JP2013013964A - ロボット、及びロボットの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最大定格出力に近い駆動条件であっても、本来の駆動性能を発揮することが可能なロボットを提供すること。
【解決手段】多軸ロボットは、第１の駆動電圧を供給する第１電源回路１と、第１の駆動電圧よりも高い電圧である第２の駆動電圧を供給する第２電源回路２と、第１電源回路１と第２電源回路２とを切り替えるスイッチ２１〜２６とを備えている。そして、モーター部１１〜１６の駆動条件を規定する制御信号が所定の閾値以上になった場合に、スイッチ２１〜２６を駆動して第１電源回路１から高電圧の第２電源回路２に切り替えることにより、十分な駆動電圧が確保されるため、期待通りの動作を行うことができる。換言すれば、制御信号から駆動電力が不足しそうな状況を予測して、第２電源回路２に切り替えることにより、決められた作業時間（タクトタイム）で、作業に必要な動作を行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロボット、及びロボットの制御方法に関する。

工業製品の組み立て工程、あるいは溶接工程等においては、ロボット（ロボット装置）が多用されている。そして近年は、作業工程の複雑化に伴い、複数の駆動軸（ジョイント）、及びリンク（腕木）を有する多軸ロボットの需要が増えてきている。かかる多軸ロボットでは、作業内容に応じて、先端（末端）のリンクに部品を把持するためのハンドや、溶接を行うための溶接装置等が取り付けられる。
そして複数の駆動軸（回転軸）の近傍には、それぞれモーター等のアクチュエーターや減速機構等が組み込まれており、各駆動軸に連動するリンクを動かしていた。例えば特許文献１には、６つの駆動軸を有する６軸垂直型ロボットが開示されている。

特開２０１０−１６７５１５号公報

しかしながら、従来の多軸ロボットにおいて、複数のリンクを同時に駆動する場合や、最大出力に近い状態で使用する場合等では、期待される動作を行うことが困難であるという課題があった。換言すれば、最大定格出力に近い駆動条件においては、本来の駆動性能（速度やトルク等）を得ることが困難であるという課題があった。
これは複数のモーターに電流を一気に供給することにより電源電圧が降下してしまうからである。
つまり、従来の多軸ロボットでは、作業に必要な動作を行うことが困難であるという課題があった。また、決められた作業時間（タクトタイム）で作業を行うことが困難な場合があるという課題があった。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例又は形態として実現することが可能である。

（適用例）
複数のリンクが複数のジョイントによって直列に接続されたアーム構造を有するロボットであって、ジョイントごとに配置された複数のモーターと、モーターに第１の駆動電圧を供給する第１電源回路、および第１の駆動電圧よりも高い電圧である第２の駆動電圧を供給する第２電源回路を含む電源部と、第１電源回路と第２電源回路とを切り替えるスイッチ部と、モーターの駆動条件を制御する制御部と、を備え、制御部は、駆動条件を規定する制御信号が所定の閾値以上になった場合に、スイッチ部を駆動して第１電源回路から第２電源回路に切り替えることを特徴とするロボット。

この適用例によれば、ロボットは、第１の駆動電圧を供給する第１電源回路と、第１の駆動電圧よりも高い電圧である第２の駆動電圧を供給する第２電源回路と、第１電源回路と第２電源回路とを切り替えるスイッチ部とを備えている。
そして、モーターの駆動条件を規定する制御信号が所定の閾値以上となった場合に、スイッチ部を駆動して第１電源回路から高電圧の第２電源回路に切り替えることにより、十分な駆動電圧が確保されるため、期待通りの動作を行うことができる。換言すれば、制御信号から駆動電力が不足しそうな状況を予測して、第２電源回路に切り替えることにより、決められた作業時間（タクトタイム）で、作業に必要な動作を行うことができる。
従って、最大定格出力に近い駆動条件であっても、本来の駆動性能（速度やトルク等）を発揮することが可能なロボットを提供することができる。

また、制御信号は、モーターの駆動トルクを規定するトルク指令、またはモーターの回転数を規定する速度指令、もしくはモーターの駆動電流を規定するトルク電流値であることが好ましい。

また、アーム構造の一端には、作業を行うためのハンドが取り付けられ、アーム構造における一端の反対側の他端は、ロボットを支持する基底部側に取り付けられており、複数のモーターのうち、少なくとも他端におけるモーターには、スイッチ部が設けられていることが好ましい。

また、第２電源回路の電力を蓄電する第２コンデンサーの耐電圧は、第１電源回路の電力を蓄電する第１コンデンサーの耐電圧よりも高く、第２コンデンサーの容量は、第１コンデンサーの容量よりも小さいことが好ましい。

複数のリンクが複数のジョイントによって直列に接続されたアーム構造を有するロボットであって、ジョイントごとに配置された複数のモーターと、モーターに第１の駆動電圧を供給する第１電源回路、および第１の駆動電圧よりも高い電圧である第２の駆動電圧を供給する第２電源回路を含む電源部と、第１電源回路と第２電源回路とを切り替えるスイッチ部と、第１電源回路の出力電流、および／または出力電圧を測定する検出部と、モーターの駆動条件を制御する制御部と、を備え、制御部は、出力電流が所定の閾値以上になった場合、または出力電圧が所定の閾値以下になった場合に、スイッチ部を駆動して第１電源回路から第２電源回路に切り替えることを特徴とするロボットであっても良い。

本適用例に係るロボットの制御方法は、複数のリンクが複数のジョイントによって直列に接続されたアーム構造と、ジョイントごとに配置された複数のモーターと、第１の駆動電圧を供給する第１電源回路と、第１の駆動電圧よりも高い電圧である第２の駆動電圧を供給する第２電源回路と、モーターの電源として、第１電源回路と第２電源回路とを切り替えるスイッチ回路と、を有するロボットの制御方法であって、モーターの駆動条件を規定する制御信号が所定の閾値以上になった場合に、スイッチ回路を駆動して、第１電源回路から第２電源回路に切り替えることを特徴とする。

実施形態１に係るロボットの概略構成を示す斜視図。 制御ブロックの概要図。 制御部の構成を示すブロック図。 電源部における電源回路の回路図。 電源回路切り換え方法の流れを示したフローチャート図。 モーターの駆動トルク／回転数特性（ＴＮ特性）を示すグラフ図。 実施形態２に係る制御ブロックの概要図。 実施形態３に係るロボットの制御部の構成を示すブロック図。 （ａ），（ｂ）変形例３に係る電源回路図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
「ロボットの概要」
図１は、本実施形態にかかるロボットの概略構成を示す斜視図である。
ロボット１００は、基本的な駆動軸（回転軸）を６つ有する６軸の垂直型多関節ロボットであり、人間の腕の構造を模して高さ方向（Ｚ軸）に複数のリンク（腕木）が複数のジョイント（関節、継手）によって直列に接続された構成であるため、自由度が高く複雑な作業を行うことが可能である。
特に、特徴的な電源部を備えたことにより、複数の駆動軸が同時に駆動されるような高負荷時においても、必要な駆動電力を確保することが可能となり、期待通りの動作を行うことができる。なお、電源部の構成や、その制御方法などについては後述する。

ロボット１００は、基底部７０、本体部７１、制御ボックス７２、ジョイント７３、リンク７４、ジョイント７５、リンク７６、ジョイント７７、リンク７８、ジョイント７９、リンク８０、およびハンド８１などから構成されている。
基底部７０は、ロボット１００の台座であり、工場内の作業スペースの床や、作業台などの平面に複数本のボルト（ネジ）によって強固に固定されている。なお、固定場所は、水平面（Ｘ軸及びＹ軸を含む面）に限定するものではなく、ロボット１００の重量、及び振動に耐え得る強度があれば、移動可能な台車上や、壁面、天井などであっても良い。

本体部７１は、円筒状をなしており、基底部７０の上に配置されている。
制御ボックス７２は、本体部７１の背面に配置されており、その内部には、ロボット１００を駆動制御するための制御部や、電力を供給する電源部などが格納されている。制御ボックス７２には、電源ケーブルが接続されており、その末端は、交流電力を引き込むためのインレット８３となっている。なお、制御ボックス７２は、ロボット本体とは別体に設けられていても良い。
また、制御ボックス７２には、ロボット１００を操作するための操作パネルに加えて、動作プログラムを入力するためのＲＳ２３２Ｃや、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などのインターフェイス端子が設けられている。または、無線ＬＡＮ（Local Area Network）端末や、赤外線送受信器などのインターフェイス装置を備えた構成であっても良い。

本体部７１の上には、ジョイント７３、リンク７４が、この順番に配置されている。
まず、ロボット１００のジョイント７３からハンド８１までのアーム構造（腕から手まで）は、本体部７１をＺ軸方向に貫く回転軸９１を中心にして水平方向に旋回する。この回転軸９１が、第１の駆動軸である。
また、ハンド８１が取り付けられたリンク８０がアーム構造における一端（末端）であり、本体部７１（基底部７０側）に取り付けられたジョイント７３がアーム構造における他端（根元）に相当する。なお、以降の説明において、アーム構造におけるハンド８１に近い側を「末端側」、基底部７０に近い側を「根元側」という表現も用いる。
また、本体部７１には、アーム構造を回転駆動するためのモーター、および複数のギヤを含む減速機構などが組み込まれている。また、以降説明する各回転軸の近傍にも、該当するリンクやハンドを駆動するためのモーター、および減速機構などが組み込まれている。

リンク７４は、ジョイント７３をＸ軸方向に貫く第２の駆動軸としての回転軸９２を中心にして駆動される。回転軸９２は、リンク７４の根元側に位置している。そして、リンク７４の末端側には、ジョイント７５が組み合わされている。なお、回転軸の延在方向は、ロボットが動作すると変化する（例えば、回転軸９１を中心に旋回した場合）ため、図１に示す、初期状態に設置された状態を前提として説明する。
リンク７６は、ジョイント７５の末端側に延在するように配置されており、ジョイント７５（リンク７４末端側）をＸ軸方向に貫く第３の駆動軸としての回転軸９３を中心にして駆動される。そして、リンク７６の末端側には、ジョイント７７が組み合わされている。
リンク７８は、ジョイント７７の末端側に延在するように配置されており、ジョイント７７（リンク７６末端側）をＸ軸方向に貫く第４の駆動軸としての回転軸９４を中心にして駆動される。そして、リンク７８の末端側には、ジョイント７９が組み合わされている。

リンク８０は、ジョイント７９の末端側に配置されており、ジョイント７９（リンク７８末端側）をＸ軸方向に貫く第５の駆動軸としての回転軸９５を中心にして駆動される。そして、リンク８０の末端側には、ハンド８１が組み合わされている。
ハンド８１は、円柱状をなしたリンク８０の略中心を貫く第６の駆動軸としての回転軸９６を中心にして駆動される。
そして、ハンド８１の末端には、指部８２が形成されている。指部８２は、親指と中指に相当する２本の指から構成されており、２本の指先を開閉することにより各種パーツなどの作業対象物を把持することができる。なお、指部８２に替えて、溶接装置などの各種の作業用アタッチメントをセットすることもできる。
なお、回転軸を６つ持つ６軸ロボットに限定するものではなく、複数の駆動軸を有するロボットであれば良い。

「制御方法の概要」
図２は、ロボットの制御ブロックの概要図である。ここでは、ロボット１００の制御方法（構成）の概要について、図２を中心に、適宜、図１を適宜交えながら説明する。
ロボット１００の駆動制御は、６つの駆動軸ごとに配置された６つのモーターを駆動制御することによって行われる。なお、以下の説明においては、モーターと、当該モーターに付属するエンコーダーと、当該モーターに駆動電力を供給するインバーターとを１つのセットとして「モーター部」と称して説明する。

モーター部１１は、最も根元側の回転軸９１に配置されたモーター１１Ｍと、当該モーターの回転速度や位置を検出するためのエンコーダー１１Ｅと、当該モーターに供給する交流電力を生成するインバーター１１ｉなどから構成されている。
モーター１１Ｍは、好適例としてＡＣサーボモーターを用いている。なお、ＡＣサーボモーターに限定するものではなく、サーボモーターであれば良い。
インバーター１１ｉは、三相ブリッジ回路（図示せず）を有しており、制御部５のサーボ演算回路（後述する）から供給されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動信号に基づいた駆動信号を生成し、モーター１１Ｍを回転駆動する。

各モーター部は、モーター部１１から末端側に向かって、モーター部１２（回転軸９２）、モーター部１３（回転軸９３）、モーター部１４（回転軸９４）、モーター部１５（回転軸９５）、モーター部１６（回転軸９６）の順に配置されている。各モーター部には、モーター部１１と同様に、それぞれエンコーダーとインバーターとが配置されている。
なお、各モーターの定格は、根元側のモーター１１Ｍの方が、末端側のモーター１６Ｍよりも大きくなっている。これは、根元側のモーター１１Ｍには、腕から手までに相当する重い上部構造を動かすための駆動力が必要なためであり、パーツを動かす駆動力があれば足りる末端側のモーター１６Ｍよりも、定格（サイズ）が大きく設定されている。同様に、モーター１１Ｍとモーター１６Ｍとの間のモーターの定格も、根元側の方が末端側よりも大きく設定されている。

ロボットの制御ブロック構成は、前述のモーター部１１〜１６に加えて、電源部３、スイッチ部４、および制御部５などから構成されている。
電源部３は、第１電源回路１、第２電源回路２などから構成されている。
第１電源回路１は、商用交流電源から直流電力を生成する電源回路である。
第２電源回路２も、商用交流電源から直流電力を生成する電源回路であるが、第１電源回路１よりも高電圧の直流電力を生成する。
スイッチ部４は、６つのスイッチ２１〜２６などから構成されている。
スイッチ２１は、モーター部１１に接続される電源回路を、第１電源回路１、または第２電源回路２のいずれかに切替えるスイッチ回路である。換言すれば、第１電源回路１と、第２電源回路２とのいずれかにモーター部１１の電源を切替えるスイッチである。スイッチ回路としては、リレーや、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、またはメカニカルスイッチなどを用いることができる。
図２に示すように、スイッチ２１は、初期状態では、第１電源回路１に接続されているが、制御部５が高負荷状態になったと判断した場合に第２電源回路２に切り替わる。なお、具体的な判断処理などについては後述する。
スイッチ２２〜２６も、スイッチ２１と同様に、モーター部１２〜１６とそれぞれ対となって設けられており、各モーター部に接続される電源回路を、第１電源回路１と、第２電源回路２とのいずれかに切り替える。

制御部５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む制御回路と、各モーター部１１〜１６との間で、位置や回転速度などの駆動情報を検知し、検知した情報を反映した駆動信号を供給するフィードバック制御を行うサーボ演算回路（いずれも図示せず）などから構成されている。
また、制御部５は、白抜きの制御ライン（末端矢印）で示すように、スイッチ２１〜２６の切り替え制御を司る。なお、スイッチ２１〜２６の切り替えは、連動して行うこともできるし、それぞれ独立して切り替えることもできる。
また、制御部５には、フラッシュメモリーなどの不揮発性のメモリーにより構成された記憶部６が附属している。

「制御部の詳細」
図３は、制御部の構成を示すブロック図である。
ここでは、制御部５の詳細な構成について説明する。なお、説明を解りやすくするために、図３では、６つのモーター部のうち、モーター部１１のみを図示している。
制御部５は、制御回路７と、サーボ演算回路８などから構成されている。
制御回路７は、ＣＰＵであり、記憶部６の動作プログラムに従って、サーボ演算回路８や、スイッチ部４のスイッチ２１を含む各部を制御する。なお、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）や、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を用いることであっても良い。
記憶部６には、所定の作業動作を行うための順序と内容を規定した複数のプログラムや、付随するデータなどが記憶されている。当該プログラムには、モーターに加わる負荷状況に応じて電源回路を切り替える制御プログラムなどのロボット１００の動作を制御するための様々なプログラムが含まれている。
また、付随するデータには、電源回路を切り替える際の判断基準となるトルク指令、トルク電流、回転数の閾値（境界値）を記録したデータテーブルや、初期状態における各モーター部の位置情報のデータなどが含まれている。なお、これらのデータは、６つのモーター部ごとに区分けされて記憶されている。

サーボ演算回路８は、軌道生成部３０、位置制御部３１、速度制御部３２、エンコーダーＩＦ３３、電流制御部３４、ＰＷＭ信号生成部３６などから構成されている。
軌道生成部３０は、位置指令を位置制御部３１に送信する。なお、当該位置指令は、制御回路７からの位置指令に基づくものである。
位置制御部３１は、位置指令と、エンコーダー１１ＥからエンコーダーＩＦ３３を介して入力されるモーター１１Ｍの位置情報とを用いて演算した速度指令を速度制御部３２に送信する。
速度制御部３２は、速度指令と、エンコーダー１１ＥからエンコーダーＩＦ３３を介して入力されるモーター１１Ｍの速度情報（回転数）とを用いて演算したトルク指令を電流制御部３４に送信する。また、制御信号としてのトルク指令は、モーター１１Ｍの駆動トルクを規定する指令であり、制御回路７にも同時に送信される。
エンコーダーＩＦ３３には、エンコーダー１１Ｅの検知データが入力されており、この検知データに基づく位置情報を位置制御部３１に送信し、速度情報を速度制御部３２に送信する。

電流制御部３４は、インバーター１１ｉからモーター１１Ｍに出力されるＵ相電流とＶ相電流とをモニターするｕｖ／ｄｑ変換部３５からのｄ軸電流、ｑ軸電流、およびトルク指令から、電流制御信号を算出してＰＷＭ信号生成部３６に送信する。
ＰＷＭ信号生成部３６は、電流制御信号に基づいて、インバーター１１ｉを駆動するためのＰＷＭ駆動信号を出力する。インバーター１１ｉは、三相ブリッジ回路（図示せず）を有しており、ＰＷＭ駆動信号に基づいて、モーター１１Ｍに３相のＰＷＭ駆動電圧を供給する。

図３では、一例として、制御回路７にトルク指令が入力される信号線を図示しているが、制御回路７には、モーター１１Ｍの駆動条件を指示する速度指令、トルク電流などの各種指令や、エンコーダーＩＦ３３から出力される位置情報、速度情報などの駆動情報が入力されている。制御回路７は、これらの各種指令、および駆動情報と、記憶部６の該当するデータテーブルの数値とを比較、または演算して、スイッチ２１の切り替えを含む各種制御を行うことができる。
なお、図３では、制御ボックス７２（図１）に格納された制御部５内のサーボ演算回路８によって、１つのモーター部１１を駆動制御する場合について説明したが、６つのモーター部１１〜１６を駆動制御する場合には、前述した処理を並行して、または順次行えば良い。または、制御ボックス７２には、制御回路７と記憶部６のみを格納して、６つのモーター部１１〜１６ごとに専用のサーボ演算回路を設ける構成としても良い。

「電源部の詳細」
図４は、電源部における電源回路の回路図である。
ここでは、第１電源回路１、および第２電源回路２の回路構成について説明する。
第１電源回路１は、商用交流電源４０から供給される交流電力を全波整流回路で整流し、整流した直流電力を第１コンデンサーとしてのコンデンサー５１に蓄電する直流電源回路である。第１電源回路１からは、直流の第１の駆動電圧（電力）が供給される。
全波整流回路は、４個のダイオードＤをブリッジ構成に接続した回路構成となっており、２つのダイオードＤのカソード端子の接合部にコンデンサー５１のプラス端子が、残る２つのダイオードＤのアノード端子の接合部にコンデンサー５１のマイナス端子が接続されている。

第２電源回路２も、同様なブリッジ式の全波整流回路と第２コンデンサーとしてのコンデンサー５２とを含む直流電源回路であるが、商用交流電源４０と全波整流回路との間に、昇圧用のトランス４１を備えている。
このような構成により、商用交流電源４０が供給する同一の交流電力から、第１電源回路１と、第２電源回路２とで、それぞれ電圧の異なる直流電力を生成することができる。第２電源回路２からは、第１の駆動電圧（電力）よりも高電圧の第２の駆動電圧（電力）が供給される。

以下に好適例を紹介する。
商用交流電源４０は、ＡＣ２００Ｖとする。
第２電源回路２の昇圧用のトランス４１の巻き線比率は、「１次側：２次側」＝「１．０：１．２」とする。
これにより、ＡＣ２００Ｖが供給される第１電源回路１のコンデンサー５１の両端からは第１の駆動電圧としてのＤＣ２８２Ｖが得られ、ＡＣ２４０Ｖが供給される第２電源回路２のコンデンサー５２の両端からは第２の駆動電圧としてのＤＣ３３９Ｖが得られる。

ここで、第２電源回路２の電力を蓄電するコンデンサー５２の耐電圧は、第１電源回路１の電力を蓄電するコンデンサー５１の耐電圧よりも高く設定する。具体的には、コンデンサー５１の耐電圧を１．０としたときに、コンデンサー５２の耐電圧は１．５〜２．０倍の範囲内とすることが好ましい。
また、コンデンサー５２の容量は、コンデンサー５１の容量よりも小さく設定する。具体的には、コンデンサー５１の容量を１．０としたときに、コンデンサー５２の容量は１／５〜１／３倍の範囲内とする。
これは、通常状態で用いられる第１電源回路１では、電力を長時間安定して供給することが求められるため大きな容量が必要となり、高負荷時に短時間の加勢をするための第２電源回路２では、容量はさほど必要ないが、高電圧に耐え得る耐電圧が必要となるからである。
また、コンデンサーのコストは、耐電圧および容量に比例するため、上述の好適例の場合では、コンデンサー５２のコストはコンデンサー５１の約１／３となり、第２電源回路２の費用を抑制することができる。

「電源回路切り換え方法の流れ」
図５は、電源回路の切り換え方法の流れを示したフローチャートである。
ここでは、複数の回転軸が同時に駆動されるような高負荷時における電源回路の切り換え（制御）方法の流れについて、図３を交えて説明する。なお、説明を解りやすくするために、６つのモーター部のうち、モーター部１１のみを用いて説明する。
また、以下のフローは、記憶部６の制御プログラムに基づいて、制御部５がスイッチ２１を含む各部を制御することにより実行される。

ステップＳ１では、記憶部６に記憶されている所定の作業内容に基づいた位置指令に従い、モーター部１１を駆動する。なお、初期状態においては、スイッチ２１が第１電源回路１に接続された状態となっている。
ステップＳ２では、速度制御部３２は、位置制御部３１からの速度指令、およびエンコーダーＩＦ３３からの速度情報に基づいてトルク指令を生成（演算）し出力する。
ステップＳ３では、制御部５は、出力されたトルク指令と、記憶部６のデータテーブルの閾値とを比較し、トルク指令が閾値以上であるか判断する。トルク指令が閾値以上であった場合には、ステップＳ４に進む。トルク指令が閾値未満であった場合には、ステップＳ５に進む。

ステップＳ４では、制御部５は、スイッチ２１を第１電源回路１から第２電源回路２に切り換える。なお、既に第２電源回路２が接続（選択）されている場合には、その状態を維持する。
ステップＳ５では、制御部５は、スイッチ２１を第２電源回路２から第１電源回路１に切り換える。なお、既に第１電源回路１が接続（選択）されている場合には、その状態を維持する。
ステップＳ６では、ステップＳ２で出力されたトルク指令に従ってモーター部１１を駆動する。
ステップＳ７では、制御部５は、位置指令に規定された目標位置に到達したか判断する。目標位置に到達した場合には、ステップＳ８に進む。目標位置に到達していない場合には、ステップＳ２に戻る。
ステップＳ８では、制御部５は、モーター部１１の駆動を停止する。

なお、上記説明では、１つのモーター部１１の制御方法について説明したが、複数のモーター部を制御する場合も同様に、各々のトルク指令と個別の閾値とを比較して、対応するスイッチを切り換えれば良い。

「作用」
図６は、モーターの駆動トルク／回転数特性（ＴＮ特性）を示すグラフ図である。
ここでは、図５で説明した制御方法により得られる作用について、図３を交えて説明する。
図６において、横軸には駆動トルクを、縦軸には回転数を取っている。
グラフ６０（実線）は、第１電源回路１を電源に用いた場合におけるモーター１１ＭのＴＮ特性（最大定格）の一例であり、長方形の右上を斜め下方にカットした台形状をなしている。

このグラフ６０は、モーターの原理式である下記数式（１）、数式（２）に基づく特性となっている。なお、下記数式では、駆動電圧をＶ、巻き線抵抗をＲ、トルク電流をＩ、誘起電圧をＥ、トルクをＴ、トルク定数をＫｔとしている。
Ｖ＝Ｒ＊Ｉ＋Ｅ …（１）
Ｔ＝Ｋｔ＊Ｉ ……（２）
まず、数式（１）において、モーターの回転数が上昇すると、回転数に比例する誘起電圧Ｅが大きくなり、また巻き線抵抗Ｒは一定のため、必然的にトルク電流Ｉが少なくなる。また、数式（２）に示すように、トルクＴは、トルク電流Ｉと比例関係にあるため、トルク電流Ｉの減少に伴い、トルクＴも小さくなることが解る。
このため、グラフ６０は、右肩下がりの特性となり、最大（最高）回転数（6,000rpm）において定格の最大トルク（3.5Nm）を得ることはできず、高回転で、かつ大トルクが必要な高負荷時における駆動には余裕がなかった。

図６のグラフ６１（破線）は、第２電源回路２を電源に用いた場合におけるモーター１１ＭのＴＮ特性（最大定格）を示している。
ここで、電源回路を第１電源回路１から第２電源回路２に切り換えることにより、グラフ６１に示すように、ハッチング部分のＴＮ特性が広がるため、高負荷時の駆動に対応することが可能になる。これは、第１電源回路１から高電圧の第２電源回路２に切り換えることにより、数式（１）における駆動電圧Ｖが大きく（高く）なるからである。

以上述べたように、本実施形態に係るロボット１００、およびその制御方法によれば、以下の効果を得ることができる。
ロボット１００は、第１の駆動電圧を供給する第１電源回路１と、第１の駆動電圧よりも高い電圧である第２の駆動電圧を供給する第２電源回路２と、第１電源回路と第２電源回路とを切り替えるスイッチ２１〜２６を備えている。
そして、モーターの駆動トルクを規定するトルク指令（制御信号）が所定の閾値以上となった場合に、スイッチを駆動して第１電源回路１から高電圧の第２電源回路２に切り替えることにより、十分な駆動電圧が確保されるため、期待通りの動作を行うことができる。換言すれば、トルク指令から駆動電力が不足しそうな状況を予測して、第２電源回路に切り替えることにより、決められた作業時間（タクトタイム）で、作業に必要な動作を行うことができる。
従って、最大定格出力に近い駆動条件であっても、本来の駆動性能（速度やトルク等）を発揮することが可能なロボット１００を提供することができる。

また、複数のモーター部を制御する場合でも、各々のトルク指令と個別の閾値とを比較して対応するスイッチを切り換えれば良いため、必要なモーターだけに第２の駆動電圧が供給されることになり、消費電力効率が良い。

さらに、第１電源回路１の電力を蓄電するコンデンサー５１の耐電圧および容量を１．０としたときに、第２電源回路２の電力を蓄電するコンデンサー５２の耐電圧は１．５〜２．０倍の範囲内であり、容量は１／５〜１／３倍の範囲内となっている。
これにより、コンデンサー５２のコストはコンデンサー５１の約１／３となり、費用を抑制することができる。

また、第２電源回路２に切り換えた後であっても、目標位置に到達するまでの間で、トルク指令が閾値未満となった場合には、再度、第１電源回路１に切り換えを行うため、その間に第２電源回路２のコンデンサー５２を充電することが可能となり、次の高負荷に備えることができる。

（実施形態２）
図７は、実施形態２に係るロボットの制御ブロックの概要図であり、図２に対応している。
以下、実施形態２に係るロボットについて説明する。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を附し、重複する説明は省略する。
図７のブロック図では、末端側のモーター部１４〜１６に対応するスイッチが設けられていない。換言すれば、根元側のモーター部１１〜１３のみに対応するスイッチ２１〜２３が設けられている点が実施形態１と異なる。

これは、実施形態１で説明したように、各モーターの定格（サイズ）が根元側で大きく、末端側に行くに従って小さくなることを考慮したものである。詳しくは、根元側の３つのモーター部は、リンクやハンドの重量に加えて、それらが駆動するときのモーメント力の影響も受けることから高負荷となり易いため、スイッチを選択的に取り付けている。
なお、根元側の３つのモーター部全てにスイッチを設ける構成に限定するものではなく、少なくとも根元側から１〜３つ目以内のモーターのいずれかにスイッチが取り付けられていれば良い。または、ロボットの構成、または仕様上、高負荷となり易いモーターに対して選択的にスイッチが取り付けられていれば良い。

また、電源回路の切り換え制御方法の一部についても、実施形態１と異なっている。
詳しくは、図５のフローチャートのステップＳ３において、モーター部１１〜１３のうち、１つのモーター部のトルク指令が閾値以上であった場合には、ステップＳ４で、全てのモーター部１１〜１３のスイッチ２１〜２３を同期して第２電源回路２に切り換える。換言すれば、複数のモーターのうち、１つでも高負荷となることが予測された場合には、複数のモーター全ての電源を高電圧の第２電源回路２に切り換えるように制御する。

上述した通り、本実施形態に係るロボットによれば、実施形態１における効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
この構成によれば、ロボットの構成上、高負荷となり易いモーターに対して選択的にスイッチが取り付けられているため、スイッチの数を減らすことができる。また、スイッチが減った分、制御も容易となる。
さらに、複数のモーターのうち、１つでも高負荷となることが予測された場合には、複数のモーター全ての電源を高電圧の第２電源回路２に切り換えるため、制御を容易にすることができるとともに、高負荷時において余裕を持った駆動を行うことができる。
従って、ロボットの構成や、制御内容をシンプルにすることができる。

（実施形態３）
図８は、実施形態３に係る制御部の構成を示すブロック図であり、図３に対応している。
以下、実施形態３に係るロボットについて説明する。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を附し、重複する説明は省略する。
本実施形態に係るロボットのブロック構成では、図３の構成に加えて、監視回路５５を備えている点が実施形態１と異なる。その他の構成は、実施形態１と同様である。なお、本実施形態は、実施形態２にも適用可能である。

監視回路５５は、電圧、および電流を計測する検出回路であり、第１電源回路１の出力電圧、および出力電流を検出して、その検出結果を制御回路７に送信する。換言すれば、監視回路５５は、第１電源回路１の出力電圧、および出力電流のモニター回路である。なお、電圧および電流の両方を計測する回路に限定するものではなく、いずれか一方を検出する回路であっても良い。

また、電源回路の切り換え制御方法の一部についても、実施形態１と異なっており、本実施形態では、監視回路５５が検出した第１電源回路１の出力電流、または出力電圧をトリガーとして電源回路の切り替えを行う。
詳しくは、図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ステップＳ２では、トルク指令演算に替えて、監視回路５５により第１電源回路１の出力電流の計測を行う。
続いて、ステップＳ３では、計測した出力電流と、所定の閾値とを比較し、出力電流が閾値以上であるか判断する。出力電流が閾値以上であった場合には、ステップＳ４に進む。出力電流が閾値未満である場合には、ステップＳ５に進む。
また、ステップＳ４，Ｓ５では、全てのスイッチを同期して（一緒に）切り換える。
その他の処理フローは、実施形態１での説明と同様である。

また、出力電流に替えて、出力電圧に基づいて切り替え制御を行っても良い。
この場合、ステップＳ２では、監視回路５５により第１電源回路１の出力電圧の計測を行う。
続いて、ステップＳ３では、計測した出力電圧と、所定の閾値とを比較し、出力電圧が閾値以下であるか判断する。出力電圧が閾値以下であった場合には、ステップＳ４に進む。出力電圧が閾値を超えている場合には、ステップＳ５に進む。
また、ステップＳ４，Ｓ５では、全てのスイッチを同期して（一緒に）切り換える。
その他の処理フローは、実施形態１での説明と同様である。

また、上記判断の基準となる出力電流、および出力電圧の所定の閾値は、あらかじめ記憶部６のデータテーブルに記憶されている。第１電源回路１の出力電流は、負荷状態に応じて変化する。このため、第１電源回路１から取り出すことができる許容（限界）電力量に近づいていることを出力電流から予測可能であり、本実施形態では、この原理を用いている。出力電流の所定の閾値は、直近に許容電力量に達してしまうレベルの電流値を、設計データから演算、または実験データから導出して定めている。
また、第１電源回路１の出力電圧も、出力電流よりは変化量が少ないが、負荷状態に応じて変化する。出力電圧の閾値についても、出力電流と同様に、直近に許容電力量に達してしまうレベルの電圧値を、設計データから演算、または実験データから導出して定めている。

なお、出力電圧、出力電流のいずれかを判断基準とすることに限定するものではなく、出力電圧と出力電流との両方が上記判断基準を満たした場合に、第２電源回路２への切り換えを行うことであっても良い。換言すれば、第１電源回路１の出力電圧、および／または出力電流をトリガーとして電源回路の切り替えを行えば良い。

上述した通り、本実施形態に係るロボットによれば、上記各実施形態における効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、監視回路５５を用いて、第１電源回路１の出力電流、または出力電圧をトリガーとして電源回路の切り替えを行うため、第１電源回路１の負荷状態を適切に把握して、第２電源回路２に切り換えることができる。換言すれば、第１電源回路１の出力電流、または出力電流から駆動電力が不足しそうな状況を予測して、第２電源回路に切り替えることにより、決められた作業時間（タクトタイム）で、作業に必要な動作を行うことができる。
従って、最大定格出力に近い駆動条件であっても、本来の駆動性能（速度やトルク等）を発揮することが可能なロボットを提供することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。

（変形例１）
図３、および図５を用いて説明する。
上記実施形態１では、制御信号としてトルク指令を用いて説明したが、制御信号はトルク指令に限定するものではない。
以下、変形例１に係る制御方法について説明する。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を附し、重複する説明は省略する。

制御信号としては、モーターの駆動条件を規定する指標（目標値）であれば良く、例えば、速度指令（回転数指令）や、トルク電流値を用いることもできる。
これらの指標を制御信号として用いる場合には、図５に於けるステップＳ２，Ｓ３の「トルク指令」を「速度指令（回転数指令）」、または「トルク電流値」に読み替えれば良い。なお、この場合、記憶部６のデータテーブルには、あらかじめモーターごとのトルク電流の閾値、回転数の閾値を記憶しておく。
この制御方法によれば、速度指令（回転数指令）や、トルク電流値を用いても、上記各実施形態と同様の駆動制御を行うことができる。

（変形例２）
図２、および図５を用いて説明する。
上記実施形態１では、１つのモーターごとの個別のトルク指令を用いて電源回路を切り換えることとして説明したが、この方法に限定するものではなく、複数のモーターのトルク指令（トルク電流）の総和を用いて、電源回路の切り換え制御を行っても良い。
以下、変形例２に係る制御方法について説明する。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を附し、重複する説明は省略する。

図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ステップＳ２では、全てのモーターにおけるトルク指令の総和を演算する。
続いて、ステップＳ３では、トルク指令の総和と、所定の閾値とを比較し、トルク指令の総和が閾値以上であるか判断する。トルク指令の総和が閾値以上であった場合には、ステップＳ４に進む。トルク指令の総和が閾値未満であった場合には、ステップＳ５に進む。
その他の処理フローは、実施形態１での説明と同様である。

また、上記判断の基準となるトルク指令の総和に関する所定の閾値は、あらかじめ記憶部６のデータテーブルに記憶されている。
なお、トルク指令の総和に限定するものではなく、速度指令（回転数指令）の総和や、トルク電流値の総和を用いても良い。なお、本変形例は、実施形態２にも適用可能である。

上述した通り、本変形例に係るロボットによれば、上記各実施形態における効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、全てのモーターにおけるトルク指令（電流）の総和（総合負荷）を用いて、電源回路の切り替えを行うため、第１電源回路１の負荷状態を適切に把握して、第２電源回路２に切り換えることができる。換言すれば、総合的な負荷状態の指標となるトルク指令の総和から、駆動電力が不足しそうな状況を予測して、第２電源回路に切り替えることにより、決められた作業時間（タクトタイム）で、作業に必要な動作を行うことができる。
従って、最大定格出力に近い駆動条件であっても、本来の駆動性能（速度やトルク等）を発揮することが可能なロボットを提供することができる。

（変形例３）
図９（ａ），（ｂ）は、変形例３に係る電源回路図であり、図４に対応している。
上記実施形態１において、第２電源回路２ではトランス４１を用いて高電圧化していたが、この回路構成に限定するものではない。また、商用交流電源もＡＣ１００Ｖであっても良い。
以下、本変形例に係る電源回路について説明する。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を附し、重複する説明は省略する。

図９（ａ）の電源回路では、ＡＣ１００Ｖの商用交流電源３９から、第１電源回路１１１の全波整流回路でＤＣ１４１Ｖ（出力端子Ｖａ）を生成し、第２電源回路１１２の倍圧整流回路でＤＣ２８２Ｖ（出力端子Ｖｂ）を生成している。
第１電源回路１１１の全波整流回路は、図４の第１電源回路１と同じ回路構成の全波整流回路である。
第２電源回路１１２の倍圧整流回路は、２つのダイオードと、２つのコンデンサー４３，４４から構成されており、後段のコンデンサー４４に２８２Ｖの直流電力が蓄電される。

図９（ｂ）の電源回路では、ＡＣ１００Ｖの商用交流電源３９から、第１電源回路１２１の倍圧整流回路でＤＣ２８２Ｖ（出力端子Ｖｂ）を生成し、第２電源回路１２２の３倍圧整流回路でＤＣ４２３Ｖ（出力端子Ｖｃ）を生成している。
第１電源回路１２１の倍圧整流回路は、図９（ａ）の第２電源回路１１２と同じ回路構成の倍圧整流回路である。
第２電源回路１２２の３倍圧整流回路は、３つのダイオードと、３つのコンデンサー４５，４６，４７から構成されており、後段で直列接続されたコンデンサー４５とコンデンサー４７の両端（Ｇｎｄ，Ｖｃ）に、４２３Ｖの直流電力が蓄電される。

発明者等による実験結果によれば、ＡＣ２００Ｖ定格のＡＣサーボモーターであれば、駆動電圧としてＤＣ１７０Ｖ〜４２０Ｖ程度までの間での動作確認が取れている。
従って、本変形例の電源回路を用いても、前記各実施形態と同様の駆動制御を行うことができる。

１，１１１，１２１…第１電源回路、２，１１２，１２２…第２電源回路、３…電源部、４…スイッチ部、５…制御部、６…記憶部、８…サーボ演算回路、１１〜１６…モーター部、１１Ｍ〜１６Ｍ…モーター、２１〜２６…スイッチ回路としてのスイッチ、５１…第１コンデンサー、４４，５２…第２コンデンサー、５５…監視回路、７２…制御ボックス、７４，７６，７８，８０…リンク、７３，７５，７７，７９…ジョイント、８１…ハンド、９１〜９６…回転軸、１００…ロボット。

Claims (6)

1. 複数のリンクが複数のジョイントによって直列に接続されたアーム構造を有するロボットであって、
   前記ジョイントごとに配置された複数のモーターと、
   前記モーターに第１の駆動電圧を供給する第１電源回路、および前記第１の駆動電圧よりも高い電圧である第２の駆動電圧を供給する第２電源回路を含む電源部と、
   前記第１電源回路と前記第２電源回路とを切り替えるスイッチ部と、
   前記モーターの駆動条件を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記駆動条件を規定する制御信号が所定の閾値以上になった場合に、前記スイッチ部を駆動して前記第１電源回路から前記第２電源回路に切り替えることを特徴とするロボット。
2. 前記制御信号は、前記モーターの駆動トルクを規定するトルク指令、または前記モーターの回転数を規定する速度指令、もしくは前記モーターの駆動電流を規定するトルク電流値であることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
3. 前記アーム構造の一端には、作業を行うためのハンドが取り付けられ、
   前記アーム構造における前記一端の反対側の他端は、前記ロボットを支持する基底部側に取り付けられており、
   前記複数のモーターのうち、少なくとも前記他端における前記モーターには、前記スイッチ部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のロボット。
4. 前記第２電源回路の電力を蓄電する第２コンデンサーの耐電圧は、前記第１電源回路の電力を蓄電する第１コンデンサーの耐電圧よりも高く、
   前記第２コンデンサーの容量は、前記第１コンデンサーの容量よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボット。
5. 複数のリンクが複数のジョイントによって直列に接続されたアーム構造を有するロボットであって、
   前記ジョイントごとに配置された複数のモーターと、
   前記モーターに第１の駆動電圧を供給する第１電源回路、および前記第１の駆動電圧よりも高い電圧である第２の駆動電圧を供給する第２電源回路を含む電源部と、
   前記第１電源回路と前記第２電源回路とを切り替えるスイッチ部と、
   前記第１電源回路の出力電流、および／または出力電圧を測定する検出部と、
   前記モーターの駆動条件を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記出力電流が所定の閾値以上になった場合、または前記出力電圧が所定の閾値以下になった場合に、前記スイッチ部を駆動して前記第１電源回路から前記第２電源回路に切り替えることを特徴とするロボット。
6. 複数のリンクが複数のジョイントによって直列に接続されたアーム構造と、
   前記ジョイントごとに配置された複数のモーターと、
   第１の駆動電圧を供給する第１電源回路と、
   前記第１の駆動電圧よりも高い電圧である第２の駆動電圧を供給する第２電源回路と、
   前記モーターの電源として、前記第１電源回路と前記第２電源回路とを切り替えるスイッチ回路と、を有するロボットの制御方法であって、
   前記モーターの駆動条件を規定する制御信号が所定の閾値以上になった場合に、前記スイッチ回路を駆動して、前記第１電源回路から前記第２電源回路に切り替えることを特徴とするロボットの制御方法。

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