JP2021070078A - 駆動装置、駆動装置の制御方法、ロボット装置、物品の製造方法、制御プログラム及び記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】減速機の状態を高精度に通知することができる駆動装置を提供する。【解決手段】駆動源と、減速機と、駆動源の回転軸または減速機の入力軸の回転角度を検出する第１の角度検出部と、減速機の出力軸の回転角度を検出する第２の角度検出部と、第１の角度検出部と第２の角度検出部とに基づき、減速機にかかる力を算出し、力に基づき減速機の状態を通知する制御部と、を備える、ことを特徴とする駆動装置。【選択図】図５

Description

本発明は、駆動装置に関する。

従来、工業製品などの物品の生産現場などにおいて、様々なロボット装置が使用されており、近年では、より複雑な動作を行えように多軸多関節のロボットアームを備えたロボット装置ないしロボットシステムが普及しつつある。例えば、その一例として、ロボット装置を複数組み合わせて成る、いわゆるロボットセルを用いて工業製品を製造する生産ラインが知られている。この種のロボット装置のロボットアームの構成は、リンクと関節の構造によって、垂直多関節構成、水平多関節構成などのように分類されることがある。しかしながら、関節の基本的構造はいずれも類似しており、変速機（多くの場合減速機）を介して回転駆動源の出力を被駆動側のリンクの回転軸に伝達する構成が用いられる。

特にロボットセル構成の生産ラインでは、ラインを構成するロボットアームが寿命となれば製造工程を中止して、速やかに当該のロボットアームを交換するなどの措置を講じる必要がある。一般に、ロボットアームの寿命は、関節に用いられている変速機の寿命によって支配される。

このため、ロボットアームを用いた物品の生産システムでは、ロボットアームの変速機の寿命を正確に診断する手段が望まれている。変速機の余命が推定できれば、関節のアセンブリ交換や、新品やオーバーホール済みのロボットアームへの換装などの予防的な措置を生産スケジュールに組み込むことができる。これにより、ロボットアームの突然の故障（寿命到来）によって生産ラインが停止するのを防止できる。例えば以下の特許文献１では、エンコーダの回転角度情報とモータの駆動電流値から減速機の出力トルクを求め寿命判定を行う技術が提案されている。

特開平７−１０７７６７号公報

上記特許文献１では減速機の寿命診断の診断方法としてロボットアームで一般的に使われる波動歯車減速機内のベアリングの寿命から減速機の寿命を決定している。しかしながら、波動歯車減速機の寿命はベアリングの寿命の他にも、弾性変形を繰り返す出力軸側のフレックススプラインと呼ばれる部品の寿命が大きく影響する。また、モータ電流値から減速機の出力トルクを計測する方法は精度が低く、減速機の実際の消耗具合に対して推定する寿命期間は短くなってしまう。

以上の課題を鑑み、本発明は減速機の状態を高精度に通知することができる駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明においては、駆動源と、減速機と、前記駆動源の回転軸または前記減速機の入力軸の回転角度を検出する第１の角度検出部と、前記減速機の出力軸の回転角度を検出する第２の角度検出部と、前記第１の角度検出部と前記第２の角度検出部とに基づき、前記減速機にかかる力を算出し、前記力に基づき前記減速機の状態を通知する制御部と、を備える、ことを特徴とする駆動装置を採用した。

本発明によれば、減速機の状態を高精度に通知することができる。

実施形態におけるロボット装置１００の概略構成を示す斜視図である。 実施形態におけるロボット装置１００のブロック図である。 実施形態における関節Ｊ_２の概略構成を示す斜視図である。 実施形態における減速機２４２と出力軸エンコーダ２２２の詳細図である。 実施形態におけるＣＰＵ４０１により制御されるブロックを示した制御ブロック図である。 実施形態におけるひずみΔθの経時変化のグラフである。 実施形態におけるＣＰＵ４０１により制御されるブロックを示した制御ブロック図である。 実施形態における荷重がかかった際の出力軸エンコーダ２２２の模式図である。 実施形態における出力軸エンコーダ２２２の出力信号を示すグラフである。 実施形態における荷重Ｆｒの経時変化のグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも一例であり、細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更できる。また、本実施形態で取り上げる数値は参考数値であって本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態におけるロボット装置１００を、ＸＹＺ座標系のある方向から見た平面図である。なお以下の図面において、図中の矢印Ｘ、Ｙ、Ｚはロボット装置１００全体の座標系を示す。一般に、ロボット装置を用いたロボットシステムでは、ＸＹＺ３次元座標系は、設置環境全体のグローバル座標系の他に、制御の都合などによって、ロボットハンド、指部などに関して適宜ローカル座標系を用いる場合がある。本実施形態ではロボット装置１００全体の座標系をＸＹＺ、ローカル座標系をｘｙｚで表すものとする。

図１に示すように、ロボット装置１００は、多関節のロボットアーム本体２００、ロボットハンド本体３００、ロボットアーム本体２００の動作を制御するロボットアーム制御装置４００を備えている。

また、ロボットアーム制御装置４００に教示データを送信する教示装置としての外部入力装置５００を備えている。外部入力装置５００の一例としてティーチングペンダントが挙げられ、作業者がロボットアーム本体２００やロボットハンド本体３００の位置を指定するのに用いる。

本実施形態では、エンドエフェクタとしてロボットアーム本体２００の先端部に設けられるものが、ロボットハンドである場合について説明するが、これに限定するものではなく、ツール等であってもよい。

ロボットアーム本体２００は、複数のリンク２０１〜２０６が各関節Ｊ_１〜Ｊ_６で回転可能に連結されている。ここで、ロボットアーム本体２００の基端側から先端側に向かって、リンク２０１〜２０６が順に直列に連結されている。ロボットアーム本体２００の基端となるリンク２０１は、基台２１０に設けられている。ロボットハンド本体３００は、部品やツール等の対象物を把持するものである。本実施形態のロボットハンド本体３００は詳細不図示の駆動機構により２本の指部３０１を開閉し、対象物の把持ないし開放を行う。対象物をロボットアーム本体２００に対して相対的に変位させないように把持できれば良い。

ロボットハンド本体３００はリンク２０６に接続され、リンク２０６が回転することで、ロボットハンド本体３００も回転させることができる。

ロボットアーム本体２００は、複数の関節、例えば６つ関節（６軸）を有している。ロボットアーム本体２００は、各関節Ｊ_１〜Ｊ_６を各回転軸Ａ_１〜Ａ_６まわりにそれぞれ回転駆動させる複数（６つ）のサーボモータ２１１〜２１６を有している。

垂直多関節ロボットでは、シリアルリンク構造になっており、設けている関節の回転運動方向が２種類ある。一つはリンク長手方向と略回転軸方向が一致する旋回関節、もう一つはリンク長手方向に対して略直行して回転する屈曲関節である。本実施形態では、Ｊ_１とＪ_４とＪ_６が旋回関節、Ｊ_２とＪ_３とＪ_５が屈曲関節として構成する。

ロボットアーム本体２００は、可動範囲の中であれば、任意の３次元位置で任意の３方向の姿勢に、ロボットアーム本体２００のエンドエフェクタ（ロボットハンド本体３００）を向けることができる。

ここで、ロボットアーム本体２００の手先とは、本実施形態では、ロボットハンド本体３００のことである。ロボットハンド本体３００が物体を把持している場合は、ロボットハンド本体３００と把持している物体（例えば部品やツール等）とを含めてロボットアーム本体２００の手先という。

つまり、ロボットハンド本体３００が物体を把持している状態であるか物体を把持していない状態であるかにかかわらず、エンドエフェクタであるロボットハンド本体３００を手先という。

以上の構成により、ロボットアーム本体２００によりロボットハンド本体３００を任意の位置に動作させ、所望の作業を行わせることができる。所望の作業とは例えば、対象物同士を組み付け物品の製造を行う等の作業である。

図２は、本実施形態におけるロボット装置１００の構成を示すブロック図である。ロボットアーム制御装置４００は、コンピュータで構成されており、制御部（処理部）としてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０１を備えている。

また制御装置４００は、記憶部として、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４０３、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）４０４を備えている。また、制御装置４００は、記録ディスクドライブ４０５、各種のインタフェース４０６〜４０９、４１１、４１２を備えている。

ＣＰＵ４０１には、ＲＯＭ４０２、ＲＡＭ４０３、ＨＤＤ４０４、記録ディスクドライブ４０５、各種のインタフェース４０６〜４０９、４１１、４１２が、バス４１０を介して接続されている。ＲＯＭ４０２には、ＢＩＯＳ等の基本プログラムが格納されている。ＲＡＭ４０３は、ＣＰＵ４０１の演算処理結果等、各種データを一時的に記憶する記憶装置である。

ＨＤＤ４０４は、ＣＰＵ４０１の演算処理結果や外部から取得した各種データ等を記憶する記憶装置であると共に、ＣＰＵ４０１に、演算処理を実行させるためのプログラム４３０を記録するものである。ＣＰＵ４０１は、ＨＤＤ４０４に記録（格納）されたプログラム４３０に基づいてロボット制御方法の各工程を実行する。

記録ディスクドライブ４０５は、記録ディスク４３１に記録された各種データやプログラム等を読み出すことができる。

外部入力装置５００はインタフェース４０６に接続されている。ＣＰＵ４０１はインタフェース４０６及びバス４１０を介して外部入力装置５００からの教示データの入力を受ける。

アーム用モータドライバ２３０は、インタフェース４０９に接続されている。各モータ２１１〜２１６には、モータの回転軸の回転角度を検出するためのエンコーダである入力軸エンコーダ２３１〜２３６がそれぞれ設けられている。ＣＰＵ４０１は、アーム用モータドライバ２３０、インタフェース４０９及びバス４１０を介して各入力軸エンコーダ２３１〜２３６から検出結果を取得する。また、ＣＰＵ４０１は、各関節の指令値のデータを所定時間間隔でバス４１０及びインタフェース４０９を介してアーム用モータドライバ２３０に出力する。また、各リンク２０１〜２０６の回転角度を直接検出するための出力軸エンコーダ２２１〜２２６が、インタフェース４１１およびバス４１０を介してＣＰＵ４０１に接続されている。ＣＰＵ４０１は、インタフェース４１１及びバス４１０を介して各出力軸エンコーダ２２１〜２２６から検出結果を取得する。

同様にハンド用モータドライバ３３０も、インタフェース４１２に接続され、バス４１０を介してＣＰＵ４０１と通信可能に設けられている。ＣＰＵ４０１は、ロボットハンド本体３００の各指部３０１の指令値のデータを所定時間間隔でバス４１０及びインタフェース４１１を介してハンド用モータドライバ３３０に出力する。不図示ではあるが、ロボットハンド本体３００には、指部３０１を駆動させるためのモータを備え、ハンド用モータドライバ３３０に接続されているものとする。

インタフェース４０７には、モニタ４２１が接続されており、モニタ４２１には、ＣＰＵ４０１の制御の下、各種画像が表示される。インタフェース４０８は、書き換え可能な不揮発性メモリや外付けＨＤＤ等の記憶部である外部記憶装置４２２が接続可能に構成されている。

なお本実施形態では、コンピュータ読み取り可能な記録媒体がＨＤＤ４０４であり、ＨＤＤ４０４にプログラム４３０が格納される場合について説明するが、これに限定するものではない。プログラム４３０は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。

例えば、プログラム４３０を供給するための記録媒体としては、ＲＯＭ４０２、記録ディスク４３１、外部記憶装置４２２等を用いてもよい。具体例を挙げて説明すると、記録媒体として、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性メモリ、ＲＯＭ等を用いることができる。

図３、図４は本実施形態におけるロボットアーム本体２００の関節Ｊ_２の詳細図である。図３は関節Ｊ_２の分解斜視図である。図４は関節Ｊ_２の断面図である。

図３に示すように関節Ｊ_２には、モータ２１２と、モータ２１２の回転軸を減速する減速機２４２とが設けられている。モータ２１２は、例えばブラシレスＤＣサーボモータやＡＣサーボモータである。モータ２１２のモータ回転軸２５２の一端部には、モータ回転軸２５２の回転角度を検出するロータリエンコーダである入力軸エンコーダ２３２が設けられている。そして、モータ回転軸２５２の回転に伴って、入力側パルス信号を生成し、図１の制御装置４００に出力する。入力軸エンコーダ２３２は、インクリメンタル型のロータリエンコーダでもよいが、モータ回転軸２５２の所定の回転位置を原点とした絶対角度が検出できるアブソリュート型のロータリエンコーダであるのが望ましい。なお、モータ２１２と入力軸エンコーダ２３２との間には、必要に応じて、電源ＯＦＦ時にリンク２０２の姿勢を保持する等ための不図示のブレーキユニットが設けられているものとする。

モータ回転軸２５２の他端部には、駆動プーリ２６２ａが取付けられている。駆動プーリ２６２ａの回転駆動力は減速機２４２の入力軸２９２にとりつけられた従動プーリ２６２ｂへ、ベルト２７２を介して伝達される。なお、組立作業等を行うロボットアームでは正確な位置決めが求められるので、ベルト２７２は歯付ベルトであることが望ましい。また、本実施形態では入力軸エンコーダ２３２は、モータ回転軸２５２の回転角度を検出しているが、減速機２４２の入力軸２９２の回転角度を検出するエンコーダを用いても構わない。

減速機２４２は、減速比Ｒの波動歯車減速機構が取付けられている。減速機２４２は、ベルト２７２を介して伝達されたモータ２１２の回転角度を減速する。ロボットアームに用いられる減速機としては一般的には波動歯車減速機を用いることが多い。従動プーリ２６２ｂは減速機２４２の入力軸２９２と接続され、リンク２０２は減速機２４２の出力軸２８２と接続される。減速機２４２の出力軸２８２の回転角度が即ち関節Ｊ_２により出力される出力角度である。ベルト２７２による減速、或いは増速がない場合、モータ回転軸２５２の回転は、減速機２４２を介して１／Ｒに減速されリンク２０２に伝達される。本実施形態ではベルト２７２による減速や増速が無いものとする。以上の構成により、ロボットアーム本体２００の関節Ｊ_２は、モータ２１２により減速機２４２を介して駆動される。

次に図４より、減速機２４２は、ウェーブジェネレータ２４２ａ、サーキュラスプライン２４２ｃ、ウェーブジェネレータ２４２ａとサーキュラスプライン２４２ｃとの間に配置されたフレックススプライン２４２ｂとを備えている。ウェーブジェネレータ２４２ａは、入力軸２９２に設けられ、入力軸２９２がモータ２１２に回転させられると、ウェーブジェネレータ２４２ａも回転するように構成されている。

フレックススプライン２４２ｂは、リンク２０２の回転軸である出力軸２８２で連結固定されており、サーキュラスプライン２４２ｃはリンク２０１と結合され、リンク２０２をリンク２０１に対して相対回転できるようにしている。そしてモータ２１２の回転数は、減速機２４２により１／Ｒに減速（減速比Ｒで減速）され、リンク２０１とリンク２０２とが相対的に回転する。このときの減速機２４２の出力軸２８２の回転角度が、実出力角度、即ち関節Ｊ_２が出力する角度となる。

出力軸エンコーダ２２２は、減速機２４２の出力側、すなわち出力軸２８２およびリンク２０１に配置され、リンク２０１とリンク２０２との相対角度を検出する。術力軸エンコーダ２２２は、入力軸エンコーダ２３２に対して減速機２４２の減速比Ｒ倍の分解能を持つことが望ましい。具体的には、出力軸エンコーダ２２２は、関節Ｊ_２の駆動（リンク２０１とリンク２０２との相対移動）に伴って出力側パルス信号を生成し、制御装置４００に対して生成した出力側パルス信号を出力する。なお、入力軸エンコーダ２３２および出力軸エンコーダ２３３は、一般的なロータリエンコーダと同様に、光学式或いは磁気式ロータリエンコーダとして構成することができる。

図４に示すように出力軸エンコーダ２２２は、エンコーダスケール２２２ｃと第１センサ２２２ａと第２センサ２２２ｂで構成される。エンコーダスケール２２２ｃはスリット状の反射部とスリット状の非反射部が交互に、かつ等間隔に配置されたトラックである。２つのセンサ２２２ａ、２２２ｂはそれぞれ光源（不図示）、及び受光素子（不図示）を有し、光源から照射されエンコーダスケール２２２ｃの反射部で反射した光束が受光素子上に照射される位置の変位を検知する。エンコーダスケール２２２ｃは出力軸２８２に取り付けられ、２つのセンサ２２２ａ、２２２ｂはリンク２０１に取り付けられている。エンコーダスケール２２２ｃは出力軸２８２に取り付ける際、出力軸２８２の回転中心となる回転軸Ａ_２と、エンコーダスケール２２２ｃの中心がほぼ一致するように取り付ける。なお図３、図４に示すモータ及び減速機、入力軸エンコーダ、出力軸エンコーダは、関節Ｊ_１、Ｊ_３〜Ｊ_５にもそれぞれ設けられているものとする。

図５は本実施形態におけるＣＰＵ４０１およびＣＰＵ４０１により制御されるブロックを示す制御ブロック図である。図５においても説明の簡略化のため関節Ｊ_２を例に取り説明する。ここで、制御部としてのＣＰＵ４０１は、プログラム４３０を実行することにより、図５に示す各部４０１ａ〜４０１ｅとして機能する。以下、各部の動作について説明する。

図５より指令部４０１ａはプログラム４３０に基づき、ロボットアーム本体２００の各関節Ｊ_１〜Ｊ_６を動作させる指令信号をアーム用モータドライバ２３０へ送信する。アーム用モータドライバ２３０は、指令部４０１ａからの指令信号を受け、ロボットアーム本体２００の各関節に内蔵されているモータ２１１〜２１６に対して、所定の回転角度に動作させるための電圧と電流を供給する。

入力軸エンコーダ２３２は、モータ２１２の回転軸の一端に配置されており、モータ２１２の回転軸の回転に伴ってパルス信号を生成し、指令部４０１ａ、角度誤差演算部４０１ｂに、それぞれ生成したパルス信号を出力する。これにより、指令部４０１ａはモータ２１２をフィードバック制御することができる。同様に出力軸エンコーダ２２２は、減速機２４２の出力側に設けられており、減速機２４２の出力軸の回転に伴ってパルス信号を生成し、角度誤差演算部４０１ｂに、生成したパルス信号を出力する。

角度誤差演算部４０１ｂは入力軸エンコーダ２３２で検出されたモータ２１２の回転角度分のパルス信号をカウントして入力側回転角度θ_ｍを求め、減速比Ｒを用いて、減速機２４２から出力される角度に換算した理論出力角θ_ｔ（＝θ_ｍ÷Ｒ）を演算する。また、出力軸エンコーダ２２２で検出された減速機２４２が出力した回転角度分のパルス信号をカウントし、実出力角（出力側回転角度）θ_ｒを演算する。

本実施形態では、入力軸エンコーダ２３２および出力軸エンコーダ２２２から得られる理論出力角θ_ｔと、実出力角θ_ｒの差を、角度誤差（Δθ）と考える。角度誤差演算部４０１ｂは、理論出力角θ_ｔと、実出力角θ_ｒの差（θ_ｒ−θ_ｔ）から関節（Ｊ_２）の角度誤差Δθを演算する。この角度誤差Δθは主に減速機２４２に加わった力、つまりは回転軸Ａ_２周りにかかる負荷トルクで回転軸Ａ_２周りに変形し、たわむことにより発生し、Δθは減速機２４２のフレックススプライン２４２ｂの変形量であるたわみ量を表す。ひずみ計測部４０１ｃは角度誤差演算部４０１ｂで算出された角度誤差Δθをフレックススプライン２４２ｂのひずみ量として取得している。

図６は減速機２４２の角度誤差Δθの発生パターンを表したグラフである。図６において縦軸は角度誤差Δθ、横軸は時間ｔを表している。時間ｔ１の間に生じる減速機２４２のフレックススプライン２４２ｂに生じるひずみはΔθ１である。その後フレックススプライン２４２ｂは時間ｔ２の間で一定量負荷を受けΔθ２のひずみが生じ、時間ｔ３の間では逆回転方向に減速機２４２が回転し、負荷を受けたためΔθ３のひずみがマイナス方向に生じている。時間ｔ４の間ではひずみΔθ４は見かけ上ゼロであるが、微小にフレックススプライン２４２ｂに存在するひずみ量まで計測される。そしてひずみ記憶部４０１ｄでは図６で示した減速機２４２が刻々と受けるひずみΔθの大きさとその頻度を積算演算し記憶する。

寿命診断部４０１ｅはフレックススプライン２４２ｂが疲労限度と呼ばれる材料の疲労破壊に至る、回転軸Ａ_２の周方向の応力の限界値ΔθＳを記憶している。フレックススプライン２４２ｂに掛かったひずみΔθの大きさとその頻度の積算値と記憶している限界値ΔθＳとを比較することで減速機２４２の寿命推定演算を行う。本実施形態では、各時刻におけるひずみΔθがΔθＳの８０％まで達した回数が１０回以上となれば、減速機２４２は寿命であると判定し、作業者に通知を行う。なお、達した回数が１０回以下であるならば、残りの回数に基づき減速機２４２の残りの寿命を算出して作業者に通知してもよく、警告音を出しても良い。また、ΔθがΔθＳの９０％を超えた場合、回数に関係なく減速機２４２は寿命である、と作業者に通知しても構わない。

以上より、ロボットアーム本体２００の各関節に用いられる減速機の入力側および出力側の回転角度を測定する第１および第２の角度検出部の出力値に基づき、減速機に掛かる負荷トルクによるひずみ量を測定し、減速機の状態を作業者に通知することができる。さらに測定した減速機のひずみ量を積算した値を記録することで、減速機の残りの寿命の推定も行うことができる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、回転軸周りのトルクにより生じるたわみを例にとり説明した。しかしながら本発明は、たわみ以外の変形量を検出することで実施することができる。以下で詳述する。

以下では、第１の実施形態とは異なるハードウェアや制御系の構成の部分について図示し説明する。また、第１の実施形態と同様の部分については上記と同様の構成ならびに作用が可能であるものとし、その詳細な説明は省略するものとする。

図７は本実施形態におけるＣＰＵ４０１およびＣＰＵ４０１により制御されるブロックを示す制御ブロック図である。図７においても説明の簡略化のため関節Ｊ_２を例に取り説明する。図７に示すように本実施形態と第１の実施形態と大きく異なる点は、第１センサ２２２ａ、第２センサ２２２ｂに基づいて荷重を計測する荷重計測部４０１ｆ、荷重記憶部４０１ｇを備えている点である。

ここで、減速機２４２にかかる荷重について図８を説明する。図８は全て出力軸エンコーダ２２２のＹＺ平面図を表しており、図８（ａ）は無負荷時、図８（ｂ）は荷重Ｆｒ１負荷時、図８（ｃ）は荷重Ｆｒ２負荷時に出力軸エンコーダ２２２を示している。減速機の寿命をより精度高く算出するには第１の実施形態で挙げた減速機に掛かる負荷トルクによるたわみの他に、減速機２４２の出力軸２８２の各方向の掛かる外力を計測する。つまり各荷重Ｆｒによるフレックススプライン２４２ｂのたわみも合わせて計測することでより高精度に減速機の状態を判定する。

出力軸２８２に掛かった荷重Ｆｒの計測は出力軸エンコーダ２２２内の第１センサ２２２ａと第２センサ２２２ｂの出力信号に基づき、無負荷時の出力信号と比較することで荷重の大きさを計測する。

図８（ａ）に示すように出力軸エンコーダ２２２はエンコーダスケール２２２ｃと第１センサ２２２ａと第２センサ２２２ｂで構成される。エンコーダスケール２２２ｃはスリット状の反射部とスリット状の非反射部が交互に、かつ等間隔に配置されたトラックである。２つのセンサ２２２ａ、２２２ｂはそれぞれ光源（不図示）、及び受光素子（不図示）を有し、光源から照射されエンコーダスケール２２２ｃの反射部で反射した光束が受光素子上に照射される位置の変位を検知する。エンコーダスケール２２２ｃは出力軸２８２に取り付けられる際、回転軸Ａ_２とエンコーダスケール２２２ｃ中心がほぼ一致するように取付けられている。

この状態から図８（ｂ）または図８（ｃ）のように、出力軸２８２が外部から力（荷重Ｆｒ１、Ｆｒ２）を受けると減速機２４２内のフレックススプライン２４２ｂはたわむ。フレックススプライン２４２ｂがたわむと出力軸２８２に取り付けたエンコーダスケール２２２ｃの中心が、回転軸Ａ_２からずれてしまい、偏芯した状態で回転する。

図８（ｂ）は荷重Ｆｒ１が第１センサ２２２ａ、第２センサ２２２ｂの並び配置に対して平行な方向（−Ｚ方向）に力が掛かり、エンコーダスケール２２２ｃの中心が回転軸Ａ_２から偏芯誤差ε１ずれた状態を示している。また図８（ｃ）は荷重Ｆｒ２が第１センサ２２２ａ、第２センサ２２２ｂの並び配置に対して垂直な方向（＋Ｙ方向）に力が掛かり、エンコーダスケール２２２ｃの中心が回転軸Ａ_２から偏芯誤差ε２ずれた状態を示している。

図９は出力軸エンコーダ２２２の第１センサ２２２ａ、第２センサ２２２ｂの出力信号のグラフである。縦軸は第１センサ２２２ａ、第２センサ２２２の出力信号、横軸は時間を示している。図９（ａ）は外力が無い無負荷時、図９（ｂ）出力軸２８２へ荷重Ｆｒ１が掛かった時、図９（ｃ）は出力軸２８２へ荷重Ｆｒ２が掛かった時を表している。

図９（ａ）より、無負荷時は第１センサ２２２ａの出力信号の半周期はＴ１０で、第２センサ２２２ｂの出力信号の半周期はＴ２０である。予め減速機２４２に全方位から荷重が加わった時の力の大きさと出力信号を計測し記憶しておく。

これに対して図８（ｂ）で示したような荷重Ｆｒ１が掛かった場合、エンコーダスケール２２２ｃは−Ｚ方向へ偏芯誤差ε１だけずれる。これを受けて、第１センサ２２２ａにエンコーダスケール２２２ｃの中心が近づき、第２センサ２２２ｂからはエンコーダスケール２２２ｃの中心が遠ざかる。これにより図９（ｂ）より、第１センサ２２２ａの出力信号の半周期はＴ１１になり、第２センサ２２２ｂの出力信号の半周期はＴ２１なる。

同様に図８（ｃ）で示したような荷重Ｆｒ２が掛かった場合は、エンコーダスケール２２２ｃは＋Ｙ方向へ偏芯誤差ε２だけずれる。これを受けて第１センサ２２２ａ、第２センサ２２２ｂからは共にエンコーダスケール２２２ｃの中心が遠ざかる。これにより図９（ｃ）より、第１センサ２２２ａの出力信号の半周期はＴ１２になり、第２センサ２２２ｂの出力信号の半周期はＴ２２になる。

各荷重は無負荷時の第１センサ２２２ａの出力信号の半周期Ｔ１０の時間差ΔＴの大きさと、各センサの出力信号の半周期Ｔ１０、Ｔ２０を差引いた計算値の＋、−符号から算出する。

例えば荷重Ｆｒ１の場合は、無負荷時の出力信号Ｔ１０との時間差ΔＴ１は下記式、

となり、荷重の向きはＴ１０−Ｔ１１の符号とＴ２０−Ｔ２１の符号の組み合わせから求まる。

また、荷重Ｆｒ２の場合は、無負荷時の出力信号Ｔ１０との時間差ΔＴ２は下記式、

となり、荷重の向きはＴ１０−Ｔ１２の符号とＴ２０−Ｔ２２の符号の組み合わせから求まる。

以上の様に予め減速機の出力軸に加わる荷重とその時の第１センサ２２２ａ、第２センサ２２２ｂの出力信号を計測、記憶しておくことで、未知の荷重を受けた際に記憶した値との差分から計測が可能となる。

図７に戻り、図８、図９を用いて説明した方法により、荷重計測部４０１ｆは第１センサ２２２ａ、第２センサ２２２ｂから取得した出力信号の周期差ΔＴと、周期差を算出した際の符号の組み合わせから予め記憶していた荷重と比較することで荷重が算出される。そして荷重記憶部４０１ｇはフレックススプライン２４２ｂが刻々と受ける荷重とその頻度を積算演算し記憶する。

図１０は減速機２４２の出力軸２８２に生じる方向の荷重の発生パターンを表す。時間ｔ１の間で減速機２４２のフレックススプライン２４２ｂに生じる方向の荷重はＦｒ１である。その後フレックススプライン２４２ｂは時間ｔ２の間で一定量の負荷Ｆｒ２を受け、時間ｔ３の間ではＦｒ３、時間ｔ４の間でＦｒ４、時間ｔｎではＦｒｎの荷重が掛かる。荷重記憶部４０１ｇでは荷重の大きさとその荷重が生じた頻度を積算し記憶している。

寿命診断部４０１ｅは、フレックススプライン２４２ｂが疲労限度と呼ばれる材料の疲労破壊に至る応力の限界値ＦｒＳと荷重負荷記憶部４０１ｇで記憶している荷重の大きさと頻度の積算値とを比較する。記憶しておいた応力限界値ＦｒＳと計測した荷重積算値を第１の実施形で述べたように比較することで荷重での寿命推定演算を行う。

そして第１の実施形態で示したひずみ記憶部４０１ｄからのひずみ量Δθの積算値を元にした推定寿命値と荷重記憶部４０１ｇからの荷重Ｆｒの積算値を元にした推定寿命値のいずれか一方において寿命が近づいた場合、作業者に通知する。寿命診断部４０１ｅは算出した負荷トルクから算出した推定寿命値と荷重から算出した推定寿命値両方を表示し作業者に確認させても良い。

以上より、ロボットアーム本体２００の関節に配置された減速機のフレックススプラインに掛る荷重を、出力軸エンコーダのエンコーダスケール回転時の偏芯誤差εとして第１および第２の角度センサの出力値から測定することができる。よって測定した負荷トルクと荷重の大きさと頻度の積算値を記録し減速機内の寿命推定をすることができ、より減速機の状態を高精度に通知することが可能となる。

上述した種々の実施形態の処理手順は具体的には制御装置４００により実行されるものとして説明した。しかし、上述した機能を実行可能なソフトウェアの制御プログラムおよびそのプログラムを記録した記録媒体を外部入力装置６に搭載させて実施しても良い。従って上述した機能を実行可能なソフトウェアの制御プログラムおよびそのプログラムを記録した記録媒体、通信装置は本発明を構成することになる。

また、上記実施形態では、コンピュータで読み取り可能な記録媒体がＲＯＭ或いはＲＡＭであり、ＲＯＭ或いはＲＡＭに制御プログラムが格納される場合について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。

本発明を実施するための制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。例えば、制御プログラムを供給するための記録媒体としては、ＨＤＤ、外部記憶装置、記録ディスク等を用いてもよい。

（その他の実施形態）
また上述した種々の実施形態では、ロボットアーム本体２００が複数の関節を有する多関節ロボットアームを用いた場合を説明したが、関節の数はこれに限定されるものではない。ロボット装置の形式として、垂直多軸構成を示したが、パラレルリンク型など異なる形式の関節においても上記と同等の構成を実施することができる。

また上述した種々の実施形態では、ロボットアーム本体２００の構成例を各実施形態の例図により示したが、これに限定されるものではなく、当業者において任意に設計変更が可能である。また、ロボットアーム本体２００に設けられる各モータは、上述の構成に限定されるものではなく、各関節を駆動する駆動源は例えば人工筋肉のようなデバイス等であってもよい。

また上述した種々の実施形態は、制御装置に設けられる記憶装置の情報に基づき、伸縮、屈伸、上下移動、左右移動もしくは旋回の動作またはこれらの複合動作を自動的に行うことができる機械に適用可能である。

１００ ロボット装置
２００ ロボットアーム本体
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０５ リンク
２１０ 基台
２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６ モータ
２２２ 出力軸エンコーダ
２２２ａ 第１センサ
２２２ｂ 第２センサ
２２２ｃ エンコーダスケール
２３２ 入力軸エンコーダ
２４２ 減速機
２４２ａ ウェーブジェネレータ
２４２ｂ フレクススプライン
２４２ｃ サーキュラスプライン
２５２ モータ回転軸
２６２ａ 駆動プーリ
２６２ｂ 従動プーリ
２７２ ベルト
２８２ 出力軸
２９２ 入力軸
４００ 制御装置
４０１ｂ 角度誤差演算部
４０１ｃ ひずみ計測部
４０１ｄ ひずみ記憶部
４０１ｅ 寿命診断部
４０１ｆ 荷重計測部
４０１ｇ 荷重記憶部

Claims (12)

1. 駆動源と、
   減速機と、
   前記駆動源の回転軸または前記減速機の入力軸の回転角度を検出する第１の角度検出部と、
   前記減速機の出力軸の回転角度を検出する第２の角度検出部と、
   前記第１の角度検出部と前記第２の角度検出部とに基づき、前記減速機にかかる力を算出し、前記力に基づき前記減速機の状態を通知する制御部と、を備える、
   ことを特徴とする駆動装置。
2. 請求項１に記載の駆動装置において、
   前記制御部は、
   前記力に基づき前記減速機の変形量を算出し、前記力と前記変形量に基づき前記減速機の状態を通知する、
   ことを特徴とする駆動装置。
3. 請求項２に記載の駆動装置において、
   前記制御部は、
   前記所定の力または前記変形量の値が所定の値となった回数に基づき前記減速機の状態を通知する、
   ことを特徴とする駆動装置。
4. 請求項３に記載の駆動装置において、
   前記制御部は、
   前記回数が、所定の回数となった場合、前記減速機は使用できない、と通知する、
   ことを特徴とする駆動装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の駆動装置において、
   前記力は前記出力軸の回転方向にかかるトルクであり、
   前記変形量は前記出力軸の回転方向に生じるたわみである、
   ことを特徴とする駆動装置。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の駆動装置において、
   前記力は前記出力軸の回転軸に直行する方向にかかる荷重であり、
   前記変形量は前記回転軸における前記直行する方向の変位である、
   ことを特徴とする駆動装置。
7. 請求項６に記載の駆動装置において、
   前記第２の角度検出部は、第１センサと第２センサとを備え、
   前記制御部は、
   前記第１センサと前記第２センサの出力信号の周期に基づいて前記荷重を算出する、
   ことを特徴とする駆動装置。
8. 駆動源と、
   減速機と、
   前記駆動源の回転軸または前記減速機の入力軸の回転角度を検出する第１の角度検出部と、
   前記減速機の出力軸の回転角度を検出する第２の角度検出部と、を備えた駆動装置の制御方法であって、
   制御部が、
   前記第１の角度検出部と前記第２の角度検出部とに基づき、前記減速機にかかる力を算出し、前記力に基づき前記減速機の状態を通知する、
   ことを特徴とする制御方法。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の駆動装置を備えたロボット装置。
10. 請求項９に記載のロボット装置を用いて物品の製造を行うことを特徴とする物品の製造方法。
11. 請求項８に記載の制御方法を実行可能な制御プログラム。
12. 請求項１１に記載の制御プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。

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