置が前記入力軸から回転動力の供給を受けて前記所定の効率で前記出力軸に回転動力を出力している伝達状態である駆動状態と、前記変速装置が前記出力軸から回転動力の供給を受けて前記所定の効率で前記入力軸に回転動力を出力している伝達状態である制動状態と、の２つの伝達状態の少なくとも一方を判定する伝達状態判定部を備え、
前記伝達状態判定部は、前記駆動トルクを前記回転比で除算した無損失トルクと前記出力側トルクとの比較に基づいて、前記出力側トルクが前記無損失トルクよりも小さい場合に前記駆動状態と判定し、前記出力側トルクが前記無損失トルクよりも大きい場合に前記制動状態と判定し、
前記出力側トルクは、前記入力軸の回転加速度と、前記回転比と、前記回転負荷の慣性モーメントとの積を使用して算出されることを特徴とする回転関節制御装置。

手段１は、出力側トルクと無損失トルクと比較することによって、回転関節装置が回転負荷を駆動されている駆動状態と、回転関節装置が回転負荷を制動している制動状態（ブレーキ状態）とが判別される。出力側トルクは、入力軸の回転加速度と回転比と回転負荷の慣性モーメントとの積を使用して算出され、無損失トルクは、駆動トルク発生部が発生させる駆動トルクを回転比で除算して得ることができるので、出力側トルクを計測するためのセンサを出力軸に設ける必要が無く、簡易な実装を実現することができる。これにより、駆動状態と制動状態（ブレーキ状態）とが簡易に判別可能なので、制御対象の状態を正確に検知して回転関節制御装置の故障探知や制御性能の向上に利用することができる。なお、判定内容は、駆動状態と制動状態のいずれか一方あるいは駆動状態と制動状態の双方のいずれであってもよい。

手段２．前記回転関節装置が前記駆動状態であると判定された場合に、前記制動状態のトルク制限値である制動時トルク制限値よりも大きなトルク制限値である駆動時トルク制限値で前記駆動トルクを制限するトルク制限部を備える手段１に記載の回転関節制御装置。

手段２では、駆動状態においては制動状態よりも大きなトルク制限値で駆動トルクが制限されるので、駆動状態におけるトルク制限を緩和することができる。トルク制限の緩和は、駆動状態においては駆動トルク（実施形態ではモータのトルク）が、変速装置における損失によって減衰した状態でトルク伝達構造に伝達されることに着目して実現されているものである。駆動状態は、変速装置が入力軸から回転動力の供給を受け、所定の効率で出力軸に回転動力が出力されている状態である。これにより、回転駆動力を供給する回転関節装置の駆動トルクの出力範囲を広げることができる。回転比は、入力軸と出力軸の回転数の比であり、減速比と増速比とを含む広い意味を有している。なお、トルク制限値は、一般的にはトルク伝達構造によるトルクの伝達が許容される値として設定されている。

本発明は、発明者による以下の知見に基づいて創作されたものである。駆動トルク発生部が発生させる駆動トルクのトルク制限を一定の値とすると、制動状態すなわち回転負荷が減速しつつ変速装置に回転動力を回生している状態が設計上の標定状態となる。この状態は、トルク伝達構造に仕様上の最大トルクを発生させる際において、駆動トルク発生部に発生する制動トルク（負の駆動トルク）を最小とする状態だからである。このような設計上の標定状態に基づき、駆動トルクの許容値（トルク制限）を設定すれば、予め想定された運転範囲内において、トルク伝達構造に対して設計仕様を超えるトルクが印加されないことになる。

しかしながら、発明者は、駆動状態すなわち駆動トルクが変速装置に供給され、回転負荷が増速している状態においては、駆動トルクが上述の制限値を超えてもトルク伝達構造に対して設計仕様を超えるトルクが印加されないことを見出した。変速装置の特性によって、制動状態では、トルク伝達構造のトルクに対して比較的に小さな制動トルク（負の駆動トルク）が回生されるのに対して、駆動状態では、トルク伝達構造のトルクに対して比較的に大きな駆動トルクが要求されるからである。

変速装置の特性は、回転動力（仕事率）の供給を受ける一方、回転数を変化させて所定の効率で回転動力を出力するという伝達機能を特徴としている。この伝達機能は、双方向に働くが、損失は常に回転動力の供給先に発生するという特徴を有している。さらに、一般的に所定の効率は変速装置においてはトルクの伝達効率を意味し、回転数には損失（効率）が存在しないので、入力されたトルクに対して減殺されたトルクが出力されることを意味する。

手段３．前記駆動状態は、前記無損失トルクよりも小さく且つ前記所定の効率と前記無損失トルクの積よりも大きい値として予め設定された第１の閾値よりも、前記出力側トルクが小さい場合に判定され、
前記制動状態は、前記無損失トルクよりも大きく且つ前記所定の効率の逆数と前記無損失トルクの積よりも小さい値として予め設定された第２の閾値よりも、前記出力側トルクが大きい場合に判定される手段１又は２に記載の回転関節制御装置。

手段３では、駆動状態は、無損失トルクよりも小さく且つ所定の効率と無損失トルクの積よりも大きい値として予め設定された第１の閾値よりも、出力側トルクが小さい場合に判定される。なお、手段１の「出力側トルクが無損失トルクよりも小さい場合に駆動状態と判定し」の意味は、所定の効率と無損失トルクの積と、無損失トルクとの間に設定された第１の閾値を基準として比較する構成も含む広い意味を有している。一方、たとえば第１の閾値を所定の効率と無損失トルクの積に近づけるほど駆動状態との判定がされにくくなるので、第１の閾値の設定は、駆動状態の判定信頼性を高めることができるといった設計自由度を提供することができる。

一方、制動状態は、無損失トルクよりも大きく且つ所定の効率の逆数と無損失トルクの積よりも小さい値として予め設定された第２の閾値よりも、出力側トルクが大きい場合に判定される。なお、手段１の「出力側トルクが無損失トルクよりも大きい場合に制動状態と判定し」の意味は、所定の効率の逆数と無損失トルクの積と、無損失トルクとの間に設定された第２の閾値を基準として比較する構成も含む広い意味を有している。一方、たとえば第２の閾値を所定の効率の逆数と無損失トルクの積に近づけるほど制動状態との判定がされにくくなるので、第２の閾値の設定は、制動状態の判定信頼性を高めることができるといった設計自由度を提供することができる。

手段４．前記回転負荷に対して前記駆動トルクを操作して前記回転負荷の回転加速度を計測し、前記駆動トルクと前記計測された回転加速度とに基づいて前記回転負荷の慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定部を備え、
前記伝達状態判定部は、前記推定された慣性モーメントに基づいて前記伝達状態を判定する手段１乃至３のいずれか１つに記載の回転関節制御装置。

手段４では、計測された回転負荷の回転加速度と駆動トルクとに基づいて回転負荷の慣性モーメントを推定し、その推定値に基づいてトルク制限値を決定することができるので、あらゆる形態の回転関節装置に対して自動的にトルク制限値を決定することができる。これにより、本発明の簡易な実装を可能とすることができる。

なお、本発明は、回転関節制御装置だけでなく、トルク制御方法やトルク制御を実現するコンピュータプログラム及びそのプログラムを格納する記録媒体等の形態で実現することもできる。

実施形態のロボット装置の概要を示す正面図。 実施形態のロボット装置の関節部における内部構造を示す断面図。 ロボット装置の駆動制御の内容を示す機能ブロック図。 順伝達における駆動力の伝達状態を示す模式図と表。 逆伝達における駆動力の伝達状態を示す模式図と表。

以下、本発明を垂直多関節型ロボットとして具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態のロボットは、例えば産業用ロボット装置として機械組立工場などの組立システムにて用いられる。

（ロボット装置の構成）
図１は、実施形態のロボット装置の概要を示す正面図である。ロボット装置１０は、６軸ロボットであり、回動中心軸線として第１軸線Ｊ１、第２軸線Ｊ２、第３軸線Ｊ３、第４軸線Ｊ４、第５軸線Ｊ５、および第６軸線Ｊ６を有している。本実施形態では、第１軸線Ｊ１が鉛直方向に延びるようにしてロボット装置１０が床等のロボット設置箇所に設置されている。以下の説明では、図１の上下方向が鉛直方向を示すとしている。

ロボット装置１０の主要な構成要素は、以下のとおりである。ロボット装置１０は、床に固定される基台１１と、下アーム１５と、上アーム１６と、手首部１７と、ハンド部１８と、を有している。基台１１は、第１軸線Ｊ１を回動中心として相互に回動可能に連結されている固定部１１Ａと回動部１１Ｂとを有している。上アーム１６は、第４軸線Ｊ４を回動中心として相互に回動可能に連結されている基端側の第１上アーム１６Ａと先端側の第２上アーム１６Ｂの２つのアーム部に分割されて構成されている。基端側の第１上アーム１６Ａは下アーム１５に連結されている。先端側の第２上アーム１６Ｂは手首部１７に連結されている。

ロボット装置１０の各構成要素は、以下のように回動可能に連結されている。ロボット装置１０は、基台１１の固定部１１Ａで床等に固定されている。固定部１１Ａには、回動部１１Ｂが第１軸線Ｊ１を回動中心として水平方向（床基準）に回動可能に連結されている。回動部１１Ｂには、下アーム１５が第２軸線Ｊ２を回動中心として垂直方向（床基準）に回動可能に連結されている。下アーム１５には、上アーム１６の基端側の第１上アーム１６Ａが第３軸線Ｊ３を回動中心として垂直方向（床基準）に回動可能に連結されている。第１上アーム１６Ａには、先端側の第２上アーム１６Ｂが第４軸線Ｊ４を回動中心として回動可能に連結されている。第２上アーム１６Ｂには、手首部１７が第５軸線Ｊ５を回動中心として回動可能に連結されている。手首部１７には、ハンド部１８が第６軸線Ｊ６を回動中心として回動可能に連結されている。

ロボット装置１０の各軸線Ｊ１〜Ｊ６は、減速機構を介して各サーボモータ（図示省略）に連結されている。以下では、第２軸線Ｊ２の連結部（関節部）を例示してその詳細を説明する。

図２は、下アーム１５と回動部１１Ｂとを連結する連結部の内部構造を示す断面図である。図２は、図１のII−II線断面図に相当する。下アーム１５と回動部１１Ｂとは、下アームカバー１５ａの中で相互に回動可能に軸受５０で連結されている。回動部１１Ｂは、固定部カバー１１Ｂａの中で固定部１１Ａに回動可能に連結されている。

下アーム１５と回動部１１Ｂとの間の連結部は、軸受５０によって回動可能な連結として構成されている。すなわち、下アーム１５は、その主構造部材としてのアームフレーム４１と、アームフレーム４１を軸受５０の内輪４９に締結している複数のボルト４２とを備えている。回動部１１Ｂは、その主構造部材としての基台フレーム２１と、基台フレーム２１を軸受５０の２つの外輪２９ａ，２９ｂに締結している複数のボルト２４とを備えている。軸受５０の外輪２９ａ，２９ｂと内輪４９は、第２軸線Ｊ２の回りに相互に回転可能なので、下アーム１５と回動部１１Ｂとの間も相互に回転可能に機械的に接続されていることになる。

下アーム１５と回動部１１Ｂとの間の連結部には、ハーモニックドライブ（登録商標）と呼ばれる減速機３０を介してサーボモータ５１から相対的に回転駆動させるための駆動力が供給されている。減速機３０は、楕円状のカムの外周にボールベアリングが組み付けられてなるウェーブジェネレータ３１と、その外側に配置される薄肉カップ状のフレクスプライン（弾性歯車）３２と、その外側に配置される剛体環状のサーキュラスプライン（内歯車）３３とを備えている。減速機３０は、サーボモータ５１によってウェーブジェネレータ３１を回転駆動し、サーキュラスプライン３３とフレクスプライン３２との間に高い減速比で回転動力を伝達させることができる。サーキュラスプライン３３は、サーボモータ５１と共に回動部１１Ｂ側に固定されている。

トルク伝達構造は、たとえば回動部１１Ｂを固定基準として下アーム１５にトルクを伝達構造として把握すると以下のように構成されている。フレクスプライン３２には、下アーム１５のアームフレーム４１に接続されているので、減速機３０は、下アーム１５に回転動力を伝達することができる。フレクスプライン３２とアームフレーム４１の間の接続は、軸受５０の内輪４９と、内輪４９とフレクスプライン３２とを締結する取付部材４５及び複数のボルト４４と、内輪４９とアームフレーム４１とを締結する複数のボルト４２とによって構成されている。

一方、固定基準としての回動部１１Ｂは、フレクスプライン３２から下アーム１５に伝達されるトルクの反作用としてサーキュラスプライン３３が受けるトルクを受けるトルク伝達構造として機能している。サーキュラスプライン３３には、回動部１１Ｂの基台フレーム２１に接続されているので、減速機３０は、回動部１１Ｂに回転動力を伝達することができる。サーキュラスプライン３３と基台フレーム２１の間の接続は、環状の形状を有する金属製のモータプレート２３と、基台フレーム２１に対してモータプレート２３を締結している複数のボルト２２と、モータプレート２３に対してサーキュラスプライン３３を締結している複数組のスタッドボルト２５及びナット２６と、によって構成されている。

一方、サーボモータ５１の固定は、モータ支持台５２への締結と、モータプレート２３の段差形状がモータプレート２３の孔に嵌合するとともに、減速機３０のサーキュラスプライン３３とサーボモータ５１とでモータプレート２３を挟むように締結構造２８で締結することによって実現されている。サーキュラスプライン３３は、スタッドボルト２５とナット２６とによってモータプレート２３に締結されている。

このように、下アーム１５と回動部１１Ｂは、回動可能に接続されているとともに、サーボモータ５１の駆動力が減速機３０で減速されて高トルクとなった回転動力が伝達可能な構成とされている。減速比は、サーボモータ５１の回転駆動力とサーキュラスプライン３３とフレクスプライン３２との間に発生する回転動力の回転比である。

（ロボット装置の制御）
図３は、ロボット装置１０が有する第２軸線Ｊ２の回りの駆動制御の内容を示す機能ブロック図である。制御の目的は、下アーム１５と回動部１１Ｂとの間に発生する駆動トルクを下アーム１５と回動部１１Ｂの連結部に許容されている許容トルク（トルク制限）を超えない範囲で、外部から与えられた目標値θに相対角度を近づけることである。相対角度は、下アーム１５と回動部１１Ｂの間の角度である。許容トルクは、下アーム１５と回動部１１Ｂの連結部の機械的な仕様として設定されているトルクである。換言すれば、下アーム１５と回動部１１Ｂの連結部は、許容トルクを想定して機械的な強度や剛性が設定されている。

制御対象は、慣性質量を有し、重力に起因するトルクを発生させる出力段８３と、出力段８３に対して減速機３０からの高駆動トルク（低回転数）を伝達する締結部材Ｂと、減速機３０に低駆動トルク（高回転数）を伝達する締結部材Ａと、締結部材Ａに低駆動トルクを供給するモータ５１と、を含んでいる。締結部材Ｂの高駆動トルクは、床に固定されている回動部１１Ｂと自由端としての下アーム１５との間の連結部に働くトルクとして減速機３０から供給される。

出力段８３は、下アーム１５と、上アーム１６と、手首部１７と、ハンド部１８と、を含んでいる。出力段８３は、ハンド部１８が物体（図示省略）を掴んでいる場合には、その物体も含むことになる。出力段８３は、第２軸線Ｊ２の回りの回転駆動によっては慣性モーメントが変化せず、重力に起因するトルクが変化するという物理的な性質を有している。ただし、出力段８３の慣性モーメントは、他の軸Ｊ１，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６の回動角度によって変化する。出力段８３の第２軸線Ｊ２の回りのモーメントアームが変動するからである。

締結部材Ｂは、フレクスプライン３２とアームフレーム４１の間を接続する構造として、軸受５０の内輪４９と、内輪４９とフレクスプライン３２とを締結する取付部材４５及び複数のボルト４４と、内輪４９とアームフレーム４１とを締結する複数のボルト４２とを備えている。

締結部材Ａは、減速機３０のウェーブジェネレータ３１とサーボモータ５１の回転軸（図示省略）とを締結しているボルトを有する締結構造２８と、サーボモータ５１を基台フレーム２１に締結するモータプレート２３とを含んでいる。なお、モータプレート２３は、締結部材Ａと締結部材Ｂの双方の機能を兼ねた構造部材として構成されていることになる。

ただし、サーボモータ５１の回転は、ロボット装置１０では、一般に大きな減速比（たとえば１／１００）で減速されるので、締結部材Ａに比較して締結部材Ｂに印加されるトルクが顕著に大きいことになる。したがって、一般には締結部材Ｂの構造強度や剛性が連結部の構造設計の標定となるので、駆動トルクの観点からは締結部材Ｂについてのみ考慮すれば良いことになる。

モータ５１は、直流サーボモータであり、電源装置７２からの電力供給に応じて駆動トルクを発生させる。電流指令値Ｔｉは、制御部７１から与えられる。制御部７１は、電源装置７２からモータ５１に供給されている電流値とモータ５１の回転数に基づいて予め設定されている制御則に基づいて電流指令値Ｔｉを決定する。一方、モータ５１は、出力段８３の制動時（ブレーキ時）においては回生電力を発生させる。回生電力は、たとえば電源装置７２の回生抵抗（図示省略）で処理される。モータ５１に供給されている電流値は、電機子電流としてモータ５１の駆動トルクに比例する値として利用可能である。電機子電流は、電源装置７２が有する電流センサ（図示省略）を有している。

制御部７１は、モータ５１に供給されている電流値とモータ５１の駆動トルクとの対応関係を表す電流／トルク値変換テーブルデータ（図示省略）を有している。伝達状態判定部７１ａは、電流／トルク値変換テーブルデータと電流センサで計測された電流値とに基づいて駆動トルクを推定することができる。

図４は、モータ５１が発生させる駆動トルクによって出力段８３を回転駆動させる際の回転動力の伝達状態を示す説明図である。図４（ａ）は、減速機３０に着目した回転動力の伝達状態を示す概念図である。図４（ｂ）は、締結部材Ａに印加される駆動トルクと、締結部材Ｂに印加される出力側トルクと、減速機３０によるトルクの伝達状態を示す表Ｔ１である。この伝達状態では、モータ５１は、減速機３０に約１０００Ｗの回転動力（仕事率）を供給している。モータ５１から減速機３０を介して出力段８３に回転動力を伝達している状態は順伝達状態と呼ばれる。順伝達状態は駆動状態とも呼ばれる。なお、説明を分りやすくするために、図４及び図５では、円周率πを３として計算している。

この伝達状態では、たとえば表Ｔ１に示されるように、減速機３０は、モータ５１から締結部材Ａを介して１０００ｒｐｍの回転数で１０Ｎｍのトルクの回転動力（約１０００Ｗ）が供給されている。一方、減速機３０は、出力段８３に対して締結部材Ｂを介して１０ｒｐｍの回転数で７００Ｎｍのトルクの回転動力（約７００Ｗ）を供給している。換言すれば、減速機３０には、１０ｒｐｍの回転数で７００Ｎｍのトルクの回転動力が供給されていることになる。

減速機３０の効率は、たとえばハーモニックドライブ（登録商標）のように歯車を利用した滑りを伴わない機構においては回転数の損失が発生しないので、トルク損失に一致することになる。したがって、効率７０％の減速機３０では、減速比に基づいて増大したトルクに対する比となる。すなわち、１／１００の減速比で理論上のトルクが１００倍に増大して１０００Ｎｍのトルクとなった場合には、その７０％の７００Ｎｍが出力されるトルクとなる。

換言すれば、減速機３０の特性は、回転動力（仕事率）の供給を受ける一方、回転数を変化させて所定の効率で回転動力を出力するという伝達機能を特徴としている。この伝達機能は、双方向に働くが、損失は常に出力側（変速装置が回転動力を供給する側）に発生するという特徴を有している。さらに、所定の効率は変速装置においてはトルクの伝達効率を意味し、回転数には損失（効率）が存在しないので、入力されたトルクに対して減殺されたトルクが出力されることを意味するのである。

制御部７１は、順伝達時においては締結部材Ｂの出力側トルクが許容トルク（トルク制限）を超えないようにモータ５１の駆動トルクを操作する。モータ５１の駆動トルクは、たとえばモータ５１の電機子電流に基づいて計測することができるので、この例では、たとえば締結部材Ｂの許容トルクが７００Ｎｍであると仮定すると、モータ５１の駆動トルクが１０Ｎｍを超えないように制御すればよいことになる。すなわち、電流指令値Ｔｉは、モータ５１が１０Ｎｍのトルクを発生させる電流値Ｔｉｎを上限として設定すればよいことになる。このように、順伝達状態（駆動状態）では、電流値Ｔｉｎを上限として設定すれば締結部材Ｂの伝達トルクが７００Ｎｍを超えないように制御できることになる。

図５は、出力段８３の制動（ブレーキ）が発生させる制動トルクによってモータ５１を回転させる際の制動動力の伝達状態を示す説明図である。この伝達状態では、出力段８３は、たとえば表Ｔ２に示されるように、減速機３０に１５００Ｗの回転動力（仕事率）を供給し、減速機３０からモータ５１には１０００Ｗの動力が回生されている。このように、出力段８３から減速機３０を介してモータ５１に制動トルクを伝達している状態は逆伝達状態と呼ばれる。逆伝達状態は制動状態とも呼ばれる。

制御部７１は、逆伝達時においては締結部材Ｂの出力側トルクが許容トルクを超えないようにモータ５１の駆動トルク（制動トルク）を操作する。この例では、たとえば表Ｔ３に示されるように、たとえば締結部材Ｂの許容トルクが７００Ｎｍであると仮定すると、モータ５１の駆動トルク（制動トルク）が４．９Ｎｍを超えないように制御しなければならないことになる。すなわち、電流指令値Ｔｉは、逆伝達状態を想定すると、モータ５１が４．９Ｎｍの駆動トルク（制動トルク）を発生させる電流値Ｔｉｒを上限として設定しなければならないことになる。このように、逆伝達状態（制動状態）では、過度に低い電流値Ｔｉｒを上限として設定しなければ締結部材Ｂの伝達トルクが７００Ｎｍを超えてしまうことになる。

このように、順伝達状態と逆伝達状態の双方を想定して、電流指令値Ｔｉの上限を設定すると、モータ５１の駆動トルク（制動トルク）が４．９Ｎｍを超えないように制御しなければならないことになる。順伝達状態では、トルク制限の標定となっている締結部材Ｂの出力側トルクに損失が発生しているのに対して、逆伝達状態では、モータ５１が受ける駆動トルク（制動トルク）に損失が発生しているからである。これにより、順伝達状態においては、モータ５１のトルクが１０Ｎｍに達しても締結部材Ｂの十分な強度や剛性（締結部材Ｂでは７００Ｎｍに相当）を有しているにも拘わらず、４．９Ｎｍ（締結部材Ｂでは約３５０Ｎｍに相当）が上限となってしまうことが本発明者によって見出された。

このような問題を解決するためには、締結部材Ｂにトルクセンサを装備することが通例であるが、トルクセンサの装備は、ロボット装置１０の構成を複雑にし、大型化やコスト上昇の要因となってしまうという問題を有している。しかし、本発明者は、新たなトルクセンサを装備することなく、制御部７１の制御則の変更のみ、すなわちソフトウェアの書き換えだけで、上述の問題を解決する方法を新規に創作することに成功した。

（伝達状態の判定方法）
以下に示される判定式Ｆ１，Ｆ２は、伝達状態の判定方法に使用される。

順伝達判定式Ｆ１は、順伝達状態であることを判定するために使用される判定式である。順伝達判定式Ｆ１の左項は、減速機３０が無損失（効率１００％）で作動すると仮定したときの無損失トルクの大きさ（絶対値）を算出する式である。無損失トルクは、たとえば１／１００の減速比では、モータトルクの１００倍のトルクとなる。順伝達判定式Ｆ１の右項は、出力段トルクの大きさの推定値である。出力段トルクの大きさは、出力段８３の慣性質量Ｉとモータ５１の回転加速度αと減速比の逆数とを使用して、その積として算出される。出力段８３の慣性質量Ｉは、予め取得しておいた値である。

順伝達判定式Ｆ１は、順伝達状態では、出力段トルクの側（締結部材Ｂの側）に損失が発生していることを利用して判定している。具体的には、たとえば１／１００の減速比の減速機３０を使用するロボット装置１０において、モータトルクが１０Ｎｍであれば、無損失トルクの大きさは、１０００Ｎｍと算出される。一方、出力段トルクの大きさは、減速機３０の損失によって、７００Ｎｍに近い値となる。出力段トルクの値は、モータ５１の回転数の微分値を使用して制御部７１の伝達状態判定部７１ａによって算出される（図４（ｂ）参照）。

このように、順伝達判定式Ｆ１は、順伝達状態においては、左項側が損失のない無損失トルクとしての出力段トルクとなる一方、右項側が損失を含む現実の出力段トルクとなることを判定原理として利用している。この判定原理によれば、表Ｔ１の例では、左項（１０００Ｎｍ）＞右項（７００Ｎｍ）であれば順伝達状態と判定することができる。

一方、逆伝達判定式Ｆ２は、逆伝達状態では、モータトルクの側（締結部材Ａの側）に損失が発生していることを利用して判定する。具体的には、たとえば１／１００の減速比の減速機３０を使用するロボット装置１０において、計測されたモータトルクの大きさが４．９Ｎｍである場合には、出力段における無損失トルクの大きさは４９０Ｎｍとなる。しかし、逆伝達状態では、計測されたモータトルクは、出力段から７０％の効率で伝達されたものなので、現実の出力段トルクは、７００Ｎｍとなる。

このように、逆伝達判定式Ｆ２は、逆伝達状態においては、左項側が損失を含む現実のモータトルクとなる一方、右項側が損失のない無損失トルクとしての出力段トルクとなることを判定原理として利用している。この判定原理によれば、表Ｔ３の例では、左項（４９０Ｎｍ）＜右項（７００Ｎｍ）であれば逆伝達状態と判定することができる。

判定式Ｆ１は、さらに信頼性の高い判定とするために、左項に１以下の所定の係数（たとえば効率が０．７のときには、その効率以上の値（たとえば０．８）で１．０より小さな値）を乗じて設定された閾値（本閾値は第１の閾値とも呼ばれる。）を用いて判定するようにしてもよい。本明細書では、「無損失トルク」とは、減速機３０が無損失で回転動力を伝達したことを想定してモータトルクから算出された出力段側のトルクを意味している。第１の閾値を所定の効率と無損失トルクの積に近づけるほど駆動状態との判定がされにくくなるので、第１の閾値の設定は、駆動状態の判定信頼性を高めることができるといった設計自由度を提供することができる。

一方、判定式Ｆ２は、さらに信頼性の高い判定とするために、左項に１以上の所定の係数（たとえば効率が０．７のときには、その効率の逆数以下の値（たとえば１．３）で１．０より小さな値）を乗じて設定された閾値（本閾値は第２の閾値とも呼ばれる。）を用いて判定するようにしてもよい。第２の閾値を所定の効率の逆数と無損失トルクの積に近づけるほど制動状態との判定がされにくくなるので、第２の閾値の設定は、制動状態の判定信頼性を高めることができるといった設計自由度を提供することができる。

これにより、本実施形態では、駆動状態においては制動状態よりも大きなトルク制限値で駆動トルクが制限されるので、駆動状態におけるトルク制限を緩和することができる。この結果、回転動力を供給するモータ５１の駆動トルクの出力範囲が広げられることになる。

出力段８３の慣性質量Ｉは、新規開発のロボットにおいては既知の値として利用可能であると考えられるが、たとえば製造後（運用中も含まれる。）のロボットに関しては、自動的な計測機能が利用可能である。

具体的には、たとえば予め想定されている運転範囲（各軸線Ｊ１〜Ｊ６の角度の範囲）において、短パルス（ステップ状あるいはランプ状）の駆動トルクを与えて出力段８３の回転加速度を計測すれば、その計測された回転加速度と駆動トルクの大きさとで出力段８３の慣性質量Ｉを推定することができる。さらに、運転状態（各軸線Ｊ１〜Ｊ６の角度）において、出力段８３の慣性質量Ｉが大きく変動する場合には、出力段８３の慣性質量Ｉを運転状態の関数として利用することもできる。

さらに、伝達状態判定の検証は、たとえば以下の機能確認試験を行うことによっても簡易に実現することができる。本機能確認試験では、出力段８３に軸線Ｊ２からの距離が相互に相違する複数の加速度計を装着し、あるいは軸線Ｊ２の近傍にジャイロを装着して出力段８３の回転状態を実測可能な装備状態として行うこともできる。

この装備状態において、たとえばロボット装置１０に短パルス（ステップ状あるいはランプ状）の駆動トルクを与えて静止状態から回転状態に変化させた場合（加速状態）には、出力段８３の制動状態ではないことが明らかなので、駆動状態であることを前提として想定された状態量が出力段８３で検出されれば適切に作動していることが確認できる。一方、たとえばロボット装置１０の回転状態から静止状態に変化させた場合（減速状態）には、出力段８３の制動状態であることが明らかなので、制動状態であることを前提として想定された状態量が出力段８３で検出されれば適切に作動していることが確認できる。

このように、本機能確認試験は、本発明の一つの態様がその本来の効果を奏するように適用されていることを確認する試験として利用可能である。なお、ハンド部１８が予め想定された質量体（図示省略）を掴んだ状態や離した状態を含むようにしてもよい。

このように、本実施形態のトルク制御方法は、新製品の開発時だけでなく納入後の製品にも簡易に実装することができる。

以上詳述した本実施形態は以下の利点を有する。

本実施形態は、ロボット装置１０が備える構造強度や剛性（たとえば締結部材Ｂの強度等）を十分に活かした運用を実現することができる。この方法は、ロボット装置１０のハードウェアを一切変更することなくソフトウェアの変更だけで実装することができる。さらに、製造後の製品にも簡易に実装することができる。

（他の実施形態）
なお、実施の形態は上記した内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。

上記の実施形態では、駆動状態と制動状態のいずれの状態であるかを判定し、その判定結果に基づいて電流指令値の最大値を変化させているが、たとえばその判定結果を回転関節制御装置の故障探知や制御性能の向上に利用するようにしてもよい。この判定では、回転関節装置が回転負荷を駆動されている駆動状態と、回転関節装置が回転負荷を制動している制動状態（ブレーキ状態）とを判別することが可能なので、制御対象の作動状態の状態量を正確に計測することができるからである。

１０…ロボット装置、１１…基台、１１Ａ…固定部、１１Ｂ…回動部、１５…下アーム、１６…上アーム、１６Ａ…第１上アーム、１６Ｂ…第２上アーム、１７…手首部、１８…ハンド部、２１…基台フレーム、２３…モータプレート、３０…減速機、４１…アームフレーム、４５…取付部材、５０…軸受、５１…サーボモータ、７１…制御部、７１ａ…伝達状態判定部、７２…電源装置、８３…出力段。

Claims (4)

1. 回転負荷に対して回転動力を供給する回転関節装置が発生させるトルクを制御する産業機器の回転関節制御装置であって、
   前記回転関節装置は、駆動トルクを発生させる駆動トルク発生部と、前記駆動トルクを入力する入力軸と所定の回転比で変速された回転数の回転動力を所定の効率で出力する出力軸とを有する変速装置と、前記出力軸から前記回転負荷に伝達されるトルクである出力側トルクを伝達するトルク伝達構造と、を有し、
   前記変速装置が前記入力軸から回転動力の供給を受けて前記所定の効率で前記出力軸に回転動力を出力している伝達状態である駆動状態と、前記変速装置が前記出力軸から回転動力の供給を受けて前記所定の効率で前記入力軸に回転動力を出力している伝達状態である制動状態と、の２つの伝達状態の少なくとも一方を判定する伝達状態判定部を備え、
   前記伝達状態判定部は、前記駆動トルクを前記回転比で除算した無損失トルクと前記出力側トルクとの比較に基づいて、前記出力側トルクが前記無損失トルクよりも小さい場合に前記駆動状態と判定し、前記出力側トルクが前記無損失トルクよりも大きい場合に前記制動状態と判定し、
   前記出力側トルクは、前記入力軸の回転加速度と、前記回転比と、前記回転負荷の慣性モーメントとの積を使用して算出されることを特徴とする回転関節制御装置。
2. 前記回転関節装置が前記駆動状態であると判定された場合に前記制動状態のトルク制限値である制動時トルク制限値よりも大きなトルク制限値である駆動時トルク制限値で前記駆動トルクを制限するトルク制限部を備える請求項１に記載の回転関節制御装置。
3. 前記駆動状態は、前記無損失トルクよりも小さく且つ前記所定の効率と前記無損失トルクの積よりも大きい値として予め設定された第１の閾値よりも、前記出力側トルクが小さい場合に判定され、
   前記制動状態は、前記無損失トルクよりも大きく且つ前記所定の効率の逆数と前記無損失トルクの積よりも小さい値として予め設定された第２の閾値よりも、前記出力側トルクが大きい場合に判定される請求項１又は２に記載の回転関節制御装置。
4. 前記回転負荷に対して前記駆動トルクを操作して前記回転負荷の回転加速度を計測し、前記駆動トルクと前記計測された回転加速度とに基づいて前記回転負荷の慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定部を備え、
   前記伝達状態判定部は、前記推定された慣性モーメントに基づいて前記伝達状態を判定する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転関節制御装置。

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