JP2024050223A - ロボットおよびロボットの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動作における位置精度の高いロボットを提供すること。【解決手段】第１構造体と、前記第１構造体に対し相対的に回転可能に設けられる第２構造体と、前記第１構造体に配置され、前記第１構造体に対し前記第２構造体を相対的に回転駆動する駆動源と、前記駆動源に接続された入力軸、前記第２構造体に接続された出力軸および前記入力軸と前記出力軸との間に設置された歯車部を有し、前記駆動源の回転を減速して前記第２構造体に伝達する減速機と、前記入力軸の回転速度が所定の値以下となった場合に前記出力軸に対し荷重をかける荷重付与部と、を有することを特徴とするロボット。【選択図】図４

Description

本発明は、ロボットおよびロボットの制御方法に関する。

特許文献１に記載されているロボットは、ベースと、ベースに対し回転するアームと、アームを回転させるモーターと、ベースとアームとの間に設けられている減速機とを有している。減速機は、入力軸と、出力軸と、歯車列と、を有し、入力軸の回転速度を歯車列で減速し、出力軸より出力する。このような減速機では、歯車列の各歯車間には、バックラッシュ、いわゆる遊びが存在する。

特開２００５－１７７９１４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているロボットでは、ロボットアームの駆動を停止しようとする際、モーターが停止しても、バックラッシュによる遊び分、ロボットアームが若干余計に回転しまう。このため、ロボットアームの位置精度の低下を招くという問題がある。

本発明のロボットは、第１構造体と、
前記第１構造体に対し相対的に回転可能に設けられる第２構造体と、
前記第１構造体に配置され、前記第１構造体に対し前記第２構造体を相対的に回転駆動する駆動源と、
前記駆動源に接続された入力軸、前記第２構造体に接続された出力軸および前記入力軸と前記出力軸との間に設置された歯車部を有し、前記駆動源の回転を減速して前記第２構造体に伝達する減速機と、
前記入力軸の回転速度が所定の値以下となった場合に前記出力軸に対し荷重をかける荷重付与部と、を有することを特徴とする。

本発明のロボットの制御方法は、第１構造体と、
前記第１構造体に対し相対的に回転可能に設けられる第２構造体と、
前記第１構造体に配置され、前記第１構造体に対し前記第２構造体を相対的に回転駆動する駆動源と、
前記駆動源に接続された入力軸、前記第２構造体に接続された出力軸および前記入力軸と前記出力軸との間に設置された歯車部を有し、前記駆動源の回転を減速して前記第２構造体に伝達する減速機と、を備えるロボットの制御方法であって、
前記入力軸の回転速度に関する情報を取得する第１ステップと、
前記入力軸の回転速度が所定の値以下となったか否かを判断する第２ステップと、
前記入力軸の回転速度が所定の値以下となった場合に前記出力軸に対し荷重をかける第３ステップと、を有することを特徴とする。

第１実施形態に係るロボットシステムの全体図である。 ロボットの断面図である。 荷重付与部である制動部の縦断面図である。 制動部の縦断面図である。 図３中のＢ－Ｂ線断面図である。 図４中のＢ’－Ｂ’線断面図である。 図５中の矢印Ｃ方向から見た図である。 第２実施形態に係るロボットシステムのブロック図である。 図８に示すロボットシステムが備える制動部の概略構成図である。 図８に示すロボットの制御方法を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明のロボットおよびロボットの制御方法を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るロボットシステムの全体図である。図２は、ロボットの断面図である。図３は、荷重付与部である制動部の縦断面図である。図４は、制動部の縦断面図である。図５は、図３中のＢ－Ｂ線断面図である。図６は、図４中のＢ’－Ｂ’線断面図である。図７は、図５中の矢印Ｃ方向から見た図である。

なお、図１および図２中の上下方向は、鉛直方向と一致しており、図１、図２、図３、図４および図７中の上側を「上」、下側を「下」とも言う。また、本明細書において、「鉛直」とは、鉛直と一致している場合のみならず、鉛直に対して若干、例えば±１０°以内傾斜している場合も含む意味である。また、本明細書において、「平行」とは、２つの対象が平行と一致している場合のみならず、平行から若干、例えば±１０°以内傾斜している場合も含む意味である。

図１に示すロボットシステム１は、ロボット２と、ロボット２の駆動を制御するロボット制御装置９と、を有している。

＜ロボット２＞
本実施形態におけるロボット２は、スカラロボットであり、例えば、電子部品等のワークの保持、搬送、組立および検査等の各作業で用いられる。ただし、ロボット２の用途は、特に限定されない。また、ロボット２は、スカラロボット以外、例えば、６軸多関節ロボット、双腕ロボット等であってもよい。

図１に示すように、ロボット２は、ベース２１と、ベース２１に対し回転可能に接続されているロボットアーム２２と、を有している。また、ロボットアーム２２は、基端部がベース２１に接続され、ベース２１に対して鉛直方向に沿う第１回動軸Ｊ１まわりに回転する第１アーム２３と、基端部が第１アーム２３の先端部に接続され、第１アーム２３に対して鉛直方向に沿う第２回動軸Ｊ２まわりに回動する第２アーム２４と、を有している。本実施形態では、ベース２１は第１構造体に相当し、第１アーム２３は第２構造体に相当する。

第２アーム２４の先端部には作業ヘッド２５が設けられている。作業ヘッド２５は、第２アーム２４の先端部に同軸的に配置されているスプラインナット２５１およびボールネジナット２５２と、スプラインナット２５１およびボールネジナット２５２に挿通されているスプラインシャフト２５３と、を有している。スプラインシャフト２５３は、第２アーム２４に対して、その中心軸であり鉛直方向に沿う第３回動軸Ｊ３まわりに回転可能で、かつ、第３回動軸Ｊ３に沿って昇降可能である。

スプラインシャフト２５３の下端部には、エンドエフェクター２６が装着されている。エンドエフェクター２６は、着脱自在であり目的の作業に適したものが適宜選択される。

ロボット２は、ベース２１と第１アーム２３とを連結し、ベース２１に対して第１アーム２３を第１回動軸Ｊ１まわりに回動させる第１関節アクチュエーター２７と、第１アーム２３と第２アーム２４とを連結し、第１アーム２３に対して第２アーム２４を第２回動軸Ｊ２まわりに回動させる第２関節アクチュエーター２８と、を有している。また、ロボット２は、スプラインナット２５１を回転させてスプラインシャフト２５３を第３回動軸Ｊ３まわりに回転させる第１駆動機構２９１と、ボールネジナット２５２を回転させてスプラインシャフト２５３を第３回動軸Ｊ３に沿った方向に昇降させる第２駆動機構２９２と、を有する。

次に、第１関節アクチュエーター２７について詳細に説明する。図２に示すように、第１関節アクチュエーター２７は、ベース２１と第１アーム２３とを接続している減速機３と、減速機３と第１アーム２３との間に介在しているアダプター４と、駆動源であるモーターＭと、モーターＭと減速機３とを接続している動力伝達機構５と、を有している。

減速機３は、ベース２１に固定され、第１アーム２３にモーターＭの駆動力を伝達する。図２に示すように、減速機３は、筐体筒３０と、入力軸３５と、筐体筒３０に収容されている歯車部３３と、出力軸である出力部３２と、を有している。なお、筐体筒３０、歯車部３３、および出力部３２は図示しない。

歯車部３３は複数の歯車を有しており、入力軸３５および出力部３２とそれぞれ噛み合っている。モーターＭからの駆動力により入力軸３５が回転すると、歯車部３３で減速されて、出力軸である出力部３２から出力され、出力側において減速比に比例したトルクを得ることができる。

なお、減速機３は、図示の構成に限定されず、例えば、減速機３から入力軸３５を省略し、モーターＭの駆動力で歯車部３３を回転させる構成であってもよい。なお、減速機３としては、上述の構成に限定されず、例えば、偏心揺動型、遊星歯車型、波動歯車型等であってもよい。

動力伝達機構５は、動力源であるモーターＭの駆動力を減速機３の入力軸３５に伝達する。動力伝達機構５は、モーターＭの出力軸Ｍ１に接続されている第１プーリー５１と、減速機３の入力軸３５に接続されている第２プーリー５２と、第１プーリー５１、第２プーリー５２間に掛け回されているエンドレスベルト５３と、を有している。ただし、動力伝達機構５の構成としては、特に限定されない。また、動力伝達機構５を省略して、モーターＭの出力軸Ｍ１を直接、減速機３の入力軸３５に接続してもよい。

図２に示すように、アダプター４は、減速機３と第１アーム２３との間に介在している。アダプター４は、円盤状であり、表裏関係にある上面４１および下面４２を有している。なお、上面４１は、第１アーム２３に臨む面であり、下面４２は、減速機３に臨む面である。そして、アダプター４は、上面４１において第１アーム２３の筐体２３０と固定されており、下面４２において減速機３の出力部３２と固定されている。アダプター４は、減速機３の出力軸である出力部３２に固定されているため、広義の意味で減速機３の出力軸と言うことができる。よって、以下、アダプター４を減速機３の出力軸として説明する。

なお、アダプター４は、第１アーム２３および減速機３にそれぞれネジ止めされているが、固定方法は、特に限定されない。

また、アダプター４は、上面４１と下面４２とを貫通する第１孔４３を有している。第１孔４３は、上面４１に開口する有底の第１凹部４３１と、第１凹部４３１の底面と下面４２とを貫通し、第１凹部４３１よりも開口が小さい第１貫通孔４３２と、を有している。また、第１孔４３は、第１回動軸Ｊ１に沿う方向からの平面視で、供給孔３２３の開口と重なっており、第１貫通孔４３２が供給孔３２３と連通している。

また、アダプター４は、第１貫通孔４３２に接続されている第１継手４Ａを有している。また、第１継手４Ａは、第１凹部４３１に収容されている。つまり、第１継手４Ａの上端は、アダプター４の上面４１よりも下側に位置している。このように、第１継手４Ａをアダプター４の上面４１から突出させないことにより、例えば、後述するような手順でロボット２を組み立てる際に、第１継手４Ａがベース２１や第１アーム２３と干渉してこれらを傷付けたり、第１継手４Ａが邪魔で減速機３の組み付け作業が難しくなったりするのを効果的に抑制することができる。

また、第１継手４Ａにはチューブ６の一端部が接続されている。減速機３内の潤滑剤Ｇを交換する際は、チューブ６を介して供給孔３２３から減速機３内に潤滑剤Ｇが供給され、新たな潤滑剤Ｇが供給されることによって減速機３内の古い潤滑剤Ｇが排出孔３６１から排出される。このように、チューブ６を用いることにより、減速機３への潤滑剤Ｇの供給が容易となる。

また、アダプター４は、上面４１と下面４２とを貫通する第２孔４４を有している。第２孔４４は、上面４１に開口する有底の第２凹部４４１と、第２凹部４４１の底面と下面４２とを貫通し、第２凹部４４１よりも開口が小さい第２貫通孔４４２と、を有している。また、第２孔４４は、第１回動軸Ｊ１と同軸的に配置されている。

また、第２孔４４には、上面４１側から筒部８が挿通されている。筒部８は、筒状の本体８１と、本体８１の上端部に形成されているフランジ８２と、を有している。本体８１は、第２貫通孔４４２よりも小径であり、第２孔４４および減速機３に挿通され、減速機３を貫通している。これに対して、フランジ８２は、第２貫通孔４４２よりも大径であり、第２貫通孔４４２を通過することができず、第２凹部４４１の底面に当接している。そして、筒部８は、フランジ８２においてネジＢ２によって第２凹部４４１の底面に固定されている。

以上、第１関節アクチュエーター２７について説明した。このような減速機３では、各部材にバックラッシュ、いわゆる遊びが存在する。特に、歯車部３３では、各歯車の噛み合い部分に遊びが存在する。この遊びにより、各歯車が円滑に回転する一方で、稼働しているロボットアーム２２を停止しようとする際、例えば、ベース２１に対する第１アーム２３の回転を停止する際、モーターＭを停止しても、遊び分、若干余計に回転しまう。このため、ロボットアーム２２の位置精度の低下を招いてしまう。

本発明では、ロボットアーム２２の停止の際、遊びによる余分な回転をキャンセルし、ロボットアーム２２の位置精度を高めることができる。以下、このことについて説明する。

図２、図３～図７に示すように、アダプター４は、ベース２１の上端部に設置されており、アダプター４とベース２１との間には、荷重付与部である制動部７が設けられている。制動部７は、入力軸３５の回転速度が所定の値以下となった場合に出力軸であるアダプター４に対し荷重をかける機能を有する。

制動部７は、アダプター４の回転速度に応じて継断する、いわゆるクラッチで構成される継断部７Ａと、継断部７Ａが継状態のときアダプター４に荷重をかける制動要素７Ｂと、を有する。継断部７Ａが継状態のとき、すなわちクラッチが繋がっているときはアダプター４に対し荷重がかかった状態となり、継断部７Ａが断状態のとき、すなわちクラッチが切れているときは、荷重がかかっていない状態となる。

図３～図６に示すように、継断部７Ａは、アダプター４に接続されたリング状の第１部材７１と、第１部材７１の外周で、かつ第１部材７１と同心的に配置されたリング状の第２部材７２と、第１部材７１と第２部材７２との間に第１部材７１の周方向に沿って配置された複数のボール７３と、ボール７３の下部に配置されたボール受けリング７４と、ボール受けリング７４を上方へ向けて付勢する付勢部材７５と、を有する。

第１部材７１は、アダプター４の外周面に固定された筒状部７１１と、筒状部７１１の上端部に設けられたフランジ部７１２と、筒状部７１１の外周部から外方へ向かって放射状に突出する複数の突出部７１３と、を有する。各突出部７１３は、フランジ部７１２の下方に位置している。

図５および図６に示すように、各突出部７１３は、第１部材７１の径方向に沿って延在している。また、突出部７１３は、筒状部７１１の周方向に沿って等間隔で設けられている。図７に示すように、突出部７１３は、フランジ部７１２の下面より下方に向かって突出し、その幅が下方に向かって漸減している。

この第１部材７１は、筒状部７１１の内周部がアダプター４と固定されている。このため、第１部材７１は、アダプター４とともに回転する。

図３および図４に示すように、内輪である第１部材７１の外周部には、外輪である第２部材７２が設置されている。第２部材７２は、筒状部７２１と、筒状部７２１の内周部から中心軸に向かって突出する複数の突出部７２２と、各突出部７２２の上側を覆う天板７２３と、を有する。

各突出部７２２は、第２部材７２の径方向に沿って延在している。また、突出部７２２は、筒状部７２１の周方向に沿って等間隔で設けられている。突出部７２２は、第２部材７２の中心軸方向から見たとき、その幅が中心軸に向かって細くなる形状をなしている。また、突出部７２２の数は、突出部７１３の数と同じである。

天板７２３は、第１部材７１のフランジ部７１２の上方に位置する。図３に示すように、天板７２３は、後述する継状態では、第１部材７１のフランジ部７１２と干渉する。

図５および図６に示すように、第１部材７１の突出部７１３と、第２部材７２の突出部７２２とは、継断部７Ａの周方向における位置が同じである。隣り合う一対の突出部７１３と、隣り合う一対の突出部７２２との間にボール７３が収納されており、これらで画成された空間が収納空間Ｓとなっている。ボール７３は、収納空間Ｓ内で、継断部７Ａの径方向、すなわち突出部７１３および突出部７２２の突出方向に移動することができる。ボール７３は、図６に示すように、収納空間Ｓ内の第１部材７１側に位置する状態と、図５に示すように、収納空間Ｓ内の第２部材７２側に位置する状態と、をとり得る。このことに関しては後に詳述する。

ボール受けリング７４は、突出部７２２の下方に、突出部７２２とは離間して設けられている。ボール受けリング７４は、継断部７Ａの中心軸から遠ざかるにつれて下がるように傾斜した傾斜面７４１を有する。ボール７３は、傾斜面７４１に当接しており、ボール受けリング７４の上方への付勢により、ボール７３は外方へ、すなわちボール受けリング７４の中心軸から遠ざかる方向へ付勢される。

このようなボール受けリング７４は、第１部材７１の筒状部７１１の外周部に沿って上下方向に移動可能に構成されている。

付勢部材７５は、ボール受けリング７４を上側に向かって付勢している。付勢部材７５は、図示の構成では、コイルばねで構成されている。ただし、この構成に限定されず、例えば、板バネやゴムブッシュ等であってもよい。

制動要素７Ｂは、本実施形態では、リング状または円筒状のブレーキパッドで構成される。制動要素７Ｂは、その外周部がベース２１に固定されている。また、制動要素７Ｂの内周部には、第２部材７２の筒状部７２１が接触している。なお、第２部材７２は、制動要素７Ｂと接触した状態で回転可能である。

制動要素７Ｂの構成材料は、特に限定されず、例えば、各種摩擦材、織布、不織布、金属板、樹脂板、セラミックス板等が挙げられる。

なお、図示の構成とは異なり、制動要素７Ｂに代えて、電磁ブレーキを用いてもよい。この場合、動作開始時にはブレーキがかからず、停止動作時にブレーキを発動させることができる。よって、より効果的に停止位置の位置精度を高めることができる。

このような継断部７Ａは、図３および図５に示すように、第１部材７１および第２部材７２が接続された継状態と、図４および図６に示すように、第１部材７１および第２部材７２の接続が解除された断状態と、をとり得る。継状態および断状態は、入力軸３５の回転速度に応じて切り替わる。換言すれば、継状態および断状態は、出力軸であるアダプター４の回転速度に応じて切り替わる。

（断状態：図４、図６）
アダプター４が所定方向に回転しているとき、第１部材７１もアダプター４と同方向、同速度で回転する。継状態では、図６中のボール７３が破線の位置に位置し、断状態では、ボール７３が実線の位置に位置する。アダプター４の回転速度が、所定の値、すなわちしきい値Ｃを超えるように加速すると、アダプター４に固定される第１部材７１とアダプター４に直接固定されない第２部材７２との間で、慣性により大きな相対加速度が生じ、第２部材７２は第１部材７１およびボール７３に対し相対回転する。ボール７３は、第２部材７２に押されて力を受けるが、第２部材７２の側面７２４が径方向に対して傾斜しているため、ボール７３は、側面７２４に沿って図６中矢印方向、すなわち、径方向内側に移動する。これにより、ボール７３は、第２部材７２の突出部７２２側から離脱し、第１部材７１の隣接する突出部７１３、７１３間に移行する。この状態では、図４に示すように、ボール７３は、傾斜面７４１を押圧する。この押圧により、ボール受けリング７４は、付勢部材７５の付勢力に抗して下方に移動する。これにより、第１部材７１が第２部材７２の天板７２３に押し付けられる力が弱まり、第１部材７１のフランジ部７１２および第２部材７２の天板７２３との接触圧が弱まる。よって、第１部材７１は、第２部材７２と干渉せず、第２部材７２に対して空回りすることとなる。その結果、制動要素７Ｂに接続された第２部材７２から荷重を受けることなく第１部材７１およびアダプター４が回転することができる。

このような断状態では、アダプター４、第１部材７１およびボール７３は回転していて、第２部材７２は、止まっているか、第１部材７１よりも遅い速度で回転している。

なお、第１部材７１がしきい値Ｃを超える回転速度で回転し続けていると、ボール７３が第２部材７２側へ戻ろうとしても、突出部７２２の先端、内側の面に衝突して第２部材７２側へ移行することはない。

前記しきい値Ｃは、制動部７の基本構造や、制動部７を構成する各部品の形状、寸法、重量、材質等の諸条件の選択により、適宜設定することができる。前記しきい値は、例えば、１０～３００ｒｐｍ程度とすることができる。

（継状態：図４、図６）
一方、アダプター４の回転速度がしきい値Ｃ以下になると、第２部材７２の相対加速度が小さくなり、ボール７３が突出部７２２の先端、内側の面と衝突しにくくなる。このため、ボール７３は、付勢部材７５の付勢力により、ボール受けリング７４の傾斜面７４１によって径方向外側、すなわち、第２部材７２側に押圧される。よって、ボール７３は、第２部材７２側に移動し、第２部材７２の隣接する突出部７２２、７２２間に入り込んで継状態となる。すなわち、図４に示すように、付勢部材７５の付勢力によってボール７３がフランジ部７１２を上方へ向けて押圧し、フランジ部７１２が第２部材７２の天板７２３に押し付けられる。これにより、第１部材７１と第２部材７２とが干渉し、両者間の摩擦力により第１部材７１の回転力が第２部材７２に伝達され、第１部材７１と第２部材７２とが共に回転する。なお、この回転の際、第２部材７２は、第１部材７１と同方向に回転するが、制動要素７Ｂと接触しているため、第２部材７２の方が第１部材７１よりも回転速度が遅い。

このような継状態では、制動要素７Ｂの荷重が第２部材７２を介して第１部材７１に伝達され、出力軸であるアダプター４に対し荷重がかかる。この荷重は、アダプター４の回転速度には、ほぼ影響しない程度の小さな荷重であり、例えば、アダプター４の回転速度が０．３～２％程度低下する程度、特に０．５～１．２％程度低下する程度である。

アダプター４の回転速度がしきい値Ｃを超えるような速度でロボットアーム２２が稼働している状態、すなわちベース２１に対し第１アーム２３が回転している状態において、ロボットアーム２２を徐々に減速し停止しようとする際、アダプター４の回転速度がしきい値Ｃ以下になると、第１部材７１および第２部材７２が干渉し、継断部７Ａが継状態となり、制動要素７Ｂによりアダプター４に対し回転方向と逆方向の荷重が与えられる。すなわち、出力軸であるアダプター４に対し、回転しようとする方向と反対方向に荷重がかかる、換言すれば、負荷が付与されるため、減速機３の歯車部３３の各歯車等に遊びが無くなるよう、各歯車が噛み合って、減速機３のバックラッシュがキャンセルされる。減速機３のバックラッシュがキャンセルされた状態でロボットアーム２２が停止することにより、ロボットアーム２２は、停止目標位置で精度よく停止することができる。よって、ロボットアーム２２の位置精度を高めることができる。

前述したように、継断部７Ａの継・断を切り替える回転速度のしきい値Ｃは、比較的小さい値であるため、継断部７Ａが継状態となりアダプター４に荷重が作用するタイミングは、ロボットアーム２２が停止する直前、すなわちベース２１に対する第１アーム２３の回転が停止する直前である。ここで、直前とは、停止するまでの時間が例えば０．０１秒以上１秒以下の時間を言う。

この場合、前述したように、ロボットアーム２２を停止する際に制動部７によりアダプター４に対し付与される荷重は、小さい荷重であり、しかも荷重がかかる時間、すなわち停止までの時間も短時間であるため、ロボットアーム２２の停止位置に悪影響を与えることはない。

また、停止しているロボットアーム２２を再度稼働する際には、アダプター４に対し荷重が付与されている状態であるが、小さい荷重であるため、ロボットアーム２２の稼働開始にも悪影響を与えることはない。

以上説明したように、ロボット２は、第１構造体の一例であるベース２１と、ベース２１に配置され、ベース２１に対し相対的に回転可能に設けられる第２構造体の一例である第１アーム２３と、ベース２１に対し第１アーム２３を相対的に回転駆動する駆動源であるモーターＭと、モーターＭに接続された入力軸３５、第１アーム２３に接続された出力軸であるアダプター４および入力軸３５とアダプター４との間に設置された歯車部３３を有し、駆動源であるモーターＭの回転を減速して第１アーム２３に伝達する減速機３と、入力軸３５の回転速度が所定の値であるしきい値Ｃ以下となった場合にアダプター４に対し荷重をかける荷重付与部である制動部７と、を有する。これにより、ロボットアーム２２が停止する際、歯車部３３のバックラッシュがキャンセルされた状態でロボットアーム２２を停止させることができる。よって、ロボットアーム２２の位置精度、特に位置繰り返し精度を高めることができる。

また、上記では、第１構造体をベース２１とし、第２構造体を第１アーム２３としたが、これに限定されず、例えば、第１構造体を第１アーム２３とし、第２構造体をベース２１としてもよく、第１構造体を第１アーム２３とし、第２構造体を第２アーム２４としてもよく、第１構造体を第２アーム２４とし、第２構造体を第１アーム２３としてもよく、第１構造体を第２アーム２４とし、第２構造体を作業ヘッド２５としてもよい。

また、上記では、モーターＭ、減速機３および制動部７は、ベース２１側、すなわち、第１構造体側に設けられている構成について説明したが、本発明ではこれに限定されず、モーターＭ、減速機３および制動部７のうちの少なくとも１つが、第１アーム２３側、すなわち、第２構造体側に設けられている構成であってもよい。

また、上記では、ロボット２は、スカラロボットとして説明したが、本発明ではこれに限定されず、スカラロボット以外、例えば、６軸多関節ロボット、双腕ロボット等であってもよい。

また、制動部７は、第１構造体の一例であるベース２１に対する第２構造体の一例である第１アーム２３の回転が停止する直前に出力軸であるアダプター４が回転している方向と反対方向に荷重をかける。このような構成であると、第１アーム２３の回転が停止する際、アダプター４が回転している方向に沿って荷重をかける構成に比べ、容易かつ正確に荷重を与えることができる。

また、第１アーム２３の回転が停止する直前に荷重が付与されるため、荷重がかかる時間、すなわち停止までの時間が短時間であり、しかもその荷重も比較的小さいため、ロボットアーム２２の停止位置に悪影響を与えることなく、正確な位置に停止することができる。

ただし、本発明では、この構成に限定されず、第１アーム２３の回転が停止する直前にアダプター４が回転している方向に沿って荷重をかける構成であってもよい。このようにアダプター４に対し進行方向に荷重がかかることにより、上述と同様に各歯車が噛み合い、減速機３のバックラッシュがキャンセルされる。この場合、アダプター４は上述と比べて進行方向に所定距離進むこととなるが、進行方向に進む距離を考慮してモーターＭを制御することにより、ロボットアーム２２を正確な位置に停止することができる。

また、前述したように、制動部７は、出力軸であるアダプター４の回転速度に応じて継断する継断部７Ａを有し、継断部７Ａが継がった状態でアダプター４に荷重をかける。これにより、電気的な制御を行うことなく、簡単な構成で、容易かつ正確にアダプター４に荷重をかけることができる。

また、前述したように、継断部７Ａは、出力軸であるアダプター４に接続されたリング状の第１部材７１と、第１部材７１の外周に設置され、制動要素７Ｂに接続されたリング状の第２部材７２と、第１部材７１と第２部材７２との間に周方向に沿って設置され、かつ第１部材７１の径方向に移動し得る複数のボール７３と、を有する。また、ボール７３の径方向の位置に対応して継断が切り替わる。これにより、回転速度に対応した相対加速度の大小を利用して継断が切り替わるという簡単な構成で、上記効果を容易かつ確実に得ることができる。

なお、継断部７Ａとは別で、ロボットアーム２２は、トルクリミッターを有していてもよい。この場合、継断部７Ａとトルクリミッターとは、異なるタイミングでアダプター４に荷重をかける。

＜第２実施形態＞
図８は、第２実施形態に係るロボットシステムのブロック図である。図９は、図８に示すロボットシステムが備える制動部の概略構成図である。図１０は、図８に示すロボットの制御方法を説明するためのフローチャートである。

以下、これらの図を参照しつつ本発明のロボットの第２実施形態について説明するが、以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については説明を省略する。

第２実施形態に係るロボットシステムは、ロボット制御装置９を備えている。図８に示すように、ロボット制御装置９は、ロボット２の駆動を制御する機能を有し、前述したロボット２の各部と電気的に接続されている。ロボット制御装置９は、制御部９１と、記憶部９２と、通信部９３と、を有する。これらの各部は、例えばバスを介して相互に通信可能に接続されている。

制御部９１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成され、記憶部９２に記憶されている動作プログラム等の各種プログラムを読み出し、実行する。制御部９１で生成された信号は、通信部９３を介してロボット２の各部に送信され、ロボット２の各部からの信号は、通信部９３を介して制御部９１で受信される。制御部９１で受信された信号は、所定の処理が施され、記憶部に９２に記憶され、あるいはロボットアーム２２の動作の制御等に利用される。このような制御部９１により、ロボットアーム２２が所定の作業を所定の条件で実行することができる。

記憶部９２は、制御部９１で実行される各種プログラム等を保存する。特に、記憶部９２には、しきい値Ｃ等の各種データ、現在の入力軸３５の回転速度をしきい値Ｃと比較してテンショナー７８の作動を制御する制御プログラム等が記憶されている。この場合、しきい値Ｃは、書き換え可能であったり、複数の異なるしきい値Ｃから選択可能であったししてもよい。

記憶部９２としては、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリー、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性メモリー、着脱式の外部記憶装置等を有する構成のものが挙げられる。

通信部９３は、例えば有線ＬＡＮ（Local Area Network）、無線ＬＡＮ等の外部インターフェースを用いて他の機器との間で信号の送受信を行う。この場合、図示しないサーバーを介して通信を行ってもよく、また、インターネット等のネットワークを介して通信を行ってもよい。

このようなロボット制御装置９は、図１に示すように、ベース２１に設置されている。ただし、この構成に限定されず、ロボット２と離れた位置に設置されていてもよい。

また、ロボット２は、モーターＭの位置情報、すなわち、正逆を含む回転量および角速度を経時的に検出し得る検出器として、エンコーダーＥを有する。このエンコーダーＥとしては、例えばロータリーエンコーダーを用いることができる。

エンコーダーＥは、ロボット制御装置９と電気的に接続されており、エンコーダーＥで検出されたモーターＭの位置情報は、ロボット制御装置９に電気信号として送信される。そして、この位置情報に基づいて、ロボット制御装置９は、図示しないモータードライバーに制御信号を出力し、モーターＭを駆動させる。

なお、エンコーダーＥは、モーターＭの位置情報を検出するものであるが、モーターＭの位置情報と入力軸の位置情報とは対応しているため、エンコーダーＥは、入力軸の回転速度を検出する検出部とも言える。

また、ロボット制御装置９は、エンコーダーＥで検出されたモーターＭの位置情報を経時的に取得し、その情報に基づいて、モーターＭの回転速度を算出することができる。モーターＭの回転速度がわかると、これに対応している減速機３の入力軸３５の回転速度もわかるため、エンコーダーＥは、入力軸３５の回転速度を検出する検出部の構成要素であると言える。

なお、減速機３は、その減速比が既知であるため、エンコーダーＥは、出力軸側に設置されていてもよい。エンコーダーＥは、例えばアダプター４の回転速度を検出するものであってもよい。この場合でも、既知である減速比から、入力軸３５の回転速度を検出することができるからである。

第２実施形態におけるロボット２は、前述した制動部７とは構成が異なる制動部７０を有する。

図９に示すように、制動部７０は、出力軸であるアダプター４の外周に固定された第１ホイール７６Ａと、第１ホイール７６Ａと離間して配置された第２ホイール７６Ｂと、第１ホイール７６Ａおよび第２ホイール７６Ｂに掛け回されたエンドレスベルト７７と、エンドレスベルト７７の張力を調整するテンショナー７８と、を有する。制動部７０は、テンショナー７８によりエンドレスベルト７７の張力を増大させてアダプター４に荷重をかける。

図示の構成では、第１ホイール７６Ａおよび第２ホイール７６Ｂは、共に、スプロケットホイールであり、エンドレスベルト７７は、第１ホイール７６Ａおよび第２ホイール７６Ｂの歯に噛み合うコッグドベルトで構成されている。ただし、これに限定されず、第１ホイール７６Ａおよび第２ホイール７６Ｂは、共に、プーリーであり、エンドレスベルト７７は、プーリーベルトであってもよい。

第１ホイール７６Ａは、主動ホイールであり、第２ホイール７６Ｂは、従動ホイールである。第１ホイール７６Ａが所定方向に回転すると、エンドレスベルト７７を介して第２ホイール７６Ｂも同方向に回転する。

テンショナー７８は、自由回転する移動ホイール７８１と、移動ホイール７８１を移動させる駆動源であるソレノイド７８２とを有する。移動ホイール７８１は、例えばアイドルローラーで構成される。ソレノイド７８２は、ロボット制御装置９と電気的に接続されており、制御部９１により駆動が制御される。

移動ホイール７８１は、エンドレスベルト７７に押し付けられた第１の位置と、エンドレスベルト７７から離間した第２の位置と、を移動する。ソレノイド７８２は、通電、切電に伴って伸長、収縮するピン７８３を有し、このピン７８３の先端部に移動ホイール７８１が回転可能に支持されている。ソレノイド７８２を駆動してピン７８３を伸縮させ、移動ホイール７８１を第１の位置と第２の位置との間で移動させる。

次に、テンショナー７８を有する制動部７０の作動原理について説明する。
移動ホイール７８１が第１の位置に位置しているときは、移動ホイール７８１がエンドレスベルト７７を押圧して張力が高まり、第１ホイール７６Ａおよびこれに固定されたアダプター４に荷重を付与することができる。移動ホイール７８１が第２の位置に位置しているときは、エンドレスベルト７７の張力は、自然状態の張力であり、前記荷重の付与が解除される。

前述したように、ソレノイド７８２は、ロボット制御装置９により、その作動が制御される。ロボット制御装置９は、ロボット２の動作中、エンコーダーＥで検出されたモーターＭの位置情報に基づいてモーターＭの回転速度を算出する。

そして、モーターＭの回転速度から、入力軸３５の回転速度を推定し、入力軸３５の回転速度が前述したしきい値Ｃを超えていると判断された場合、移動ホイール７８１が第２の位置に位置するようソレノイド７８２の作動を制御する。

一方、入力軸３５の回転速度がしきい値Ｃ以下であると判断された場合、移動ホイール７８１が第１の位置に位置するようソレノイド７８２の作動を制御する。これにより、アダプター４に対し、回転しようとする方向と反対方向に荷重が付与される。このような制動部７０の作動により、減速機３の歯車部３３の各歯車に遊びが無くなるよう、各歯車が噛み合って、減速機３のバックラッシュがキャンセルされる。よって、ロボットアーム２２の位置精度を高めることができる。

以上述べたように、ロボット２は、入力軸３５の回転速度を検出する検出部であるエンコーダーＥと、エンコーダーＥの検出結果に応じて制動部７０の駆動を制御する制御部９１とを有する。これにより、電気的な制御により、ロボットアーム２２が停止する際、歯車部３３のバックラッシュがキャンセルされた状態でロボットアーム２２を停止させることができる。よって、ロボットアーム２２の位置精度、特に停止位置の精度を高めることができる。

また、制動部７０は、出力軸であるアダプター４に設置されたホイールである第１ホイール７６Ａと、第１ホイール７６Ａに掛け回されたエンドレスベルト７７と、エンドレスベルト７７の張力を調整するテンショナー７８とを有し、テンショナー７８により張力を増大させて出力軸であるアダプター４に荷重をかける。これにより、簡単な構成で、容易かつ正確にアダプター４に荷重をかけることができる。

本実施形態のような構成であると、荷重をかける状態と、かけない状態とを単に切り替えるだけでなく、回転速度に応じて、移動ホイール７８１の押し付けの程度を調整することができる。よって、回転速度に応じて荷重の程度をより適正に保つことができる。
本実施形態は、電気的な制御により制動部７０を作動させるため、第１実施形態に比べ、しきい値Ｃの設定を容易に調整することができるという利点がある。

なお、本実施形態では、エンコーダーＥで検出されたモーターＭの位置情報に基づいて入力軸３５の回転速度を求める構成であったが、本発明ではこれに限定されず、モーターＭのトルク値や、モーターＭへの通電条件等に基づいて入力軸３５の回転速度を求める構成であってもよい。

また、図示の構成とは異なり、入力軸３５の回転速度がしきい値Ｃ以下でも、しきい値を超えていても、荷重をかける構成であってもよい。

次に、図１０に示すフローチャートを用いて、本発明のロボットの制御方法の一例について説明する。

まず、ステップＳ１０１において、ロボットアーム１０を駆動し、入力軸３５の回転速度を検出する。本実施形態では、エンコーダーＥが検出する位置情報を取得する。

次いで、ステップＳ１０２において、検出した回転速度がしきい値Ｃ以下であるか否かを判断する。ステップＳ１０２において、検出した回転速度がしきい値Ｃ以下であると判断した場合、ステップＳ１０３に移行し、検出した回転速度がしきい値Ｃを超えていると判断した場合、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０３では、出力軸であるアダプター４に荷重を付与する。本ステップでは、前述したように、移動ホイール７８１が第１の位置に位置するようソレノイド７８２の作動を制御する。これにより、アダプター４に対し、回転しようとする方向と反対方向に荷重が付与される。このような制動部７０の作動により、減速機３の歯車部３３の各歯車に遊びが無くなるよう、各歯車が噛み合って、減速機３のバックラッシュがキャンセルされる。よって、ロボットアーム２２の位置精度を高めることができる。

ステップＳ１０４では、ロボットアーム１０の作業が完了したか否かを判断する。ステップＳ１０４において、ロボットアーム１０の作業が完了したと判断した場合、ロボットアーム１０の動作を終了し、ロボットアーム１０の作業が完了していないと判断した場合、ステップＳ１０２に戻り、以下のステップを繰り返す。

以上説明したように、ロボットの制御方法は、第１構造体の一例であるベース２１と、ベース２１に対し相対的に回転可能に設けられる第２構造体の一例である第１アーム２３と、ベース２１に配置され、ベース２１に対し第１アーム２３を相対的に回転駆動する駆動源であるモーターＭと、モーターＭに接続された入力軸３５、第１アーム２３に接続された出力軸であるアダプター４および入力軸３５とアダプター４との間に設置された歯車部３３を有し、駆動源であるモーターＭの回転を減速して第１アーム２３に伝達する減速機３と、を備えるロボットの制御方法である。また、ロボットの制御方法は、入力軸３５の回転速度に関する情報を取得する第１ステップと、入力軸３５の回転速度が所定の値であるしきい値Ｃ以下となったか否かを判断する第２ステップと、入力軸３５の回転速度がしきい値Ｃ以下となった場合にアダプター４に対し荷重をかける第３ステップと、を有する。これにより、ロボットアーム２２が停止する際、歯車部３３のバックラッシュがキャンセルされた状態でロボットアーム２２を停止させることができる。よって、ロボットアーム２２の位置精度、特に位置繰り返し精度を高めることができる。

以上、本発明のロボットおよびロボットの制御方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成、工程は、同様の機能を有する任意の構成、工程に置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物、工程が付加されていてもよい。

１…ロボットシステム、２…ロボット、３…減速機、４…アダプター、４Ａ…第１継手、５…動力伝達機構、６…チューブ、７…制動部、７Ａ…継断部、７Ｂ…制動要素、８…筒部、９…ロボット制御装置、２１…ベース、２２…ロボットアーム、２３…第１アーム、２４…第２アーム、２５…作業ヘッド、２６…エンドエフェクター、２７…第１関節アクチュエーター、２８…第２関節アクチュエーター、３０…筐体筒、３１…外筒部、３２…出力部、３３…歯車部、３５…入力軸、４１…上面、４２…下面、４３…第１孔、４４…第２孔、５１…第１プーリー、５２…第２プーリー、５３…エンドレスベルト、７０…制動部、７１…第１部材、７２…第２部材、７３…ボール、７４…ボール受けリング、７５…付勢部材、７６Ａ…第１ホイール、７６Ｂ…第２ホイール、７７…エンドレスベルト、７８…テンショナー、８１…本体、８２…フランジ、９１…制御部、９２…記憶部、９３…通信部、２３０…筐体、２５１…スプラインナット、２５２…ボールネジナット、２５３…スプラインシャフト、２９１…第１駆動機構、２９２…第２駆動機構、３２３…供給孔、３４３…伝達歯車、３６１…排出孔、４３１…第１凹部、４３２…第１貫通孔、４４１…第２凹部、４４２…第２貫通孔、７１１…筒状部、７１２…フランジ部、７１３…突出部、７２１…筒状部、７２２…突出部、７２３…天板、７２４…側面、７４１…傾斜面、７８１…移動ホイール、７８２…ソレノイド、７８３…ピン、Ｂ２…ネジ、Ｅ…エンコーダー、Ｇ…潤滑剤、Ｊ１…第１回動軸、Ｊ２…第２回動軸、Ｊ３…第３回動軸、Ｍ…モーター、Ｍ１…出力軸、Ｍ４…モーター、Ｓ…収納空間

Claims (7)

1. 第１構造体と、
   前記第１構造体に対し相対的に回転可能に設けられる第２構造体と、
   前記第１構造体に配置され、前記第１構造体に対し前記第２構造体を相対的に回転駆動する駆動源と、
   前記駆動源に接続された入力軸、前記第２構造体に接続された出力軸および前記入力軸と前記出力軸との間に設置された歯車部を有し、前記駆動源の回転を減速して前記第２構造体に伝達する減速機と、
   前記入力軸の回転速度が所定の値以下となった場合に前記出力軸に対し荷重をかける荷重付与部と、を有することを特徴とするロボット。
2. 前記荷重付与部は、前記第１構造体に対する前記第２構造体の回転が停止する直前に前記出力軸が回転している方向と反対方向に荷重をかける請求項１に記載のロボット。
3. 前記荷重付与部は、前記出力軸の回転速度に応じて継断する継断部を有し、
   前記継断部が継がった状態で前記出力軸に荷重をかける請求項１または２に記載のロボット。
4. 前記継断部は、前記出力軸に接続されたリング状の第１部材と、前記第１部材の外周に設置され、制動要素に接続されたリング状の第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に周方向に沿って設置され、かつ前記第１部材の径方向に移動し得る複数のボールと、を有し、
   前記ボールの径方向の位置に対応して継断が切り替わる請求項３に記載のロボット。
5. 前記入力軸の回転速度を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に応じて前記荷重付与部の駆動を制御する制御部とを有する請求項１または２に記載のロボット。
6. 前記荷重付与部は、前記出力軸に設置されたホイールと、前記ホイールに掛け回されたエンドレスベルトと、前記エンドレスベルトの張力を調整するテンショナーとを有し、前記テンショナーにより前記張力を増大させて前記出力軸に荷重をかける請求項５に記載のロボット。
7. 第１構造体と、
   前記第１構造体に対し相対的に回転可能に設けられる第２構造体と、
   前記第１構造体に配置され、前記第１構造体に対し前記第２構造体を相対的に回転駆動する駆動源と、
   前記駆動源に接続された入力軸、前記第２構造体に接続された出力軸および前記入力軸と前記出力軸との間に設置された歯車部を有し、前記駆動源の回転を減速して前記第２構造体に伝達する減速機と、を備えるロボットの制御方法であって、
   前記入力軸の回転速度に関する情報を取得する第１ステップと、
   前記入力軸の回転速度が所定の値以下となったか否かを判断する第２ステップと、
   前記入力軸の回転速度が所定の値以下となった場合に前記出力軸に対し荷重をかける第３ステップと、を有することを特徴とするロボットの制御方法。

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