JP7117697B2

JP7117697B2 - 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: JP7117697B2
Application number: JP2019043183A
Authority: JP
Inventors: 浩中川; 健一郎安部; 光山城; 英生松井; 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: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2022-08-15
Anticipated expiration: 2039-03-08
Also published as: JP2020142353A

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のように、ロボットの姿勢に追従して受動的に動く関節の異常検知には不向きと考えられる。その理由としては、このような関節は通常、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、複数の関節のうち、いずれの関節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、前記対偶素同士の衝突力の大きさに正の相関があるスコアを、前記動作軌道の各々について、前記複数の対偶における前記対偶素間の異常なすき間の有無の組み合わせごとに計算するスコア計算部と、前記異常なすき間の有無を検出すべき対象対偶に関する前記スコア、及び前記対象対偶以外の対偶に関する前記スコアに基づいて、前記複数の動作軌道から前記ロボットが沿って移動すべき動作軌道を決定し、決定された前記動作軌道に沿ってロボットを動作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動作したときの、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を表す特徴量を算出する特徴量算出部と、前記特徴量に基づいて、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、前記対偶素同士の衝突力の大きさに正の相関があるスコアを、前記動作軌道の各々について、前記複数の対偶における前記対偶素間の異常なすき間の有無の組み合わせごとに計算することと、前記異常なすき間の有無を検出すべき対象対偶に関する前記スコア、及び前記対象対偶以外の対偶に関する前記スコアに基づいて、前記複数の動作軌道から前記ロボットが沿って移動すべき動作軌道を決定し、決定された前記動作軌道に沿ってロボットを動作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動作したときの、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を表す特徴量を算出することと、前記特徴量に基づいて、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、を有する、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。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。図５のフローチャートにおける、動作軌道を決定するための処理の一例を説明するフローチャートである。図６ａのフローチャートにおける、対偶衝突指数の計算方法の一例を説明するフローチャートである。球対偶の理想モデルを示す図である。球対偶の仮想リンクモデルを示す図である。球対偶の非拘束モデルを示す図である。理想モデルが適用されるときの拘束条件を説明する図である。対象対偶における、対偶衝突指数の計算結果の一例を示す図である。対象対偶以外の対偶における、対偶衝突指数の計算結果の一例を示す図である。ロボットの動作軌道を求めるためのパレート最適解における２つの目的関数の値の関係の一例を示すグラフである。図１０ａと同じロボットの動作軌道を求めるためのパレート最適解における他の２つの目的関数の値の関係を示すグラフである。実測したモニタ電流値から求めた、モータの駆動トルクの測定例を示すグラフである。ロボットの運動方向の指令加速度の変化の一例を示すグラフである。各対偶における異常なすき間の有無の組み合わせを、表形式で表す図である。図１３の条件に基づいて行った実験結果を示す図である。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（基節リンク）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（末節リンク）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又は２６ａは、後述する対偶素（ジョイント要素）として、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とを有し、ボール２８とハウジング３０との間にはライナー３２が配置される。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（の有無）を検出する異常検出装置３８は、ロボット１０を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、対偶素（ジョイント要素）同士の衝突力の大きさに正の相関があるスコア（後述）を、動作軌道の各々について、複数（好ましくは全て）の対偶における対偶素間の異常なすき間の有無の組み合わせごとに計算するスコア計算部４０と、異常なすき間の有無を検出すべき対象対偶に関するスコア、及び対象対偶以外の対偶に関するスコアに基づいて、複数の動作軌道からロボット１０が沿って移動すべき動作軌道を選択し、選択された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に関する値の変動の大きさを表す特徴量（後述）を算出する特徴量算出部４６と、算出された特徴量に基づいて、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特徴量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、作業者が認識できるように出力する出力部５２と、作業者が種々の設定やデータ入力等を行えるようにするための、キーボードやタッチパネル等の入力部５３とをさらに有してもよい。なお出力部５２の具体例としては、シミュレーションや判定結果を表示可能なディスプレイ、シミュレーションや判定結果を音声として出力するスピーカ、及び、作業者が携帯可能でありかつ、ジョイントの摩擦状態が異常である（異常なすき間がある）と判定されたときに振動するバイブレータ等が挙げられる。作業者は出力部５２からの出力を受けて、異常があるジョイントの修理又は交換を行うことができる。

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、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。

そこで本実施形態では、予め、正常な対偶を有するロボットがある軌道に沿って動作したときのモータのトルク又は駆動電流値を取得しておき、その後、同じ軌道に沿ったロボットの動作時に取得したトルク又は駆動電流値と比較することで、衝突の生じる対偶での過大なすき間の存在の検出が可能となる。以下、図５のフローチャート等を参照しつつ、作業者等が予め定めた（ここでは１つの）対象対偶における過大なすき間の存在を検出するための処理の一例について説明する。

先ずステップＳ１において、異常なすき間の有無を判定すべきジョイント（対象対偶）を指定する。この指定は例えば、作業者が上述の入力部５３等を用いて異常検出装置３８に入力することができ、ロボットが有する複数（本実施例では１２個）のうちの少なくとも１つ（通常は１つ）の対偶が対象対偶として選択される。

次にステップＳ２では、上述の動作生成部４２が、決定された動作軌道に沿ってロボット１０を移動（動作）させるためのロボット動作を生成し、ロボット制御装置３６が、生成されたロボット動作に従ってロボットを駆動する。通常、最適な動作軌道を決定（選定、探索等）するための演算処理は相当の時間を要するため、ステップＳ２の前に、予め動作軌道の決定を行っておくことが好ましい。以下、図６ａ及び６ｂのフローチャート等を参照しつつ、最適な動作軌道を予め決定するための演算処理について説明する。

次にステップＳ１２において、後述する目的関数を定義するために、対偶衝突指数の算出を行う。以下、図６ｂのフローチャート及び図７ａ－１０ｂを参照し、ステップＳ１２の詳細（ステップＳ１２１－Ｓ１２８）を説明する。

先ずステップＳ１２１において、全ての対偶に理想モデル(a)を適用した場合の、軌道ｘを実現するための駆動トルクτを算出する。次に、対偶素２８及び３０間のすき間の大きさがゼロの球対偶にはモデル(a)（理想的な球対偶の拘束条件）を適用し、すき間を有する球対偶にはモデル(b)を適用する（ステップＳ１２２）。

図７ｂに示すように、モデル(b)は対偶素同士が接触し、滑り運動するときのモデルである。より具体的には、各対偶素の中心に大きさの無視できる理想的な球対偶６０及び６２を想定し、対偶素同士は質量ゼロの仮想リンク６４によって接続されている。また静止時の仮想リンク６４は、その両端の球対偶６０及び６２が、静止時の対偶作用力の作用線６６上に位置するような姿勢をとる。

図７ｃに示すように、モデル(c)は対偶素同士が互いに分離・衝突するときのモデルであり、衝突が生じるまでは、この対偶による拘束はない。またモデル(b)と同様、静止時の対偶素の接触点６８は、静止時の対偶作用力の作用線７０上に位置するが、モデル(c)では、モデル(b)のようにボール２８の中心はハウジング３０の中心に対して仮想球７２の球面上を移動せず、一旦仮想球７２の球面から離れて仮想球７２の内部を移動する。その後ボール２８は、点７４においてハウジング３０と接触する。結果として、ボール２８はハウジング３０に対して衝突運動を行うことになる。

次にステップＳ１２３において、次式（３）を用いて、モデル(a)－(c)のそれぞれの拘束行列を算出する。式（３）において、ｑは、全リンクの一般化座標系（基節リンク（駆動リンク）の対偶回りの回転、並びに末節リンク（受動リンク）及び可動部１４の位置・姿勢に関する座標系）であり、右辺第３式（［］）は、ゼロ行の空行列である。

また、対偶素の相対加速度は次式（１０）により求めることができる。

次に、適用条件（式（８））を満たさない対偶が存在するか否かを判定し（ステップＳ１２６）、適用条件を満たさない対偶の全てにおいて、モデル(b)をモデル(c)に（又はその逆）変更する処理を行う（ステップＳ１２７）。そして再度ステップＳ１２３－Ｓ１２５の処理（計算）を行い、全ての対偶において適用条件を満たすときは、後述する対偶衝突指数（スコア）を算出する（ステップＳ１２８）。

ステップＳ１２１－Ｓ１２７の処理を要約すると、以下のようになる。先ず、受動対偶のすき間の有無の組合せ、対偶衝突指数を求めたい球対偶、並びに可動部１４の目標軌道の初期変位及び加速度を定めておき、逆動力学解析により、対偶素間にすき間がない場合のアクチュエータの駆動トルクを求めておく。次に、すき間の大きさがゼロの球対偶にモデル(a)を適用し、すき間を有する球対偶にモデル(b)を適用する。そして、受動対偶の拘束条件を考慮して、求めておいた駆動トルクを用いて、運動方程式（式（５））を解き、適用したすき間を有する対偶のモデルが満たすべき条件（式（８））を調べる。その結果、条件を満たさない対偶についてはそのモデルを交換（ここではモデル(b)からモデル(c)に変更）し、再度、構成した運動方程式を解き、満たすべき条件を調べる。この操作を繰り返すことで、所与の軌道に対し、全ての対偶に関して正しい（矛盾のない）モデルを適用することができる。

式（１１）－（１３）及びステップＳ１２１－Ｓ１２７の処理からわかるように、対偶衝突指数は、可動部１４の変位及び加速度、並びに全ての対偶のすき間の有無のみに依存する。この対偶衝突指数が大きいほど、対偶素の衝突時の衝撃力は大きくなり、これがリンク等を介してアクチュエータに伝播することで、駆動トルクの変化も大きくなると考えられる。従って、対偶の過大なすき間によって駆動トルクの顕著な変化が生じ得るため、駆動トルクを測定することにより、過大なすき間の検出が可能となる。

上記実施形態のスコア計算部４０以外にも、衝突力の大きさに正の相関のあるスコアとして、対偶素同士の衝突によって失われる力学的エネルギーに正の相関のある値、又は対偶素同士の衝突直前の対偶素間の相対速度に正の相関のある値も使用可能である。

図９ａ及び９ｂからわかるように、対象対偶に関する対偶衝突指数（Ｉ値）は、軌道７６では最大値（ここでは約１１０）又はこれに近い値となっているのに対し、対象対偶以外の対偶に関する対偶衝突指数（Ｉ値）は、軌道７６では２０以下（殆どゼロ）となっている。すなわち、上述の対偶衝突指数が衝突力の大きさに正の相関がある定量的なスコアであるとき、軌道７６に沿ってロボットを動作させたときに、対偶素同士の衝突力の大きさが、対象対偶では比較的大きい値となり、対象対偶以外の対偶では対象対偶よりも大幅に小さい値となることを示している。従って軌道７６においては、対象対偶における過大なすき間の存在に起因する駆動トルクの変動量は、対象対偶以外の対偶における過大なすき間の存在に起因する駆動トルクの変動量よりも大きくなることが期待される。このように、同じ軌道における対象対偶のスコアと対象対偶以外の対偶のスコアとの差（大小関係）、より具体的には対象対偶のスコアの分布及び対象対偶以外の対偶のスコアの分布を利用することにより、駆動トルクの変動量に基づく、対象対偶での異常なすき間の有無の検出が期待される。

また式（１１）から分かるように、対偶衝突指数の特徴として、その導出（算出）において数値積分が不要であることが挙げられる。これにより、後述する軌道の最適化に要する計算時間を、実用的なレベルまで大幅に低減することができる。

上述の目的関数及び制約条件に基づいて、多目的最適化等の最適化処理を行い、ロボットの最適な動作軌道を決定（選定又は探索）する（ステップＳ１５）。以下、数値計算例として、実存の産業用デルタロボットを対象として、上記多目的最適化を行った例を説明する。

上記実施形態では、対象対偶のスコアの平均値の最大化、対象対偶のスコアの標準偏差の最小化、及び対象対偶以外のスコアの平均値の最小化を行う多目的最適化により、弱パレート最適な軌道を決定することができる。但しこれ以外にも、対象対偶のスコアのトリム平均値、四分位値、最大値又は最小値のいずれかの１つの最大化、対象対偶のスコアの標準偏差、四分位差、平均差、範囲又は平均絶対偏差のいずれかの１つの最小化、及び対象対偶以外の対偶のスコアのトリム平均値、四分位値、最大値又は最小値のいずれか１つの最小化を行う多目的最適化により、パレート最適な軌道を決定するようにしてもよい。

再び図５を参照し、上述の動作生成部４２が、予め決定された動作軌道に沿ってロボット１０を移動（動作）させるためのロボット動作を生成し、ロボット制御装置３６が、生成されたロボット動作に従ってロボットを駆動する（ステップＳ２）。その際、ロボットの各軸を駆動するモータの駆動トルク又は駆動電流値を、トルクセンサ又は電流計等の計測部４４を用いて測定し（ステップＳ３）、該測定結果に基づいて、駆動トルク又は電流値に関する値の変動の大きさを表す特徴量を算出し（ステップＳ４）、対象対偶の異常なすき間の有無を判定（識別）する（ステップＳ５）。以下、ステップＳ３以降の具体例について説明する。

図１１は、測定したモニタ電流値から求められる駆動トルクの測定例を示す。実線で示される波形は、全て正常（対偶素間に異常なすき間がない）な球対偶を用いた場合の駆動トルクの波形を示し、点線で示される波形は、複数（ここでは６個）の球対偶で過大なすき間を有する場合の駆動トルクの波形をそれぞれ示す。図１１から分かるように、対偶素の衝突によって発生する衝撃力により、駆動トルクの波形は振動的な挙動を呈する。この振動的な挙動を定量的に評価するため、測定した波形に、高速フーリエ変換（FFT : Fast Fourier Transform）を施し、周波数領域で考察できるようにした。ここで、測定した各アクチュエータの駆動トルクの変化の大きさを表す特徴量Ｔを、次式（１９）により導入する。

図１４（表２）に、全軌道の真陽性率、偽陽性率、及び軌道ごとの真陽性率、偽陽性率を示す。ここで、真陽性率、偽陽性率とは、異常な球対偶を用いて行った測定のうち正しく異常であると判定された割合、正常な球対偶を用いて行った測定のうち誤って異常であると判定された割合をそれぞれ示す。

図１４に示すように、全軌道における（平均の）真陽性率は８６．１％と大きく、偽陽性率は１．４％と小さい。すなわち、本実施例の手法は、実存の産業用パラレルロボットにおいて、過大な対偶すき間の存在を対偶ごとに検出する手法として十分に精度の良いものであることが検証された。

なお上述の実施例では、駆動トルクを用いた判定を行っているが、代わりに駆動トルクの時間微分値を用いてもよい。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、上述の処理と同様のことが適用できる。

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１５又は図１６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１５は、１つの駆動関節８０と、３つの受動関節８２とを含む平面リンク機構を有するロボット８４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１６は２つの駆動関節８６と、３つの受動関節８８とを含む５節リンク機構を有するロボット９０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。

本開示では、上述の処理を異常検出装置に実行させるためのプログラムを、該装置の記憶部又は他の記憶装置に記憶させることができる。またプログラムは、該プログラムを記録した、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（ＣＤ－ＲＯＭ、ＵＳＢメモリ等）として提供することも可能である。

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特徴量算出部
４８判定部
５０記憶部
５２出力部
５３入力部
６０、６２仮想球対偶
６４仮想リンク
８４平行リンク型ロボット
９０５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、前記対偶素同士の衝突力の大きさに正の相関があるスコアを、前記動作軌道の各々について、前記複数の対偶における前記対偶素間の異常なすき間の有無の組み合わせごとに計算するスコア計算部と、
前記異常なすき間の有無を検出すべき対象対偶に関する前記スコア、及び前記対象対偶以外の対偶に関する前記スコアに基づいて、前記複数の動作軌道から前記ロボットが沿って移動すべき動作軌道を決定し、決定された前記動作軌道に沿ってロボットを動作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動作したときの、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を表す特徴量を算出する特徴量算出部と、
前記特徴量に基づいて、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、を有する、異常検出装置。
前記スコア計算部は、前記すき間による前記対偶素同士の一回目の衝突までに、前記対偶素間の相対運動を等加速度運動として近似した場合の、前記相対運動を２質点系の運動としたときの相互作用力のなす仕事量を、前記すき間の大きさで除した値を前記スコアとし、複数の対偶のすき間の有無の組合せについて前記スコアを計算する、請求項１に記載の異常検出装置。
前記スコア計算部は、前記対偶素同士の衝突によって失われる力学的エネルギーに正の相関のある値を前記スコアとし、複数の対偶のすき間の有無の組合せについて前記スコアを計算する、請求項１に記載の異常検出装置。
前記スコア計算部は、前記対偶素同士の衝突直前の対偶素間の相対速度に正の相関のある値を前記スコアとし、複数の対偶のすき間の有無の組合せについて前記スコアを計算する、請求項１に記載の異常検出装置。
前記動作生成部は、前記対象対偶の前記スコアの平均値の最大化、前記対象対偶の前記スコアの標準偏差の最小化、及び前記対象対偶以外の対偶の前記スコアの平均値の最小化を行う多目的最適化により、パレート最適な軌道を決定する、請求項１～４のいずれか１項に記載の異常検出装置。
前記特徴量算出部は、計測された前記駆動トルク又は前記電流値に対してフーリエ変換を行うことによって前記特徴量を算出する、請求項１～５のいずれか１項に記載の異常検出装置。
前記判定部は、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、機械学習を用いて判定する、請求項１～６のいずれか１項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１～７のいずれか１項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、前記対偶素同士の衝突力の大きさに正の相関があるスコアを、前記動作軌道の各々について、前記複数の対偶における前記対偶素間の異常なすき間の有無の組み合わせごとに計算することと、
前記異常なすき間の有無を検出すべき対象対偶に関する前記スコア、及び前記対象対偶以外の対偶に関する前記スコアに基づいて、前記複数の動作軌道から前記ロボットが沿って移動すべき動作軌道を決定し、決定された前記動作軌道に沿ってロボットを動作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動作したときの、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を表す特徴量を算出することと、
前記特徴量に基づいて、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、を有する、異常検出方法。