JP7473317B2 - ガススプリングのメンテナンス管理装置、ロボットシステムおよびガススプリングのメンテナンス管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガススプリングのメンテナンス管理装置、ロボットシステムおよびガススプリングのメンテナンス管理方法に関するものである。

従来、ガスバランサとしてガススプリングを備えたロボットが知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。水平な軸線回りに回転するロボットアームの駆動用のサーボモータには、ロボットアームに作用する重力による負荷が作用する。ガスバランサは、重力によるサーボモータの負荷を軽減するために設けられる。ガススプリングは、ガスを封入するシリンダと、シリンダ内のガスを圧縮するピストンロッドとを有し、ガスの圧縮によって反発力を発生させる。シリンダに対するピストンロッドの動作に伴い、シリンダの内部のガス圧は徐々に低下する。

ガス圧の低下を検知するための様々な方法が提案されている（例えば、特許文献１～４参照。）。例えば、特許文献２では、サーボモータの電流値と基準電流値との差分に基づいて、シリンダ内のガス圧の減少量を推定している。

特開２０１７－１５９４０２号公報 特開２０１４－１９５８４９号公報 特開２００７－０９８４９４号公報 特開平０８－３１３３２２号公報

前述のように、一般的に、正常なガススプリングにおいても、ガス圧は徐々に低下する。したがって、ガススプリングは、通常のメンテナンスとして、シリンダ内へのガスの定期的な充填を必要とする。一方、ガススプリングの異常によってガス圧が低下することがある。この場合、シリンダ内へガスの充填ではなく、ガススプリングの交換が必要である。このように、ガススプリングの状態に応じて適切なメンテナンスは異なるが、ガス圧の減少量に基づいて適切なメンテナンスを判断することは難しい。

本開示の一態様は、多関節ロボットのアームに設けられたガススプリングのメンテナンスを管理するメンテナンス管理装置であって、前記ガススプリングの内部のガス圧を定期的に測定するガス圧測定部と、単位時間当たりまたは単位稼働距離当たりの前記ガス圧の低下量に基づいて、前記ガススプリングの異常の有無を判断するメンテナンス判断部と、該メンテナンス判断部による判断結果に基づく通知を作業者に行う通知部と、を備えるメンテナンス管理装置である。

一実施形態に係るロボットシステムの全体構成図である。 ガススプリングによるトルクＴｇとサーボモータによるトルクＴｓとの関係を説明するグラフである。 一実施形態に係るメンテナンス管理装置の構成図である。 （ａ）ガススプリングの稼働距離に対するガス圧の変化を示すグラフと、（ｂ）（ａ）の領域Ｅを拡大したグラフである。 ガススプリングの一構成例を示す断面図である。 ガススプリングのメンテナンス管理方法を示すフローチャートである。

本開示の一実施形態に係るガススプリングのメンテナンス管理装置１およびロボットシステム１０について図面を参照して説明する。
図１に示されるように、ロボットシステム１０は、多関節ロボット２と、多関節ロボット２に設けられたガススプリング３のメンテナンスを管理するメンテナンス管理装置１とを備える。
多関節ロボット２は、少なくとも１つのアームを有するロボット機構部４と、少なくとも１つのアームに連結されたガススプリング３と、ロボット機構部４を制御する制御装置５とを備える。メンテナンス管理装置１は、制御装置５に設けられている。

ロボット機構部４の一例は、ベース４ａと、ベース４ａに旋回可能に設けられた旋回部４ｂと、旋回部４ｂに回転可能に設けられた下部アーム４ｃと、下部アーム４ｃに回転可能に設けられた上部アーム４ｄと、上部アーム４ｄの先端に設けられた手首部４ｅとを有する垂直多関節ロボットである。本実施形態において、ロボット機構部４は溶接ロボットであり、手首部４ｅに溶接ツール４ｆが取り付けられている。

ロボット機構部４には、旋回部４ｂおよびアーム４ｃ，４ｄを駆動するためのサーボモータが設けられている。制御装置５は、給電ケーブル７によってロボット機構部４と接続され、各サーボモータの動作を制御する。
水平な軸線回りに回転する下部アーム４ｃ用のサーボモータ６には、下部アーム４ｃに作用する重力による負荷が加わる。ガススプリング３は、重力によるサーボモータ６の負荷を軽減するガスバランサとして使用される。

ガススプリング３は、図１および図５に示されるように、シリンダ３ａと、ピストンロッド３ｂとを有する。シリンダ３ａの内部には、不活性かつ圧縮性のガスが封入されている。ピストンロッド３ｂは、シリンダ３ａ内を摺動可能であり、シリンダ３ａの内部のガスを圧縮する。シリンダ３ａは、下部アーム４ｃに回転可能に取付けられ、ピストンロッド３ｂは、旋回部４ｂに回転可能に取付けられている。下部アーム４ｃの回転に伴ってシリンダ３ａ内へのピストンロッド３ｂの挿入量が変化し、シリンダ３ａ内へのピストンロッド３ｂの挿入量が増加するにつれて、シリンダ３ａの内部のガス圧が増加する。

図２は、下部アーム４ｃの変位および速度を所定の条件で制御する場合において必要なトルクを説明している。グラフ（Ａ）は、適正な量のガスがガススプリング３に充填された状態、グラフ（Ｂ）は、ガススプリング３のガスが漏出してガス圧が低下した状態を示している。ガススプリング３はガスバランサとして使用されるので、下部アーム４ｃの駆動に必要なトルクＴｒは、サーボモータ６によるトルクＴｓおよびガススプリング３によるトルクＴｇの合計となる。ガススプリング３のガス圧が高い程、トルクＴｇは大きくなる。（Ｂ）では、ガスの漏出によってガススプリング３のトルクＴｇがΔＴｓだけ低下するので、所定のトルクＴｒを得るためには、サーボモータ６のトルクＴｓをΔＴｓだけ大きくする必要がある。

図３に示されるように、メンテナンス管理装置１は、ガススプリング３の内部のガス圧を定期的に測定するガス圧測定部１１と、単位時間当たりまたは単位稼働距離当たりのガス圧の低下量に基づいて、ガススプリング３の異常の有無を判断するメンテナンス判断部１２と、メンテナンス判断部１２による判断結果に基づく通知を作業者に行う通知部１３と、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびその他の任意の記憶装置を有する記憶部１４とを備える。メンテナンス管理装置１はプロセッサを有し、ガス圧測定部１１、メンテナンス判断部１２および通知部１３の後述の処理は、プロセッサによって実行される。

前述したように、サーボモータ６のトルクＴｓとガススプリング３の内部のガス圧との間には、相関関係がある。ガス圧測定部１１は、サーボモータ６を制御する制御装置５内の制御部からサーボモータ６の電流値を取得する。次に、ガス圧測定部１１は、サーボモータ６の電流値とガス圧との間の所定の関係に基づいてサーボモータ６の電流値をガス圧に換算することによって、電流値からガス圧を間接的に測定する。測定されたガス圧の値は、記憶部１４に時系列に記憶される。

図４（ａ）は、ガス圧の経時的な変化の一例を示している。図４（ａ）のグラフにおいて、左半分（ガス充填前）は、ガススプリング３が正常であるときの通常のガス圧の低下を示し、右半分（ガス充填後）は、ガススプリング３にシール性能の異常が生じているときのガス圧の低下を示している。通常の状態においても、ガススプリング３内のガスは使用に伴って漏れるので、ガス圧は、ガススプリング３の稼働距離が増加するにつれて、初期値Ｐｉから徐々に低下する。

ガス圧は、ロボット機構部４の位置および姿勢に応じて変化する。したがって、ガス圧測定部１１は、ロボット機構部４が所定の位置および所定の姿勢に配置されている状態でガス圧を測定することが好ましい。例えば、ガス圧測定部１１がガス圧の測定を実行するとき、制御装置５が、ロボット機構部４を制御してロボット機構部４を所定の位置および所定の姿勢に配置させてもよい。
ガス圧の測定の頻度は、多関節ロボット２の稼働状況に応じて適宜設定される。例えば、ガス圧測定部１１は、１週間または１か月に一度、ガス圧を測定する。あるいは、ガス圧測定部１１は、稼働距離が所定の距離増える毎に、ガス圧を測定する。

メンテナンス判断部１２は、ガス圧測定部１１によってガス圧が測定される度に、単位時間当たりまたは単位稼働距離当たりのガス圧の低下量である低下率ΔＰ／ΔＤを計算する。単位時間の一例は、ロボット機構部４の所定の稼働時間の長さであり、単位稼働距離の一例は、ガススプリング３の所定の稼働距離である。ガススプリング３の稼働距離は、下部アーム４ｃの総移動量から算出される。例えば、ΔＰは、今回測定されたガス圧と前回測定されたガス圧との差分であり、ΔＤは、今回測定時の稼働距離と前回測定時の稼働距離との差分である。

次に、メンテナンス判断部１２は、低下率ΔＰ／ΔＤを所定の閾値Ｃと比較することによって、ガススプリング３の異常の有無を判断する。さらに、メンテナンス判断部１２は、異常の有無の判断結果に基づいて、ガススプリング３に行うべきメンテナンスを判断する。
閾値Ｃは、通常のガス漏れに因るガス圧の低下率に基づいて設定された値である。図４（ａ）の左半分に示されるように、通常のガス漏れのみによってガス圧が低下している場合、ガス圧は、稼働距離に対して略一定の低下率ΔＰ／ΔＤで低下し、低下率ΔＰ／ΔＤは閾値Ｃ以下である。一方、図４（ａ）の右半分に示されるように、ガススプリング３のシール性能に異常が生じているとき、稼働距離が増すにつれてガス圧の低下が加速し、低下率ΔＰ／ΔＤは次第に増大し、低下率ΔＰ／ΔＤが閾値Ｃよりも大きくなる。図４（ｂ）は、図４（ａ）の領域Ｅの拡大図である。

低下率ΔＰ／ΔＤが閾値Ｃ以下である場合、メンテナンス判断部１２は、ガススプリング３に異常は無いと判断し、さらに、行うべきメンテナンスはガスの充填であると判断する。次に、メンテナンス判断部１２は、ガス圧が低下率ΔＰ／ΔＤで低下し続けたと仮定した場合にガス圧が所定の閾値Ｐｔｈまで低下するまでの残り時間を算出する。閾値Ｐｔｈは、ガススプリング３がガスバランサとして必要なトルクＴｇを出力することがきるガス圧の下限値である。残り時間は、ガス圧が閾値Ｐｔｈまで低下するまでのガススプリング３の稼働距離またはロボット機構部４の稼働時間であってもよい。
一方、低下率ΔＰ／ΔＤが閾値Ｃよりも大きい場合、メンテナンス判断部１２は、ガススプリング３に異常が有ると判断し、さらに、行うべきメンテナンスはガススプリング３の交換であると判断する。

図５は、ガススプリング３の一構成例を示している。シリンダ３ａの内部のシール性能は、ロッドシール３ｃによって主に達成される。ピストンロッド３ｂの表面の傷、または、ピストンロッド３ｂとロッドシール３ｃとの間に噛み込んだ異物等が原因で、ピストンロッド３ｂとロッドシール３ｃとの間のシール性能が低下し、それにより、ガススプリング３のシール性能に異常が発生する。

例えば、外部に露出しているピストンロッド３ｂの表面に、ロボット機構部４の作業によって発生した異物、例えば溶接によって発生したスパッタが付着することがある。異物のガススプリング３の内部への侵入は、通常、ダストシール３ｄによって防止される。しかし、異物が、ダストシール３ｄを通過してピストンロッド３ｂとロッドガイド３ｅとの間に侵入し、ピストンロッド３ｂの表面に傷を付けることがある。また、ガススプリング３の部品同士の摺動によって発生した摩耗粉等の異物が、ピストンロッド３ｂとロッドシール３ｃと間に噛み込むことがある。
これらの他に、経年劣化、熱による劣化、または異物による化学的アタック等が原因でロッドシール３ｃのシール性能が低下することもある。

図５において、符号３ｆは、シリンダ３ａ内でのピストンロッド３ｂの摺動を案内するピストンガイド、符号３ｇは、シリンダ３ａ内にガスを充填するためのチェックバルブ、符号３ｈは、潤滑オイルをそれぞれ示している。

ガススプリング３に異常は無いと判断された場合、通知部１３は、残り時間に関する通知を作業者に行う。例えば、通知部１３は、制御装置５の操作パネル５ａに、残り時間内にガススプリング３にガスを充填するようにとの指示を表示させる。一方、ガススプリング３に異常が有ると判断された場合、通知部１３は、ガススプリング３の交換に関する通知を作業者に行う。例えば、通知部１３は、操作パネル５ａに、ガススプリング３を速やかに交換するようにとの指示を表示させる。通知部１３は、操作パネル５ａに代えて、制御装置５の可搬式の教示操作盤（図示略）のディスプレイに上記指示を表示させてもよい。

次に、メンテナンス管理装置１によるガススプリング３のメンテナンス管理方法について、図６を参照して説明する。
ガス圧測定部１１によって、ガススプリング３の内部のガス圧が定期的に測定される（ステップＳ１）。ガス圧の測定に続き、メンテナンス判断部１２によって、単位時間当たりまたは単位稼働距離当たりのガス圧の低下量である低下率ΔＰ／ΔＤが算出され（ステップＳ２）、低下率ΔＰ／ΔＤに基づいて、ガススプリング３の異常の有無およびガススプリング３に行うべきメンテナンスが判断される（ステップＳ３）。

具体的には、低下率ΔＰ／ΔＤが閾値Ｃ以下である場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、メンテナンス判断部１２によって、ガススプリング３に異常は無く、行うべきメンテナンスはガスの充填であると判断され（ステップＳ４）、ガス圧が閾値Ｐｔｈまで低下するまでの残り時間が算出される（ステップＳ５）。そして、残り時間に関する通知が、通知部１３によって作業者に行われる（ステップＳ６）。
作業者は、通知に基づき、残り時間内にチェックバルブ３ｇからシリンダ３ａ内にガスを充填し、シリンダ３ａの内部のガス圧を初期値Ｐｉまで戻す。

一方、低下率ΔＰ／ΔＤが閾値Ｃよりも大きい場合（ステップＳ３のＮＯ）、メンテナンス判断部１２によって、ガススプリング３に異常が有り、行うべきメンテナンスはガススプリング３の交換であると判断される（ステップＳ７）。そして、ガススプリング３の交換に関する通知が、通知部１３によって作業者に行われる（ステップＳ８）。
作業者は、通知に基づき、ガススプリング３を新しいものに速やかに交換する。

前述したように、ガススプリング３のガス圧は、ロボット機構部４の稼働に伴って徐々に低下するため、ガススプリング３の通常のメンテナンスとして、ガスの定期的な充填が必要である。したがって、仮にガス圧の低下の事実または低下量が作業者に通知された場合、作業者は、まず、ガススプリング３内にガスを充填する。しかし、ガススプリング３のシール性能に異常が発生している場合、ロボット機構部４の再稼働後、ガスを充填したばかりであるにも関わらず、急激なガス漏れによってガス圧がすぐに低下する。そのときに、作業者は、ガススプリング３に異常があることに気付き、ガススプリング３を交換することになる。この場合、無駄な工数やメンテナンスが発生し、多関節ロボット２のメンテナンスによる生産ラインのダウンタイムを長引かせることになる。

これに対し、本実施形態によれば、ガス圧の低下率ΔＰ／ΔＤに基づいて、ガス圧の低下が、通常のガス漏れに起因するものであるか、または、ガススプリング３のシール性能の異常に起因するものであるかが判断される。そして、ガス圧の低下の原因に応じた適切なメンテナンスが作業者に通知される。作業者は、通知に基づき、ガス圧の低下の仕方が正常であるか、または異常であるかを認識し、迷うことなく適切なメンテナンスをガススプリング３に行うことができる。

また、ガススプリング３にシール性能の異常が発生している場合、ガス圧の低下率ΔＰ／ΔＤに基づいて、ガススプリング３の異常を早期に発見し、ガススプリング３の交換の必要性を作業者に早期に通知することができる。
また、ガススプリング３が正常である場合、多関節ロボット２を正常に稼働させることができる残り時間が作業者に通知される。作業者は、通知された残り時間に基づいて、計画的にガススプリング３のメンテナンスを行うことができる。

ガス圧測定部１１によって測定されるガス圧は、シリンダ３ａの内部の温度に応じて変化する。したがって、メンテナンス判断部１２は、測定されたガス圧を所定の温度でのガス圧に換算し、所定の温度でのガス圧を使用して低下率ΔＰ／ΔＤを算出してもよい。
例えば、メンテナンス判断部１２は、ガススプリング３に設けられた温度センサからガススプリング３の周囲の温度Ｔを取得し、下式から、測定されたガス圧Ｐを２０℃でのガス圧Ｐ（２０）に換算する。
Ｐ（２０）＝Ｐ×（２７３．１５＋Ｔ）／（２７３．１５＋２０）

上記実施形態において、ガス圧測定部１１が、サーボモータ６の電流値からガス圧を間接的に測定することとしたが、これに代えて、他の手段を用いてガス圧を測定してもよい。例えば、ガス圧測定部１１が、シリンダ３ａの内部に配置された圧力センサを備え、圧力センサによってガス圧を直接測定してもよい。

上記実施形態において、メンテナンス管理装置１が、制御装置５に設けられていることとしたが、これに代えて、メンテナンス管理装置１は、制御装置５とは別体の装置であってもよい。例えば、メンテナンス管理装置１は、制御装置５と接続されたコンピュータであってもよい。

あるいは、メンテナンス管理装置１の一部の機能が、複数の多関節ロボット２と接続された上位制御システムに設けられていてもよい。例えば、ガス圧測定部１１が、各多関節ロボット２に設けられ、メンテナンス判断部１２および通知部１３が、上位制御システムに設けられていてもよい。

上位制御システムは、複数の多関節ロボット２の各々からガス圧のデータを受信し、各多関節ロボット２のガススプリング３の異常の有無およびメンテナンスの判断を行う。
このように、複数の多関節ロボット２に設けられたガススプリング３のメンテナンスの情報を１つの上位制御システムによってまとめて管理することで、作業者は、例えば、複数のガススプリング３へのガスの充填を同時に行うなど、複数のガススプリング３のメンテナンスをより計画的に行うことができる。

１ メンテナンス管理装置
２ 多関節ロボット
３ ガススプリング
４ ロボット機構部
４ｃ 下部アーム
５ 制御装置
６ サーボモータ
１０ ロボットシステム
１１ ガス圧測定部
１２ メンテナンス判断部
１３ 通知部

Claims (4)

1. 多関節ロボットのアームに設けられたガススプリングのメンテナンスを管理するメンテナンス管理装置であって、
   前記ガススプリングの内部のガス圧を定期的に測定するガス圧測定部と、
   単位時間当たりまたは単位稼働距離当たりの前記ガス圧の低下量に基づいて、前記ガススプリングの異常の有無を判断するメンテナンス判断部と、
   該メンテナンス判断部による判断結果に基づく通知を作業者に行う通知部と、を備え、
   前記メンテナンス判断部は、前記ガス圧の低下量が所定の閾値以下である場合、前記ガススプリングに異常が無いと判断すると共に前記ガススプリングに行うべきメンテナンスがガスの充填であると判断し、前記ガス圧が所定の閾値まで低下するまでの残り時間を算出し、
   前記通知部が、前記残り時間に関する通知を行う、メンテナンス管理装置。
2. 前記メンテナンス判断部は、前記ガス圧の低下量が所定の閾値よりも大きい場合、前記ガススプリングに異常が有ると判断すると共に前記ガススプリングに行うべきメンテナンスが前記ガススプリングの交換であると判断し、
   前記通知部は、前記ガススプリングの交換に関する通知を行う、請求項１に記載のメンテナンス管理装置。
3. 少なくとも１つのアームを有するロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置とを備え、前記ガススプリングが、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用する、多関節ロボットと、
   前記ガススプリングのメンテナンスを管理する請求項１または請求項２に記載のメンテナンス管理装置と、を備えるロボットシステム。
4. 多関節ロボットのアームに設けられたガススプリングのメンテナンスを管理するメンテナンス管理方法であって、
   前記ガススプリングの内部のガス圧を定期的に測定し、
   単位時間当たりまたは単位稼働距離当たりの前記ガス圧の低下量に基づいて、前記ガススプリングの異常の有無を判断し、
   判断結果に基づく通知を作業者に行い、
   前記ガススプリングの異常の有無の判断において、前記ガス圧の低下量が所定の閾値以下である場合、前記ガススプリングに異常が無いと判断すると共に前記ガススプリングに行うべきメンテナンスがガスの充填であると判断し、前記ガス圧が所定の閾値まで低下するまでの残り時間を算出することを含み、
   前記残り時間に関する通知を行う、メンテナンス管理方法。

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