JP7343323B2 - 故障予測システム - Google Patents

Description

本発明は、故障予測システムに関する。

ロボットの故障を予測すること、つまりロボットの故障の兆候を検知して適切に動作できなくなる前にユーザに知らせることができる技術が望まれている。一般的に、ロボットの故障時には動作時の駆動トルクが増大することが知られている。そこで、駆動トルクの変化等を監視することで、故障を予測することが提案されている。例えば特許文献１には、トルクセンサ、温度センサ、および加速度センサ等のセンサ群の計測値と基準値との大小関係により故障診断を実施する技術が記載されている。

特開２００６－２８５８８４号公報

ロボットが故障に至るまでの駆動トルクの増大の度合や故障発生時の駆動トルクは、ロボットの動作パターンによって異なる。このため、特許文献１に記載されるように現在の計測値を基準値と比較する方法では、ロボットの余命が長いにも関わらず故障が近いと判断してしまう可能性がある。このため、ロボットの動作パターンにかかわらず、ロボットの故障を正確に予測することができる故障予測システムが望まれる。

本開示の一態様に係る故障予測システムは、与えられる作業プログラムに従って動作しているロボットの駆動軸のトルク値を収集するトルク値収集部と、前記トルク値収集部が収集した前記トルク値の中から直近の前記トルク値の時間変化を近似する評価式を導出する評価式導出部と、前記評価式と過去に前記駆動軸が故障に至ったときの前記トルク値の時間変化とに基づいて、前記駆動軸の故障が発生すると判断される前記トルク値である故障閾値を設定する閾値設定部と、前記評価式において予め設定される予測時間が経過したときの前記トルク値の推測値を算出し、前記推測値と前記故障閾値との比較により前記予測時間内に前記駆動軸の故障が予測されるか否かを判断する予測判断部と、を備える。

本発明によれば、ロボットの故障を正確に予測することができる。

本開示の一実施形態の故障予測システムを備えるロボットシステムの構成を示すブロック図である。 図１の故障予測システムにおけるトルク値の評価式を例示するグラフである。 図１の故障予測システムの表示制御部による表示を例示する図である。 図１の故障予測システムによる制御の流れを示すフローチャートである。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る故障予測システム１を備えるロボットシステムの構成を示す。

ロボットシステムは、ロボットＲと、ロボットＲを制御するロボット制御装置Ｃと、ロボット制御装置Ｃと通信する故障予測システム１と、故障予測システム１によって表示内容が制御されるモニタＭと、を備える。

ロボットＲは、複数の駆動軸Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有し、先端に例えばワークを保持可能なハンドＨが設けられる。ロボットＲは、駆動軸Ｊ１～Ｊ６の駆動によってハンドＨを移動させることで、所望の作業を行ことができる。ロボットＲは、図示するように垂直多関節型ロボットとすることができるが、これに限定されず、例えば直交座標型ロボット、スカラ型ロボット、パラレルリンク型ロボット等であってもよい。ロボットＲは、各駆動軸Ｊ１～Ｊ６のトルク値（例えば駆動軸を駆動するモータのトルク、電流値等）を検出するトルク検出部を有する構成とされる。

ロボット制御装置Ｃは、与えられる作業プログラムに従ってロボットＲを動作させる。具体的には、ロボット制御装置Ｃは、加工プログラムに従う動作を行うために必要なロボットＲの各駆動軸Ｊ１～Ｊ６の時間毎の位置又は速度を算出し、ロボットＲの各駆動軸Ｊ１～Ｊ６に必要な電流を印加する公知の構成とすることができる。また、ロボット制御装置Ｃは、ロボットＲから各駆動軸Ｊ１～Ｊ６の駆動トルクのフィードバック信号を受け取り、故障予測システムに各駆動軸Ｊ１～Ｊ６のトルク値を送信する。

モニタＭは、例えば液晶ディスプレイパネル等の表示装置によって構成することができる。モニタＭは、故障予測システム１に付設されてもよく、ロボット制御装置Ｃに付設されてもよく、故障予測システム１及びロボット制御装置Ｃから離れた場所、例えばロボットＲが配設された工場において多くの場所から視認できる位置等に設けられてもよい。

故障予測システム１は、ロボットＲの駆動軸Ｊ１～Ｊ６のトルク値を収集するトルク値収集部１０と、直近のトルク値の時間変化を近似する評価式を導出する評価式導出部２０と、駆動軸Ｊ１～Ｊ６の故障が発生すると判断されるトルク値である故障閾値を設定する閾値設定部３０と、予測時間内に駆動軸Ｊ１～Ｊ６のいずれかの故障が予測されるか否かを判断する予測判断部４０と、トルク値及び予測判断部４０の判断結果をモニタＭに表示する表示制御部５０と、を備える。

故障予測システム１は、例えばＣＰＵ、メモリ、通信インターフェイス等を有するコンピュータ装置に適切な制御プログラムを実行させることによって構成することができる。トルク値収集部１０、閾値設定部３０、予測判断部４０及び表示制御部５０は、機能的に区別されるものであって、機械的構成及びプログラム構成において明確に区分できるものでなくてもよい。故障予測システム１とロボット制御装置Ｃとの通信は、ネットワーク又は専用通信回線を介して行うことができる。

トルク値収集部１０は、ロボット制御装置Ｃから、作業プログラムに従って動作しているロボットＲの駆動軸Ｊ１～Ｊ６の時系列のトルク値を収集する。つまり、トルク値収集部１０は、複数の駆動軸Ｊ１～Ｊ６のそれぞれの駆動トルクの時間毎の値を記憶する。

また、トルク値収集部１０は、ロボット制御装置Ｃから、実行している作業プログラムを特定する信号又は作業プログラムの変更を知らせる信号を受信し、作業プログラムの変更時に収集したトルク値をリセットし、新たにトルク値を収集してもよい。これにより、現在実行している作業プログラムと異なる作業プログラムの実行時のトルク値を故障予測に反映しないようにすることができるので、ロボットＲの現在の動作条件における駆動軸Ｊ１～Ｊ６の故障を正確に予測することができる。

評価式導出部２０は、トルク値収集部１０が収集したトルク値の中から直近(現在に至る一定の時間範囲内)の作業プログラムに従って動作しているロボットＲの駆動軸Ｊ１～Ｊ６のトルク値の時間変化を近似する評価式を駆動軸Ｊ１～Ｊ６毎に導出する。例として、図２に示すように、評価式導出部２０は、実線で示す実際のトルク値の時間変化を近似する評価式として、一点鎖線で示す一次の関数Ｙ（ｔ）＝ａｔ＋ｂ（ａ，ｂは定数）を用いることができる。つまり、評価式導出部２０は、公知の方法により、評価式Ｙ（ｔ）＝ａｔ＋ｂが実際のトルク値を代表する式となるような定数ａ，ｂの値を算出する。

閾値設定部３０は、過去に駆動軸Ｊ１～Ｊ６が故障に至ったときのトルク値の時間変化と、直近の駆動軸Ｊ１～Ｊ６のトルク値の時間変化を近似する評価式と、に基づいて、駆動軸Ｊ１～Ｊ６の故障が発生すると判断されるトルク値である故障閾値を駆動軸Ｊ１～Ｊ６毎に設定する。評価式Ｙ（ｔ）において、ｂの値は、トルク値収集部１０が収集した直近のトルク値に応じて変動するので、適切な故障閾値を設定することができる。

このため、閾値設定部３０は、過去に駆動軸Ｊ１～Ｊ６が故障に至ったときのトルク値の時間変化を記憶する。この過去に故障に至ったときのトルク値は、実験等により収集されたトルク値を用いてもよく、同型のロボットＲについて収集されたトルク値のコピーであってもよい。過去に故障に至ったときのトルク値は、トルク値収集部１０の直近のトルク値とはことなり、作業プログラムの変更時も消去されずに保存される。

本実施形態における閾値設定部３０は、駆動軸Ｊ１～Ｊ６が故障に至るまでの動作時間と、その時のトルク値とを、駆動軸Ｊ１～Ｊ６毎に算出し、故障に至るまでの動作時間の平均値ｔｓと、故障発生時のトルク値の平均値τ及び標準偏差σとを算出する。次に、閾値設定部３０は、故障発生時のトルク値の平均値τ及び標準偏差σを考慮して、故障が発生する可能性が高いと判断することができるトルク値（例えば平均値から標準偏差の２倍を減じた値の実際の故障発生時のトルク値）の平均値に対する比として算出される定数である安全計数Ｋを駆動軸Ｊ１～Ｊ６毎に決定する。

また、閾値設定部３０は、故障に至るまでの動作時間の平均値ｔｓ等の演算を実際に行わず、予め算出された故障に至るまでの動作時間の平均値ｔｓ及び安全計数Ｋを記憶するよう構成されてもよい。この場合、閾値設定部３０は、過去に故障に至ったときのトルク値を記憶しなくてもよい。

閾値設定部３０は、この評価式Ｙ（ｔ）＝ａｔ＋ｂの時間ｔに故障に至るまでの動作時間の平均値ｔｓを代入して得られるトルク値Ｙ（ｔｓ）に安全計数Ｋを乗じた値を故障閾値に設定する。

予測判断部４０は、予め設定される予測時間が経過したときのトルク値の推測値を、評価式導出部２０が導出した直近のトルク値の時間変化に基づく評価式Ｙ（ｔ）を用いて算出する。そして、予測判断部４０は、推測値と故障閾値とを比較して、推測値が故障閾値以上である場合には予測時間内に駆動軸Ｊ１～Ｊ６の故障が予測されると判断する。

表示制御部５０は、図３に例示するように、モニタＭの画面に直近のトルク値をグラフに表示すると共に、予測判断部４０が駆動軸Ｊ１～Ｊ６の故障が予測されると判断した場合にその旨をマーカ等を用いて表示する。これにより、ユーザに対して故障が予測されることを通知することができる。故障が予測される旨のマーカの表示方法は、図示するように、予測判断部４０が駆動軸Ｊ１～Ｊ６の故障が予測されると判断したときの最後のトルク値の時刻を示す直線Ｌをトルク値のグラフの上に表示する方法としてもよい。この直線Ｌは、トルク値をプロットする線よりも目立ちやすい色（例えば赤色等）で表示することが好ましい。

図４に、故障予測システム１による故障予測の手順を示す。故障予測システム１による故障予測は、駆動軸Ｊ１～Ｊ６のトルク値を収集する工程（ステップＳ１）と、直近のトルク値を近似する評価式を導出する工程（ステップＳ２）と、評価式と過去に故障に至ったときのトルク値とに基づいて故障閾値を設定する工程（ステップＳ３）と、評価式及び故障閾値に基づいて予測時間内に故障が予測されるか否かを判断する工程（ステップＳ４）と、トルク値を時系列のグラフに表示する工程（ステップＳ５）と、故障が予測される場合にその判断のもとになるトルク値の終点の時刻をグラフ上に直線で表示する工程（ステップＳ６）と、を備える。

故障予測システム１は、現在実行している作業プログラムに従うロボットＲの動作による駆動軸Ｊ１～Ｊ６のトルク値の変化を示す評価式を導出し、この評価式を用いて故障閾値を設定するので、現在のロボットＲの動作における駆動軸Ｊ１～Ｊ６の損耗度合を反映した適切な故障閾値を設定することができる。また、故障予測システム１は、評価式に基づいて予測時間後の駆動軸Ｊ１～Ｊ６のトルク値を故障閾値と比較するため、故障が予測されると判断されてから実際に故障が発生するまでの猶予時間のばらつきを抑制することができる。このように、本開示に係る故障予測システム１は、ロボットＲの故障を比較的正確に予測することができる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

本開示に係る故障予測システムにおいて、評価式導出部は、例えば多次の関数、指数関数、又はこれらの組み合わせにより、実際のトルク値の時間変化を近似してもよい。

本開示に係る故障予測システムにおいて、表示制御部は、予測判断部が前記駆動軸の故障が予測されると判断したときの最後のトルク値の時刻を直線以外の方法で、例えば矢印当のマーカ、時刻を示すテキストなどの方法で表示してもよい。

また、本開示に係る故障予測システムにおいて、表示制御部は任意の構成であり、他の手段により、故障が予測されると判断されたことを確認可能とすることができればよい。例として、本開示に係る故障予測システムは、表示制御部に替えて、故障が予測されると予測判断部が判断したことを記録又は外部出力する構成を有するものとしてもよい。

１ 故障予測システム
１０ トルク値収集部
２０ 評価式導出部
３０ 閾値設定部
４０ 予測判断部
５０ 表示制御部
Ｒ ロボット
Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６ 駆動軸

Claims (4)

1. 与えられる作業プログラムに従って動作しているロボットの駆動軸のトルク値を収集するトルク値収集部と、
   前記トルク値収集部が収集した前記トルク値の中から直近の前記トルク値の時間変化を近似する評価式を導出する評価式導出部と、
   前記評価式と過去に前記駆動軸が故障に至ったときの前記トルク値の時間変化とに基づいて、前記駆動軸の故障が発生すると判断される前記トルク値である故障閾値を設定する閾値設定部と、
   前記評価式において予め設定される予測時間が経過したときの前記トルク値の推測値を算出し、前記推測値と前記故障閾値との比較により前記予測時間内に前記駆動軸の故障が予測されるか否かを判断する予測判断部と、
   を備え、
   前記閾値設定部は、前記評価式に過去に前記駆動軸が故障に至ったときの前記トルク値の時間変化に基づいて定められる時間を代入した値に、前記駆動軸が故障に至ったときの前記トルク値の時間変化に基づいて定められる定数を乗じた値を、前記故障閾値とする故障予測システム。
2. 前記トルク値収集部は、前記作業プログラムの変更時に、収集した前記トルク値をリセットし、新たに前記トルク値を収集する、請求項１に記載の故障予測システム。
3. 直近の前記トルク値をグラフに表示すると共に、前記予測判断部が前記駆動軸の故障が予測されると判断した場合にその旨を表示する表示制御部をさらに備える、請求項１に記載の故障予測システム。
4. 前記表示制御部は、前記予測判断部が前記駆動軸の故障が予測されると判断したときの最後の前記トルク値の時刻を示す直線を前記グラフの上に表示する、請求項３に記載の故障予測システム。

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