JP2014195849A - ガススプリングを備えた多関節ロボット、及びガススプリングの内圧を推定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト及び簡易な構成で、ガススプリングの内圧低下を知ることができる機能を備えた多関節ロボット、及びガススプリングの内圧低下量を推定する方法の提供。【解決手段】ガススプリング１６のシリンダ１８内のガス圧は、ガススプリング１６が関連付けられた下部アーム１２の動作に伴い低下する。本発明では、ガススプリング１６の内圧減少量とトルクの減少量は概ね比例関係にあること、さらにサーボモータ２２が発生するトルクは、サーボモータ２２の電流値に基づいて算出できることに着目し、サーボモータ２２の電流値を用いてガス圧の減少量を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガススプリングを備えた多関節ロボットに関し、特には、当該ガススプリングの内圧減少量を推定する技術に関する。

ガススプリングは、不活性の圧縮性ガス（以後、単にガスと称する）を封入したピストン構造を有し、シリンダに対するピストンロッドの動作に伴うガスの圧縮により反発力を発生させるものである。このようなガススプリングは一般に、同程度の出力が得られるコイルスプリングに比べて小型・軽量であり、故に設備全体の軽量化・コンパクト化に有用である。

多関節ロボットにおいて、重力による負荷が作用する軸では、当該軸を駆動するサーボモータの動力（トルク）を補助する装置として、重力による負荷に対して逆方向の力を発生する装置（以後、バランサと呼称する）を組み込む場合がある。このバランサにガススプリングを適用すると（このようなバランサをガスバランサと称する）、上述のようにガススプリングは比較的小型・軽量にも関わらず出力が大きいため、ガスバランサはコンパクトな機構で大きな補助トルクを発生し、軽量・コンパクトかつ大きな可搬重量を持つロボットを実現することができる。例えば特許文献１には、ベース１上で旋回アーム３を駆動する垂直回転軸２の荷重モーメントを軽減するためのバランサが記載されている。このバランサは、シリンダ４、ロッド５及びピストン６を備え、シリンダ４には連通部１１を介して気体圧縮チャンバ１０が設けられ、シリンダ４及びチャンバ１０内にはエア等の気体（圧縮性流体）とオイル等の粘性液体が封入される、とされている。

一方、ガススプリングでは、シリンダに対するピストンロッドの動作に伴い、シリンダ内部に封入されたガスが外部へ漏出し、シリンダ内圧が低下することが知られている。これによりバランサの発生力が低下し、その結果、サーボモータのトルク不足を知らせるアラーム等が発せられ、ロボットが緊急停止するという問題があった。このようなガススプリングの内圧低下に伴う不具合を未然に防ぐための手段として、いくつかの従来技術が既に知られている。例えば特許文献２には、ガススプリング回路の内圧低下を視覚的に表示できるようにした回路圧力表示装置が記載されている。また特許文献３には、ガススプリングの圧縮ガス充填室に収容された圧縮ガスの圧力を指示するためのガススプリング用圧力インジケータが記載されている。

さらに特許文献４には、気体ばね４及び圧縮機システム５を含む釣合い装置が記載されている。圧縮機システム５は、圧縮機６と、気体ばね４内の圧力を調整する自動制御システム７とを備え、自動制御システム７は、気体ばね４内の圧力を検出する圧力センサ８からの信号に基づいて、気体ばね４からの又は気体ばね４への気体の流量を規制する圧力制御弁９を制御する、とされている。

特開平１０−１３８１８９号公報 特開２００７−２９８５１３号公報 特開２００９−２７０９８７号公報 特表２０１２−５１９０８３号公報

特許文献２及び３に記載されているように、ガススプリングの外部に圧力表示器を取り付ける場合、少なくともその圧力表示器に相当する分だけ設備費が上昇する。また、圧力表示器とガススプリングとの間にはコネクタ等の接続手段を設ける必要があるが、そのような接続手段の存在はガス漏れの可能性を高める。さらに、圧力表示器自体の破損によってガス漏れが生じる虞もある。

また特許文献４のように、ガススプリング（気体ばね）に圧力センサや圧力調整弁等を設ける場合、特許文献２及び３と同様にそれらの装置の分、設備費が上昇することに加え、ガス漏れの可能性も高くなる。さらに、圧力調整弁９に接続されるガスタンク１１のような設備も必要となり、周辺設備が大型化するという問題もある。

そこで本発明は、低コスト及び簡易な構成で、ガススプリングの内圧低下を知ることができる機能を備えた多関節ロボット、及びガススプリングの内圧低下量を推定する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、少なくとも１つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有する多関節ロボットであって、前記ガススプリングは、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成され、前記制御装置は、前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時の前記サーボモータの電流値を基準電流値として取得し、前記基準時と同一の動作条件で前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時と異なる時点での前記サーボモータの電流値を対象電流値として取得し、前記基準電流値と前記対象電流値との差分を求め、前記差分に基づいて前記ガススプリングの圧縮性ガスの内圧の減少量を算出する機能を有する、多関節ロボットを提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記基準電流値及び前記対象電流値として、前記サーボモータへの電流指令値を使用する、多関節ロボットを提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記制御装置は、前記基準電流値を取得するときの前記多関節ロボットの動作条件を記録する記憶手段を有する、多関節ロボットを提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記圧縮性ガスの内圧の減少量を視覚的又は聴覚的に出力する表示手段を有する、多関節ロボットを提供する。

第５の発明は、第４の発明において、前記表示手段は、前記内圧の減少量の経時変化を視覚的に表示する、多関節ロボットを提供する。

第６の発明は、少なくとも１つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有し、前記ガススプリングが、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成されている多関節ロボットにおける、前記ガススプリングの内圧の減少量を推定する方法であって、前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時の前記サーボモータの電流値を基準電流値として取得するステップと、前記基準時と同一の動作条件で前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時と異なる時点での前記サーボモータの電流値を対象電流値として取得するステップと、前記基準電流値と前記対象電流値との差分を求めるステップと、前記差分に基づいて前記ガススプリングの圧縮性ガスの内圧の減少量を算出するステップと、を有する、方法を提供する。

本発明によれば、ロボットの姿勢及び速度等の動作条件等を同一として得られる基準電流値及び対象電流値から差分電流値を求め、この差分電流値に基づきガススプリングの内圧減少量を推定することができる。従って、圧力計等の手段が必要ないことに加え、ロボットの負荷条件や動作条件の影響を取り除いた高精度の推定が可能となる。

基準電流値及び対象電流値として電流指令値を使用することにより、サーボモータに実際に流れた電流値を検出する場合と同様の効果が得られる。

電流値を測定する際の動作条件をロボット制御装置に記録することにより、長時間が経過した後でも、基準電流値の測定時と同一の動作条件で、対象電流値の測定を確実に実施することが可能となる。

内圧減少量やその経時変化を視覚的又は聴覚的に出力することにより、作業者はガス圧低下の進行程度を予測することができ、ロボットが所定の動作を行うことができなくなる前に、予め必要な対策を実施できる。

本発明の好適な実施形態に係る多関節ロボットの概略構成を示す図である。 ガススプリングの内圧減少に伴うサーボモータのトルク変化を説明するグラフである。 サーボモータの基準電流値の検出処理を含む手順を説明するフローチャートである。 サーボモータの対象電流値の検出処理を含む手順を説明するフローチャートである。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る多関節ロボットの概略構成を示す図である。多関節ロボット２は、少なくとも１つのアームを備えたロボット機構部４と、ロボット機構部４を制御する制御装置６と、該少なくとも１つのアームに設けられたガススプリングとを有する。図示例では、ロボット機構部４は、ベース８と、ベース８に旋回可能に設けられた旋回部１０と、旋回部１０に回転可能に設けられた下部アーム１２と、下部アーム１２に回転可能に設けられた上部アーム１４とを有する。多関節ロボット２はさらに、下部アーム１２に関連して設けられたガススプリング１６を有する。ガススプリング１６は、下部アーム１２に回転可能に取付けられたシリンダ１８と、旋回部１０に回転可能に取付けられかつシリンダ１８内を摺動可能に構成され支持されたピストンロッド２０とを有し、シリンダ１８内部には不活性の圧縮性ガスが封入されている。ガススプリング１６は、重力による負荷が作用する下部アーム１２を駆動するサーボモータ２２の負荷を軽減するバランサとして使用される。

制御装置６は、給電ケーブル２４等を介してロボット機構部４に接続されており、ロボット機構部４の各軸の動作を制御するとともに、後述するガス内圧推定処理を行うことができる。また制御装置６は、モニタ付き操作パネル２６を有してもよく、操作パネル２６には推定された内圧等を表示することができる。

図２は、下部アーム１２の変位及び速度を所定の条件で制御する場合において必要なトルクを説明する図であり、詳細には、グラフ（Ａ）は適正な量のガスがガススプリングに充填された状態、グラフ（Ｂ）はガススプリングのガスが一定量漏出してガス圧が低下した状態を示している。上述のようにガススプリング１６は、ガスバランサとして使用されるので、下部アーム１２の駆動に必要なトルクＴｒは、サーボモータ２２によるトルクＴｓ及びガススプリング１６によるトルクＴｇの合計となる。両グラフの比較からわかるように、（Ｂ）ではガスの漏出によってガススプリング１６のトルクＴｇが低下するので、所定のトルクＴｒを得るためには、サーボモータ２２のトルクＴｓを大きくする必要がある。

そこで本発明は、ガススプリング１６の内圧減少量とトルクＴｇの減少量（ΔＴｇ）は概ね比例関係又は直線関係にあること、さらにサーボモータ２２が発生するトルクＴｓは、サーボモータ２２の電流値に基づいて算出できる（トルクと電流値は概ね比例関係又は直線関係にある）ことに着目し、サーボモータ２２の電流値を用いてガス圧の減少量を推定（算出）することを主たる特徴とする。つまり図２の例で言えば、（Ｂ）におけるガス圧減少量は、（Ａ）及び（Ｂ）でのサーボモータ２２の電流値をそれぞれ検出し、それらの電流値の差分に基づいて算出することができる。

以下、本発明におけるガススプリング１６のガス圧の減少量の推定手順について説明する。先ず図３に示すように、基準時のサーボモータ２２の電流値を検出・記録する。ここで基準時とは、ガススプリング１６の初期状態等、ガススプリング内に適正な量のガスが封入されており、ガスバランサとして予め定めた（所望の）トルクを出力できる状態（例えば図２の（Ａ）に相当）を意味する。この基準時に、基準電流値取得指令が発せられたら、サーボモータ２２が通電制御された状態での該サーボモータの電流値を検出し（ステップＳ１１）、これを基準電流値Ｉ₀としてメモリ等の記憶手段に記録する（ステップＳ１２）。なお基準電流値Ｉ₀を検出する手段としては、サーボモータ２２を制御する際に使用するフィードバック回路が使用でき、そのフィードバック値を検出された基準電流値Ｉ₀として使用することができる。また、基準電流値Ｉ₀を測定したときの多関節ロボット２の動作条件（ロボットの姿勢や動作速度等）も併せてメモリに記録してもよい（ステップＳ１３）。基準電流値を測定する際の動作条件を記録することにより、長時間が経過した後でも、基準電流値の測定時と同一の動作条件で、後述する対象電流値の測定を確実に実施することが可能となる。

図４は、ガススプリング１６の内圧減少量を算出するための処理を説明するフローチャートである。先ず、基準時とは異なる時点（例えばロボットの実運転時）において、上述の基準電流値を測定したときの動作条件と同一条件のときに、対象電流値取得指令が発せられたら、サーボモータ２２が通電制御された状態での該サーボモータの対象電流値Ｉ₁を検出し（ステップＳ２１）。次に、この検出された対象電流値Ｉ₁と、記録された基準電流値Ｉ₀との差である差分電流値ΔＩを算出する（ステップＳ２２）。なお動作条件を基準時と完全同一とすることは実際には困難な場合があるので、動作条件の差が、測定値に影響しないと経験的に知られている一定の範囲内に収まっていれば、動作条件は「同一」として扱うことができる。

次に、差分電流値ΔＩに基づいて、基準時に対するサーボモータ２２の発生トルクの差分（図２の例ではトルクΔＴｇに相当）を演算し、トルクの差分（上昇分）ΔＴを求める（ステップＳ２３）。さらに、求めたトルク差分ΔＴに基づいて、ガススプリング１６の内圧の減少量Ｐを算出する（ステップＳ２４）。なお差分電流値ΔＩに基づくトルク差分ΔＴの算出、及びトルク差分ΔＴに基づくガス圧減少量Ｐの算出は、いずれも比例関係にあるとして（つまり適当な換算係数を乗算して）求めることができる。またトルク差分の算出（ステップＳ２３）を省略し、差分電流値ΔＩに基づいてガス圧減少量Ｐを求めてもよい。

次のステップＳ２５では、ステップＳ２４で求めた内圧減少量Ｐを、制御装置６のモニタ付き操作パネル２６等の表示手段に表示し、算出した内圧減少量Ｐと、予め定めた許容値Ｐａとを比較する（ステップＳ２６）。減少量Ｐが許容値Ｐａを超えていれば、ガス内圧が過小である旨を操作パネル２６に表示する、或いは警報を発する等の視覚的又は聴覚的な出力を行い（ステップＳ２７）、ロボットが奥まった場所に設置されている場合であっても、作業者が視覚的又は聴覚的に迅速にガス圧低下量が許容値を超えている旨を知ることができるようにする。最後に、これらの処理が実施された日時と算出された内圧減少量とを関連付けて、メモリ等に記録する（ステップＳ２８）。

なお図４で示した処理に加えて、内圧減少量Ｐを時系列に並べて表示する処理を加えてもよいし、求めた内圧減少量を、ロボット機構部の経時劣化等の状態を検知し診断する処理に活用することもできる。例えば、ロボット保守作業者が、ガス圧低下の進行程度を予測することができ、ガスの補充時期を予め把握して必要な準備をしておく等の措置を採ることができる。

また上記実施形態では、基準電流値Ｉ₀及び対象電流値Ｉ₁をいずれも検出（測定）により求めているが、これらの値として電流指令値を使用してもよい。すなわち、基準電流値取得指令又は対象電流値取得指令が発せられたら、サーボモータ２２の制御に使用する電流指令値を、それぞれ基準電流値Ｉ₀及び対象電流値Ｉ₁とすることができる。この場合でも、サーボモータに実際に流れた電流値を検出する場合と概ね同様の効果が得られる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図１ではガススプリングを、前後方向（左右方向）に揺動する下部アーム１２のサーボモータ２２を補助するものとして説明したが、重力の影響を受けながら駆動される軸を支えるようにガススプリングを用いたロボットであれば、上述のものと同様の作用効果を得ることができる。つまり本発明は、下部アーム１２が上下方向又は斜め方向に揺動する場合にも適用可能であるし、下部アーム以外のアームに対しても適用可能である。また上記実施形態では、軸（下部アーム１２）が変位している最中の状態を説明したが、サーボモータが通電制御されている状態であれば、軸が変位しているか、静止中かに関係なく本発明は適用できる。

２ 多関節ロボット
４ ロボット機構部
６ 制御装置
８ ベース
１０ 旋回部
１２ 下部アーム
１４ 上部アーム
１６ ガススプリング
１８ シリンダ
２０ ピストンロッド
２２ サーボモータ
２４ 給電ケーブル
２６ 操作パネル

Claims (6)

1. 少なくとも１つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有する多関節ロボットであって、
   前記ガススプリングは、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成され、
   前記制御装置は、前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時の前記サーボモータの電流値を基準電流値として取得し、前記基準時と同一の動作条件で前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時と異なる時点での前記サーボモータの電流値を対象電流値として取得し、前記基準電流値と前記対象電流値との差分を求め、前記差分に基づいて前記ガススプリングの圧縮性ガスの内圧の減少量を算出する機能を有する、多関節ロボット。
2. 前記基準電流値及び前記対象電流値として、前記サーボモータへの電流指令値を使用する、請求項１に記載の多関節ロボット。
3. 前記制御装置は、前記基準電流値を取得するときの前記多関節ロボットの動作条件を記録する記憶手段を有する、請求項１又は２に記載の多関節ロボット。
4. 前記圧縮性ガスの内圧の減少量を視覚的又は聴覚的に出力する表示手段を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
5. 前記表示手段は、前記内圧の減少量の経時変化を視覚的に表示する、請求項４に記載の多関節ロボット。
6. 少なくとも１つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有し、前記ガススプリングが、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成されている多関節ロボットにおける、前記ガススプリングの内圧の減少量を推定する方法であって、
   前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時の前記サーボモータの電流値を基準電流値として取得するステップと、
   前記基準時と同一の動作条件で前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時と異なる時点での前記サーボモータの電流値を対象電流値として取得するステップと、
   前記基準電流値と前記対象電流値との差分を求めるステップと、
   前記差分に基づいて前記ガススプリングの圧縮性ガスの内圧の減少量を算出するステップと、
   を有する、方法。

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