JP7409823B2

JP7409823B2 - ロボットの寿命推定装置

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Publication number: JP7409823B2
Application number: JP2019195136A
Authority: JP
Inventors: 航杰江; 峻陶山; 裕樹木本
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2024-01-09
Anticipated expiration: 2039-10-28
Also published as: DE102020127491A1; CN112720573A; US20210122047A1; JP2021066001A; US11472034B2

Description

本発明は、ロボットの寿命推定装置に関するものである。

ロボットの回転軸の寿命を推定する寿命推定装置が知られている。この寿命推定装置は、回転軸を駆動するモータの電流値を監視することにより、電流値に基づいて寿命を算出している。

特開２０００－１４１２７５号公報

ロボットが直動機構を含む場合、直動機構に含まれるスライダの寿命は、直動機構を駆動するモータの電流値では算出することができない。したがって、直動機構を含むロボットの寿命を簡易かつ精度よく推定することが望まれている。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、直動機構を備えるロボットの寿命推定装置であって、前記直動機構が、ガイド部材と、該ガイド部材に沿って移動する１以上のスライダとを備え、前記ロボットを動作させるプログラムと、前記ロボットおよび該ロボットに取り付ける負荷の幾何パラメータとに基づいて、所定の時間間隔毎に各前記スライダに作用する荷重を算出する荷重算出部と、前記時間間隔毎の前記スライダの移動距離を算出する移動距離算出部と、前記荷重算出部により算出された前記荷重と、前記移動距離算出部により算出された前記移動距離とに基づいて、前記直動機構の寿命を算出する寿命算出部と、算出された前記寿命を表示する表示部とを備えるロボットの寿命推定装置である。

本発明の一実施形態に係る寿命推定装置を適用するロボットの一例を示す模式図である。図１のロボットの直動機構の一例を示す斜視図である。図２の直動機構に備えられるスライダの一例を示す正面図である。図１の寿命推定装置を示すブロック図である。図１の寿命推定装置のモニタに表示される表示例を示す図である。図１の寿命推定装置の動作を説明するフローチャートである。図１の寿命推定装置のモニタに表示される表示の変形例を示す図である。図１のロボットの他の例を示す模式図である。

本発明の一実施形態に係るロボットの寿命推定装置１について、図面を参照しながら以下に説明する。
本実施形態に係るロボットの寿命推定装置１は、ロボット１００の制御装置あるいはロボット１００のオフラインプログラミング装置に備えられる。

ロボット１００は、例えば、図１に示されるように、ロボット１００を構成する１以上の軸に直動機構１１０を備えている。
図１に示されるロボット１００は、床面Ｆに設置されるベース１０１、鉛直な第１軸線回りにベース１０１に対して回転可能な旋回胴１０２、水平な第２軸線回りに旋回胴１０２に対して回転可能な第１アーム１０３を備えている。また、ロボット１００は、直動機構１１０により第１アーム１０３に対して第１アーム１０３の長手方向に直線移動可能な第２アーム１０４および第２アーム１０４の先端に配置された３軸の手首ユニット１０５を備えている。

直動機構１１０は、例えば、図２に示されるように、第１アーム１０３に固定され、平行に配置される２本のガイドレール（ガイド部材）１１１と、該ガイドレール１１１に沿って移動可能なスライド部材１１２とを備えている。各ガイドレール１１１には、該ガイドレール１１１に沿って移動可能なスライダ１１３が２つずつ組み付けられている。

スライド部材１１２は２本のガイドレール１１１の２つずつのスライダ１１３、すなわち、合計４個のスライダ１１３によって、ガイドレール１１１の長手方向に沿って移動可能に支持されている。そして、スライダ１１３には第２アーム１０４が固定されている。これにより、第２アーム１０４が第１アーム１０３に対して、第１アーム１０３の長手方向に直線移動可能に支持されている。
スライダ１１３は、図３に示されるように、ガイドレール１１１との間に配置される複数の転動体１１４の転がりによってガイドレール１１１の長手方向に移動可能に案内されるものである。

本実施形態に係る寿命推定装置１は、図４に示されるように、動作プログラムを記憶するプログラム記憶部２と、ロボット１００の幾何パラメータおよびロボット１００に装着する負荷の情報を記憶するパラメータ記憶部３とを備えている。プログラム記憶部２およびパラメータ記憶部３は、メモリである。寿命推定装置１がロボット１００の制御装置に備えられる場合には、プログラム記憶部２およびパラメータ記憶部３は、制御装置に備えられていてもよい。

記憶されている動作プログラムを用いることにより、動作プログラムの実行中の各時刻におけるロボット１００の姿勢、速度、加速度および各軸の移動量を算出することができる。
幾何パラメータは、ロボット１００の各部の寸法および重量を含んでいる。各部の寸法には、直動機構１１０のスライド部材１１２に対する４個のスライダ１１３の位置情報も含まれている。負荷の情報は、ロボット１００に装着しているハンド等のツールの寸法および重量、およびハンドによってワークを把持している状態ではワークの寸法および重量を含んでいる。

また、寿命推定装置１は、動作プログラムをオフラインで実行させたときの所定の時間間隔Δｔをあけた時刻Ｔｎ毎に、各スライダ１１３に作用する荷重を算出する荷重算出部４を備えている。
すなわち、荷重算出部４は、まず、プログラム記憶部２に記憶されている動作プログラムに基づいて、動作プログラムがオフラインで実行されたときの各時刻Ｔｎにおけるロボット１００の各軸の位置、速度および加速度を算出する。次いで、荷重算出部４は、算出されたロボット１００の各軸の位置、速度および加速度と、パラメータ記憶部３に記憶されている幾何パラメータとに基づいて、スライド部材１１２の基準位置に作用する外力およびモーメントを算出する。

スライド部材１１２の基準位置は、例えば、図２に示されるように、スライド部材１１２の重心位置である。荷重算出部４は、基準位置に設定した３つの直交する座標軸ｘ，ｙ，ｚの方向に沿う外力および各座標軸ｘ，ｙ，ｚ回りのモーメントを算出する。座標軸ｘ，ｙ，ｚの位置および方向は任意でよい。
そして、算出されたスライド部材１１２の重心位置に作用する外力およびモーメントを用いて、スライド部材１１２の重心位置と４つの各スライダ１１３の重心位置との間の寸法から各スライダ１１３に作用する荷重を算出する。

荷重算出部４において、まず算出される荷重は、図３に示されるように、ガイドレール１１１の長手方向（ｚ方向）に直交するスライダ１１３の高さ方向（ｘ方向）およびスライダ１１３の幅方向（ｙ方向）の２方向の荷重Ｐ_Ｒｎ，Ｐ_Ｔｎである。
そして、荷重算出部４は、各スライダ１１３について算出された２方向の荷重Ｐ_Ｒｎ，Ｐ_Ｔｎに基づいて、下式（１）により、等価荷重Ｐ_Ｅｎを算出する。

Ｐ_Ｅｎ＝Ｋ_ｘＰ_Ｒｎ＋Ｋ_ｙＰ_Ｔｎ・・・（１）
ここで、
Ｋ_ｘ，Ｋ_ｙ：等価係数であり、直動機構に固有の値である。
寿命推定装置１は、荷重算出部４に接続され荷重算出部４において算出された等価荷重Ｐ_Ｅｎを時系列に記憶する荷重記憶部（記憶部）５を備えている。

さらに、寿命推定装置１は、プログラム記憶部２に記憶されている動作プログラムに基づいて、動作プログラム全体が実行されたときの総移動距離（移動距離）Ｌを下式（２）により算出する移動距離算出部６を備えている。

ここで、
Ｌ_ｎ：サンプリング時間Δｔ毎の各スライダ１１３の移動距離である。
ｋプログラムの所要時間を時間間隔Δｔで除算した自然数である。

そして、寿命推定装置１は、荷重算出部４により算出された等価荷重Ｐ_Ｅｎと、移動距離算出部６により算出された総移動距離Ｌとに基づいて、平均荷重Ｐ_ｍおよび寿命Ｅを算出する寿命算出部７を備えている。
寿命算出部７は、各スライダ１１３について、下記の式（３）および式（４）により平均荷重Ｐ_ｍおよび寿命Ｅを算出する。

ここで、
ｉ：スライダ１１３の転動体１１４により決まる定数
であり、直動機構１１０に固有の値である。

ここで、
ｆ_Ｈ：硬さ係数、
ｆ_Ｔ：温度係数、
ｆ_Ｃ：接触係数、
ｆ_Ｗ：荷重係数、
Ｃ：基本動定格荷重
であり、直動機構１１０に固有の値である。

そして、寿命推定装置１は、寿命算出部７において算出された寿命Ｅが所定の閾値Ｔｈよりも短いか否かを判定する判定部８を備えている。判定部８は、４つのスライダ１１３について、それぞれ算出された寿命のいずれかが閾値Ｔｈよりも短いと判定した場合に、閾値Ｔｈよりも短い寿命および荷重記憶部５に記憶されている等価荷重Ｐ_Ｅｎの時間変化をスライダ１１３毎に出力する。判定部８は、算出された寿命Ｅが閾値Ｔｈ以上である場合には、出力を行わない。

また、寿命推定装置１は、判定部８から出力された寿命Ｅおよび等価荷重Ｐ_Ｅｎの時間変化を表示するモニタ（表示部）９を備えている。
表示部９には、例えば、図５に示されるように、寿命Ｅが数値により、また、等価荷重Ｐ_Ｅｎの時間変化がグラフにより表示される。寿命Ｅはグラフ表示してもよい。

移動距離算出部６、荷重算出部４、寿命算出部７および判定部８はプロセッサおよびメモリであり、荷重記憶部５はメモリである。

このように構成された本実施形態に係る寿命推定装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る寿命推定装置１によれば、図６に示されるように、まず、カウンタｎが初期化される（ステップＳ１）。次いで、動作プログラムが実行され（ステップＳ２）、時刻Ｔｎに達したか否かが判定される（ステップＳ３）。

時刻Ｔｎに達した時点で、動作プログラムおよび幾何パラメータに基づいて、荷重算出部４により等価荷重Ｐ_Ｅｎ、移動距離算出部６により移動距離Ｌ_ｎがそれぞれ算出される（ステップＳ４，Ｓ５）。算出された等価荷重Ｐ_Ｅｎは寿命算出部７に出力され、寿命算出部７において保持され、また、等価荷重Ｐ_Ｅｎは時刻Ｔｎと対応づけて荷重記憶部５に記憶される（ステップＳ６）。算出された移動距離Ｌ_ｎは移動距離算出部６において積算される（ステップＳ７）。

カウンタｎがインクリメントされ（ステップＳ８）、動作プログラムが終了したか否かが判定され（ステップＳ９）。終了していない場合には、ステップＳ２からの工程が繰り返される。

ステップＳ９において動作プログラムが終了したと判定された場合には、移動距離算出部６において積算された総移動距離Ｌが寿命算出部７に出力され（ステップＳ１０）、保持している等価荷重Ｐ_Ｅｎと総移動距離Ｌとによって平均荷重Ｐ_ｍおよび寿命Ｅがともに寿命算出部７において算出される（ステップＳ１１）。
そして、算出された寿命Ｅが所定の閾値Ｔｈよりも短いか否かが判定部８において判定され（ステップＳ１２）、短い場合には、算出された寿命Ｅと、荷重記憶部５に記憶されている等価荷重Ｐ_Ｅｎの時間変化が表示部９に表示される（ステップＳ１３）。

このように本実施形態に係る寿命推定装置１によれば、ロボット１００が、モータの電流値では寿命Ｅを算出できない直動機構１１０を含む場合であっても、ロボット１００の寿命Ｅを簡易かつ精度よく推定することができるという利点がある。
そして、算出された寿命Ｅが所定の閾値Ｔｈよりも短い場合に、算出された寿命Ｅが表示されることにより、ロボット１００に大きな負荷がかかる動作プログラムであることをユーザに認識させることができる。また、同時に、等価荷重Ｐ_Ｅｎの時間変化がグラフによって表示されることにより、どの時刻Ｔｎにおいてロボット１００に大きな負荷がかかっているのかをユーザに認識させることができる。

なお、本実施形態においては、時刻Ｔｎと等価荷重Ｐ_Ｅｎとを対応付けていることにより、等価荷重Ｐ_Ｅｎが大きくなっている時刻Ｔｎを確認することができる。これに加えて、プログラム内の位置（行番号）を対応付けて記憶しておき、図７に示されるように、ユーザがグラフ上においてカーソルを合わせた時刻Ｔｋに対応するプログラムの位置および／または時刻Ｔｋを表示することにしてもよい。これにより、ユーザは、プログラムのどの指令を修正すればよいかを迅速に認識することができる。

また、本実施形態においては、第１アーム１０３と第２アーム１０４との間に直動機構１１０を有するロボット１００を例示したが、これに代えて、図８に示される床面Ｆとベース１０１との間に直動機構１１０を有するロボット１００の他、任意の位置に直動機構１１０を有するロボット１００に適用してもよい。
また、直動機構１１０以外の回転軸については、従来と同様の方法により、寿命推定を行い、直動機構１１０の寿命Ｅとの対比において、寿命Ｅが所定の閾値Ｔｈよりも短い軸について報知することにすればよい。

また、本実施形態においては、ガイド部材としてガイドレール１１１を備える直動機構１００を例示した。これに代えて、ガイド部材１１１としてスプライン軸を備え、スプライン軸に対してスリーブ（スライダ）が転動体により案内されるボールスプライン等を備える直動機構等に適用してもよい。この場合、数３の寿命の算出式は、直動機構に適したものを採用すればよい。

また、本実施形態においては、算出された寿命Ｅが所定の閾値Ｔｈよりも短い場合に、算出された寿命および等価荷重Ｐ_Ｅｎの時間変化を表示することとしたが、これに代えて、常時表示することにしてもよい。また、等価荷重Ｐ_Ｅｎの時間変化のグラフにおいては、等価荷重Ｐ_Ｅｎが所定の閾値Ｔｈを超えている時間範囲を明示的に表示することにしてもよい。

１寿命推定装置
４荷重算出部
５荷重記憶部（記憶部）
６移動距離算出部
７寿命算出部
９表示部
１００ロボット
１１０直動機構
１１１ガイドレール（ガイド部材）
１１３スライダ
Ｌ総移動距離（移動距離）
Ｐ_Ｅｎ等価荷重（荷重）
Ｔｈ閾値

Claims

直動機構を備えるロボットの寿命推定装置であって、
前記直動機構が、ガイド部材と、該ガイド部材に沿って移動する１以上のスライダとを備え、
前記ロボットを動作させるプログラムと、前記ロボットおよび該ロボットに取り付ける負荷の幾何パラメータとに基づいて、所定の時間間隔毎に各前記スライダに作用する荷重を算出する荷重算出部と、
前記時間間隔毎の前記スライダの移動距離を算出する移動距離算出部と、
前記荷重算出部により算出された前記荷重と、前記移動距離算出部により算出された前記移動距離とに基づいて、前記直動機構の寿命を算出する寿命算出部と、
算出された前記寿命を表示する表示部とを備えるロボットの寿命推定装置。
前記荷重算出部により算出された前記荷重を前記プログラム上の時刻と対応づけて記憶する記憶部を備え、
前記表示部が、前記記憶部に記憶されている前記荷重を表示する請求項１に記載のロボットの寿命推定装置。
前記表示部が、前記荷重を時系列に表示する請求項２に記載のロボットの寿命推定装置。
前記表示部は、前記荷重が所定の荷重閾値を超えている前記プログラム上の時刻を表示する請求項２に記載のロボットの寿命推定装置。
前記表示部は、前記寿命算出部により算出された前記寿命が所定の寿命閾値以下である場合に前記荷重を表示する請求項２または請求項３に記載のロボットの寿命推定装置。
前記表示部は、前記寿命算出部により算出された前記寿命が所定の寿命閾値以下である場合に前記時刻を表示する請求項４に記載のロボットの寿命推定装置。