JP7267688B2 - ロボットシステム、ロボットアームの制御方法、物品の製造方法、駆動装置および駆動装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明はロボットアームに関する。

近年、様々な工業製品の生産ラインで、ロボット装置が利用されるようになっている。このようなロボット装置は、ロボットアームにロボットハンドを備え、ロボットハンドによりワークを把持し、把持したワークをロボットアームにより移動させ、作業を行うことが一般的である。

上述のような生産ラインでは柔軟物、軽量物、あるいは低強度部材といった様々なワークを取り扱う場合がある。この場合、ワークの破損や変形を防ぐため、これらのワークには大きな力を作用させることができない。そこで、この種のワークをロボット装置で操作する場合には、ワークに作用する力をロボットアームの各関節に設けられたトルクセンサにより検出し、ロボットアームの駆動制御にフィードバックすることでワークに作用する力を高精度に制御する方法がある。

しかしながら各関節にトルクセンサを設ける場合、トルクセンサの信号線等の配線等も動作量の多い関節に設ける必要がある。この場合、トルクセンサの配線等が関節の駆動によりトルクセンサの配線に屈曲や捩れ等が発生するため、配線寿命の低下を招いていた。

そこで特許文献１に記載の技術はトルクセンサの配線等が関節の駆動により屈曲や捩れが生じにくい位置にトルクセンサを配置している。図９は特許文献１に記載の関節の構造を模式的に表した図である。

図９は、特許文献１の図２図３を基に、特許文献１における駆動機構５００の概略を示した図である。図９より特許文献１のロボットアームは、モータ５３１の回転が伝達機構５４０により減速機５５０に伝達され回転する第２のリンク２１０_ｉと、回転を行わない第１のリンク２１０_ｉ‐１を備えている。またトルクセンサ５２０を設ける際、回転駆動しない第１のリンク２１０_ｉ‐１にトルクセンサ５２０を設け、回転駆動する第２のリンク２１０_ｉとトルクセンサ５２０の間に支持部材５６０を設けている。また、支持部材５６０にはモータ５３１と減速機５５０が設けられ、モータ５３１の回転をベルトとプール等で構成された伝達機構５４０により減速機５５０の入力軸に伝達し、第２のリンク２１０_ｉを、回転軸Ｃを中心に回転させている。

これにより第２のリンク２１０_ｉの回転による配線５２３への影響が少ない位置にトルクセンサ５２０を配置しても、第２のリンク２１０_ｉの回転方向に生じるトルクＴを、支持部材５６０を介して矢印Ａのようにトルクセンサ５２０に伝達させることができる。これにより関節の回転により生じるトルクセンサ５２０の配線５２３の屈曲の捩れを低減し、配線寿命の低下を低減している。

特開２０１８－０１５８３６号公報

特許文献１に記載の技術は、減速機５５０、支持部材５６０、トルクセンサ５２０を全て、第２リンク２１０_ｉの回転軸Ｃ方向に直列に設け、モータ５３１を支持部材５４０に設け、回転軸Ｃに対してモータ５３１の回転軸が並列になるようにしている。これによりモータ５３１を回転軸Ｃ方向の直列に設けるよりも、回転軸Ｃ方向に関節部分が長くなることを防いでいる。

しかし、特許文献１の配置では図９で示すようなデッドスペースが生じてしまい、モータ５３１の大きさによっては、モータ５３１の一部が回転軸Ｃ方向に対して、第２リンク２１０_ｉより、長さＬ分だけ飛び出してしまう可能性がある。そのためロボットアームの小型化を目指すうえでモータ５３１の選択幅を狭めてしまうという課題がある。

そこで本発明は上記課題に鑑み、トルクセンサの配線に屈曲や捩れが生じない位置にトルクセンサを設けても、関節部分の長さを抑えることができ、モータの選択幅を広げることができるロボットアームを提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明は、第１リンクに対して第２リンクを相対的に回転させるロボットアームを含むロボットシステムであって、モータ回転軸を備えるモータと、前記モータ回転軸と連動して回転する入力軸を備え、前記モータの駆動を減速して前記第２リンクに伝える減速機と、前記第２リンクの回転によって変形する構造体と、制御部と、を備え、前記制御部が、前記変形に応じた値と、前記モータ回転軸または前記入力軸の回転に応じた値と、に基づき、前記第１リンクと前記第２リンクとの間のトルクに応じた値を取得する、ことを特徴とするロボットシステムを採用した。

本発明によれば、減速機の入力軸をトルクセンサ内部に配置し、モータと伝達機構をリンクに設けている。これによりトルクセンサを設けることで生じるデッドスペースを、減速機およびモータの配置に活用することができ、関節部分の長さを抑えることができる。これにより、モータの選択幅を広げた上でロボットアームの小型化を実現することが可能となる。

第１の実施形態におけるロボットシステム１００の概略構成を示す図である。 第１の実施形態におけるロボットシステム１００の制御ブロック図である。 第１の実施形態におけるトルクセンサ２２５の概略構成を示す図である。 図３における鎖線ＢＢを矢印Ｐ方向に切断した際の断面図である。 図１における鎖線ＡＡを矢印Ｓ方向に切断した際の断面図である。 図２の制御ブロック図においてロボットアーム本体２００の動作の制御を行うブロックを詳細に示した図である。 第１の実施形態における検出トルクの補正方法を示したフローチャートである。 第２の実施形態におけるロボットアーム本体２００の関節部分を示した図である。 従来のロボットアームにおける関節部分を示した図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態におけるロボットシステム１００を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、ロボットシステム１００は、ワークＷの組立てを行うロボットアーム本体２００と、ロボットアーム本体２００を制御する制御装置３００と、制御装置３００に接続された外部入力装置４００を備えている。

ロボットアーム本体２００は、作業台に固定されるベース部２１０と、変位や力を伝達する複数のリンク２０１～２０６と、各リンク２０１～２０６を旋回又は回転可能に連結する複数の関節２１１～２１６と、を備えている。図では破線で囲まれた部分が関節２１１～２１６である。更に、各関節２１１～２１６には、関節に作用するトルク値を検出するトルクセンサ２２１～２２６を備えている（図３）。

同図より、ロボットアーム本体２００のベース部２１０とリンク２０１は関節２１１で接続されている。この関節２１１は、例えば初期姿勢から約±１８０度の可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２０１とリンク２０２は関節２１２で接続されている。この関節２１２は、例えば初期姿勢から約±８０度の可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２０２とリンク２０３は関節２１３で接続されている。この関節２１３は、例えば初期姿勢から約±７０度の可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２０３とリンク２０４とは、関節２１４で接続されている。この関節２１４は、例えば初期姿勢から約±１８０度の可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２０４とリンク２０５は関節２１５で接続されている。この関節２１５は、初期姿勢から約±１２０度の可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２０５とリンク２０６は関節２１６で接続されている。この関節２１６は、初期姿勢から約±２４０度の可動範囲を有するものとする。

なお、本実施形態及び後述する実施形態においては、リンク２０４とリンク２０５との間に設けられた関節２１５を例に説明する。また、関節２１５と同じ構成の関節は、ロボットアーム本体２００の複数の関節２１１～２１６のうちの少なくとも１カ所に備えていれば本実施形態を実施可能であり、全ての関節が関節２１５と同様の構成である必要はない。

ロボットアーム本体２００の先端リンク２０６にはロボットハンド本体１０２が備えられている。

ロボットハンド本体１０２は、ワークＷを把持可能な複数のフィンガと、複数のフィンガを駆動する不図示のアクチュエータを備えており、複数のフィンガを駆動することでワークを把持可能に構成されている。

このロボットハンド本体１０２で作業の対象物となるワークＷを把持し、別のワークに組み付け等を行うことで物品の組立を行う。

また、ロボットシステム１００は、制御装置３００に複数の教示点のデータを送信する教示装置としての外部入力装置４００を備えている。外部入力装置４００は、人が操作するものであり、制御装置３００によるロボットアーム本体２００の動作を指定するのに用いる。

外部入力装置４００による指令から、制御装置３００によりロボットアーム本体２００の動作を制御することで、ロボットハンド本体１０２により把持したワークＷを任意の３次元位置に移動させることができる。

図２は本発明の第１の実施形態におけるロボットシステム１００の制御系を示したブロック図である。図２より制御装置３００は、ＣＰＵ３０１と、ＲＯＭ３０２と、ＲＡＭ３０３と、ＨＤＤ３０４と、記録ディスクドライブ３０５と、各種のインタフェース３０６～３１１と、を備えている。

ＣＰＵ３０１には、ＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３、ＨＤＤ３０４、記録ディスクドライブ３０５及び各種のインタフェース３０６～３１１が、バス３１４を介して接続されている。ＲＯＭ３０２には、ＢＩＯＳ等の基本プログラムが格納されている。ＲＡＭ３０３は、ＣＰＵ３０１の演算処理結果を一時的に記憶する記憶装置である。

ＲＯＭ３０２には、ＣＰＵ３０１を動作させる上で必要なパラメータが記憶されたパラメータ記憶部３３０が格納されている。ＲＡＭ３０３は、ＣＰＵ３０１の演算処理結果などを一時的に記憶可能な記憶部である。

ＨＤＤ３０４は、演算処理結果や各種のデータ（最良指令軌道や最良評価値を含む）を記憶するための記憶部である。

また、各関節２１１～２１６の回転駆動系にはそれぞれインタフェースが備えられ、バス３１４を介して外部入力装置４００に接続されている。

外部入力装置４００は、入力された各関節２１１～２１６の目標関節角度をインタフェース３０６及びバス３１４を介してＣＰＵ３０１に出力する。

また、インタフェース３０７には、各トルクセンサ２２１～２２６が接続されており、前述したトルク検出値をインタフェース３０７及びバス３１４を介してＣＰＵ３０１に出力する。

更に、インタフェース３０８には、モータ１の回転軸の回転角度を検出するエンコーダ１１が接続されている。このエンコーダ１１の検出値となるパルス信号をインタフェース３０８及びバス３１４を介してＣＰＵ３０１に出力する。

インタフェース３０９にはモニタ５００が接続されており、モニタ５００には、各種画像が表示される。

インタフェース３１０は、書き換え可能な不揮発性メモリや外付けＨＤＤ等の外部記憶装置３１２が接続可能に構成されている。記録ディスクドライブ３０５は、記録ディスク（記録媒体）３３１に記録された各種データやプログラム等を読み出すことができる。尚、本実施形態に係るプログラムが記録される記録媒体としては、記録ディスク３３１だけに限らず、外部記憶装置３１２等の不揮発性メモリや外付けＨＤＤ等も含まれる。

また、インタフェース３１１にはモータ制御装置３１３が接続されている。ＣＰＵ３０１は、モータ１の回転角度の制御量を示す駆動指令のデータを所定間隔でバス３１４及びインタフェース３１１を介してモータ制御装置３１３に出力する。

モータ制御装置３１３は、ＣＰＵ３０１から入力を受けた駆動指令に基づき、モータ１への電流の出力量を演算し、モータ１へ電流を供給して、ロボットアーム本体２００の関節２１１～２１６の関節角度の制御を行う。即ち、ＣＰＵ３０１は、モータ制御装置３１３を介して、関節２１１～２１６のトルク検出値が目標トルクとなるように、モータ１による関節２１１～２１６の駆動を制御する。

なお、本実施の形態では、モータ制御装置３１３を１つの制御装置で構成しているものを説明しているが、各関節２１１～２１６に設けられたモータ１にそれぞれ対応したモータ制御装置を備えていてもよい。

図３は本実施形態におけるトルクセンサ２２５の構造を示した図である。なお、図３は各トルクセンサ２２１～２２６を代表して示しており、図３と同様の構造を各トルクセンサ２２１～２２４、２２６も有している。同図より、トルクセンサ２２５は円筒形のフレーム５０１と、光学式エンコーダ５０２により構成されている。光学式エンコーダ５０２は回転軸Ｃを中心としたフレーム５０１の円周上に対向配置されている。

フレーム５０１は、第１の固定部材５０４、第２の固定部材５０５、およびこれら両者を相対移動可能に連結するフレーム５０１の円周上に配置された連結部材５０６により構成されている。第１の固定部材５０４、第２の固定部材５０５、連結部材５０６は本実施形態では同じ材質で一体に作られている。また第１の固定部材５０４には検出ヘッド支持部５１０を取り付ける取付部５１２が設けられている。第１の固定部材５０４は第１の構造体の一例であり、第２の固定部材５０５は第２の構造体の一例である。

第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５は、図示のような中空の円筒形状に構成される。これら第１の固定部材５０４、第２の固定部材５０５は、相対変位する測定対象にそれぞれ締結するためのフランジ部位として機能する。

連結部材５０６は、ドーナツ形状の第１の固定部材５０４と、第２の固定部材５０５の間を結合するリブ形状の部材として構成されている。この複数の連結部材５０６は回転軸Ｃを中心として放射状に、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５の間に配置されている。

また第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５には、測定対象にそれぞれ締結するための締結部位５０７が複数個配置されている。本実施形態ではビス止めを行うビス孔が締結部位５０７として、第１の固定部材５０４および第２の固定部材５０５にそれぞれ１２個配置されている。

フレーム５０１の各部位は、目的のトルク検出範囲およびその必要分解能などに応じた弾性係数を有する所定の材質、例えば樹脂や、金属（鋼材、ステンレスなど）の材質から構成される。さらにフレーム５０１は３Ｄプリンタによって製造されてもよい。具体的には、フレーム５０１の設計データ（例えばＣＡＤデータ）から、３Ｄプリンタ用のスライスデータを作成し、そのデータを従来の３Ｄプリンタに入力することにより製造することができる。

光学式エンコーダ５０２は光学式の位置センサとしての機能を有する。光学式エンコーダ５０２は、スケール５０８と、スケール５０８から位置情報を検出する検出ヘッド５０９を備える。また検出ヘッド５０９は検出ヘッド支持部５１０に取り付けられており、検出ヘッド５０９とスケール５０８が対向する空間をシール部材５１１により封止している。

図４は、第１の固定部材５０４、第２の固定部材５０５との相対移動量を検出する検出ユニットとなる光学式エンコーダ５０２の部分に相当する断面図であり、図４の一点鎖線ＢＢより矢印Ｐ方向の断面に相当する。図４より検出ヘッド支持部５１０は第１の固定部材５０４に固定され設けられている。

光学式エンコーダ５０２は検出部となる検出ヘッド５０９、被検出部となるスケール５０８から構成されており、検出ヘッド５０９は検出ヘッド支持部５１０に設けられ、スケール５０８は第２の固定部材５０５に設けられている。

スケール５０８は、第２の固定部材５０５に対して固定されており、検出ヘッド５０９については、検出ヘッド支持部５１０に固定されている。

スケール５０８は、反射型のスケールであり、格子配列の光学パターン５４１を有する。光学パターン５４１は、例えばＡｌ、Ｃｒで形成されている。

検出ヘッド５０９は、反射型の検出ヘッドであり、発光素子５５１及び受光素子５５２を有する。

この検出ヘッド５０９の発光素子５５１からの光を光学パターン５４１に照射する照射空間にゴミが混入しないようシール部材５１１により封止され、発光素子５５１に電力を供給するための配線５１８が設けられている。

検出ヘッド５０９は、発光素子５５１から光をスケール５０８に対して照射し、スケール５０８の光学パターン５４１から反射した光を受光素子５５２が受光する。

なお、検出ヘッド５０９は第１の固定部材５０４に、スケール５０８は第２の固定部材５０５に設けられているが逆でも構わない。相対移動量が検出できるならば、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５のどちらか一方に検出ヘッド５０９、他方にスケール５０８が設けられていればよい。

ここで、回転軸Ｃまわりのトルクが作用し、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５とが相対回転すると、検出ヘッド５０９とスケール５０８の相対位置が変化する。そしてスケール５０８に照射されている光の照射位置がスケール５０８上を移動する。

このとき、スケール５０８に照射されている光がスケール５０８上に設けられた光学パターン５４１を通過すると、検出ヘッド５０９の受光素子５５２で検出される光の光量が変化する。

この光量の変化から、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５との相対移動量を検出する。検出ヘッド５０９が検出した相対移動量をトルクセンサ２２５に作用したトルクに変換する感度係数を用いることでトルク検出値を算出する。

なお、この光学パターン５４１は、算出の方式によっては１条のみならず、（例えば配置位相の異なる）複数条の濃淡パターンを複数条配置することもできる。光学パターン５４１のピッチは、位置検出に必要とされる分解能などに応じて決定するが、近年ではエンコーダの高精度化／高分解能化に伴い、μｍオーダのピッチの物も利用可能である。

以上のようにして、トルクセンサ２２１～２２６は、それぞれが設置された関節２１１～２１６においてトルクが作用する回転軸Ｃ（図１におけるＡ１～Ａ６軸）まわりのトルクを検出することができる。

図５は、図１に示すロボットアーム本体２００の各関節２１５の近傍の断面図である。図５では関節２１５の近傍を、図１の一点鎖線ＡＡを矢印Ｓ方向に切断した際の断面図である。

図５に示すように、関節２１５は、モータ１と、減速機２４０と、リンク２０４とリンク２０５との間に生じるトルクを検出するトルクセンサ２２５を備えている。

リンク２０４、２０５はアームフレーム２０４ａ、２０５ａから構成され、アームフレーム２０４ａにはモータ１とトルクセンサ２２５が設けられ、アームフレーム２０５ａには減速機２４０が設けられる。

モータ１は、電磁モータであり、ブラシレスＤＣモータやＡＣサーボモータが例示できる。モータ１の動力はモータ１のモータ回転軸１０から、タイミングプーリ、タイミングベルトで構成された伝達機構２６０を介して減速機入力軸２４１にモータ１の駆動が伝達される。

伝達機構２６０は、アームフレーム２０４ａを挟んで、モータ１とトルクセンサ２２５とは反対側に設けられる。以上の伝達機構２６０によりモータ回転軸１０と減速機入力軸２４１とが並列に配置された状態でも、モータ回転軸１０の駆動を減速機入力軸２４１に伝達することができる。

エンコーダ１１は、モータ１内部に設けられており、モータ回転軸１０の回転に伴って入力側パルス信号を生成し、制御装置３００に、生成した入力側パルス信号を出力する。なお、モータ１とエンコーダ１１との間には、必要に応じて、電源ＯＦＦ時にロボットアーム本体２００の姿勢を保持するためのブレーキユニットを設けてもよい。なお、エンコーダ１１は、一般的なロータリエンコーダと同様に、光学式或いは磁気式の何れでもよい。

減速機２４０は、モータ１の回転速度を所定の減速比で減速して出力するものであり、例えば波動歯車減速機である。以下、減速機２４０が波動歯車減速機である場合について説明するが、これに限定するものではなく、揺動歯車減速機、遊星歯車減速機等、どのような構成の減速機であってもよい。

減速機２４０は、固定部材である減速機ハウジング２４４と、回転の入力を受けて減速機ハウジング２４４に対して回転する入力部材である減速機入力軸２４１とを有する。減速機ハウジング２４４は、内側に歯車が形成されたサーキュラスプラインである。

ここで減速機入力軸２４１はトルクセンサ２２５の中空部を通るように配置されている。さらに減速機２４０を支持する支持部材２３０の内部を、軸受２５２を介して貫通している。これにより減速機入力軸２４１は回転軸Ｃを中心に自在に回転することができる。

また減速機２４０は、減速機入力軸２４１に対して減速した回転速度で、減速機ハウジング２４４に対して回転する出力部材である減速機出力軸２４２を有する。本実施形態において減速手段２４３はウェーブジェネレータ、減速機出力軸２４２はフレクスプラインである。

同図において、減速機出力軸２４２は、減速手段２４３とサーキュラスプラインである減速機ハウジング２４４との間に配置され、減速手段２４３の回転に対して所定の減速比で減速され、減速機ハウジング２４４に対して相対的に回転する。

減速機２４０の減速機ハウジング２４４は支持部材２３０にビス締め等で固定されて設けられている。

減速機２４０の型式によってはあらかじめ減速機ハウジング２４４と支持部材２３０が一体で製作されているものもあるが、本実施形態では分割されているものを使用する例を示している。どちらを使用してもよい。また、減速機ハウジング２４４は軸受２５０を介して、リンク回転軸２０５ｂと接続される。

これにより減速機入力軸２４１の回転が減速手段２４３により減速されて伝達された減速機出力軸２４２の回転がリンク回転軸２０５ｂに伝えられ、軸受２５０を介してリンク２０５がリンク２０４に対して回転する。以上により、モータ１を用いてリンク２０５を回転させることができる。

トルクセンサ２２５は、リンク２０４と支持部材２３０の間に設置されている。上述したトルクセンサ２２５の第１の固定部材５０４がリンク２０４のアームフレーム２０４ａに固定され、第２の固定部材５０５が支持部材２３０に固定されている。

つまり、トルクセンサ２２５の第２の固定部材５０５は、支持部材２３０を介して、減速機２４０の減速機ハウジング２４４に接続されている。減速機２４０の減速機出力軸２４２は、リンク回転軸２０５ｂを介してリンク２０５に固定して接続されている。

よって、リンク２０５に外力Ｐが働き、回転軸Ｃ周りにトルクＴが発生したとする。このときリンク回転軸２０５ｂにトルクＴが伝達するが、図５に示す減速機出力軸２４２とサーキュラスプラインである減速機ハウジング２４４との噛み合いにより回転が規制されている。

したがって、減速機出力軸２４２に伝達したトルクＴは減速機ハウジング２４４に伝達する。減速機ハウジング２４４に伝達したトルクＴは、支持部材２３０を介してトルクセンサ２２５の第２の固定部材５０５に伝達する。

このように、リンク２０５からのトルクＴの大部分は、減速機ハウジング２４４を介して図５の実線の矢印で示した経路Ｈを通ってトルクセンサ２２５の第２の固定部材５０５に伝達する。

よって、第２の固定部材５０５は第１の固定部材５０４に対して相対移動する。これにより上述したトルクセンサ２２５の光学式エンコーダ５０２を用いて、相対移動量を検出し、トルクＴを算出することができる。

更に、トルクセンサ２２５の第１の固定部材５０４が回転しないリンク２０４に接続されて、トルクセンサ２２５の配線５１４がリンク２０４の側にクランプ機構２７０により固定されて引き出されている。つまり、関節２１５を駆動させても配線に屈曲や捩れが生じない位置にトルクセンサ２２５が配置されている。

これによりリンク２０５が回転動作しても、リンク２０５の回転動作に伴って配線５１４が屈曲や捩れ等の変形することがない。このように、トルクセンサ２２５の配線５１４に繰り返し変形が生じるのを防止することができ、配線５１４に繰り返し負荷がかからない構成であるので、配線５１４の寿命を延ばすことができる。

そのうえで、減速機入力軸２４１をトルクセンサ２５２の中空部を通るように設けている。これにより、トルクセンサ２５２を設けることで生じるデッドスペースを、モータ１の配置に活用することができ、関節部分の長さを抑えることができる。以上より、モータの選択幅を広げた上でロボットアームの小型化を実現することが可能となる。

ここで、外力Ｐによるリンク２０５の回転で生じるトルクＴの大部分は経路Ｈを通ってトルクセンサ２２５の第２の固定部材５０５に伝達するが、実際には減速機出力軸２４２の回転により減速機入力軸２４１も回転する。

よって、トルクセンサ２２５を介さず、図５の破線の矢印で示した経路Ｈ’を通って、モータ回転軸１０に微小ながらトルクＴが伝達してしまう。

そこで、以下で示す方法を用いて、リンク２０５の回転より減速機入力軸２４１が回転しまうことでトルクセンサ２２５を介さずリンク２０４に伝達するトルクＴを算出する。

図６はロボットシステム１００におけるトルク制御と位置制御を担う機構を詳しく図示したブロック図である。図７は本実施形態におけるトルク制御において、減速機入力軸２４１に伝達するトルクを算出し、トルクセンサ２２５の検出値を補正する際のフローチャートである。

図６より、外部入力装置４００は教示者により入力される力目標値Ｆ_ｒｅｆを記憶する力教示データ部４０１、位置目標値Ｐ_ｒｅｆを記憶する位置教示データ部４０２を備えている。力目標値Ｆ_ｒｅｆはロボットアーム本体２００の手先で出力させたい目標値、位置目標値Ｐ_ｒｅｆは後述するトルク制御を開始する際のロボットアーム本体２００の手先の位置である。

制御装置３００には、位置制御値生成部３２０、位置制御部３２１、力制御部３２２、制御切換部３２３、力算出部３２４、検出トルク補正部３２５、減速機２４０や伝達機構２６０の慣性の情報を記憶したパラメータ記憶部３３０を有している。

位置制御値生成部３２０、位置制御部３２１、力制御部３２２、制御切換部３２３、力算出部３２４、検出トルク補正部３２５はＣＰＵ３０１で構成される。パラメータ記憶部３３０はＲＯＭ３０２に格納されている。

ロボットアーム２００には、制御装置３００からの制御値によりモータ１を制御するモータ制御装置３１３、リンク間のトルクを検出するトルクセンサ２２１～２２６を備えている。

またモータ１には、モータ１の回転軸１０が回転することで発生する電流を検出する電流検出部１２、モータ１の回転軸１０の回転角度を検出するエンコーダ１１を備えている。

同図より、位置制御値生成部３２０がパラメータ記憶部３３０を参照し位置目標値Ｐ_ｒｅｆを各関節２１１～２２６の関節角度指令値ｑ_{ｒｅｆ１．．６}に変換する。

そして位置制御部３２１により、エンコーダ１１で検出される関節角度ｑ_１．．６が関節角度指令値ｑ_{ｒｅｆ１．．６}に倣うようなモータトルク指令値（位置）τ_{ＭＰｒｅｆ１．．６}を算出する。

そして制御切換部３２３を介してモータ制御装置３１３にモータトルク指令値（位置）τ_{ＭＰｒｅｆ１．．６}を渡し、モータ１の位置制御を行う。ここで述べる位置制御とは、エンコーダ１１のフィードバックにより、モータ１の回転軸１０の回転角度を制御し、ロボットアーム本体２００の手先の位置を制御することである。

エンコーダ１１により、ロボットアーム本体２００の手先の位置が所定の位置に達したら、位置制御部３２１が制御切換部３２３に指令を出し、力制御部３２２に切り換える。

力制御部３２２は、トルクセンサ２２１～２２６で検出される値τ_１．．６により算出されるロボットアーム本体２００の手先の力Ｆが力目標値Ｆ_ｒｅｆに倣うように、パラメータ記憶部３３０を参照しモータトルク指令値（力）τ_{ＭＦｒｅｆ１．．６}を算出する。力Ｆは力算出部３２４により算出される。

そして制御切換部３２３を介して、モータ制御装置３１３にモータトルク指令値（力）τ_{ＭＦｒｅｆ１．．６}を渡し、モータ１の力制御を行う。ここで述べる力制御とは、トルクセンサ２２１～２２６により検出されるτ_１．．６を用いて、ロボットアーム本体２００の手先で生じる力Ｆを算出し、フィードバックすることで、モータ１の回転角度を制御することである。

上記で述べた位置制御、力制御を行う際、モータ制御装置３１３はモータトルク指令値を実現するよう、モータ１を通電制御するものとする。

ここで、力算出部３２５はトルクセンサ２２１～２２６で検出されたトルク値τ_１．．６を用いて力Ｆを算出すると述べたが、厳密には検出トルク補正部３２５により補正されたトルク値τ_１．．６を用いて力Ｆを算出する。

検出トルク補正部３２５は、電流検出部１２から検出される電流値Ｉ_１．．６と、トルク値τ_１．．６と、モータ１の回転軸１０の回転角度ｑ_１．．６と、パラメータ記憶部３３０を参照する。そしてトルクセンサ２２５を介さず、減速機入力軸２４１に伝達したトルク値を求め、トルクセンサ２２１～２２６で検出したトルク値τ_１．．６を補正し、力算出部３２４に渡す。つまり検出トルク算出部は入力軸トルク算出部としての機能を兼ねる。

以下図７のフローチャートを用いて、トルク値τ_１．．６の補正方法について詳述する。

図７より、まずＳ１で教示者が外部入力装置４００により、所定の力指令値および位置指令値を入力する。

そしてＳ２で位置制御値生成部３２１が、モータトルク指令値（位置）τ_{ＭＰｒｅｆ１．．６}を算出し、ロボットアーム本体２００を位置制御する。

そしてＳ３で、ロボットアーム本体２００の手先の位置が所定の位置となれば、制御切換部３２３により位置制御から力制御に切り換える。

そしてＳ４で、力制御部３２２がモータトルク指令値（力）τ_{ＭＦｒｅｆ１．．６}を算出し、モータ制御装置３１３に渡す。この段階では、まだモータ１は駆動されていないため、トルク値τ_１．．６は０としてモータトルク指令値（力）τ_{ＭＦｒｅｆ１．．６}が算出される。

そしてＳ５で、モータ制御装置３１３が、力制御部３２２から渡されたモータトルク指令値（力）τ_{ＭＦｒｅｆ１．．６}に基づいて、モータ１を通電制御する。

Ｓ５により、モータ１が駆動されると、各リンク２０１～２０６の自重により、各リンク間でトルクセンサ２２１～２２５にトルクが発生する。Ｓ６では発生したトルクのトルク値τ_１．．６をトルクセンサ２２１～２２６により検出する。

そしてＳ７で、エンコーダ１１により、モータ回転軸１０の回転角度を検出する。ここで検出する角度は、各リンク２０１～２０６の自重および外力Ｐにより、上述した経路Ｈ’を通ってトルクが発生し、減速機入力軸２４１が回転、伝達機構２６０を介して、減速機入力軸２４１に追従して回転したモータ回転軸１０の回転角度である。

そしてＳ８では、Ｓ７で求めたモータ回転角度から、各リンク２０１～２０６の自重および外力Ｐにより、回転させられたモータ回転１０の加速度ωａ_１．．６を算出する。Ｓ７は加速度算出工程となる。また、検出トルク補正部３２５は加速度算出部をかねる。

そしてＳ９では、上述したモータ回転軸１０の回転により生じた電流Ｉ_１．．６を電流検出部１２により検出する。

そしてＳ１０で、パラメータ記憶部３３０を参照し、モータ１の慣性情報Ｊ_ｍ、減速機２４０の慣性情報Ｊ_ｇ、伝達機構２６０のベルト効率Ｋ、モータ回転軸１０にトルクがかかる際のトルク定数Ｋ_ｔを呼び出す。パラメータ記憶部３３０は上記の情報をテーブルとして記憶しているものとする。Ｓ１０はパラメータ呼び出し工程となる。

そしてＳ１１で、減速機入力軸２４１にかかるトルクを以下の式で算出する。便宜上、各減速機入力軸２４１にかかるトルクをτ_{ａ１．．６}とする。
τ_{ａ１．．６}＝Ｋ×（Ｋ_ｔ×Ｉ_１．．６－（Ｊ_ｍ＋Ｊ_ｇ）×ωａ_１．．６）・・・（数式１）

数式（１）において、Ｋ_ｔ×Ｉ_１．．６はモータ回転軸１０で生じたトルクであり、モータ１に流れた電流とトルク定数から求めることができる。

Ｋ_ｔ×Ｉ_１．．６から、減速機２４０やモータ１の慣性により生じるノイズとなるトルクを差し引き、伝達機構２６０の伝達効率Ｋを掛け合わせることで、減速機入力軸２４０にかかるトルクτ_ａを算出することができる。

また伝達効率Ｋは、おもに伝達機構２６０のベルトに起因するもので、０．９～０．９５程度となる。ベルトなどを含まない場合、伝達効率Ｋは１．０となる。

そしてＳ１２で、検出したトルクτ_１．．６に、算出した各減速機入力軸２４１にかかるトルクτ_{ａ１．．６}を足し合わせて補正し、力算出部３２４に渡す。

そしてＳ１３で、力算出部３２４が、検出トルク補正部３２５から渡された、補正されたトルク値を基に、ロボットアーム本体２００の手先にかかる力を算出する。

そしてＳ１４で、Ｓ１３で算出されたロボットアーム本体２００の手先にかかる力と、力目標値とを比較し両者が一致しているか判定する。Ｓ１４：Ｎｏであれば、Ｓ４の直前まで戻り再度、力制御を実行する。Ｓ１４：Ｙｅｓであれば力制御を終了する。

以上の制御方法において、Ｓ７～Ｓ１２までの検出トルク値τ_１．．６の補正動作は、検出トルク補正部３２５により実行されるものとする。

以上述べた補正方法により、トルクセンサ２２１～２２５を介さず、経路Ｈ’を通って、モータ回転軸１０伝達したトルクを算出し、検出トルク値に補正することができる。

これにより、トルクセンサの検出精度を高めることができ、さらに精度の高い制御をロボットアーム本体に実行することができる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、伝達機構２６０がベルト及びプーリで構成されるものであったが、たとえばベベルギアであっても本発明を実施できる。以下で詳述する。

以下では、第１の実施形態とは異なるハードウェアや制御系の構成の部分について図示し説明する。また、第１の実施形態と同様の部分については上記と同様の構成ならびに作用が可能であるものとし、その詳細な説明は省略するものとする。

図８は図５で示した、第１の実施形態における関節２１５の断面図において、伝達機構２６０をベベルギア２６１、２６２、伝達軸２６３で構成した際の模式図である。

図８よりベベルギア２６１は、減速機入力軸２４１の端部と伝達軸２６３の端部に設けられ、ベベルギア２６２はモータ回転軸１０と伝達軸２６３の端部にそれぞれ設けられている。

これによりモータ１からの動力伝達の経路を直角に曲げることができ、第１の実施形態と同様に、モータ回転軸１０を減速機入力軸２４１と並列に配置しても、モータ１の動力を減速機入力軸２４１に伝達することができる。

そして、検出トルクセンサを補正する際に求める減速機入力軸２４１にかかるトルクτ_ａを算出する際、伝達効率Ｋをベベルギア２６１に対応した値を用いる。

以上、伝達機構２６０にベベルギアを用いても第１の実施形態と同様に、トルクセンサ２５２を設けることで生じるデッドスペースを、減速機２４０およびモータ１の配置に活用することができ、関節部分の長さを抑えることができる。ゆえにモータの選択幅を広げた上でロボットアームの小型化を実現することが可能となる。

また、伝達機構２６０の機構に対応するパラメータを使用することで、伝達機構２６０が第１の実施形態と異なる構成であっても、減速機入力軸２４１にかかるトルクを算出することができ、検出トルクを補正することができる。

上述した第１の実施形態、第２の実施形態の処理手順は具体的には制御装置３００により実行されるものである。従って上述した機能を実行可能なソフトウェアの制御プログラムおよびそのプログラムを記録した記録媒体は本発明を構成することになる。

また、上記実施形態では、コンピュータで読み取り可能な記録媒体がＲＯＭ３０２或いはＲＡＭ３０３であり、ＲＯＭ３０２或いはＲＡＭ３０３に制御プログラムが格納される場合について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。本発明を実施するための制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。例えば、制御プログラムを供給するための記録媒体としては、ＨＤＤ、外部記憶装置、記録ディスク等を用いてもよい。

（その他の実施形態）
上記第１の実施形態、第２の実施形態では、ロボットアーム本体２００が６つの関節を有する６関節ロボットである場合を説明したが、関節の数はこれに限定されるものではない。ロボットアーム本体２００の形式として、垂直多軸構成を示したが、パラレルリンク型など異なる形式のロボットアーム本体２００の関節においても上記と同等の構成を実施することができる。

ロボットアーム本体２００の関節の構成例を図５、図８により示したが、関節の構成はこれだけに限定されるものではなく、当業者において任意に設計変更が可能である。また、各モータ１は、上述の構成に限定されるものではなく、各関節を駆動する駆動源は例えば人工筋肉のようなデバイス等であってもよい。

また上記実施形態におけるトルクセンサ２２１～２２５では、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５との相対移動量を検出するために光学式のエンコーダを用いたが別の形態を取っても良い。例えば磁気的に変位を計測する方法に関して、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５のどちらに磁束発生源、磁電変換素子を配置して検出しても良い。第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５が相対移動することで、磁束発生源と磁電変換素子との距離の変化に伴い、磁電変換素子へ流入する磁束密度の大きさに変化が生じ、磁束密度の変化にともなう磁電変換素子の出力が変化する。この磁電変換素子の出力の変化を検出することで変位を計測することができる。

１ モータ
１０ モータ回転軸
１１ エンコーダ
１２ 電流検出部
１００ ロボットシステム
１０２ ロボットハンド
２００ ロボットアーム本体
２０１～２０６ リンク
２０４ａ、２０４ｂ アームフレーム
２１１～２１６ 関節
２２１～２２６ トルクセンサ
２３０ 支持部材
２４０ 減速機
２４１ 減速機入力軸
２４２ 減速機出力軸
２４３ 減速手段
２４４ 減速機ハウジング
２５０、２５１ 軸受
２６０ 伝達機構
２６１、２６２ ベベルギア
２６３ 伝達軸
２７０ クランプ機構
３００ 制御装置
３１３ モータ制御装置
３２０ 位置制御値生成部
３２１ 位置制御部
３２２ 力制御部
３２３ 制御切換部
３２４ 力算出部
３２５ 検出トルク補正部
３３０ パラメータ記憶部
４００ 外部入力措置
４０１ 力教示データ部
５０４ 第１の固定部材
５０５ 第２の固定部材
５０６ 連結部材
５１４ 配線

Claims (19)

1. 第１リンクに対して第２リンクを相対的に回転させるロボットアームを含むロボットシステムであって、
   モータ回転軸を備えるモータと、
   前記モータ回転軸と連動して回転する入力軸を備え、前記モータの駆動を減速して前記第２リンクに伝える減速機と、
   前記第２リンクの回転によって変形する構造体と、
   制御部と、を備え、
   前記減速機は前記構造体を介して前記第１リンクに接続されており、
   前記制御部が、
   前記変形に応じた値と、前記モータ回転軸または前記入力軸の回転に応じた値と、に基づき、前記第１リンクと前記第２リンクとの間のトルクに応じた値を取得する、
   ことを特徴とするロボットシステム。
2. 第１リンクに対して第２リンクを相対的に回転させるロボットアームを含むロボットシステムであって、
   モータ回転軸を備えるモータと、
   前記モータ回転軸と連動して回転する入力軸を備え、前記モータの駆動を減速して前記第２リンクに伝える減速機と、
   前記第２リンクの回転によって変形する構造体と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部が、
   前記変形に応じた値と、前記モータ回転軸または前記入力軸の回転に応じた値と、に基づき、前記第１リンクと前記第２リンクとの間のトルクに応じた値を取得し、
   前記入力軸は前記構造体に囲まれるように配置されている、
   ことを特徴とするロボットシステム。
3. 請求項２に記載のロボットシステムにおいて、
   前記構造体は、前記減速機と前記第１リンクとの間に配置され、
   前記モータ回転軸と前記入力軸は、前記モータ回転軸と前記入力軸とが並列になるように配置されている、
   ことを特徴とするロボットシステム。
4. 請求項３に記載のロボットシステムにおいて、
   前記構造体は、
   第１部材と、第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを相対的に移動可能に連結する連結部材と、を備え、
   前記第１部材は、前記減速機に接続され、前記第２部材は、前記第１リンクに接続されている、
   ことを特徴とするロボットシステム。
5. 請求項４に記載のロボットシステムにおいて、
   前記構造体は、
   前記第１部材と前記第２部材との間の所定位置に、前記第１部材と前記第２部材との相対な移動量を検出する検出ユニットを備えている、
   ことを特徴とするロボットシステム。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のロボットシステムにおいて、
   前記モータ回転軸の駆動を前記入力軸に伝える伝達機構を備えている、
   ことを特徴とするロボットシステム。
7. 第１リンクに対して第２リンクを相対的に回転させるロボットアームを含むロボットシステムであって、
   モータ回転軸を備えるモータと、
   前記モータ回転軸と連動して回転する入力軸を備え、前記モータの駆動を減速して前記第２リンクに伝える減速機と、
   前記第２リンクの回転によって変形する構造体と、
   前記モータ回転軸の駆動を前記入力軸に伝える伝達機構と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部が、
   前記変形に応じた値と、前記モータ回転軸または前記入力軸の回転に応じた値と、に基づき、前記第１リンクと前記第２リンクとの間のトルクに応じた値を取得し、
   前記第１リンクは、フレームを含み、
   前記モータと前記構造体は、前記フレームに設けられ、
   前記伝達機構は、前記フレームを基準として、前記モータと前記構造体とは反対側に設けられている、
   ことを特徴とするロボットシステム。
8. 請求項６または７に記載のロボットシステムにおいて、
   前記伝達機構はベベルギアである、
   ことを特徴とするロボットシステム。
9. 請求項６または７に記載のロボットシステムにおいて、
   前記伝達機構はベルトである、
   ことを特徴とするロボットシステム。
10. 請求項５に記載のロボットシステムにおいて、
    前記第１リンクは、フレームを含み
    前記検出ユニットの配線が、前記フレームに固定されている、
    ことを特徴とするロボットシステム。
11. 請求項６から９のいずれか１項に記載のロボットシステムにおいて、
    前記制御部は、
    前記モータ回転軸または前記入力軸が、前記第２リンクの回転により回転させられることで前記モータ回転軸または前記入力軸にかかる入力軸トルクに応じた値を、前記回転に応じた値として取得する、
    ことを特徴とするロボットシステム。
12. 請求項１１に記載のロボットシステムにおいて、
    前記モータ回転軸または前記入力軸は、前記第２リンクの回転により連動して回転する減速機出力軸の回転によって回転する、
    ことを特徴とするロボットシステム。
13. 請求項１１または１２に記載のロボットシステムにおいて、
    前記制御部は、
    前記入力軸トルクに応じた値と、前記変形に応じた値と、に基づいて、前記トルクに応じた値を取得する、
    ことを特徴とするロボットシステム。
14. 請求項１１から１３のいずれか１項に記載のロボットシステムにおいて、
    前記モータは、
    前記モータ回転軸の位置を検出する位置検出手段と、
    前記モータ回転軸が回転することで生じる電流を検出する電流検出手段と、を有し、
    前記制御部は、
    前記モータの慣性の情報と、前記伝達機構の慣性と、前記減速機の慣性の情報と、前記伝達機構の伝達効率に応じた値が格納された格納部を有し、
    前記位置検出手段と前記電流検出手段からの検出値と、前記位置検出手段で検出された値に基づいて取得された前記モータ回転軸の回転の加速度に応じた値と、前記モータの慣性の情報と、前記伝達機構の慣性の情報と、前記減速機の慣性の情報と、前記伝達効率に応じた値とから、前記入力軸トルクに応じた値を取得する、
    ことを特徴とするロボットシステム。
15. 第１リンクに対して第２リンクを相対的に回転させるロボットアームを含むロボットシステムであって、
    モータ回転軸を備えるモータと、
    前記モータ回転軸と連動して回転する入力軸を備え、前記モータの駆動を減速して前記第２リンクに伝える減速機と、
    前記第２リンクの回転によって変形する構造体と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部が、
    前記変形に応じた値と、前記モータ回転軸または前記入力軸の回転に応じた値と、に基づき、前記第１リンクと前記第２リンクとの間のトルクに応じた値を取得し、
    前記構造体と前記構造体に固定されたエンコーダとがトルクセンサを構成し、
    前記変形に応じた値は前記トルクセンサの出力に応じた値であり、
    前記変形に応じた値と前記回転に応じた値とを足し合わせて、前記トルクに応じた値を取得する、
    ことを特徴とするロボットシステム。
16. 第１リンクに対して第２リンクを相対的に回転させるロボットアームの制御方法であって、
    前記ロボットアームは、
    モータ回転軸を備えるモータと、
    前記モータ回転軸と連動して回転する入力軸を備え、前記モータの駆動を減速して前記第２リンクに伝える減速機と、
    前記第２リンクの回転によって変形する構造体と、を備え、
    前記減速機は前記構造体を介して前記第１リンクに接続されており、
    制御部が、前記変形に応じた値と、前記モータ回転軸または前記入力軸の回転に応じた値と、に基づき、前記第１リンクと前記第２リンクとの間のトルクに応じた値を取得する、
    ことを特徴とする制御方法。
17. 請求項１から１５のいずれか１項に記載のロボットシステムを用いた物品の製造方法であって、
    前記トルクに応じた値に基づいて前記モータを制御し前記ロボットアームを制御することで物品を製造する、
    ことを特徴とする物品の製造方法。
18. 第１リンクに対して第２リンクを相対的に回転させる駆動装置であって、
    モータ回転軸を備えるモータと、
    前記モータ回転軸と連動して回転する入力軸を備え、前記モータの駆動を減速して前記第２リンクに伝える減速機と、
    前記第２リンクの回転によって変形する構造体と、
    制御部と、を備え、
    前記減速機は前記構造体を介して前記第１リンクに接続されており、
    前記制御部が、
    前記変形に応じた値と、前記モータ回転軸または前記入力軸の回転に応じた値と、に基づき、前記第１リンクと前記第２リンクとの間のトルクに応じた値を取得する、
    ことを特徴とする駆動装置。
19. 第１リンクに対して第２リンクを相対的に回転させる駆動装置の制御方法であって、
    前記駆動装置は、
    モータ回転軸を備えるモータと、
    前記モータ回転軸と連動して回転する入力軸を備え、前記モータの駆動を減速して前記第２リンクに伝える減速機と、
    前記第２リンクの回転によって変形する構造体と、
    制御部と、を備え、
    前記入力軸は前記構造体に囲まれるように配置されており、
    前記制御部が、
    前記変形に応じた値と、前記モータ回転軸または前記入力軸の回転に応じた値と、に基づき、前記第１リンクと前記第２リンクとの間のトルクに応じた値を取得する、
    ことを特徴とする制御方法。

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