JP2017077602A - バックラッシ測定装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定システムの複雑化をもたらすことなく、バックラッシの自動測定を可能とするバックラッシ測定装置を提供すること
【解決手段】本装置は、産業用ロボット1の減速機構におけるバックラッシを測定する装置であって、産業用ロボット1のアーム3,4の動作を規制するためのアーム動作規制手段と、アーム動作規制手段によってアーム3,4の動作が少なくとも一方向において規制された状態で、アーム3,4を駆動するためのサーボモータに対して正方向および逆方向の駆動信号を付与し、その際に発生するサーボモータの制御用信号に基づいてバックラッシを算出するためのバックラッシ演算手段8と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用ロボットの減速機構におけるバックラッシを測定するための装置および方法に関する。

一般に、産業用ロボットのアーム駆動機構は、駆動源としてのサーボモータと、サーボモータからの駆動力をアームに伝達するため減速機構と、を備えている。減速機構は、例えば、ロボットアームの各関節に設けられている。

減速機構を構成する歯車には、通常、バックラッシが存在するので、ロボットアームの位置を精度良く制御するために、ロボット個体ごとにバックラッシを予め測定しておく必要がある。

従来は、作業員がロボットアームの各関節の出力側に変位測定器を設置し、アームの一部を人手で押し引きしたときの変位量を測定して、減速機構のバックラッシを測定していた。

なお、減速機構のバックラッシは、ロボットの運転に伴って経時的に変化するため、ロボット導入時の初期測定のみにならず、ロボットの運転時間に応じて適宜測定する必要がある。

しかしながら、上述した従来のバックラッシ測定方法では、測定を実施するために、ロボットが導入されている設備を一旦停止して、作業員が設備内に入って作業を実施する必要があった。このため、設備の稼働率が低下するという問題があり、また、測定作業自体も容易ではなかった。

これに対して、特許文献１には、バックラッシを自動的に測定するための技術が記載されている。しかしながら、この特許文献１に記載の技術は、バックラッシの自動測定を可能とするために、基準器および変位検出器を別途設ける必要があり、測定システムが複雑化するという問題がある。

特開平８−７１９６６号公報

本発明は、上述した従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであって、測定システムの複雑化をもたらすことなく、バックラッシの自動測定を可能とする、産業用ロボットの減速機構のバックラッシ測定装置および方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、産業用ロボットの減速機構におけるバックラッシを測定するための装置であって、前記産業用ロボットのアームの動作を規制するためのアーム動作規制手段と、前記アーム動作規制手段によって前記アームの動作が少なくとも一方向において規制された状態で、前記アームを駆動するためのサーボモータに対して正方向および逆方向の駆動信号を付与し、その際に発生する前記サーボモータの制御用信号に基づいて前記バックラッシを算出するためのバックラッシ演算手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記アーム動作規制手段は、前記アームの動作を両方向において規制するように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記アーム動作規制手段は、前記アームの先端に設けられたブラケット部材と、前記ブラケット部材に形成された貫通孔に挿通可能なピン部材であって、前記産業用ロボットの作業エリア内に固定されたピン部材と、を有する、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１の態様において、前記アーム動作規制手段は、前記アームの動作を一方向において規制するように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記アーム動作規制手段は、前記アームの一部が上方から下方に向けて押し付けられる表面を含む固定構造物を有する、ことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の第６の態様は、産業用ロボットの減速機構におけるバックラッシを測定するための方法であって、前記産業用ロボットのアームの動作を規制するアーム動作規制工程と、前記アーム動作規制工程によって前記アームの動作が少なくとも一方向において規制された状態で、前記アームを駆動するためのサーボモータに対して正方向および逆方向の駆動信号を付与し、その際に発生する前記サーボモータの制御用信号に基づいて前記バックラッシを算出するバックラッシ演算工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記アーム動作規制工程において、前記アームの動作を両方向において規制する、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、第７の態様において、前記アーム動作規制工程において、前記アームの先端に設けられたブラケット部材に形成された貫通孔に、前記産業用ロボットの作業エリア内に固定されたピン部材を挿通する、ことを特徴とする。

本発明の第９の態様は、第６の態様において、前記アーム動作規制工程において、前記アームの動作を一方向において規制する、ことを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、第９の態様において、前記アーム動作規制工程において、前記アームの一部が上方から下方に向けて固定構造物の表面に押し付けられる、ことを特徴とする。

本発明によれば、測定システムの複雑化をもたらすことなく、バックラッシの自動測定を可能とする、産業用ロボットの減速機構のバックラッシ測定装置および方法を提供することができる。

本発明の一実施形態によるバックラッシ測定装置および方法が適用される産業用ロボットを模式的に示した図。 本発明の一実施形態によるバックラッシ測定装置のアーム規制手段を模式的に示した図。 本発明の一実施形態によるバックラッシ測定装置のアーム規制手段を模式的に示した他の図。 本発明の一実施形態によるバックラッシ測定方法を説明するための図。 本発明の一実施形態によるバックラッシ測定方法を説明するための他の図であり、両方向規制時におけるロジック上のトルクと角度位置の関係を示した図。 本発明の一実施形態によるバックラッシ測定方法を説明するための他の図であり、実角度位置と指令角度位置とのズレによりトルクが上昇する様子を示した図。 本発明の一実施形態によるバックラッシ測定方法を説明するための他の図であり、両方向規制時における実際のトルクと角度位置の関係を示した図。 本発明の一実施形態によるバックラッシ測定方法を説明するための他の図であり、駆動側ギヤと被動側ギヤが非接触状態にある図。 本発明の一実施形態によるバックラッシ測定方法を説明するための他の図であり、駆動側ギヤと被動側ギヤが正方向回転において接触状態にある図。 本発明の一実施形態によるバックラッシ測定方法を説明するための他の図であり、駆動側ギヤと被動側ギヤが逆方向回転において接触状態にある図。 本発明の一実施形態の変形例によるバックラッシ測定方法を説明するための図。 本発明の一実施形態の変形例によるバックラッシ測定方法を説明するための他の図。 本発明の一実施形態の他の変形例によるバックラッシ測定方法を説明するための図。 本発明の一実施形態の他の変形例によるバックラッシ測定方法を説明するための他の図。

以下、本発明の一実施形態による産業用ロボットの減速機構のバックラッシ測定装置および方法について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態によるバックラッシ測定装置および方法が適用される産業用ロボット１の一例を示しており、この産業用ロボットは、第１軸線（旋回軸線）Ｊ１周りに回転可能な基台２を有し、この基台２には、第２軸線Ｊ２周りに回転可能に下部アーム３の基端が接続されている。下部アーム３の先端には、第３軸線Ｊ３周りに回転可能に上部アーム４の基端が接続されている。

上部アーム４は、その長手軸線（第４軸線）Ｊ４周りに回転可能である。上部アーム４の先端には、第５軸線（揺動軸線）Ｊ５周りに揺動可能に手首部５が接続されている。第５軸線Ｊ５は、上部アーム４の長手軸線（第４軸線）Ｊ４に直交している。

手首部５の先端面には、手首部５の中心軸線（第６軸線）Ｊ６周りに回転可能な回転体６が設けられている。回転体６には、ワークを保持できるエンドエフェクタ（図示を省略）が装着される。

基台２、下部アーム３、上部アーム４、手首部５、回転体６、およびエンドエフェクタが、全体として、産業用ロボット１のロボットアームを構成している。

産業用ロボット１は、ロボットアームの動作を制御するためのロボット制御装置７を備えている。ロボット制御装置７は、本実施形態におけるバックラッシ測定装置の一部であるバックラッシ演算手段８を含んでいる。

本実施形態におけるバックラッシ測定装置は、図２に示したように、ロボットアームの動作を規制するためのアーム動作規制手段９を有する。アーム動作規制手段９は、アーム先端に取り外し可能に装着されたブラケット部材１０と、ブラケット部材１０に形成された貫通孔１１に挿通されるピン部材１２と、を有する。ピン部材１２は、その先端部がテーパ状に形成されている。

ピン部材１２は、ロボット１の作業エリア内の構造物１３に固定して設置されている。ピン部材１２が固定される構造物１３は、ロボット１の基台２が固定される固定台でも良い。

本実施形態におけるブラケット部材１０は、アーム先端のエンドエフェクタ着脱機構を利用して装着することができる。すなわち、本実施形態においては、ブラケット部材１０をアーム先端に装着するための特別の機構を別途設ける必要がない。

本実施形態におけるバックラッシ演算手段８は、アーム動作規制手段９によってアームの動作をその両方向において規制した状態で、アームを駆動するためのサーボモータ（図示を省略）に対して正方向および逆方向の駆動信号を付与し、その際に発生するサーボモータの制御用信号に基づいてバックラッシを算出するように構成されている。

すなわち、本実施形態によるバックラッシ測定装置を用いて、産業用ロボット１の減速機構のバックラッシを測定する際には、ロボット制御装置７によってロボットアームを駆動して、図３に示したようにブラケット部材１０の貫通孔１１にピン部材１２を挿通する。これにより、ロボットアームの動作がピン部材１２によって正回転方向および逆回転方向の両方向に規制される（アーム動作規制工程）。

このようにロボットアームの動作をアーム動作規制手段９によってその両方向において規制した状態で、ロボット制御装置７内のバックラッシ演算手段８によって、アームを駆動するためのサーボモータに対して正方向および逆方向の駆動信号を付与する。具体的には、駆動側ギヤ１４を第１の教示点θＰ１から第２の教示点θＰ２まで回転させる駆動信号をサーボモータに付与する（図４参照）。

なお、上述したようにロボットアームの動作がアーム動作規制手段９によってその両方向において規制されているので、駆動側ギヤ１４と噛み合っている被動側ギヤ１５は回転不能である。

駆動側ギヤ１４を第１の教示点θＰ１から第２の教示点θＰ２まで回転させようとしたときのロジック上のトルクと角度位置の関係は、図５のようになる。

すなわち、駆動側ギヤ１４が空転する範囲である角度位置θＡから角度位置θＢまで（図８に示した状態）は、空転に必要な小さなトルク（空転時トルク）が発生する。そして、図４に示したように、角度位置θＡから角度位置θＢまでの角度範囲がバックラッシに対応する。

一方、駆動側ギヤ１４が被動側ギヤ１５に接触した状態にある場合、すなわち、第１の教示点θＰ１から角度位置θＡまで（図９の状態）、および角度位置θＢから教示点θＰ２まで（図１０の状態）は、駆動側ギヤ１４は、回転不能な被動側ギヤ１５によって回転が規制されるので、トルクはサーボモータのリミット（上限値）に達している。

なお、図４および図５に示したように、駆動側ギヤ１４に付与する駆動信号の角度位置範囲θＰ１−θＰ２は、想定されるバックラッシの角度位置範囲θＡ−θＢを確実にカバーできるように、余裕をもって広めに設定されている。

駆動側ギヤ１４を駆動した場合に生じる実際のトルクは、駆動側ギヤ１４が被動側ギヤ１５に接触した瞬間に急激に増加する訳ではなく、サーボモータのフィードバック制御によって徐々に増加する。すなわち、位置制御をしているロボットでは、目標からの速度のズレ、目標からの位置のズレ、或いは位置のズレの積分が大きくなると、図６に示したように、目標に追従させるためのトルクが大きくなる。このため、実際のトルクと角度位置の関係は、図７に示したように曲線状となる。

本実施形態によるバックラッシ演算手段８は、図７に示した計測データに基づいて、トルクが低い状態（空転時トルク）で角度位置が変化している部分を特定することにより、角度位置θＡおよび角度位置θＢを決定する。ここで、角度位置θＡは、駆動側ギヤ１４の正方向の回転（図８の反時計回り）において駆動側ギヤ１４が被動側ギヤ１５に接触する角度位置（図９の状態）であり、角度位置Ｂは、駆動側ギヤ１４の逆方向の回転（図８の時計回り）において駆動側ギヤ１４が被動側ギヤ１５に接触する角度位置（図１０の状態）である。

したがって、角度位置θＡおよび角度位置θＢを求めることにより、減速機構のバックラッシＣｎ（図４）を測定することができる（バックラッシ演算工程）。

なお、ピン部材１２の本体部分（テーパ部分よりも下方の部分）をブラケット部材１０の貫通孔１１に容易に挿通できるようにするために、貫通孔１１をピン部材１２の本体部分よりもやや大径に形成しても良い。この場合、ピン部材１２を貫通孔１１に挿通した状態（図３の状態）において、ピン部材１２の周囲に多少の遊びが存在する。

これについては、ピン部材１２の寸法と貫通孔１１の寸法は予め分かっているので、ピン部材１２と貫通孔１１との間に存在する遊びの大きさも既知である。そこで、上述したバックラッシ演算工程において、この遊びの部分を測定データからキャンセルすることで、減速機構のバックラッシを正確に測定することができる。

また、上記の例では、ブラケット１０の貫通孔１１にピン部材１２を挿通して、アームの動作をその両方向において規制するようにしたが、変形例としては、アームの動作を、両方ではなく一方向のみにおいて規制するようにしても良い。

例えば、駆動側ギヤ１４の角度指令値をθＰ１に設定して、図１１に示したように、ブラケット１０をピン部材１２の側面に押し付ける。この状態では、図１２に示したように、サーボモータのトルクはトルクリミットまで上昇している。この状態から、角度指令値をθＰ２まで変化させると、図１２に示したように、駆動側ギヤ１４の指令角度位置がθＡに到達した時点で、駆動側ギヤ１４と被動側ギヤ１５とが離れる。これにより、サーボモータのトルクが、トルクリミットから空転時トルクまで減少する。

続いて、駆動側ギヤ１４の実角度位置がθＢに到達すると、駆動側ギヤ１４が被動側ギヤ１５に接触する。これにより、被動側ギヤ１５が駆動側ギヤ１４によって駆動され、サーボモータのトルクが空転時トルクから駆動時トルクに変化する。

このように、角度指令値をθＰ１として、ブラケット１０をピン１２の側面に押し付けた状態から、角度指令値をθＰ２まで変化させたとき、サーボモータのトルクが、トルクリミットから空転時トルクに変化する角度位置θＡから、空転時トルクから駆動時トルクに変化する角度位置θＢまでの角度範囲が、図４に示したバックラッシＣｎに相当する。

他の変形例として、バックラッシの測定対象の減速機構が、ロボットアームの自重（重力）が作用する減速機構である場合には、図１３に示したように、ロボットアームの先端のブラケット１０またはアーム自身を、ロボットの周囲にある固定構造物１６の表面に上方から下方に向けて押し付けても良い。この場合、固定構造物１６が、アーム動作規制手段９に相当する。なお、固定構造物１６としては、図２に示したピン部材１２を設けた構造物１３を利用しても良い。

ロボットアームを固定構造物１６の表面に上方から下方に向けて押し付けると、トルクの方向が、持ち上げ方向から押し付け方向に反転するので、その途中のバックラッシ部分を特定することができる。

すなわち、固定構造物１６の表面から、やや上方にブラケット１０が位置している状態において、駆動側ギヤ１４が角度位置θＰ１にあるとすると、この状態においては、図１４に示したように、駆動側ギヤ１４のサーボモータには駆動時トルクが発生している。このときの駆動時トルクは、アームに作用する重力を支持するためのトルクである。

駆動側ギヤ１４が角度位置θＰ１にある状態から、サーボモータを駆動してブラケット１０を固定構造物１６の表面に向けて降下させる。

ブラケット１０が固定構造物１６の表面に突き当たる時点で、駆動側ギヤ１４が角度位置θＣにあるとすると、図１４に示したように、角度位置θＣのときに、サーボモータのトルクが駆動トルクから空転時トルクに低下する。

この空転状態は、駆動側ギヤ１４が被動側ギヤ１５に再び接触するまで継続し、両ギヤが接触する時点を図１４では角度位置θＤで示している。駆動側ギヤ１４が角度位置θＤに到達すると、固定構造物１６によって被動側ギヤ１５は固定されているので、サーボモータのトルクはトルクリミットまで上昇する。

このように、ブラケット１０を固定構造物１６の表面に向けて降下させ、サーボモータのトルクが、駆動時トルクから空転時トルクに変化する角度位置θＣから、空転時トルクからトルクリミットに変化する角度位置θＤまでの角度範囲が、図４に示したバックラッシＣｎに相当する。

なお、上述した実施形態およびその変形例において、ロボットアームを構成する複数の軸（関節）のそれぞれの減速機構のバックラッシを測定するためには、測定対象の軸以外の軸のサーボモータを静止させておき、測定対象の軸のサーボモータのみを駆動して、そのバックラッシを測定する。

このとき、他の軸の減速機構のバックラッシ分を一緒に検出してしまうこともあるが、他の軸のバックラッシの値を予め測定しておけば、その影響をキャンセルすることができる。例えば、ロボットアームの先端を上方から下方に向けて固定構造物１６の表面に押し付ける場合は、第６軸ＪＴ６から順に測定することで、先行して測定した軸の測定結果を、次に測定する軸の測定結果からキャンセルすることで、他の軸のバックラッシの影響を排除することができる。

また、上述した実施形態およびその変形例では、バックラッシの測定をトルクの変化で行うようにしているが、バックラッシ演算工程における測定方法はこれに限られるものではなく、速度、偏差、またはこれらの組み合わせに基づいてバックラッシを測定することもできる。すなわち、バックラッシ演算工程におけるバックラッシの測定は、サーボモータからの各種の制御用信号に基づいて行うことができる。

以上述べたように本実施形態によるバックラッシ測定装置および方法によれば、測定システムの複雑化をもたらすことなく、バックラッシの自動測定を可能とすることができる。このため、バックラッシの測定に際して、ロボットを導入した設備を止める必要がなく、設備の稼働率の低下を防止することができる。

また、本実施形態によるバックラッシ測定装置および方法によれば、上記の通りバックラッシの自動測定が可能であるので、ロボットの運転に伴って経時的に変化するバックラッシを定期的に測定することが容易であり、ロボットの減速機構の寿命を適時かつ的確に推定することが可能となる。

そして、ロボットの減速機構の推定寿命が、予め設定された値に達した場合には、次回の定期点検を待たずに、自動的にアラームを発生させることもできる。これにより、減速機構の交換を適時に行うことができる。

１ 産業用ロボット
２ 基台
３ 下部アーム
４ 上部アーム
５ 手首部
６ 回転体
７ ロボット制御装置
８ バックラッシ演算手段
９ アーム動作規制手段
１０ ブラケット部材
１１ ブラケット部材の貫通孔
１２ ピン部材
１３ ピン部材が固定された構造物
１４ 駆動側ギヤ
１５ 被動側ギヤ
１６ 固定構造物
Ｊ１ 第１軸線
Ｊ２ 第２軸線
Ｊ３ 第３軸線
Ｊ４ 第４軸線
Ｊ５ 第５軸線
Ｊ６ 第６軸線

Claims (10)

1. 産業用ロボットの減速機構におけるバックラッシを測定するための装置であって、
   前記産業用ロボットのアームの動作を規制するためのアーム動作規制手段と、
   前記アーム動作規制手段によって前記アームの動作が少なくとも一方向において規制された状態で、前記アームを駆動するためのサーボモータに対して正方向および逆方向の駆動信号を付与し、その際に発生する前記サーボモータの制御用信号に基づいて前記バックラッシを算出するためのバックラッシ演算手段と、を備えたバックラッシ測定装置。
2. 前記アーム動作規制手段は、前記アームの動作を両方向において規制するように構成されている、請求項１記載のバックラッシ測定装置。
3. 前記アーム動作規制手段は、
   前記アームの先端に設けられたブラケット部材と、
   前記ブラケット部材に形成された貫通孔に挿通可能なピン部材であって、前記産業用ロボットの作業エリア内に固定されたピン部材と、を有する、請求項２記載のバックラッシ測定装置。
4. 前記アーム動作規制手段は、前記アームの動作を一方向において規制するように構成されている、請求項１記載のバックラッシ測定装置。
5. 前記アーム動作規制手段は、前記アームの一部が上方から下方に向けて押し付けられる表面を含む固定構造物を有する、請求項４記載のバックラッシ測定装置。
6. 産業用ロボットの減速機構におけるバックラッシを測定するための方法であって、
   前記産業用ロボットのアームの動作を規制するアーム動作規制工程と、
   前記アーム動作規制工程によって前記アームの動作が少なくとも一方向において規制された状態で、前記アームを駆動するためのサーボモータに対して正方向および逆方向の駆動信号を付与し、その際に発生する前記サーボモータの制御用信号に基づいて前記バックラッシを算出するバックラッシ演算工程と、を備えたバックラッシ測定方法。
7. 前記アーム動作規制工程において、前記アームの動作を両方向において規制する、請求項６記載のバックラッシ測定方法。
8. 前記アーム動作規制工程において、前記アームの先端に設けられたブラケット部材に形成された貫通孔に、前記産業用ロボットの作業エリア内に固定されたピン部材を挿通する、請求項７記載のバックラッシ測定方法。
9. 前記アーム動作規制工程において、前記アームの動作を一方向において規制する、請求項６記載のバックラッシ測定方法。
10. 前記アーム動作規制工程において、前記アームの一部が上方から下方に向けて固定構造物の表面に押し付けられる、請求項９記載のバックラッシ測定方法。
    

Images