JP2732159B2 - 異常負荷検出方法 - Google Patents

異常負荷検出方法

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JP2732159B2
JP2732159B2 JP3308214A JP30821491A JP2732159B2 JP 2732159 B2 JP2732159 B2 JP 2732159B2 JP 3308214 A JP3308214 A JP 3308214A JP 30821491 A JP30821491 A JP 30821491A JP 2732159 B2 JP2732159 B2 JP 2732159B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ロボットや工作機械
等のサーボモータを主動力源とする機械において、可動
部の衝突や溶接ロボット等における溶着を検出する異常
負荷検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】工作機械の可動部(テーブル等)やロボ
ットのアーム等が障害物に衝突したとき、これら可動部
やアームを駆動するサーボモータはは移動指令に従って
移動しようとして、大きなトルクを発生する。そのた
め、可動部やアームの機構部を破損させる場合がある。
この衝突等を防止するため、サーボ系の位置偏差を検出
し、この位置偏差が設定値以上になると負荷異常して衝
突を検出したり、また、サーボモータの駆動電流を検出
し、この駆動電流が設定値以上になったとき衝突等が生
じているとして、衝突を検出する方法がある。しかし、
この位置偏差の増大や駆動電流の増大を検出して衝突等
を検出する方法では、衝突を検出した時点ですでにサー
ボモータは大きなトルクを出力している状態であるか
ら、この大きな力で機構部を破損させる可能性がある。
【0003】そこで、本願出願人は、外乱推定オブザー
バによって外乱トルクを推定し、この推定外乱トルクが
設定値以上になったとき、負荷異常して衝突等が生じて
いるものとして検出する方法を提案した(特開平3−1
96313号公報参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した外乱
推定オブザーバによって外乱トルクを推定する場合、推
定された外乱トルクには重力項や動摩擦項等を含み、純
粋な外部から衝突等による力を検出しているものではな
い。特に、溶接ロボット等においては、溶接位置によっ
てロボットの姿勢が異なり、その姿勢によって重力の影
響が大きく作用する。すなわち、ロボットがある姿勢を
保持しているときには、その姿勢状態を維持するように
重力に抗する力を駆動源のサーボモータは出力してい
る。
【0005】溶接ロボットによってスポット溶接を行
い、次の溶接点に移動する場合に、溶着が生じている場
合等において、従来の外乱推定オブサーバによる異常負
荷検出方法では、この溶着による微妙な異常負荷を検出
することが非常に難しい。
【0006】図7,図8はスポット溶接ロボットでスポ
ット溶接後若干の静止時間後待機状態に戻る動作を行わ
せ、その時移動するロボットアームを駆動する前後軸に
対するトルク指令Tc及びこの軸にかかる外乱トルクT
を1秒間(横軸1目盛り100msec)検出した実験
結果のグラフで、横軸は時間、縦軸はトルクの値を示す
電圧で1目盛り1Vである。図7はスポット溶接後スポ
ットガン先端が溶着することなく移動した時のグラフで
あり、図8はガン先端が溶着した時のグラフである。こ
の図7,図8から分かるように、スポットガン先端が移
動開始した時、図7では生じなかった外乱トルクの乱れ
が図8には生じている。そして、図7と図8を比較して
移動直後の推定外乱トルクT1の違いは僅かなものであ
り、ロボット静止時の状態によって変化する外乱トルク
T0に対してこの違いは相対的に非常に小さく、重力等
も入れた全外乱トルク全体で比較する従来の方法でこの
違いを検出することは難しい。
【0007】そこで、本発明の目的は、溶着等の微妙な
異常負荷等も検出できる異常負荷検出方法を提供するこ
とにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、機械可動部が
動きだす直前の外乱推定オブサーバで検出された推定外
乱トルクを記憶し、機械可動部が移動中もしくは移動を
開始してから設定時間内において、上記外乱推定オブザ
ーバで検出される推定外乱トルクから上記記憶した推定
外乱トルクを差し引いた値が設定値以上になったとき負
荷異常として検出することを特徴とする異常負荷検出方
法。
【0009】
【作用】ロボットアーム等の機械可動部が停止している
状態では、機械可動部を駆動するサーボモータ等はその
停止した状態を維持するように、重力等の外力に対抗し
た力を発生しており、機械可動部が移動開始する直前に
おいて外乱推定オブサーバで検出された推定外乱トルク
は、重力や摩擦力に対抗する値を示している。そこで、
機械可動部が移動開始する直前における上記外乱推定オ
ブザーバで検出する推定外乱トルクを記憶しておき、移
動開始後、外乱推定オブザーバで検出される推定外乱ト
ルクが上記記憶した移動開始前の推定外乱トルクを差し
引けば、この値は重力や動摩擦力を排除した可動部にか
かるトルクと推定することができ、この値が、通常発生
しないような設定値以上のトルクである場合には、負荷
異常として検出する。これにより、スポット溶接等のロ
ボットにおいて、スポットガン先端がワークに溶着して
いるとき等の異常負荷を確実に検出する。
【0010】
【実施例】図3は、位置に対し比例(P)制御を行い、
速度に対し比例,積分(PI)制御を行うロボット等の
サーボモータ制御系のブロック線図であり、伝達関数1
0のKP は位置ループにおける比例ゲイン、伝達関数1
1は速度ループにおける前置補償器の伝達関数で、K1
は積分定数、K2 は比例定数である。また、伝達関数1
2,13はモータの伝達関数で、Ktはトルク定数、J
はイナーシャであり、伝達関数14は速度vを積分して
位置θを算出する伝達関数である。また、TL は外乱ト
ルクである。
【0011】位置指令値θrから現在位置θのフィード
バック値を減算し、その差の位置偏差ε(=θr−θ)
に比例定数KP を乗じ、速度指令値を求め、該速度指令
値と実速度vとの差(速度偏差)によってPI制御を行
ってトルク指令値としての電流値Iを求め、該電流Iを
モータの巻線に流し、モータを駆動する。モータは速度
vで回転し、この速度vを積分して位置θが求められ
る。
【0012】この図3に示すサーボモータに対し、外乱
推定オブザーバを組む。まず、サーボモータのサーボ制
御をプロセッサで行うデジタルサーボ制御において、従
来から行われている外乱推定オブザーバについて説明す
る。
【0013】図4は、サーボモータにおけるオブザーバ
対象のモデルのブロック図で、記号12は図3に示すサ
ーボモータのトルク定数Ktの伝達関数、13a,13
bは図3における伝達関数13を分割し、イナーシャJ
の伝達関数13aと積分項13bに分けたものである。
図4におて、Iは入力としてのトルク指令、v,TLは
状態変数としての速度,外乱トルクを意味する。
【0014】この図4のモデルにおいて、状態変数v,
TL に対する状態方程式は数式1のようになる。
【0015】
【数1】 なお、上記数式1においてαは加速度、 TL の上に1
ドットを付したものは、外乱トルクの変化度を意味する
が、短い時間では外乱トルクTL には変化がないとして
この値を0と仮定している。
【0016】数式1で示す方程式より、オブザーバを組
む一般的な手法により、速度v,外乱TL を推定する同
一次元オブザーバを組むと図5に符号50で示すオブザ
ーバとなる。外乱推定オブザーバ50の項52,53の
K3 ,K4 は外乱推定オブザーバのパラメータであり、
項51は実際にサーボモータに出力されるトルク指令と
しての電流値Iに乗じるパラメータの値で、モータのト
ルク定数KtをイナーシャJで除した値である。54は
積分項である。
【0017】この図5のブロック図を解析すると、 {I・Kt +TL }(1/J・S)=v …(2) {I・ (Kt /J) + (v−va) K3 + (v−va)(K4 /S)} (1/S) =va …(3) (なお、vaは積分項54の出力で推定速度) 第(2)式より I=(v・J・S−TL )/Kt …(4) 第(3)式に第(4)式を代入し整理すると、 (v・J・S−TL )/J+(v−va)K3 +(v−va)(K4 /S)=va・S …(5) S(v−va)+(v−va)・K3 +(v−va)(K4 /S)=TL /J …(6) 第(6)式より
【0018】
【数7】 上記数式7より項53の出力xは次の数式8で示され
る。
【0019】
【数8】 数式8において、パラメータK3 ,K4 を極が安定する
ように選択すると、x=TL /Jと近似することがで
き、該値x(=TL /J)に項56のパラメータJ・B
(Jはイナーシャ,Bは単位系を合わせるための定数)
を乗じれば外乱トルクTL に略等しい推定外乱トルクT
が推定される。
【0020】そこで、ロボットのアーム(機械の可動
部)が移動開始する直前において、この外乱推定オブザ
ーバ50で推定される推定外乱トルクT(=T0)を記
憶しておき、ロボットアーム可動後に同様に推定外乱ト
ルクT(=T1)を求めこの可動後の推定外乱トルクT
1から移動開始直前の推定外乱トルクT0を減じると、
この減じた値はのアームが移動する直前のロボット姿勢
による重力や同摩擦等の影響を排除した純粋にロボット
アームにかかる外乱と推定することができる。
【0021】図6は本発明の一実施例を実施するロボッ
ト制御装置の要部ブロック図で、1はロボットを制御す
る制御装置で、該制御装置から移動指令,各種制御信号
が共有メモリ2を介してディジタルサーボ回路3に出力
される。ディジタルサーボ回路3は、プロセッサ,RO
M,RAM等で構成され、位置、速度等のサーボ制御を
ディジタル的に制御し、トランジスタインバータ等で構
成されるサーボアンプ4に電流指令を出力し各軸のサー
ボモータ5を制御するものである。また、6は位置速度
を検出する位置速度検出器でサーボモータのモータ軸に
取り付けられたパルスコーダ等で構成され、ディジタル
サーボ回路3に位置、速度フィードバック信号を出力し
ている。なお、上記図6には1軸のサーボ系のみを記載
しているが、各軸毎に同様な構成を有しており、これら
の構成は、従来から公知のディジタルサーボ回路の構成
と同一である。
【0022】図1は、ディジタルサーボ回路のプロセッ
サが位置,速度ループ処理周期毎実施する第1の実施例
の処理のフローチャートである。まず、制御装置1は教
示された作業動作プログラムに基づいて各軸に移動指令
を分配し、この移動指令を出力開始する毎に共有メモリ
2に設けられたフラグF2を「1」にセットし、移動指
令出力開始から設定された微小時間Aが経過するとこの
フラグF2を「0」にリセットする処理を繰り返す。
【0023】ディジタルサーボ回路3のプロセッサは制
御装置1から出力される移動指令より位置・速度ループ
処理周期毎の移動指令θrを求め(ステップS1)、サ
ーボモータに取付けられた位置・速度検出器6によって
検出される現在位置(位置のフィードバック値)より、
従来と同様に位置ループ処理を行って速度指令を算出す
る(ステップS2)。次に、負荷異常を検出したときに
「1」にセットされるフラグF1が「1」か否か判断す
る(ステップS3)。なお、このフラグF1は初期設定
で「0」に設定されており、負荷異常が検出されなけれ
ば「0」の状態を維持している。該フラグF1が「1」
でなければ、次ぎに上述したフラグF2が「1」か否か
判断し(ステップS4)、例えば、移動指令が制御装置
1から出力されておらず、フラグF2も「1」にセット
されてなければ、ステップS11に移行し、図5に示す
外乱推定オブザーバ50の処理を実行し、推定外乱トル
クを求め求められた推定外乱トルクをロボット停止中の
推定外乱トルクT0として記憶する。その後速度ループ
処理を行って得られた電流指令(トルク指令)を電流ル
ープに引き渡し((ステップS9,S10)、この位置
・速度ループ処理を終了する。
【0024】以下、制御装置1から移動指令が出力され
ず、フラグF2が「1」にセットされないかぎり、ディ
ジタルサーボ回路3のプロセッサはステップS1〜S
4,ステップS11,ステップS9,S10の処理を実
行し、停止中の推定外乱トルクT0を更新記憶する。ま
た、移動指令が出力されていないため、ロボットは停止
状態にあり、ロボットの各軸サーボモータはその時のロ
ボット姿勢に基づく重力,摩擦力等に対抗する力を出力
しており、上記推定外乱トルクT0はこの重力,摩擦力
に等しいトルクを示している。
【0025】一方、移動指令が制御装置1から出力され
フラグF2が「1」にセットされると、プロセッサはス
テップS1〜S4の処理をして、ステップS4からステ
ップS5に移行し、外乱推定オブザーバの処理を行って
推定外乱トルクT1を求める。そして、この求めた推定
外乱トルクT1から記憶している移動開始前の推定外乱
トルク(移動直前の推定外乱トルク)T0を差し引いた
絶対値が設定された負荷異常検出基準値Ts以上か否か
判断し(ステップS6)、以上でなければ、ステップS
9に移行し、ステップS2で求めた速度指令と位置・速
度検出器6で検出された速度フィードバック信号によ
り、従来と同様に速度ループ処理を行い電流指令を求
め、求めた電流指令を電流ループに引き渡し(ステップ
S10)、当該処理周期の処理を終了する。
【0026】次の周期以降も、フラグF2が「1」でス
テップS6で基準値Ts以上でないと判断された場合に
は、ステップS1〜S6、ステップS9,S10の処理
を繰り返すことになるが、ステップS6で、推定外乱ト
ルクT1から記憶している移動開始前の推定外乱トルク
T0を差し引いた絶対値が設定値Tsを越えていると判
断された場合には、すなわち、重力や摩擦力等(T0)
以外の負荷が設定値Tsを越えている場合には、スポッ
トガンの溶着や衝突等が生じて負荷異常が生じているも
のとしてアラームを出力しフラグF1を「1」にセット
する(ステップS7)。そして、ステップS2で求めた
速度指令をキャンセルし速度指令を「0」とすると共に
速度ループ処理内の積分器を「0」にセットする(ステ
ップS8)。その後ステップS9に移行し、速度ループ
処理を行うが速度指令及び速度ループの積分器が「0」
であるので、モータを停止させるような電流が発生す
る。
【0027】次の周期からはフラグF1が「1」にセッ
トされているから、ステップS3からステップS8へ移
行し、速度指令を「0」,速度ループの積分器を「0」
として速度ループ処理を行って電流指令を求め、電流ル
ープに引渡し、ロボットは停止した状態となる。また、
溶着等が生ぜずに、ステップS6で推定外乱トルクT1
から記憶している移動開始前の推定外乱トルクT0を差
し引いた絶対値が設定値Tsより小さく、各周期毎ステ
ップS1〜S6、S9,S10の処理を繰り返し、その
後移動指令開始から設定時間Aが経過して制御装置1が
フラグF2を「0」にリセットすると、ディジタルサー
ボ回路3のプロセッサはステップS1〜S4の処理を実
施した後、ステップS11に移行し、推定外乱トルクT
0を求め記憶する処理を実行し、ステップS5〜S8の
処理は実行しない。
【0028】すなわち、移動開始から所定微小時間Aの
み負荷異常検出処理を実行するもので、溶着等による負
荷異常を検出するには移動開始直後の僅かな時間だけ負
荷異常を検出すれば足りるからである。また、ロボット
の姿勢が変化すれば、重力の影響が変化するため、負荷
異常検出基準値Tsを小さな値に設定しておくと、何等
異常が発生していないにもかかわらず、ロボットの姿勢
により推定外乱トルクT1が大きくなり負荷異常として
誤検出する恐れがあるからである。また、上記基準値T
sを大きくすれば、上記所定微小時間以外の負荷異常も
検出できるが、溶着等によって生じる力が弱いときに
は、その溶着を検出できないことになる。そのため、1
回の移動(ロボットの移動停止から次ぎの移動停止ま
で)でロボット姿勢が大きく変化せず、1回の移動で重
力の影響が格別大きくならないような動作のときには、
上記所定時間Aはロボット移動中の時間(移動指令の開
始から移動指令が「0」になるまでの間)としてもよ
い。
【0029】なお、所定時間Aが経過してフラグF2が
「0」にリセットされた後、ロボットが移動中にもかか
わらず、ステップS11で推定外乱トルクT0を求め記
憶するが、この推定外乱トルクT0は順次更新されるた
め、そのうち、ロボットの移動は停止し、再び移動を開
始するときには、その移動開始直前の推定外乱トルクT
0を記憶することになるので問題はない。
【0030】図2は本発明の第2の実施例のディジタル
サーボ回路3のプロセッサが位置・速度ループ処理周期
毎実施する処理フローチャートである。この第2の実施
例と第1の実施例の相違する点は、第1の実施例は、負
荷異常検出処理を行う期間をロボッの制御装置1でセッ
ト/リセットされるフラグで行っていたが、この第2の
実施例では、この負荷異常検出処理区間もディジタルサ
ーボ回路3のプロセッサが判断して行うものである。
【0031】ステップS21〜S23の処理は第1実施
例におけるステップS1〜S3と同一の処理で、制御装
置1からの移動指令を読み位置ループ処理を行い速度指
令θrを求め、フラグF1が「1」か否か判断し、
「1」でなければ、ステップS24に移行し、外乱推定
オブザーバの処理を実行し、推定外乱トルクT1を求め
る。次ぎにステップS21で求めた移動指令θrが
「0」か否か、すなわち移動指令が出力されているか否
か判断し(ステップS25)、出力されてなければ、タ
イマRTを「0」にリセットし(ステップS26)、ス
テップS24で求めた推定外乱トルクT1をレジスタR
(T)にセットする(ステップS27)。次ぎに、ステ
ップS24で求めた推定外乱トルクT1からレジスタR
(T)に記憶する値を減じた値の絶対値が負荷異常検出
基準値Ts以上か否か判断し(ステップS28)、この
場合は、「0」であるので、基準値Tsの値を越えてな
いからステップS31に移行して速度ループ処理を行い
求めた電流指令を電流ループに出力する(ステップS3
1,S32)。移動指令がだされずロボットが停止して
いる間は上記ステップS21〜S28、S31,S32
の処理を各周期毎繰り返すことになる。
【0032】移動指令が出力されると、ステップS25
からステップS33に移行し、タイマRTに「1」加算
し、該タイマRTの値が設定微小時間Aを越えているか
否か判断し(ステップS34)、越えてなければ、ステ
ップS28に移行する。この場合、レジスタR(T)に
はロボットが移動開始する直前の推定外乱トルク(T
0)が記憶されている。その結果、ステップS28でス
テップS24で検出された現時点での推定外乱トルクT
1からレジスタR(T)に記憶する移動開始直前の推定
外乱トルクをステップS28で減じると、この減じた値
は重力や摩擦力を排除した純粋にロボットアームにかか
る該力を意味し、この値が設定基準値Tsを越えていれ
ば、異常負荷として検出し、越えてなければ、正常とす
る。正常であけば、ステップS28からステップS31
に移行し、速度ループ処理を行い電流指令を求め電流ル
ープに出力する(ステップS31,S32)。以下、
(ステップS21〜S25、S33,S34、S28、
S31,S32の処理をタイマRTの値が設定値Aを越
えるまで実行し、越えると、異常負荷か否かの判断であ
るステップS28の処理を行うことなく、ステップS3
4からステップS31に移行する。
【0033】一方ステップS28で、現時点の推定外乱
トルクT1とレジスタR(T)に記憶する移動開始直前
の推定外乱トルクとの差が設定基準値Ts以上になる
と、負荷異常としてステップS28からステップS29
に移行し、アラームを出力し、フラグF1を「1」にセ
ットして速度指令及び速度ループの積分器を「0」にセ
ットする。その結果、サーボモータにはモータを停止さ
せるような電流指令が出され、サーボモータの回転は停
止し、ロボットは停止することになる。そして、以後は
フラグF1が「1」にセットされていることになるか
ら、各周期ごとステップS21〜S23、S30,S3
1,S32の処理を実行することになる。
【0034】なお、この第2実施例においても、所定時
間Aの区間だけ負荷異常を判断することなく、移動中は
負荷異常を検出するようにしてもよい。この場合には、
ステップS26、S33,S34の処理は必要なく、ス
テップS25で移動指令θrが「0」ではないと判断さ
れたときにはステップS28に移行するようにすればよ
い。
【0035】なお、スポット溶接ロボット等において、
溶着等の負荷異常の検出処理を実行する軸は、スポット
溶接終了後にロボットアームを移動させる軸、例えばア
ームを前後に移動させる軸に対してのみ行うようにすれ
ばよい。さらに、ロボットに限らず、工作機械等のサー
ボモータで機械駆動部が駆動されるものに対しても本願
発明は適用できるものである。
【0036】
【発明の効果】本発明においては、機械可動部が移動中
検出される推定外乱トルクから、機械可動部の移動開始
直前の推定外乱トルクを減じて得られる差によって、重
力や摩擦力を除いた機械可動部にかかる力を推定し、こ
の差が負荷異常検出基準値以上のとき負荷異常として検
出するようにしたから、負荷異常の判断基準となる設定
値を小さくかつ精度高く設定できる。それにより、溶着
によって若しくは障害物に可動部が衝突して生じる可動
部を駆動するサーボモータの出力トルクを逸早く検出し
することができ、機械可動部やワークに損傷を与えるこ
となく正確に溶着、衝突等の負荷異常を検出できる。
【0037】また、機械可動部が移動開始してから所定
時間だけ上記負荷異常検出処理を実行することによっ
て、移動開始時の機械可動部が受ける重力、摩擦力が大
きく変化しない期間だけ負荷異常検出を行うようにし
て、上記負荷異常検出基準値を小さく正確に設定できる
から、溶着等の負荷異常を正確に検出でき誤検出をなく
すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例のフローチャートであ
る。
【図2】本発明の第2の実施例のフローチャートであ
る。
【図3】サーボモータ制御系のブロック図である。
【図4】外乱推定オブザーバを組むモデルのブロック図
である。
【図5】外乱推定オブザーバの一例を示すブロック図で
ある。
【図6】本発明の実施例を実施するディジタルサーボ系
のブロック図である。
【図7】スポット溶接ロボットの前後に移動する軸のス
ポット溶接後に移動した時(スポットガン先端の溶着が
ないとき)の1秒間におけるトルク指令と外乱トルクを
測定したグラフである。
【図8】スポット溶接ロボットの前後に移動する軸のス
ポット溶接後に移動した時(スポットガン先端が溶着し
たとき)の1秒間におけるトルク指令と外乱トルクを測
定したグラフである。
【符号の説明】
1 ロボットの制御装置 2 共有メモリ 3 ディジタルサーボ回路 4 サーボアンプ 5 サーボモータ 6 位置・速度検出器 50 外乱推定オブサーバ TL 外乱トルク T 推定外乱トルク T0 機械可動部移動開始前の推定外乱トルク T1 機械可動部移動開始中の推定外乱トルク Ts 負荷異常検出基準値
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大塚 和久 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580 番地 ファナック株式会社 商品開発研 究所 内 (72)発明者 加藤 哲朗 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580 番地 ファナック株式会社 商品開発研 究所 内 (72)発明者 杉山 秀樹 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580 番地 ファナック株式会社 商品開発研 究所 内 (56)参考文献 特開 平3−196313(JP,A) 特開 平2−284899(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 機械可動部が動きだす直前における外乱
    推定オブサーバで検出された推定外乱トルクを記憶し、
    機械可動部が移動中、上記外乱推定オブザーバで検出さ
    れる推定外乱トルクから上記記憶した推定外乱トルクを
    差し引いた値が設定値以上になったとき負荷異常として
    検出することを特徴とする異常負荷検出方法。
  2. 【請求項2】 機械可動部が動きだす直前における外乱
    推定オブサーバで検出された推定外乱トルクを記憶し、
    機械可動部が移動を開始してから設定所定時間内におい
    て、上記外乱推定オブザーバで検出される推定外乱トル
    クから上記記憶した推定外乱トルクを差し引いた値が設
    定値以上になったとき負荷異常として検出することを特
    徴とする異常負荷検出方法。
  3. 【請求項3】 スポット溶接ロボットのアームが動きだ
    す直前における外乱推定オブサーバで検出された推定外
    乱トルクを記憶し、アームが移動を開始してから設定所
    定時間内において、上記外乱推定オブザーバで検出され
    る推定外乱トルクから上記記憶した推定外乱トルクを差
    し引いた値が設定値以上になったとき負荷異常として検
    出することを特徴とする異常負荷検出方法。
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