JP7485930B2 - ロボット減速機寿命推定シミュレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの各軸の減速機の寿命をシミュレーションにより推定するロボット減速機寿命推定シミュレーション装置に関する。

一例として生産システムにおいては、各種工程を担う産業用ロボットが生産ラインに設置されている。ロボットは、各軸の減速機を内包する可動部を有し、各種工程を行う自由度を確保している。このような生産システムでは、生産量を増加させるために、ロボットのサイクルタイムを短縮することが求められている。

ここでロボットのサイクルタイムを短縮するためには、ロボットの各軸の減速機の速度（回転速度）を高めることが考えられる。しかし減速機は、回転速度を高くすると加減速時の負荷が大きくなり、寿命が短くなってしまう。このため、動作プログラムに応じてロボットの駆動系の寿命を予測することが必要となる（例えば特許文献１）。なお寿命とは、性能を維持して稼働できる時間の合計をいう。

特許文献１には、ロボットの負荷をモニタするロボット制御装置が記載されている。このロボット制御装置では、ロボットの駆動系に係る負荷を検出して寿命を予測している。

また、ロボットの各軸の減速機の寿命は、ロボットの動作プログラムを調整することにより延長可能とされている（例えば特許文献２）。特許文献２には、ロボット減速機寿命推定シミュレーション装置が記載されている。この装置では、ロボットの動作プログラムにより各軸の減速機の寿命を予測するだけでなく、ロボットのツール先端点の軌跡を固定したままで、各軸の減速機にかかる負荷を算出し、負荷が大きい場合には回転速度を小さくしている。

そして特許文献２の装置では、ロボットの動作プログラムに基づいてロボットの各軸の減速機の寿命を推定するとともに、ロボットの軌跡を変化させることなしに、減速機の寿命を延長させられる、としている。

特開平７－１０７７６７号公報 特開２０１３－１４４３４９号公報

しかし、特許文献２の装置のように、ロボットの動作を変更せずに、すなわちロボットのツール先端点の軌跡を変化させずに動作プログラムの変更を行う場合には、減速機の寿命を十分に延長させることが困難である。そのため、減速機の寿命を十分に延長させるには、ロボットの動作そのものを変更する必要がある。そして、適切に動作を変更するためには、動作プログラムを作成する操作者が、どのような動作のときに負荷が大きくなるのかを認識することが必要である。

本発明は、このような課題に鑑み、ロボットの各軸の減速機の寿命を短くする原因となる動作を、操作者に容易に認識させることができるロボット減速機寿命推定シミュレーション装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかるロボット減速機寿命推定シミュレーション装置の代表的な構成は、ロボットの動作プログラムをシミュレーションにより実行して、ロボットの各軸の減速機の回転速度および各軸の減速機にかかる負荷をサンプリング周期毎に算出する回転速度負荷算出部と、回転速度負荷算出部が算出したサンプリング周期単位の回転速度および負荷を継続した場合のロボットの各軸の減速機の寿命である微分寿命を算出する減速機微分寿命算出部と、ロボットをグラフィックで表示し、微分寿命の値に応じてロボットの各減速機を内包する可動部の色または明度を変化させるグラフィック表示部とを備えることを特徴とする。

上記構成では、ロボットの動作プログラムをシミュレーションにより実行して、ロボットの各軸の減速機の回転速度および負荷をサンプリング周期毎に算出し、この瞬間的な回転速度および負荷に基づいて、その回転速度および負荷を継続した場合の減速機の寿命である微分寿命を算出している。さらに、グラフィック表示部において、ロボットの各減速機を内包する可動部の色または明度を、算出された微分寿命の値に応じてグラフィック上で変化させる。このため、操作者は、ロボットが表示されたグラフィック上で、サンプリング周期単位で変化するロボットの可動部の色または明度を視覚的かつ直感的に確認するだけで、動作プログラムのうち、減速機の寿命を短くする原因となる動作ステップを容易に認識することができる。そして操作者は、この動作ステップを修正することにより、結果的に、減速機の寿命を延長できる。なおグラフィック表示部は、ロボットを３次元グラフィックまたは２次元グラフィックで表示してもよい。

上記のグラフィック表示部は、サンプリング周波数より長い所定時間内での微分寿命の最小値に応じて、ロボットの可動部の色または明度を変化させるとよい。これにより、例えばサンプリング周波数が５ｍｓｅｃであるとき、１００ｍｓｅｃの間で最も微分寿命が短い場合の色または明度によって、ロボットの可動部を表示することができる。なお具体的な数値は例示である。このため、瞬間的な短寿命（高負荷）であっても操作者が確実に視認することができる。したがって操作者は、ロボットの減速機の寿命を短くする原因であって修正すべき動作ステップをより確実に認識できる。

本発明によれば、ロボットの各軸の減速機の寿命を短くする原因となる動作を、操作者に容易に認識させることができるロボット減速機寿命推定シミュレーション装置を提供することができる。

本発明の実施形態におけるロボット減速機寿命推定シミュレーション装置の機能を示すブロック図である。 図１のロボット減速機寿命推定シミュレーション装置によるロボットの３次元グラフィックを例示する図である。 図１のロボット減速機寿命推定シミュレーション装置の処理を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本発明の実施形態におけるロボット減速機寿命推定シミュレーション装置（以下、シミュレーション装置１００）の機能を示すブロック図である。図２は、図１のシミュレーション装置１００によるロボット１０２の３次元グラフィックを例示する図である。

シミュレーション装置１００は、ロボット１０２の各軸の減速機（不図示）の寿命をシミュレーションにより推定する装置である。ロボット１０２としては、例えば生産システムにおいて生産ラインに設置され、各種工程を担う産業用ロボットなどが挙げられる。ロボット１０２は、各種工程を行う自由度を確保するため、各軸の減速機を内包する複数の可動部１０４、１０６、１０８を有する。

生産システムでは、生産量を増加させるために、ロボット１０２の各軸の減速機の回転速度を高めて、ロボット１０２のサイクルタイムを短縮することが求められる。しかし、ロボット１０２の可動部１０４、１０６、１０８に内包される減速機は、回転速度を高くすると加減速時の負荷が大きくなり、寿命が短くなってしまう。ここで、減速機の寿命とは、負荷をかけ続けると、減速機の累積故障確率が１０％となる稼働時間をいう。

そこでシミュレーション装置１００では、ロボット１０２の動作プログラムをシミュレーションにより実行して、どのような動作のとき減速機の負荷が大きくなるかを、動作プログラムを作成する操作者に視覚的に容易に認識させることができる構成を採用した。

シミュレーション装置１００は、図１に示すように仮想制御装置１１０と、ロボットシミュレータ１１２と、モニタ１３０に画像を出力するグラフィック表示部としての３次元グラフィック表示部１１４とを備える。仮想制御装置１１０は、動作指令算出部１１６を有し、実際のロボットを制御する制御装置から出力される動作指令に近似した動作指令を、サンプリング周期毎に算出し、これをロボットシミュレータ１１２に出力する。

ロボットシミュレータ１１２は、各軸角度算出部１１８と、各軸回転速度算出部１２０と、各軸トルク算出部１２２と、減速機微分寿命算出部１２４と、ロボット質点モデル記憶部１２６と、減速機定格データ記憶部１２８とを有する。

各軸角度算出部１１８は、図１に示すように動作指令算出部１１６から出力されるサンプリング周期毎の動作指令に基づいて、ロボット１０２の各軸の角度を算出し、これを各軸トルク算出部１２２および３次元グラフィック表示部１１４に出力する。各軸回転速度算出部１２０は、動作指令算出部１１６からのサンプリング周期毎の動作指令に基づいて、ロボット１０２の各軸の減速機の回転速度を算出し、これを減速機微分寿命算出部１２４に出力する。

各軸トルク算出部１２２は、ロボット質点モデル記憶部１２６からロボット１０２の各軸のそれぞれに質点を設定した質点モデルを読み出す。そして、各軸トルク算出部１２２は、読み出した質点モデルと、各軸角度算出部１１８が算出したロボット１０２の各軸の角度とに基づいて、各軸の減速機にかかる負荷を算出し、これを減速機微分寿命算出部１２４に出力する。このように、各軸回転速度算出部１２０および各軸トルク算出部１２２は、ロボット１０２の各軸の減速機の回転速度および各軸の減速機にかかる負荷をサンプリング周期毎に算出するものであり、回転速度負荷算出部として機能する。

減速機微分寿命算出部１２４は、減速機定格データ記憶部１２８から定格データとして定格寿命Ｌ、定格回転速度Ｖおよび定格トルクＴを読み出す。そして、減速機微分寿命算出部１２４は、読み出した定格データと、各軸回転速度算出部１２０が算出したロボット１０２の各軸の減速機のサンプリング周期単位の回転速度ｖと、各軸トルク算出部１２２が算出した各軸の減速機にかかるサンプリング周期単位の負荷（トルク）τとに基づいて、以下の式（１）を用いて、ロボット１０２の各軸の減速機の微分寿命Ｉを算出する。

ここで微分寿命Ｉとは、ロボット１０２の各軸の減速機のサンプリング周期単位の回転速度ｖおよび負荷τを継続した場合の、ロボット１０２の各軸の減速機の寿命である。換言すれば、ある瞬間の回転速度ｖおよび負荷τで稼働させつづけた場合の減速機の寿命である。さらに、減速機微分寿命算出部１２４は、算出した微分寿命Ｉを３次元グラフィック表示部１１４に出力する。

３次元グラフィック表示部１１４は、モニタ１３０にロボット１０２を３次元グラフィックで表示する。この３次元グラフィックは、色相(Hue)、彩度(Saturation)、明度(Value)の三つの成分からなるＨＳＶ色空間で表示されている。

また、３次元グラフィック表示部１１４は、上記の定格寿命Ｌと、減速機微分寿命算出部１２４が算出した各軸の減速機の微分寿命Ｉとに基づいて、微分寿命Ｉをリアルタイムで監視しながら、以下の式（２）を用いて、色の明るさ（明度）Ｄを算出する。

このように、３次元グラフィック表示部１１４は、微分寿命Ｉをリアルタイムで監視しながら、明度Ｄを算出するため、微分寿命Ｉの値に応じてロボット１０２の各減速機を内包する可動部１０４、１０６、１０８（図２参照）の明度を変化させることができる。なお３次元グラフィック表示部１１４では、明度を変化させる場合には、ＨＳＶ空間において色相および彩度を固定している。

また３次元グラフィック表示部１１４では、３次元グラフィックの明度を変化させるだけでなく、微分寿命Ｉの値に応じて可動部１０４、１０６、１０８の色を変化させることもできる。

一例として、図２に示すロボット１０２の３次元グラフィックでは、ハッチングによって可動部１０４、１０６、１０８の明度や色を区別するように示している。３次元グラフィック表示部１１４では、微分寿命Ｉが短い（高負荷）ほど、明度を低くしたり、色を濃くしたり、あるいは、微分寿命Ｉが長い（低負荷）ほど、明度を高くしたり、色を薄くしたりするなど、適宜の設定に応じた表示を行うことができる。

さらに３次元グラフィック表示部１１４では、各軸角度算出部１１８が算出したロボット１０２の各軸の角度に基づいて、動作プログラムに合わせたロボット１０２の動作を３次元グラフィック上にサンプリング周期毎に表示することができる。

図３は、図１のシミュレーション装置１００の処理を示すフローチャートである。シミュレーション装置１００では、まず、ロボット１０２の動作プログラムをシミュレーションにより実行する動作指令が、仮想制御装置１１０からロボットシミュレータ１１２に出力される（ステップＳ１００）。

つぎに、ロボットシミュレータ１１２では、各軸回転速度算出部１２０がロボット１０２の各軸の減速機の回転速度をサンプリング周期毎に算出し（ステップＳ１０２）、さらに各軸トルク算出部１２２が各軸の減速機にかかる負荷をサンプリング周期毎に算出する（ステップＳ１０４）。

続いて、減速機微分寿命算出部１２４は、各軸回転速度算出部１２０および各軸トルク算出部１２２が算出したサンプリング周期単位の回転速度および負荷に基づいて、上記の式（１）を用いて、その瞬間的な回転速度および負荷を継続した場合のロボット１０２の各軸の減速機の寿命である微分寿命を算出する（ステップＳ１０６）。

そして３次元グラフィック表示部１１４は、ロボット１０２をモニタ１３０に３次元グラフィックで表示する。このとき、微分寿命の値に応じて、上記の式（２）を用いるなどして、ロボット１０２の各減速機を内包する可動部１０４、１０６、１０８の色または明度を変化させる（ステップＳ１０８）。また、シミュレーション装置１００では、ステップＳ１０８の処理を行った後、動作プログラムを実行中であれば（ステップＳ１１０、Ｙｅｓ）、再びステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０８までの処理をサンプリング周期毎に繰り返し、動作プログラムを実行中でなければ（Ｎｏ）、処理を終了する。

このようにシミュレーション装置１００では、３次元グラフィック表示部１１４において、ロボット１０２の各減速機を内包する可動部１０４、１０６、１０８の色または明度を、算出された微分寿命の値に応じて３次元グラフィック上で変化させる。

したがって、動作プログラムを作成する操作者は、ロボット１０２が表示された３次元グラフィック上で、サンプリング周期単位で変化するロボット１０２の可動部１０４、１０６、１０８の色または明度を視覚的かつ直感的に確認するだけで、動作プログラムのうち、減速機の寿命を短くする原因となる動作ステップを容易に認識することができる。そして操作者は、この動作ステップを修正することにより、結果的に、減速機の寿命を延長できる。すなわち、本来は目に見えない負荷の可視化をすることができる。

また３次元グラフィック表示部１１４は、適宜の設定を変更することにより、サンプリング周波数より長い所定時間内での微分寿命の最小値に応じて、ロボット１０２の可動部１０４、１０６、１０８の色または明度を変化させるようにしてもよい。

一例として、サンプリング周波数が５ｍｓｅｃであるとき、１００ｍｓｅｃの間で最も微分寿命が短い場合の色または明度によって、ロボット１０２の可動部１０４、１０６、１０８を表示する。仮にサンプリング周波数ごとに色を変化させると、操作者は、瞬間的に短寿命（高負荷）の色が表示されてもあっても肉眼では認識できないか、または見逃してしまうおそれがある。しかしサンプリング周波数とは別にある程度長い時間幅を設定し、その期間の中で最も短い微分寿命に従って色または明度を変化させることにより、確実に視認することができる。このため、操作者は、ロボット１０２の減速機の寿命を短くする原因であって修正すべき動作ステップをより確実に認識できる。

なお操作者は、ロボット１０２の減速機の寿命を延長するように、動作プログラムを修正する際、減速機の回転速度および負荷の影響を考慮した減速機の寿命を、３次元グラフィック上の変化を確認するだけで適切に評価することができ、修正が必要な動作ステップを直感的に理解できる。また操作者は、３次元グラフィック上で、ロボット１０２の動作に対応した各軸の減速機の負荷を視覚的に把握できるため、減速機の負荷を考慮して動作プログラムを作成するようになる。つまりシミュレーション装置１００を用いることで、操作者はどのような動作をさせると減速機に無理がかかるのかを学習することができ、動作プログラムを作成する操作者の技能も向上させることができる。

ここで上記実施形態では、図２に示すモニタ１３０に画像を出力するグラフィック表示部として３次元グラフィック表示部１１４を例示したが、これに限定されない。一例として、グラフィック表示部は、ロボット１０２をモニタ１３０に２次元グラフィックで表示するものであってもよい。この場合、シミュレーション装置１００では、ロボット１０２の各減速機を内包する可動部１０４、１０６、１０８の色または明度を、算出された微分寿命の値に応じて２次元グラフィック上で変化させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、ロボットの各軸の減速機の寿命をシミュレーションにより推定するロボット減速機寿命推定シミュレーション装置として利用することができる。

１００…ロボット減速機寿命推定シミュレーション装置、１０２…ロボット、１０４、１０６、１０８…可動部、１１０…仮想制御装置、１１２…ロボットシミュレータ、１１４…３次元グラフィック表示部、１１６…動作指令算出部、１１８…各軸角度算出部、１２０…各軸回転速度算出部、１２２…各軸トルク算出部、１２４…減速機微分寿命算出部、１２６…ロボット質点モデル記憶部、１２８…減速機定格データ記憶部、１３０…モニタ

Claims (2)

1. ロボットの動作プログラムをシミュレーションにより実行して、該ロボットの各軸の減速機の回転速度および前記各軸の減速機にかかる負荷をサンプリング周期毎に算出する回転速度負荷算出部と、
   少なくとも定格寿命Ｌを含む定格データを記憶する減速機定格データ記憶部と、
   前記減速機定格データ記憶部から前記定格データを読み出すとともに、前記回転速度負荷算出部が算出したサンプリング周期単位の回転速度および負荷を継続した場合の前記ロボットの各軸の減速機の寿命である微分寿命Ｉを算出する減速機微分寿命算出部と、
   前記ロボットをグラフィックで表示するグラフィック表示部とを備え、
   前記グラフィック表示部は、前記定格寿命Ｌと前記微分寿命Iとに基づいて、前記微分寿命Ｉをリアルタイムに監視しながら、式（２）を用いて色の明るさＤを算出するとともに、前記微分寿命Ｉの値に応じて算出した前記明るさＤを用いて前記ロボットの各減速機を内包する可動部の色または明度を変化させることを特徴とするロボット減速機寿命推定シミュレーション装置。
   

   
2. 前記グラフィック表示部は、サンプリング周波数より長い所定時間内での前記微分寿命Ｉの最小値に応じて、前記ロボットの可動部の色または明度を変化させることを特徴とする請求項１に記載のロボット減速機寿命推定シミュレーション装置。

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