JP2017217709A

JP2017217709A - パラレルリンクロボットの関節部の異常検出装置及び異常検出方法

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Publication number: JP2017217709A
Application number: JP2016112118A
Authority: JP
Inventors: 健一郎安部; Kenichiro Abe; 允鋒呉; yun feng Wu; 山城　光; Hikari Yamashiro; 光山城; 行生武田; Yukio Takeda; 雄介菅原; Yusuke Sugawara; 松浦　大輔; Daisuke Matsuura; 大輔松浦; 真澄大野; Masumi Ono
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Fanuc Corp
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Fanuc Corp
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-06-03
Also published as: JP6374439B2; CN107457798A; DE102017005043B4; US20170348855A1; CN107457798B; DE102017005043A1; US10350753B2

Abstract

【課題】リンクボール構造を採用しているデルタ型パラレルリンクロボットについて、ボールジョイントの摩擦トルクを推定し、関節部の異常を容易に検知する装置及び方法を提供する。
【解決手段】パラレルリンクロボット１０の制御装置３６は、パラレルリンクロボット１０の動作制御を行う制御部３８と、パラレルリンクロボット１０の動作中に、ボールジョイントのボール２８とハウジング３０との相対角速度の向きが変化する特定の姿勢の前後での駆動トルクの変化をモータの電流値によって計測するトルク計測部４０と、トルク計測部４０が計測した駆動トルクの変化が予め定めた閾値を超えたとき、ボールジョイントの摩擦状態が異常であると判断する判断部４２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パラレルリンクロボットの関節部における異常を検出する装置及び方法に関する。

エンドエフェクタを備えた可動部を３次元的に位置決めする手段として、デルタ型パラレルリンク機構を用いたパラレルリンクロボットが知られている。デルタ型パラレルリンクロボットは、基礎部、可動部、並びに基礎部と可動部を連結する駆動リンク及び受動リンクを備える。多くの場合、駆動リンクと受動リンクは３対設けられ、各対の動作を個々に制御することで可動部を３自由度（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で移動させることができる。

一般に、受動リンクと駆動リンクとの間や、受動リンクと可動部との間は、３自由度のボールジョイントで結合されている。例えば特許文献１には、ボールジョイントの構造として、ボールとハウジングとが幾何学的に分離され、スプリング等の弾性体によってハウジングにボールを引き付ける構造が記載されている。また特許文献２には、ハウジングとボールとが安易に分離されないように、ボールとハウジングが一体化されたリンクボール構造をパラレルリンクロボットの関節部に適用した例が記載されている。

一方、ロボットの動作異常を早期に検出し、ロボットの稼働率の低下を抑制する技術も周知である。例えば特許文献３には、位置ループゲインの逆数を時定数とするローパスフィルタにより指令位置に基づいて推定現在位置を算出し、サーボモータに取り付けられたエンコーダにて検出された実際の現在位置としての実位置と前記推定現在位置との差の絶対値を算出し、サーボモータを駆動するためのトルク指令値、前記実位置の微分値、および既知の外乱トルクに基づいて、総オブザーバフィードバック量を算出し、この総オブザーバフィードバック量と前記推定現在位置を微分することにより得られる推定速度とに基づいて異常検知閾値を算出し、前記実位置と推定現在位置との差の絶対値が前記異常検知閾値よりも大きい場合に異常状態であると判断する異常判断方法が記載されている。

さらに特許文献４には、ロボット本体の関節部について、ロボットアームの固有振動数を測定しておき、駆動モータおよび減速機で発生する振動によって最もロボットアームが共振する動作速度での定速動作をロボット本体の異常検出の動作条件とし、駆動モータあるいは減速機に設置した温度センサを用いて温度補正を行ったモータトルク値から算出したトルク変動値があらかじめ設定した閾値を超えた場合に、ロボット本体に異常が発生したと判断する異常検出方法が記載されている。

特表２００２−５２９２５８号公報特開２０１４−０４６４０６号公報特開２００５−１８６１８３号公報特開２００６−２８１４２１号公報

特許文献１に記載のような構造では、想定以上の高速動作または衝突が発生した場合に、受動リンクの関節部においてボールをハウジングに引き付けるための拘束力が不足し、関節部が分解してしまうリスクがある。

一方、特許文献２に記載の構造では、機械的な結合により、衝突等が起きてもハウジングとボールとが安易に分離されることはないと解される。但し、特許文献１のようにスプリング等の弾性力を利用する場合は、ボールジョイント部の摩擦力は該弾性力によってほぼ一定に保つことができるのに対し、特許文献２に記載のようなリンクボール構造では、プレート穴の中心間距離や、リンクボールの製造バラつきによって、その摩擦力が大きく変わる可能性がある。またリンクボールのボール摺動部分に異物が噛み込んだ場合は、ボールジョイント部がスムーズに摺動できず、摩擦力が過大になる可能性がある。

ボールジョイント部の摩擦力が過大になると、駆動用モータのトルクも大きくなり、ロボットの連続動作性能に影響を及ぼしたり、リンク構造部の各部品に想定以上の負荷が発生したり、ボールジョイント部に過度な発熱が生じたりし、予期せぬ故障が発生する可能性がある。一般にデルタ型ロボットは、高速動作を伴う用途に使用されることが多いため、上述のような故障が発生した場合には、ハンドやその周辺機器が深刻なダメージを受け得る。そこで、ボールジョイントに異常がある場合は、その異常状態を早期に知ることが望まれる。

特許文献３又は４に記載の方法は、デルタ型パラレルリンクロボットのボールジョイント部の異常検知には不向きと考えられる。その理由は、デルタ型パラレルリンクロボットのボールジョイントは通常、ロボットの姿勢に追従して受動的に動く関節であり、また駆動側（駆動モータ）と比較的離れた場所に配置されているので、その摩擦状態の検知が困難だからである。

そこで本発明は、リンクボール構造を採用しているデルタ型パラレルリンクロボットについて、ボールジョイントの摩擦トルク（摺動摩耗）を推定し、関節部の異常を容易に検知する装置及び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、パラレルリンクロボットの関節部の異常検知方法であって、前記パラレルリンクロボットは、基礎部と、前記基礎部から離隔配置された可動部と、前記基礎部と前記可動部とを連結するとともに、前記基礎部に対してそれぞれ１自由度を有する２つ以上のリンク部と、前記リンク部をそれぞれ駆動する複数のモータと、を具備し、前記リンク部のそれぞれは、前記基礎部に連結された駆動リンクと、前記駆動リンクと前記可動部を連結しかつ互いに平行に延びる２つの受動リンクと、前記受動リンクと前記駆動リンクとを連結する一対の第１のボールジョイントと、前記受動リンクと前記可動部とを連結する一対の第２のボールジョイントと、前記２つの受動リンクの各軸回りの回転を拘束するために、前記一対の第１のボールジョイント間に設けられる拘束プレートと、を備え、前記異常検知方法は、前記パラレルリンクロボットの動作の中で、前記第１及び第２のボールジョイントの各々におけるボールとハウジングとの相対角速度の向きが変化する特定の姿勢の前後の駆動トルクの変化量を前記モータの電流値から計測し、前記駆動トルクの変化量が予め定めた閾値を超えたとき、該モータに対応するボールジョイントの摩擦状態が異常であると判断することを含む、異常検知方法を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記ボールジョイントの摩擦力モデルが組み込まれるとともに、前記可動部に取り付けたハンド、ワークの負荷、イナーシャ情報、並びに前記パラレルリンクロボットの質量及び寸法を含む機構パラメータを含む前記パラレルリンクロボットの動力学モデルに基づいて、求めた前記駆動トルクの変化量に対して動力学解析を用いた多変量線形回帰手法を適用して、前記パラレルリンクロボットの各々のボールジョイントの摩擦トルクを同定し、故障の位置と度合を特定することを含む、異常検知方法を提供する。

また本願第３の発明は、パラレルリンクロボットの関節部の異常検知装置であって、前記パラレルリンクロボットは、基礎部と、前記基礎部から離隔配置された可動部と、前記基礎部と前記可動部とを連結するとともに、前記基礎部に対してそれぞれ１自由度を有する２つ以上のリンク部と、前記リンク部をそれぞれ駆動する複数のモータと、を具備し、前記リンク部のそれぞれは、前記基礎部に連結された駆動リンクと、前記駆動リンクと前記可動部を連結しかつ互いに平行に延びる２つの受動リンクと、前記受動リンクと前記駆動リンクとを連結する一対の第１のボールジョイントと、前記受動リンクと前記可動部とを連結する一対の第２のボールジョイントと、前記２つの受動リンクの各軸回りの回転を拘束するために、前記一対の第１のボールジョイント間に設けられる拘束プレートと、を備え、前記異常検知装置は、前記パラレルリンクロボットの動作の中で、前記第１及び第２のボールジョイントの各々におけるボールとハウジングとの相対角速度の向きが変化する特定の姿勢の前後の駆動トルクの変化量を前記モータの電流値から求めるトルク計測部と、前記駆動トルクの変化量が予め定めた閾値を超えたとき、該モータに対応するボールジョイントの摩擦状態が異常であると判断する判断部とを含む、異常検知装置を提供する。

本発明によれば、デルタ型パラレルリンクロボットにおける関節部の摩擦トルクを監視することによって該関節部の異常を容易かつ早期に検知することができるので、ボールジョイントの修理や部品交換等によって、該ロボットを含む生産ライン等の予期せぬ停止を防止できる。

本発明の好適な実施形態に係る異常検知装置及び異常検知方法が適用可能な、デルタ型パラレルリンクロボットの概略構成を示す図である。図１のパラレルリンクロボットの各ボールジョイントの構造を示す部分拡大図である。ボールジョイントにおけるボールとハウジングとの間の相対角速度の時間変化を表すグラフである。ボールジョイントにおける摩擦トルクの時間変化を表すグラフである。ボールジョイントの摩擦モデルの一例を示す図である。パラレルリンクロボットの構造モデルを示す図である。図６を簡略化した等価モデルを示す図である。摩擦トルクの同定結果の一例を示すグラフである。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る異常検知装置及び異常検知方法が適用可能な、デルタ型パラレルリンクロボット１０の概略構成を示す図である。パラレルリンクロボット１０は、基礎部１２と、基礎部１２から離隔配置（通常は基礎部１２の下方に）配置された可動部１４と、基礎部１２及び可動部１４を連結するとともに、基礎部１２に対してそれぞれ１自由度を有する２つ以上（図示例では３つ）のリンク部１６ａ〜１６ｃと、リンク部１６ａ〜１６ｃのそれぞれを駆動する複数（通常はリンク部と同数、図示例では３つ）のモータ１８ａ〜１８ｃを備え、可動部１４には、ロボットハンド等のエンドエフェクタ（図６及び図７に概略図示）が取付け可能となっている。

リンク部１６ａは、基礎部１２に連結された駆動リンク２０ａと、駆動リンク２０ａと可動部１４を連結しかつ互いに平行に延びる一対の（２つの）受動リンク２２ａとからなり、駆動リンク２０ａと受動リンク２２ａとは、一対の（２つの）第１のボールジョイント（球面軸受）２４ａによって連結される。また可動部１４と受動リンク２２ａとは、一対の（２つの）第２のボールジョイント（球面軸受）２６ａによって連結される。

図２は、パラレルリンクロボット１０の各ボールジョイント（ここではボールジョイント２４ａ又は２６ａ）の構造（リンクボール構造）を示す部分拡大図である。ボールジョイント２４ａは、ボール２８と、ボール２８を収容するハウジング３０と、ボール２８とハウジング３０との間に配置されたライナー３２とを有する。また図１に示すように、パラレルリンクロボット１０は、互いに平行な２つの受動リンク２２ａの各軸周りの回転を拘束するために、該受動リンクの駆動リンク側（上側）において、第１のボールジョイント２４ａのハウジング間に接続して設けられる拘束プレート３４ａを有する。

他のリンク部１６ｂ及び１６ｃについても、リンク部１６ａと同様の構成を有することができるので、対応する構成要素については、末尾のみを変更した参照符号を付与（例えば受動リンク２２ａに対応する要素には参照符号２２ｂ又は２２ｃを付与）し、詳細な説明は省略する。

図１に概略図示するように、パラレルリンクロボット１０は、パラレルリンクロボット１０を制御する制御装置３６を有する。具体的には、制御装置３６は、パラレルリンクロボット１０の動作制御を行う制御部３８と、パラレルリンクロボット１０の動作中に、ボールジョイントのボール２８とハウジング３０との相対角速度の向き（符号）が変化する特定の姿勢の前後での駆動トルクの変化をモータの電流値によって計測するトルク計測部４０と、トルク計測部４０が計測した駆動トルクの変化が予め定めた閾値を超えたとき、ボールジョイントの摩擦状態が異常であると判断する判断部４２とを有する。また制御装置３６は、判断部４２による判断結果を作業者に提示するための表示部４４をさらに有してもよい。なお本実施形態では、関節部の異常検知を行うための装置又は機能は制御装置３６に組み込まれているものとするが、パラレルリンクロボット１０に関連付けられた他の装置（例えばパーソナルコンピュータ）に該異常検知機能を持たせることも可能である。

ここで、デルタ型パラレルリンクロボットではその特性上、ロボットの手先が水平移動する際に、ボールジョイントのボールとハウジング間の相対角速度の向きが変わるタイミングがある。ボールジョイントに摩擦がないと仮定した場合は、その影響は駆動トルクに及ばないが、摩擦トルクが大きいときは、ボールジョイントの摩擦力の方向が急激に変わり、駆動トルクに影響を与えることがある。

図３及び図４は、上述のような、駆動トルクの変化に基づいてパラレルリンクロボット１０の関節部（ボールジョイント）の異常（摩擦過大）を検知する具体的な処理の一例を説明するグラフである。図３に示すように、ロボットの手先（ツール先端点）がＸ軸水平方向に等速に移動していても、Ｊ１軸（後述する図６参照）のボールジョイントの相対角速度（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のうち、Ｙ軸回りの相対角速度の向きが変化するタイミング（図３の例では２．３秒）が存在し得る。

一方、図４は、モータ１８ａの電流値から求められるトルク（Ｊ１）の経時変化を、ボールジョイントの摩擦が小さい場合（実線）と大きい場合（破線）について示している。図４に示すように、ある軸回りの相対角速度の向きが変化するタイミングと同じタイミング（２．３秒）での駆動トルクに注目すると、ボールジョイントの摩擦が大きい場合は、駆動トルクにステップ状の変化が発生する。このタイミングでのステップ変化に注目することにより、異常を検知することができる。つまり、ボールジョイントのボールとハウジングの相対角速度の向きが変化する特定の姿勢の前後の駆動トルクの変化を、所定周期で計測したモータの電流値から求め、該駆動トルクの変化量が予め設定された閾値（例えば、時刻２．３秒の前後で０．８Ｎ・ｍ）を超えたとき、ボールジョイントの摩擦状態が異常であると判断することができる。

ボールジョイントは受動関節であるため、その異常の有無を、駆動側のモータトルクから直接検知することは一般に困難である。しかし本願発明者は、可動部の定速区間において、仮にその軌跡上にボールジョイントのボールとハウジングとの間の相対角速度の向きが変化した場合、その変化時の前後でモータの駆動トルクがステップ的に変化していることを見出した。

図３及び図４を用いて説明した例では、摩擦トルクが大きい現象が発生していることの検知はできるが、具体的にどこの位置（ボールジョイント）における摩擦が過大なのかが判別できない。そこで、図５に示すボールジョイント（球面軸受）の摩擦モデルを構築し、駆動トルクから各部位での摩擦トルクの大きさを同定することにより、摩擦が過大となっている具体的位置を特定することができる。なお図１のパラレルリンクロボット１０に対応する構造モデルは、基本的には図６の示すようなものとなるが、計算を簡略化するために、図７のような簡略化した等価モデルを用いることも可能である。そこで以降は、図７の等価モデルに、図５に示すような摩擦力（摩擦トルク）を有するボールジョイント（球面軸受）のモデルを適用した場合の異常検出方法について説明する。

ボールジョイントにおける摩擦トルクは、式（１）に示すように、一定の大きさで働くものとして近似することができ、ここでは、i番目の連鎖におけるk+1番目のリンクからk番目のリンクに及ぼされる摩擦トルクをＭ_i,k,k+1と表している。ここで図５に示すように、ω_i,k及びω_i,k+1はボールジョイントを構成する各リンクの角速度であり、Ｍ_i,kは各ボールジョイントＳ_i,kにおける摩擦トルクの大きさを表す。また摩擦トルクＭ_i,k,k+1と、i番目の連鎖におけるk番目のリンクからk+1番目のリンクに及ぼされる摩擦トルクＭ_i,k+1,kとの関係は、式（２）のように表される。

式（１）及び（２）は、摩擦トルクを各リンクに働く外力とみなすことにより、パラレルリンクロボットの動力学解析に適用することができる。ここでは一例として、ダランベールの原理に基づいて解析を行った場合を説明する。ダランベールの原理を用いた場合、系の動力学関係は、以下の式（３）のように表すことができる。また式（３）におけるＦ_i,kは式（４）のように表すことができ、式（４）におけるｆ_i,k及びｍ_i,kはそれぞれ、式（５）及び（６）のように表すことができる。

式（３）において、右辺の第１項及び第２項はともに慣性及び重力に起因する量を表し、第３項はボールジョイントの摩擦力に起因する量を表す。また式（５）又は（６）におけるｍ_k、ｇ、Ｉ_k、Ｒ_i,k、ω_i,k、ｒ_i,k、及びＪ_i,kはそれぞれ、各リンクの質量、重力加速度、慣性テンソル、姿勢変換行列、角速度、並進変位、及びヤコビ行列を表す。

上述のように、ボールジョイントの構成要素間の相対角速度の向きが変化する時刻ｔ′（例えば図３の２．３秒）における駆動トルクの変化から、式（３）を用いて各ボールジョイントにおける摩擦トルクの大きさを特定することが可能である。時刻t′の前後において，駆動トルクτが最も大きく変化しているのはボールジョイントの摩擦トルクによる項である。従って式（３）において第３項以外の項を無視して、時刻t′前後の駆動トルクのΔτを求めると、以下の式（７）のようになる。

式（７）において、「Δ」は、これにかかる変数の時刻t′前後における差を意味するので、式（７）と上述の式（１）、（２）から、以下の式（８）が導かれる。

式（８）より、Δτ及び回帰係数Ｍs（＝[Ｍ_1,1 ・・・Ｍ_3,2]^Tは線形関係にあることが分かる。すなわち、式（８）は以下の式（９）のように表すことが可能である。

ここでΔτは、駆動トルクのステップ変化として扱うことができるので、以下の式（１０）で表されるような変数Ｘ₃として近似することができる。なお式（１０）におけるτ_measured及びτ_simulatedはそれぞれ、ボールジョイントの摩擦トルクの実測値及び解析値（推定値）である。

式（１０）におけるＸ₃及びＡは，各運動において定まる変数であるため，回帰係数Ｍsは、最小二乗法を用いた多変量線形回帰により同定することができ、以下の式（１１）から求めることができる。なお式（１１）におけるｊは、各運動について割り当てられた変数である。

式（１１）を用いて計算された各ボールジョイントの摩擦トルクを、実測値と比較しつつ図８に示す。なお同図におけるボールジョイントＳ_1,1及びＳ_1,2は図１における第１及び第２のボールジョイント２４ａ及び２６ａにそれぞれ相当し、ボールジョイントＳ_2,1及びＳ_2,2は図１におけるボールジョイント２４ｂ及び２６ｂにそれぞれ相当し、ボールジョイントＳ_3,1及びＳ_3,2は図１におけるボールジョイント２４ｃ及び２６ｃにそれぞれ相当する。

図８に示すように、摩擦トルクが大きいボールジョイントＳ_1,1及びＳ_1,2において、実測値にかなり近い解析値（計算値）が得られており、本実施形態における摩擦力の同定が非常に有効であることがわかる。従って本実施形態によれば、パラレルリンクロボットの各々のボールジョイントの摩擦トルクを正確に推定し、故障（摩擦異常）の位置と度合を特定することができる。

上記実施形態では、ボールジョイントの摩擦力モデルが組み込まれるとともに、可動部１４に取り付けたハンド（エンドエフェクタ）やワークの負荷、イナーシャ情報、並びにパラレルリンクロボット１０の質量及び寸法を含む機構パラメータを含む動力学モデルに基づいて、求めた駆動トルクの変化量に対して動力学解析を用いた多変量線形回帰手法を適用して、パラレルリンクロボットの各々のボールジョイントの摩擦トルクを同定するものである。本実施形態ではダランベールの原理を利用したが、これ以外にもニュートンオイラー法や、ラグランジュアン法などによる解析も可能である。

１０パラレルリンクロボット
１２基礎部
１４可動部
１６ａリンク部
１８ａモータ
２０ａ駆動リンク
２２ａ受動リンク
２４ａ、２６ａボールジョイント（球面軸受）
２８ボール
３０ハウジング
３２ライナー
３４ａ拘束プレート
３６制御装置
３８制御部
４０トルク計測部
４２判断部
４４表示部

Claims

パラレルリンクロボットの関節部の異常検知方法であって、
前記パラレルリンクロボットは、
基礎部と、
前記基礎部から離隔配置された可動部と、
前記基礎部と前記可動部とを連結するとともに、前記基礎部に対してそれぞれ１自由度を有する２つ以上のリンク部と、
前記リンク部をそれぞれ駆動する複数のモータと、を具備し、
前記リンク部のそれぞれは、
前記基礎部に連結された駆動リンクと、
前記駆動リンクと前記可動部を連結しかつ互いに平行に延びる２つの受動リンクと、
前記受動リンクと前記駆動リンクとを連結する一対の第１のボールジョイントと、
前記受動リンクと前記可動部とを連結する一対の第２のボールジョイントと、
前記２つの受動リンクの各軸回りの回転を拘束するために、前記一対の第１のボールジョイント間に設けられる拘束プレートと、
を備え、
前記異常検知方法は、
前記パラレルリンクロボットの動作の中で、前記第１及び第２のボールジョイントの各々におけるボールとハウジングとの相対角速度の向きが変化する特定の姿勢の前後の駆動トルクの変化量を前記モータの電流値から計測し、前記駆動トルクの変化量が予め定めた閾値を超えたとき、該モータに対応するボールジョイントの摩擦状態が異常であると判断することを含む、異常検知方法。
前記ボールジョイントの摩擦力モデルが組み込まれるとともに、前記可動部に取り付けたハンド、ワークの負荷、イナーシャ情報、並びに前記パラレルリンクロボットの質量及び寸法を含む機構パラメータを含む前記パラレルリンクロボットの動力学モデルに基づいて、求めた前記駆動トルクの変化量に対して動力学解析を用いた多変量線形回帰手法を適用して、前記パラレルリンクロボットの各々のボールジョイントの摩擦トルクを同定し、故障の位置と度合を特定することを含む、請求項１に記載の異常検知方法。
パラレルリンクロボットの関節部の異常検知装置であって、
前記パラレルリンクロボットは、
基礎部と、
前記基礎部から離隔配置された可動部と、
前記基礎部と前記可動部とを連結するとともに、前記基礎部に対してそれぞれ１自由度を有する２つ以上のリンク部と、
前記リンク部をそれぞれ駆動する複数のモータと、を具備し、
前記リンク部のそれぞれは、
前記基礎部に連結された駆動リンクと、
前記駆動リンクと前記可動部を連結しかつ互いに平行に延びる２つの受動リンクと、
前記受動リンクと前記駆動リンクとを連結する一対の第１のボールジョイントと、
前記受動リンクと前記可動部とを連結する一対の第２のボールジョイントと、
前記２つの受動リンクの各軸回りの回転を拘束するために、前記一対の第１のボールジョイント間に設けられる拘束プレートと、
を備え、
前記異常検知装置は、
前記パラレルリンクロボットの動作の中で、前記第１及び第２のボールジョイントの各々におけるボールとハウジングとの相対角速度の向きが変化する特定の姿勢の前後の駆動トルクの変化量を前記モータの電流値から求めるトルク計測部と、
前記駆動トルクの変化量が予め定めた閾値を超えたとき、該モータに対応するボールジョイントの摩擦状態が異常であると判断する判断部とを含む、異常検知装置。