JP6163882B2 - 予測システム - Google Patents

Description

開示の実施形態は、予測システムに関する。

従来、自動車板金工程等の生産ラインに配置される産業用ロボットを用いたスポット溶接機の溶接ガンは、自動車ボディーの種々の部分を溶接するために、反転したり旋回したりする三次元運動を強いられる。これに伴い、溶接ガンに接続される溶接ケーブルは、捩じられたり、曲げられたりすることを繰り返し、経時的に疲労が蓄積して最終的に断線するため、設備保守の観点から溶接ケーブルを断線する前に交換する必要がある。

溶接ケーブルを交換する時点を把握するためには、常時監視体制をとる必要があるものの、ケーブルの外観の目視だけでは内部断線を発見できない。このため、ケーブルの電気抵抗値を常時監視することにより、ケーブルの劣化、すなわち、断線の度合いが推測されてきた。ケーブルの電気抵抗値を常時監視して、破断を予測する予測システムとしては、たとえば、特許文献１に記載のものがある。

特開平１−２６２０８０号公報

しかしながら、ケーブルの電気抵抗値は、ケーブルが断線する直前で指数関数的に上昇し、抵抗値の上昇の検知から断線までの時間は短い。したがって、ケーブル断線が予知されても、断線するまでに新たなケーブルを準備する時間がなく生産ラインが一時的に停止する場合がある、またケーブルの抵抗値を常時監視・記録する設備が必要になる等の問題があった。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、特別に装備を設けてケーブルの電気抵抗値を常時監視することなく、十分な時間的余裕をもってケーブルの断線を予測することができる、予測システムを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る予測システムは、取得部と、実行部と、予測部と、残寿命算出部とを備える。前記取得部は、関節を介して相対的に回転可能な一対のリンク部材にそれぞれ固定具で固定されたケーブルの電気抵抗値を取得する。前記実行部は、所定の動作を前記関節に実行させる。前記予測部は、前記実行部によって前記関節が前記所定の動作を行っている期間内に前記取得部によって取得された前記電気抵抗値の変化に基づいて前記ケーブルの寿命を予測する。前記残寿命算出部は、前記所定の動作の実行履歴に基づき、前記予測部によって予測された前記寿命から最新の時点における残寿命を算出する。

実施形態の一態様によれば、特別に装備を設けてケーブルの電気抵抗値を常時監視することなく、十分な時間的余裕をもってケーブルの断線を予測することができる予測システムを提供することができる。

図１は、実施形態に係るケーブルの断線予測方法を示す図である。 図２は、ロボットシステムの構成を示す図である。 図３は、６軸ロボットにおける各軸の説明図である。 図４は、溶接タイマーからみたケーブルの等価回路を示す図である。 図５は、予測システムの構成を示すブロック図である。 図６は、プログラミングペンダントを示す図である。 図７は、報知部の操作画面を示す図である。 図８は、ロボットの手首部位へのケーブルの取り付けを示す図である。 図９は、ロボットのベース部のケーブルの取り回しを示す図である。 図１０は、スポット溶接時間に対するケーブルの電気抵抗値の経時変化を示す図である。 図１１は、予測システムが実行する処理手順を示すフローチャートである。 図１２は、予測値更新の処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する予測システムの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

まず、実施形態に係る予測システムについて、図１を用いて説明する。図１は、実施形態に係るケーブルの断線予測方法を示す図である。図１に示すように、導電部材であるケーブルは、関節で回転自在に連結された第一のリンク部材および第二のリンク部材上に、それぞれ、第一の固定具および第二の固定具で固定される。

ケーブルの第一の固定具および第二の固定具を両端とする部位は、関節の動きによる第一のリンク部材および第二のリンク部材の動作を妨げないための余裕の長さを有するたわみ部位である。固定具はリンク部材に対して繰り返し取り付け／取り外し可能に構成されており、固定具を一旦取り外し、たわみ部位の長さを調整した後に固定具を再度取り付けてケーブルを固定することができる。そして、第一のリンク部材と第二のリンク部材との相対角度が変位した場合、たわみ部位には屈曲や捩れによる応力がかかる。なお、図１に示す固定具の位置やたわみ部位の形状は一例である。

たわみ部位にかかる屈曲や捩れによる応力は、一度のリンク部材の動きによるものは小さくても、リンク部材が繰り返して運動をするうちにたわみ部位に疲労として蓄積され、最終的に破断によるケーブル断線が引き起こされる。そこで、実施形態の予測システムでは、リンク部材の動きに伴ってケーブルのたわみ部位が破断、断線するまでの寿命、すなわちケーブルが断線するまでの寿命を十分な時間の余裕をもって予測することとした。

ここで、たわみ部位の疲労破断までの寿命を予測するために、たわみ部位に加わる応力を直接測定して使用してもよいが、測定が容易な電気抵抗値を応力に変換することがより好ましい。屈曲や捩れによる応力がかかった状態のたわみ部位は、加えられた応力に応じて長さや断面積が変化し、これに伴い電気抵抗値も変化するためである。よって、実施形態にかかる予測システムでは、たわみ部位を含むケーブルの電気抵抗値の変化を計測し（ステップＳ１）、この電気抵抗値を応力に変換する（ステップＳ２）。

実施形態のように材料がワイヤー状の場合、たわみ部位の長手方向に加わる応力と、同部位の長手方向の電気抵抗値とはほぼ正比例の関係となる。したがって、測定された電気抵抗値をもとに求められた同部位に加わる応力の変化の振動幅を用いて、後に述べるたわみ部位の寿命評価を行う。なお、応力の変化の振動幅は、電気抵抗値の変化の振動幅を変換してもよいし、変換された応力の変化の振動幅を算出してもよい。

全く疲労していないケーブルが取り付けられてから屈曲や捩れによる疲労の蓄積によってたわみ部位が破断するまでの寿命は、リンク部材の一定の動作の繰り返しが可能な回数として見積もることができる。しかしながら、これに限らず、リンク部材の一定の動作にかかる時間から変換される、ケーブルの使用可能な時間等として見積もることとしてもよい。

このように、実施形態にかかる予測システムでは、相対的に可動なリンク部材間に設けられたケーブルのたわみ部位の変形による電気抵抗値を、たとえば、応力の変化の振動幅に変換する。これにより、疲労していないケーブルのたわみ部位がリンク部材に取り付けられてから、疲労蓄積によって破断するまでの寿命が見積もられる。すなわち、応力からケーブルの寿命を予測する（ステップＳ３）。

また、電気抵抗値をもとに予測された寿命は、ケーブル寿命の保証値である閾値と比較される。予測された寿命が閾値以上の場合、ケーブルについて保証された寿命は確保されており、たわみ部位を有するリンク部材は、この状態で差支えなく使用される。一方で、予測された寿命が閾値より小さい場合は、たわみ部位にかかる応力を小さくし、寿命を延ばす必要が生じる。

ここで、たわみ部位のケーブル長さと、同部位にかかる応力との関係について説明する。同一の電気抵抗値の変化を生じせしめるたわみ部位の変位に対して、同部位が長いほど同部位に加わる応力は小さくなる。したがって、同一の関節の運動に対してたわみ部位を長くすれば同部位にかかる応力が小さくなり、疲労破断までの寿命が延びる。また、たわみ部位のケーブル長さ調整が、現実的に最も簡便な寿命の調節方法の一つと考えられる。

たわみ部位のケーブル長さを調整するための調整長をもつ調整部位は、たわみ部位を固定する一組の固定具の外側に設けられる。予測されたたわみ部位の寿命が閾値に満たない場合、調整部位を利用して、たわみ部位の長さを追増する。なお、一定の電気抵抗値において、たわみ部位のケーブル長さと、同部位にかかる応力とは、ほぼ反比例する。この関係を利用して、測定時にたわみ部位にかかった応力と、上記した閾値で同部位にかかる応力との差である、減少させるべき応力の量から追増すべき調整長が見積もられる。すなわち、たわみ部位の長さが最適化される（ステップＳ４）。

このように、実施形態にかかる予測システムによれば、対象とするケーブルのたわみ部位の間にある関節をケーブルの設置時に少なくとも一回運動させて、同部位を含むケーブルの電気抵抗値を測定するだけで同部位の疲労破断に対する寿命が予測される。また、予測された寿命をケーブル寿命の保証値である閾値と比較することで、同部位の長さ等の設置の妥当性が判断される。予測された寿命がケーブル寿命の閾値を満たさない場合、測定された電気抵抗値から予測される応力をもとにケーブルのたわみ部位の調整すべき長さが見積もられる。

これにより、実施形態にかかる予測システムによれば、対象とするケーブルのたわみ部位の間にある関節をケーブルの設置時に少なくとも一回運動させて、同部位を含むケーブルの電気抵抗値を測定するだけで同部位の長さ等の設置の最適化を図ることができる。従来、ケーブルのたわみ部位の長さは、作業者の経験や勘により設定されていたため、同部位の寿命が、ケーブルの保証値より短かかったり、一定しなかったりする等の問題があった。一方で、実施形態にかかる予測システムによれば、これらの問題が解消され、作業者によらず一定の寿命が保証されたケーブルの取り付けが可能となる。

続いて、実施形態に係る予測システム５０を有するロボットシステム１について、図２を用いて説明する。図２は、ロボットシステムの構成を示す図である。図２に示すように、ロボットシステム１は、ロボット１０、溶接タイマー２０およびロボットコントローラ３０を備える。ロボット１０は、複数の関節により相対的に可動な可動部材からなる多軸構造を有する多関節ロボットであり、先端にエンドエフェクタである溶接ガン１９を備える。溶接ガン１９は、ワークを挟持して溶接するための挟み込み部位１９ａを有し、ベース部材１９ｃを介して、ロボットアーム１０ｂに取り付けられる。また、ベース部材１９ｃには溶接トランス１９ｂが取り付けられる。

溶接タイマー２０から溶接ガン１９へ伸びる溶接電源ケーブル４０１、および、ロボットコントローラ３０からロボット１０へ伸びる給電および信号ケーブル４０２は、ロボット１０のベース部１０ａに設けられた分線盤１０２ａの挿通部を基端とするケーブル４０としてまとめられる。ケーブル４０は、ロボット１０の各関節に、たわみ部位を有して取り付けられ、他端は溶接トランス１９ｂに接続される。

溶接タイマー２０は、溶接ガン１９にてなされる溶接の通電時間や電流量の制御等、溶接条件の制御を行う。ロボットコントローラ３０は、溶接ガン１９の挟み込み部位１９ａを図示しないワーク上の溶接点に合致させる動きをロボット１０に指示する。また、ロボットコントローラ３０は、予測システム５０を有する。なお、予測システム５０の詳細については、図５を用いて後述する。

続いて、ロボット１０について説明する。図３は、６軸ロボットにおける各軸の説明図である。ロボット１０はベース部１０ａを介して床面などに固定される。また、ロボット１０は複数のロボットアーム１０ｂを有しており、ロボットアーム１０ｂは、図示しないサーボモーターにより駆動される関節を介して他のロボットアーム１０ｂと接続される。

なお、図３に示す関節には、「円」で示したものと、「菱形」で示したものとがあるが、両者は、単に回転軸の向きの違いをあらわす。たとえば、「円」で示した関節部は、両側のロボットアーム１０ｂのなす角を変化させるように回転する。また、「菱形」で示した関節部は、両側のロボットアーム１０ｂのなす角を保持したまま回転する。図３に示すように、各関節の回転軸は、設置基準面から順に、軸Ｓ、軸Ｌ、軸Ｕ、軸Ｒ、軸Ｂおよび軸Ｔである。

また、実施形態において、Ｂ軸およびＴ軸以外の各軸に対応する関節は、ケーブル４０の各たわみ部位の両端の固定点の間に一つずつ存在し、Ｂ軸およびＴ軸にそれぞれ対応する関節は、両端の固定点の間に存在する。すなわち、両端の固定点の間には、Ｂ軸およびＴ軸なる二つの軸が存在する。この点については、図８にて後述する。また、各関節はそれぞれ独立して動くことができる。

続いて、ロボット１０の各軸に設けられた、ケーブル４０の各たわみ部位の電気抵抗値の測定方法について説明する。図４は、溶接タイマーからみたケーブルの等価回路を示す図である。溶接トランス１９ｂおよび交流電源である溶接タイマー２０は、ケーブル４０により接続され閉回路を形成する。ただし、図４に示すケーブル４０は、溶接電源ケーブル４０１を指すものとする。

ここで、ケーブル等の材料の引張歪と電気抵抗値の関係について説明する。一般に、筒状の材料に両端から引張り力が加わると材料の内部に応力が発生し、同応力に正比例して引張りひずみが生じる。引張りひずみが発生すると、材料の断面積は減少し、長さは増加するので、材料の引張り方向の電気抵抗値は増加する。実施形態のように材料がワイヤー状の場合、材料の長手方向の引張に伴って内部に発生する応力および材料の引張り方向の電気抵抗値は正比例の関係にある。したがって、同関係に基づいた計算により、ケーブル４０の各たわみ部位の電気抵抗を同部位の内部に発生する応力に変換することが可能である。

ケーブル４０のたわみ部位の電気抵抗値の測定方法を具体的に述べる。ケーブル４０における複数のたわみ部位のうち、１つのたわみ部位を選択する。そして、選択したたわみ部位の間に存在するロボット１０の軸のみを動かして、同軸が動作中の閉回路の電気抵抗値の変化を測定する。続いて、得られた電気抵抗値の変化から、動かした軸の回転に伴い屈曲または伸長するケーブル４０にかかる応力を算出する。同応力の最大値と最小値の差を２で除した数値を応力振幅σｎとする。応力振幅σｎに基づくたわみ部位の寿命の予測については後述する。

以下、ロボット１０のＢ軸およびＴ軸を同時に動かす手首運動を例にして説明する。他の軸についても本例示と同様の方法で、寿命を見積もりたいケーブル４０のたわみ部位の応力振幅σｎを求めることができる。また、電気抵抗値の測定方法は、たとえば、作業者がテスターを用いて各たわみ部位毎に測定したり、ロボットシステム１に組み込んで自動的に測定したりする等、形態は問わない。

図４において、電源である溶接タイマー２０の交流電圧をＶ（Ｖ）、周波数をｆ（Ｈｚ）、溶接トランス１９ｂのコイルのインダクタンスをＬ（Ｈ）、リアクタンスをＸＬ（Ω）（＝２πｆＬ）とする。また、応力が加わっていない状態のケーブル４０の閉回路上の抵抗の総和であるＲ０（Ω）が、Ｂ軸およびＴ軸が運動をした際に最大の電気抵抗値Ｒ１max（Ω）をとったとする。

ケーブル４０の閉回路に流れる電流をＩ（Ａ）とすると、抵抗Ｒ０にかかる電圧ＶＲ（Ｖ）＝Ｉ×Ｒ０、および、溶接トランス１９ｂのコイルにかかる電圧ＶＬ（Ｖ）＝Ｉ×ＸＬ、となる。コイルでは、電流の位相が電圧よりπ／２遅れているため、両者の合成電圧Ｖｔｏｔ（Ｖ）＝（ＶＲ^２＋ＶＬ^２）^０．５＝（Ｒ０^２＋ＸＬ^２）^０．５×Ｉとなる。これにより、インピーダンスＺ０（Ω）＝（Ｒ０^２＋ＸＬ^２）^０．５が導かれる。同様に、電気抵抗値Ｒ１max（Ω）の際のインピーダンスＺ１（Ω）＝（Ｒ１max^２＋ＸＬ^２）^０．５となる。

これより、Ｂ軸およびＴ軸の運動に伴うケーブル４０の電気抵抗値の増分である、Ｒ１max−Ｒ０＝（Ｚ１^２−ＸＬ^２）^０．５−（Ｚ０^２−ＸＬ^２）^０．５（Ω）が導かれる。すなわち、Ｂ軸およびＴ軸を動かした際のケーブル４０のインピーダンス変化から、ケーブル４０の電気抵抗値の変化の振動の幅が算出される。

続いて、予測システム５０について説明する。図５は、予測システムの構成を示すブロック図である。なお、本実施形態では、予測システム５０がロボットコントローラ３０に内蔵されているが、別体でもよく、ロボット１０に内蔵されてもよい。

予測システム５０は、ロボットコントローラ３０に、ロボット制御部３１と共に内蔵される。ロボット制御部３１はロボット１０に所定の動作を実行させる実行部３１ａを有する。予測システム５０は、通信部５１、演算部５２、および、記憶部５３を備える。通信部５１は、電気抵抗値の計測部６０、演算部５２、および、報知部７０間のデータ送受信を行うＬＡＮボードなどの通信デバイスである。また、記憶部５３は、不揮発メモリや、ハードディスクドライブといった記憶デバイスで構成される。

計測部６０は溶接タイマー２０に内蔵されるが、別体でもよく、ロボット１０やロボットコントローラ３０に内蔵されてもよい。報知部７０は、後に図６を用いて詳細に説明するプログラミングペンダント３２に内蔵されるが、別体でもよく、ロボット１０、溶接タイマー２０、およびロボットコントローラ３０に内蔵されてもよい。

演算部５２は、取得部５２ａ、第一の変換部５２ｂ、予測部５２ｃ、比較部５２ｄ、第二の変換部５２ｅ、および、残寿命算出部５２ｆを備える。記憶部５３は、ジョブ情報５３ａ、第一の変換情報５３ｂ、予測情報５３ｃ、閾値情報５３ｄ、第二の変換情報５３ｅ、および、履歴情報５３ｆを記憶する。

ロボット１０は、実行部３１ａにより指示された第一の運動を行う。第一の運動は、対象とするたわみ部位を動かす関節の動作を含んだロボット１０の動作であればよい。すなわち、対象とするたわみ部位が含む関節のみを動かす動作であってもよいし、ロボット１０が実際に作業を行う際の動作であってもよい。また、さらに厳しい条件で寿命を予測するために、対象とするたわみ部位が含む関節の可動範囲の両端まで動かす動作とすることも可能である。このように、ロボット１０の動作は、寿命評価の目的や状況に合わせて適宜、設定を変更することが可能である。

例えば、出荷試験のようにロボット１０の周囲に十分なスペースがある場合には、各たわみ部位が含む関節を１つずつ動かす動作や、各関節の可動範囲の両端まで動かす動作を行い、最も短い寿命予測を採用するようにしてもよい。また、生産ラインにて実際に作業を行う際の動作を行って寿命予測を行ってもよい。

一方で、出荷後に新しいケーブルに交換したり、後述する作業の変更が行われた際のように、ロボット１０が生産ラインに配置された後であれば、ロボット１０が周辺の物体に干渉しないように実際に作業を行う際の動作によって寿命予測を行うようにしてもよい。第一の運動や作業用の動作は「ジョブ」と呼称され、あらかじめジョブ情報５３ａとして記憶されており、各々に一意に与えられた番号やジョブ名によって識別される。実行部３１ａは、ジョブ情報５３ａから読み出されたジョブをロボット１０に動作させる。

計測部６０は、ロボット１０の第一の運動に伴って変化するケーブル４０の電気抵抗値を計測する。この電気抵抗値は、第一の運動をロボットに一回だけ行わせて計測しても良く、あるいは第一の運動をロボットに複数回行わせて計測してもよい。第一の運動を複数回行う場合には、その間の電気抵抗値の変化の振幅の最大値を採用してもよいし、複数回計測した際の電気抵抗値の変化の振幅の平均値を採用してもよい。いずれにしてもロボット１０が実際に作業を行っている間に、常に電気抵抗値を計測する必要はない。

計測された電気抵抗値は、通信部５１により取得部５２ａに伝達される。取得部５２ａにて取得された電気抵抗値は、第一の変換部５２ｂにて、第一の変換情報５３ｂを用いて、対象とするたわみ部位に加わる応力に変換される。

第一の変換部５２ｂにて変換された応力の変化の振動の幅である応力振幅σ１をもとに、予測情報５３ｃを用いて、対象とするたわみ部位が、全く疲労していない状態から疲労の蓄積により破断するまでの寿命が予測される。ここで、ロボットアーム１０ｂの動きにより、ケーブル４０のたわみ部位に加わる荷重が、ケーブル４０の降伏点以下、すなわち弾性域に収まる場合について考える。

一般的に、弾性域での繰り返し荷重による疲労による破断は、破断までの繰り返し数が１０^４回以上の高サイクル疲労となり、破断までの寿命は、たとえば、以下の式（１）を用いて予測される。式（１）は、ケーブル４０のたわみ部位に加わる応力振幅σ１、および、ケーブル４０のたわみ部位が疲労破断するまでの繰り返し数Ｎ１の関係を示している。
σ１・Ｎ１^ａ１＝Ｃ ・・・（１）
式（１）から、応力振幅σ１によりケーブル４０のたわみ部位が疲労により断線するまでの、ロボット１０の第一の運動の繰り返し数Ｎ１を予測することができる。ａ１およびＣは、あらかじめケーブル４０について実験を行うことで定められる定数（実数）である。式（１）から求めたＮ１が整数ではない場合には、整数に近似した値をＮ１とする。

このようにして求められたＮ１は、ロボット１０の第一の運動を行うことが可能な回数として第一の寿命としてもよいし、一回のロボット１０の第一の運動にかかる時間からＮ１を時間に変換して第一の寿命としてもよい。

予測部５２ｃで予測された、ロボット１０の第一の運動に対するケーブル４０の第一の寿命は、比較部５２ｄにて、閾値情報５３ｄと比較される。閾値情報５３ｄは、たとえば、ケーブル４０の寿命の保証値である。第一の寿命が閾値情報５３ｄに満たない場合、第一の寿命のデータは第二の変換部５２ｅに送られる。

第二の変換部５２ｅでは、ケーブル４０に加わる応力振幅σ１を、第二の変換情報５３ｅを用いて、ケーブル４０のたわみ部位の追増すべき調整長さに変換する。変換して算出された調整長さは、通信部５１を介して、報知部７０にて作業者に報知される。

第一の寿命が、閾値情報５３ｄを満たす場合、第一の寿命のデータは残寿命算出部５２ｆおよび通信部５１を介して、報知部７０にて作業者に報知される。ここで、残寿命算出部５２ｆについて説明する。残寿命算出部５２ｆは、取得した第一の寿命のデータから、ロボット制御部３１から取得したロボット１０の稼働情報を累積した履歴情報５３ｆを減算した値を、ケーブル４０の第一の残寿命として通信部５１に送る。

また、実際の生産ラインにおいては、生産ラインの組み替えなどによってロボット１０が行う作業の内容が、当初の作業（第一の運動）と異なる別の作業（第二の運動）に変更になる場合がある。ロボット１０の運動が、第一の運動から第二の運動に変更になる場合の、ケーブル４０の電気抵抗値の計測と寿命の予測を考える。

ロボット１０の第二の運動への変更に伴い、第一の運動の場合と同様に、計測部６０にてロボット１０の第二の運動に伴って変化するケーブル４０の電気抵抗値を計測する。取得された電気抵抗値は、対象とするたわみ部位に加わる応力に変換される。ケーブル４０のたわみ部位に加わる応力振幅がσ２になるとすれば、式（２）が成り立つ。
σ２・Ｎ２^ａ１＝Ｃ ・・・（２）

式（２）は、応力振幅σ２が加わる条件において、ケーブル４０のたわみ部位が、全く疲労していない状態から疲労破断するまでの繰り返し数である第二の寿命Ｎ２を表す。式（２）から求めたＮ２が整数ではない場合には、整数に近似した値をＮ２とする。ところで、ケーブル４０に加わる応力振幅が、σ１でＮ１１回加えられた後、σ２に変更になったとすると、変更後は、ケーブル４０が疲労破断するまでに式（３）を満たすＮ２１ｍａｘ回の繰り返しが可能である。
Ｎ１１／Ｎ１＋Ｎ２１ｍａｘ／Ｎ２＝１ ・・・（３）

よって、予測部５２ｃで予測されたロボット１０の第二の運動に対するケーブル４０の第二の寿命Ｎ２が、比較部５２ｄで、閾値情報５３ｄを満たす場合、残寿命算出部５２ｆでは、以下の式（４）を用いて第二の運動に変更されてからの最大の寿命であるＮ２１ｍａｘが算出される。
Ｎ２１ｍａｘ＝（１−Ｎ１１／Ｎ１）×Ｎ２ ・・・（４）
式（４）で計算されたＮ２１ｍａｘは、ロボット１０の第二の運動のＮ２１までの履歴情報５３ｆを減じて更新され、ケーブル４０の第二の残寿命として通信部５１を介して、報知部７０へ送られる。式（４）から求めたＮ２１ｍａｘについても、整数でない場合には、整数に近似した値をＮ２１ｍａｘとする。

予測部５２ｃで予測された、ロボット１０の第二の運動に対するケーブル４０の第二の寿命Ｎ２が、比較部５２ｄで、閾値情報５３ｄを満たさない場合は、第一の運動の場合と同様にして、たわみ部位の長さを追増し、式（４）におけるＮ２１ｍａｘの算出以降の演算を行う。

また、ロボット１０の運動の変更が３度以上行われる場合について考える。例えばｎ−１回（ｎは４以上の整数）の変更後の運動による寿命Ｎｎは、式（５）を満たすように決められる。寿命Ｎｎは、ケーブル４０の対象とするたわみ部位の、全く疲労していない状態から疲労によって破断するまでの寿命である。
σｎ・Ｎｎ^ａ１＝Ｃ ・・・（５）

寿命Ｎｎが比較部５２ｄで閾値情報５３ｄを満たす場合、残寿命算出部５２ｆでは、以下の式（６）により、ロボット１０の最新の変更の前までの稼働時間を減じた残寿命Ｎｎ１ｍａｘが算出される。式（６）から求めたＮｎ１ｍａｘについても、整数でない場合には、整数に近似した値をＮｎ１ｍａｘとする。
Ｎｎ１ｍａｘ＝（１−Σ（Ｎｉ１／Ｎｉ））×Ｎｎ
（ｉ＝１〜ｎ−１） ・・・（６）

また、ロボット１０の運動の変更後の寿命が、比較部５２ｄにおいて閾値情報５３ｄを満たさない場合、たわみ部位の長さを追増して式（５）による疲労破断の寿命を満たしたうえで、式（６）の演算を行う。

このように、予測システム５０によれば、ケーブル４０のたわみ部位が設置されたロボット１０の関節を所定の動作で少なくとも一回動作させれば、同たわみ部位の調整量の算出、および、ロボット１０の稼働履歴を反映した残寿命を自動で算出することができる。

また、ロボット１０の動作が変更された場合も、それまでにケーブル４０が稼働した全ての履歴を減じる演算を行い、動作の変更時からの寿命を予測することでケーブル４０の取り替えるべき時期を知ることができる。さらに、各たわみ部位について残寿命が報知されるようにすれば、最も早く疲労破断するたわみ部位の断線に伴いケーブル４０の取り替えるべき時期を知ることができる。

続いて、図６を用いてプログラミングペンダント３２について説明する。図６は、プログラミングペンダントを示す図である。プログラミングペンダント３２は、ロボット１０にプログラムを教示、または、ロボット１０を動作させることのできる携帯用の操作盤であり、ケーブル３００を介してロボットコントローラ３０と接続される。

プログラミングペンダント３２は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）３２ａ、ＳＵＩ（Solid User Interface）３２ｂ、および、Ｓａｆｅｔｙ−ＳＵＩ（Safety- Solid User Interface）３２ｃからなる３つのモジュール部を有する。ＧＵＩ３２ａとは、液晶ディスプレイの表示やタッチスイッチなどのグラフィックなＨＭＩ（Human Machine Interface）である。ＳＵＩ３２ｂは、人の意志を機械に伝える押しボタンスイッチ、セレクタスイッチや、機械の状態を人に知らせる発光ダイオード表示灯などの、機械的・物理的部品によって構成されるＨＭＩである。Ｓａｆｅｔｙ−ＳＵＩ３２ｃは、非常停止押しボタンスイッチやイネーブルスイッチなど、安全に直結するＳＵＩである。

ＧＵＩ３２ａを、実施形態に係る予測システム５０の報知部７０とすることが、操作性とコストの面から好ましい。図７は、報知部の操作画面を示す図である。以下に、図７に例示した報知部７０を用いて、実施形態に係る予測システム５０の操作を説明する。

報知部７０であるＧＵＩ３２ａは、ジョブ番号表示部位３２１、ジョブ実行指示部位３２２、電気抵抗値であるインピーダンス値表示部位３２３、残寿命表示部位３２６、寿命判定表示部位３２７、および、ケーブル調整長表示部位３２８を有する。ロボット１０は、ジョブ番号表示部位３２１に表示されたジョブを、作業者によりジョブ実行指示部位３２２に入力される指示により実行する。

インピーダンス値表示部位３２３は、ロボット１０の動作に伴うケーブル４０の最小のインピーダンス値を表示する部位３２４および最大のインピーダンス値を表示する部位３２５を有する。また、テスター等により手動でインピーダンス値の測定を行う場合は、インピーダンス値をＳＵＩ３２ｂにより入力する。

入力されたインピーダンス値をもとに変換された応力の変化の振幅を用いて予測されたケーブル４０の寿命が、閾値情報５３ｄより大きい場合は、寿命判定表示部位３２７に「ＯＫ」等の、現在のケーブル４０のたわみ部位の長さ等の設置状況を肯定する表示がなされる。また、寿命の予測値から履歴情報５３ｆを減じた、ケーブル４０の残寿命は、残寿命表示部位３２６に、たとえば、時間単位で表示される。また、残寿命表示部位３２６には、常に、履歴情報５３ｆを用いて残寿命算出部５２ｆで更新される最新の値が表示される。

また、ケーブル４０の寿命の予測値が閾値情報５３ｄより小さい場合は、寿命判定表示部位３２７に「ＮＧ」等の否定的な表示がなされる。さらに、電気抵抗値の計測時の応力の変化の振幅から変換されるケーブル４０のたわみ部位の調整すべき長さが、たとえば、ｃｍ単位でケーブル調整長表示部位３２８に表示される。作業者は、この時点で、ケーブル４０のたわみ部位の長さを再調整し、ロボット１０の運動（ジョブ）の呼び出しから始まる一連の作業を、寿命判定表示部位３２７に「ＯＫ」等の肯定的な表示が出るまで繰り返す。

このように、報知部７０をプログラミングペンダント３２が有するＧＵＩ３２ａとすることで、特別な装置を追加することなく、既存のインターフェース装置を用いて予測システム５０を操作することができる。

続いて、ロボット１０の手首部位のケーブル４０の取り回しについて説明する。図８は、ロボットの手首部位へのケーブルの取り付けを示す図である。まず、ロボット１０の手首部位の構成から説明する。

円筒形の上部アーム１１に円筒形の第一の手首基台１２が、Ｒ軸に対して回転自在に取り付けられる。第一の手首基台１２および円筒形の第二の手首基台１４は、関節である手首揺動体１３を介してＢ軸回りに回転自在に取り付けられる。なお、第一の手首基台１２がＲ軸回りに回転しても、上部アーム１１は回転しない。

第二の手首基台１４の先端には手首フランジ１５がＴ軸に対して回転自在に取り付けられる。手首フランジ１５には第一のフランジ１６が取り付けられ、第一のフランジ１６および第二のフランジ１８は、一組の接続部材１７によって連結される。一組の接続部材１７は、軸Ｔに関して退避した位置に取り付けられる。

第二のフランジ１８には、ベース部材１９ｃを介してエンドエフェクタである溶接ガン１９が取り付けられる。また、溶接トランス１９ｂがベース部材１９ｃに底部を取り付けられ、第二のフランジ１８および溶接ガン１９に囲まれる空間に備えられる。溶接ガン１９は、先端にワークを挟持するための、挟み込み部位１９ａを有する。

以上のように構成されたロボット１０のアームには、ケーブル４０が取り付けられる。ケーブル４０は、第一の手首基台１２と共に回転運動するように、クランプ４０ａにて第一の手首基台１２上に固定される。また、手首の先端方向に伸びる部分は、第一のフランジ１６、一組の接続部材１７、および、第二のフランジ１８により囲まれるガイド空間１００を挿通して、ベース部材１９ｃに設置された溶接トランス１９ｂに接続される。

また、ケーブル４０は、ガイド空間１００と溶接トランス１９ｂの間において、クランプ４０ｂにてベース部材１９ｃに固定される。ケーブル４０のクランプ４０ａおよびクランプ４０ｂに挟まれた部分は、ロボット１０の手首部位が、Ｂ軸およびＴ軸回りに回転運動しても突っ張らないように長さに余裕を設けられたたわみ部位となる。

実施形態においては、クランプ４０ｂはベース部材１９ｃに固定される。一方で、手首揺動体１３よりアームの先端方向にあれば、第二の手首基台１４、手首フランジ１５、第一のフランジ１６、一組の接続部材１７、第二のフランジ１８、および、溶接ガン１９の上等、クランプ４０ｂの設置の場所は問わない。クランプ４０ａおよびクランプ４０ｂにより形成されるケーブル４０のたわみ部位が手首揺動体１３を挟んだ状態であれば、運動するアームの動きにケーブル４０が追従できるからである。

ガイド空間１００はケーブル４０の挿通方向に対する断面が、縦横共にケーブル４０の直径以上であり、ロボット１０の手首運動に伴って動くケーブル４０の線方向の動きを拘束しない。また、一組の接続部材１７が、Ｔ軸に対して退避した位置に配置されるのは、ケーブル４０と一組の接続部材１７との干渉を避けて、手首フランジ１５のＴ軸回りの動作範囲を確保するためである。

なお、クランプ４０ａおよびクランプ４０ｂは、ケーブル４０を挿通して締め付け固定保持するため、一旦設定されたクランプ４０ａおよびクランプ４０ｂの間のケーブル４０のたわみ部位の長さは、ロボット１０の動作によって変化しない。

図示しないケーブル４０の調整部位が、たとえば、クランプ４０ｂと溶接トランス１９ｂの間に設けられる。同調整部位を用いて、クランプ４０ａおよびクランプ４０ｂの間のケーブル４０、すなわちたわみ部位の長さが調整される。

ケーブル４０がロボット１０に設置された状態で、ケーブル４０のたわみ部位の間に存在する関節、たとえば、Ｂ軸およびＴ軸を動かしてケーブル４０の電気抵抗値の変化を計測すれば、同たわみ部位の寿命を予測できる。電気抵抗値の変化の計測のためのＢ軸およびＴ軸の動作は、実際にワークに溶接をする場合のロボット１０のジョブであることが寿命予測を精度良く行うために好ましい。また、さらに厳しい条件で寿命予測を行うためにＢ軸およびＴ軸の可動範囲の一端から他端までの動作としてもよい。

続いて、Ｓ軸回りのケーブル４０のたわみ部位について図９を用いて説明する。図９は、ロボットのベース部に内蔵されたケーブルの取り回しを示す図である。なお、説明を解りやすくする観点から、ベース部１０ａおよびロボット胴体１０ｄの一部またはすべてを透視して示す。

ベース部１０ａは、底板１００ａ、ロボット据付ベース１０１ａ、および、分線盤１０２ａを備え、底板１００ａは、図示しないボルト等で床等に固定される。ロボット胴体１０ｄは、図示しない回転軸受を介して、ベース部１０ａにＳ軸回りに回転自在に取り付けられる。ロボット胴体１０ｄは、旋回軸１００ｂ内に減速機を備える。

溶接電源ケーブル４０１、および、給電および信号ケーブル４０２は、分線盤１０２ａの挿通部に設けられたクランプ４０ｃで固定され、たとえば、被覆線で一本のケーブル４０としてまとめられる。ケーブル４０は、ロボット据付ベース１０１ａの内側に引き入れられ、ケーブル支持部材４０ｅに取り付けられる。孔４０ｈを有する複数の橋絡板片４０ｆを、図中において上下一対の接続ピボット４０ｇのまわりに回動自在に連結した板状連絡帯の間に支持した形態であるケーブル支持部材４０ｅは、橋絡板片４０ｆの長さ方向に対して直行する面内で屈曲自在である。

ケーブル４０は、ケーブル支持部材４０ｅの各橋絡板片４０ｆの孔４０ｈに挿通される。ケーブル支持部材４０ｅは、基点をロボット据付ベース１０１ａの内側に固定具４０ｉ、および、他端を旋回軸１００ｂに固定具４０ｊにより固定される。ケーブル４０は、旋回軸１００ｂにクランプ４０ｄで固定され、ロボット胴体１０ｄの上方に通される。

実施形態では、ロボット胴体１０ｄがＳ軸の周りに回転すれば、固定具４０ｊに固定されたケーブル支持部材４０ｅおよびクランプ４０ｄに固定されたケーブル４０は、旋回軸１００ｂにつれ回されて回転する。これに伴い、ケーブル支持部材４０ｅがロボット据付ベース１０１ａの内部周辺部と旋回軸１００ｂの外周との間の空間において屈曲伸縮する。

この際の、クランプ４０ｃおよび４０ｄの間のケーブル４０の電気抵抗値の変化を計測すれば、計測された電気抵抗値に基づいて同部位の寿命を予測できる。電気抵抗値の変化の計測のためのＳ軸の動作は、実際にワークに溶接をする場合のロボット１０のジョブであることが、寿命予測を精度良く行うために好ましい。また、さらに厳しい条件で見るためにＳ軸の可動範囲の一端から他端までの動作としてもよい。

ところで、図１０のように、疲労破断におけるケーブル４０の電気抵抗値は、時刻Ｔｔから指数関数的に上昇する。図１０は、スポット溶接時間に対するケーブルの電気抵抗値の経時変化を示す図である。電気抵抗値を常に監視する従来の方法では、断線を予測できる閾値である電気抵抗値Ｒ１をケーブル４０が呈する時刻Ｔ１においてはじめて、断線と定義された電気抵抗値Ｒｔになる時刻Ｔｆが予測される。この場合、ケーブル４０の断線が予測されてから、実際に断線するまでの時間、すなわち、Ｔｆ−Ｔ１は短く、時間に余裕を持った予測は不可能であった。

一方で、実施形態に係る予測システム５０によれば、ロボット１０にケーブル４０が取り付けられた時点、すなわち、時刻Ｔ０においてケーブル４０の断線と定義された時刻Ｔｆを予測できる。なお、ケーブル４０の断線を予測するためのロボット１０の動作（ジョブ）は、実生産に前もって行うことが可能である。

続いて、実施形態の予測システム５０によって実行される処理手順について図１１を用いて説明する。図１１は、予測システムが実行する処理手順を示すフローチャートである。図１１に示すように、実行部３１ａは、ロボット１０の対象とするケーブル４０のたわみ部位の間に存在する関節の動作を開始し（ステップＳ１０１）、計測部６０は、同動作に伴って変化するケーブル４０の電気抵抗値を計測する（ステップＳ１０２）。

通信部５１を経て、取得部５２ａから第一の変換部５２ｂに送られた電気抵抗値は、応力に変換されて（ステップＳ１０３）予測部５２ｃに送られる。予測部５２ｃにおいて、変換された応力の変化の振動の幅からケーブル４０の対象とするたわみ部位の寿命が予測される（ステップＳ１０４）。予測された寿命は、比較部５２ｄにおいて、寿命の閾値情報５３ｄ以上か否かを判定される（ステップＳ１０５）。

予測された寿命が、寿命の閾値情報５３ｄ以上の場合は（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）、残寿命算出部５２ｆにて履歴情報５３ｆを更新して処理を終了する（ステップＳ１０６）。なお、この寿命の予測値の詳細な更新手順については、図１２を用いて後述する。予測されたケーブル４０の寿命が、寿命の閾値情報５３ｄより小さい場合は（ステップＳ１０５，Ｎｏ）、第二の変換部５２ｅにおいて、ケーブル４０の変換された応力の変化の振動の幅をケーブル４０の対象とするたわみ部位の調整すべき長さに変換する（ステップＳ１０７）。作業者は、変換された調整長さに従い、対象とするたわみ部位のケーブル長さを調整し（ステップＳ１０８）、再度ステップＳ１０１以降の処理を繰り返す。

次に、図１１のステップＳ１０６に示した、ケーブル４０のたわみ部位の寿命の予測値更新の詳細な処理手順について図１２を用いて説明する。図１２は、予測値更新の処理手順を示すフローチャートである。

残寿命算出部５２ｆは、比較部５２ｄから該当するケーブル４０のたわみ部位の寿命の予測値を読み出す（ステップＳ２０１）。続いて、ロボット１０のジョブの変更があるか否かを判断し（スッテプＳ２０２）、変更があった場合（スッテプＳ２０２，Ｙｅｓ）、以前のジョブによりロボット１０が稼働した履歴情報５３ｆを、ケーブル４０のたわみ部位の寿命の予測値から減ずる（ステップＳ２０３）。つづいて、最新のジョブでロボット１０が稼働した履歴情報５３ｆを、さらに減じてケーブル４０の予測値を更新する（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０２で、Ｎｏの場合、ステップＳ２０３を省略してステップＳ２０４に進む。

上述してきたように、実施形態に係る予測システムは、取得部と、実行部と、予測部とを備える。取得部は、関節を介して相対的に回転可能な一対のリンク部材にそれぞれ固定具で固定されたケーブルの電気抵抗値を取得する。実行部は、所定の動作を関節に実行させる。予測部は、実行部によって関節が所定の動作を行っている期間内に取得部によって取得された電気抵抗値の変化に基づいてケーブルの寿命を予測する。

したがって、実施形態に係る予測システムによれば、特別に装備を設けてケーブルの電気抵抗値を常時監視することなく、十分な時間的余裕をもってケーブルの断線を予測することができる予測システムを提供することができる。

なお、実施形態に係る予測システムの説明において取り上げたロボットのエンドエフェクタは、溶接用に限らず、塗装、シーリング、研磨、ハンドリング等、多くの用途に適用可能である。すなわち、エンドエフェクタは塗装用スプレーガン、シーリング用ノズル、研磨工具あるいはメカニカルハンド等であってもよい。

また、実施形態に係る予測システムは、ロボットのアームに設置されたケーブルに限らず、ヒンジ、フレキシブルジョイントおよびユニバーサルジョイント等の関節を介して相対的に可動な部材に取り付けられたケーブルに使用される。各種産業機械、工作機械、移動機器、輸送機器、および、電子機器等の開閉、引出し、および、押し込み等の運動を行う部位に広く使用される。例えば、自動車のドアを開閉するヒンジを介した配線や、電子機器の装置本体と表示パネルを連結するヒンジを介した配線等が挙げられる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ ロボットシステム
１０ ロボット
１０ａ ベース部
１０ｂ ロボットアーム
１０ｄ ロボット胴体
１００ ガイド空間
１００ａ 底板
１００ｂ 旋回軸
１０１ａ ロボット据付ベース
１０２ａ 分線盤
１１ 上部アーム
１２ 第一の手首基台
１３ 手首揺動体
１４ 第二の手首基台
１５ 手首フランジ
１６ 第一のフランジ
１７ 一組の接続部材
１８ 第二のフランジ
１９ 溶接ガン
１９ａ 挟み込み部位
１９ｂ 溶接トランス
１９ｃ ベース部材
２０ 溶接タイマー
３０ ロボットコントローラ
３００ ケーブル
３１ ロボット制御部
３１ａ 実行部
３２ プログラミングペンダント
３２ａ ＧＵＩ
３２ｂ ＳＵＩ
３２ｃ Ｓａｆｅｔｙ−ＳＵＩ
４０ ケーブル
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ クランプ
４０ｅ ケーブル支持部材
４０ｆ 橋絡板片
４０ｇ 接続ピボット
４０ｈ 孔
４０ｉ、４０ｊ 固定具
４０１ 溶接電源ケーブル
４０２ 給電および信号ケーブル
５０ 予測システム
５１ 通信部
５２ 演算部
５２ａ 取得部
５２ｂ 第一の変換部
５２ｃ 予測部
５２ｄ 比較部
５２ｅ 第二の変換部
５２ｆ 残寿命算出部
５３ 記憶部
５３ａ ジョブ情報
５３ｂ 第一の変換情報
５３ｃ 予測情報
５３ｄ 閾値情報
５３ｅ 第二の変換情報
５３ｆ 履歴情報
６０ 計測部
７０ 報知部

Claims (7)

1. 関節を介して相対的に回転可能な一対のリンク部材にそれぞれ固定具で固定されたケーブルの電気抵抗値を取得する取得部と、
   所定の動作を前記関節に実行させる実行部と、
   前記実行部によって前記関節が前記所定の動作を行っている期間内に前記取得部によって取得された前記電気抵抗値の変化に基づいて前記ケーブルの寿命を予測する予測部と、
   前記所定の動作の実行履歴に基づき、前記予測部によって予測された前記寿命から最新の時点における残寿命を算出する残寿命算出部と
   を備えることを特徴とする予測システム。
2. 関節を介して相対的に回転可能な一対のリンク部材にそれぞれ固定具で固定されたケーブルの電気抵抗値を取得する取得部と、
   所定の動作を前記関節に実行させる実行部と、
   前記実行部によって前記関節が前記所定の動作を行っている期間内に前記取得部によって取得された前記電気抵抗値の変化に基づいて前記ケーブルの寿命を予測する予測部と
   を備え、
   前記予測部は、
   前記所定の動作が変更された場合には、あらたな所定の動作について予測した前記寿命から変更前の所定の動作の実行履歴に基づいて算出した経過時間を差し引いた値を、予測値とすること
   を特徴とする予測システム。
3. 関節を介して相対的に回転可能な一対のリンク部材にそれぞれ固定具で固定されたケーブルの電気抵抗値を取得する取得部と、
   所定の動作を前記関節に実行させる実行部と、
   前記実行部によって前記関節が前記所定の動作を行っている期間内に前記取得部によって取得された前記電気抵抗値の変化に基づいて前記ケーブルの寿命を予測する予測部と
   を備え、
   前記所定の動作は、
   前記関節の可動範囲の両端まで該関節を動かす動作であることを特徴とする予測システム。
4. 前記電気抵抗値を前記ケーブルに加わる応力値へ変換する第一の変換部と、
   前記予測部によって予測された前記寿命を前記ケーブルの種別に応じてあらかじめ定められた閾値と比較する比較部と、
   前記比較部による比較において前記寿命が前記閾値よりも小さいとされた場合に、前記第一の変換部によって変換された前記応力値を、前記固定具間のケーブル長をどの程度長くするべきかを示す増分値へ変換する第二の変換部と
   を備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の予測システム。
5. 前記所定の動作は、
   前記関節の動作を含む繰り返し動作の単位となる単位動作であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の予測システム。
6. 前記関節および前記リンク部材は、
   多関節ロボットの関節部およびアームにそれぞれ対応し、
   前記ケーブルは、
   前記多関節ロボットの前記アームに沿うように配置されており、
   前記実行部は、
   前記固定具が設けられた一対の前記アーム間に存在する１または複数の前記関節部に対して前記所定の動作を実行させること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の予測システム。
7. データの入力および出力が、前記多関節ロボットの教示用操作盤にてなされることを特徴とする請求項６に記載の予測システム。

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