JP2016068207A

JP2016068207A - ロボット、制御装置およびロボットシステム

Info

Publication number: JP2016068207A
Application number: JP2014200249A
Authority: JP
Inventors: 武馬山崎; Takema Yamazaki
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-05-09
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: JP6524631B2; CN105459082A; US20160089781A1

Abstract

【課題】複数の腕部と基板とが１つの筐体に備えられているロボットにおいて、筐体内に基板を効率的に配置することのできる技術を提供する。
【解決手段】ロボットは、筐体と、筐体に設けられた第１腕部および第２腕部と、電流指令信号を出力する第１基板と、第１腕部を駆動するアクチュエーターを電流指令信号に基づいて制御する第２基板と、第２腕部を駆動するアクチュエーターを電流指令信号に基づいて制御する第３基板と、を備える。そして、第２基板及び第３基板は、前記筐体の内部に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットに関する。

近年、双腕ロボットのような、複数の腕部を協調して制御するロボットが注目を集めている（特許文献１参照）。

特開２０１４−６６４号公報

このようなロボットにおいて、１つの筐体に複数の腕部と回路基板とが備えられている場合には、腕部と制御装置とが分離している従来のロボット（例えば産業用ロボット）よりも、ノイズや発熱が問題になる場合がある。１つの筐体に複数の腕部と基板とが備えられている場合には、腕部を駆動するアクチュエーター（モーター）の増加に伴い、アクチュエーターに接続されるケーブルの数が増加するとともに基板も大型化され、筐体内にこれらのパーツが高密度に実装される傾向にあるからである。そのため、複数の腕部と基板とが１つの筐体に備えられているロボットにおいて、筐体内に基板を効率的に配置することのできる技術が求められている。

また、従来のロボットにおいては、小型化や低コスト化、使い勝手の向上などが望まれている。

本発明は、上述の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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ロボットが提供される。このロボットは、筐体と；前記筐体に設けられた第１腕部および第２腕部と；電流指令信号を出力する第１基板と；前記第１腕部を駆動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する第２基板と；前記第２腕部を駆動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する第３基板と、を備え、前記第２基板及び前記第３基板は、前記筐体の内部に設けられている。このような形態のロボットによれば、腕部毎に、その腕部を駆動するアクチュエーターを制御するための基板が筐体内に設けられている。そのため、筐体内に基板を効率的に配置することが可能になる。

（２）上記形態のロボットにおいて、前記第１基板は、前記筐体の内部に設けられてもよい。このような形態のロボットであれば、電流指令信号を出力するための基板も、他の基板と分離されて筐体内に配置されているので、筐体内に更に効率的に基板を配置することができる。

（３）上記形態のロボットにおいて、前記筐体は、前記第１腕部および前記第２腕部が設けられた胴体部と、前記第２基板及び前記第３基板を内部に有する基部と、を有してもよい。このような形態のロボットであれば、腕部と基板とを離間させることができるので、腕部から発せられるノイズの影響が基板に及ぶことを抑制することができる。

（４）上記形態のロボットにおいて、前記胴体部は、前記基部に対して回動可能であり、前記第２基板または前記第３基板は、前記胴体部を回動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御してもよい。このような形態のロボットであれば、第２基板または第３基板によって、腕部だけではなく、胴体部を回動するアクチュエーターを制御することができる。

（５）上記形態のロボットにおいて、前記胴体部は、前記基部に対して接近および離間可能であり、前記第２基板または前記第３基板は、前記胴体部を接近および離間するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御してもよい。このような形態のロボットであれば、第２基板または第３基板によって、腕部だけではなく、胴体部を接近および離間するアクチュエーターを制御することができる。

（６）上記形態のロボットにおいて、前記胴体部は、前記基部に対して回動可能であり、前記胴体部は、前記基部に対して接近および離間可能であり、前記第２基板は、前記胴体部を回動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御し、前記第３基板は、前記胴体部を接近および離間するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御してもよい。このような形態のロボットによれば、第２基板によって、第１腕部だけではなく、胴体部を回動するアクチュエーターを制御することができ、更に、第３基板によって、第２腕部だけではなく、胴体部を接近および離間するアクチュエーターを制御することができる。

本発明は、ロボットとしての形態以外にも、種々の形態で実現することが可能である。例えば、ロボットを制御する制御装置や、ロボットと制御装置とを備えるロボットシステム等の形態で実現することができる。

ロボットシステムの概略構成を示す説明図である。制御装置の詳細な構成を示す説明図である。第２基板の詳細な構成を示す図である。制御装置によって実現される機能ブロックを示す説明図である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としてのロボットシステムの概略構成を示す説明図である。ロボットシステム１は、ロボット３と制御装置４０とを備えている。ロボット３は、筐体１０と第１腕部２０と第２腕部３０とを備えている。第１腕部２０と第２腕部３０とは、筐体１０に設けられている。制御装置４０は、第１基板１００と第２基板２００と第３基板３００とを備えている。この制御装置４０は、筐体１０内に備えられている。つまり、本実施形態のロボット３の筐体１０には、第１腕部２０と第２腕部３０と第１基板１００と第２基板２００と第３基板３００とが備えられている。

筐体１０は、胴体部１１と基部１２とを含んでいる。胴体部１１には、第１腕部２０と第２腕部３０とが備えられている。基部１２には、制御装置４０が備えられている。胴体部１１と基部１２とは接続部材１３によって接続されている。胴体部１１は、接続部材１３を中心として、基部１２に対して回動することができる。また、胴体部１１は、接続部材１３が鉛直方向に昇降することで、基部１２に対して接近および離間することができる。

第１腕部２０および第２腕部３０は、それぞれ、６つの軸（関節軸）を有している。第１腕部２０に備えられた各軸には、その軸を駆動するためのアクチュエーター２１が個別に備えられている。また、第２腕部３０に備えられた各軸には、その軸を駆動するためのアクチュエーター３１が個別に備えられている。本実施形態では、これらのアクチュエーター２１，３１としてモーターを用いている。第１腕部２０に備えられた各アクチュエーター２１には、アクチュエーター２１の回転角度を検出するためのエンコーダー２３が個別に備えられている。また、第２腕部３０に備えられた各アクチュエーター３１には、アクチュエーター３１の回転角度を検出するためのエンコーダー３３が個別に備えられている。

制御装置４０（筐体１０）内において、第１基板１００と第２基板２００とは、伝送ケーブル６１によって接続されている。また、第１基板１００と第３基板３００とは、伝送ケーブル６２によって接続されている。第１基板１００から、第２基板２００および第３基板３００へは、これらの伝送ケーブル６１，６２を通じて電流指令信号が送信される。本実施形態では、伝送ケーブル６１，６２として、光ケーブルを用いている。伝送ケーブル６１，６２としては、光ケーブルに限らず他のケーブル（例えば、銅線）を用いても良い。電流指令信号とは、各アクチュエーターに供給する電流の電流値を指定するための信号である。

第２基板２００は、駆動用ケーブル４１を介して、第１腕部２０に備えられた各アクチュエーター２１に接続されている。第３基板３００は、駆動用ケーブル４１を介して、第２腕部３０に備えられた各アクチュエーター３１に接続されている。第１基板１００は、エンコーダーケーブル４２を介して、第１腕部２０および第２腕部３０に備えられた各エンコーダー２３，３３に接続されている。各アクチュエーター２１，３１には、駆動用ケーブル４１を介して、第２基板２００または第３基板３００から駆動用の電力が供給される。各エンコーダー２３，３３からは、エンコーダーケーブル４２を介して、第１基板１００に、対応する軸の回転角度を表す信号が伝送される。駆動用ケーブル４１およびエンコーダーケーブル４２は、各腕部から胴体部１１内および接続部材１３内を通って、基部１２内の各基板に接続されている。なお、図１では、図示の都合上、駆動用ケーブル４１およびエンコーダーケーブル４２は、それぞれ２本ずつ示されているが、駆動用ケーブル４１は、ロボット３に備えられた全てのアクチュエーターの数に対応する数が備えられており、エンコーダーケーブル４２も、ロボット３に備えられた全てのエンコーダーの数に対応する数が備えられている。

第１基板１００は、第２基板２００に対して、伝送ケーブル６１を通じて、第１腕部２０に備えられた各アクチュエーター２１を制御するための電流指令信号を出力する。また、第２基板２００は、第３基板３００に対して、伝送ケーブル６２を通じて、第２腕部３０に備えられた各アクチュエーター３１を制御するための電流指令信号を出力する。電流指令信号は、第１基板１００に備えられた電流司令部１１０によって生成される。電流司令部１１０は、例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルアレイ）によって構成される。第２基板２００は、第１基板１００から受信した電流指令信号に応じて、第１腕部２０に備えられた各アクチュエーター２１を駆動する。第３基板３００は、第１基板１００から受信した電流指令信号に応じて、第２腕部３０に備えられた各アクチュエーター３１を駆動する。つまり、本実施形態のロボット３には、１つの腕部に対して、その腕部を駆動するための基板（第２基板２００、第３基板３００）が１つ備えられている。

本実施形態のロボット３は、更に、胴体部１１を基部１２に対して回動させるための回動用アクチュエーター７１と、胴体部１１を基部１２に対して昇降させるための昇降用アクチュエーター８１と、をそれぞれ基部１２に備えている。本実施形態では、これらのアクチュエーター７１，８１としてモーターを用いている。回動用アクチュエーター７１には、回動用アクチュエーター７１の回転角度を検出するためのエンコーダー７３が備えられている。昇降用アクチュエーター８１には、昇降用アクチュエーター８１の回転角度を検出するためのエンコーダー８３が備えられている。これらのアクチュエーター７１，８１およびエンコーダー７３，８３は、駆動用ケーブル４１およびエンコーダーケーブル４２を介して制御装置４０に接続されている。なお、回動用アクチュエーター７１および昇降用アクチュエーター８１のうち少なくとも一方は、接続部材１３または胴体部１１に設けられていてもよい。

図２は、制御装置の詳細な構成を示す説明図である。前述のとおり、制御装置４０は、第１基板１００と第２基板２００と第３基板３００とを備えている。本実施形態では、これらの基板に加え、制御装置４０は、更に、コントローラー４００とインバーター用電源基板５００とゲートドライバー用電源基板６００とを備えている。

コントローラー４００は、ＣＰＵやメモリーを備えたコンピューターとして構成されている。ＣＰＵは、メモリーに記憶された所定のプログラムを実行することで、軌道生成部４１０として動作する。軌道生成部４１０は、メモリーに記憶された軌道データに基づき、位置指令信号を第１基板１００の電流司令部１１０に送信する。電流司令部１１０では、コントローラー４００から送信された位置指令信号に基づき電流指令信号が生成される。なお、軌道生成部４１０は、回路によって構成されても良い。また、コントローラー４００および第１基板１００の少なくとも一方は、筐体１０の外部に備えられていても良い。

インバーター用電源基板５００およびゲートドライバー用電源基板６００は、それぞれ、第２基板２００と第３基板３００とに接続されている。インバーター用電源基板５００は、第２基板２００および第３基板３００に備えられたインバーター（詳細は後述）に電力を供給するための基板である。ゲートドライバー用電源基板６００は、第２基板２００および第３基板３００に備えられたゲートドライバー（詳細は後述）に電力を供給するための基板である。インバーター用電源基板５００およびゲートドライバー用電源基板６００の少なくとも一方は、筐体１０の外部に備えられていても良い。

第２基板２００および第３基板３００には、それぞれ、複数の駆動用ケーブル４１が接続されている。各駆動用ケーブル４１は、第１腕部２０および第２腕部３０の対応するアクチュエーター２１，３１にそれぞれ接続されている。本実施形態では、第２基板２００には、駆動用ケーブル４１を介して回動用アクチュエーター７１が接続されている。また、本実施形態では、第３基板３００には、駆動用ケーブル４１を介して昇降用アクチュエーター８１が接続されている。つまり、本実施形態では、第２基板２００は、第１腕部２０に備えられたアクチュエーター２１だけではなく、胴体部１１を回動させるための回動用アクチュエーター７１の制御も行う。また、本実施形態では、第３基板３００は、第２腕部３０に備えられたアクチュエーター３１だけではなく、胴体部１１を昇降させるための昇降用アクチュエーター８１の制御も行う。各アクチュエーター２１，３１，７１，８１に備えられた各エンコーダー２３，３３，７３，８３は、それぞれ個別に、エンコーダーケーブル４２によって第１基板１００に接続されている。

図３は、第２基板２００の詳細な構成を示す図である。第２基板２００および第３基板３００は、同じ構成であるため、第３基板３００の詳細な構成についての説明は省略する。第２基板２００は、１つのトランシーバー２１０と、１つの電流制御部２２０と、複数のインバーターモジュール２３０とを備えている。第２基板２００が備えるインバーターモジュール２３０の数は、第２基板２００が制御するアクチュエーターの数と同じである。つまり、本実施形態では、第２基板２００は、７つのインバーターモジュール２３０を備えている。

トランシーバー２１０は、伝送ケーブル６１を通じて第１基板１００から受信した電流指令信号を受信し、その信号を復調する回路である。電流指令信号は、例えば、シリアルデータや差動データ、変調データとして第１基板１００から伝送される。トランシーバー２１０は、これを復調し、電流制御部２２０に転送する。

電流制御部２２０は、インバーターモジュール２３０と同じ数の電流フィードバック制御部２２２を備えている。電流制御部２２０は、トランシーバー２１０から電流指令信号を受信すると、その電流指令信号をアクチュエーター毎の信号に分離し、アクチュエーター毎に用意された電流フィードバック制御部２２２に伝送する。各電流フィードバック制御部２２２は、トランシーバー２１０から受信した電流指令信号に応じて、対応するインバーターモジュール２３０を電流フィードバック制御する。本実施形態では、電流制御部２２０は、１つのＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルアレイ）によって構成されている。なお、電流制御部２２０は、ＦＰＧＡに限らず、他のＩＣや回路によって構成されても良い。

インバーターモジュール２３０は、ゲートドライバー２３２とインバーター回路２３４と電流検出部２３６とを備えている。インバーターモジュール２３０は、電流フィードバック制御部２２２による制御に基づき、ゲートドライバー２３２によってインバーター回路２３４を駆動することで、三相交流電流を生成し、対応するアクチュエーター２１に出力する。電流検出部２３６は、出力された三相交流電流の電流値を検出し、その値を電流制御部２２０の電流フィードバック制御部２２２にフィードバックする。

図４は、制御装置４０によって実現される機能ブロックを示す説明図である。図４に示すように、本実施形態の制御装置４０の構成によれば、コントローラー４００の軌道生成部４１０から出力された位置指令信号は、第１基板１００が備える電流司令部１１０に含まれる位置制御部１１２によって速度指令信号に変換され、さらに、電流司令部１１０に含まれる速度制御部１１４によって電流指令信号に変換される。電流指令信号は、第２基板２００に備えられた電流制御部２２０と、第３基板３００に備えられた電流制御部２２０とに送信される。各電流制御部２２０は、第１基板１００から受信した電流指令信号に基づき、各アクチュエーター２１，３１，７１，８１に、駆動電流を出力する。電流司令部１１０（位置制御部１１２および速度制御部１１４）は、各アクチュエーター２１，３１，７１，８１に備えられたエンコーダー２３，３３，７３，８３から回転角度を表す信号をフィードバック信号として受信し、その信号に基づき速度指令信号および電流指令信号をフィードバック制御する。このとき、電流司令部１１０（位置制御部１１２および速度制御部１１４）は、各エンコーダーからのフィードバック信号に応じて、第１腕部２０と第２腕部３０とが協調して動作するように、電流指令信号を生成する。

以上で説明した本実施形態では、第１腕部２０と、第２腕部３０とに対して、それぞれ、それらを駆動するための基板（第２基板２００，第３基板３００）が個別にロボット３に備えられている。そのため、腕部を駆動するための基板を、複数の腕部で共通した基板とするよりも、筐体１０内における基板の配置の自由度が高くなり、また、アクチュエーター毎に１枚の基板を用意するよりも、基板全体が占める体積や配線数を低減することができる。その結果、本実施形態によれば、サイズやコスト、基板脱着時のメンテナンス、放熱などのあらゆる面で、バランス良く効率的に各基板を筐体１０内に配置することができる。また、本実施形態では、１つの腕部につき、１つの基板を設ければよいため、腕部の増設も容易に行うことができる。

また、本実施形態によれば、電流指令信号を出力する第１基板１００が、腕部を制御するための基板（第２基板２００，第３基板３００）と分離されているので、筐体１０内に更に効率的に基板を配置することができる。また、本実施形態では、第１基板１００と、第２基板２００および第３基板３００とが分離されているので、インバーター回路を備える第２基板２００や第３基板３００から、第１基板１００にノイズが伝わることを抑制することができる。更に、本実施形態では、第２基板２００および第３基板３００と、第１基板１００とを結ぶ伝送ケーブルとして、光ケーブルを採用しているため、第２基板２００および第３基板３００から第１基板１００にノイズの影響が及ぶことをより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、筐体１０が、胴体部１１と基部１２とに分離しているので、胴体部１１に備えられた腕部から発せられるノイズの影響が基部１２内の各基板に及ぶことを抑制することができる。

また、本実施形態における第２基板２００および第３基板３００は、それぞれ７つのアクチュエーターを制御可能な構成であるのに対して、第１腕部２０および第２腕部３０は、それぞれ、６つのアクチュエーターを備えている。そのため、第２基板２００および第３基板３００は、それぞれ、アクチュエーターを制御する機能が、１つずつ余っているということができる。しかし、上記実施形態では、その余った機能を、それぞれ、回動用アクチュエーター７１と昇降用アクチュエーター８１とを駆動するために利用している。そのため、本実施形態によれば、第２基板２００と第３基板３００とが本来備える機能を、余すことなく利用することができる。

Ｂ．変形例：
＜変形例１＞
上記実施形態では、回動用アクチュエーター７１が第２基板２００によって制御され、昇降用アクチュエーター８１が第３基板３００によって制御される。これに対して、回動用アクチュエーター７１と昇降用アクチュエーター８１とは、第２基板２００と第３基板３００とのうちの、同じ基板によって制御されても良い。そのほか、回動用アクチュエーター７１と昇降用アクチュエーター８１とは、第２基板２００および第３基板３００と異なる他の基板によって制御されても良い。

＜変形例２＞
上記実施形態のロボット３は、胴体部１１が基部１２に対して回動および昇降する動作が可能である。これに対して、ロボット３は、回動および昇降の一方または両方が不能であってもよい。つまり、回動用アクチュエーター７１と昇降用アクチュエーター８１との少なくとも一方は省略しても良い。回動用アクチュエーター７１と昇降用アクチュエーター８１とが両方とも省略される場合には、ロボット３の筐体１０は、胴体部１１と基部１２とに分離していなくても良い。また、ロボット３は、水平方向に移動するための車輪を駆動するためのアクチュエーターを備えていても良い。

＜変形例３＞
上記実施形態のロボット３は、第１腕部２０および第２腕部３０に、それぞれ６つの軸を有している。これに対して、第１腕部２０および第２腕部３０は、７以上の軸を有していても良いし、５以下の軸を有していても良い。また、第１腕部２０と第２腕部３０とで、異なる数の軸を有していても良い。

＜変形例４＞
上記実施形態のロボット３は、２つの腕部（第１腕部２０および第２腕部３０）を備えている。これに対して、ロボット３は、３つ以上の腕部を備えていても良い。

＜変形例５＞
上記実施形態では、各軸を駆動するアクチュエーターとしてモーターを用いているが、他のアクチュエーターを用いても良い。例えば、流体の圧力によって各関節を駆動するアクチュエーターを用いても良い。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…ロボットシステム
３…ロボット
１０…筐体
１１…胴体部
１２…基部
１３…接続部材
２０…第１腕部
２１…アクチュエーター
２３…エンコーダー
３０…第２腕部
３１…アクチュエーター
３３…エンコーダー
４０…制御装置
４１…駆動用ケーブル
４２…エンコーダーケーブル
６１…伝送ケーブル
６２…伝送ケーブル
７１…回動用アクチュエーター
７３…エンコーダー
８１…昇降用アクチュエーター
８３…エンコーダー
１００…第１基板
１１０…電流司令部
１１２…位置制御部
１１４…速度制御部
２００…第２基板
２１０…トランシーバー
２２０…電流制御部
２２２…電流フィードバック制御部
２３０…インバーターモジュール
２３２…ゲートドライバー
２３４…インバーター回路
２３６…電流検出部
３００…第３基板
４００…コントローラー
４１０…軌道生成部
５００…インバーター用電源基板
６００…ゲートドライバー用電源基板

Claims

ロボットであって、
筐体と、
前記筐体に設けられた第１腕部および第２腕部と、
電流指令信号を出力する第１基板と、
前記第１腕部を駆動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する第２基板と、
前記第２腕部を駆動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する第３基板と、
を備え、
前記第２基板及び前記第３基板は、前記筐体の内部に設けられている
ロボット。
請求項１に記載のロボットであって、
前記第１基板は、前記筐体の内部に設けられている、ロボット。
請求項１または請求項２に記載のロボットであって、
前記筐体は、
前記第１腕部および前記第２腕部が設けられた胴体部と、
前記第２基板及び前記第３基板を内部に有する基部と、
を有するロボット。
請求項３に記載のロボットであって、
前記胴体部は、前記基部に対して回動可能であり、
前記第２基板または前記第３基板は、前記胴体部を回動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する、ロボット。
請求項３または請求項４に記載のロボットであって、
前記胴体部は、前記基部に対して接近および離間可能であり、
前記第２基板または前記第３基板は、前記胴体部を接近および離間するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する、ロボット。
請求項３に記載のロボットであって、
前記胴体部は、前記基部に対して回動可能であり、
前記胴体部は、前記基部に対して接近および離間可能であり、
前記第２基板は、前記胴体部を回動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御し、
前記第３基板は、前記胴体部を接近および離間するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する
ロボット。
第１腕部と第２腕部とが設けられた筐体を有するロボットを制御する制御装置であって、
電流指令信号を出力する第１基板と、
前記第１腕部を駆動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する第２基板と、
前記第２腕部を駆動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する第３基板と、
を備え、
前記第２基板及び前記第３基板は、前記筐体の内部に設けられている
制御装置。
ロボットと制御装置とを備えるロボットシステムであって、
前記ロボットは、
筐体と、
前記筐体に設けられた第１腕部および第２腕部と、
を備え、
前記制御装置は、
電流指令信号を出力する第１基板と、
前記第１腕部を駆動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する第２基板と、
前記第２腕部を駆動するアクチュエーターを前記電流指令信号に基づいて制御する第３基板と、
を備え、
前記第２基板及び前記第３基板は、前記筐体の内部に設けられている
ロボットシステム。