JP6745119B2 - 関節型ロボットおよびそのガススプリングのガス減少状態推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動モータで駆動されるアームを備えた関節型ロボットおよびそのガススプリングのガス減少状態推定方法に関する。

従来、軸方向に摺動するピストンを有するシリンダ内に封入されたガスの圧縮性を利用して、ピストンの移動に応じて圧縮されるガスの圧力の増大によるピストンに対する反力をバネとして利用するガススプリングが、様々な機械や設備において使用されている。

ガススプリングを利用したものの代表例として、多関節ロボットにおいて、重力による負荷が作用するアームに対して、ガスバランサとして採用したものがある（例えば、特許文献１）。ガスバランサとは、ガススプリングをロボットのアームに付加して、アームに作用する荷重と反対方向にガススプリングによりバランス力を作用させるものである。これにより、アームの昇降動作時や位置保持時においてモータ負荷の軽減が図られ、ロボットの小型化や可搬重量の増大を実現することができる。

しかしながら、ガススプリングは、ピストンが軸方向に摺動するシリンダの内部に高圧のガスを封入するものであるため、使用によりガスが漏洩してガス内圧が低下し、これによりピストン反力が減少し、ガス漏洩量が大きくなるとガスバランサとして有効に機能しなくなるという問題がある。

このような問題に対して、例えば特許文献２においては、基準時のサーボモータの電流値を基準電流値として取得し、ロボットの姿勢および動作等の動作条件を基準時と同一として、基準時と異なる時点でのサーボモータの電流値を対象電流値として取得し、基準電流値と対象電流値との差分に基づいてガススプリングのガス内圧の減少量を推定する方法が提案されている。

しかしながら、特許文献２において提案された方法では、ロボットの姿勢および速度等の動作条件を同一として得られる基準電流値および対象電流値を取得して、その差分値に基づいて内圧の減少量を推定するため、基準電流値を取得した基準時の動作条件と異なる動作条件により得られた対象電流値を取得することによっては、ガス内圧の減少量を推定することができない。

このため、特許文献２における方法においては、基準時に予め設定された動作条件（基準時動作条件）により基準電流値を取得しておくこと、およびガス内圧の低下を検知する時点すなわち対象電流値を取得する時点において基準時と同一の動作条件によりアームを動作させることが必須である。したがって、対象電流値を取得するためには、例えば製造ラインを停止して、対象電流値を取得するための特別な動作を行わせる必要があり、ロボットユーザにとって稼働率の低下などの問題がある。

特開平１０−１３８１８９号 特開２０１４−１９５８４９号

本発明は、従来技術の前記課題に鑑みなされたものであり、ロボットの稼働率の低下などを引き起こすことなく、サーボモータの電流値に基づいて、ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定することができる関節型ロボットおよびガス減少状態推定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様による関節型ロボットは、アームと、前記アームを駆動するための駆動モータと、前記アームに作用する荷重を支持して前記駆動モータの負荷を軽減するためのガススプリングと、前記駆動モータを制御するための制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させた停止位置において取得した前記駆動モータの実電流値に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する機能を有する、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記制御手段は、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させた前記停止位置において、前記アームの回転角度に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少がないと仮定した設定状態における前記駆動モータの設定電流値を算出し、前記設定電流値と前記実電流値とに基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する機能を有する、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記設定電流値は、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させた前記停止位置において、前記設定状態にて前記駆動モータが負担する負荷に基づきトルク−電流特性により算出されたものである、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第２または第３の態様において、前記制御手段は、前記実電流値を前記設定電流値と対比するための補正係数を前記実電流値に乗じて得られた換算電流値と、前記設定電流値との差分に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する機能を有する、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第１乃至第４のいずれかの態様において、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させる前記停止位置が複数の異なる位置を含み、前記制御手段は、前記複数の異なる位置で取得された前記駆動モータの前記実電流値に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する機能を有する、ことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の第６の態様は、アームを駆動するための駆動モータと、前記アームに作用する荷重を支持して前記駆動モータの負荷を軽減するためのガススプリングと、を備えた関節型ロボットの前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する方法であって、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させる第一の工程と、前記第一の工程における停止位置にて前記駆動モータの実電流値を取得する第二の工程と、前記第二の工程で取得された前記実電流値に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する第三の工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させた前記停止位置において、前記アームの回転角度に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少がないと仮定した設定状態における前記駆動モータの設定電流値を算出し、前記設定電流値と前記実電流値とに基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、第７の態様において、前記設定電流値は、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させた前記停止位置において、前記設定状態にて前記駆動モータが負担する負荷に基づきトルク−電流特性により算出される、ことを特徴とする。

本発明の第９の態様は、第７または第８の態様において、前記実電流値を前記設定電流値と対比するための補正係数を前記実電流値に乗じて得られた換算電流値と、前記設定電流値との差分に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する、ことを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、第６乃至第９のいずれかの態様において、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させる前記停止位置が複数の異なる位置を含み、前記複数の異なる位置で取得された前記駆動モータの前記実電流値に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する、ことを特徴とする。

本発明によれば、ロボットの稼働率の低下などを引き起こすことなく、サーボモータの電流値に基づいて、ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定することができる関節型ロボットおよびガス減少状態推定方法を提供することができる。

本発明の一実施形態による多関節ロボットの主要部の構成を概略的に示した図。 ロボットのアームを支持するためのガススプリングの代表的な特性を示す図。 サーボモータに通電したままロボットのアームをある停止位置に停止したときに、サーボモータ出力トルクとガススプリング出力トルクとで負荷トルクを達成することを説明するための図であり、(a)は設定状態を示し、(b)は内圧低下状態を示す。 (a)は、図３の(a)の設定状態をサーボモータの電流値で示した図であり、(b)は、図３の(b)の内圧低下状態をサーボモータの電流値で示した図である。 サーボモータに通電したまま、ロボットを３つの異なる停止位置に停止して、ガススプリングのガス減少状態を推定する方法を説明するための図。

以下、本発明の一実施形態による多関節ロボットおよびそのガススプリングのガス減少状態推定方法について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態の主要部の構成を概略的に示した図であり、ロボット１のアームを構成するリンク２とリンク３との連結部である駆動軸４には、リンク３を駆動するための駆動モータとしてサーボモータ９が備えられている。サーボモータ９を回転することにより、リンク３をリンク２に対して回転して位置決めする。サーボモータ９の回転の速度および位置決めは、ロボット制御装置８の指令に基づき実行される。

また、本実施形態によるロボット１においては、アームに作用する荷重を支持するためのガススプリング５が、リンク２およびリンク３に連結されている。ガススプリング５は、シリンダ６およびピストンロッド７を備えており、シリンダ６の基端部がリンク２に回転自在に支持され、ピストンロッド７の先端部がリンク３に回転自在に支持されている。

なお、ガススプリング５は、前記と逆に、シリンダ６の基端部がリンク３に回転自在に支持され、ピストンロッド７の先端部がリンク２に回転自在に支持されてもよい。

シリンダ６内には高圧の不活性ガス（例えば窒素ガス）が封入されており、図２の実線で示されるように、ガススプリング５は、使用範囲において、初期荷重を有し、ピストンロッド７が押圧されて変位すると変位に対してほぼ一定のばね定数k（特性曲線の傾斜角）により出力荷重が変化する特性を持っている。このような特性により、ガススプリング５は、リンク３（その先のリンクも含む。以下同様。）に作用する重力負荷に対してサーボモータ９の動力（トルク）を補助するバランサ機能を有している。

これにより、例えばサーボモータ９の通電状態を維持したまま、ロボット１のアーム（リンク２、３）を、ある位置に停止させたときには、重力負荷を含む負荷トルクは、図３に示されるように、サーボモータ９の出力トルクとガススプリング５の出力トルクで負担する。

図３の(a)は、サーボモータ９に通電したままロボット１のアームをある停止位置iに停止したときに、ガススプリング５内の封入ガスの漏洩がないと仮定した設定状態において、アーム重量を支えるために必要な理論上のトルクを発生させるためのサーボモータ９が負担するトルク（モータ負担トルク）およびガススプリング５が負担するトルク（スプリング負担トルク）を示す図である。

図３の（b）は、ガススプリング５内の封入ガスの一部が漏洩してガススプリング５による出力トルクが低下した状態において、アーム重量を支えるために必要な理論上のトルクを発生させるために、サーボモータ９が負担する出力が増大することを示す図である。

ロボット１のアームの停止位置によりリンク３の回転角度が決まり、ピストンロッド７の変位も一義的に定まる。このため、ガススプリング５の出力トルクも、ロボット１のアームの停止位置により定まる。ロボット１のアームの停止位置によって定まる負荷トルクに基づき、サーボモータ９が負担すべきトルクも一義的に定まる。また、サーボモータ９が負担すべきトルクが定まれば、サーボモータ９の電流−トルク特性に基づき、サーボモータ９に供給すべき電流値を計算的に求めることができる。

シリンダ６内のガスの一部が漏洩してシリンダ６内の内圧が低下すると、ガススプリング５の出力荷重が、図２の破線で示されるように減少する。そのため、その出力荷重減少によるガススプリング５出力トルクの減少量を、サーボモータ９の出力トルクを増加させて補うことが必要となる。

そこで、本実施形態においては、ガススプリング５の内部に封入されたガスの減少状態を推定し、例えば、ガス内圧が予め設定された値よりも小さくなった場合に警告を発し、またはロボット１を停止させるなどの機能を設けている。なお、シリンダ６内のガスがすべて漏洩した場合には、ガススプリング５のスプリング機能は完全に消失するため、リンク２に作用するトルクのすべてを、サーボモータ９により負担することになる。

以下、本実施形態によるロボット１のガススプリング５の使用開始後の任意の時点において、シリンダ６内のガスが漏洩してシリンダ６内のガス圧が低下したときのガス圧の減少量を推定する方法について、詳細に説明する。

（１）ステップ１
サーボモータ９の電流を測定により取得した実電流値（Im）を、計算的に求めた電流値Icに換算する係数Ka（＝Ic/Im）を取得する。

例えば、異なる複数の停止位置について、ロボットを動作させて停止させ、サーボモータ９の実電流値Imを取得するとともに、計算電流値Icを算出し、Kaを求める。なお、停止位置とは、モータ速度０および位置偏差が一定となっている位置とする。

複数の停止位置において、Kaのばらつきが小さければ、以後のステップにおいては、それら複数の位置における平均値をKaの値として使用し、ばらつきが大きければ、例えば次のように処理する。

Kaが姿勢等に依存する場合には、姿勢等を所定の範囲に細分化した領域に区分けして、区分けされた領域ごとに代表的なKaを定めてテーブル等を作成し、停止位置に応じて対応するKaを使用する。

また、停止位置に至る動作経路等によりKaの値が大きく異なる場合には、サーボモータ９の電流の測定に際しては、同一の動作経路により停止位置に到達するように計画する。

なお、Kaは、ロボット制御装置８の記憶装置に記憶しておき、以後のステップにおけるロボット制御装置における計算や処理等において使用される。

（２）ステップ２
サーボモータ９を駆動してアームを動作させて停止位置i（リンク３の駆動軸４の回転角度θi）にて動作を停止させ、（Ａ）シリンダ６内のガスの漏洩がないと仮定した設定状態（以下単に「設定状態」という。）におけるサーボモータ９に供給すべき電流値Ig_iを計算的に求めるとともに、（Ｂ）停止位置iにおけるモータ電流値Im_iを測定する。

（Ａ）設定状態におけるサーボモータの電流の計算値Ig_i
前記のとおり、設定状態においては、リンク３を動作させてサーボモータ９の通電状態を維持したままロボットを停止させると、ロボットの停止位置iに応じて一義的にサーボモータ９およびガススプリング５が負担すべきトルク（負担トルク）が定まる。そこで、サーボモータ９およびガススプリング５のそれぞれの負担トルクに基づき、電流−トルク特性により、サーボモータ９に供給すべき電流値Ig_iおよびガススプリング５の負担トルクをサーボモータ９で発生させるとした電流値Ibal_iを求める。

図４の(a)は、サーボモータ９に通電したままロボット１のアームをある停止位置iに停止したときに、ガススプリング５内の封入ガスの漏洩がないと仮定した設定状態において、アーム重量を支えるために必要な理論上のトルクを発生させるためのモータ負担トルクおよびガススプリング負担トルクについて、それらをモータの電流で発生させるとした場合のモータ負担電流の計算値Ig_iおよびIbal_iの大きさを示す図である。

図４の（b）は、ガススプリング５内の封入ガスの一部が漏洩してガススプリング５による出力が低下した状態において、ガススプリング５による発生トルクの減少分をサーボモータ９による発生トルクで補填するとして算出したモータ負担電流の増加量を示す図である。

上述の計算や演算処理は、リンク３等のロボット動作の指令を出し、リンク３の回転角度等の情報をもとに、ロボット制御装置８において行われる。

（Ｂ）停止位置iにおけるモータ電流の測定値Im_i
サーボモータ９に流れる電流値を電流計等により測定する。

なお、ロボットは見かけ上停止しているが、サーボ動作しているため、サーボモータ９には電流が流れて変動していることから、変動幅を考慮して、モータ電流値Im_iには、ロボット停止後所定時間T（例えば、T＝0.1秒）の電流値の平均値を採用する。ここで、電流の平均値は、例えば、電流信号を時間Tの間、積分回路により積分した積分量を時間Tで除することにより求めることができる。

電流計や電流の平均値算出処理装置等は、ロボット制御装置８に内蔵されていても外部に配置されていてもよいが、電流計等をロボット制御装置の外部に配置する場合には、外部に配置される機器とロボット制御装置８とは、測定指令、測定値送信等のための信号送受信ケーブル等で接続される。

（３）ステップ３
ガススプリング５のガス圧の減少量ΔPiまたはガス圧P1_iを算出する。

Ka*Im_iは、実測による電流値Im_iから換算した計算上のサーボモータ９の電流値であるから、（Ka*Im_i−Ig_i）が、ガススプリングのガスが漏洩して設定状態のガス圧より減少した場合に、サーボモータ９がガス圧の減少を補うために増加させた電流の増加量となる。

したがって、ガススプリングの設定状態におけるガス圧をP0、現実のガス圧をP1_iとすると、停止位置iにおけるガス圧の減少量ΔPiは次式のとおりとなる。

ΔPi＝P0−P1_i＝P0*（Ka*Im_i−Ig_i）/Ibal_i ・・・（式１）

なお、ガススプリングのガスの漏洩がなければ、ガスの漏洩によるガス圧の減少を補うための電流の増加がないため、Ka*Im_i−Ig_i＝0となることから、式１において、ΔPi＝0となることがわかる。

また、式１を変形した次式により、現実のガス圧P1_iを求めることができる。

P1_i＝P0*（1−（Ka*Im_i−Ig_i）／Ibal_i） ・・・（式２）

以上の演算処理等は、ロボット制御装置８において行われる。

（４）ステップ４
ガススプリングの設定状態からのガス圧の減少量ΔPiが、予め設定された減少量より大きいとき、または現実のガス圧P1_iが、予め設定された圧力より低下したときに、ガススプリングのガスの漏洩量が大きく、ロボット動作に支障が生ずる可能性があるものとして、表示や警告を行う。

なお、表示や警告の判断基準としてΔPiまたはP1_iの設定値は、ロボット制御装置８の記憶装置に記憶させてあり、ロボット制御装置８内において、算出等されたΔPiまたはP1_iの算出値と設定値との対比により、ロボット制御装置８の表示板による表示、表示灯点灯、ブザー音等により行われる。

＜変形例＞
前記の例は、１つの停止位置i（駆動軸４の回転角度θi）のみに基づいて、ガス圧の減少量ΔPiまたはガス圧Piを推定しているが、測定精度を向上させるために、異なる複数の停止位置i＝1,2,3,・・・を含む動作により、それら複数の停止位置におけるガス圧の減少量ΔPiまたはガス圧Piを推定し、例えばそれらの平均値によりガス圧の減少量またはガス圧の判断基準としてもよい。

図５は、３つの停止位置i＝1,2,3を含むロボット動作を行ってガス圧の減少量等を算出する場合について、模式的に示した図である。

図５の(a)（設定状態）は、サーボモータ９に通電したまま、ロボット１を３つの異なる停止位置i＝1,2,3に停止したときに、それぞれの停止位置において、ガススプリング５内の封入ガスの漏洩がないと仮定した設定状態において、アーム重量を支えるために必要な理論上のトルクを発生させるためのモータ負担トルクおよびガススプリング負担トルクについて、それらをモータの電流で発生させるとした場合のモータ負担電流の計算値Ig_iおよびIbal_iの大きさを示す図である。

図５の（b）（内圧低下状態）は、サーボモータ９に通電したまま、ロボット１を３つの異なる停止位置i＝1,2,3に停止したときに、それぞれの停止位置において、ガススプリング内の封入ガスの一部が漏洩してガススプリングによる出力が低下した状態において、ガススプリングによる発生トルクの減少分をサーボモータによる発生トルクで補填するとして算出したモータ負担電流の増加量を示す図である。

本例においては、サーボモータ９を回転して、３つの停止位置i＝１,２,３において停止するように、リンク３を動作させ、停止位置i＝１,２,３において、前記ステップ２ないしステップ３と同様な方法により、設定状態におけるサーボモータの電流の計算値Ig_iを算出し、停止位置iにおけるモータ電流の測定値Im_iを測定した後、ガススプリング５のガス圧の減少量ΔPiまたはガス圧P1_iを算出する。

その後、例えば、３つの停止位置i＝１,２,３におけるガススプリング５のガス圧の減少量ΔPiまたはガス圧P1_iの平均値を算出し、ΔPiの平均値が予め設定された減少量より大きいとき、またはP1_iの平均値が予め設定された圧力より低下したときに、ガススプリングのガスの漏洩量が大きく、ロボット動作に支障が生ずる可能性があるものとして表示や警告を行う。

表示や警告の発する判断基準として、前記平均値を使用する代わりに、例えば、３つの停止位置i＝１,２,３におけるガススプリング５のガス圧の減少量ΔPiの少なくとも１つが予め設定された減少量より大きいとき、または３つの停止位置i＝１,２,３におけるガス圧P1_iの少なくとも１つが予め設定された圧力より低下したときとしてもよい。

上記実施形態およびその変形例におけるガススプリング５のガスの漏洩によるガス圧の減少量の推定方法は、ロボットまたはガススプリングの使用開始後の任意に時点において、ロボットのアーム動作の停止を含む任意のアーム動作を実行させることにより実施可能なものであるため、製品の製造などに使用中のロボットの動作を停止して独立した動作を行わせる必要が無く、使用中のロボット動作を利用して実施できるものである。

このため、製品製造のためのロボット動作の一部を利用して、ガススプリングのガスの漏洩によるガス圧の減少量の推定を実施することにより、製造ラインを停止せずにガス圧の減少量の推定を実施でき、稼働率の低下を防止することできる。

１ 多関節ロボット
２ リンク
３ リンク
４ 駆動軸
５ ガススプリング
６ シリンダ
７ ピストンロッド
８ ロボット制御装置
９ サーボモータ

Claims (8)

1. アームと、
   前記アームを駆動するための駆動モータと、
   前記アームに作用する荷重を支持して前記駆動モータの負荷を軽減するためのガススプリングと、
   前記駆動モータを制御するための制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させた停止位置において取得した前記駆動モータの実電流値に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する機能を有し、
   前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させる前記停止位置が複数の異なる位置を含み、
   前記制御手段は、前記複数の異なる位置で取得された前記駆動モータの前記実電流値に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する機能を有する、関節型ロボット。
2. 前記制御手段は、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させた前記停止位置において、前記アームの回転角度に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少がないと仮定した設定状態における前記駆動モータの設定電流値を算出し、前記設定電流値と前記実電流値とに基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する機能を有する、請求項１記載の関節型ロボット。
3. 前記設定電流値は、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させた前記停止位置において、前記設定状態にて前記駆動モータが負担する負荷に基づきトルク−電流特性により算出されたものである、請求項２記載の関節型ロボット。
4. 前記制御手段は、前記実電流値を前記設定電流値と対比するための補正係数を前記実電流値に乗じて得られた換算電流値と、前記設定電流値との差分に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する機能を有する、請求項２または３に記載の関節型ロボット。
5. アームを駆動するための駆動モータと、前記アームに作用する荷重を支持して前記駆動モータの負荷を軽減するためのガススプリングと、を備えた関節型ロボットの前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する方法であって、
   前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させる第一の工程と、
   前記第一の工程における停止位置にて前記駆動モータの実電流値を取得する第二の工程と、
   前記第二の工程で取得された前記実電流値に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する第三の工程と、を備え、
   前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させる前記停止位置が複数の異なる位置を含み、
   前記複数の異なる位置で取得された前記駆動モータの前記実電流値に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する、ガス減少状態推定方法。
6. 前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させた前記停止位置において、前記アームの回転角度に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少がないと仮定した設定状態における前記駆動モータの設定電流値を算出し、前記設定電流値と前記実電流値とに基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する、請求項５記載のガス減少状態推定方法。
7. 前記設定電流値は、前記駆動モータを動作させて通電状態で停止させた前記停止位置において、前記設定状態にて前記駆動モータが負担する負荷に基づきトルク−電流特性により算出される、請求項６記載のガス減少状態推定方法。
8. 前記実電流値を前記設定電流値と対比するための補正係数を前記実電流値に乗じて得られた換算電流値と、前記設定電流値との差分に基づいて、前記ガススプリングの内部に封入されたガスの減少状態を推定する、請求項６または７に記載のガス減少状態推定方法。

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