JP2018161696A - ロボットの回路診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットが長時間継続して稼動される場合であっても、所定の頻度で回路を診断することのできる回路診断装置を提供する。【解決手段】ロボット１１を動作させるモータ５１に接続されたインバータ３０に対して電源２０からの電力を供給及び遮断する回路２２，２３を診断する回路診断装置であって、インバータに接続され、電源からインバータへの電流を流通させてインバータから電源への電流を遮断するダイオード２１と、電源とダイオードとの間を開閉する所定スイッチング素子２２と、所定スイッチング素子とダイオードとの接続点Ｎ１の電位を監視する監視部４１〜４４と、監視部により監視された電位に基づいて所定スイッチング素子が正常に動作したか否か診断し、モータにより回生発電が行われていることを条件として所定スイッチング素子を開に切り替える制御部６０と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、ロボットの回路を診断する装置に関する。

従来、ロボットでは、安全規格等により、所定の頻度で回路を診断することが要求されている。例えば、２４時間（１日）毎に１回、回路に含まれるスイッチング素子が正常に動作するか否か診断することが要求される。スイッチング素子の動作診断では、スイッチング素子を開と閉とに切り替えて、スイッチング素子が正常に動作したか否かを診断している。

ところで、ロボットのモータに接続されたインバータに電源からの電力を供給する回路では、回路に含まれる所定スイッチング素子はロボットの稼働中に常に閉にされている。このため、ロボットの稼働中に、診断のために所定スイッチング素子を開と閉とに切り替えると、ロボットの動作に支障をきたすおそれがある。したがって、ロボットが２４時間を超えて継続して稼働される場合、２４時間毎に１回の頻度でスイッチング素子を診断することが困難となる。

本発明は、こうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、ロボットが長時間継続して稼動される場合であっても、所定の頻度で回路を診断することのできる回路診断装置を提供することにある。

上記課題を解決するための第１の手段は、
ロボットを動作させるモータに接続されたインバータに対して電源からの電力を供給及び遮断する回路を診断する回路診断装置であって、
前記インバータに接続され、前記電源から前記インバータへの電流を流通させて前記インバータから前記電源への電流を遮断するダイオードと、
前記電源と前記ダイオードとの間を開閉する所定スイッチング素子と、
前記所定スイッチング素子と前記ダイオードとの接続点の電位を監視する監視部と、
前記監視部により監視された前記電位に基づいて前記所定スイッチング素子が正常に動作したか否か診断し、前記モータにより回生発電が行われていることを条件として前記所定スイッチング素子を開に切り替える制御部と、
を備える。

上記構成によれば、回路により、ロボットを動作させるモータに接続されたインバータに対して電源からの電力が供給及び遮断される。ダイオードは、インバータに接続されており、電源からインバータへの電流を流通させて、インバータから電源への電流を遮断する。所定スイッチング素子により、電源とダイオードとの間が開閉される。

一般に、上記回路に含まれる所定スイッチング素子は、ロボットの稼働中に常に閉にされている。このため、モータによる駆動時には、所定スイッチング素子及びダイオードを介して、電源からインバータへの電流が流通させられる。一方、モータによる回生発電時には、ダイオードによりインバータから所定スイッチング素子への電流が遮断される。回生発電により発電される電圧は、一般に電源の電圧よりも高い。このため、回生発電中は、所定スイッチング素子が閉に切り替えられていても、電源からインバータへ電流が流通せず、モータによる回生発電の動作に支障をきたさない。

ここで、監視部により、所定スイッチング素子とダイオードとの接続点の電位が監視される。そして、制御部によって、監視部により監視された電位に基づいて、所定スイッチング素子が正常に動作したか否か診断される。例えば、所定スイッチング素子が閉に切り替えられている場合は、監視部により監視される電位は高電位となる。一方、所定スイッチング素子が開に切り替えられている場合は、ダイオードによりインバータから所定スイッチング素子への電流が遮断されるため、監視部により監視される電位は低電位となる。このため、所定スイッチング素子の開閉を切り替えた際に、監視部により監視された電位に基づいて、所定スイッチング素子が正常に動作したか否か診断することができる。

そして、制御部によって、モータにより回生発電が行われていることを条件として、所定スイッチング素子が開に切り替えられる。モータにより回生発電が行われている状態では、電源からインバータを介してモータへ電力を供給する必要がない。このため、所定スイッチング素子を開に切り替えても、ロボットの動作に支障をきたさない。したがって、ロボットが長時間継続して稼動される場合であっても、回生発電時に所定スイッチング素子を開に切り替えることにより、所定の頻度で回路を診断することができる。

また、所定スイッチング素子が閉に切り替えられている場合は、所定スイッチング素子とダイオードとの接続点の電位は、電源の電圧に対応した電位となる。一方、所定スイッチング素子が開に切り替えられている場合は、接続点の電位は電源の電圧が印加されない場合の電位となる。そして、モータによる回生発電中に、インバータから所定スイッチング素子への電流はダイオードにより遮断される。このため、接続点の電位は、回生発電による影響を受けない。

この点、第２の手段では、前記制御部は、前記モータにより回生発電が行われていることを条件として前記所定スイッチング素子を開に切り替えた際に、前記監視部により監視された前記電位が低下した場合に、前記所定スイッチング素子が正常に動作したと診断するといった構成を採用している。こうした構成によれば、モータによる回生発電中に、スイッチング素子が正常に動作したと診断することができる。

第３の手段では、前記制御部は、前記モータにより回生発電が行われていることを条件として前記所定スイッチング素子を開に切り替えた際に、前記監視部により監視された前記電位が低下し、且つその後に前記所定スイッチング素子を閉に切り替えた際に、前記監視部により監視された前記電位が上昇したことを条件として、前記所定スイッチング素子が正常に動作したと診断する。

上記構成によれば、所定スイッチング素子を開に切り替えた際の電位低下と、所定スイッチング素子を閉に切り替えた際の電位上昇とを条件として、所定スイッチング素子が正常に動作したと診断される。このため、所定スイッチング素子が正常に動作したか否かを、より確実に診断することができる。さらに、モータによる回生発電中に所定スイッチング素子を閉に切り替えれば、回生発電により発電された電圧は一般に電源の電圧よりも高いため、所定スイッチング素子に突入電流が流れることを抑制することができる。したがって、所定スイッチング素子を診断する際に、所定スイッチング素子が溶着することを抑制することができる。

第４の手段では、前記ロボットは、２４時間を超えて継続して稼動される。

一般に、ロボットの稼働中には、モータによる駆動と回生発電とが行われる。したがって、上記構成においても、モータにより回生発電が行われていることを条件として所定スイッチング素子を開に切り替えることにより、２４時間毎に１回以上の頻度でスイッチング素子を診断することができる。

ロボットシステムを示す回路図。 モータ５１のトルク及び回転速度とバス電圧とを示すタイムチャート。

以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、多関節ロボットの動作を制御するロボットシステムとして具現化している。

図１に示すように、ロボットシステム１０は、ロボット１１、電源２０、インバータ回路３０、制御装置６０等を備えている。ロボット１１の複数の関節には、それぞれモータ５１（１つのみ図示）が設けられている。すなわち、モータ５１がロボット１１を動作させる。

電源２０は、例えば３相２００Ｖの商用電源（外部電源）の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータにより構成されている。コンバータは、インバータ回路３０へ供給される電圧を調節することができる。

電源２０とインバータ回路３０との間には、ダイオード２１が接続されている。ダイオード２１のカソード側が、接続点Ｎ０及びインバータ回路３０に接続されている。すなわち、ダイオード２１は、電源２０からインバータ回路３０への電流を流通させて、インバータ回路３０から電源２０への電流を遮断する。

電源２０とダイオード２１との間には、スイッチング素子２２が接続されている。スイッチング素子２２（所定スイッチング素子に相当）は、電界効果トランジスタ等で構成されている。スイッチング素子２２は、電源２０とダイオード２１との間を開閉する。スイッチング素子２２の開閉は、バッファ回路２３を介して制御装置６０により制御される。バッファ回路２３は、制御装置６０からの駆動信号の電圧を調整してスイッチング素子２２へ出力する。すなわち、スイッチング素子２２及びバッファ回路２３により、インバータ回路３０に対して電源２０からの電力を供給及び遮断する回路が構成されている。

スイッチング素子２２とダイオード２１との接続点Ｎ１には、抵抗４１を介してスイッチング素子４２の制御端子（ベース）が接続されている。スイッチング素子４２は、トランジスタ等で構成されている。スイッチング素子４２は、ベースに入力される電圧が、閾値よりも低い場合に開となり、閾値よりも高い場合に閉となる。スイッチング素子４２のエミッタがグランドに接続され、コレクタが接続点Ｎ２に接続されている。接続点Ｎ２には、抵抗４３を介して電源４４が接続されている。接続点Ｎ２の電位が制御装置６０に入力される。なお、抵抗４１、スイッチング素子２２、抵抗４３、及び電源４４により、接続点Ｎ１の電位を監視する監視部が構成されている。

そして、スイッチング素子２２が開の場合は、接続点Ｎ１の電位が低電位（グランド）となり、スイッチング素子４２が開となる。その結果、制御装置６０に入力される接続点Ｎ２の電位は、電源４４の電圧に応じた高電位となる。一方、スイッチング素子２２が閉の場合は、接続点Ｎ１の電位が電源２０の電圧に応じた高電位となり、スイッチング素子４２が閉となる。その結果、制御装置６０に入力される接続点Ｎ２の電位は低電位（グランド）となる。

接続点Ｎ０には、直列に接続された抵抗２５（回生抵抗）及びスイッチング素子２６が接続されている。スイッチング素子２６は、電界効果トランジスタ等で構成されている。スイッチング素子２６の開閉は制御装置６０により制御される。接続点Ｎ０には、電圧センサ２７が接続されている。電圧センサ２７（電圧検出部）は、接続点Ｎ０の電圧（バス電圧）を検出する。

接続点Ｎ０には、複数のインバータ回路３０（１つのみ図示）が並列に接続されている。複数のインバータ回路３０には、それぞれモータ５１が接続されている。各モータ５１には、回転位置を検出するエンコーダ５３（位置検出部）が設けられている。

インバータ回路３０（インバータに相当）は、６個のスイッチング素子３１を三相ブリッジ接続するとともに、各スイッチング素子３１と並列にフライホイールダイオード３２を接続した周知のものである。スイッチング素子３１は、電界効果トランジスタ等で構成されている。スイッチング素子３１は、駆動回路３３により開閉駆動される。インバータ回路３０において、スイッチング素子３１がＰＷＭ制御されることにより、インバータ回路３０からモータ５１へ供給される電圧が制御される。モータ５１へ供給される電流が電流センサ３５により検出される。

制御装置６０（制御部に相当）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータであり、モータ制御部６１を備えている。モータ制御部６１は、インバータ回路３０の各スイッチング素子３１を駆動する駆動信号をバッファ回路７１へ出力する。エンコーダ５３及び電流センサ３５の検出信号は、バッファ回路７１へ入力される。バッファ回路７１は、これらの信号に基づいて、駆動信号の電圧を調整して駆動回路３３へ出力する。なお、ダイオード２１、スイッチング素子２２、バッファ回路２３、監視部（４１〜４４）、及び制御装置６０により、回路診断装置が構成されている。

制御装置６０は、各モータ５１の減速時に各モータ５１により回生発電をさせる。回生発電により生じた回生電流は、インバータ回路３０のフライホイールダイオード３２を経由して、接続点Ｎ０に供給される。この回生電流により、接続点Ｎ０に接続されたコンデンサ（図示略）が充電される。制御装置６０は、電圧センサ２７により検出されたバス電圧が所定電圧Ｖ１よりも高い場合に、スイッチング素子２６を閉にする。これにより、回生電流が抵抗２５に流れ、過剰な回生エネルギが熱として消費される。

制御装置６０は、ロボット１１の稼働中において、スイッチング素子２２を常に閉にする。このため、ロボット１１の稼働中において、接続点Ｎ１には電源２０からの電力が常に供給された状態となる。接続点Ｎ１に供給された電力は、ダイオード２１を介して接続点Ｎ０へ供給される。ロボット１１の稼働中に、診断のためにスイッチング素子２２を開と閉とに切り替えると、ロボット１１の動作に支障をきたすおそれがある。特に、制御装置６０は、２４時間を超えて継続してロボット１１を稼動させる。したがって、安全規格等の要求に応じて、２４時間毎に１回の頻度でスイッチング素子２２を診断することが困難となる。

図２は、モータ５１のトルク及び回転速度とバス電圧とを示すタイムチャートである。

同図に示すように、時刻ｔ１以前では、モータ５１のトルク及び回転速度が０に設定され、バス電圧が電源２０の電圧に応じた電圧Ｖ０（例えば２８０Ｖ）になっている。時刻ｔ１において、モータ５１のトルクが正のトルクＴｒ１に設定される。これにより、モータ５１の正方向の回転速度が上昇するとともに、バス電圧が低下する。

時刻ｔ２において、モータ５１の回転速度が目標回転速度に到達すると、モータ５１のトルクが正のトルクＴｒ２（＜Ｔｒ１）に設定される。これにより、モータ５１の回転速度が一定に維持されるとともに、バス電圧が上昇する。

時刻ｔ３において、モータ５１のトルクが負のトルクＴｒ３に設定され、モータ５１により回生発電が行われる。これにより、モータ５１の正方向の回転速度が下降するとともに、バス電圧が急激に上昇する。

時刻ｔ４において、バス電圧が所定電圧Ｖ１を超えると、スイッチング素子２６（図１参照）が閉にされ、抵抗２５に回生電流が流れる。これにより、抵抗２５で回生エネルギが熱として消費される。

時刻ｔ５において、モータ５１の回転速度が０になり、モータ５１のトルクが０に設定される。このとき、バス電圧が所定電圧Ｖ１よりも高いため、スイッチング素子２６は閉のまま維持される。

時刻ｔ６において、バス電圧が所定電圧Ｖ１以下になると、スイッチング素子２６が開にされる。時刻ｔ７において、モータ５１のトルクが負のトルクＴｒ３に設定される。時刻ｔ７以降は、モータ５１の回転方向が負方向の状態で、時刻ｔ１〜ｔ７と同様の制御が行われる。

以上のように、時刻ｔ３〜ｔ５のモータ５１により回生発電を行っている期間では、バス電圧が電圧Ｖ０よりも高くなっている。このため、接続点Ｎ０へ電源２０から電力を供給する必要がない。そこで、本実施形態では、制御装置６０は、モータ５１により回生発電が行われていることを条件として、スイッチング素子２２を開に切り替える。そして、制御装置６０は、入力された接続点Ｎ２の電位、すなわち監視された接続点Ｎ１の電位に基づいて、スイッチング素子２２が正常に動作したか否か診断する。

具体的には、スイッチング素子２２が閉になっている場合、すなわち接続点Ｎ１の電位が高電位の場合、制御装置６０は接続点Ｎ２の電位として低電位を入力している。そして、制御装置６０は、モータ５１により回生発電が行われている状態になった場合に、スイッチング素子２２を開にする駆動信号をバッファ回路２３へ出力する。これにより、スイッチング素子２２が開になり、すなわち接続点Ｎ１の電位が低電位になり、制御装置６０が接続点Ｎ２の電位として高電位を入力すれば、スイッチング素子２２が正常に動作したと診断する。一方、スイッチング素子２２が開にならず、すなわち接続点Ｎ１の電位が低電位にならず、制御装置６０が接続点Ｎ２の電位として低電位を入力したままであれば、スイッチング素子２２が正常に動作していないと診断する。要するに、制御装置６０は、ロボット１１の稼働中において、モータ５１により回生発電が行われていることを条件としてスイッチング素子２２を開に切り替えた際に、監視部により監視された接続点Ｎ１の電位が低下した場合に、スイッチング素子２２が正常に動作したと診断する。

なお、回生発電により発電される電圧は、電源２０の電圧よりも高い。このため、スイッチング素子２２が閉に切り替えられていても、電源２０からインバータ回路３０へ電流が流通せず、モータ５１による回生発電の動作に支障をきたさない。また、モータ５１による回生発電時には、ダイオード２１によりインバータ回路３０から接続点Ｎ１及びスイッチング素子２２への電流が遮断される。このため、接続点Ｎ１の電位は、回生発電による影響を受けない。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・制御装置６０によって、モータ５１により回生発電が行われていることを条件として、スイッチング素子２２が開に切り替えられる。モータ５１により回生発電が行われている状態では、電源２０からインバータ回路３０を介してモータ５１へ電力を供給する必要がない。このため、スイッチング素子２２を開に切り替えても、ロボット１１の動作に支障をきたさない。したがって、ロボット１１が長時間継続して稼動される場合であっても、回生発電時にスイッチング素子２２を開に切り替えることにより、所定の頻度でスイッチング素子２２及びバッファ回路２３を診断することができる。

・制御装置６０は、モータ５１により回生発電が行われていることを条件としてスイッチング素子２２を開に切り替えた際に、監視部（４１〜４４）により監視された接続点Ｎ１の電位が低下した場合に、スイッチング素子２２が正常に動作したと診断する。こうした構成によれば、モータ５１による回生発電中に、スイッチング素子２２及びバッファ回路２３が正常に動作したと診断することができる。

・ロボット１１は、２４時間を超えて継続して稼動される。ロボット１１の稼働中には、モータ５１による駆動と回生発電とが行われる。したがって、モータ５１による回生発電中にスイッチング素子２２を開に切り替えることにより、２４時間毎に１回以上の頻度でスイッチング素子２２及びバッファ回路２３を診断することができる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。

・ロボット１１が、２４時間を超えて継続して稼動されない構成であってもよい。その場合であっても、モータ５１により回生発電が行われていることを条件として、スイッチング素子２２を開に切り替えることにより、高頻度でスイッチング素子２２及びバッファ回路２３を診断することができる。また、ロボット１１の停止中に、スイッチング素子２２及びバッファ回路２３の診断を追加して行ってもよい。

・監視部として、接続点Ｎ１の電位を検出する電圧センサを採用することもできる。この場合、スイッチング素子２２が開の場合は、接続点Ｎ１の電位が低電位となり、電圧センサにより検出される電位が低電位となる。一方、スイッチング素子２２が閉の場合は、接続点Ｎ１の電位が電源２０の電圧に応じた高電位となり、電圧センサにより検出される電位が高電位となる。そして、制御装置６０は、モータ５１により回生発電が行われていることを条件としてスイッチング素子２２を開に切り替えた際に、電圧センサにより監視された接続点Ｎ１の電位が低下した場合に、スイッチング素子２２が正常に動作したと診断すればよい。

・制御装置６０（制御部に相当）は、モータ５１により回生発電が行われていることを条件としてスイッチング素子２２（所定スイッチング素子に相当）を開に切り替えた際に、監視部により監視された接続点Ｎ１の電位が低下し、且つその後にスイッチング素子２２を閉に切り替えた際に、監視部により監視された接続点Ｎ１の電位が上昇したことを条件として、スイッチング素子２２が正常に動作したと診断してもよい。こうした構成によれば、スイッチング素子２２を開に切り替えた際の電位低下と、スイッチング素子２２を閉に切り替えた際の電位上昇とを条件として、スイッチング素子２２が正常に動作したと診断される。このため、スイッチング素子２２が正常に動作したか否かを、より確実に診断することができる。さらに、モータ５１による回生発電中にスイッチング素子２２を閉に切り替えれば、回生発電により発電された電圧は電源２０の電圧よりも高いため、スイッチング素子２２に突入電流が流れることを抑制することができる。したがって、スイッチング素子２２を診断する際に、スイッチング素子２２が溶着することを抑制することができる。

・ロボット１１として、多関節ロボットに限らず、モータ５１による駆動と回生発電とを行う任意のロボットを採用することができる。

１１…ロボット、２０…電源、２１…ダイオード、２２…スイッチング素子（所定スイッチング素子）、２３…バッファ回路（回路）、３０…インバータ回路（インバータ）、５１…モータ、６０…制御装置（制御部）、Ｎ１…接続点。

Claims (4)

1. ロボットを動作させるモータに接続されたインバータに対して電源からの電力を供給及び遮断する回路を診断する回路診断装置であって、
   前記インバータに接続され、前記電源から前記インバータへの電流を流通させて前記インバータから前記電源への電流を遮断するダイオードと、
   前記電源と前記ダイオードとの間を開閉する所定スイッチング素子と、
   前記所定スイッチング素子と前記ダイオードとの接続点の電位を監視する監視部と、
   前記監視部により監視された前記電位に基づいて前記所定スイッチング素子が正常に動作したか否か診断し、前記モータにより回生発電が行われていることを条件として前記所定スイッチング素子を開に切り替える制御部と、
   を備えるロボットの回路診断装置。
2. 前記制御部は、前記モータにより回生発電が行われていることを条件として前記所定スイッチング素子を開に切り替えた際に、前記監視部により監視された前記電位が低下した場合に、前記所定スイッチング素子が正常に動作したと診断する請求項１に記載のロボットの回路診断装置。
3. 前記制御部は、前記モータにより回生発電が行われていることを条件として前記所定スイッチング素子を開に切り替えた際に、前記監視部により監視された前記電位が低下し、且つその後に前記所定スイッチング素子を閉に切り替えた際に、前記監視部により監視された前記電位が上昇したことを条件として、前記所定スイッチング素子が正常に動作したと診断する請求項１に記載のロボットの回路診断装置。
4. 前記ロボットは、２４時間を超えて継続して稼動される請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットの回路診断装置。

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