JP7452010B2

JP7452010B2 - ロボット、ロボットシステムおよびロボットの制御方法

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Publication number: JP7452010B2
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Inventors: 基伊藤
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Description

本開示は、ロボット、ロボットシステムおよびロボットの制御方法に関する。

特許文献１には、スイッチのオンオフによって直流電力を交流電力に変換してロボット本体の各部に設けられたモーターを駆動させる技術が記載されている。

特開２０１２－２１３８５４号公報

特許文献１にように、スイッチのオンオフによって電力を変換する際には、不可避的に電力の損失が生じる。バッテリーから供給される電力によって駆動されるロボットでは、長期の稼働時間を確保するために、電力の損失を低減することが望まれる。

本開示の第１の形態によれば、ロボットが提供される。このロボットは、スイッチを有し、前記スイッチの開閉によってバッテリーから供給された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、前記電力変換部から供給される前記交流電力によって駆動されるマニピュレーター部と、前記電力変換部から前記マニピュレーター部への前記交流電力の供給を制御する制御部と、を備える。前記電力変換部は、予め定められた電圧および周波数で前記交流電力を前記マニピュレーター部に供給する第１モードと、前記第１モードに比べて前記電圧と前記周波数とのうちの少なくともいずれか一方が小さい前記交流電力を前記マニピュレーター部に供給する第２モードとを含んだ動作モードを有し、前記制御部は、前記第１モードと前記第２モードとを切り替える。

本開示の第２の形態によれば、ロボットシステムが提供される。このロボットシステムは、ロボットと、走行可能な車両部と、を備え、前記ロボットは、スイッチを有し、前記スイッチの開閉によってバッテリーから供給された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、前記電力変換部から供給される前記交流電力によって駆動されるマニピュレーター部と、前記電力変換部から前記マニピュレーター部への前記交流電力の供給を制御する制御部と、を備える。前記電力変換部は、予め定められた電圧および周波数で前記交流電力を前記マニピュレーター部に供給する第１モードと、前記第１モードに比べて前記電圧と前記周波数とのうちの少なくともいずれか一方が小さい前記交流電力を前記マニピュレーター部に供給する第２モードとを含んだ動作モードを有し、前記制御部は、前記第１モードと前記第２モードとを切り替え、前記バッテリー、前記電力変換部、前記マニピュレーター部、および前記制御部は、前記車両部に搭載されている。

本開示の第３の形態によれば、スイッチを有し、前記スイッチの開閉によってバッテリーから供給された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、前記電力変換部から供給される前記交流電力によって駆動されるマニピュレーター部と、を備えるロボットの制御方法が提供される。このロボットの制御方法は、予め定められた電圧および周波数で前記交流電力を前記電力変換部から前記マニピュレーター部に供給させる第１制御と、前記第１制御に比べて前記電圧と前記周波数とのうちの少なくともいずれか一方が小さい前記交流電力を前記電力変換部から前記マニピュレーター部に供給させる第２制御と、を有し、前記第１制御と前記第２制御とを切り替える。

第１実施形態のロボットシステムの概略構成を示す説明図。第１実施形態のロボットシステムの電気的な構成を示すブロック図。パルス幅変調制御の様子を模式的に示す説明図。モード切替処理の内容を示すフローチャート。テーブルの一例を示す説明図。スイッチングロスを模式的に示す第１の説明図。スイッチングロスを模式的に示す第２の説明図。第２実施形態のロボットシステムの電気的な構成を示すブロック図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態におけるロボットシステム１０の概略構成を示す説明図である。本実施形態では、ロボットシステム１０は、マニピュレーター部２０と、車両部３０と、バッテリー４０と、制御部９０とを備えている。本実施形態では、ロボットシステム１０は、予め定められた走行経路上に配置された磁気テープ等によって誘導されて走行するＡＧＶ（ＡｕｔｏｍａｔｅｄＧｕｉｄｅｄＶｅｈｉｃｌｅ）として構成されている。ロボットシステム１０は、自ら走行経路を算出して、走行経路上に人や障害物を検知した場合には人や障害物を回避しつつ走行するＡＭＲ（ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＭｏｂｉｌｅＲｏｂｏｔ）として構成されてもよい。ロボットシステム１０は、例えば、第１地点においてマニピュレーター部２０によってワークＷＫを車両部３０に積み込み、第１地点から第２地点まで車両部３０によって走行し、第２地点においてマニピュレーター部２０によってワークＷＫを車両部３０から下ろすことができる。ロボットシステム１０は、マニピュレーター部２０によってワークＷＫを把持した状態で第１地点から第２地点まで走行することもできる。尚、マニピュレーター部２０のことをロボットまたはマニピュレーターと呼ぶこともでき、車両部３０のことを車両と呼ぶこともでき、制御部９０のことをコントローラーと呼ぶこともできる。

車両部３０は、車体部３１と、車輪部３５と、走行用モーター３６とを備えている。車体部３１の上面には、マニピュレーター部２０が固定されており、マニピュレーター部２０が固定された部分の隣には、ワークＷＫを積載するための積載部３９が設けられている。車体部３１には、走行用モーター３６とバッテリー４０とが搭載されている。走行用モーター３６は、バッテリー４０を電力供給源として駆動されて、車輪部３５を回転させる。走行用モーター３６は、制御部９０の制御下で駆動される。車両部３０は、車輪部３５の回転によって走行する。尚、車体部３１のことを車体と呼ぶこともでき、車輪部３５のことを車輪と呼ぶこともでき、積載部３９のことを積載台と呼ぶこともできる。

マニピュレーター部２０は、ベース部２１と、第１アーム部２５Ａと、第２アーム部２５Ｂと、第３アーム部２５Ｃと、第４アーム部２５Ｄと、第５アーム部２５Ｅと、第６アーム部２５Ｆと、第１モーター２６Ａと、第２モーター２６Ｂと、第３モーター２６Ｃと、第４モーター２６Ｄと、第５モーター２６Ｅと、第６モーター２６Ｆと、エンドエフェクター２９とを備えている。本実施形態では、マニピュレーター部２０は、垂直多関節ロボットとして構成されている。尚、各アーム部２５Ａ～２５Ｆおよび各モーター２６Ａ～２６Ｆの符号の末尾に付された「Ａ」～「Ｆ」の文字は、各アーム部２５Ａ～２５Ｆおよび各モーター２６Ａ～２６Ｆを区別するために付された文字である。以下の説明において、各アーム部２５Ａ～２５Ｆおよび各モーター２６Ａ～２６Ｆを特に区別せずに説明する場合には、符号の末尾に「Ａ」～「Ｆ」の文字を付さずに説明する。尚、ベース部２１のことをベースと呼ぶこともでき、アーム部２５のことをアームと呼ぶこともできる。

ベース部２１は、車体部３１の上面に固定されている。第１アーム部２５Ａは、ベース部２１に対して第１軸Ｏ１を中心にして回転可能に接続されている。第２アーム部２５Ｂは、第１アーム部２５Ａに対して第２軸Ｏ２を中心にして回転可能に接続されている。第３アーム部２５Ｃは、第２アーム部２５Ｂに対して第３軸Ｏ３を中心にして回転可能に接続されている。第４アーム部２５Ｄは、第３アーム部２５Ｃに対して第４軸Ｏ４を中心にして回転可能に接続されている。第５アーム部２５Ｅは、第４アーム部２５Ｄに対して第５軸Ｏ５を中心にして回転可能に接続されている。第６アーム部２５Ｆは、第５アーム部２５Ｅに対して第６軸Ｏ６を中心にして回転可能に接続されている。エンドエフェクター２９は、第６アーム部２５Ｆの先端部分に装着されている。本実施形態では、エンドエフェクター２９は、ワークＷＫを把持可能なグリッパーによって構成されている。

第１モーター２６Ａは、ベース部２１に対して第１アーム部２５Ａを回転させる。第２モーター２６Ｂは、第１アーム部２５Ａに対して第２アーム部２５Ｂを回転させる。第３モーター２６Ｃは、第２アーム部２５Ｂに対して第３アーム部２５Ｃを回転させる。第４モーター２６Ｄは、第３アーム部２５Ｃに対して第４アーム部２５Ｄを回転させる。第５モーター２６Ｅは、第４アーム部２５Ｄに対して第５アーム部２５Ｅを回転させる。第６モーター２６Ｆは、第５アーム部２５Ｅに対して第６アーム部２５Ｆを回転させる。本実施形態では、各モーター２６Ａ～２６Ｆは、ＡＣサーボモーターによって構成されている。各モーター２６Ａ～２６Ｆには、回転位置を検出するエンコーダーが設けられている。各モーター２６Ａ～２６Ｆは、制御部９０によって個別に制御される。各モーター２６Ａ～２６Ｆは、エンコーダーによって検出された回転位置を用いたフィードバック制御によって制御される。各モーター２６Ａ～２６Ｆは、バッテリー４０を電力供給源として駆動される。後述するように、バッテリー４０の出力する直流電力が交流電力に変換されて、各モーター２６Ａ～２６Ｆに供給される。

マニピュレーター部２０は、上述した構成に限定されない。例えば、マニピュレーター部２０は、上述した６つのアーム部２５Ａ～２５Ｆとモーター２６Ａ～２６Ｆとを備える構成ではなく、１つから５つのアーム部とモーターとを備える構成であってもよいし、７つ以上のアーム部とモーターとを備える構成であってもよい。また、例えば、マニピュレーター部２０は、垂直多関節ロボットではなく水平多関節ロボットとして構成されてもよい。ロボットシステム１０は、２つ以上のマニピュレーター部２０を備えてもよい。

制御部９０は、車両部３０に設けられている。制御部９０は、１つまたは複数のプロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースとを備えるコンピューターによって構成されている。制御部９０は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令をプロセッサーが実行することによって、マニピュレーター部２０の各モーター２６Ａ～２６Ｆの制御と、車両部３０の走行用モーター３６の制御と、後述するモード切替処理とを含んだ種々の機能を発揮する。制御部９０は、コンピューターによって構成される代わりに、各機能の少なくとも一部を実現するための複数の回路を組み合わせた構成により実現されてもよい。尚、制御部９０は、マニピュレーター部２０に設けられてもよい。

図２は、ロボットシステム１０の電気的な構成を模式的に示すブロック図である。ロボットシステム１０は、上述したバッテリー４０と、電力変換部５０と、モーター２６と、走行用モーター３６とを備えている。本実施形態では、電力変換部５０は、ＤＣ／ＡＣコンバーター５１と、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３と、インバーター５５とによって構成されている。バッテリー４０と、ＤＣ／ＡＣコンバーター５１と、走行用モーター３６とは、車両部３０に設けられている。ＡＣ／ＤＣコンバーター５３と、インバーター５５と、モーター２６とは、マニピュレーター部２０に設けられている。図２には、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３とインバーター５５とモーター２６との組が１つ表されているが、本実施形態では、６つのモーター２６Ａ～２６Ｆを個別に制御するために、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３とインバーター５５とモーター２６との組が６つ設けられている。各組のＡＣ／ＤＣコンバーター５３とインバーター５５とモーター２６とは同様の構成を有している。尚、電力変換部５０のことを電力変換装置と呼ぶこともできる。

バッテリー４０は、直流電力を出力する。本実施形態では、バッテリー４０は、充電と放電とが可能な二次電池によって構成されている。バッテリー４０には、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池を用いることができる。尚、バッテリー４０は、放電のみが可能な一次電池によって構成されてもよい。

ＤＣ／ＡＣコンバーター５１は、バッテリー４０に電気的に接続されている。ＤＣ／ＡＣコンバーター５１は、バイポーラトランジスターやＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチを備えており、当該スイッチの開閉が制御されることによって、バッテリー４０から供給された直流電力を単相交流電力に変換する。ＤＣ／ＡＣコンバーター５１のスイッチの開閉は、制御部９０によって制御される。ＤＣ／ＡＣコンバーター５１には、インバーター等を介して走行用モーター３６が電気的に接続されている。

マニピュレーター部２０に設けられたＡＣ／ＤＣコンバーター５３は、車両部３０に設けられたＤＣ／ＡＣコンバーター５１に電気的に接続されている。本実施形態では、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３は、車体部３１の上面に設けられたコネクターを介してＤＣ／ＡＣコンバーター５１に接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバーター５３は、安定化電源として構成されている。ＡＣ／ＤＣコンバーター５３は、バイポーラトランジスターやＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチを備えており、当該スイッチの開閉が制御されることによって、ＤＣ／ＡＣコンバーター５１から供給された単相交流電力を直流電力に変換する。ＡＣ／ＤＣコンバーター５３のスイッチの開閉は、制御部９０によって制御される。

インバーター５５は、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３に電気的に接続されている。インバーター５５は、バイポーラトランジスターやＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチを備えており、当該スイッチの開閉が制御されることによって、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。インバーター５５のスイッチの開閉は、制御部９０によって制御される。インバーター５５には、モーター２６が電気的に接続されている。モーター２６は、インバーター５５から供給される三相交流電力によって駆動される。

図３は、パルス幅変調制御の様子を模式的に示す説明図である。本実施形態では、インバーター５５は、パルス幅変調によって、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３から入力された直流電力を三相交流電力に変換して、モーター２６に出力する。図３には、インバーター５５から出力される１相分の交流電力の電圧波形Ｖａｃが表されている。

図４は、モード切替処理の内容を示すフローチャートである。この処理は、ロボットシステム１０に実行させる動作に関する指令が制御部９０に読み込まれた場合に、制御部９０によって実行される。まず、ステップＳ１１０にて、制御部９０は、供給された指令を実行する際のモーター２６が必要とする必要電力を算出する。制御部９０に供給される指令には、モーター２６の回転位置の目標と回転速度の目標とトルクの目標とが表されており、制御部９０は、指令に表されたモーター２６の回転速度の目標とトルクの目標とを用いてモーター２６の必要電力を算出する。

次に、ステップＳ１２０にて、制御部９０は、算出された必要電力が閾値以上であるか否かを判定する。本実施形態では、当該閾値は、予めユーザーによって制御部９０に記憶されており、制御部９０は、記憶された閾値を用いて、算出された必要電力が閾値以上であるか否かを判断する。

ステップＳ１２０にて必要電力が閾値以上であると判断された場合、制御部９０は、ステップＳ１３０にて、供給された指令を実行する際の電力変換部５０の動作モードを第１モードに決定する。一方、ステップＳ１２０にて必要電力が閾値以上であると判断されなかった場合、制御部９０は、ステップＳ１３５にて、供給された指令を実行する際の電力変換部５０の動作モードを第２モードに決定する。つまり、本実施形態では、制御部９０は、指令を実行するためのモーター２６の必要電力に応じて電力変換部５０の動作モードを決定する。

ステップＳ１３０またはステップＳ１３５の後、ステップＳ１４０にて、制御部９０は、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３からインバーター５５に供給される直流電力の電圧値を、決定された動作モード用の電圧値に変更する。本実施形態では、制御部９０は、後述するテーブルＴＢを参照することによって、第１モード用の電圧値である第１電圧値と第２モード用の電圧値である第２電圧値とを取得する。制御部９０は、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３のスイッチの開閉タイミングを変更することによって、インバーター５５に供給される直流電力の電圧値を、テーブルＴＢに表された電圧値に変更する。制御部９０は、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３のスイッチに供給される制御信号を変更することによって、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３のスイッチの開閉タイミングを変更する。例えば、動作モードが第１モードに決定された場合には、制御部９０は、インバーター５５に供給される直流電力の電圧を５４Ｖに変更する。例えば、動作モードが第２モードに決定された場合には、制御部９０は、インバーター５５に供給される直流電力の電圧を２７Ｖに変更する。インバーター５５に供給される直流電力の電圧値が変更されることによって、モーター２６に供給される交流電力の電圧の最大値が変更される。モーター２６に供給される交流電力の電圧のことをモーター駆動電圧とも呼ぶ。本実施形態では、第１電圧値と第２電圧値とが異なる場合を示したが、第１電圧値と第２電圧値とが同じであってもよい。第１電圧値と第２電圧値とが同じである場合には、後述する第１スイッチング周波数と第２スイッチング周波数とが異なることが好ましい。

ステップＳ１５０にて、制御部９０は、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数を、決定された動作モード用の周波数に変更する。本実施形態では、制御部９０は、テーブルＴＢを参照することによって、第１モード用のスイッチング周波数である第１スイッチング周波数と第２モード用のスイッチング周波数である第２スイッチング周波数とを取得する。制御部９０は、インバーター５５のスイッチに供給される制御信号を変更することによって、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数を、テーブルＴＢに表された周波数に変更する。例えば、動作モードが第１モードに決定された場合には、制御部９０は、モーター２６に供給される交流電力の周波数を１０ｋＨｚに変更する。例えば、動作モードが第２モードに決定された場合には、制御部９０は、モーター２６に供給される交流電力の周波数を５ｋＨｚに変更する。インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数が変更されることによって、モーター２６に供給される交流電力の周波数が変更される。モーター２６に供給される交流電力の周波数のことモーター駆動周波数とも呼ぶ。本実施形態では、第１スイッチング周波数と第２スイッチング周波数とが異なる場合を示したが、第１スイッチング周波数と第２スイッチング周波数とが同じであってもよい。第１スイッチング周波数と第２スイッチング周波数とが同じである場合には、上述した第１電圧値と第２電圧値とが異なることが好ましい。尚、ステップＳ１１０とステップＳ１２０との順序は逆であってもよい。

ステップＳ１６０にて、制御部９０は、モーター２６のフィードバック制御に用いられる制御ゲインを、決定された動作モード用の制御ゲインに変更する。本実施形態では、制御部９０は、後述するテーブルＴＢを参照することによって、第１モード用の制御ゲインである第１制御ゲインに関する情報と第２モード用の制御ゲインである第２制御ゲインに関する情報とを取得する。例えば、動作モードが第１モードに決定された場合には、制御部９０は、制御ゲインをゲインＡに変更する。例えば、動作モードが第２モードに決定された場合には、制御部９０は、制御ゲインをゲインＢに変更する。本実施形態では、第１制御ゲインと第２制御ゲインとが異なる。その後、制御部９０は、この処理を終了する。上述したステップＳ１４０からステップＳ１６０までの処理が実行されることによって、電力変換部５０の動作モードが切り替えられる。この際に、制御部９０は、モーター２６の必要電力が確保されるように、インバーター５５のパルス幅変調制御におけるデューティー比を調整してもよい。制御部９０は、動作モードの切り替えが完了した後、指令に従ってロボットシステム１０を動作させる。尚、第１モードでインバーター５５からモーター２６に交流電力を供給させることを第１制御と呼ぶことがあり、第２モードでインバーター５５からモーター２６に交流電力を供給させることを第２制御と呼ぶことがある。

図５は、テーブルＴＢの一例を示す説明図である。テーブルＴＢには、電力変換部５０の動作モードごとのモーター駆動電圧とモーター駆動周波数と制御ゲインとが表されている。モーター駆動電圧は、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３からインバーター５５に供給される直流電力の電圧値である。モーター駆動周波数は、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数である。制御ゲインは、モーター２６のフィードバック制御に用いられる制御ゲインである。本実施形態では、テーブルＴＢは、予めユーザーによって作成されて、制御部９０に記憶されている。

図６は、インバーター５５におけるスイッチングロスを模式的に示す第１の説明図である。図７は、インバーター５５におけるスイッチングロスを模式的に示す第２の説明図である。図７には、図６に表された回路において、ＭＯＳＦＥＴをオフ状態からオン状態に移行させるターンオンが実行された際のドレイン電流Ｉ_Ｄの推移とソース・ドレイン間電圧Ｖ_ＤＳの推移、および、ＭＯＳＦＥＴをオン状態からオフ状態に移行させるターンオフが実行された際のドレイン電流Ｉ_Ｄの推移とソース・ドレイン間電圧Ｖ_ＤＳの推移が表されている。理想的なスイッチでは、ターンオンの所要時間Ｔ_Ｒはゼロであり、かつ、ターンオフの所要時間Ｔ_Ｆもゼロである。しかし、現実のスイッチでは、図７に表されたように、ターンオンの所要時間Ｔ_Ｒはゼロではなく、ターンオフの所要時間Ｔ_Ｆもゼロではない。ターンオンの際には、ドレイン電流Ｉ_Ｄは徐々に増加し、ソース・ドレイン間電圧Ｖ_ＤＳは徐々に減少する。ターンオフの際には、ドレイン電流Ｉ_Ｄは徐々に減少し、ソース・ドレイン間電圧Ｖ_ＤＳは徐々に増加する。このように、ソース・ドレイン間電圧Ｖ_ＤＳがゼロではなく、かつ、ドレイン電流Ｉ_Ｄがゼロではない期間が生じることによって、スイッチングロスが生じる。スイッチングロスＰ_ＳＷは、ドレイン電流の最大値Ｉ_{Ｄ＿ＭＡＸ}と、ソース・ドレイン間電圧の最大値Ｖ_{ＤＳ＿ＭＡＸ}と、ＭＯＳＦＥＴのターンオンの所要時間Ｔ_Ｒと、ＭＯＳＦＥＴのターンオフの所要時間Ｔ_Ｆと、スイッチング周波数ｆ_ＳＷとを用いて下式（１）によって表される。
Ｐ_ＳＷ＝１／６×Ｉ_{Ｄ＿ＭＡＸ}×Ｖ_{ＤＳ＿ＭＡＸ}×（Ｔ_Ｒ＋Ｔ_Ｆ）×ｆ_ＳＷ・・・（１）

以上で説明した本実施形態のロボットシステム１０によれば、制御部９０は電力変換部５０の動作モードを第１モードから第２モードに切り替えることによって、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３からインバーター５５に供給される直流電力の電圧値を低下させ、かつ、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数ｆ_ＳＷを低下させる。インバーター５５に供給される直流電力の電圧値が低下することによって、インバーター５５のスイッチのソース・ドレイン間電圧の最大値Ｖ_{ＤＳ＿ＭＡＸ}が低下する。これに伴って、スイッチのターンオンの所要時間Ｔ_Ｒとターンオフの所要時間Ｔ_Ｆとが短縮されるが、ドレイン電流の最大値Ｉ_{Ｄ＿ＭＡＸ}は変更されない。そのため、インバーター５５のスイッチの開閉に伴うスイッチングロスが低減されるので、ロボットシステム１０における電力損失を低減できる。特に、本実施形態では、バッテリー４０を電力供給源として駆動されるロボットシステム１０の稼働時間を長期化できる。また、車両部３０によって走行するロボットシステム１０における電力損失を低減できる。マニピュレーター部２０の各モーター２６Ａ～２６Ｆと車両部３０の走行用モーター３６とが共通のバッテリー４０を電力供給源として駆動されるロボットシステム１０における電力損失を低減できる。

また、本実施形態では、制御部９０は、電力変換部５０の動作モードを切り替える際に、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３からインバーター５５に供給される直流電力の電圧値、換言すれば、モーター駆動電圧を変更し、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数ｆ_ＳＷ、換言すれば、モーター駆動周波数を変更し、さらに、各モーター２６Ａ～２６Ｆのフィードバック制御に用いられる制御ゲインを変更する。そのため、動作モードの切り替えに起因してマニピュレーター部２０の動作が不安定になることを抑制できる。

また、本実施形態では、制御部９０は、テーブルＴＢを用いて、動作モードごとのモーター駆動電圧とモーター駆動周波数と制御ゲインとを変更する。そのため、モーター駆動電圧とモーター駆動周波数と制御ゲインとを簡単に変更できる。

また、本実施形態では、制御部９０が動作モードを切り替えるか否かを判断する。そのため、動作モードを切り替える指令をユーザーが供給しなくても、自動的に動作モードの切り替えを実行させることができる。

また、本実施形態では、制御部９０は、モーター２６の必要電力に応じて動作モードを第１モードから第２モードに切り替える。そのため、モーター２６の必要電力を確保しつつ、ロボットシステム１０における電力損失を効果的に低減できる。

Ｂ．第２実施形態：
図８は、第２実施形態におけるロボットシステム１０ｂの電気的な構成を模式的に示すブロック図である。第２実施形態のロボットシステム１０ｂでは、電力変換部５０ｂの構成が第１実施形態と異なる。その他の構成については、特に説明しない限り、図２に示した第１実施形態と同じである。尚、電力変換部５０ｂのことを電力変換装置と呼ぶこともできる。

電力変換部５０ｂには、ＤＣ／ＡＣコンバーター５１とインバーター５５との間に、ＡＣ／ＤＣコンバーター５３に代えて、第１ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ａと、第２ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ｂと、リレー５７とが設けられている。第１ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ａの構成、および、第２ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ｂの構成は、それぞれ、第１実施形態のＡＣ／ＤＣコンバーター５３の構成と同じである。本実施形態では、第１ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ａ、および、第２ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ｂは、それぞれ、２７Ｖの直流電力を出力する。

リレー５７は、制御部９０の制御下で、第１ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ａと第２ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ｂとが直列接続された状態と、並列接続された状態とを切り替える。本実施形態では、リレー５７は、メカニカルリレーによって構成されている。リレー５７は、バイポーラトランジスターやＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等によって構成されてもよい。リレー５７が、図８の上側に表された接点に接続されることによって、第１ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ａと第２ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ｂとが直列接続される。リレー５７が、図８の下側に表された接点に接続されることによって、第１ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ａと第２ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ｂとが並列接続される。

制御部９０は、図４に示したモード切替処理において、ステップＳ１４０でインバーター５５に供給される直流電圧の電圧値を変更する場合に、第１ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ａと第２ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ｂとが直列接続される状態と、第１ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ａと第２ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ｂとが並列接続される状態との間でリレー５７を切り替える。電力変換部５０ｂの動作モードが第１モードに切り替えられる場合には、制御部９０は、第１ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ａと第２ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ｂとが直列接続される状態にリレー５７を切り替える。この場合、インバーター５５には５４Ｖの直流電力が供給される。電力変換部５０ｂの動作モードが第２モードに切り替えられる場合には、制御部９０は、第１ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ａと第２ＡＣ／ＤＣコンバーター５３Ｂとが並列接続される状態にリレー５７を切り替える。この場合には、インバーター５５には２７Ｖの直流電力が供給される。

以上で説明した本実施形態のロボットシステム１０ｂによれば、制御部９０はモード切替処理において、リレー５７の状態を切り替えることによって、インバーター５５に供給される直流電力の電圧値を変更することができる。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）上述した各実施形態のロボットシステム１０，１０ｂでは、制御部９０は、モード切替処理において、インバーター５５に供給される直流電圧の電圧値と、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数とを変更する。これに対して、制御部９０は、インバーター５５に供給される直流電圧の電圧値と、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数とのうちのいずれか一方のみを変更してもよい。つまり、制御部９０は、インバーター５５に供給される直流電圧の電圧値を変更せずにインバーター５５のスイッチのスイッチング周波数を変更してもよいし、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数を変更せずにインバーター５５に供給される直流電圧の電圧値を変更してもよい。

（Ｃ２）上述した各実施形態のロボットシステム１０，１０ｂでは、制御部９０は、モード切替処理において、モーター２６のフィードバック制御に用いられる制御ゲインを変更している。これに対して、制御部９０は、モード切替処理において、制御ゲインを変更しなくてもよい。つまり、第１モードと第２モードとで同じ制御ゲインが用いられてもよい。

（Ｃ３）上述した各実施形態のロボットシステム１０，１０ｂでは、制御部９０は、モード切替処理において、テーブルＴＢを用いて、インバーター５５に供給される直流電圧の電圧値と、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数とを変更している。これに対して、制御部９０は、テーブルＴＢを用いずに、インバーター５５に供給される直流電圧の電圧値と、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数とを変更してもよい。制御部９０は、例えば、モーター２６の必要電力とインバーター５５に供給される直流電圧の電圧値とインバーター５５のスイッチのスイッチング周波数との関係が表された関数を用いて、インバーター５５に供給される直流電圧の電圧値と、インバーター５５のスイッチのスイッチング周波数とを変更してもよい。

（Ｃ４）上述した各実施形態のロボットシステム１０，１０ｂでは、動作モードを切り替えるか否かを制御部９０が判断している。これに対して、制御部９０は、動作モードを切り替えるか否かを判断しなくてもよい。この場合、例えば、ロボットシステム１０に動作モードの切り替えを実行させる指令が供給されて、制御部９０は、当該指令に従って動作モードを切り替えてもよい。

（Ｃ５）上述した各実施形態のロボットシステム１０，１０ｂでは、制御部９０は、モード切替処理において、モーター２６の必要電力を算出して、モーター２６の必要電力に応じて動作モードを切り替えている。これに対して、制御部９０は、モード切替処理において、モーター２６の必要電力を算出せずに、予め定められた低出力動作を実行させる場合に、動作モードを切り替えてもよい。低出力動作とは、モーター２６の回転速度が所定速度以下の動作のことを意味する。低出力動作には、例えば、マニピュレーター部２０を静止させた状態で車両部３０によって走行する動作や、マニピュレーター部２０を所定速度以下で駆動させる動作が含まれる。ユーザーは、低出力動作を予め制御部９０に記憶させておくことができる。

（Ｃ６）上述した各実施形態のロボットシステム１０，１０ｂは、車両部３０を備えている。これに対して、ロボットシステム１０，１０ｂは、車両部３０を備えていなくてもよい。つまり、ロボットシステム１０，１０ｂは、移動可能に構成されていなくてもよい。この場合、バッテリー４０とＤＣ／ＡＣコンバーター５１と制御部９０とは、車両部３０に代えてマニピュレーター部２０に設けられてもよい。尚、この場合、ロボットシステム１０，１０ｂのことをロボットと呼ぶことがある。

（Ｃ７）上述した各実施形態のロボットシステム１０，１０ｂでは、マニピュレーター部２０と車両部３０とは、バッテリー４０を電力供給源として駆動される。これに対して、マニピュレーター部２０はバッテリー４０を電力供給源として駆動されて、車両部３０はバッテリー４０とは異なる電力供給源によって駆動されてもよい。例えば、バッテリー４０とは異なるバッテリーが車両部３０に搭載され、バッテリー４０とは異なるバッテリーを電力供給源として車両部３０が駆動されてもよい。

Ｄ．他の形態：
本開示は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、ロボットが提供される。このロボットは、スイッチを有し、前記スイッチの開閉によってバッテリーから供給された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、前記電力変換部から供給される前記交流電力によって駆動されるマニピュレーター部と、前記電力変換部から前記マニピュレーター部への前記交流電力の供給を制御する制御部と、を備える。前記電力変換部は、予め定められた電圧および周波数で前記交流電力を前記マニピュレーター部に供給する第１モードと、前記第１モードに比べて前記電圧と前記周波数とのうちの少なくともいずれか一方が小さい前記交流電力を前記マニピュレーター部に供給する第２モードとを含んだ動作モードを有し、前記制御部は、前記第１モードと前記第２モードとを切り替える。
この形態のロボットによれば、電力変換部の動作モードを第１モードから第２モードに切り替えることによって、電力変換部におけるスイッチングロスを低減できる。そのため、ロボットにおける電力の損失を低減できる。

（２）上記形態のロボットにおいて、前記制御部は、フィードバック制御を用いて前記電力変換部から前記マニピュレーター部への前記交流電力の供給を制御し、前記第１モードと前記第２モードとにおいて、前記フィードバック制御に用いられる制御ゲインを異ならせてもよい。
この形態のロボットによれば、動作モードの切り替えに起因してマニピュレーター部の動作が不安定になることを抑制できる。

（３）上記形態のロボットにおいて、前記制御部は、前記動作モードを切り替える場合に、前記第１モードと前記第２モードとにおける、前記電圧と前記周波数とのうちの少なくともいずれか一方が表されたテーブルを用いてもよい。
この形態のロボットによれば、動作モードの切り替えの際に、制御部は電圧と周波数とを簡単に決定できる。

（４）上記形態のロボットにおいて、前記制御部は、前記第１モードと前記第２モードとを切り替えるか否かを判断してもよい。
この形態のロボットによれば、動作モードを切り替えるか否かを制御部が判断できるので、動作モードを切り替える指令をユーザーが供給しなくても自動的に動作モードの切り替えを実行させることができる。

（５）上記形態のロボットにおいて、前記制御部は、予め定められた低出力動作を前記マニピュレーター部に実行させる場合に、前記第１モードから前記第２モードに切り替えると判断してもよい。
この形態のロボットによれば、マニピュレーター部の必要電力を確保しつつ、ロボットにおける電力の損失を低減できる。

（６）本開示の第２の形態によれば、ロボットシステムが提供される。このロボットシステムは、ロボットと、走行可能な車両部と、を備え、前記ロボットは、スイッチを有し、前記スイッチの開閉によってバッテリーから供給された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、前記電力変換部から供給される前記交流電力によって駆動されるマニピュレーター部と、前記電力変換部から前記マニピュレーター部への前記交流電力の供給を制御する制御部と、を備える。前記電力変換部は、予め定められた電圧および周波数で前記交流電力を前記マニピュレーター部に供給する第１モードと、前記第１モードに比べて前記電圧と前記周波数とのうちの少なくともいずれか一方が小さい前記交流電力を前記マニピュレーター部に供給する第２モードとを含んだ動作モードを有し、前記制御部は、前記第１モードと前記第２モードとを切り替え、前記バッテリー、前記電力変換部、前記マニピュレーター部、および前記制御部は、前記車両部に搭載されている。
この形態のロボットシステムによれば、走行可能な車両部に搭載されたロボットにおいて、電力の損失を低減できる。

（７）上記形態のロボットシステムにおいて、前記車両部は、前記バッテリーを電力供給源として走行してもよい。
この形態のロボットシステムによれば、マニピュレーター部と車両部とが共通のバッテリーを電力供給源として駆動されるロボットにおいて、電力の損失を低減できる。

（８）本開示の第３の形態によれば、スイッチを有し、前記スイッチの開閉によってバッテリーから供給された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、前記電力変換部から供給される前記交流電力によって駆動されるマニピュレーター部と、を備えるロボットの制御方法が提供される。このロボットの制御方法は、予め定められた電圧および周波数で前記交流電力を前記電力変換部から前記マニピュレーター部に供給させる第１制御と、前記第１制御に比べて前記電圧と前記周波数とのうちの少なくともいずれか一方が小さい前記交流電力を前記電力変換部から前記マニピュレーター部に供給させる第２制御と、を有し、前記第１制御と前記第２制御とを切り替える。
この形態のロボットの制御方法によれば、電力変換部の動作モードを第１モードから第２モードに切り替えることによって、電力変換部におけるスイッチングロスを低減できる。そのため、ロボットにおける電力の損失を低減することができる。

本開示は、ロボット以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、ロボットシステム、ロボットの制御方法等の形態で実現することができる。

１０…ロボットシステム、２０…マニピュレーター部、２１…ベース部、２５…アーム部、２６…モーター、２９…エンドエフェクター、３０…車両部、３１…車体部、３５…車輪部、３６…走行用モーター、３９…積載部、４０…バッテリー、５０…電力変換部、５１…ＤＣ／ＡＣコンバーター、５３…ＡＣ／ＤＣコンバーター、５５…インバーター、５７…リレー、９０…制御部

Claims

ロボットであって、
スイッチを有し、前記スイッチの開閉によってバッテリーから供給された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、
前記電力変換部から供給される前記交流電力によって駆動されるマニピュレーター部と、
前記電力変換部から前記マニピュレーター部への前記交流電力の供給を制御する制御部と、
を備え、
前記電力変換部は、
前記バッテリーから供給される前記直流電力を降圧して出力可能なコンバーター部と、前記コンバーター部から出力される前記直流電力を前記交流電力に変換して前記マニピュレーター部に供給するインバーター部と、を備え、
予め定められた電圧および周波数で前記交流電力を前記マニピュレーター部に供給する第１モードと、前記第１モードに比べて電圧および周波数が低い前記交流電力を前記マニピュレーター部に供給する第２モードとを含んだ動作モードを有し、
前記制御部は、
前記第１モードと前記第２モードとを切り替え、
前記第１モードから前記第２モードに切り替える場合には、前記コンバーター部から前記インバーター部に供給される前記直流電力の電圧を低下させ、かつ、前記インバーター部のスイッチング周波数を低下させることにより、前記インバーター部から前記マニピュレーター部に供給される前記交流電力の電圧および周波数を前記第１モードに比べて低くする、
ロボット。
請求項１に記載のロボットであって、
前記制御部は、
フィードバック制御を用いて前記電力変換部から前記マニピュレーター部への前記交流電力の供給を制御し、
前記第１モードと前記第２モードとにおいて、前記フィードバック制御に用いられる制御ゲインを異ならせる、ロボット。
請求項１または請求項２に記載のロボットであって、
前記制御部は、前記動作モードを切り替える場合に、前記第１モードと前記第２モードとにおける、前記交流電力の電圧および前記周波数が表されたテーブルを用いる、ロボット。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のロボットであって、
前記制御部は、前記第１モードと前記第２モードとを切り替えるか否かを判断する、ロボット。
請求項４に記載のロボットであって、
前記制御部は、予め定められた低出力動作を前記マニピュレーター部に実行させる場合に、前記第１モードから前記第２モードに切り替えると判断する、ロボット。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のロボットと、
走行可能な車両部と、
を備え、
前記バッテリー、前記電力変換部、前記マニピュレーター部、および前記制御部は、前記車両部に搭載されている、ロボットシステム。
請求項６に記載のロボットシステムであって、
前記車両部は、前記バッテリーを電力供給源として走行する、ロボットシステム。
ロボットの制御方法であって、
前記ロボットは、
スイッチを有し、前記スイッチの開閉によってバッテリーから供給された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、
前記電力変換部から供給される前記交流電力によって駆動されるマニピュレーター部と、
を備え、
前記電力変換部は、前記バッテリーから供給される前記直流電力を降圧して出力可能なコンバーター部と、前記コンバーター部から出力される前記直流電力を前記交流電力に変換して前記マニピュレーター部に供給するインバーター部と、を備え、
予め定められた電圧および周波数で前記交流電力を前記電力変換部から前記マニピュレーター部に供給させる第１制御と、
前記第１制御に比べて電圧および周波数が低い前記交流電力を前記電力変換部から前記マニピュレーター部に供給させる第２制御と、
を有し、
前記第１制御から前記第２制御に切り替える場合には、前記コンバーター部から前記インバーター部に供給される前記直流電力の電圧を低下させ、かつ、前記インバーター部のスイッチング周波数を低下させることにより、前記インバーター部から前記マニピュレーター部に供給される前記交流電力の電圧および周波数を前記第１制御に比べて低くする、
ロボットの制御方法。