JP2016028842A - アクチュエータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】所定トルクを保持しつつ、人為的に教示動作を行い、教示動作を再現した動作をすることができ、さらに再生動作の時、アクチュエータの任意の場所で外乱などによる過負荷を検知した際には所定トルク値以下による動作継続や再生動作を停止することが可能なアクチュエータシステムを提供する。
【解決手段】回転トルク検出を行うトルク検出器と減速機を介して連結したモータと、モータの制御を行う制御部を有し、所定のトルク制限値を保持して自在に教示者が所望する実動作にて教示を行い、位置および速度および加速度および力の少なくとも１つ以上の情報を制御部から得て記憶する記憶手段と、この情報に基づいて再生動作を指令する指令手段が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トルク制御が可能かつ、人為的な教示機能を有するアクチュエータシステムに関するものである。

従来、人間が行う操作を基にしてロボット等への動作を教示する際には、ロボットをティーチングペンダントのようなリモコンで操作して、教示する部分の先端すなわちエンドエフェクタを所定の位置へ移動させて、目視などで確認しつつその位置を記憶させるとともに、各位置間の移動速度、加速度などのデータを補正および調整して教示を行うことが行われて来た。この方法では試行錯誤が生じて条件出しに時間を要し、特に多点の教示においては膨大な時間が費やされる結果となっていた。

そこでロボットが存在する実際の環境を３次元的にバーチャルに示した仮想環境を作り出し、ロボットと人間の手の動作を連動させた仮想操作系にて人間の動作の教示を行うことが提案されている。この際の教示は人間の手の３次元での位置、速度を観測して教示するデータとしているため多点の教示において有用である。しかしながらこの方法では、仮想環境を作り出すために大規模かつ高速な演算処理装置等が必要であるばかりでなく、実際の環境と仮想環境の差異はどうしても生じてしまうためこれを補正することが必要であった。

特許第４９７６８８３号公報 特許第３１５２０５６号公報

特許文献１によれば、教示を行った時と、再生動作の動きと位置の差異を補正する提案がなされている。ここにおける課題は教示を行う際の各アクチュエータの回転トルクを制御するには６軸センサなどをエンドエフェクタ近傍に設置して、このセンサから得られた角速度および加速度情報から演算して各アクチュエータへトルクを指令するなど複雑な構成が必要であり、実質教示者が意図とする力や速度で教示することは困難であった。これは特許文献２におけるロボットの制御の提案に記載があり、実際のトルクを測定する訳ではなくリンクの重量と重心位置に基づいた算出推定であることから、教示者の意図するところと誤差が生じ、教示者の教示した印加力と実再生動作時の印加力との乖離も生じる原因となっていた。

また特許文献１では画像処理によって作業状態を計測しているため、全体として大規模なシステムになり画像処理による遅延などでデータ修正が余儀なくされ、条件出しに多大な時間と労力がかかっていた。さらにここで生成した教示データに従って再生動作をした際に、再生の軌道経路に何かしら障害物が侵入し、教示先端部の６軸センサの付近以外の場所で動作が阻害された際には、これを瞬時に感知できず、この障害物が人間の指や腕であった場合、挟み込みなどによる大きな危険を伴うことになっていた。

本発明は上記のような問題点に鑑みなされたもので、アクチュエータのトルクを制御して、人間がエンドエフェクタに係る位置、速度、加速度、および力を容易に教示することが出来るとともに、動作の再生時においても過負荷を検知して所定のトルクを保持継続、もしくは再生動作停止することが可能なアクチュエータシステムを提供するものである。

本発明に係るアクチュエータシステムは
モータと、モータの出力軸に結合されて動力を伝達する減速機と、減速機の出力軸に結合されて動力を伝達するとともに回転トルク検出を行うトルク検出器と、モータ、減速機およびトルク検出器の少なくとも１つに設けられた回転位置検出器と、モータ、トルク検出器および回転位置検出器と電気的に接続されモータの制御を行う制御部を有するトルク制御可能なアクチュエータシステムにおいて、
制御部にて所定トルク制限範囲値を保持しつつ自在に教示者が所望する実動作教示により前記トルク検出器から得たトルク値を基にして、時系列に位置、速度、加速度および力の少なくとも１つ以上の情報を制御部から取得したもの記憶する記憶手段と、
記憶手段にて記憶した情報に基づいて再生動作を指令する指令手段にて構成されている。

再生動作中にて規定のトルクを超える負荷を検知した時、規定トルク以下で再生動作が継続もしくは停止することが好ましい。

また、減速機が波動歯車減速機であることが好ましい。

この構成により、可能とすることができる。

本発明の実施形態を示したブロック図 本発明による６軸式垂直多関節アクチュエータシステムを表した図 教示者による本発明の６軸式垂直多関節アクチュエータシステムを実動作による教示を表した図 教示操作を示す流れ図 再生動作を示す流れ図

図１および図２を参照して、実施の形態に係るアクチュエータシステム１について説明する。図１は、実施の形態に係るアクチュエータシステム１の構成図である。図２は、アクチュエータシステム１の詳細な制御ブロック図である。

アクチュエータシステム１は、ロボットアーム２及び制御装置３を有する。ロボットアーム２及び制御装置３は、任意の情報を送受信可能とする信号線によって相互に接続されている。

ロボットアーム２は、エンドエフェクタ１０、関節部Ｊ１〜Ｊ６、アーム２０〜２４，およびベースＢを有する。

エンドエフェクタ１０は、関節部Ｊ１の一方に連結されている。関節部Ｊ１の他方にはアーム２０の一端に連結されており、アーム２０の他端は、関節部Ｊ２の一方に連結されている。関節部Ｊ２の他方にはアーム２１の一端が連結されており、アーム２１の他端は、関節部Ｊ３の一方に連結されている。関節部Ｊ３の他方には、アーム２２の一端が連結されており、アーム２２の他端は関節部Ｊ４の一方に連結されている。関節部Ｊ４の他方にはアーム２３の一端が連結されており、アーム２３の他端は関節部Ｊ５の一方に連結されている。関節部Ｊ５の他方にはアーム２４の一端が連結されており、アーム２４の他端は関節部Ｊ６の一方に連結されている。関節部Ｊ６の他方は、ベースＢ上に固定されている。また、ベースＢは台座であると同時に、関節部Ｊ１〜Ｊ５の電気配線および上述した信号線を整理して制御装置３と接続する役割も担っている。

エンドエフェクタ１０は、関節部（手首部）Ｊ１の中心軸において、アーム２０に対して回転可能である。アーム２０、２１は、関節部Ｊ２の中心軸に対して回動可能である。アーム２１、２２は、関節部Ｊ３の中心軸に対して回転可能である。アーム２２、２３は、関節部Ｊ４の中心軸に対して回動可能である。アーム２３、２４は、関節部Ｊ５の中心軸に対して回動可能である。アーム２４は、ベースＢに固定された関節部Ｊ６の中心軸（鉛直軸）周りに対して回転可能である。エンドエフェクタ１０およびアーム２０〜２４は関節部Ｊ１〜Ｊ６を介して連結されている。

このような構成により、ロボットアーム２は、各関節部Ｊ１〜Ｊ６とアーム２０〜２４およびエンドエフェクタ１０の位置関係を変更することで、自由な姿勢を取ることが可能となる。

ここで、関節部Ｊ１〜Ｊ６のそれぞれは、回転位置検出器であるロータリエンコーダＥ１〜Ｅ６、トルク検出器ＴＳ１〜ＴＳ６、モータＭ１〜Ｍ６、及び減速機Ｇ１〜Ｇ６を含んでいる。

例えば、関節部Ｊ１のモータＭ１は、制御装置３から供給される駆動電流によって駆動される。エンドエフェクタ１０及びアーム２０は、モータＭ１が駆動されることで、減速機Ｇ１によって減速された回転速度で関節部Ｊ１の中心を軸として相対的な回転動作を行う。

ロータリエンコーダＥ１は、モータＭ１の回転角度（関節部の関節軸の関節角度）を検出し、検出した回転角度（関節角度）を示す角度信号を生成してベースＢに出力する。ロータリエンコーダＥ１から出力された角度信号は、ベースＢを介して制御装置３に送信される。

トルク検出器ＴＳ１は、関節部Ｊ１の関節軸にかかるトルクを検出し、検出したトルクを示すトルク信号を生成してベースＢに出力する。トルク検出器ＴＳ１から出力されたトルク信号は、ベースＢを介して制御装置３に送信される。

なお、他の関節部Ｊ３およびＪ６については、関節部Ｊ１と同様、モータ、ロータリエンコーダ、トルク検出器、および減速機の動作を行う。関節部Ｊ２，Ｊ４，Ｊ５においては、各関節部の中心を軸に連結された２つのアーム（関節部Ｊ２では、アーム２０とアーム２１）が相対的な回動動作となる点が異なるものの、モータ、ロータリエンコーダ、トルク検出器、および減速機の動作に違いはない。したがって、詳細な説明は省略する。

次に制御装置３の詳細について説明を行う。制御装置３は、モータ制御部３１、指令部３２および記憶部３３によって構成される。

モータ制御部３１では、モータＭ１〜Ｍ６の駆動電流が制御される。特に、駆動回路ＤＲＶ１〜ＤＲＶ６および制御回路ＣＴＲＬ１〜ＣＴＲＬ６を独立して備えることで、モータＭ１〜Ｍ６の駆動電流制御を各々に可能としている。

指令部３２は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＩ／Ｏ（Input/Output）で構成される。指令部３２は、ＣＰＵによってプログラムを実行することで、本実施の形態において説明するようにロボットアーム２を制御する。ＲＡＭは、ＣＰＵによってプログラムを実行するためにＲＯＭからプログラムがロードされるとともに、プログラムの実行に際して演算されるデータが一時的に格納される。ＲＯＭは、ＣＰＵによって実行させるプログラム、及び、ロボットアーム２の制御演算に利用する各種パラメータ等が格納されている。Ｉ／Ｏでは、モータ制御部３１および記憶部３３との入出力を行われる。

記憶部３３は、不揮発性メモリよって構成され、後述する蓄積された教示データを記憶・保存するための記憶手段である。

このような構成により、ロボットアーム２は、教示者によってロボットアーム２に対して直接教示が行われた際における関節角度及びトルクを制御装置３に通知することができる。そして、制御装置３は、ロボットアーム２から角度信号によって通知された関節角度と、関節角度の変位量とその変位時間から求めた関節角速度及び関節角加速度、さらにトルク信号によって通知されたトルクを、所定の時間単位毎に教示データとして蓄積するとともに、その関節角度、関節角速度、関節角加速度及びトルクに基づいて、教示者による直接教示を支援するように関節部Ｊ１〜Ｊ６のモータＭ１〜Ｍ６を駆動する。これによって、教示者によるロボットアーム２の直接教示における操作性が向上する。

続いて、図３および図４を参照して、実施の形態に係るロボットアーム２の教示操作について説明する。

まず、教示者は静止したロボットアーム２のエンドエフェクタ１０に取り付けられたアーク溶接用トーチに、自身の手（ＨＡＮＤ）を携えながら、動作をさせたい方向に力を加える。これで教示操作の開始となる。（Ｓ１０１）この後教示者が教示動作完了の行為を行うまで、各関節部は所定のトルク制限範囲内を保ち、教示動作を容易に行うことができる。

図３に示す例では、教示者によりアーク溶接用トーチは、下から上への溶接垂直ラインＬ１、左から右への溶接水平ラインＬ２、上から下への溶接垂直ラインＬ３、右から左への溶接水平ラインＬ４への順にて移動し、溶接土台板２０１の上面に、溶接小板２０２の四辺を溶接する操作の教示が完了する。

ここで、ロボットアーム２の各関節部Ｊ１〜Ｊ６に備わるモータＭ１〜Ｍ６に接続されたロータリエンコーダＥ１〜Ｅ６の角度信号、およびトルク検出器ＴＳ１〜ＴＳ６からのトルク信号は、一定（制御周期）時間を経過すると、ベースＢを介して制御装置３に送信される（Ｓ１０２）。

制御装置３ではロータリエンコーダＥ１〜Ｅ６の角度信号、およびトルク検出器ＴＳ１〜ＴＳ６からのトルク信号が指令部３２によって受信される（Ｓ１０３）。指令部３２には前述のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏが備わっていて、制御周期時間単位による一定時間間隔で受信する角度信号およびトルク信号は、数値データ化されてＲＡＭ上に逐次蓄積される（Ｓ１０４）。

また、モータ制御部３１では、トルク信号によって教示動作にて掛かるトルクと、角度信号によってそのときのロボットアーム２の姿勢とが推定可能であり、後述する再生動作において、その再現する精度および安全面で問題のない範囲とするトルク値の制限内であるかの判定を行う（Ｓ１０５）。

教示者による操作が再生動作上、問題のないトルク値であった場合には、教示者が求める力の範囲で、教示操作が可能なようにモータにトルクを発生させ支援を行う（Ｓ１０６）。

教示者による操作が再生動作上、最大値を超えるトルク値が要求された場合には、再現する精度および安全面が確保可能な最大値で、モータにトルクを発生させ支援を行う（Ｓ１０７）。

最終操作である右から左への溶接水平ラインＬ４が終了した時点で、ロボットアーム２から教示者が手を放すと、重力や摩擦力等を除く外力は加わらなくなる。外力が加わらなくなったことで、教示動作の完了を判断する（Ｓ１０８）。もちろんロボットアーム２やエンドエフェクタ１０上や、および制御装置３と繋がって別途設けたスイッチ等の入力手段にて教示動作の完了を指示するのも構わない。

教示動作の完了後、指令部３２に備わるＣＰＵでは、ＲＯＭ上のプログラム手順に従って、角度信号からを各関節部の関節角度を、トルク信号から各関節部のトルクを計算してＲＡＭへと書き込む（Ｓ１０９）。さらに、ＣＰＵは計算した関節角度を基に、同じくＲＯＭ上のプログラム手順に従って、関節角速度および関節角加速度を計算しＲＡＭへと書き込む（Ｓ１１０）。

引き続き、ＣＰＵはＩ／Ｏを介して上記の計算を行ってＲＡＭ上に蓄積した関節角度（位置）、関節角速度（速度）、関節角加速度（加速度）およびトルク（力）を教示データとして記憶部３３に書き込み、記憶する（Ｓ１１１）。このとき、後に説明を行う再生動作において、すべての要素を教示データとして記憶する必要がない場合は、必要となる少なくとも１つ以上を教示データとして記憶すればよい。

全教示データの書き込みが終了し、記憶部３３への記憶が終了した時点で教示操作は終了する（Ｓ１１２）。

以上説明したように本実施形態において、各関節部Ｊ１〜Ｊ６に備わるモータＭ１〜Ｍ６には、トルクフィードバックと、重力補償及び摩擦補償とが組み合わされたトルク制御が実施され、教示者はロボットアーム２の追従性の高さによって、教示動作に対して抵抗感を感じること無く、ロボットアーム２を所定のトルク以下の小さな力で軽快に所望の姿勢に移動させることができる。

次に、図５を参照して、本実施の形態に係るロボットアーム２の再生動作について説明する。

オペレータによって、最初にロボットアーム２が実行する再生動作を決定し、それに相当する教示データを選択する（Ｓ２０１）。

選択された教示データは、指令部３２のＣＰＵによって、記憶部３３からロボットアーム２の各関節部Ｊ１〜Ｊ６に対応した制御周期時間単位の関節角度、関節角速度、関節角加速度およびトルク値としてＲＡＭ上に読み込まれる（Ｓ２０２）。

すべての教示データを、指令部３２のＲＡＭ上に読込み終える（Ｓ２０３）と、ＣＰＵが各関節部Ｊ１〜Ｊ６に備わるモータＭ１〜Ｍ６に対応する制御量の計算を、制御周期時間単位で行う（Ｓ２０４）。計算された制御量は、指令部３２のＣＰＵからモータ制御部３１へと伝送され、モータＭ１〜Ｍ６は制御量に則ったフィードバック制御が、制御量の計算と同様に制御周期時間単位で実行される（Ｓ２０５）。

前述のモータＭ１〜Ｍ６のフィードバック制御実行中において、ロボットアーム２の関節部Ｊ１〜Ｊ６の姿勢をロータリエンコーダの角度信号から検出することで重力補償値が明確となり、これに摩擦補償値も加味した上で、現時点での安全性が確保可能なトルク制限値が判明する。指令部３２は、常時トルク検出器ＴＳ１〜ＴＳ６からのトルク信号を監視して、このトルク制限値以内でモータＭ１〜Ｍ６が動作中であるかを判定する（Ｓ２０６）。

ここで、指令部３２は、トルク制限内の場合は現状のままモータＭ１〜Ｍ６のフィードバック制御を続行する（Ｓ２０４）。トルク制限を超えている場合は、関節部Ｊ１〜Ｊ６の目標関節角度との差がサーボ制御可能な範囲内であるかの判断を行い（Ｓ２０７）、サーボ制御による復帰が可能と判断すると、モータ制御量を安全性が保てる範囲で下方修正し（Ｓ２０９）、トルク制限についても、現状の設定をよりも厳しい制限を加えるための下方に修正を行う（Ｓ２１０）。一方、サーボ制御による復帰が不可能と判断されると、モータＭ１〜Ｍ６は全停止して再生動作をストップさせる（Ｓ２０８）。

サーボ制御を続行中のモータ制御部３１は、モータＭ１〜Ｍ６のフィードバック制御を続け、制御周期時間の一単位が完了後、ループを抜ける（Ｓ２１１）。つづいて指令部３２のＣＰＵは、次なる制御周期単位でのモータＭ１〜Ｍ６の制御量算出を行い、再生動作が終了し算出する制御量がなくなった時点でループを抜け終了する（Ｓ２１２）。

本再生動作においては、各モータが動作に必要なトルク（力）が常に制御可能なため、例えば障害物によってその動作が妨げられた場合でも、過大な力が発生することもなく停止が可能となる。よって、障害物が人体や危険物であったとしても、大きな事故等を招くことのない安全なアクチュエータシステムが構築できる。

本発明の実施例では、減速機には波動歯車減速機を用いて説明したが、これはバックラッシュが基本的に無いためであり、これを満たす減速機であることが好ましい。

本発明の活用例として、溶接ロボット、組み立てロボット等への適用が可能である。

１ ６軸式垂直多関節アクチュエータシステム
２ ロボットアーム
３ 制御装置
３１ モータ制御部
３２ 指令部（指令手段）
３３ 記憶部（記憶手段）
Ｍ１〜Ｍ６ モータ
Ｅ１〜Ｅ６ ロータリエンコーダ
Ｇ１〜Ｇ６ 減速機
ＴＳ１〜ＴＳ６ トルク検出器
１０ エンドエフェクタ
２０〜２４ アーム
Ｂ ベース
２０１ 溶接土台板
２０２ 溶接小板
Ｌ１ 下から上への溶接垂直ライン
Ｌ２ 左から右への溶接水平ライン
Ｌ３ 上から下への溶接垂直ライン
Ｌ４ 右から左への溶接水平ライン

Claims (3)

1. モータと、前記モータの出力軸に結合されて動力を伝達する減速機と、前記減速機の出力軸に結合されて動力を伝達するとともに回転トルク検出を行うトルク検出器と、前記モータ、前記減速機および前記トルク検出器の少なくとも１つに設けられた回転位置検出器と、前記モータ、前記トルク検出器および前記回転位置検出器と電気的に接続され前記モータの制御を行う制御部を有するトルク制御可能なアクチュエータシステムにおいて、
   前記制御部にて所定のトルク制限範囲値を保持しつつ自在に教示者が所望する実動作教示により前記トルク検出器から得たトルク値を基にして、時系列に位置、速度、加速度および力の少なくとも１つ以上の情報を前記制御部から取得したものを記憶した記憶手段と、
   前記記憶手段にて記憶した情報に基づいて再生動作を指令する指令手段と、
   を有することを特徴とするアクチュエータシステム。
2. 前記再生動作中にて規定のトルクを超える負荷を検知した時、前記規定トルク以下にて前記再生動作が継続もしくは停止することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータシステム。
3. 前記減速機が波動歯車減速機であることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載のアクチュエータシステム。