JP2018086694A

JP2018086694A - 振動機能及び振動検出機能を備えた可搬式操作盤

Info

Publication number: JP2018086694A
Application number: JP2016230243A
Authority: JP
Inventors: 英里高沖; Eri Takaoki
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2018-06-07
Anticipated expiration: 2036-11-28
Also published as: CN108120496B; US10585415B2; JP6496298B2; DE102017127951B4; CN108120496A; US20180150053A1; DE102017127951A1

Abstract

【課題】操作者に触覚的に情報を伝えることができる振動モータを備えつつ、構造的な破損や振動モータの劣化を迅速かつ的確に検出できる構成を備えた可搬式操作盤を提供する。
【解決手段】可搬式操作盤１０は、該操作盤の動作を制御する制御部１８と、操作盤１０の固有振動数で振動可能な振動発生装置２０と、操作盤１０の振動や操作盤１０の加速度を検出する振動検出装置２２と、操作者が入力可能な入力部２４とを備え、制御部１８は、振動検出装置２２によって検出された、振動モータ２０が固有振動数で振動しているときの操作盤１０の振幅が、予め定めた閾値を下回ったときは、操作盤１０に異常が発生していると判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット等の機械の制御装置に関連付けられて使用される可搬式操作盤に関する。

ロボット等の機械の教示や操作を行う際は、該機械の制御装置に関連付けて使用される可搬式操作盤が使用されることがある。このとき操作者は、該ロボットを見ながら可搬式操作盤を操作する等、該可搬式操作盤の画面等の表示器を見ずに作業を行うことがある。また、可搬式操作盤は騒音が激しい環境で操作されることもあり、そのような場合は可搬式操作盤から音により操作者に情報を伝えることが困難となる。

このような場合に、可搬式操作盤に振動モータを搭載し、該可搬式操作盤を振動させることによって操作者に触覚的に情報を伝える技術がある。例えば特許文献１には、複数の振動モータを備え、使用すべき振動モータを適宜切り替える手段を備えた可搬式操作盤が記載されている。

一方、可搬式操作盤は、操作者の不注意による落下等によって破損又は故障する場合があり、このような場合の故障判定のために加速度センサを使用する技術も知られている。例えば特許文献２には、携帯情報端末内の加速度センサによって検出した衝撃度が所定値以上であるときは、その検出から所定時間内に発生した最大の衝撃度と、その最大の衝撃度の発生を検出した発生時刻を不揮発性メモリに記憶し、一方、不揮発性メモリに記憶された衝撃度ワーストログを取得して、携帯情報端末の故障との因果関係に基づいてユーザに対する過失度を判定する故障過失度判定システムが記載されている。

また特許文献３には、加速度センサと、衝撃あるいは振動を受けたときの加速度の時間変化である衝撃パターンを格納する衝撃データベースと、加速度センサが検出した加速度の時間変化が衝撃パターンと一致した場合には、携帯端末の取り扱いに関する警告を表示する表示部とを備えた携帯端末が記載されている。

特開２０１５−０２７７２３号公報特開２００５−２４１３３１号公報特開２０１２−２３４２５３号公報

ロボットの教示等を行う教示操作盤等の可搬式操作盤は、操作者の不注意等による落下や衝撃によって、（特にその筐体が）破損する場合が多い。該操作盤が破損した状態で使用を続行すると、切削液の進入等による内部部品の劣化や感電等の危険性が高まるため、直ちにその旨を操作者に通知して修理・交換等の適切な措置を採ることが望まれる。しかし加速度センサを利用するだけでは、可搬式操作盤が受けた衝撃の程度を知ることはできても、実際に修理や交換が必要な破損が生じているかを正確に判断することは難しい。

また振動モータを用いた可搬式操作盤では、該振動モータの劣化によって該操作盤が使用不能となる場合もある。一般に、可搬式操作盤に搭載されるような振動モータの寿命は、構造上、産業用ロボットや他の機械に搭載される他のデバイスに求められる寿命に比べると短く、故に振動モータの劣化も正確に検知できる手段を備えた可搬式操作盤が望まれる。

そこで本発明は、操作者に触覚的に情報を伝えることができる振動モータを備えつつ、構造的な破損や振動モータの劣化を迅速かつ的確に検出できる構成を備えた可搬式操作盤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、機械を制御する制御装置に通信可能に構成され、前記機械の操作に用いられる可搬式操作盤であって、操作者に所定の情報を伝えるための振動を発生するとともに、前記可搬式操作盤の固有振動数で振動可能な振動発生装置と、前記可搬式操作盤の振動を検出する振動検出装置と、前記振動検出装置によって検出された、前記振動発生装置が前記固有振動数で振動しているときの前記可搬式操作盤の振幅が、予め定めた閾値を下回ったときは、前記可搬式操作盤に異常が発生していると判断する制御部と、を備える、可搬式操作盤を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記振動検出装置は加速度センサ又は振動センサであり、前記可搬式操作盤が落下し又は衝撃を受けたと見做し得る所定の設定値以上の加速度を前記加速度センサ又は前記振動センサが検出した後に、前記振動発生装置が前記固有振動数で振動しているときの前記可搬式操作盤の振幅が前記閾値を下回ったときは、前記制御部は、前記可搬式操作盤の構造が破損していると判断する、可搬式操作盤を提供する。

第３の発明は、第２の発明において、前記振動発生装置は、前記可搬式操作盤の固有振動数を含む所定の範囲内で、振動数を任意に変更できるように構成されており、前記制御部は、前記可搬式操作盤の構造が破損していると判断した後に、前記振動発生装置の振動数を変化させながら前記可搬式操作盤の振幅を測定するように前記振動発生装置及び前記加速度センサを制御する、可搬式操作盤を提供する。

第４の発明は、第１の発明において、前記制御部は、前記可搬式操作盤の電源投入時に前記振動発生装置を前記可搬式操作盤の固有振動数で振動させ、さらに、前記振動発生装置が前記固有振動数で振動しているときの前記可搬式操作盤の振幅が前記閾値を下回ったときは、前記制御部は、前記可搬式操作盤の構造が破損していると判断する、可搬式操作盤を提供する。

第５の発明は、第１の発明において、前記可搬式操作盤は、バッテリ又は前記可搬式操作盤が衝撃を受けたことによる振動エネルギを利用して発電する発電装置を有し、前記振動検出装置は、前記可搬式操作盤の電源が遮断されているときに前記可搬式操作盤が落下し又は衝撃を受けたと見做し得る所定の設定値以上の加速度を、前記バッテリ又は前記発電装置からの電力を利用して検出する加速度センサである、可搬式操作盤を提供する。

第６の発明は、第１の発明において、前記可搬式操作盤の破損個所に応じて予め、意図的に前記可搬式操作盤の重量及び剛性の少なくとも一方を変化させる手段を有する、可搬式操作盤を提供する。

第７の発明は、第１の発明において、前記制御部は、予め定めた時間間隔で定期的に、或いは操作者の入力指示に基づき、前記振動発生装置を前記可搬式操作盤の固有振動数で振動させ、さらに、前記振動発生装置が前記固有振動数で振動しているときの前記可搬式操作盤の振幅が漸減し、かつ、前記閾値を下回ったときは、前記制御部は、前記振動発生装置が劣化していると判断する、可搬式操作盤を提供する。

本発明によれば、可搬式操作盤の固有振動数における振動振幅を監視することにより、該可搬式操作盤の破損や振動モータの劣化を迅速かつ的確に検出することができる。

本発明の好適な実施形態に係る可搬式操作盤の概略構成を示す図である。図１の可搬式操作盤が破損した状態を概略的に示す図である。正常時の可搬式操作盤おける振動周波数と振幅の関係を表すグラフである。破損した可搬式操作盤おける振動周波数と振幅の関係を表すグラフである。振動モータが劣化した可搬式操作盤おける振動周波数と振幅の関係を表すグラフである。可搬式操作盤の制御部、振動モータ及び加速度センサの関係を模式的に示す図である。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る可搬式操作盤１０の概略構成を示す図である。可搬式操作盤（以降、単に操作盤とも称する）１０は、ロボット、工作機械又は生産機械等の機械１２（概略図示）の操作を行うための可搬式の操作盤であり、典型的には、操作者がロボット（特に多関節ロボット）の教示を行うための教示操作盤である。操作盤１０は、ロボット等の機械１２を制御する機械制御装置１４（概略図示）と通信可能に構成され、具体的には無線又は通信ケーブル１６等の有線によって機械制御装置１４に接続される。操作者は、操作盤１０を機械制御装置１４から所定の範囲内で運搬することができ、操作盤１０を用いて機械１２を操作することができる。

操作盤１０は、操作盤１０の動作を制御するＣＰＵ等の制御部１８と、少なくとも１つ（図示例では１つ）の振動発生装置（振動モータ）２０と、操作盤１０の振動や操作盤１０の加速度を検出する、３軸振動センサ等の振動検出装置２２と、操作者が入力可能なキーボードやタッチパネル等の入力部２４とを備え、制御部１８は入力部２４に入力された情報に基づいて操作盤１０の動作を制御することができる。また操作盤１０は、操作盤１０（特にその筐体２６）の破損や振動モータ２０の劣化に関する情報や警告（後述）を表示する液晶画面等の表示部２８を備えてもよい。

振動モータ２０は、制御部１８からの指令に基づいて動作し、その動作によって可搬式操作盤１０が少なくとも部分的に振動し、操作者はその振動を触覚的に感知する。制御部１８は、振動モータ２０の振動の形態（振動の周波数や強度、振動が断続的であるか連続的であるか、さらには断続的である場合はその周期等）を変更することができる。振動の形態と、操作者に知らせるべき警告等の情報の内容（ロボットの異常、進入禁止領域への人の立入等）とを予め関連付けておくことにより、操作者は振動によって種々の情報を触覚的に認知することができる。また制御部１８は、後述するように振動モータ２０及び振動センサ２２を操作し、その操作結果に基づいて操作盤１０が破損したり故障したりしていると判断するとともに、その判断結果を上述の表示部２８に表示させる機能も備える。なお制御部１８の機能の少なくとも一部は、操作盤１０以外の装置（例えば機械制御装置１４）が具備してもよい。

（第１実施例）
ここでは、図２に例示するように、操作者の不注意等による落下や衝撃により、操作盤１０の筐体２６が破損した場合を考える。一般に、物体をその固有振動数で振動させると共振が生じるので、通常の使用時は、振動モータ２０は該固有振動数以外の振動数で振動するように構成されていることが好ましい。ここで、振動検出装置２２は、落下や衝撃に伴う操作盤１０の大きな加速度（すなわち、通常の使用では発生し得ない加速度や振動）を検出可能な加速度センサ又は振動センサであり、操作盤１０が落下し又は衝撃を受けたと見做し得る所定の設定値以上の加速度を加速度センサ２２が検出したときは、制御部１８は、振動モータ２０を、正常時（破損等がない状態）の操作盤１０の固有振動数で振動するようにその振動周波数を切り替える。

なお通常の使用時にも、振動モータ２０を操作盤１０の固有振動数で振動するようにしてもよく、その場合、振動モータ２０の振動周波数の切り替えは不要となる。但しこの場合は、共振による操作盤１０の故障等を防止すべく、通常の使用時は、振動モータ２０の出力を比較的低くして振幅を小さくする等の設定をしておくことが好ましい。これは後述する第２の実施例についても同様である。

加速度センサ２２は、固有振動数における操作盤１０の振幅を検出する。ここで図３のグラフ３０に示すように、操作盤１０が衝撃を受けても実質的な破損や故障が生じていないときは、固有振動数（ここでは１００Ｈｚ）での振幅は共振によって極大となる。一方、筐体２６の一部が破損（つまり操作盤１０の重量が低下）していたり、筐体２６を構成するフレーム等の部材の接合部（ねじ等）が緩んで筐体２６の剛性が低下したりしていると、図４の実線グラフ３２に示すように、操作盤１０の固有振動数は正常時の値（１００Ｈｚ）から変化（図示例では１００Ｈｚより小さい値に低下）し、もとの固有振動数（１００Ｈｚ）での振幅は正常時に比べて大きく低下することなる。

そこで、図３又は図４に示すように、もとの固有振動数（ここでは１００Ｈｚ）における正常時の振幅を示す値（図示例では無次元数８）又はこの値から所定のマージンを差し引いた値（図示例では無次元数６）を閾値Ｓ１として予め設定し、もとの固有振動数における振幅が図４に示すように閾値Ｓ１を下回っているときは、操作盤１０の構造（筐体）に破損等の異常が生じていると判断することができ、この判断結果を表示部２８等に表示したり、音声による警告（アラーム）を出力したりすることができる。従って操作者は、操作盤１０の使用を中止し、筐体２６の修理や交換等の適切な措置を採ることができる。

第１実施例では、振動モータ２０が、通常時は固有振動数以外の振動によって操作者に触覚的に情報を伝達する機能と、操作盤１０の破損等が疑われるときはその判断のために固有振動数で振動する機能とを具備し、一方、加速度センサ２２は、落下や衝撃等に伴う比較的大きな加速度を検知する機能と、振動モータ２０が固有振動数で振動しているときの振幅を測定する機能とを具備する。このように第１実施例では、振動モータ２０及び加速度センサ２２の各々が複数の機能を備え、それらを有機的に連携させることにより、落下等による操作盤１０の破損の有無を的確に判断することができる。

第１の実施例では、操作盤１０の使用時における落下や衝撃を想定しているが、操作盤１０の電源が遮断されている（すなわち電源がＯＦＦ）間にも、操作盤１０が損傷を受ける場合もある。そのような場合は、操作盤の電源投入時（すなわち電源をＯＮ）に、無条件に振動モータ２０を固有振動数で振動させ、そのときの振幅を測定して閾値と比較することにより、破損等の有無を判定することができる。

或いは、操作盤１０に予めバッテリを内蔵させておき、操作盤１０の電源が遮断されている（ＯＦＦ）ときも加速度センサ２２は稼働状態にしておく。そして操作盤１０が電源ＯＦＦ時に一定以上の大きさの衝撃を受けたときは、加速度センサ２２はバッテリからの電力を利用してそのときの加速度の大きさや時刻等を適当なメモリに記録しておき、一方制御部１８は、操作盤１０の電源をＯＮにしたときに該メモリに衝撃を検知した旨の記録があれば、振動モータ２０を自動的に固有振動数で振動させることもできる。また或いは、操作盤１０がバッテリを内蔵していなくとも、操作盤１０が一定以上の大きさの衝撃を受けたことによる振動エネルギを利用して発電する発電装置を操作盤１０に設け、該発電装置が得た電力を利用して、衝撃を受けた旨をメモリに記録するようにしてもよい。

振動モータ２０は、操作盤１０の固有振動数を含む所定の範囲内で、振動数を任意に変更できるように構成されていることが好ましい。制御部１８は、操作盤１０が落下や衝撃によって破損したと判断した後に、振動モータ２０の振動数を変化させながら加速度センサ２２で操作盤の振幅を測定するように振動モータ２０及び加速度センサ２２を制御することにより、破損等によって変化した操作盤１０の固有振動数を知ることができる。変化した固有振動数と、予め実験等により求めた破損個所と固有振動数との関係とを利用することにより、破損個所を特定することができる。より具体的には、破損個所と固有振動数との関係を示すデータを予め記憶したメモリ等を操作盤１０に設けておき、該データと操作盤１０の実際に変化した固有振動数とを照合することにより、操作盤１０のどの部位が破損したかを特定することができ、さらに、特定された破損部位を表示部２８等に表示することもできる。

一般に、物体が衝撃を受けた場合はその固有振動数で振動する。そこで加速度センサ２２は、落下や衝撃による加速度を検知した直後に、操作盤１０の振動振幅を測定するようにしてもよい。このようにすれば、振動モータ２０を意図的に固有振動数で振動させなくとも、操作盤１０の破損等の有無を判断できる。

落下等による操作盤１０の破損の程度は様々であり、目視で明らかに判別できるものもあれば、目視が困難な比較的軽微な破損であっても、液体の進入等の可能性があることから使用続行には適さないものもある。特に後者の場合、固有振動数における振幅が閾値を下回らず、破損として検出されないことがある。そこで、比較的軽微ではあるが使用続行には適さない破損が生じた場合、該破損個所に応じて予め、意図的に操作盤１０の重量及び剛性の少なくとも一方を変化させる手段を設けてもよい。例えば、表示部２８を構成するＬＣＤのガラスが割れたときに、操作盤１０の構成部材間の結合を解除して全体の（特に加速度センサ周りの）剛性を下げたり、操作盤１０に予め付与していた錘を外して全体の重量を下げたりすることが挙げられる。

（第２実施例）
ここでは、振動発生装置（振動モータ）２０の経時的な劣化によって操作盤１０が使用に適さなくなった場合を考える。制御部１８は、予め定めた時間間隔で定期的に、或いは操作者の入力指示に基づき、振動モータ２０を正常時の操作盤１０の固有振動数（ここでは１００Ｈｚ）で振動させるように、より具体的には振動モータ２０の振動数を、通常運転時の振動周波数（１００Ｈｚ以外）から操作盤１０の固有振動数（１００Ｈｚ）に切り替えるように構成されている。一方、振動検出装置（加速度センサ）２２は、第１実施例と同様に、振動モータ２０が固有振動数で振動しているときの振幅を測定し、この測定結果は時系列データとして適当なメモリに記憶される。

ここで振動モータ２０の劣化が進むと、図５のグラフ３４及び３６に示すように、固有振動数での振幅（極大値）は徐々に低下することになる。従って固有振動数での振幅が漸減し（つまり所定の時間間隔での振幅の低下量が一定の値以下であり）、かつ、振動モータ２０の劣化の目安として予め（例えば経験的に）定めた閾値Ｓ２を下回ったときは、振動モータ２０の劣化が相当に進んだと判断でき、この判断結果を表示部２８等に表示したり、音声による警告（アラーム）を出力したりすることができる。従って操作者は、操作盤１０の使用を中止し、振動モータ２０の修理や交換等の適切な措置を採ることができる。なお閾値Ｓ２は、第１実施例における閾値Ｓ１と同じ値でも異なる値でもよい。

図６は、上述の第１実施例及び第２実施例の一方又は双方において、振動モータ２０と加速度センサ２２との間の相互チェック機能について説明する図である。振動モータ２０の振動を加速度センサ２２で（好ましくは常時）監視することにより、振動モータ２０が正常に機能しているかのチェックに用いることができる。例えば、加速度センサ２２が操作盤１０の加速度（振動モータ２０以外によるもの）を正常に検出できている状態（すなわち操作盤１０の移動や、姿勢の変化が加速度データとして得られ、その旨が制御部１８で判断できる）において、振動モータ２０に振動する旨の信号（振動命令）を送ったのに加速度センサ２２が振動検出をしなかった場合は、振動モータ２０に何らかの異常が生じていると判断できる。

逆に、振動モータ２０の振動が加速度センサ２２で正常に検知できるかを（好ましくは常時）監視しておき、加速度センサ２２が正常に機能しているかのチェックに用いることができる。例えば、振動モータ２０に振動する旨の信号（振動命令）を送り、振動モータ２０が振動していることが触覚等により明確であるにも関わらず、加速度センサ２２が振動検出をしなかった場合は、加速度センサ２２に何らかの異常が生じていると判断できる。

本実施形態では、固有振動数で振動可能な振動モータと加速度センサとを内蔵する可搬式操作盤において、該操作盤の破損や振動モータの劣化のような不具合を、別途の手段を設けることなく検出することができ、また破損についてはその発生のタイミングも知ることができる。従って該操作盤の使用を続行することによる危険性を抑制でき、さらにアラーム等による自動連絡によって保守を迅速に行える等、該可搬式操作盤の操作対象である機械の作業効率を大幅に向上させることができる。

１０可搬式操作盤
１２機械
１４機械制御装置
１６通信ケーブル
１８制御部
２０振動モータ
２２加速度センサ
２４入力部
２６筐体
２８表示部

Claims

機械を制御する制御装置に通信可能に構成され、前記機械の操作に用いられる可搬式操作盤であって、
操作者に所定の情報を伝えるための振動を発生するとともに、前記可搬式操作盤の固有振動数で振動可能な振動発生装置と、
前記可搬式操作盤の振動を検出する振動検出装置と、
前記振動検出装置によって検出された、前記振動発生装置が前記固有振動数で振動しているときの前記可搬式操作盤の振幅が、予め定めた閾値を下回ったときは、前記可搬式操作盤に異常が発生していると判断する制御部と、
を備える、可搬式操作盤。
前記振動検出装置は加速度センサ又は振動センサであり、前記可搬式操作盤が落下し又は衝撃を受けたと見做し得る所定の設定値以上の加速度を前記加速度センサ又は前記振動センサが検出した後に、前記振動発生装置が前記固有振動数で振動しているときの前記可搬式操作盤の振幅が前記閾値を下回ったときは、前記制御部は、前記可搬式操作盤の構造が破損していると判断する、請求項１に記載の可搬式操作盤。
前記振動発生装置は、前記可搬式操作盤の固有振動数を含む所定の範囲内で、振動数を任意に変更できるように構成されており、前記制御部は、前記可搬式操作盤の構造が破損していると判断した後に、前記振動発生装置の振動数を変化させながら前記可搬式操作盤の振幅を測定するように前記振動発生装置及び前記加速度センサを制御する、請求項２に記載の可搬式操作盤。
前記制御部は、前記可搬式操作盤の電源投入時に前記振動発生装置を前記可搬式操作盤の固有振動数で振動させ、さらに、前記振動発生装置が前記固有振動数で振動しているときの前記可搬式操作盤の振幅が前記閾値を下回ったときは、前記制御部は、前記可搬式操作盤の構造が破損していると判断する、請求項１に記載の可搬式操作盤。
前記可搬式操作盤は、バッテリ又は前記可搬式操作盤が衝撃を受けたことによる振動エネルギを利用して発電する発電装置を有し、前記振動検出装置は、前記可搬式操作盤の電源が遮断されているときに前記可搬式操作盤が落下し又は衝撃を受けたと見做し得る所定の設定値以上の加速度を、前記バッテリ又は前記発電装置からの電力を利用して検出する加速度センサである、請求項１に記載の可搬式操作盤。
前記可搬式操作盤の破損個所に応じて予め、意図的に前記可搬式操作盤の重量及び剛性の少なくとも一方を変化させる手段を有する、請求項１に記載の可搬式操作盤。
前記制御部は、予め定めた時間間隔で定期的に、或いは操作者の入力指示に基づき、前記振動発生装置を前記可搬式操作盤の固有振動数で振動させ、さらに、前記振動発生装置が前記固有振動数で振動しているときの前記可搬式操作盤の振幅が漸減し、かつ、前記閾値を下回ったときは、前記制御部は、前記振動発生装置が劣化していると判断する、請求項１に記載の可搬式操作盤。