JP6846717B2

JP6846717B2 - ロボットのジョイントの異常検出装置及び異常検出方法

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Publication number: JP6846717B2
Application number: JP2018024055A
Authority: JP
Inventors: 中川　浩; 中川　　浩; 健一郎安部; 允鋒呉; 山城　光; 光山城; 英生松井; 有田　創一; 創一有田; 行生武田; 真澄大野
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; FANUC Corp
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; FANUC Corp
Priority date: 2018-02-14
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2038-02-14
Also published as: CN110154089A; JP2019136838A; DE102019000889A9; US10919143B2; DE102019000889A1; US20190247998A1

Description

本発明は、ロボットのジョイントにおける異常なすき間を検出する装置及び方法に関する。

リンク機構を有するロボットの一例として、エンドエフェクタを備えた可動部を３次元的に位置決めする機能を備えたデルタ型パラレルリンク機構を有するパラレルリンクロボットが知られている。デルタ型パラレルリンクロボットは、基礎部、可動部、並びに基礎部と可動部を連結する駆動リンク及び受動リンクを備える。多くの場合、駆動リンクと受動リンクは３対設けられ、各対の動作を個々に制御することで可動部を３自由度（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で移動させることができる。

一般に、受動リンクと駆動リンクとの間や、受動リンクと可動部との間は、３自由度のボールジョイントで結合されている。例えば、ボールジョイントの構造として、ボールとハウジングとが幾何学的に分離され、スプリング等の弾性体によってハウジングにボールを引き付ける構造が周知である（例えば特許文献１参照）。また、ハウジングとボールとが安易に分離されないように、ボールとハウジングが一体化されたリンクボール構造を有するパラレルリンクロボットが周知である（例えば特許文献２参照）。

一方、ロボットの動作異常を早期に検出し、ロボットの稼働率の低下を抑制する技術も周知である。例えば、位置ループゲインの逆数を時定数とするローパスフィルタにより指令位置に基づいて推定現在位置を算出し、サーボモータに取り付けられたエンコーダにて検出された実際の現在位置としての実位置と前記推定現在位置との差の絶対値を算出し、サーボモータを駆動するためのトルク指令値、前記実位置の微分値、および既知の外乱トルクに基づいて、総オブザーバフィードバック量を算出し、この総オブザーバフィードバック量と前記推定現在位置を微分することにより得られる推定速度とに基づいて異常検知閾値を算出し、前記実位置と推定現在位置との差の絶対値が前記異常検知閾値よりも大きい場合に異常状態であると判断する異常判断方法が周知である（例えば特許文献３参照）。

また、ロボット本体の関節部について、ロボットアームの固有振動数を測定しておき、駆動モータおよび減速機で発生する振動によって最もロボットアームが共振する動作速度での定速動作をロボット本体の異常検出の動作条件とし、駆動モータあるいは減速機に設置した温度センサを用いて温度補正を行ったモータトルク値から算出したトルク変動値があらかじめ設定した閾値を超えた場合に、ロボット本体に異常が発生したと判断する異常検出方法が周知である（例えば特許文献４参照）。

一方、パラレルリンクロボットの最終出力であるエンドプレートの傾きを検出するセンサを設け、該センサの出力値に基づいて、ボールジョイントによるリンクの複数の連結箇所のうち少なくとも１つにおいてリンク間の連結が解除されたことを検出するようにしたパラレルリンクロボットが周知である（例えば特許文献５参照）。

さらに、ボールジョイントの球頭部の表面に開口する内部通路を形成し、内部通路の圧力の検出値に基づいてボールジョイントの連結が外れているか否かを判別する検知装置が周知である（例えば特許文献６参照）。

特表２００２−５２９２５８号公報特開２０１４−０４６４０６号公報特開２００５−１８６１８３号公報特開２００６−２８１４２１号公報特開２０１７−０５６５０７号公報特開２０１７−０１３１６０号公報

ボールとハウジングとが幾何学的に分離されている構造では、想定以上の高速動作または衝突が発生した場合に、受動リンクの関節部においてボールをハウジングに引き付けるための拘束力が不足し、関節部が分解してしまうリスクがある。

一方、ボールとハウジングとが一体化されたリンクボール構造では、機械的な結合により、衝突等が起きてもハウジングとボールとが安易に分離されることはないと解される。但し、リンクボール構造を利用する場合は、ボール又はハウジングが使用によって摩耗した場合、ボールとハウジングとの間にすき間が発生し、ロボットの可動部の位置決め精度の悪化や振動の増加等が生じ得る。位置決め精度の悪化や振動の増加によって、ロボットがハンドリング作業や組立作業等を正常に行うことが困難となり、生産効率の低下や、生産工程が停止する等の重大な問題に至る場合もある。このため、リンクボール部のすき間に異常がある場合は、その異常状態を早期に知ることが望まれる。

モータトルクを用いて異常を判定する従来の方法は、デルタ型パラレルリンクロボットのボールジョイント部の異常検知には不向きと考えられる。その理由は、デルタ型パラレルリンクロボットのボールジョイントは通常、ロボットの姿勢に追従して受動的に動く関節であること、駆動モータと比較的離れた場所に配置されていること、さらに、複数のジョイントのうち、いずれのジョイントに異常が生じたかを特定することが困難であることが挙げられる。

さらに、ボールジョイントによる連結が外れたことを検出する従来の方法では、容易に連結が外れない構造のボールジョイントにおいて、ボールとハウジング（ソケット）との間の隙間が大きくなったことを検出することは難しい。

本開示の一態様は、モータによって駆動する駆動リンクと、前記駆動リンクの動作に伴って従動する複数の受動リンクと、前記複数の受動リンクにそれぞれ連結される複数の対偶と、を有するロボットにおいて、前記受動リンクに連結された対偶が有する対偶素の間の異常なすき間を検出する異常検出装置であって、前記ロボットを予め定めた複数の動作軌道の各々に沿って動作させるシミュレーションを行うとともに、前記複数の対偶の中から指定された、異常なすき間の有無を判定すべき対象対偶において対偶素同士の衝突が発生すると高くなり、かつ前記対象対偶以外の対偶において対偶素同士の衝突が発生すると低くなるスコアを、前記複数の動作軌道の各々について計算するスコア計算部と、前記複数の動作軌道のうち、前記スコアが予め定めた閾値以上の動作軌道に沿ってロボットを移動させるためのロボット動作を生成する動作生成部と、前記ロボット動作に従って前記ロボットが移動したときの、前記モータの駆動トルク又は電流値を計測する計測部と、前記計測部が計測した駆動トルク又は電流値に関する値の変動の大きさに基づいた指標値を算出する指標値算出部と、前記指標値の大きさに基づいて、前記対象対偶の対偶素間における異常なすき間の有無を判定する判定部と、を有し、前記動作生成部は、前記複数の動作軌道を、それぞれのスコアと前記閾値との大小関係に基づいて第１及び第２のグループに分類し、前記閾値以上のスコアを有する第１のグループに属する動作軌道のうち、前記閾値未満のスコアを有する第２のグループに属する動作軌道から最も距離が離れた動作軌道、又は前記第２のグループに属する動作軌道から所定の距離以上離れた動作軌道に対応するロボット動作を生成する、異常検出装置である。

本開示の他の態様は、モータによって駆動する駆動リンクと、前記駆動リンクの動作に伴って従動する複数の受動リンクと、前記複数の受動リンクにそれぞれ連結される複数の対偶と、を有するロボットにおいて、前記受動リンクに連結された対偶が有する対偶素の間の異常なすき間を検出する異常検出方法であって、前記ロボットを予め定めた複数の動作軌道の各々に沿って動作させるシミュレーションを行うとともに、前記複数の対偶の中から指定された、異常なすき間の有無を判定すべき対象対偶において対偶素同士の衝突が発生すると高くなり、かつ前記対象対偶以外の対偶において対偶素同士の衝突が発生すると低くなるスコアを、前記複数の動作軌道の各々について計算することと、前記複数の動作軌道のうち、前記スコアが予め定めた閾値以上の動作軌道に沿ってロボットを移動させるためのロボット動作を生成することと、前記ロボット動作に従って前記ロボットが移動したときの、前記モータの駆動トルク又は電流値を計測することと、計測された駆動トルク又は電流値に関する値の変動の大きさに基づいた指標値を算出することと、前記指標値の大きさに基づいて、前記対象対偶の対偶素間における異常なすき間の有無を判定することと、を含み、前記ロボット動作を生成することは、前記複数の動作軌道を、それぞれのスコアと前記閾値との大小関係に基づいて第１及び第２のグループに分類し、前記閾値以上のスコアを有する第１のグループに属する動作軌道のうち、前記閾値未満のスコアを有する第２のグループに属する動作軌道から最も距離が離れた動作軌道、又は前記第２のグループに属する動作軌道から所定の距離以上離れた動作軌道に対応するロボット動作を生成することを含む、異常検出方法である。

本開示によれば、ロボットの対偶（ジョイント）における異常なすき間の有無の推定、及び異常なすき間が生じた対偶の特定を容易かつ的確に行うことができる。

好適な実施形態に係る異常検出装置を、該装置の適用対象例であるデルタ型パラレルリンクロボットとともに示す図である。図１のパラレルリンクロボットの各ボールジョイントの構造を示す部分拡大図である。パラレルリンクロボットの構造モデルを示す図である。モータの駆動トルクの時間変化の一例を表すグラフである。モータの駆動トルクの微分値の時間変化の一例を示す図である。好適な実施形態に係る異常検出方法の一例を示すフローチャートである。ボールジョイントのモデルを示す図であり、（ａ）対偶素間にすき間がない場合、（ｂ）対偶素間にすき間がありかつ対偶素同士が滑り運動をする場合、（ｃ）対偶素間にすき間がありかつ対偶素同士が分離・衝突運動をする場合を示す。スコアの計算に使用されるパラメータの一例を、表形式で示す図である。ロボットの動作軌道の初期条件の例を示す図であり、（ａ）所定の位置を始点とする４つの軌道を示し、（ｂ）それぞれの軌道にスコア付けをした状態を示す。好適な実施形態における特定の対偶の異常なすき間の検出結果を、実測値と比較したグラフである。本実施形態が適用可能な他の構造例を模式的に示す図である。本実施形態が適用可能なさらなる他の構造例を模式的に示す図である。

図１は、本開示の好適な実施形態に係る異常検出装置と、該異常検出装置が適用可能な構造の一例であるデルタ型パラレルリンクロボットの概略構成を示す図である。パラレルリンクロボット（以下、単にロボットとも称する）１０は、基礎部１２と、基礎部１２から離隔配置（通常は基礎部１２の下方に）配置された可動部１４と、基礎部１２及び可動部１４を連結するとともに、基礎部１２に対してそれぞれ１自由度を有する２つ以上（図示例では３つ）のリンク部１６ａ〜１６ｃと、リンク部１６ａ〜１６ｃのそれぞれを駆動する複数（通常はリンク部と同数、図示例では３つ）のサーボモータ等のモータ１８ａ〜１８ｃを備え、可動部１４には、ロボットハンド等のエンドエフェクタ１９（図３に概略図示）が取付け可能となっている。

リンク部１６ａは、基礎部１２に連結された駆動リンク２０ａと、駆動リンク２０ａと可動部１４を連結しかつ互いに平行に延びる一対の（２つの）受動リンク２２ａとからなり、駆動リンク２０ａと受動リンク２２ａとは、一対の（２つの）第１の関節２４ａによって連結される。また可動部１４と受動リンク２２ａとは、一対の（２つの）第２の関節２６ａによって連結される。なお本実施例では、第１及び第２の関節（対偶）はいずれも、ボールジョイント（球面軸受）として構成されている。

図２は、ロボット１０の各ボールジョイント（ここではボールジョイント２４ａ又は２６ａ）の構造（リンクボール構造）を示す部分拡大図である。ボールジョイント２４ａは、ボール（凸面部）２８と、ボール２８を収容するハウジング（凹面部）３０と、ボール２８とハウジング３０との間に配置されたライナー３２とを有する。また図１に示すように、ロボット１０は、互いに平行な２つの受動リンク２２ａの各軸周りの回転を拘束するために、該受動リンクの駆動リンク側（上側）において、第１のボールジョイント２４ａのハウジング間に接続して設けられる拘束プレート３４ａを有する。

他のリンク部１６ｂ及び１６ｃについても、リンク部１６ａと同様の構成を有することができるので、対応する構成要素については、末尾のみを変更した参照符号を付与（例えば受動リンク２２ａに対応する要素には参照符号２２ｂ又は２２ｃを付与）し、詳細な説明は省略する。

図１に概略図示するように、パラレルリンクロボット１０には、ロボット１０の動作制御を行う制御装置３６が接続される。またボールジョイントの異常すき間を検出する異常検出装置３８は、ロボット１０を予め定めた複数の動作軌道の各々に沿って動作させるシミュレーションを行うとともに、複数の対偶（ジョイント）の中から指定された、異常なすき間の有無を判定すべき対象対偶（対象ジョイント）において対偶素（ジョイント要素）同士の衝突が発生すると高くなり、かつ対象対偶以外の対偶において対偶素同士の衝突が発生すると低くなるスコア（後述）を、複数の動作軌道の各々について計算するスコア計算部４０と、複数の動作軌道のうち、スコアが予め定めた第１の閾値以上の動作軌道に沿ってロボット１０を移動させるためのロボット動作を生成する動作生成部４２と、生成されたロボット動作に従ってロボット１０が移動したときの、モータの駆動トルク又は電流値を計測する計測部４４と、計測部４４が計測した駆動トルク又は電流値の変動の大きさに基づいた指標値（後述）を算出する指標値算出部４６と、算出された指標値の大きさに基づいて、対象対偶の対偶素間における異常なすき間の有無を判定する判定部４８とを有する。

ロボット制御装置３６は、動作生成部４２が生成したロボット動作に基づいて、ロボット１０を動作させるための動作指令を生成し、該動作指令に基づいてロボット１０の各軸（モータ）の制御を行うように構成されている。また異常検出装置３８は、上述の複数の動作軌道、計算されたスコア及び指標値、並びに第１及び第２の閾値に関するデータ等を記憶するメモリ等の記憶部５０と、上述のシミュレーションや判定の結果等を作業者に提示するためのディスプレイ等の表示部５２とをさらに有してもよい。

異常検出装置３８は、ロボット制御装置３６に接続された、プロセッサ及びメモリ等を有するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の演算処理装置として実現可能である。なお図１では、異常検出装置３８はロボット制御装置３６とは別の装置として図示されているが、プロセッサやメモリの形態で制御装置３６内に組み込むことも可能である。さらに、異常検出機能の一部をＰＣ等の装置に担わせ、他の機能をロボット制御装置３６に担わせることも可能である。

図３は、図１のパラレルリンクロボット１０の構造モデルを示す図である。パラレルリンクロボット１０は、３つの回転駆動部（モータ）と、１２個の受動対偶（ここではボールジョイント）とを含む閉ループ型リンク構造を有している。またここでは、１２個のボールジョイントをＳ_i, _j, _kと表わすことにし、１２個のボールジョイントのうち、異常なすき間（後述）が発生しているか否かを検出すべき対象を、（作業者等が）予め１つ指定しておくものとする。

再び図２を参照し、ロボット１０の動作に伴い、各ジョイントにおいてボール２８がライナー３２に対して摺動するが、このときの摩擦抵抗をなるべく抑えるために、多くの場合、ライナー３２は樹脂等の低摩擦材料から作製される。しかしロボット動作の繰り返しによってライナー３２は摩耗するので、ボール２８とライナー３２（ハウジング３０）との間にすき間（エアギャップ）が生じる。このすき間が一定値以上の大きさになると、ロボット１０の位置決め精度の悪化や、ロボット動作に伴う振動の増加などの問題が生じ得る。そこで本実施例では、このすき間が一定値以上の大きさになったか否か（異常なすき間が発生しているか否か）を検出する。

図４は、あるボールジョイント（球対偶）における、リンクを駆動するモータの駆動トルクの実測値の時間変化の一例を示すグラフである。ここでグラフ５４は対偶素（ここではボールとハウジング）間のすき間が無視できる場合（正常時）を示し、グラフ５６は一定値以上の（異常な）すき間がある場合を示す。

あるボールジョイント（球対偶）においてすき間がある場合に、パラレルリンクロボット（のエンドエフェクタ等の代表点）を所定の動作軌道に沿って動作させると、すき間を有する球対偶では、対偶素（ここではボールとハウジング）同士の滑り運動か、対偶素が分離して衝突する衝突運動のいずれかが発生する。後者の場合は衝撃力が発生し、この衝撃力は中間リンクや他の軸受（ジョイント、対偶）を介して、リンクを駆動するアクチュエータ（モータ）に伝播する。本願発明者は、図４のグラフ５６に示すように、衝撃力が伝播したアクチュエータ（モータ）の駆動トルクは、異常な（一定値以上の）すき間を有する対偶がある場合には、正常な対偶を用いた場合に対して大きく変化すること、さらにこの変化の大きさを評価することで、異常の判定が可能となることを見出した。

具体的には、先ず、対偶素同士の衝突による駆動トルク値の変動の大きさを数値化するため、次式（１）で表される指標値（以後、異常度とも呼称する）ＡＳを導入する。

式（１）において、τ_iはｉ番目のアクチュエータのモニタ電流によって求められた駆動トルクを示し、ＲＭＳは時間区間（ｔ₀，ｔ₁）における値の二乗平均平方根を表し、ｃは全ての球対偶のすき間の大きさで構成されたベクトルを表わす。また「ｃ＝０」は、全ての対偶のすき間が理想的（ゼロ）であることを示す。ここでは時間区間（ｔ₀，ｔ₁）として、例えば、図４で示すような加速開始前後の時間を用いる。式（１）は、全ての対偶素においてすき間がないときに計測された駆動トルク値に対して、対偶素が衝突したときの駆動トルク値の変化（変動量）が大きくなるほど、異常度も大きくなることを示している。

ここで時間区間（ｔ₀，ｔ₁）を定める時刻ｔ₀，ｔ₁は、対偶素同士の最初の衝突による駆動トルクの変化（参照符号５８で図示）が含まれるように設定されることが好ましい。例えば、時刻ｔ₀は最初の衝突の直前に設定され、時刻ｔ₁は時刻ｔ₀の０．１秒後等、最初の変化が含まれるような適当な値に設定される。なおこの時間区間は経験的に定めてもよいが、すき間の大きさとロボットが動作を開始するときの加速度から、計算によって求める（予測する）こともできる。

なお式（１）では駆動トルク（τ_i）を用いているが、代わりに駆動トルクの時間微分値を用いてもよく、この場合の時間と駆動トルクの時間微分値との関係を図５に示す。また図５のグラフは、正常時と異常時との差を表している。いずれの場合も駆動トルクの変化を検出可能であることから、異常すき間の有無を判定するための好適な指標値を得ることができるが、駆動トルクの時間微分値を使用した方が、対偶素同士の衝突を検出しやすい傾向がある。

また駆動トルクに関する値（ここでは駆動トルク又はその時間微分値）を使用する代わりに、モータの電流値に関する値（例えば、電流値又はその時間微分値）を使用してもよい。通常、駆動トルクは電流値に比例するので、電流値に関する値を使用した場合にも、図４又は図５に関する説明と同様のことが適用できる。

以下、本実施例に係る異常検出装置における処理（異常検出方法）の一例を、図６のフローチャートを参照しつつ説明する。先ずステップＳ１において作業者等が、上述の１２個の対偶（ボールジョイント）のうち、異常なすき間が生じているか否かを判定したい（好ましくは１つの）対偶を対象対偶として選択又は指定し、ここでは指定されたボールジョイント（球対偶）をＳ_i’, _j’, _k’と表わすものとする。

次にステップＳ２〜Ｓ１０では、異常検知に適したロボットの動作軌道を選定し、該動作軌道に対応するロボット動作を生成する。本実施例では、異常なすき間を有する対偶を判定するために、対象対偶における対偶素（ここではボールとハウジング）間にすき間が存在すると仮定した場合に、該対象対偶のみで対偶素の衝突が生じるか、これに近い軌道（ロボットの代表点の動作軌道）をシミュレーションによって求める。換言すれば、対象対偶以外の対偶の全て又は過半数では、すき間があっても後述する滑り運動をするようなロボット動作が生成される。このようなロボット動作は、以下の手順で求めることができる。

ステップＳ３〜Ｓ６では、受動対偶のすき間の有無の組み合わせ（例えば本実施例では１２個のジョイントがあるので、２¹²通り）と軌道の初期条件を与え、ロボットを選択した動作軌道に沿って動かしたときの、すき間を有する対偶の初期の挙動をシミュレーションによって求める。ここでは球対偶のモデルとして、図７に表される３種類のモデル（ａ）〜（ｃ）を考える。なおｃ_i,j,kは、対偶Ｓ_i,j,kの半径方向のすき間を表す。またこれらのモデルでは、対偶素間の摩擦力は考慮しないものとする。

ステップＳ３では、すき間を設定していない対偶に対してはモデル（ａ）を適用し、すき間を設定した対偶に対してはモデル（ｂ）を仮に適用する。ここでモデル（ａ）は、対偶素（ボール２８及びハウジング３０）間にすき間がない理想的な拘束条件（ｃ_i,j,k＝０）が与えられたモデルであり、一方、モデル（ｂ）は対偶素間にすき間がある拘束条件（ｃ_i,j,k＞０）が与えられるとともに、対偶素が互いに滑り運動するときのモデルである。

モデル（ｂ）では、ジョイント要素（ボール２８及びハウジング３０）のそれぞれの中心に、大きさが無視できる球対偶６４及び６６を仮想的に配置し、球対偶６４及び６６は質量ゼロの仮想的なリンク６８（ｃ_i,j,kに相当）によって接続されていると考える。静止時の仮想リンク６８は、その両端の球対偶６４及び６６が対偶作用力Ｆの作用線上に位置するような向きとなる。選択された軌道の初期条件に基づいて対偶の挙動をシミュレーションした結果、静止時の姿勢にある仮想リンクに引張力が作用する場合、すなわち引張方向を正としたときの対偶作用力Ｆの大きさがゼロより大きい場合は、ボール２８の中心（球対偶６４）はハウジング３０の中心（球対偶６６）に対して仮想円７０の円周上を移動し、すなわちボール２８はハウジング３０に対して分離・衝突せず、滑り運動を行う。つまり、滑り運動を表すモデル（ｂ）が満たすべき条件は、上述の対偶作用力Ｆがゼロより大きいことである。

次に、ステップＳ２で選択した動作軌道に沿ってロボット（エンドエフェクタ等）が動作する場合の挙動をシミュレーションするために、入力トルク及び重力等を考慮した各リンクの位置及び姿勢に関する運動方程式を解き（ステップＳ４）、すき間を有する対偶のモデル（ｂ）及び（ｃ）が満たすべき条件を導出する（ステップＳ５）。次にステップＳ６において、すき間を有する対偶の各々について導出した条件を満たしているかを判定し、条件を満たしていない対偶についてはモデル（ｂ）とモデル（ｃ）とを交換し（ステップＳ７）、再度ステップＳ４の計算を行う。上述のようにステップＳ３では、すき間を有する対偶には一旦、全てモデル（ｂ）を適用したが、ステップＳ４〜Ｓ７の処理によって、モデル（ｂ）の条件を満たさない対偶にはモデル（ｃ）が適用されるので、選択された軌道において、全ての対偶に対して矛盾のないモデルを設定することができる。

次にステップＳ８において、選択された動作軌道のスコア（Ｓc値）を計算し、上述の記憶部５０等に記憶する。ここでスコア（Ｓc）とは、ステップＳ１で指定した対象対偶（ジョイント）についてはモデル（ｃ）が適用されたときにモデル（ｂ）が適用されたときよりも高い値となり、かつ、対象対偶以外の対偶についてはモデル（ｃ）が適用されたときにモデル（ｂ）が適用されたときよりも低い値となるように設定された指標値であり、例えば以下の式（３）から求めることができる。

図８は、式（３）におけるｕ値の具体例を表形式で示す。ｕ値は、対象対偶にモデル（ｃ）が適用されたとき、及び対象対偶以外の対偶のうちすき間があると設定された対偶にモデル（ｂ）が適用されたときにゼロとなる。またｕ値は、対象対偶にモデル（ｂ）が適用されたとき、及び対象対偶以外の対偶のうちすき間があると設定された対偶にモデル（ｃ）が適用されたときに負の値となるが、本実施例では対象対偶において衝突運動することが重要であるから、前者のｕ値の方が絶対値を大きくしている。但しこれは一例であり、ｕの値は後述する実測値との整合性等に応じて適宜設定・変更可能である。

なお式（３）及び図８の例では、スコアの最大値は１となり、スコアが１となる動作軌道は、他の対偶のすき間の与え方によらず、対象対偶のみで対偶素の衝突が生じる軌道であることを意味する。従ってスコアが１となる動作軌道でロボットを動作させたときは、対象対偶のみで衝突運動が生じ、対象対偶以外の対偶では（すき間があっても）滑り運動が生じることになる。

スコアの計算は、予めランダムに選択された動作軌道の全てについて行われ（ステップＳ９）、全ての動作軌道についてスコア付けが完了したら、スコアに基づいて最適な動作軌道を選定する（ステップＳ１０）。複数の動作軌道にスコア付けを行うことにより、対象対偶のすき間を検出するための動作軌道としての適格性を定量的に比較・判断することが可能となる。

なおステップＳ１０における最適な動作軌道の選択は、計算されたスコアを、予め定めた第１の閾値（例えば０．７、０．８又は０．９）と比較することにより行う。スコアが第１の閾値以上の動作軌道を少なくとも１つ選定することにより、対象対偶のみで衝突が発生するか、これに近いロボット動作の生成が可能となる。上述のようにスコアが１の動作軌道は理想的と言えるので、単純にスコアが１又は最大の動作軌道を１つ選定してもよいが、いずれのジョイントを対象対偶とするかによってスコアが１となる動作軌道が得られない場合があるので、上述のように１未満の第１の閾値を設定することが好ましい。また衝突によって生じる衝撃力の大きさは一定ではなく、すき間の大きさによっては駆動トルク又は電流値に上述のような変動が検出できない場合もある。従ってスコアが第１の閾値を超える複数の動作軌道を、最適な動作軌道として選定し、選定されたそれぞれの動作軌道に後述の処理を行ってもよい。

或いはステップＳ１０において、第１の閾値よりスコアが大きい１つ以上の動作軌道を最適軌道として選定する代わりに、以下に述べるような最適化手法を用いてもよい。式（４）は、最適化手法の一例を表す。ここでは先ず、複数の動作軌道を、それぞれのスコアと第１の閾値Ｓc_thとの大小関係に基づいてグループＡ及びＢに分類し、閾値Ｓc_th以上のスコアを有するグループＡに属する動作軌道のうち、閾値Ｓc_th未満のスコアを有するグループＢに属する動作軌道から最も距離が離れた動作軌道に相当する動作軌道を選定する。但し式（４）において、軌道の集合Ａ及びＢは式（５）で定義される。またｄ（Ｔ，Ｔ’）は、軌道全体の集合（Ｗ，Ｒ³）に含まれる２つの軌道間の距離を表し、式（６）から求めることができる。また式（６）におけるｒは、加速度と変位のスケールファクタである。

式（４）〜（６）を用いた最適化により、第１の閾値より高いスコアを有する軌道（グループＡ）の中から、閾値より低いスコアを有する軌道（グループＢ）から最も遠く離れた軌道の選定が可能となる。或いは、グループＡの中から、グループＢから所定の距離以上離れた複数の軌道を選定してもよい。最適化は、わずかな軌道の変化によって衝突する球対偶の組み合わせが変化する（スコアが大きく変化する）ことを防ぐのに有効であり、単純にスコアが最大又は第１の閾値以上である動作軌道を選定するよりも、ロバストな手法と言える。

また図９（ｂ）に示すように各軌道にスコア付けがされた場合、軌道Ｔ₂及びＴ₄は上述のグループＡに属し、軌道Ｔ₁及びＴ₃は上述のグループＢに属することになる。ここで単純にスコアの最大値を選定するのであれば軌道Ｔ₂が最適軌道として選定されるが、上記最適化手法では、グループＡに属する軌道のうち、グループＢに含まれる軌道から最も離れた軌道及びＴ₄が最適軌道として選定される。

なお図９では特定の１点（ｘ₀）からの４つの動作軌道のみを示したが、ｘ₀を始点とする動作軌道をさらに選択することも可能であるし、ｘ₀以外の位置から同様に複数の動作軌道を選択することも可能である。一例であるが、数十万〜数百万通りの動作軌道をランダムに選択し、それぞれについてスコア付けをすることが可能である。

なお図６のステップＳ８及びＳ９は、ステップＳ４〜Ｓ７の処理（シミュレーション）の結果によっては省略することもできる。例えば、ステップＳ４〜Ｓ７の処理によって、ある動作軌道において、対象対偶のみで衝突が発生し（モデル（ｃ）が適用され）、かつ対象対偶以外の対偶の全てにおいて滑り運動が発生する（モデル（ｂ）が適用される）という結果が得られた場合は、スコア計算を行うことなく、当該動作軌道を最適な動作軌道として選定可能である。この場合スコア計算部４０は、シミュレーション実行部として作用する。

再び図６を参照し、ステップＳ１０で選定された最適な動作軌道に沿ってロボットを移動させるためのロボット動作（動作指令）を制御装置３６が生成し、該ロボット動作に基づいて、実際にロボットを移動させ（ステップＳ１１）、そのときのモータの駆動トルク（又は電流値）を測定する（ステップＳ１２）。なおモータの駆動トルク又は電流値を計測する計測部４４としては、トルクセンサや電流計等の周知の手段が使用可能なので、詳細な説明は省略する。

次に、測定された駆動トルク（又は電流値）から計算された上述の指標値（異常度）を予め定めた第２の閾値（後述）と比較し（ステップＳ１３）、指標値が第２の閾値を超えていれば、対象対偶に異常な（一定値以上の）すき間があると判定する（ステップＳ１４、Ｓ１５）。

図６に示したような処理は、異常検出装置３８をロボット制御装置３６と一体とした場合、又はＰＣ等の別装置とした場合のいずれでも好適に実行可能である。例えば、ロボット制御装置３６にＰＣ等の演算処理装置を接続した場合、上述のステップＳ１〜Ｓ１０を該演算処理装置が実行し、ステップＳ１１以降をロボット制御装置３６が実行するようにしてもよく、この場合は該演算処理装置と、ロボット制御装置３６のうちステップＳ１１以降を実行するための構成要素（プロセッサ、メモリ等）が、本開示に係る異常検出装置に含まれる。

図１０は、選定された動作軌道によってすき間の有無が適切に判定されるかを検証するため、図１に示したようなデルタ型パラレルリンクロボットの実機において実際にボールジョイントにすき間を与え、実験を行った結果を示す。ここでは、白棒グラフで示すように、４つのジョイント（Ｓ_2,2,1、Ｓ_2,2,2、Ｓ_3,2,1及びＳ_3,2,2）に０．８ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の過大な隙間を与え、他の８つのジョイントはすき間がないか無視できる理想的状態とした。この例では、１２個のジョイントのそれぞれを対象対偶とした場合の最適な動作軌道を選定し、選定された動作軌道に沿って実際にロボットを移動させ、計測されたモータ電流値に基づいて上述の指標値（異常度）を求めた。なお異常度の計算に用いるアクチュエータ（モータ）の電流値として、ロボット制御装置内部に設けられた電流センサの値（モニタ電流値）を用いた。

図１０の黒棒グラフは、計算された異常度（無次元数）を示す。同図から、例えば異常度との比較対象である第２の閾値として１×１０^４を設定すれば、実際に過大なすき間を有する４つのジョイントのうち、３つにおいて実態に即した判定が可能であることがわかる。このように第２の閾値を適当に設定することにより、対象対偶が異常なすき間を有するか否かをかなり正確に判定することができる。

なおステップＳ１０に関して説明したように、特定の異常すき間を判定するに際し、実際にロボットを移動させるために選定される（最適な）動作軌道は１つでもよいし複数でもよい。複数の動作軌道を最適な動作軌道として選定した場合は、動作軌道ごとに判定結果（指標値と第２の閾値との大小関係）が異なることもあり得るが、その場合は安全性の観点から、指標値が第２の閾値を超える結果が１つでも得られたら、対象対偶において異常なすき間が発生していると判定することが好ましい。なお本実施例では、指標値の大きさに基づいて対偶素間の異常なすき間の有無を判定する具体例として、指標値と第２の閾値との大小関係を用いることを説明したが、これ以外の手法も可能である。例えば、同一の対偶について、今回算出した指標値と、過去に算出した指標値とを比較し、両指標値の差が所定の閾値を超えた場合に、異常なすき間が生じていると判定することもできる。この場合の過去の指標値としては、直近の１つの指標値を用いてもよいし、過去に算出した複数の指標値の平均値を用いてもよい。

上述のように本実施例では、対象対偶のみにおいて衝突運動が発生する動作軌道、又はこれに近い軌道をシミュレーションによって多数の軌道の中から自動的に選定し、選定した動作軌道に沿って実際にロボットを動作させることができ、図４又は図５に示したような駆動トルク又は電流値の変化が発生した場合は、対象対偶に異常なすき間があると判断できる。また対象対偶を変えて同様の処理を行えば、ロボットに含まれる全てのジョイントにおいて異常なすき間の有無が判定でき、交換又は修理すべきジョイントを効率的に特定することができる。

また本実施例では、本開示に係る異常検出装置及び異常検出方法が適用可能なロボットとしてパラレルリンクロボットを説明したが、適用対象はこれに限られない。本開示に係る異常検出装置及び異常検出方法が適用可能な他の好適な例としては、図１１又は図１２に模式的に示すような、閉ループ型リンク機構を少なくとも部分的に有するロボットが挙げられる。

図１１は、２つの駆動関節を含む駆動関節部７６と、３つの受動関節７８とを含む平面リンク機構を有するロボット８０を表しており、先端に負荷をかけられるようになっている。一方、図１２は２つの駆動関節８２と、３つの受動関節８４とを含む５節リンク機構を有するロボット８６を表しており、位置決め装置等に使用可能である。これらのロボットも、図１に示したパラレルリンクロボットと同様に、モータによって駆動する駆動リンクと、駆動リンクの動作に伴って従動する複数の受動リンクと、複数の受動リンクにそれぞれ連結される複数の対偶とを有するので、上述と同様に異常なすき間を有するジョイント（受動対偶）の特定・検出を行うことができる。

また本実施例では、本開示に係る異常検出装置及び異常検出方法が適用可能な対偶（ジョイント）として球面ジョイント（ボールジョイント）を説明したが、適用対象はこれに限られない。異常検出装置及び異常検出方法は例えば、自由度が１のヒンジ構造（回転ジョイント）にも適用可能であり、この場合回転ジョイント（ヒンジ構造）は、対偶素として略円柱状部材（凸面部）と、該円柱状部材に嵌合する略円筒状部材（凹面部）とを有する。このようなヒンジ構造でも、経時劣化（円柱状部材若しくは円筒状部材の摩耗、又は円柱状部材と円筒状部材との間のライナーの摩耗）等によって円柱状部材と円筒状部材との間に径方向の異常なすき間が生じ得るので、本開示に係る異常検出装置及び異常検出方法が同様に適用可能である。

１０パラレルリンクロボット
１２基礎部
１４可動部
１６ａリンク部
１８ａモータ
２０ａ駆動リンク
２２ａ受動リンク
２４ａ、２６ａボールジョイント（球面軸受）
２８ボール
３０ハウジング
３２ライナー
３４ａ拘束プレート
３６制御装置
３８異常検出装置
４０スコア計算部
４２動作生成部
４４計測部
４６指標値算出部
４８判定部
５０記憶部
５２表示部
６４、６６仮想球対偶
６８仮想リンク
７０仮想円
８０平行リンク型ロボット
８６５節リンク型ロボット

Claims

モータによって駆動する駆動リンクと、
前記駆動リンクの動作に伴って従動する複数の受動リンクと、
前記複数の受動リンクにそれぞれ連結される複数の対偶と、を有するロボットにおいて、前記受動リンクに連結された対偶が有する対偶素の間の異常なすき間を検出する異常検出装置であって、
前記ロボットを予め定めた複数の動作軌道の各々に沿って動作させるシミュレーションを行うとともに、前記複数の対偶の中から指定された、異常なすき間の有無を判定すべき対象対偶において対偶素同士の衝突が発生すると高くなり、かつ前記対象対偶以外の対偶において対偶素同士の衝突が発生すると低くなるスコアを、前記複数の動作軌道の各々について計算するスコア計算部と、
前記複数の動作軌道のうち、前記スコアが予め定めた閾値以上の動作軌道に沿ってロボットを移動させるためのロボット動作を生成する動作生成部と、
前記ロボット動作に従って前記ロボットが移動したときの、前記モータの駆動トルク又は電流値を計測する計測部と、
前記計測部が計測した駆動トルク又は電流値に関する値の変動の大きさに基づいた指標値を算出する指標値算出部と、
前記指標値の大きさに基づいて、前記対象対偶の対偶素間における異常なすき間の有無を判定する判定部と、を有し、
前記動作生成部は、前記複数の動作軌道を、それぞれのスコアと前記閾値との大小関係に基づいて第１及び第２のグループに分類し、前記閾値以上のスコアを有する第１のグループに属する動作軌道のうち、前記閾値未満のスコアを有する第２のグループに属する動作軌道から最も距離が離れた動作軌道、又は前記第２のグループに属する動作軌道から所定の距離以上離れた動作軌道に対応するロボット動作を生成する、異常検出装置。
前記指標値算出部は、前記駆動トルクの時間微分値の変動の大きさ、又は前記電流値の時間微分値の変動の大きさに基づいた指標値を算出する、請求項１に記載の異常検出装置。
前記駆動リンク及び前記受動リンクは、少なくとも１つの閉ループ型リンクを構成する、請求項１又は２に記載の異常検出装置。
モータによって駆動する駆動リンクと、
前記駆動リンクの動作に伴って従動する複数の受動リンクと、
前記複数の受動リンクにそれぞれ連結される複数の対偶と、を有するロボットにおいて、前記受動リンクに連結された対偶が有する対偶素の間の異常なすき間を検出する異常検出方法であって、
前記ロボットを予め定めた複数の動作軌道の各々に沿って動作させるシミュレーションを行うとともに、前記複数の対偶の中から指定された、異常なすき間の有無を判定すべき対象対偶において対偶素同士の衝突が発生すると高くなり、かつ前記対象対偶以外の対偶において対偶素同士の衝突が発生すると低くなるスコアを、前記複数の動作軌道の各々について計算することと、
前記複数の動作軌道のうち、前記スコアが予め定めた閾値以上の動作軌道に沿ってロボットを移動させるためのロボット動作を生成することと、
前記ロボット動作に従って前記ロボットが移動したときの、前記モータの駆動トルク又は電流値を計測することと、
計測された駆動トルク又は電流値に関する値の変動の大きさに基づいた指標値を算出することと、
前記指標値の大きさに基づいて、前記対象対偶の対偶素間における異常なすき間の有無を判定することと、を含み、
前記ロボット動作を生成することは、前記複数の動作軌道を、それぞれのスコアと前記閾値との大小関係に基づいて第１及び第２のグループに分類し、前記閾値以上のスコアを有する第１のグループに属する動作軌道のうち、前記閾値未満のスコアを有する第２のグループに属する動作軌道から最も距離が離れた動作軌道、又は前記第２のグループに属する動作軌道から所定の距離以上離れた動作軌道に対応するロボット動作を生成することを含む、異常検出方法。