JP5509947B2

JP5509947B2 - 産業用ロボット

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Publication number: JP5509947B2
Application number: JP2010055840A
Authority: JP
Inventors: 和義野上; 光章中西; 慶太尾郷; 智弘松尾
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP2010240832A; US8316735B2; EP2230053B1; US20100229670A1; CN101837587B; EP2230053A2; CN101837587A; EP2230053A3; ATE514531T1

Description

本発明は、その工業ロボットおよびその制御方法に関するものである。

電動機を用いたロボットは、産業用だけでなくヒューマノイドロボットにも適用されてきている。関節軸は、複数台の電動機で動作させるようになってきている。1つの関節の回転を２つの電動機で動作させるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２８３９４０号公報

産業用ロボットが適用される分野においては、生産性向上のために物品を搬送するスループットを向上させることが要求されている。産業用ロボットの各関節軸の動作を速くする必要がある。電動機の応答性を向上させる必要があるが、高速に駆動しようとすると、電動機の出力を大きくするには大型化する。そうすると、電動機のイナーシャが大きくなり、応答性を向上させることができないといった問題が生じる。

また、物品のスループットを向上させるために、製造設備は産業用ロボットのフットプリントを小さくして、製造ラインを短くする傾向にある。
これに対して、従来のロボットでは、1つの軸を2つの電動機で単純に回転させるようにしていることから、2つの電動機の協調動作を必要とし、制御が煩雑になるといった問題が生じていた。

また、非常停止など急激な停止指令が入った場合には、2つの電動機が同時に制止動作するために、産業用ロボットのアームや減速機に急激な反力が生じる。このような動作では、可動部位や構造物に損傷が生じることが考えられ、物品のスループットを向上させる観点を考慮すると、問題となることが予想される。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高応答性を備えながら、安全に動作させることができる産業用ロボットを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
本発明は、基部に回転自在に支持された中空室と、前記中空室に回転支持されたアーム体を備え、前記アーム体を駆動する動力手段を前記中空室に備えたものである。

また、本発明は、基部に回転自在に支持された中空室と、前記中空室に回転支持されたアーム体を備え、前記アーム体を駆動する動力手段が複数からなり、前記中空室に備えたものである。

また、本発明は、前記駆動手段が少なくとも２つの電動機から構成されたものである。

また、本発明は、前記駆動手段が少なくとも２つの電動機から構成され、第１の電動機の出力軸に第２の電動機の出力が入力されたものである。

また、本発明は、前記動力手段が少なくとも２つの電動機から構成され、前記２つの電動機は整列して配置されたものである。
また、本発明は、前記アーム体を駆動する前記動力手段が少なくとも２つの電動機から構成され、前記中空室に少なくとも２つのアーム体を駆動する前記動力手段が配置されたものである。

また、本発明は、前記動力手段が少なくとも２つの電動機から構成され、前記２つの電動機のトルクの加算値により前記アーム体を駆動するものである。

また、本発明は、前記駆動手段が少なくとも２つの電動機から構成され、第１の電動機の出力軸に複数の電動機の出力が直列に入力されたものである。

また、本発明は、少なくとも２つの前記動力手段は、第１の電動機と直列に連結される複数の電動機から構成され、前記第１の電動機に入力される直列に連結される前記複数の電動機のトルクが前記第１の電動機のトルクと均等であるものである。

また、本発明は、少なくとも２つの動力手段により１つのアーム体を駆動するように、少なくとも前記２つの動力手段に各々の制御器を備え、前記動力手段の出力が均等になるように制御するものである。

また、本発明は、前記制御器によって前記第１の電動機に入力される直列に連結される前記複数の電動機のトルクが前記第１の電動機のトルクと均等になるように演算する第２の制御器ものである。

また、本発明は、少なくとも２つの前記動力手段は、第１の電動機と直列に連結される複数の電動機から構成され、前記複数の電動機には、ブレーキ電源から直接通電され、前記第１の電動機には、サーボ機器からブレーキ指令が入力されるように構成されたものである。

また、本発明は、前記ブレーキ電源に遅延回路を備え、電源がオフされても出力が降下しながら前記ブレーキ電源がオフされるものである。

また、本発明は、通電されている前記複数の電動機は、前記第１の電動機よりも遅れてブレーキが作動するものである。

また、本発明は、前記第１の電動機のブレーキは、前記サーボ機器からの指令とコンタクタインターロックの状態から指令されるものである。

また、本発明は、前記複数の電動機のブレーキは、前記ブレーキ用電源から通電されており、前記ブレーキ用電源がオフされない限り、前記ブレーキはオフの状態を保持するものである。

本発明では、第１の電動機の出力軸に直列に電動機の出力を入力するような構成にしたことにより、電動機のイナーシャを大きくすることがないので、高応答性を維持したまま、関節軸を高速に駆動することが可能となる。

また、このような複数の電動機を配置する中空室を設けたことにより、各関節近傍に電動機を配置する必要がないので、ロボット自体を小型化できるためにフットプリントを小さくして製造ラインを短くすることが可能となる。

また、第１の電動機の出力軸に直列に電動機の出力を入力するような構成にして、第１の電動機のトルクと直列に複数台配置された電動機のトルクが均等になるように制御されることにより、複雑な協調制御を必要とせずに容易に複数台の電動機のトルクの和により関節軸を駆動することが可能となる。

また、第１の電動機の出力軸に直列に電動機の出力を入力するような構成にして、第１の電動機よりも遅れて第２以降の電動機にブレーキトルクを緩やかに供給するようにしたことにより、産業用ロボットのアームや減速機に急激な反力が生じることがなくなり、可動部位や構造物に損傷が生じない。このために製造ラインのメンテナンスを行う必要がなくなり、物品のスループットが向上する。

本発明の産業用ロボットの側断面図本発明の産業用ロボットの正面断面図（図３）本発明の制御ブロック図本発明の制御ブロック図本発明のタイムチャート

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の産業用ロボットの側断面図である。図２は本発明の産業用ロボットの正面断面図である。

産業用ロボット１は、基部２上に内室３が回転自在に連結され、内室３は第1のアーム体４と回転自在に連結され、第1のアーム体４は第２のアーム体５と回転自在に連結され、第２のアーム体５の先端には手首機構６を備えて構成されている。

基部２には、第１の電動機７が備えられており、出力軸は第１の減速機８に入力されて、第１の減速機８の出力軸は内室３を垂直軸回りに回転する。

内室３には、第２から第４の電動機が配置されている。図１の側断面図に示すように、第２の電動機９１と第３の電動機９２は、内室３に縦方向に並んで配置され、同様に、第４の電動機１１と第５の電動機１２は、内室３に縦方向に並んで配置され、第２の電動機９１と第４の電動機１１および第３の電動機９２と第５の電動機１２は離間して平行に配置されている。離間している空間には、手首機構６までの供給線が配置されている。このように配置することにより、供給線の空間を設けながら省スペースに複数個の電動機を配置することが可能となる。

次に、動力伝達について説明する。第４の電動機１１が回転すると、第４の電動機１１の出力軸に取り付けられた第３のプーリ１７にかけられた第４のベルト１４を介して第７のプーリ２５に入力され、第２の減速機２２の入力軸が中空形状をしており、中空部で軸受２３を介して回転自在に支持されたシャフト１８が回転し、シャフト１８に取り付けられた第５のプーリ１９にかけられた第５のベルト２０を介して第６のプーリ２１を回転させ、第２の減速機２２によって減速された回転が第３の減速機２４の出力軸を介して第２のアーム体５を回転させる。また、第５の電動機１２の出力軸には、第５の電動機１２の回転が、第５の電動機１２の出力軸に取り付けられた第１のプーリ１５にかけられた第３のベルト１３を介して第４の電動機１１の出力軸に取り付けられた第２のプーリ１６を回転させる。このようにして、第３のプーリ１７に作用するトルクは、第４の電動機１１と第５の電動機１２のトルクの和が作用することになる。

また、第２の電動機および第３の電動機の動力伝達系も同様の構成となっており、第２の電動機９１が回転すると、第２のベルト９４を介して第４のプーリ９８に入力され、第２の減速機２２の入力軸が回転し、減速された回転が第２の減速機２２の出力軸を介して第１のアーム体４を回転させる。また、第２の電動機９１の出力軸には、第３の電動機９２の回転が、第１のベルト９３を介して第２の電動機９１の出力軸に取り付けられた第２のプーリ１６を回転させる。このようにして、第４のプーリ９８に作用するトルクは、第２の電動機９１と第３の電動機９２のトルクの和が作用することになる。
本実施例では、１つのモータにもう１つのモータの出力を入力してトルクの和とするような構成で説明したが、１つのモータに２台以上のモータを直列に連結して構成することも可能である。その場合は、たとえば、１つのモータのトルク容量と同等のトルク容量になるように２つ以上の１つのモータのトルク容量より小容量のモータで構成することができる。そうすることで、複数台のモータで構成することで発生トルクのアンバランスを解消することができ、複雑な制御をする必要がなくなる。

次に、制御方法について図３を用いて説明する。本例では、第２の電動機９１および第３の電動機９２を用いて説明する。第１のアーム体４を動作させるために位置指令３０が不図示のコントローラから第１の制御器３１および第２の制御器３２に入力される。制御器３１および制御器３２は、位置フィードバック回路、速度フィードバック回路、トルクフィードバック回路から構成されている。第１の制御器３１から第１のトルク指令３３受けた不図示のドライブ回路からの電流が第２の電動機９１に入力され、第１のアーム体を動作させる。また、第２の制御器３２から第２のトルク指令３４は、第１のトルク指令３３との差分にゲインを積算する第３の制御器３５からの値を加算して不図示のドライブ回路に入力されて電流が第３の電動機９２に通電される。

このように、また、第２の制御器３２から第２のトルク指令３４は、第１のトルク指令３３と差分にゲインを積算する第３の制御器３５からの値を用いることで、第２の電動機９１と第３の電動機９２へのトルク指令の差がなくなるようにすることができる。
第３の制御器を有することにより、第２の電動機９１と第３の電動機９２の発生するトルクが均等になり、第３の電動機９２が発生するトルクにより、第２の電動機９１の発生するトルクを減ずることなく、有効に２台のモータで協調した動作が可能となる。１つのモータのトルク容量と同等のトルク容量になるように２つ以上の１つのモータのトルク容量より小容量のモータで構成した場合には、第３の制御器のサーボゲインを変更することにより容易に複数台について対応することが可能となる。

次に、産業用ロボットを停止させる制御方法について第１のアーム体および第2のアーム体を例に説明する。産業用ロボットをサーボオフの状態で停止させると、第１のアーム体および第２のアーム体は、自重により落下する。したがって、電動機にはそれを抑制するためにブレーキが備えられている。ブレーキ回路について図４を用いて説明する。第２から第５の電動機のブレーキの作用について説明する。ブレーキ用電源４１からブレーキリレー回路４２に電源供給され、通常、第３の電動機４６および第５の電動機４７のブレーキには通電されている。つまり、通常状態ではブレーキオフの状態である。また、コントローラからブレーキ指令４８がブレーキリレー回路４２に入力され、ブレーキ用電源４１からの入力がコンタクタインターロック４３の状態に応じて第２の電動機４４および第４の電動機４５に動作指令が出力される。

電源停止がされた場合のタイムチャートを図５に示し、第２から第５の電動機のブレーキへの通電の状態変化について説明する。コントローラへ供給されている電源の通電状態からオフ状態になる状態変化を（Ａ）に示し、電源のオフ状態を検出した状態変化を（Ｂ）に示し、第２の電動機のブレーキおよび第４の電動機のブレーキへの通電状態の変化を（Ｃ）に示し、第３の電動機のブレーキおよび第５の電動機のブレーキへの通電状態の変化を（Ｄ）に示す。電源がオフされてから遅延時間を有しながら、第２の電動機のブレーキおよび第４の電動機のブレーキへの通電がオフされ、さらに遅延して第３の電動機のブレーキおよび第５の電動機のブレーキへの通電がオフされる。第２の電動機のブレーキおよび第４の電動機のブレーキへの通電は（１）の状態変化のように急峻にオフされ、電動機の回転をロックするようにブレーキが作用する。また、第３の電動機のブレーキおよび第５の電動機のブレーキへの通電は（２）の状態変化のように所定時間をかけて徐々に低下してオフされる。第３および第５の電動機の回転を止めるトルクが所定時間をかけて次第に大きくなるように作用する。

本発明で用いられる電動機のブレーキには、通電電流に比例して作用するトルクが発生するタイプが用いられている。

このような状態変化について図４を用いて説明する。サーボ機器の電源がオフされるのでブレーキ指令はオフ状態になり、コンタクタインターロック４３もサーボ機器がオフになるとともにブレーキ用電源４１が遮断され、この状態を検出することにより、第２の電動機４４および第４の電動機４５に動作指令がオフ状態になることで、ブレーキが作動する。また、ブレーキ用電源４１がオフされると、第３の電動機４６および第５の電動機４７のブレーキへの通電がオフされるのでブレーキが作動する。この時、電源停止から遅延して第２の電動機４４および第４の電動機４５に動作指令がオフ状態になり、ブレーキ用電源４１は内部回路にコンデンサなどからなるバックアップ回路を持っていることから、さらに遅延して第３の電動機４６および第５の電動機４７のブレーキの動作指令がオフとなる。このように、第２の電動機および第４の電動機に対して、第３の電動機および第５の電動機を遅延させてブレーキトルクを作用させることで、急峻なアーム体の静止がおこならないようになる。つまり、ブレーキが作用する初期状態では定格負荷の半分程度の負荷でブレーキが作用し、遅延して定格負荷が作用するようになっている。

この遅延時間は、ブレーキ用電源４１内部のコンデンサで構成されるバックアップ回路から求められるが、数１０ms程度であり、アーム体の落下への影響には問題が生じない程度である。

１産業用ロボット
２基部
３内室
４第１のアーム体
５第２のアーム体
６手首機構
７第１の電動機
８第１の減速機
９１第２の電動機
９２第３の電動機
９３第１のベルト
９４第２のベルト
９８第４のプーリ
１１第４の電動機
１２第５の電動機
１３第３のベルト
１４第４のベルト
１５第１のプーリ
１６第２のプーリ
１７第３のプーリ
１８シャフト
１９第５のプーリ
２０第５のベルト
２１第６のプーリ
２２第２の減速機
２３軸受
２４第３の減速機
２５第７のプーリ
３０位置指令
３１第１の制御器
３２第２の制御器
３３第１のトルク指令
３４第２のトルク指令
３５第３の制御器
４１ブレーキ用電源
４２ブレーキリレー回路
４３コンタクタインターロック
４４第２の電動機ブレーキ
４５第４の電動機ブレーキ
４６第３の電動機ブレーキ
４７第５の電動機ブレーキ
４８ブレーキ指令

Claims

基部に回転自在に支持された中空室と、
前記中空室に回転支持されたアーム体と、
前記中空室に配置され、前記アーム体の異なる部位をそれぞれ駆動する少なくとも２つの動力手段と
を備え、
前記動力手段は、
それぞれが少なくとも２つの電動機を含み、第１の電動機の出力軸に他の電動機の出力が入力され、
すべての前記動力手段における前記電動機の出力軸は、いずれも同じ方向へ突出され、前記動力手段における複数の前記電動機は、縦方向に整列して配置され、当該動力手段における前記電動機の列と、他の動力手段における前記電動機の列との間に空間が設けられ、前記アーム体へ通じる供給線が当該空間に設けられること
を特徴とする産業用ロボット。
前記第１の電動機の出力軸に他の電動機の出力が直列に入力されること
を特徴とする請求項１に記載の産業用ロボット。
前記第１の電動機を制御する第１の制御器と、
前記他の電動機を制御する第２の制御器と、
前記第１の制御器が出力する第１の指令と前記第２の制御器が出力する第２の指令との差分に基づいて前記第２の指令を補正する第３の制御器と
を用いて前記動力手段が制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の産業用ロボット。
前記第１の電動機のブレーキよりも前記他の電動機のブレーキが遅延して作動されることを特徴とする請求項１、２または３に記載の産業用ロボット。