JP2625325B2 - 階層化ロボット装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は階層化ロボット装置に関
し、適用作業やユーザの要望に応じた各種タイプのロボ
ットを容易に設計・製造することができるようにしたも
のである。

【０００２】

【従来の技術】ロボットは産業界において広く使用され
ている。従来のロボットは、適用範囲がある程度限定さ
れており、その使用目的に応じて最大の機能が発揮でき
るように、各適用範囲ごとにロボットのハード及びソフ
トを有機的に結合して一体的に開発・設計して製造され
ている。つまり、適用する作業に応じたノウハウも含め
て、その作業に適した機能が発揮できるように各適用作
業ごとに専門のロボットの設計・製造をしている。

【０００３】一方、使用者は、専門に開発されたロボッ
トに対し設定条件を変えたりアタッチメントの選択をす
ることにより、ある程度の範囲内において適用範囲を拡
大したり変更することはできる。しかし、使用者が適用
作業を変更し、違う目的にロボットを適用しようとする
と、大幅な変更・改造を要する。一般的には適用作業を
変更したときには、新規にロボットを設計・製造するこ
とが多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来で
は、適用範囲をある程度限定したロボットを開発，設
計，製造していたため次のような問題があった。 （１） ロボットの機能がある範囲に限定されしかもハ
ードとソフトが一体的に構築されているため、使用者の
機能要求変更に対してフレキシブルに対応できない。

【０００５】（２） ハード及びソフトを含めて完成し
たロボットであるため、ロボットの一部を、使用者の有
しているシステムに置き換えることはできない。つまり
例えば使用者が適用作業に応じたコントロールシステム
をすでに有している場合に、ロボットのコントロールシ
ステムを除いたアーム部等と、前記コントロールシステ
ムを接続してロボットを構成することはできない。この
ため使用者にとっては、各適用作業ごとに専用のロボッ
トを多種多様に数多く持つ必要があり、導入コストがか
さみ維持・管理に大変な労力を要する。

【０００６】（３） 上記（２）を製造者側から言う
と、適用作業ごとにロボットを設計・製作する必要があ
るため、多大の時間と労力を要しコストが高くなる。よ
って販売がしにくくなる。

【０００７】本発明は、上記従来技術に鑑み、適用作業
やユーザの要望に応じて最適なロボットを容易に設計・
製造できる階層化ロボットを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、操作部と、操作制御部と、運動制御部と、
サーボドライバと、多軸のアームを有する電動アクチュ
エータ部とに分割されており、 前記操作部は、操作者の
操作に応じてアームの動きを指令する操作信号を出力す
るとともに、前記操作制御部に接続できるコネクタ機能
を有し、 前記操作制御部は、前記操作部又は他機種のユ
ーザ操作部に接続できるコネクタ機能及び前記運動制御
部に接続できるコネクタ機能を有し、操作信号が入力さ
れるとアームの先端が進むべき位置と方向を示す位置・
方向信号を演算して出力し、 前記運動制御部は、前記操
作制御部又は他機種のユーザ操作制御部に接続できるコ
ネクタ機能及び前記サーボドライバに接続できるコネク
タ機能を有し、位置・方向信号が入力されるとアームの
各軸がどのように動いたらよいかを指令する各軸信号を
演算して出力し、 前記サーボドライバは、前記運動制御
部又は他機種のユーザ運動制御部に接続できるコネクタ
機能及び前記電動アクチュエータに接続できるコネクタ
機能を有し、各軸信号が入力されるとこの各軸信号に応
じた電力を電動アクチュエータ部に送り、 前記電動アク
チュエータ部は、前記サーボドライバ又は他機種のユー
ザドライバに接続できるコネクタ機能を有するととも
に、多軸のアームの各軸に備えたモータに電力が供給さ
れることにより作動することを特徴とする。

【０００９】

【作用】ロボット装置が階層化されているため、適用作
業やユーザの要望に応じたレベルのロボットを、必要な
階層部を組み合せるだけで、構成でき、ユーザの有して
いる既存のシステムとの結合もできる。

【００１０】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。

【００１１】まずはじめに本発明の第１の実施例を、図
１を基に説明する。図１に示すように実施例に係るロボ
ット装置は、５つの階層部に分かれている。つまり第１
階層部である電動アクチュエータ部１００と、第２階層
部であるサーボドライバ２００と、第３階層部である運
動制御部３００と、第４階層部である操作制御部４００
と、第５階層部である操作機５００に階層化されて構成
されている。

【００１２】詳細については後で順次説明していくが、
各階層部１００〜５００は、それぞれ各階層において必
要とされる最低限の機能を少なくとも有しており、各階
層部は使用者の要求に応じて最適なものを選択して構成
している。つまり各階層において、機能や能力の異なる
複数の製品を準備しておき、その中から最適なものを選
択して用いているのである。例えば第１階層においては
軸数が３軸や４軸や５軸や６軸のアームを準備してお
き、その中から使用者の要求に合った最適なものを選択
して用いている。ちなみに図１の電動アクチュエータ部
１００では３軸のアーム１０１を用いている。

【００１３】また各階層部相互はインターフェース機能
により電気的に接続されている。しかも、各階層部に入
出力される信号仕様をあらかじめ規定しているので、各
階層部で任意に選択した階層部相互を自由に接続するこ
とができる。

【００１４】次に各階層部１００〜５００に装備される
部材や機能について説明する。

【００１５】電動アクチュエータ部１００には、３軸の
アーム１０１と、各軸に備えたモータ及び位置検出器が
最低限準備されており、必要に応じてブレーキが備えら
れている。この電動アクチュエータ部１００は使用者の
負荷条件や使用条件に合せて選定される。

【００１６】サーボドライバ２００には、電源と、モー
タサーボドライバと、位置検出回路が最低限装備されて
いる。このサーボドライバ２００は電力信号を出力して
電動アクチュエータ部１００を動かすものであり、電動
アクチュエータ部１００のアーム構成に応じて選定され
る。

【００１７】運動制御部３００には、運動制御ＣＰＵ
と、位置制御ソフトと、サーボドライバ２００との通信
ソフトが最低限装備されている。この運動制御部３００
は、上位階層部から送られてくる動作指令に基づき軸構
成に応じた最適なアーム動作（各アクチュエータ軸角
度）を制御する。

【００１８】操作制御部４００には、操作制御ＣＰＵ，
操作機インターフェース（Ｉ／Ｆ），モード制御ソフ
ト，異常時インタロック制御ソフトが装備される。この
操作制御部４００は、上位階層の操作機５００の指令に
合せて下位階層の運動制御部３００と通信して指令を出
力する。

【００１９】操作機５００は、アームを操作する指令を
作るところであり、使用者の要求に応じて、ジョイステ
ィック５０１，ハンディターミナル５０２，タッチパネ
ル５０３，音声認識装置５０４等の中から、一つ又は、
複数が選択されたものである。この選択は、作業のしや
すさ、操作性など使用者の要求により自由に行うことが
できる。

【００２０】上述した階層部１００〜５００を用いたロ
ボット装置では、次のようにして信号伝送が行なわれて
アームの動作が行なわれる。即ち操作機５００を操作し
てアナログ信号である操作信号Ｓ１が出力されると、操
作制御部４００は、操作信号Ｓ１を基に、アーム１０１
の先端が進むべき位置と方向（姿勢）を示すデジタル信
号である位置・方向信号Ｓ２を出力する。運動制御部３
００は、位置・方向信号Ｓ２を基に、アーム１０１の各
軸がどのように動いたらよいかを指令するデジタル信号
である各軸信号Ｓ３を出力する。サーボドライバ２００
は、各軸信号Ｓ３に応じた電力Ｓ４を、アーム１０１の
各軸のモータに送る。このためアーム１０１が作動し、
このときアーム１０１の各軸に備えた位置検出器で検出
した検出軸角度Ｄは、サーボドライバ２００及び運動制
御部３００に送られ位置制御フィードバックループが形
成される。このようにして、操作機５００の操作指令に
応じて電動アクチュエータ部１００のアーム１０１が作
動する。

【００２１】上述したように本実施例では階層化してロ
ボット装置を構成しているため、使用者において電動ア
クチュエータ１００は用いるが、それよりも上位階層に
あるサーボドライバ２００，運動制御部３００，操作制
御部４００及び操作機５００を用いない場合には、使用
者の持っているユーザドライバ１０の信号を、インター
フェース１１により上述した信号仕様に変換して電動ア
クチュエータ１００に信号を送るようにして、ロボット
装置を構成することもできる。

【００２２】また使用者において電動アクチュエータ部
１００，サーボドライバ２００は用いるが、それよりも
上位階層にある部材３００，４００，５００を用いない
場合には、使用者の持っているユーザ運動制御部２０の
信号を、インターフェース２１により上述した信号仕様
に変換してサーボドライバ２００に送るようにして、ロ
ボット装置を構成することもできる。

【００２３】また使用者において電動アクチュエータ部
１００，サーボドライバ２００，運動制御部３００は用
いるが、それよりも上位階層にある部材４００，５００
を用いない場合には、使用者の持っているユーザ操作制
御部４０の信号を、インターフェース４１により上述し
た信号仕様に変換して運動制御部３００に送るようにし
て、ロボット装置を構成することもできる。

【００２４】更に使用者において操作機５００は用いな
いが、それよりも下位階層にある部材４００，３００，
２００，１００を用いる場合には、使用者の持っている
ユーザ操作機３０やユーザのパソコンの信号を、インタ
ーフェース３１により上述した信号仕様に変換してサー
ボドライバ２００に送るようにして、ロボット装置を構
成することもできる。

【００２５】結局、製造者側から考えた場合、（１）第
１階層部である電動アクチュエータ部１００のみを単体
で設計（選択）・製造して販売することもでき、（２）
第１，第２階層部である電動アクチュエータ部１００及
びサーボドライバ２００を組み合せて設計・製造して販
売することもでき、（３）第１，第２，第３階層部であ
る電動アクチュエータ部１００，サーボドライバ２０
０，運動制御部３００を組み合せて設計・製造して販売
することもでき、（４）第１，第２，第３，第４階層部
である電動アクチュエータ部１００，サーボドライバ２
００，運動制御部３００及び操作制御部４００を組み合
せて設計・製造して販売することもでき、（５）第１〜
第５階層部である電動アクチュエータ部１００，サーボ
ドライバ２００，運動制御部３００，操作制御部４００
及び操作機５００をフルセットにして設計・製造して販
売することもでき、（６）フルセットに更にオプション
機能を付加したシステムを設計・製造して販売すること
もできる。なおオプション機能としては力制御や作業管
理などがある。

【００２６】次に本発明の第２の実施例を図２を基に説
明する。第２の実施例は、第１の実施例に対し力制御シ
ステム部６００を付加するとともに、アーム１０１に力
センサ１０２を備えたものである。力制御システム部６
００は、力制御ソフト、運動制御ＣＰＵ，力センサ用Ａ
／Ｄボード等を有している。

【００２７】力センサ１０２から、アーム１０１先端に
作用する力の大きさを示す力信号（アナログ信号）Ｐが
出力されると、この信号をフィードバック信号として力
制御フィードバックループを構成し、力制御システム部
６００は、最適な力制御をするよう指令する力指令（デ
ジタル信号）Ｓ１０を基に、アーム１０１の各軸がどの
ように動いたらよいかを指令するデジタル信号である各
軸信号Ｓ３をサーボドライバ２００に送る。このためサ
ーボドライバ２００から電動アクチュエータ部１００に
送給される電力Ｓ４の値が、力指令Ｓ１０に応じて調整
され、アーム１０１が発生する力がコントロールされ
る。かくて力制御ができる。

【００２８】次に本発明の第３の実施例を図３を基に説
明する。第３の実施例は、第１の実施例に示すロボット
装置において、操作機５００の代りに作業管理部７００
を備えたものである。作業管理部７００は、パソコンや
ＥＷＳ（エンジニアリングワーク ステーション）等で
構成されるとともに、適用作業ソフトや教示データ編集
ソフトや作業実行Ｉ／Ｆソフト等が設定されており、適
用作業に応じた運動制御上のノウハウ，動作順位，動作
の組合せ，他の装置とのインタロックを管理する。つま
り作業管理部７００は、人間による判断機能と操作機５
００とを合せた機能を有しており、一旦スタートすると
適用作業に応じてアーム１０１を最適に動かすよう、操
作信号Ｓ１−１を自動的に出力する。なお、作業管理部
７００で、適用作業を変更したり、作業内容に合せてア
ームの動作順位を変更したり、過去の動作を組み合せた
りする作業が行なうことができる。

【００２９】ここで各実施例に用いた操作制御部４０
０，運動制御部３００，サーボドライバ２００の具体的
回路構成の一例を説明する。

【００３０】図４は操作制御部４００の具体的回路構成
の一例を示す。この操作制御部４００では入力用の４つ
のコネクタ４０１，４０２，４０３，４０４が標準装備
され、シリアル通信用の入力用のコネクタ４０５がオプ
ションで装備される。コネクタ４０１〜４０５にはそれ
ぞれＡ／Ｄ変換部４０６，Ｄ／Ｉ変換部４０７，ＲＳ２
３２Ｃ部４０８，４０９，ＬＡＮ部４１０が接続されて
いる。操作機５００から出力された操作信号Ｓ１は、コ
ネクタ４０１〜４０４のうちの１つのコネクタ及びバス
４１１を介してＣＰＵ４１２に送られる。またユーザ操
作機３０（図１参照）から出力された操作信号はコネク
タ４０５及びバス４１１を介してＣＰＵ４１２に送られ
る。ＣＰＵ４１２は、標準装置されたＲＯＭ４１３，Ｒ
ＡＭ４１４のデータやオプション装置されるＩＣカード
４１５のデータを基に、位置・方向信号Ｓ２を作る。位
置・方向信号Ｓ２はトランスピュータリンクアダプタ４
１６，出力用コネクタ４１７及び高速シリアル通信路
（トランスピュータリンク）４１８を介して運動制御部
３００に送られる。なお、４１９は電源である。また汎
用ＣＰＵ４１２及びトランスピュータリンクアダプタ４
１６の代りに、専用の操作制御ＣＰＵ４２０を用いても
よい。

【００３１】図５は運動制御部３００の具体的回路構成
の一例を示す。この運動制御部３００には入力用コネク
タ３０１を介して位置・方向信号Ｓ２が入力される。全
体管理，データ管理及び目標生成をするＣＰＵ３０２
と、現在値を生成するＣＰＵ３０３と、ヤコビ行列を生
成するＣＰＵ３０４と、指令生成をするＣＰＵ３０５
は、トランスピュータリンクにより環状に連結されてい
る。そしてＣＰＵ３０２〜３０５により、位置・方向信
号Ｓ２に応じた各軸信号Ｓ３が作られる。通信制御用Ｃ
ＰＵ３０６はトランスピュータリンクによりＣＰＵ３０
２に接続されており、ＣＰＵ３０６の管理の下に、出力
部３０７，出力用コネクタ３０８及びシリアル通信路３
０９を介して各軸信号Ｓ３がサーボドライバ２００に送
られる。出力部３０７はシリアル／パラレル変換器、パ
ラレル／シリアル変換器、ドライバ／バッファにより構
成される。全体電力は電源３１０により供給される。

【００３２】図６はサーボドライバ２００の具体的回路
構成の一例を示す。このサーボドライバ２００には入力
用コネクタ２０１を介して各軸信号Ｓ３が入力される。
このサーボドライバ２００は、アームの軸数と同数のサ
ーボドライバ回路２０２−１，２０２−２・・・を有し
ている。サーボドライバ回路２０２のデジタルシグナル
プロセッサ２０３は、ＲＯＭ２０４にデータを格納する
とともに、各軸信号Ｓ３を基にアームのモータに送る電
力及びブレーキに送る電流を求める。モータ電流はＤ／
Ａ変換器２０５，電流アンプ２０７及びモータドライバ
２０７の系により出力され、ブレーキ電流はブレーキド
ライバ２０８から出力される。またアームの位置を示す
レゾルバ信号はアナログスイッチ２０９，レゾルバ／デ
ジタル変換器２１０及びカウンタ２１１の系を介してデ
ジタルシグナルプロセッサ２０３に入力される。このレ
ゾルバ信号はこのサーボドライバ２００から運動制御部
３００にも送られる。そしてモータ電流，ブレーキ電
流，レゾルバ信号は、一括コネクタ２１２を介して電動
アクチュエータ部１００に対し送受される。なお、アナ
ログスイッチ２０９がモータ軸側に投入されると、モー
タ軸レゾルバ（後述）のレゾルバ信号が入力され、出力
軸側に投入されると、出力軸レゾルバ（後述）のレゾル
バ信号が入力される。また、全体電力は電源２１３によ
り供給される。

【００３３】図７は電動アクチュエータ部１００の具体
的回路構成の一例を示す。アーム１０１の各軸にはＡＣ
モータ１１１，ブレーキ１１２，減速器１１３が備えら
れており、減速器１１３の出力に応じて各軸角度が変化
していく。このときモータ回転位置はモータ軸レゾルバ
１１４により検出され、減速器出力部の回転位置（軸角
度）は出力軸レゾルバ１１５により検出される。一括コ
ネクタ１１６は電動コネクタ１００をサーボドライバ２
００に接続するコネクタであり、このコネクタ１１６を
介してモータ電流，ブレーキ電流，レゾルバ信号が授受
される。

【００３４】

【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明したよ
うに本発明によれば、ロボット装置を機能毎の階層部に
分割しているので、必要な階層部を組み合せるだけで、
適用作業やユーザの要望に応じた最適なロボット装置を
簡単に製造できる。またユーザの持っているシステムと
も簡単に結合することができ、無駄がなくなる。

【００３５】このようなことから、ユーザの機能追加要
求にも簡単に対応でき、適用作業の変更・高度化にとも
なう機能の追加・改造が安価且つ容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック図。

【図２】本発明の第２の実施例を示すブロック図。

【図３】本発明の第３の実施例を示すブロック図。

【図４】実施例に用いる操作制御部の一例を示すブロッ
ク図。

【図５】実施例に用いる運動制御部の一例を示すブロッ
ク図。

【図６】実施例に用いるサーボドライバの一例を示すブ
ロック図。

【図７】実施例に用いる電動アクチュエータ部を示すブ
ロック図。

【符号の説明】

１００ 電動アクチュエータ部 ２００ サーボドライバ ３００ 運動制御部 ４００ 操作制御部 ５００ 操作機 ６００ 力制御システム部 ７００ 作業管理部 Ｓ１ 操作信号 Ｓ２ 位置・方向信号 Ｓ３ 各軸信号 Ｓ４ 電力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大西 献 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番 １号 三菱重工業株式会社 神戸造船所 内 (72)発明者 大道 武生 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社 高砂研究所内 (72)発明者 井辺 智吉 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社 高砂研究所内 (72)発明者 林 哲司 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番 １号 三菱重工業株式会社 神戸造船所 内 (56)参考文献 実開 昭61−192304（ＪＰ，Ｕ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操作部と、操作制御部と、運動制御部
   と、サーボドライバと、多軸のアームを有する電動アク
   チュエータ部とに分割されており、 前記操作部は、操作者の操作に応じてアームの動きを指
   令する操作信号を出力するとともに、前記操作制御部に
   接続できるコネクタ機能を有し、 前記操作制御部は、前記操作部又は他機種のユーザ操作
   部に接続できるコネクタ機能及び前記運動制御部に接続
   できるコネクタ機能を有し、操作信号が入力されるとア
   ームの先端が進むべき位置と方向を示す位置・方向信号
   を演算して出力し、 前記運動制御部は、前記操作制御部又は他機種のユーザ
   操作制御部に接続できるコネクタ機能及び前記サーボド
   ライバに接続できるコネクタ機能を有し、位置・方向信
   号が入力されるとアームの各軸がどのように動いたらよ
   いかを指令する各軸信号を演算して出力し、 前記サーボドライバは、前記運動制御部又は他機種のユ
   ーザ運動制御部に接続できるコネクタ機能及び前記電動
   アクチュエータに接続できるコネクタ機能を有し、各軸
   信号が入力されるとこの各軸信号に応じた電力を電動ア
   クチュエータ部に送り、 前記電動アクチュエータ部は、前記サーボドライバ又は
   他機種のユーザドライバに接続できるコネクタ機能を有
   するとともに、多軸のアームの各軸に備えたモータに電
   力が供給されることにより作動することを特徴とする階
   層化ロボット装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、ユーザ操作部は、ロ
   ボットが行う作業に応じたプログラムにより自動的に操
   作信号を順次出力する作業管理部であることを特徴とす
   る階層化ロボット装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、操作制御部と運動制
   御部とサーボドライバと電動アクチュエータとで構成し
   たことを特徴とする階層化ロボット装置。
4. 【請求項４】 請求項１において、運動制御部とサーボ
   ドライバと電動アクチュエータとで構成したことを特徴
   とする階層化ロボット装置。
5. 【請求項５】 請求項１において、サーボドライバと電
   動アクチュエータとで構成したことを特徴とする階層化
   ロボット装置。
6. 【請求項６】 請求項１において、電動アクチュエータ
   のみで構成したことを特徴とする階層化ロボット装置。