JP3217254B2 - 産業用ロボットの寿命推定方法及び寿命推定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、産業用ロボット
の寿命推定方法および寿命推定装置、特に動作プログラ
ムに基づいて当該産業用ロボットの寿命推定を行う寿命
推定方法および寿命推定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各種製造業のオートメーション化に伴っ
て産業用ロボットの導入が盛んに行われている。産業用
ロボットとしては６軸等の多関節ロボットが一般的であ
り、正確かつ迅速な作業を必要とする場合や作業に危険
を伴う場合など人間に代わって作業を速やかに実行する
ものである。このような産業用ロボットは、例えば自動
車製造業では車体等の溶接作業に多く用いられている。

【０００３】産業用ロボットは無人運転が可能なため連
続稼働させる場合が多く、総稼働時間が１０万時間に及
ぶものもある。そこで、産業用ロボット管理者は稼働時
間の増加に伴う関節部分のガタや可動不良、ロボット全
体の調整不良等を排除して最良の駆動状態を維持するた
めに定期点検を行い適切な補修を適切な時期に行うこと
が要求され、産業用ロボットの寿命推定を行う必要があ
る。

【０００４】従来、産業用ロボットの寿命推定は、様々
な手法によって行われている。例えば、本出願人が先に
出願し、公開された特開平７−１００７８２号公報にお
いては、ロボットの関節のギアに作用する負荷量に基づ
いてギアの摩耗量を算出し、その摩耗量に基づいてロボ
ットのアーム先端部の推定ガタ量を算出している。そし
て、算出した推定ガタ量とロボットの有する許容ガタ量
との比較を行うことによってロボットの寿命推定を行っ
ている。この場合、ギアに作用する負荷量は、ギアを駆
動するモータに流れる電流量によって求めている。つま
り、ロボットのギアの摩耗量によってギアを駆動するモ
ータの電流量が大きく左右されるところに着目している
のである。例えば、噛み合うギアにガタがある場合、ガ
タの部分でギアの回転が乱れ、その度にギアの歯面の接
触圧力が上昇しモータに負荷を与える。また、ギアにガ
タがあると噛み合い時のすべり量が増加し回転速度が乱
れるため一歯面分回転するための所要時間がガタに応じ
て変化する。一方、モータは回転を一定にしようとして
電流量を増加し回転を維持しようとする。この時のモー
タの電流量をギアの歯面毎に求めると、その電流量の変
化はギアの摩耗量に対応した変化になる。

【０００５】つまり、ギアの摩耗が激しい場合にはギア
を一歯面分回転させるための電流量が増加する。したが
って、ギアを一歯面分回転させるために必要な電流量を
算出し、歯面毎の電流量を比較することによって、ギア
のどの歯面に最も負荷が加わりガタを有しているか（摩
耗しているか）を検出することができる。さらに、求め
た負荷の中で最大のものを最大負荷量Ｆとすれば、この
最大負荷量Ｆをギアに対する負荷とすることができる。
一方、ギアの摩耗量Ｗは、ｋ（摩擦係数）、ｓ（すべり
距離；１サイクルでの噛み合い回数ｍ×生産台数ｎ×１
歯でのすべり量Δｓ）、ｐ（荷重）の積で算出できるこ
とが知られている（トライボロジー理論）。実稼動ロボ
ットの場合、摩擦係数ｋはギアに供給する潤滑剤の量で
代用し、すべり距離ｓはΔｓをギア形状から求め、ｍを
ギアに取り付けたエンコーダより算出することができ
る。また、荷重ｐは先に求めた最大負荷量Ｆで代用する
ことができる。そして、摩耗量Ｗについて重回帰分析を
行い、１次回帰式を求めると以下のような信頼度９５％
の推定式が得られ、各ギアの摩耗量Ｗを推定することが
できる。

【０００６】

【数１】 Ｗ＝２．９１８×１０^-10 ×Ｆ×ｍ×ｎ−０．４２ なお、定数２．９１８や０．４２は摩耗係数Ｋ等によっ
て変化する。

【０００７】そして各ギアの摩耗量とギア形状からギア
のガタによる回転量を算出し、マトリックス演算等を用
いて各ギアの摩耗量（ガタ）が合成されたアーム先端部
の推定ガタ量を算出することができる。さらに、算出さ
れた推定ガタ量と産業用ロボットの有する許容ガタ量と
の比較を行い推定ガタ量が許容ガタ量を越えている場合
は直ちに補修の指示を出し、推定ガタ量が許容ガタ量を
越えていない場合は、推定ガタ量が許容ガタ量を越える
までの時間を過去のデータから導きだし、次回補修予定
時期を算出し、産業用ロボットの寿命推定を行う。

【０００８】上述のような方法によれば、大掛かりな測
定装置を用いたり、ロボット自体を特別な三次元測定室
に移動したりする必要が無くロボットが稼働している生
産ライン内で寿命推定を行うことができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の産業用
ロボットの寿命推定はロボットの動作プログラムである
オフラインデータをロボットにインストールした後、該
ロボットに実際の作業動作をさせてギアを駆動するモー
タの電流量を測定し、摩耗量を算出して寿命推定を行わ
なければならなかった。そのため、オフラインデータの
インストールに時間がかかると共に、ロボットの作業内
容や作業手順が変更される度にオフラインデータのイン
ストールを行う必要があり手間がかかると共に、その度
に電流量の測定のやり直しを行う必要があるため、寿命
推定作業に長時間かかり、ロボット管理者の負担が増大
して寿命推定が容易にできないという問題があった。ま
た、実際のロボットが動作している時の電流量を測定す
る必要があるため、生産ラインが停止している時（例え
ば夜間）に電流量等の測定を行う必要があり、ロボット
管理者の負担が増大し寿命推定作業の効率上好ましくな
いという問題もあった。さらに、モータの電流量はギア
以外の機械部品（例えば、ベアリング等）の摩耗状態に
よっても影響されるため、特に摩耗の激しいギアの寿命
推定を正確に行うことが困難であるという問題があっ
た。

【００１０】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、短時間で正確かつ容易に寿命推
定を行うことができる産業用ロボットの寿命推定方法及
び寿命推定装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するため、第１の発明は、アーム先端にツールを有
し作業する産業用ロボットのアーム先端部におけるガタ
量に基づいて該産業用ロボットの寿命推定を行う産業用
ロボットの寿命推定方法であって、ロボットを構成する
ギアに作用する最大負荷と該最大負荷が作用する歯面の
噛み合い回数と産業用ロボットの動作サイクル回数とに
基づいてギアの摩耗量を算出する摩耗量算出工程と、算
出した摩耗量に基づいてアーム先端部における推定ガタ
量を算出する推定ガタ量算出工程と、を含み、算出され
た推定ガタ量と産業用ロボットの有する許容ガタ量との
比較を行い推定ガタ量と許容ガタ量との差の大小に基づ
いて産業用ロボットの寿命推定を行う産業用ロボットの
寿命推定方法において、前記摩耗量算出工程は、前記産
業用ロボットの動作プログラム作成用のツールの位置座
標データと前記アームの姿勢データと前記ツール及びア
ームの重量データとからギアに対して時間をパラメータ
とする負荷トルク関数と負荷慣性モーメント関数と角加
速度関数とを求め、該負荷トルク関数と負荷慣性モーメ
ント関数と角加速度関数とに基づき産業用ロボットの１
サイクルのギアの負荷を算出する負荷算出工程と、１サ
イクルにおけるギアの各歯面の噛合い回数を算出する噛
合い回数算出工程と、前記産業用ロボットの１サイクル
におけるギアの同一歯面の負荷の総和と１サイクルにお
けるギアの同一歯面の噛み合い回数の総和を算出し、各
歯面毎に両者の積算値を算出する積算値算出工程と、を
含み、前記積算値の中の最大値を最大負荷とすることを
特徴とする。

【００１２】ここで、産業用ロボットとは一般的に多関
節ロボットであり、各関節はギアの回転駆動によって駆
動される。したがって、アーム先端部のガタ量は各関節
のギアの摩耗によるガタツキが複合されたものである。
負荷算出工程で使用される負荷トルク関数は主にツール
とロボットを構成するアームや機械部品の重量とで決定
され、負荷慣性モーメント関数はアームの姿勢やツール
の取り付け状態によって決定される。また、角加速度関
数はツールの位置座標データやオイラー角等によって決
定される。ガタ量算出工程では摩耗量算出工程で算出さ
れた各ギアの摩耗量と対応するギアの形状とからギアの
摩耗による各ギアの回転角度を算出し、所定のマトリッ
クス演算を行って、アーム先端部の推定ガタ量を算出す
る。そして、推定ガタ量とロボットが有する許容ガタ量
との差の大小に基づいて産業用ロボットの寿命推定を行
う。この時、摩耗量算出工程は産業用ロボットの動作プ
ログラム作成用のデータのみで摩耗量を算出し、後続す
る演算を行う。つまり、産業用ロボットの動作プログラ
ム作成中、または作成後に動作プログラムをロボットに
インストールする前に前記動作プログラム作成用のデー
タであるツールの位置座標データとアームの姿勢データ
とツール及びアームの重量データに基づいてギアの最大
負荷を算出する。したがって、ギアの最大負荷に基づく
ロボットの寿命推定を迅速に行うことができる。また、
動作プログラム作成用のデータのみから寿命推定を行う
のでギアの正確な寿命推定を行うことができる。なお、
負荷はロボットの動作状態や姿勢の選択によって変化す
る。つまり、算出される最大負荷を考慮しながら最大負
荷を小さくするためのアーム姿勢の検討や作業内容の検
討を動作プログラム作成時に容易に行うことができる。
したがって、寿命推定の容易化と共に作業内容の検討・
適正化も容易に行うことができる。

【００１３】

【００１４】

【００１５】さらに、前記問題点を解決するため、第２
の発明は、アーム先端にツールを有し作業する産業用ロ
ボットのアーム先端部におけるガタ量に基づいて該産業
用ロボットの寿命推定を行う産業用ロボットの寿命推定
装置であって、前記産業用ロボットの動作プログラム作
成用のツールの位置座標データと前記アームの姿勢デー
タと前記ツール及びアームの重量データに基づきギアに
対して時間をパラメータとする負荷トルク関数と負荷慣
性モーメント関数と角加速度関数とを求め、該負荷トル
ク関数と負荷慣性モーメント関数と角加速度関数に基づ
き産業用ロボットの１サイクルにおけるギアの同一歯面
の負荷の総和を算出し、さらに、１サイクルにおけるギ
アの同一歯面の噛合い回数の総和を算出し、各歯面毎に
両者の積算値を算出し、その積算値の中の最大値を最大
負荷とする最大負荷算出手段と、算出された最大負荷と
該最大負荷が作用する歯面の噛み合い回数と産業用ロボ
ットの動作サイクル回数とに基づいてギアの摩耗量を算
出する摩耗量算出手段と、算出した摩耗量に基づいてア
ーム先端部における推定ガタ量を算出するガタ算出手段
と、算出された推定ガタ量と産業用ロボットの有する許
容ガタ量との比較を行い推定ガタ量と許容ガタ量との差
の大小に基づいて産業用ロボットの寿命推定を行う寿命
推定手段と、を有することを特徴とする。

【００１６】このように、最大負荷算出手段は産業用ロ
ボットの動作プログラム作成用のデータのみで最大負荷
を算出し、その最大負荷に基づいて摩耗量算出手段が摩
耗量を算出し、ガタ量算出手段がアーム先端部のガタ量
を算出するので、産業用ロボットの動作プログラム作成
中、または作成後にロボットに動作プログラムをインス
トールする前に寿命推定手段が寿命推定を行うことがで
きる。したがって、迅速な寿命推定を行うことができ
る。また、動作プログラム作成用のデータのみから寿命
推定を行うのでギアの正確な寿命推定を迅速に行うこと
ができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施形態
を図を用いて説明する。

【００１８】図１は産業用ロボットの動作プログラムを
作成するプログラマブルコンピュータ１０であり、例え
ば、図２に示す自動車ボディー溶接を行う産業用多関節
ロボット（以下、単にロボットという）１２の動作プロ
グラムを作成する。この動作プログラムは次期新車モデ
ル用の溶接データ等が入手された時点で使用する溶接ツ
ールやロボット１２のアームの所望軌跡等に基づいて事
前にオフライン（机上）で作成される。動作プログラム
を作成する時に入力されるデータ（負荷条件）は、前記
溶接ツールの位置座標データと前記アームの姿勢データ
と前記ツール及びアームの重量データである。具体的に
は、溶接ツール等のアーム先端部分の負荷重量Ｑ0 とそ
の負荷重量Ｑ0 の重心位置Ｌ0 （三次元座標；Ｘ，Ｙ，
Ｚ）と、アーム（付随する部品を含む）負荷重量Ｑ1 と
アームの重心位置Ｌ1 （三次元座標；Ｘ，Ｙ，Ｚ）とア
ームの姿勢（アームの方位）を規定するための基準軸に
対するオイラー角等である。したがって、溶接ツールや
アームの重心位置Ｌ0 ，Ｌ1 とオイラー角を入力するこ
とによって、溶接ツールの位置やアームの姿勢やアーム
の回転角等を特定することになる。一般に動作プログラ
ムはロボット１２の１サイクル動作、例えば待機位置か
ら所定位置までアーム先端のツールを移動させ、移動位
置で溶接作業を行い、再び待機位置に戻る１サイクル動
作について作成し、そのデータをフロッピーディスクや
光ディスク１４等に記憶し、ロボット１２の制御部にイ
ンストールする。

【００１９】本実施形態の特徴的事項はロボットの動作
プログラム作成用のデータ最大負荷を算出して、ギア毎
の摩耗量を算出し、アーム先端位置の推定ガタ量を求め
て、寿命推定を行うところである。

【００２０】以下、最大負荷の算出手順を説明する。負
荷条件Ｑ0 ，Ｑ1 及びＬ0 ，Ｌ1 やオイラー角等が入力
されるとサイクル時間（ｔ）をパラメータとする負荷ト
ルク関数ｆ（ｔ）と負荷慣性モーメント関数ｊ（ｔ）と
角加速度関数α（ｔ）は周知の方法で得ることができ
る。ここで、前記負荷トルク関数ｆ（ｔ）はアーム先端
部分の負荷重量Ｑ0 とアーム負荷荷重Ｑ1 とで決定さ
れ、負荷慣性モーメント関数ｊ（ｔ）はアームの姿勢
（アームの伸ばし具合によって負荷慣性モーメントは変
化する）や溶接ツールの取り付け状態（アーム先端が溶
接ツールの中央を支持しているか端部を支持しているか
等によって負荷慣性モーメントは変化する）によって決
定される。また、角加速度関数α（ｔ）はオイラー角、
つまりアームの姿勢によって規定されるアームの移動量
やツールの位置座標によって決定される。

【００２１】一方、物体に作用する荷重Ｐは時間をパラ
メータとして一般に以下のように示される。

【００２２】

【数２】 Ｐ（ｔ）＝ｆ（ｔ）＋ｊ（ｔ）×（ｄω／ｄｔ） ただし、（ｄω／ｄｔ）＝α（ｔ） したがって、図２においてロボット１２のアームを上下
に駆動するギアＤに着目し、ギアＤからアーム先端１６
に至るまでのアーム構成（アーム長やアーム重量）を考
慮してアーム先端１６を基準にした前記関数の変換を行
うと負荷トルク関数をｆD （ｔ）、負荷慣性モーメント
関数をｊD （ｔ）、角加速度関数をαD（ｔ）とするこ
とができる。そして、ギアＤにかかる荷重ＰD （ｔ）は
以下のように示すことができる。

【００２３】

【数３】 ＰD （ｔ）＝ｆD （ｔ）＋ｊD （ｔ）×αD （ｔ） 図３（ａ）はギアＤに関して縦軸を荷重ＰD 、横軸をサ
イクル時間として１サイクル分の荷重ＰD の変化を示し
たものである。図３（ａ）において横軸は負荷＝０を示
す。負荷＝０はアームが待機位置に静止している状態を
示す。したがって、横軸の上側は重力に逆らってアーム
を引起こす動作していることを示し、横軸下側はアーム
を重力方向に倒す動作をしていることを示している。図
３（ａ）の場合の１サイクルは、ギアＤによってアーム
を待機位置より引き起こし、ある瞬間に動作が反転して
待機位置を越えるようにアームを倒し、最後に再び反転
してアームを起して待機位置に戻していることを示して
いる。また、図３（ｂ）はギアの回転角θをサイクル時
間ｔをパラメータとして示したものである。ギアの各歯
面には摩耗やすべりが存在するためグラフは滑らかな曲
線にならない。また、図３（ｂ）に示すように横軸に歯
面毎に等間隔の平行線を設け、各平行線とグラフとの交
点を求めることによって、任意の時間にドリブンギアと
噛み合っている歯面を特定することができる（図３
（ａ），（ｂ）によれば、第ｎ番目の歯面は１サイクル
中に４回噛み合っている）。そして、図３（ｂ）のグラ
フを図３（ａ）の荷重ＰD のグラフと対応させることに
よって、第ｎ番目の歯面にどのくらいの荷重が作用して
いるかを特定することができる。図３（ａ），（ｂ）の
場合、第ｎ番目の歯面は１サイクル中に４回噛み合い、
１回目、３回目、４回目の噛み合いではギアの歯面にプ
ラスの負荷が作用し、２回目の噛み合いはアームを倒し
ている最中であり待機位置の静止姿勢に対してマイナス
負荷が作用していることを示している。同様に１番目や
２番目の歯面についても何回噛み合い、噛み合った時に
その歯面に作用している荷重がどれだけであるか導き出
すことができる。

【００２４】図４は図３（ａ）で導き出された荷重ＰD
と図３（ｂ）で導き出された噛み合い回数とに基づい
て、歯面毎（本実施形態ではギアＤが２０枚の歯面を有
している）に総荷重Ｐ＝ΣＰDiと、総噛み合い回数ｍ＝
ΣｍDi（ｉ＝１〜２０）を示している。つまり、図４
は、１サイクル中にどの歯面が最も荷重を受け、どの歯
面が最も使われているかを示している。ギアＤに作用す
る負荷は、大きな荷重を受けることにより、または複数
回の噛み合いを行うことによって増加する。したがっ
て、歯面毎に（総荷重Ｐ）×（総噛み合い回数ｍ）を求
めることによってギアＤの歯面毎に作用する負荷を比較
することができる。そして、（総荷重Ｐ）×（総噛み合
い回数ｍ）の中で最大のものをギアＤの最大負荷Ｆとす
ることができる。図４の場合、第８歯面の負荷が最大で
あり、これが最大負荷Ｆとなることが分かる。なお、図
４は負荷の大小を明確にするため１サイクル中に最も噛
み合う歯面で３０回以上噛み合う場合を示している。

【００２５】このようにロボット１２の動作プログラム
を作成する時に入力する溶接ツールの位置座標データと
前記アームの姿勢データと前記ツール及びアームの重量
データとに基づいて、最大負荷Ｆを算出し、後述するロ
ボット１２の先端部分の推定ガタ量を算出し、ロボット
１２の寿命推定を行うことができるので、産業用ロボッ
トの動作プログラム作成中、または作成後にロボットに
動作プログラムをインストールする前に寿命推定を迅速
に行うことができる。

【００２６】また、最大負荷Ｆの算出時に、アームの姿
勢や溶接ツールの取り付け位置等を変えることによって
負荷慣性モーメント関数ｊ（ｔ）や角加速度関数α
（ｔ）を変化させることができるので、算出される最大
負荷を考慮しながら最大負荷を小さくするためのアーム
姿勢の検討や作業内容の検討を行うことができる。つま
り、寿命推定の容易化と共に作業内容の検討も容易に行
うことができる。

【００２７】図５には本実施形態の寿命推定方法を適用
した寿命推定装置の構成ブロック図の一例が示されてい
る。

【００２８】以下、図２に示すロボット１２と図５の構
成ブロック図を用いて具体的な寿命推定方法及び装置を
説明する。

【００２９】図２に示すロボット１２は関節ａ，ｂ，
ｃ，ｄ，ｅ，ｆから構成され、関節ａ，ｄ，ｆはアーム
の旋回動作、関節ｂ，ｃ，ｅはアームの上下動作を行
い、これらの複合動作によってアーム先端部分１６を所
望の位置に所望の角度で接近させて所望の作業、例え
ば、溶接作業等を行うものである。

【００３０】図２に示すようにロボット１２の先端ガタ
εは各関節ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを構成するギアの有
する各摩耗量Δδａ，Δδｂ，Δδｃ，Δδｄ，Δδ
ｅ，Δδｆの合成された量とアームの長さとによって表
すことができる。この時、各ギアの摩耗量Ｗは、ｋ（摩
擦係数）、ｓ（すべり距離；１サイクルでの噛み合い回
数ｍ×生産台数ｎ×１歯でのすべり量Δｓ）、ｐ（荷
重）の積で算出できることが知られている（トライボロ
ジー理論）。

【００３１】実稼動ロボットの場合、摩擦係数ｋはギア
に供給する潤滑剤の量で代用し、すべり距離ｓは１歯で
のすべり量Δｓが微小であるので無視できる。噛み合い
回数ｍは図３（ａ），（ｂ）で説明したように動作プロ
グラムを作成する時に、データ入力部２０から入力する
溶接ツールの位置座標データとアームの姿勢データと前
記ツール及びアームの重量データとに基づいて導き出
す。つまり、データ入力部２０から入力された動作プロ
グラム作成用のデータに基づいて角度算出部２２はサイ
クル時間（ｔ）をパラメータとする角度関数、具体的に
は各ギアの角度関数θ（ｔ）や動作角度関数や各ギアの
角加速度関数α（ｔ）を算出し、噛合い回数算出部２４
に入力する。噛合い回数算出部２４は図３（ｂ）に示す
ように１サイクル中のギアの回転角θから各歯面の噛み
合い回数ｍを算出する。

【００３２】一方、ロボットのように往復動作を頻繁に
行う場合、ギアは均一に摩耗するのではなく特定歯面が
集中的に摩耗しギアの寿命を迎える。したがって、前記
荷重ｐはギアに作用する最大負荷Ｆで代用する。

【００３３】次に、最大負荷Ｆの算出を行う。データ入
力部２０から入力される動作プログラム作成用のデータ
は荷重算出部２６にも入力される。荷重算出部２６では
入力された各データに基づいてサイクル時間（ｔ）をパ
ラメータとする負荷トルク関数ｆ（ｔ）と負荷慣性モー
メント関数ｊ（ｔ）とを算出する。そして、負荷トルク
関数ｆ（ｔ）と負荷慣性モーメント関数ｊ（ｔ）と前記
角度算出部２２で算出された角加速度関数α（ｔ）とに
基づいて、ギア毎に負荷ＰD （ｔ）＝ｆD （ｔ）＋ｊD
（ｔ）×αD （ｔ）を算出し、ギア毎に図３（ａ）に示
すように１サイクル中の負荷ＰD の変動を導く。続い
て、噛合い回数算出部２４で算出された歯面毎の噛み合
い回数のデータと荷重算出部２６で算出した荷重データ
とを最大負荷算出部２８に入力する。この最大負荷算出
部２８では歯面毎に総噛み合い回数ｍ＝ΣｍDi（ｉ＝１
〜２０）を算出すると共に、歯面毎に総荷重Ｐ＝ΣＰDi
（ｉ＝１〜２０）を算出する。さらに、歯面毎に前記両
者の積算値、つまり（総荷重Ｐ）×（総噛み合い回数
ｍ）で表される負荷を求め、その負荷の中で最大のもの
を最大負荷Ｆとする。

【００３４】そして、ギア摩耗量算出部３０は先に示し
た摩耗量Ｗについて重回帰分析を行い、１次回帰式を求
めると以下のような信頼度９５％の推定式が得られ、ｎ
台の生産、つまり、ロボット１２がｎサイクルの作業を
完了した時のギアの摩耗量Ｗを動作プログラム作成時に
入力するツールの位置座標データとアームの姿勢データ
とツール及びアームの重量データに基づいて推定するこ
とができる。

【００３５】

【数４】 Ｗ＝２．９１８×１０^-10 ×Ｆ×ｍ×ｎ−０．４２ このようにギア毎のギア摩耗量算出部３０によって摩耗
量Ｗが求められれば、ギア形状からギアの摩耗によるギ
アの回転ガタ量を算出することが可能である。続いて、
ガタ量算出部３２では、マトリックス演算を行ってアー
ム先端部のガタ量を推定する。

【００３６】つまり、関節が駆動するアーム先端の位置
はアームの長さと関節の回転角度によって、図６に示す
ような（０，０，０，１）という第４行を有する４×４
のマトリックスＭによって一義的に決められることが知
られている。図６に示すマトリックスにおいて符号１０
０で示す３×３の行列は回転を示し、符号１０２で示す
３×１の行列は下位の関節を基準にした時の前記関節が
直接駆動するアームの先端の位置（アームの長さ）を示
すものである。従って、関節ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆに
関するマトリックスをＭ_a ，Ｍ_b ，Ｍ_c ，Ｍ_d ，Ｍ_e ，
Ｍ_f とすると、各ギアにガタが存在しない場合のロボッ
ト先端の位置（基準位置）を求めるマトリックスＭ₀ は
以下のように示すことができる。

【００３７】

【数５】Ｍ₀ ＝Ｍ_a ＊Ｍ_b ＊Ｍ_c ＊Ｍ_d ＊Ｍ_e ＊Ｍ_f 一方、各ギアがガタΔδａ，Δδｂ，Δδｃ，Δδｄ，
Δδｅ，Δδｆ（回転角度に換算したもの）を有する場
合のロボット先端の位置（変位位置）を求めるマトリッ
クスＭ₁ は以下のように示すことができる。

【００３８】

【数６】Ｍ₁ ＝｛Ｍ_a ＋ｄＭ_a （Δδａ）｝＊｛Ｍ_b ＋
ｄＭ_b （Δδｂ）｝＊｛Ｍ_c ＋ｄＭ_c （Δδｃ）｝＊
｛Ｍ_d ＋ｄＭ_d （Δδｄ）｝＊｛Ｍ_e ＋ｄＭ_e（Δδ
ｅ）｝＊｛Ｍ_f ＋ｄＭ_f （Δδｆ）｝ ここで、図２に示すロボット１２の固定点をＫ＝
^ｔ（Ｘ，Ｙ，Ｚ，１）で表し、ガタが存在しない場合の
ロボット先端の位置（基準位置）をＫ₀ ＝^ｔ（Ｘ₀ ，Ｙ
₀ ，Ｚ₀ ，１）、ガタが存在する場合のロボット先端の
位置（変位位置）をＫ₁ ＝^ｔ（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ，Ｚ₁ ，１）
とすると、固定点Ｋから見た基準位置Ｋ₀ 及び変位位置
Ｋ₁ は以下のように示すことができる。

【００３９】

【数７】 Ｋ₀ ＝Ｍ₀ ×Ｋ Ｋ₁ ＝Ｍ₁ ×Ｋ 従って、ロボット先端の推定ガタ量εは以下のように示
すことができる。

【００４０】

【数８】 ε＝｜Ｋ₁ −Ｋ₀ ｜ ＝√｛（Ｘ₁ −Ｘ₀ ）² ＋（Ｙ₁ −Ｙ₀ ）² ＋（Ｚ₁ −Ｚ₀ ）² ｝ そして、寿命推定部３４では、前記推定ガタ量εに基づ
いて、寿命推定を行う。つまり、ロボットが良品を製造
できるロボット先端の固有の許容ガタ量ε₀ は理想位置
を中心とした所定距離で与えられる。例えば、許容ガタ
量ε₀ を理想位置を中心としてε₀ ＝±２０mmとする
と、先に求めたロボット先端の推定ガタ量εが許容ガタ
量ε₀ より小さい場合、産業用ロボットは良品を製造す
ることができる。

【００４１】従って、測定された推定ガタ量εと産業用
ロボットの有する許容ガタ量ε₀ との比較を行い推定ガ
タ量εが許容ガタ量ε₀ を越えている場合は直ちに補修
の指示を出し、推定ガタ量εが許容ガタ量ε₀ を越えて
いない場合は、推定ガタ量εが許容ガタ量ε₀ を越える
までの時間を過去のデータから導き出し、次回補修予定
時期を算出し、産業用ロボットの寿命推定を行う。これ
らの寿命推定結果はディスプレイ装置等の表示部３６に
表示され、ロボット管理者に提示される。表示部３６に
表示される内容は、例えば、図７に示されるように推定
ガタ量εの経時変化をグラフで示し、許容ガタ量ε₀ と
共に示したり、数値で示したりする。また、推定ガタ量
εの算出の過程として、図３（ａ），（ｂ）や図４のグ
ラフを表示してもよい。特に、図３（ａ），（ｂ）や図
４のグラフを表示することによって、算出される最大負
荷を考慮しながら最大負荷を小さくするためのアーム姿
勢の検討や作業内容の検討を容易に行うことができる。
したがって、寿命推定の容易化と共に作業内容の検討も
容易に行うことができる。なお、寿命推定装置は通常プ
ログラマブルコンピュータ１０（図１参照）に組み込ま
れるので表示部３６はプログラマブルコンピュータ１０
のディスプレイ装置と共用される。

【００４２】また、一般に産業用ロボットの摩耗部品
（ギア等）の交換は生産ラインの切り替え時に行われる
場合が多く、次回の生産ラインの切り替え時（数カ月〜
数年）まで摩耗部品が正常に動作するか否かに基づいて
寿命推定を行う必要がある。したがって、摩耗途中の部
品（ギア）につて寿命推定を行う必要がある場合があ
る。この場合、ロボットの先端部のガタ量を推定する
時、ギア摩耗量算出部３０にデータ入力部２０から各ギ
アの現在までのギアの摩耗量の実測値を入力し、動作プ
ログラム作成用のツールの位置座標データと前記アーム
の姿勢データと前記ツール及びアームの重量データから
算出される摩耗量に前記実測摩耗量を加算して、先端部
の推定ガタ量を算出する必要がある。

【００４３】なお、本実施形態においては６軸全てのギ
アに対してガタの測定を行い、マトリックス演算を行っ
たが、ロボット先端のガタに寄与するギアは特定のギア
に限定される場合が多く、例えば、関節ｂ，ｃがロボッ
ト先端のガタに寄与する場合、Δδｂ，Δδｃのみに着
目して良好なロボット先端のガタ量の算出を行うことが
できる。

【００４４】また、本実施形態ではデータ入力部から入
力されるデータに基づきサイクル時間（ｔ）をパラメー
タとする負荷トルク関数ｆ（ｔ）と負荷慣性モーメント
関数ｊ（ｔ）と角加速度関数α（ｔ）を算出して、最大
負荷Ｆを算出してギアの摩耗量Ｗを算出したが、前記各
関数とギアを駆動するモータの特性等からギアを駆動す
るためのモータ電流値関数ｉ（ｔ）を求め、特開平７−
１００７８２号公報の開示と同様に最大モータ電流値を
最大負荷Ｆとして、ギアの摩耗量Ｗを算出してもよい。

【００４５】また、本実施形態では自動車生産ラインの
溶接を行うロボットを例にとって寿命推定方法及び推定
装置を説明したが、ギアを利用した関節を有するロボッ
トであれば、任意のロボットにこの寿命推定方法及び推
定装置は適用できる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば産業
用ロボットの動作プログラム作成中、または作成後に動
作プログラムをロボットにインストールする前に動作プ
ログラム作成用のツールの位置座標データとアームの姿
勢データとツール及びアームの重量データに基づいて最
大負荷を算出するため、ギアの最大負荷に基づくロボッ
トの寿命推定を迅速に行うことができる。また、動作プ
ログラム作成用のデータのみから寿命推定を行うのでギ
アの正確な寿命推定を行うことができる。また、算出さ
れる最大負荷を考慮しながら最大負荷を小さくするため
のアーム姿勢の検討や作業内容の検討を動作プログラム
作成時に容易に行うことができるので、寿命推定の容易
化と共に作業内容の検討・適正化も容易に行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 産業用ロボットの動作プログラムを作成する
プログラマブルコンピュータを示す図である。

【図２】 産業用多関節ロボットの一般的な構成を説明
する概念図である。

【図３】 本発明に係る産業用ロボットの寿命推定方法
を説明するための動作プログラム作成データから導いた
データを説明する説明図であり、（ａ）は１サイクル中
のギアＤの歯面に作用する荷重ＰD 変化を示すグラフ
で、（ｂ）はギアの回転量θに基づいて噛み合い状態を
説明するグラフである。

【図４】 本発明に係る産業用ロボットの寿命推定方法
を説明するための説明図であり、図３（ａ）に示す荷重
ＰD の歯面毎の総和と図３（ｂ）に示す歯面毎の噛み合
い回数の総和を示す説明図である。

【図５】 本発明に係る産業用ロボットの寿命推定装置
の構成ブロック図である。

【図６】 ギアの摩耗量から産業用ロボットの先端ガタ
量を算出するためのマトリックスである。

【図７】 本発明に係る産業用ロボットの寿命推定装置
の表示部に表示される推定結果の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０ プログラマブルコンピュータ、１２ 産業用多関
節ロボット １６ アーム先端、２０ データ入力部、
２２ 角度算出部、２４ 噛合い回数算出部、２６ 荷
重算出部、２８ 最大負荷算出部、３０ ギア摩耗量算
出部、３２ ガタ量算出部、３４ 寿命推定部、３６
表示部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−100782（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 19/06 G05B 19/18 B25J 19/00 B25J 13/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アーム先端にツールを有し作業する産業
   用ロボットのアーム先端部におけるガタ量に基づいて該
   産業用ロボットの寿命推定を行う産業用ロボットの寿命
   推定方法であって、ロボットを構成するギアに作用する
   最大負荷と該最大負荷が作用する歯面の噛み合い回数と
   産業用ロボットの動作サイクル回数とに基づいてギアの
   摩耗量を算出する摩耗量算出工程と、算出した摩耗量に
   基づいてアーム先端部における推定ガタ量を算出する推
   定ガタ量算出工程と、を含み、算出された推定ガタ量と
   産業用ロボットの有する許容ガタ量との比較を行い推定
   ガタ量と許容ガタ量との差の大小に基づいて産業用ロボ
   ットの寿命推定を行う産業用ロボットの寿命推定方法に
   おいて、前記摩耗量算出工程は、 前記産業用ロボットの動作プログラム作成用のツールの
   位置座標データと前記アームの姿勢データと前記ツール
   及びアームの重量データとからギアに対して時間をパラ
   メータとする負荷トルク関数と負荷慣性モーメント関数
   と角加速度関数とを求め、該負荷トルク関数と負荷慣性
   モーメント関数と角加速度関数とに基づき産業用ロボッ
   トの１サイクルのギアの負荷を算出する負荷算出工程
   と、 １サイクルにおけるギアの各歯面の噛合い回数を算出す
   る噛合い回数算出工程と、 前記産業用ロボットの１サイクルにおけるギアの同一歯
   面の負荷の総和と１サイクルにおけるギアの同一歯面の
   噛み合い回数の総和を算出し、各歯面毎に両者の積算値
   を算出する積算値算出工程と、 を含み、 前記積算値の中の最大値を最大負荷とする ことを特徴と
   する産業用ロボットの寿命推定方法。
2. 【請求項２】 アーム先端にツールを有し作業する産業
   用ロボットのアーム先端部におけるガタ量に基づいて該
   産業用ロボットの寿命推定を行う産業用ロボットの寿命
   推定装置であって、前記産業用ロボットの動作プログラム作成用のツールの
   位置座標データと前記アームの姿勢データと前記ツール
   及びアームの重量データに基づきギアに対して 時間をパ
   ラメータとする負荷トルク関数と負荷慣性モーメント関
   数と角加速度関数とを求め、該負荷トルク関数と負荷慣
   性モーメント関数と角加速度関数に基づき産業用ロボッ
   トの１サイクルにおけるギアの同一歯面の負荷の総和を
   算出し、さらに、１サイクルにおけるギアの同一歯面の
   噛合い回数の総和を算出し、各歯面毎に両者の積算値を
   算出し、その積算値の中の最大値を最大負荷とする 最大
   負荷算出手段と、 算出された最大負荷と該最大負荷が作用する歯面の噛み
   合い回数と産業用ロボットの動作サイクル回数とに基づ
   いてギアの摩耗量を算出する摩耗量算出手段と、 算出した摩耗量に基づいてアーム先端部における推定ガ
   タ量を算出するガタ算出手段と、 算出された推定ガタ量と産業用ロボットの有する許容ガ
   タ量との比較を行い推定ガタ量と許容ガタ量との差の大
   小に基づいて産業用ロボットの寿命推定を行う寿命推定
   手段と、 を有することを特徴とする産業用ロボットの寿命推定装
   置。