WO2009142006A1 - ロボットの異常判定方法 - Google Patents

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WO2009142006A1
WO2009142006A1 PCT/JP2009/002215 JP2009002215W WO2009142006A1 WO 2009142006 A1 WO2009142006 A1 WO 2009142006A1 JP 2009002215 W JP2009002215 W JP 2009002215W WO 2009142006 A1 WO2009142006 A1 WO 2009142006A1
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average value
external force
motor output
output torque
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PCT/JP2009/002215
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English (en)
French (fr)
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中田広之
衣笠靖啓
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パナソニック株式会社
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1674—Programme controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
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    • G05B2219/37344—Torque, thrust, twist, machining force measurement
    • G—PHYSICS
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    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41372—Force estimator using disturbance estimator observer
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45104—Lasrobot, welding robot

Definitions

  • the present invention relates to an abnormality determination method for a robot driven by a motor, particularly an articulated robot.
  • Patent Document 1 a method for detecting an abnormality of a robot by paying attention to fluctuations in the motor speed waveform caused by a failure is known (for example, see Patent Document 1). Also known is a method for detecting an abnormality of a robot by paying attention to the difference between the power on the driving side (motor output power) and the power on the load side (power obtained from the motion equation calculation of the robot) (for example, see Patent Document 2).
  • the former method of judging abnormality from the fluctuation of the velocity waveform has the following problems.
  • the first is that it is necessary to measure and store the velocity waveform data in a normal state as reference data in each robot.
  • the robot when performing abnormality determination, the robot must be operated with a reference operation pattern. Accordingly, since the motor speed waveform data during operation of the production line is different from the speed waveform data for determining abnormality, naturally, abnormality determination cannot be performed while the production line is operating. Further, even if there is a time during which the abnormality determination can be performed due to a production line stoppage or the like, it is necessary to operate with a reference operation pattern only to perform the abnormality determination. For this reason, the cost of the abnormality measurement work man-hour is generated. Further, it is practically difficult to perform the above two points only for determining the abnormality of the robot in a production site where the operation time of the production line is long and the cost is strict.
  • the latter method for determining an abnormality based on the difference in work rate solves the former problem, does not require measurement and storage of reference data, and can be determined even while the production line is in operation.
  • the power on the driving side can be calculated accurately
  • the power on the load side cannot always be calculated accurately. The reason for this is that if the parameters (mass, center of gravity, inertia, etc.) of the load (welding torch, handling tool, workpiece, etc.) attached to the robot by the user are not accurate, the work rate can be calculated using the robot's equation of motion. This is because an error occurs.
  • a load torque value is calculated by an equation of motion related to a mass point model of a robot mechanism unit including a mounting load, an angle, an angular velocity, and an angular acceleration, and multiplied by the angular velocity to obtain a load-side power.
  • the cause of the increase in the driving-side power is not only that the motor driving force increases due to an increase in friction due to a failure of the motor or speed reducer that drives the robot.
  • the motor driving force increases or decreases due to external force.
  • the motor driving force also increases to compensate for the increased friction energy.
  • it does not always change in the direction in which the driving-side power increases. For example, an increase in cable tension becomes a force that supports the gravity of the robot, and the power on the drive side may decrease. Even in such a case, the difference between the power on the driving side and the power on the load side increases, so that there is a possibility that it is determined to be abnormal for a cause other than the failure of the mechanism.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a case where the increase in cable tension described above becomes a force that supports the gravity of the robot, and shows a schematic configuration of a conventional welding robot system.
  • a welding wire 101 as a consumable electrode is sent from a wire spool 102 to a welding torch 104 through a hollow torch cable 111 (shown by a dotted line) by a wire feed motor 103.
  • the welding power source device 105 generates an arc 108 by applying a predetermined welding current I and welding voltage V between the welding wire 101 and the base material 107 as a workpiece to be welded via the welding torch 104 and the welding tip 106.
  • the welding power supply apparatus 105 performs welding construction by controlling the wire feed motor 103.
  • the robot 109 holds the welding torch 104, positions the welding torch 104 (not shown), and moves the welding torch 104 along a welding line (not shown). Such control of the entire robot is performed by the robot controller 110.
  • a user often installs a jig 112 for suspending the torch cable 111 from above for the purpose of ensuring feeding performance by maintaining the shape of the welding wire 101 and avoiding interference with surrounding objects.
  • the torch cable 111 moves as the robot 109 moves. Therefore, an elastic body such as a spring or rubber is often used for the jig 112.
  • a force pulling upward acts also on the welding torch 104 and the robot 109 holding the welding torch 104 via the torch cable 111, and becomes a force that supports the gravity of the robot 109.
  • the robot tip portion to which the welding torch 104 is attached is equipped with a motor having a small capacity, and such a change in the tension of the torch cable 111 cannot be ignored.
  • selection, attachment, and replacement of the jig 112 are performed by the user. Therefore, it may be erroneously determined that an abnormality has occurred by using the jig 112 or by attaching or replacing the jig 112.
  • JP 63-123105 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-129186
  • the present invention does not require measurement and storage of reference data, can also determine whether the production line is operating, and erroneously determines that there is an abnormality even when an accurate load parameter is not input or an external force is received.
  • the present invention provides a method for determining an abnormality of a robot that reduces noise.
  • a motor output torque average value obtained from a predetermined N motor output torque average values which is an average value of N motor output torque values (N is a positive integer).
  • the motor output torque average value exceeds the first abnormality determination reference value
  • the external force torque estimation average value exceeds the second abnormality determination reference value. Determining.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating robot abnormality determination according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing details of the abnormality determination unit in FIG.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an average calculation process within a unit time of the robot abnormality determination method according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an abnormality determination reference value setting process of the robot abnormality determination method according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a first diagram illustrating an abnormality determination reference value setting process based on the motor output torque moving average value in the flowchart of FIG.
  • FIG. 6 is a second diagram illustrating the abnormality determination reference value setting process based on the motor output torque moving average value in the flowchart of FIG. FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an abnormality determination reference value setting process based on the external force torque moving average value in the flowchart of FIG.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the abnormality determination process of the robot abnormality determination method according to the embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an abnormality determination process based on the motor output torque moving average value in the flowchart of FIG.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining an abnormality determination process based on the external force torque moving average value in the flowchart of FIG.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a conventional welding robot system.
  • FIG. 1 is a block diagram for explaining a robot abnormality determination method according to an embodiment of the present invention, and shows a position control loop including robot abnormality determination.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the abnormality determination in FIG.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a unit time average value calculation process of the motor output torque value and the external force torque value in the robot abnormality determination method according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an abnormality determination reference value setting process based on the moving average value of the motor output torque value and the external force torque value in the robot abnormality determination method according to the embodiment.
  • the robot abnormality determination method described in the present embodiment can be applied to, for example, the same welding system configuration as shown in FIG. That is, the present embodiment is different from the conventional control method in the robot controller 110 in the welding system shown in FIG. Therefore, in this embodiment, the configuration of the welding system shown in FIG. 11 will be described as an example.
  • the position command ⁇ com is obtained based on the start point position and end point position specified by the user.
  • the position controller 6 performs proportional control (P control) with a position command ⁇ com and a motor angular velocity ⁇ m fed back from a motor / external force torque unit 18 described later as inputs, and outputs a speed command ⁇ com.
  • the speed controller 10 performs proportional / integral control (PI control) with the speed command ⁇ com and the fed-back motor angular speed ⁇ m as inputs, and generates a motor current command Im.
  • P control proportional control
  • PI control proportional / integral control
  • the position controller 6 calculates a position command ⁇ com (for example, a joint angle of a robot equipped with a torch) and a motor position ⁇ m obtained by integrating a feedback motor angular velocity ⁇ m (for example, an angular velocity of a robot angular axis).
  • a speed command ⁇ com is generated based on the difference value.
  • the speed control unit 10 generates a motor current command Im based on the difference value between the speed command ⁇ com and the fed back motor angular speed ⁇ m.
  • the motor / external force torque unit 18 includes a welding torch 104 and a motor that rotates the welding torch 104.
  • the motor / external force torque unit 18 generates a motor output torque value ⁇ m generated by the motor, an external force torque value ⁇ dis applied to the welding torch 104, and a moving friction torque value ⁇ . Based on these torque values, a motor angular speed ⁇ m for controlling the motor speed is output and fed back to the position control unit 6 and the speed control unit 10.
  • the motor / external force torque unit 18 is a load driven by the control system, and shows how the actual angular velocity ⁇ m changes depending on the motor output torque value ⁇ m generated by the motor current command Im.
  • the external force torque estimation unit 30 estimates the external force torque value ⁇ dis without a sensor. That is, the external force torque estimated value ⁇ diso that is an estimated value of the external force torque value ⁇ dis is output.
  • the dynamics calculation method is based on the robot's inverse dynamics calculation based on the reduction gear output torque value obtained by subtracting the torque value generated by the motor and reduction gear inertia and friction from the torque value generated by the motor drive current.
  • This is a method for obtaining an external force torque value by subtracting a dynamic torque value (see Non-Patent Document 1).
  • the disturbance estimation observer method is a method for obtaining a collision force using a disturbance estimation observer. In the present embodiment, the case where the former dynamic calculation method is used will be described as an example.
  • the motor output torque value ⁇ m is represented by (Equation 1-1) when viewed from the motor drive side, and (Equation 1-1) when viewed from the load side. 2).
  • Equation 2 K ⁇ ⁇ sgn (Equation 2)
  • the external force torque value ⁇ dis on the right side of (Equation 1-2) can be obtained by transforming (Equation 3) shown below from (Equation 1-1) and (Equation 1-2).
  • Kt ⁇ Im ⁇ Jm ⁇ ⁇ m + D ⁇ ⁇ m + K ⁇ ⁇ sgn + ⁇ dyn Kt ⁇ Im ⁇ (Jm ⁇ ⁇ m + D ⁇ ⁇ m + K ⁇ ⁇ sgn + ⁇ dyn) (Equation 3)
  • Kt ⁇ Im ⁇ Jm ⁇ ⁇ m ⁇ D ⁇ ⁇ m ⁇ K ⁇ ⁇ sgn is a torque value output from the motor to the reduction gear.
  • the external force torque estimation unit 30 is shown as a block that performs the calculation of (Equation 3).
  • the dynamic torque estimation value ⁇ dyno is subjected to reverse dynamics calculation in the dynamic torque calculation unit 26 using the feedback of the motor angular velocity ⁇ m of all axes constituting the robot and the machine parameters of the robot. Is required. Further, the motor output torque estimated value ⁇ mo is calculated by (Equation 1-1) using the motor current command Im. The external force torque estimating unit 30 obtains the external force torque estimated value ⁇ diso from (Equation 3) using the dynamic torque estimated value ⁇ dyno and the motor output torque estimated value ⁇ mo. As a result, the external force torque estimated value ⁇ diso and the motor output torque estimated value ⁇ mo are output to the abnormality determining device 32.
  • FIG. 2 is a block diagram showing details of the abnormality determination device 32 in FIG. The operation of the abnormality determination device 32 will be described with reference to FIG.
  • unit time is defined as an interval for performing abnormality determination. This unit time is, for example, one hour. Also, it means the time during which the robot is operating, excluding the time when the robot is stopped.
  • the motor output torque average value ⁇ mA and the external force torque average which are unit time average values of the absolute values of the motor output torque estimated value ⁇ mo and the external force torque estimated value ⁇ diso output from the external force torque estimation unit 30, respectively.
  • the value ⁇ dA is calculated.
  • This calculation method is shown in the flowchart of FIG. The process of FIG. 3 is performed for each calculation cycle of the motor output torque estimated value ⁇ mo and the external force torque estimated value ⁇ diso.
  • step S301 it is determined whether or not the angular velocity ⁇ mMAX having the maximum absolute value among the axial angular velocity ⁇ m and the other-axis angular velocity ⁇ m is larger than a predetermined angular velocity threshold ⁇ mth for determining execution of the averaging process (step). S301). In step S301, if the maximum angular velocity ⁇ mMAX is greater than the angular velocity threshold ⁇ mth (Y in step S301), the process proceeds to step S302. Otherwise (N in step S301), the process ends.
  • the reason for setting the condition of step S301 is that when the robot is stopped due to a user's stop operation or waiting for sensor signal input, the stop time is uncertain. This is because the values vary.
  • the robot operation may be determined when an operation command is executed in the robot program or when a position command is generated.
  • step S302 the integrated value ⁇ mS of the absolute value
  • step S303 it is determined whether the integration number i has reached a predetermined average number num. In step S303, if the cumulative number i has reached the average number num (Y in step S303), the process proceeds to step S304, and if not reached (N in step S303), the process is terminated.
  • step S304 the respective integrated values ⁇ mS, ⁇ dS are divided by the average number num, and the motor output torque average value ⁇ mA and the external force torque average value ⁇ dA, which are unit time average values of the robot operation, are calculated.
  • the motor output torque average value ⁇ mA and the external force torque average value ⁇ dA which are the unit time average values (for example, the average value for one hour), are stored in the data storage unit 36.
  • the motor output torque average value ⁇ mA for the jth unit time (for example, the jth time if the unit time is 1 hour) is defined as ⁇ mA [j].
  • N is a positive integer
  • the current moving averages ⁇ mAA [x] and ⁇ dAA [x] of the N pieces of data accumulated in the data accumulating unit 36 are converted into the motor output torque average value for the unit time x times and the unit time xth time.
  • the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mth (first abnormality determination value) and the external force torque abnormality determination reference value ⁇ dth (second second) shown in FIG. (Abnormality determination value) is determined, and “1” is set to the abnormality determination reference value set flag fth.
  • step S401 it is determined whether or not the abnormality determination reference value set flag fth is “0”. If the abnormality determination reference value set flag fth is “0” in step S401 (Y in step S401), the process proceeds to step S402 because the abnormality determination reference value is not set. If the abnormality determination reference value set flag fth is “1” in step S401 (N in step S401), the processing ends because the abnormality determination reference value has already been set.
  • step S402 it is determined whether the absolute value of the difference between the average value ⁇ mA [x ⁇ k] of the motor output torque value and the moving average value ⁇ mAA [x] is smaller than a threshold value ⁇ mth1 for determining the unit time average variation.
  • a threshold value ⁇ mth1 for determining the unit time average variation.
  • the motor generated torque abnormality determination reference value ⁇ mh is not determined until the load factor becomes stable and constant.
  • this value may be set to an appropriate value from the actual usage situation.
  • step S403 “1” is added to the operation step number k.
  • step S404 it is determined whether or not the calculation step number k has reached the variation determination number NN times. If the number k of calculation steps has reached NN in step S403 (Y in step S403), it is determined that the control system is stable, and the process proceeds to step S405. However, if the number of calculation steps k has not reached NN times (N in step S403), it is determined that the control system is not yet stable, and the process returns to step S402.
  • step S405 the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mh is calculated based on the moving average value ⁇ mAA [x] when the NN motor output torque average values ⁇ mA [x] are within a certain variation range. Further, the external force torque abnormality determination reference value ⁇ dth at this time is calculated, the abnormality determination reference value set flag fth is set to “1”, and the process is ended.
  • the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mh is calculated by adding an addition value ⁇ mth2 (first predetermined value) for setting the motor output torque abnormality reference value to the moving average value ⁇ mAA [x].
  • the external force torque abnormality determination reference value ⁇ dth at this time is calculated by adding an addition value ⁇ dth2 (second predetermined value) for setting the external force torque abnormality determination reference value to the moving average value ⁇ dAA [x].
  • the addition value ⁇ mth2 for setting the motor output torque abnormality reference value and the addition value ⁇ dth2 for setting the external force torque abnormality determination reference value are values that can be determined in advance by, for example, experiments.
  • the maximum motor torque is 8%.
  • it is 5%. The smaller this value, the higher the sensitivity of abnormality determination, but the greater the possibility of erroneous determination. Therefore, this value may be set to an appropriate value from the actual usage situation.
  • FIG. 5 is a first diagram for explaining the abnormality determination reference value setting process based on the motor output torque moving average value in the flowchart of FIG. 4.
  • the horizontal axis represents the unit time processing count x (for example, x time if the unit time is 1 hour).
  • the vertical axis represents the ratio of the motor output torque average value ⁇ mA to the motor torque maximum value.
  • ratio of motor output torque ⁇ mA or the like is simply used below without using the expression “ratio”.
  • the moving average ⁇ mA [1] to ⁇ mA [24] has data outside the range of ⁇ ⁇ mth1 with respect to the moving average ⁇ mAA [24]. Therefore, the conditional expression in step S402 in FIG. 4 is not satisfied, and the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mth in step S405 is not calculated.
  • all 24 motor output torque average values ⁇ mA [14] to ⁇ mA [37] (corresponding to NN) are ⁇ ⁇ mth1 based on the 37th moving average value ⁇ mAA [37] of 24 unit times. Therefore, the conditional expression in step S402 of FIG. 4 is satisfied. Accordingly, the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mth is calculated in step S405, and 1 is set to the abnormality determination reference value set flag fth.
  • the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mth is added with an addition value ⁇ mth2 for setting a motor output torque abnormality determination threshold value based on the moving average value ⁇ mAA [37] of the 24th unit time and 37th time. It is calculated by.
  • the external force torque abnormality determination reference value ⁇ dth is obtained by adding an addition value ⁇ dth2 for setting the external force torque abnormality determination threshold value with the moving average value ⁇ dAA [37] of the 24th unit time and 37th time as a reference value. Calculated.
  • the motor output torque average value ⁇ mAA when the difference between the motor output torque value ⁇ mA and the motor output torque average value ⁇ mAA is smaller than a predetermined value ⁇ mth1 is calculated as the motor output torque.
  • a predetermined value ⁇ mth1 is calculated as the motor output torque.
  • the external force torque estimated average value ⁇ dAA at this time is set as the reference value ⁇ dAA of the external force torque estimated average value.
  • the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mth and the external force torque abnormality determination reference value ⁇ dth are calculated when the variation in the average value ⁇ mA of the motor output torque values becomes smaller in the condition determination in step S402 of FIG. Is done. That is, when the usage status of the robot has settled, the calculation is automatically performed according to the robot operation pattern based on the program stored in advance. Therefore, it is not necessary to measure reference data in advance, and it is not necessary to operate the robot with a reference operation pattern.
  • step S801 in FIG. 8 it is confirmed whether or not 1 is set to the abnormality determination reference value set flag fth.
  • step S801 if 1 is set to the abnormality determination reference value set flag fth (Y in step S801), the process proceeds to step S802, and otherwise (N in step S801), the process ends.
  • step S802 it is determined whether or not the moving average value ⁇ mAA [x] of the motor output torque value is greater than the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mth. If the moving average value ⁇ mAA [x] of the motor output torque value is greater than the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mth in step S802 (Y in step S802), the process proceeds to step S803, and otherwise (N in step S802) is processed. Exit.
  • step S803 it is determined whether or not the moving average value ⁇ dAA [x] of the external force torque value is larger than the external force torque abnormality determination reference value ⁇ dth. If the moving average value ⁇ dAA [x] of the external force torque value is larger than the external force torque abnormality determination reference value ⁇ dth in step S803 (Y in step S803), the process proceeds to step S804, otherwise (N in step S803) is step S805. Proceed to
  • step S804 “1” is set to the abnormality determination flag fL, and the process ends.
  • step S805 “0” is set to the abnormality determination reference value set flag fth, and the processing (flow chart in FIG. 4) in the abnormality determination reference value setting unit 38 is resumed.
  • the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mth is exceeded, and the condition of step S802 is satisfied.
  • the moving average value ⁇ dAA [120] of the external force torque value exceeds the external force torque abnormality determination reference value ⁇ dth, and the condition of step S803 is satisfied.
  • step S804 “1” is set to the abnormality determination flag fL, and abnormality warning processing is performed by the abnormality warning display unit 34 of FIG.
  • both the moving average value ⁇ mAA of the motor output torque value and the rising of the moving average value ⁇ dAA of the external force torque value are determined in steps S802 and S803 is that the moving average value ⁇ dAA of the external force torque value is Even if it rises, the moving average value ⁇ mAA of the motor output torque value may decrease, and this is to avoid erroneous determination in such a case. For example, this is the case when an increase in cable tension becomes a force that supports the gravity of the robot.
  • the moving average value ⁇ dAA of the external force torque value may not increase.
  • the motor output torque average value ⁇ mAA may increase.
  • the external force torque average value ⁇ dAA does not increase in particular, so that the external force torque average value ⁇ dAA does not increase when the parameters of the mounting load are correctly input.
  • Equation 3 the estimated external force torque value ⁇ dis calculated in (Equation 3) causes an error in the calculation of the dynamic torque value ⁇ dyn if there is an error in the parameters of the mounted load. It will not be “0”. If the dynamic torque value including the error is ⁇ dyn_err and this estimation error is ⁇ dis, Equation 5 is established.
  • the operating angle of the robot for use is limited and is about ⁇ 360 degrees at most, so the motor that drives it does not continue to rotate in only one direction.
  • the maximum difference between the rotation angle in the + direction and the rotation angle in the-direction is 720 degrees. For example, if the unit time for abnormality determination is set to 1 hour, the total rotation angle often exceeds tens of thousands of degrees, so the rotation angle in the + direction and the rotation angle in the-direction are considered to be almost the same. Good.
  • the unit time average ⁇ dA of the estimated external force torque can be calculated by (Equation 9) since the average of ⁇ dA [+] and ⁇ dA [ ⁇ ] may be taken.
  • step S803 when an accurate load parameter is not input, even if the friction actually increases due to a failure, the friction torque value increase ⁇ A is less than the error ⁇ dA caused by the parameter error. There may be a case where the condition of step S803 is not satisfied. Therefore, in this case, the process (flow chart in FIG. 4) in the abnormality determination reference value setting unit 38 is restarted, and the abnormality determination threshold ⁇ dth is reset. However, when the friction torque value increase ⁇ A further increases and exceeds the error ⁇ dA caused by the parameter error, the friction torque value increase ⁇ A is correctly reflected in the estimated external force torque value ⁇ dA. Therefore, step S803 is correctly determined. The probability of misjudgment can be reduced by the above contents.
  • an external force torque estimated average value ⁇ dAA that is an average value of N external force torque estimated values ⁇ dA is a reference value ⁇ dAA of an external force torque estimated average value obtained from predetermined N external force torque estimated average values ⁇ dA.
  • the motor output torque average value ⁇ mAA which is an average value of N motor output torque values ⁇ mA, is changed to a reference value ⁇ mAA of the motor output torque average value obtained from the predetermined N motor output torque average values ⁇ mA.
  • the external force torque estimated average value ⁇ dAA when the difference between the N external force torque estimated values ⁇ dA and the external force torque estimated average value ⁇ dAA is smaller than a predetermined value ⁇ mth1 is used as the reference value ⁇ dAA of the external force torque estimated average value.
  • the motor output torque average value ⁇ mAA at this time is set as a reference value ⁇ mAA for the motor output torque average value.
  • processing in the abnormality determination reference value setting unit 38 (flowchart in FIG. 4). May be restarted, the process for obtaining the motor output torque abnormality determination reference value ⁇ mth and the external force torque abnormality determination reference value ⁇ dth is performed again, and the abnormality determination process may be performed using these as new reference values.
  • the motor output torque abnormality determination value is calculated by adding the addition value ⁇ mth2 for setting the motor output torque abnormality determination value to the N moving average values ⁇ mAA of the absolute value of the motor output torque value. Then, an example is shown in which an abnormality is determined by determining whether or not the N moving average values ⁇ mAA of the absolute values of the subsequent motor output torque values exceed the motor output torque abnormality determination value.
  • the abnormality may be determined by determining whether or not the difference between the motor output torque moving average value and the reference value of the motor output torque moving average value exceeds a predetermined value. Note that the predetermined value can be determined in advance, for example, through experiments.
  • the external force torque abnormality determination value is calculated by adding the addition value ⁇ dth2 for setting the external force torque abnormality determination value to the N moving average values ⁇ dAA of the absolute value of the external force torque value.
  • An example in which an abnormality is determined by determining whether or not the N moving average values ⁇ dAA of the absolute values of the external force torque values exceed the external force torque abnormality determination value is shown.
  • the abnormality may be determined by determining whether or not the difference between the external force torque moving average value and the reference value of the external force torque moving average value exceeds a predetermined value.
  • the predetermined value can be determined in advance, for example, through experiments.
  • the motor output torque average value (moving average value) ⁇ mAA is calculated from the N other average values ⁇ mA. Asked.
  • the motor output torque average value (moving average value) ⁇ mAA can be obtained from the motor output torque value ⁇ mo without obtaining the other average value ⁇ mA. The same applies to the case of obtaining the estimated external force torque average value ⁇ dAA.
  • an abnormality is determined for any one motor.
  • abnormality determination may be performed for all the motors by the same method as in the present embodiment. Or you may perform abnormality determination about a specific motor.
  • a servo motor is used in the robot according to the present embodiment, and abnormality determination of the servo motor is performed.
  • the present invention does not require measurement and storage of reference data, can also determine whether the production line is operating, and can reduce the probability of erroneous determination even when an accurate load parameter is not input or when external force is applied. Therefore, it is useful as an abnormality determination method for a robot in operation.

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Abstract

モータ出力トルク値τｍＡのＮ個分（Ｎは正の整数）の平均値であるモータ出力トルク平均値τｍＡＡが、第１の異常判定基準値τｍｔｈを超え、外力トルク推定値τｄＡのＮ個分の平均値である外力トルク推定平均値τｄＡＡが、第２の異常判定基準値τｄｔｈを超えた場合に異常と判定することにより、基準データの測定、記憶を必要とせず、生産ライン稼働中の異常判定も可能である。

Description

ロボットの異常判定方法
　本発明は、モータにより駆動されるロボット、特に、多関節型ロボットの異常判定方法に関するものである。
　近年、生産リードタイム短縮の要求が高まっている。しかし、溶接やハンドリング等に用いられる垂直あるいは水平の多関節型ロボットにおいて、ロボットを駆動するモータや減速機等の機構部品に故障が生じて交換が必要となった場合、交換のために生産を数時間にわたって停止しなければならず、大きな問題となっている。
　ロボットを駆動するモータや減速機等に故障が生じた場合、摩擦力が上昇してモータ駆動力が増加する場合が大半である。そこで、ロボットが完全に動作不能になるまでにモータ駆動力の異常状態を知ることができれば、休日や夜間等の生産ライン休止中にモータ等の機構部品を交換することが可能となり、生産に与える影響を減じることができる。
　そこで、故障に起因して発生するモータの速度波形の変動に着目してロボットの異常を検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、駆動側の仕事率（モータ出力仕事率）と負荷側の仕事率（ロボットの運動方程式演算から得られる仕事率）の差に着目してロボットの異常を検出する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
　前者の速度波形の変動から異常を判定する方法では、次に挙げる問題点がある。１つ目は、個々のロボットで正常状態における速度波形データを基準データとして測定しておき、かつ、記憶しておく必要がある点である。２つ目は、異常判定を行う場合、基準となる動作パターンでロボットを動作させなければならない点である。従って、生産ライン稼働時のモータ速度波形データは異常判定のための速度波形データとは異なるので、当然、生産ラインの稼働中には異常判定を行うことができない。また、例え生産ライン休止等で異常判定を実施できる時間があるとしても、異常判定を行うためだけに基準となる動作パーンで動作させなければならない。そのため、異常測定作業工数のコストが発生する。また、生産ラインの稼動時間が長くコストに厳しい生産現場において、ロボットの異常判定を行うためだけに上記２つの点を行うことは現実的には非常に困難である。
　また、後者の仕事率の差による異常判定方法では、前者の問題点が解決され、基準データの測定や記憶も必要なく、生産ライン稼働中でも判定が可能である。しかしながら、駆動側の仕事率は正確に計算できても、負荷側の仕事率が正確に計算できるとは限らない。その理由は、ユーザによりロボットに装着される負荷（溶接用トーチやハンドリングツールやワーク等）のパラメータ（質量、重心位置、イナーシャ等）が正確でなければ、ロボットの運動方程式による仕事率の計算に誤差が発生するからである。特許文献２では、装着負荷を含むロボット機構部の質点モデルに関する運動方程式と、角度、角速度、及び角加速度により負荷トルク値を算出し、それに角速度を乗じることで負荷側の仕事率を求めている。
　近年の産業用ロボットでは、加減速の最適化や衝突検出の高精度化にも正確な負荷パラメータが要求されている。従って、負荷パラメータの入力装置や自動測定機能を備えたロボットも多く見られる。しかしながら、負荷パラメータの入力や自動測定機能の使用を実行するか否かはユーザに任せられており、必ずしも正確な負荷パラメータが入力されているとは限らない。もし、負荷の設定パラメータと実パラメータとの間に大きな差があると、負荷側の仕事率には大きな誤差が生じてしまい、異常と誤判定する可能性がでてくる。
　また、駆動側の仕事率が増加する原因としては、ロボットを駆動するモータや減速機等の故障による摩擦上昇でモータ駆動力が増加することだけではない。ロボットが他の物と接触した場合や、ロボットに装着されたケーブルに張力が加わる場合等、外力を受けてモータ駆動力が増減することも原因となる。ただし、前者の摩擦が上昇する場合は、増えた摩擦エネルギーを補うためにモータ駆動力も増加する。しかし、後者の外力を受ける場合は駆動側の仕事率が増加する方向に変化するとは限らない。例えば、ケーブルの張力増加がロボットの重力を支える力になり、駆動側の仕事率が減少する可能性がある。このような場合でも駆動側の仕事率と負荷側の仕事率の差は拡大するので、機構の故障以外の原因でも異常と判定してしまう可能性がある。
　図１１は上述したケーブルの張力増加がロボットの重力を支える力になる場合を説明するための図であり、従来の溶接ロボットシステムの概略構成を示している。
　図１１において、消耗電極である溶接ワイヤ１０１は、ワイヤ送給モータ１０３により、ワイヤースプール１０２から中空構造のトーチケーブル１１１（点線で示している）を通って溶接トーチ１０４のへ送られる。溶接電源装置１０５は、溶接トーチ１０４および溶接チップ１０６を経由して溶接ワイヤ１０１と被溶接物である母材１０７との間に所定の溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｖを印加してアーク１０８を発生させる。また、溶接電源装置１０５は、ワイヤ送給モータ１０３の制御を行って溶接施工を行う。ロボット１０９は、溶接トーチ１０４を保持し、溶接開始位置（図示せず）に位置決めを行うと共に溶接線（図示せず）に沿って溶接トーチ１０４を移動させる。このようなロボット全体の制御は、ロボット制御装置１１０により行われる。
　このとき、例えばユーザが溶接ワイヤ１０１の形状維持による送給性能確保や周辺物との干渉回避を目的として、トーチケーブル１１１を上方から吊すための治具１１２を設置することが良く行われる。なお、ロボット１０９の動作に伴いトーチケーブル１１１も移動する。従って、治具１１２には、ばねやゴムなどの弾性体が用いられることが多い。このため、トーチケーブル１１１を介して、溶接トーチ１０４およびそれを保持するロボット１０９にも上方へ引っ張る力が働き、ロボット１０９の重力を支える力となる。特に、溶接トーチ１０４が装着されるロボット先端部は、容量の小さなモータが搭載されるので、このようなトーチケーブル１１１の張力変化は無視できないものとなる。また、このような治具１１２の選定や取り付けや交換はユーザによって行われる。したがって、治具１１２を用いることによって、あるいは治具１１２の取り付けや交換によって、異常が発生したと誤判定してしまう可能性がある。
特開昭６３－１２３１０５号公報 特開平１１－１２９１８６号公報
マニピュレータの動的衝突検出、小菅一弘、他１名、日本機械学会［Ｎｏ．９９－９］ロボティクス・メカトロニクス講演会’９９講演論文集２Ａ１－１１－０３０
　本発明は、基準データの測定、記憶が必要なく、生産ライン稼働中の判定も可能であり、正確な負荷パラメータが入力されていない場合や外力を受けた場合でも異常と誤判定してしまうことを低減するロボットの異常判定方法を提供するものである。
　本発明は、モータ出力トルク値のＮ個分（Ｎは正の整数）の平均値であるモータ出力トルク平均値が、所定のＮ個分のモータ出力トルク平均値から得たモータ出力トルク平均値の基準値に、第１の所定値を加えた第１の異常判定基準値を超えるか否かを、ロボットの動作中に判定するステップと、外力トルク推定値のＮ個分の平均値である外力トルク推定平均値が、所定のＮ個分の外力トルク推定平均値から得た外力トルク推定平均値の基準値に、第２の所定値を加えた第２の異常判定基準値を超えるか否かをロボットの動作中に判定するステップと、モータ出力トルク平均値が第１の異常判定基準値を超え、かつ、外力トルク推定平均値が第２の異常判定基準値を超えた場合に異常と判定するステップとを備えている。
　かかる構成によれば、基準データの測定、記憶を必要とせず、生産ライン稼働中の判定も可能である。また、正確な負荷パラメータが入力されていない場合や外力を受けた場合でも、異常と誤判定してしまうことを低減することができる。
図１は、本発明の一実施の形態におけるロボット異常判定を説明するブロック図である。 図２は、図１における異常判定部の詳細を示すブロック図である。 図３は、同実施の形態におけるロボットの異常判定方法の単位時間内平均演算処理を示すフローチャートである。 図４は、同実施の形態におけるロボットの異常判定方法の異常判定基準値設定処理を示すフローチャートである。 図５は、図４のフローチャートにおけるモータ出力トルク移動平均値に基づく異常判定基準値設定課程を説明する第１の図である。 図６は、図４のフローチャートにおけるモータ出力トルク移動平均値に基づく異常判定基準値設定課程を説明する第２の図である。 図７は、図４のフローチャートにおける外力トルク移動平均値に基づく異常判定基準値設定課程を説明する図である。 図８は、同実施の形態におけるロボットの異常判定方法の異常判定処理を示すフローチャートである。 図９は、図８のフローチャートにおけるモータ出力トルク移動平均値に基づく異常判定課程を説明する図である。 図１０は、図８のフローチャートにおける外力トルク移動平均値に基づく異常判定課程を説明する図である。 図１１は、従来の溶接ロボットシステムを示す構成図である。
　以下、本発明を図面を用いて説明する。なお、本発明はこれに限られるものではない。
　（実施の形態）
　図１は、本発明の一実施の形態におけるロボットの異常判定方法を説明するブロック図であって、ロボット異常判定を含む位置制御ループを示している。図２は、図１における異常判定を示すブロック図である。図３は、同実施の形態におけるロボットの異常判定方法の、モータ出力トルク値および外力トルク値の単位時間内平均値演算処理を示すフローチャートである。図４は、同実施の形態におけるロボットの異常判定方法の、モータ出力トルク値および外力トルク値の移動平均値に基づく異常判定基準値設定処理を示すフローチャートである。
　なお、本実施の形態で説明するロボットの異常判定方法は、例えば、図１１に示す従来と同様の溶接システムの構成に適用できる。すなわち、本実施の形態は、図１１に示す溶接システムにおけるロボット制御装置１１０での制御方法が従来とは異なる。したがって、本実施の形態では、図１１に示す溶接システムの構成を例として説明する。
　図１において、位置指令θｃｏｍは、ユーザにより指示された始点位置および終点位置に基づいて得られる。位置制御部６は、位置指令θｃｏｍと、後述するモータ／外力トルク部１８からフィードバックされたモータ角速度ωｍとを入力として比例制御（Ｐ制御）を行い、速度指令ωｃｏｍを出力する。速度制御部１０は、速度指令ωｃｏｍと、フィードバックされたモータ角速度ωｍを入力として比例・積分制御（ＰＩ制御）を行い、モータ電流指令Ｉｍを生成する。
　以下、図１に示すブロック図の動作を詳細に説明する。図１において、位置制御部６は、位置指令θｃｏｍ（例えば、トーチを搭載したロボットの関節角）と、フィードバックされたモータ角速度ωｍ（例えば、ロボット角軸の角速度）を積分したモータ位置θｍとの差分値に基づいて、速度指令ωｃｏｍを生成する。
　速度制御部１０は、速度指令ωｃｏｍと、フィードバックされたモータ角速度ωｍの差分値に基づいてモータ電流指令Ｉｍを生成する。
　モータ／外力トルク部１８は、溶接トーチ１０４と溶接トーチ１０４を回転させるモータとを含む。モータ／外力トルク部１８では、モータで発生するモータ出力トルク値τｍや、溶接トーチ１０４に加わる外力トルク値τｄｉｓや、移動摩擦トルク値τμが発生する。これらのトルク値に基づいて、モータ速度を制御するモータ角速度ωｍを出力し、位置制御部６および速度制御部１０にフィードバックする。モータ／外力トルク部１８は、制御系が駆動する負荷であって、モータ電流指令Ｉｍにより発生するモータ出力トルク値τｍによって、実際の角速度ωｍがどのように変化するかを示したものである。
　外力トルク推定部３０は、外力トルク値τｄｉｓをセンサレスで推定する。すなわち、外力トルク値τｄｉｓの推定値である外力トルク推定値τｄｉｓｏを出力する。
　ところで、外力トルク値をセンサレスで推定する方法としては、動力学演算方式や外乱推定オブザーバ方式が知られている。動力学演算方式は、モータの駆動電流で発生したトルク値からモータ及び減速機のイナーシャと摩擦で損失するトルク値を差し引いた減速機出力トルク値より、ロボットの逆動力学演算から求めたロボットの動力学トルク値を差し引いて外力トルク値を求める方式である（非特許文献１参照）。外乱推定オブザーバ方式は、外乱推定オブザーバを用いて衝突力を求める方式である。本実施の形態では、前者の動力学演算方式を用いた場合を例にして説明する。
　図１において、モータ出力トルク値τｍは、減速機が剛体であると仮定すると、モータ駆動側から見た場合は（数１－１）で示され、負荷側から見た場合は（数１－２）で示される。
　τｍ＝Ｋｔ×Ｉｍ　　　（数１－１）
　τｍ＝τｄｙｎ＋τｄｉｓ＋Ｊｍ×αｍ＋Ｄ×ωｍ＋τμ　　　（数１－２）
　Ｋｔ：モータトルク定数
　Ｉｍ：モータ電流
　ωｍ：モータ角速度
　αｍ：モータ角加速度（モータ角速度ωｍの微分値）
　Ｊｍ：モータイナーシャ（ロータ＋減速機１次側）
　Ｄ：粘性摩擦係数
　τμ：動摩擦トルク値
　τｄｙｎ：動力学トルク値（重力トルク値と慣性力と遠心力とコリオリ力の和）
　τｄｉｓ：外力トルク値
　また、動摩擦トルク値τμは、以下に示す（数２）で計算できる。
　τμ＝Ｋμ×ｓｇｎ　　　（数２）
　Ｋμ：動摩擦の大きさ
　ｓｇｎ＝１（ωｍ＞０）、０（ωｍ＝０）、－１（ωｍ＜０）
　また、（数１－２）の右辺にある外力トルク値τｄｉｓは、（数１－１）と（数１－２）より、以下に示す（数３）に変形して求めることが出来る。
　τｄｉｓ＝Ｋｔ×Ｉｍ－（Ｊｍ×αｍ＋Ｄ×ωｍ＋Ｋμ×ｓｇｎ＋τｄｙｎ）　　　（数３）
　なお、（数３）において、Ｋｔ×Ｉｍ－Ｊｍ×αｍ－Ｄ×ωｍ－Ｋμ×ｓｇｎはモータが減速機に出力するトルク値である。
　図１において、外力トルク推定部３０は、（数３）の演算を行うブロックとして示している。
　外力トルク推定部３０において、動力学トルク推定値τｄｙｎｏは、動力学トルク演算部２６において、ロボットを構成する全軸のモータ角速度ωｍのフィードバックとロボットの機械パラメータを用いて逆動力学演算を実行することで求められる。また、モータ出力トルク推定値τｍｏは、モータ電流指令Ｉｍを用いて（数１－１）で計算される。外力トルク推定部３０は、動力学トルク推定値τｄｙｎｏとモータ出力トルク推定値τｍｏを用いて、（数３）から外力トルク推定値τｄｉｓｏを求める。その結果、外力トルク推定値τｄｉｓｏとモータ出力トルク推定値τｍｏを異常判定装置３２へ出力する。
　図２は、図１における異常判定装置３２の詳細を示すブロック図である。図２を用いて、異常判定装置３２の動作を説明する。なお、以下の説明において、単位時間とは異常判定を行う間隔と定義する。この単位時間は、例えば１時間等である。また、ロボットが停止している時間は除き、稼動している時間をいう。
　単位時間平均部３５では、外力トルク推定部３０から出力されたモータ出力トルク推定値τｍｏおよび外力トルク推定値τｄｉｓｏのそれぞれの絶対値の単位時間平均値であるモータ出力トルク平均値τｍAおよび外力トルク平均値τｄAを算出する。
　この算出方法を図３のフローチャートに示す。図３の処理はモータ出力トルク推定値τｍｏおよび外力トルク推定値τｄｉｓｏの演算周期毎に実施する。
　図３において、まず、当該軸角速度ωｍおよび他軸角速度ωｍの中で絶対値が最大の角速度ωｍＭＡＸが、平均処理の実行を判定する予め定められた角速度閾値ωｍｔｈより大きいかどうかを判定する（ステップＳ３０１）。ステップＳ３０１で、最大角速度ωｍＭＡＸが角速度閾値ωｍｔｈより大きい場合に（ステップＳ３０１のＹ）ステップＳ３０２に進み、それ以外（ステップＳ３０１のＮ）では処理を終了させる。なお、ステップＳ３０１の条件を設ける理由は、ロボットがユーザによる停止操作やセンサ信号入力待ち等で停止している場合、その停止時間は不確定であり、その状態も含めて単位時間平均すると、平均値にバラツキが生じるからである。また、ここでは、モータ角速度を監視する例を挙げたが、ロボットが動作していることが確認できれば、他の方法を用いても良い。例えばロボットプログラム内で動作命令が実行されている時、位置指令が生成されている時等でロボット動作の判定をしても良い。
　ステップＳ３０２では、モータ出力トルク推定値の絶対値｜τｍｏ｜の積算値τｍＳおよび外力トルク推定値の絶対値｜τｄｉｓｏ｜の積算値τｄＳおよび積算回数ｉを演算する。
　その後、ステップＳ３０３では、積算回数ｉが予め定めた平均回数ｎｕｍに到達したかを判断する。ステップＳ３０３で、積算回数ｉが平均回数ｎｕｍに到達していれば（ステップＳ３０３のＹ）ステップＳ３０４に進み、到達していなければ（ステップＳ３０３のＮ）処理を終える。
　ステップＳ３０４では、各積算値τｍＳ、τｄＳを平均回数ｎｕｍで割り、ロボット動作の単位時間平均値であるモータ出力トルク平均値τｍＡおよび外力トルク平均値τｄＡを算出する。
　例えばロボット動作の単位時間を１時間と設定し、モータ出力トルク推定値τｍｏおよび外力トルク推定値τｄｉｓｏが１０ミリ秒毎に演算されていたとすると、平均回数はｎｕｍ＝３６００００回と言うことになる。
　次に、この単位時間平均値（例えば、１時間の平均値）であるモータ出力トルク平均値τｍＡと外力トルク平均値τｄＡをデータ蓄積部３６に蓄積する。単位時間ｊ回目（例えば、単位時間が１時間であればｊ時間目）のモータ出力トルク平均値τｍＡをτｍＡ［ｊ］と定義する。現在が単位時間でｘ回目で、ｘ回目までの蓄積個数をＮ個（Ｎは正の整数）としたとすると、モータ出力トルク値τｍＡ［ｘ－Ｎ＋１］からτｍＡ［ｘ］までのデータを蓄積する。
　例えば、現在が単位時間で１０００回目（ｘ＝１０００）、データ蓄積個数が４８個（Ｎ＝４８）とすると、モータ出力トルク値τｍＡ［９５３］からτｍＡ［１０００］までのデータを蓄積していることになる。単位時間が１時間であると、ロボット動作４８時間分のデータを蓄積することになる。外力トルク平均値τｄＡ[ｊ]についても同様である。
　移動平均部３７では、データ蓄積部３６に蓄積されたＮ個分のデータの現在の移動平均τｍＡＡ［ｘ］およびτｄＡＡ［ｘ］を、単位時間ｘ回目のモータ出力トルク平均値および単位時間ｘ回目の外力トルク平均値に対して、それぞれ（数４－１）、（数４－２）により求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　異常判定基準値設定部３８では、図４に示すフローチャートに基づいて、モータ出力トルク値の単位時間内平均値τｍＡ［ｘ－ＮＮ＋１］（ＮＮは正の整数）からτｍＡ［ｘ］までのデータが、単位時間Ｎ個の移動平均値τｍＡＡ[ｘ]を基準として、一定範囲内のバラツキに収まっているかを判断する。すなわち、ＮＮ個の単位時間内平均値τｍＡ［ｊ］と単位時間Ｎ個の移動平均値τｍＡＡ[ｊ]との差が、予め定めた所定値より小さいかどうかを判断する。その結果、一定の範囲内にあれば、その単位時間Ｎ個の移動平均値τｍＡＡ[ｘ]を基準値として設定する。その後、設定した移動平均値τｍＡＡ[ｘ]の基準値に基づいて、図２に示すモータ出力トルク異常判定基準値τｍｔｈ（第１の異常判定値）および外力トルク異常判定基準値τｄｔｈ（第２の異常判定値）を決定し、異常判定基準値設定済フラグｆｔｈに「１」をセットする。
　以下、図４のフローチャートを説明する。図４に示すフローチャートは、異常判定単位時間毎に実施する。図４において、ステップＳ４０１では、異常判定基準値設定済フラグｆｔｈが「０」かどうかを判定する。ステップＳ４０１で、異常判定基準値設定済フラグｆｔｈが「０」であれば（ステップＳ４０１のＹ）、異常判定基準値が設定されていないのでステップＳ４０２へ進む。ステップＳ４０１で、異常判定基準値設定済フラグｆｔｈが「１」であれば（ステップＳ４０１のＮ）、既に異常判定基準値が設定されているので処理を終了する。
　ステップＳ４０２では、モータ出力トルク値の平均値τｍＡ［ｘ－ｋ］と移動平均値τｍＡＡ［ｘ］の差の絶対値が、単位時間平均のバラツキを判断する閾値τｍｔｈ１より小さいかを判定する。モータ出力トルク値の平均値τｍＡ［ｘ－ｋ］と移動平均値τｍＡＡ［ｘ］の差の絶対値が閾値τｍｔｈ１より小さい場合は（ステップＳ４０２のＹ）、ステップＳ４０３に移行する。しかし、それ以外の場合は（ステップＳ４０２のＮ）、処理を終了する。なお、閾値τｍｔｈ１は、例えば実験等により予め求めておくことができる。図５に示す本実施の形態では、モータ最大トルク値の５％としている。この値は、小さくするほど、負荷率が安定して一定になるまで、モータ発生トルク異常判定基準値τｍｈが定まらない。つまり、基準値の妥当性は向上するものの、基準値が定まらないので異常判定がなかなか実施されないと言うことになる。したがって、この値は、実際の使用状況から適切な値に定めればよい。
　ステップＳ４０３では演算ステップ数ｋに「１」を加算する。ステップＳ４０４では、演算ステップ数ｋがバラツキ判定個数ＮＮ回に到達しているかどうか判定する。ステップＳ４０３で演算ステップ数ｋがＮＮ回に到達していれば（ステップＳ４０３のＹ）、制御系が安定していると判断してステップＳ４０５へ移行する。しかし、演算ステップ数ｋがＮＮ回に到達していない場合は（ステップＳ４０３のＮ）、制御系がまだ安定していないと判断してステップＳ４０２へ戻る。
　ステップＳ４０５では、ＮＮ個のモータ出力トルク平均値τｍＡ［ｘ］が一定のバラツキ範囲内であったときの移動平均値τｍＡＡ［ｘ］に基づいて、モータ出力トルク異常判定基準値τｍｈを計算する。さらに、このときの外力トルク異常判定基準値τｄｔｈを計算し、異常判定基準値設定済フラグｆｔｈに「１」をセットして処理を終える。なお、モータ出力トルク異常判定基準値τｍｈは、移動平均値τｍＡＡ［ｘ］にモータ出力トルク異常基準値を設定するための加算値τｍｔｈ２（第１の所定値）を加算して算出する。また、このときの外力トルク異常判定基準値τｄｔｈは、移動平均値τｄＡＡ［ｘ］に外力トルク異常判定基準値を設定するための加算値τｄｔｈ２（第２の所定値）を加算して算出する。ここで、モータ出力トルク異常基準値を設定するための加算値τｍｔｈ２と外力トルク異常判定基準値を設定するための加算値τｄｔｈ２は、例えば実験等により予め決めておくことができる値である。図６に示す本実施の形態では、モータ最大トルクの８％としている。また、図７に示す本実施の形態では、５％としている。この値は、小さくするほど、異常判定の感度が高くなるが、誤判定の可能性も大きくなる。したがって、この値は、実際の使用状況から適切な値に定めればよい。
　ここまでの処理を説明するための波形を図５、図６、図７に示す。図５は、図４のフローチャートにおけるモータ出力トルク移動平均値に基づく異常判定基準値設定課程を説明するための第１の図である。図５において、横軸は単位時間処理回数ｘである（例えば単位時間が１時間であればｘ時間）。縦軸はモータトルク最大値に対するモータ出力トルク平均値τｍＡの比率である。なお、本実施の形態では、理解を助けるために、以下「比率」という表現を用いずに、単に「モータ出力トルク平均値τｍＡ」などと言う。「×」印で示しているのはモータ出力トルク値の単位時間内平均値τｍＡであり、実線（図５では黒点で示されている）は単位時間Ｎ個の移動平均値τｍＡＡである。図５では、蓄積個数（移動平均個数）Ｎと、バラツキ判定個数ＮＮが「２４」のときを示しており、ｘ＝２４のとき初めて移動平均τｍＡＡ［２４］は計算される。この時点では、移動平均τｍＡ［１］～τｍＡ［２４］は移動平均τｍＡＡ［２４］を基準に±τｍｔｈ１の範囲外にもデータがある。そのため、図４のステップＳ４０２の条件式が満たされず、ステップＳ４０５でのモータ出力トルク異常判定基準値τｍｔｈの計算は行われない。
　図６は、図５と同様に、ｘ＝３７まで時間が経過した時の波形である。図６では、単位時間２４個の３７回目の移動平均値τｍＡＡ［３７］を基準に、モータ出力トルク平均値τｍＡ［１４］～τｍＡ［３７］の２４個（ＮＮ個に相当）は全て±τｍｔｈ１の範囲内にデータがあるので、図４のステップＳ４０２の条件式が満たされる。したがって、ステップＳ４０５でのモータ出力トルク異常判定基準値τｍｔｈの計算が行われ、異常判定基準値設定済フラグｆｔｈに１がセットされる。具体的には、モータ出力トルク異常判定基準値τｍｔｈは、単位時間２４個３７回目の移動平均値τｍＡＡ［３７］を基準値としてモータ出力トルク異常判定閾値を設定するための加算値τｍｔｈ２を加算することで算出される。
　図７は外力トルク値の変化を示した図で、図６と同じくｘ＝３７まで時間が経過した時の波形を示している。「×」印で示しているのは外力トルク値の単位時間内平均値τｄＡであり、実線は単位時間Ｎ個の移動平均値τｄＡＡである。上記のように、ｘ＝３７の時点でモータ出力トルク平均値の基準値を設定したので、図７では、この時点で図４のステップＳ４０５での外力トルク異常判定基準値τｄｔｈの計算が行われる。具体的には、外力トルク異常判定基準値τｄｔｈは、単位時間２４個３７回目の移動平均値τｄＡＡ［３７］を基準値として外力トルク異常判定閾値を設定するための加算値τｄｔｈ２を加算することで算出される。
　すなわち、図４、図６からわかるように、モータ出力トルク値τｍＡとモータ出力トルク平均値τｍＡＡとの差が予め定めた所定の値τｍｔｈ１より小さいときのモータ出力トルク平均値τｍＡＡを、モータ出力トルク平均値の基準値と設定する。このときの外力トルク推定平均値τｄＡＡを外力トルク推定平均値の基準値τｄＡＡと設定する。
　言い換えると、連続するＮ個分のモータ出力トルク平均値τｍＡが全て±τｍｔｈ１の範囲内にデータがあるとき、モータ出力トルク平均値の基準値が得られたことになる。
　以上のように、モータ出力トルク異常判定基準値τｍｔｈおよび外力トルク異常判定基準値τｄｔｈは、図４のステップＳ４０２の条件判断で、モータ出力トルク値の平均値τｍＡのバラツキが小さくなった時点で計算される。すなわち、ロボットの使用状況が落ちついてきた時点で、予め記憶されたプログラムに基づくロボットの動作パターンに応じて自動的に計算される。従って、予め基準データを計測する必要もなく、基準となる動作パターンでロボットを動作させる必要もない。
　図２の異常判定部４０では、図８のフローチャートに従い異常判定を行う。図８の処理は異常判定単位時間毎（例えば１時間毎）に実施する。図８のステップＳ８０１では、異常判定基準値設定済フラグｆｔｈに１がセットされているのかを確認する。ステップＳ８０１で、異常判定基準値設定済フラグｆｔｈに１がセットされていれば（ステップＳ８０１のＹ）ステップＳ８０２へ進み、それ以外（ステップＳ８０１のＮ）は処理を終了する。
　ステップＳ８０２では、モータ出力トルク値の移動平均値τｍＡＡ［ｘ］が、モータ出力トルク異常判定基準値τｍｔｈより大きいかどうかを判断する。ステップＳ８０２でモータ出力トルク値の移動平均値τｍＡＡ［ｘ］がモータ出力トルク異常判定基準値τｍｔｈより大きい場合（ステップＳ８０２のＹ）は、ステップＳ８０３へ進み、それ以外（ステップＳ８０２のＮ）は処理を終了する。
　ステップＳ８０３では、外力トルク値の移動平均値τｄＡＡ［ｘ］が、外力トルク異常判定基準値τｄｔｈより大きいかどうかを判断する。ステップＳ８０３で外力トルク値の移動平均値τｄＡＡ［ｘ］が、外力トルク異常判定基準値τｄｔｈより大きい場合（ステップＳ８０３のＹ）は、ステップＳ８０４へ進み、それ以外（ステップＳ８０３のＮ）はステップＳ８０５へ進む。
　ステップＳ８０４では、異常判定フラグｆＬに「１」をセットし処理を終了する。ステップＳ８０５では、異常判定基準値設定済フラグｆｔｈに「０」をセットし、異常判定基準値設定部３８での処理（図４のフローチャート）を再開させる。
　図８の処理を説明するための波形図を図９と図１０に示す。図９は、図６の波形をｘ＝１４０回まで進めた波形を示している。図９において、ｘ＝９０回目近傍から故障による摩擦増加でモータ出力トルク値の移動平均値τｍＡＡ［ｘ］が徐々に増加している。ｘ＝１２０回目でモータ出力トルク異常判定基準値τｍｔｈを越えており、ステップＳ８０２の条件が満たされる。
　図１０は、図７の波形をｘ＝１４０回まで進めた波形を示している。図１０において、ｘ＝１２０回目で、外力トルク値の移動平均値τｄＡＡ［１２０］が、外力トルク異常判定基準値τｄｔｈを越えており、ステップＳ８０３の条件が満たされる。この場合、ステップＳ８０４では、異常判定フラグｆＬに「１」がセットされ、図１の異常警告表示部３４で異常警告処理を行う。
　図１０において、もしｘ＝１２０回目で、外力トルク値の移動平均値τｄＡＡ［１２０］が、外力トルク異常判定基準値τｄｔｈ以下であれば、ステップＳ８０３の条件が満たされない。この場合は、判定基準値設定済フラグｆｔｈに「０」をセットし、異常判定基準値設定部３８での処理（図４のフローチャート）を再開させる。すなわち、モータ出力トルク異常判定基準値τｍｔｈと外力トルク異常判定基準値τｄｔｈを求める処理を再度行い、これらを新たな基準値として異常判断処理を行う。
　なお、ステップＳ８０２とステップＳ８０３で、モータ出力トルク値の移動平均値τｍＡＡの上昇と外力トルク値の移動平均値τｄＡＡの上昇の両方で判定している理由は、外力トルク値の移動平均値τｄＡＡが上昇しても、モータ出力トルク値の移動平均値τｍＡＡが減少するような場合もあり、このような場合の誤判定を避けるためである。例えば、ケーブルの張力増加がロボットの重力を支える力になるような場合がこれに該当する。
　さらには、モータ出力トルク値の移動平均値τｍＡＡが上昇しても、外力トルク値の移動平均値τｄＡＡが上昇しないような場合もある。このような場合の誤判定を避けるためにも、ステップＳ８０２とステップＳ８０３で、モータ出力トルク値の移動平均値τｍＡＡの上昇と外力トルク値の移動平均値τｄＡＡの上昇の両方を条件として判定している。例えば、ロボットの作業内容が変わり、ロボットプログラムがユーザにより書き換えられた場合、モータ出力トルク平均値τｍＡＡは上昇する可能性がある。しかし、外力トルク平均値τｄＡＡは特に外力が増加するわけではないので、装着負荷のパラメータが正しく入力されている場合は上昇しない。
　ところで、本発明では、装着負荷のパラメータが正しく入力されていない場合でも、異常判定の誤判定の確率を減じることができる。
　（数３）で計算される外力推定トルク値τｄｉｓｏは、実際の外力トルク値τｄｉｓが「０」でも、装着負荷のパラメータに誤差があると、動力学トルク値τｄｙｎの計算に誤差を生じるため、「０」にはならない。誤差を含む動力学トルク値をτｄｙｎ＿ｅｒｒ、この推定誤差をΔτｄｉｓとすると（数５）が成立する。
　Δτｄｉｓ＝Ｋｔ×Ｉｍ－（Ｊｍ×α＋Ｄ×ωｍ＋Ｋμ×ｓｇｎ
　　　　　　　＋τｄｙｎ＿ｅｒｒ）　　　（数５）
　この動力学トルク演算に誤差がある状態で、実際の故障で摩擦トルク値がΔτμ増えたとすると、外力トルク推定値τｄｉｓｏは（数６）で計算される。
　τｄｉｓｏ＝Ｋｔ×Ｉｍ
　　　　　　－（Ｊｍ×α＋Ｄ×ωｍ＋（τμ＋Δτμ）×ｓｇｎ
　　　　　　＋τｄｙｎ＿ｅｒｒ）
　　　　　＝Δτｄｉｓ＋Δτμ×ｓｇｎ　　　（数６）
　このとき、（数６）で、｜Δτμ｜＞｜Δτｄｉｓ｜であれば、つまり動力学トルク演算誤差があっても、その誤差に起因する推定誤差より故障による摩擦トルク値増加が上回れば、Δτｄｉｓの符号に関わりなく、外力トルク推定値τｄｉｓｏの絶対値は（数７－１）、（数７－２）で表すことができる。
　｜τｄｉｓｏ［＋］｜＝　Δτｄｉｓ＋Δτμ　　　（数７－１）
　｜τｄｉｓｏ［－］｜＝－Δτｄｉｓ＋Δτμ　　　（数７－２）
　｜τｄｉｓｏ［＋］｜：モータが正方向回転時の外力トルク推定値の絶対値
　｜τｄｉｓｏ［－］｜：モータが負方向回転時の外力トルク推定値の絶対値
　ここで、ΔτｄｉｓとΔτμの単位時間平均をそれぞれΔτｄＡ、ΔτμＡとすると、外力トルク推定値τｄｉｓｏの絶対値の単位時間平均τｄＡは（数８－１）、（数８－２）のように表せる。
　τｄＡ［＋］＝　ΔτｄＡ＋ΔτμＡ　　　（数８－１）
　τｄＡ［－］＝－ΔτｄＡ＋ΔτμＡ　　　（数８－２）
　τｄＡ［＋］：モータが正方向回転時の外力トルク推定値の絶対値の単位時間平均
　τｄＡ［－］：モータが負方向回転時の外力トルク推定値の絶対値の単位時間平均
　ここで、産業用ロボットの動作角度は有限であり、大きくても±３６０度程度であるので、それを駆動するモータが１方向のみに回転しつづけることはない。＋方向への回転角度と－方向への回転角度の差は最大で７２０度である。例えば、異常判定の単位時間を１時間にしておけば、延べ回転角度は数万度を超える場合が大半であるので、＋方向への回転角度と－方向への回転角度はほぼ同じと考えてよい。
　そこで、外力トルク推定値の単位時間平均τｄＡは、τｄＡ［＋］とτｄＡ［－］の平均をとればよいので（数９）で計算できる。
　τｄＡ＝（τｄＡ［＋］＋τｄＡ［－］）／２
　　　＝（ΔτｄＡ＋ΔτμＡ－ΔτｄＡ＋ΔτμＡ）／２
　　　＝ΔτμＡ　　　（数９）
　（数９）より、正確な負荷パラメータが入力されず動力学トルク演算に誤差があっても、その誤差に起因する推定誤差ΔτｄＡより故障による摩擦トルク値増加ΔτμＡが上回れば、故障に起因する摩擦トルク値増加ΔτμＡを正しく判断できることがわかる。
　つまり、正確な負荷パラメータが入力されていない場合、実際に故障により摩擦が増加しても、その摩擦トルク値増加ΔτμＡがパラメータ誤差に起因する誤差ΔτｄＡを下回っている時点では、図８のフローチャートのステップＳ８０３の条件が満たされない場合が発生する。したがって、この場合は異常判定基準値設定部３８での処理（図４のフローチャート）が再開され、異常判定閾値τｄｔｈが再設定される。しかし、摩擦トルク値増加ΔτμＡがさらに増加し、パラメータ誤差に起因する誤差ΔτｄＡを上回ると、外力トルク推定平均値τｄＡに摩擦トルク値増加ΔτμＡが正しく反映される。したがって、ステップＳ８０３が正しく判断される。以上の内容により誤判定の確率を減じることができる。
　なお、本実施の形態では、モータ出力トルク値を優先した場合を説明したが、モータ出力トルク値と外力トルク値の異常判定の順序を入れ替えて、外力トルク値を優先して異常判定を行うことができる。
　すなわち、まず、外力トルク推定値τｄＡのＮ個分の平均値である外力トルク推定平均値τｄＡＡが、所定のＮ個分の外力トルク推定平均値τｄＡから得た外力トルク推定平均値の基準値τｄＡＡに、第２の所定値τｄｔｈ２を加えた第２の異常判定基準値τｄｔｈを超えるか否かを、ロボットの動作中に判定する。次に、モータ出力トルク値τｍＡのＮ個分の平均値であるモータ出力トルク平均値τｍＡＡが、所定のＮ個分のモータ出力トルク平均値τｍＡから得たモータ出力トルク平均値の基準値τｍＡＡに、第１の所定値τｍｔｈ２を加えた第１の異常判定基準値τｍｔｈを超えるか否かを、ロボットの動作中に判定する。その結果、外力トルク推定平均値τｄＡＡが第２の異常判定基準値τｄｔｈ２を超え、かつ、モータ出力トルク平均値τｍＡＡが第１の異常判定基準値τｍｔｈを超えた場合に異常と判定するものである。
　この場合、Ｎ個の外力トルク推定値τｄＡと外力トルク推定平均値τｄＡＡとの差が予め定めた所定の値τｍｔｈ１より小さいときの外力トルク推定平均値τｄＡＡを、外力トルク推定平均値の基準値τｄＡＡと設定し、このときのモータ出力トルク平均値τｍＡＡをモータ出力トルク平均値の基準値τｍＡＡと設定する。
　また、外力トルク推定移動平均値が異常判定基準値を超えるが、モータ出力トルク移動平均値が異常判定基準値を超えない場合に、異常判定基準値設定部３８での処理（図４のフローチャート）を再開させ、モータ出力トルク異常判定基準値τｍｔｈと外力トルク異常判定基準値τｄｔｈを求める処理を再度行い、これらを新たな基準値として異常判断処理を行うようにしてもよい。
　また、本実施の形態では、モータ出力トルク値の絶対値のＮ個の移動平均値τｍＡＡにモータ出力トルク異常判定値を設定するための加算値τｍｔｈ２を加算してモータ出力トルク異常判定値算出し、その後のモータ出力トルク値の絶対値のＮ個の移動平均値τｍＡＡがモータ出力トルク異常判定値を超えるか否かを判定して異常を判定する例を示した。しかし、モータ出力トルク移動平均値とモータ出力トルク移動平均値の基準値との差が所定の値を超えるか否かを判定して異常を判定するようにしてもよい。なお、所定の値は、例えば実験等により予め決定することができる。
　また、本実施の形態では、外力トルク値の絶対値のＮ個の移動平均値τｄＡＡに外力トルク異常判定値を設定するための加算値τｄｔｈ２を加算して外力トルク異常判定値算出し、その後の外力トルク値の絶対値のＮ個の移動平均値τｄＡＡが外力トルク異常判定値を超えるか否かを判定して異常を判定する例を示した。しかし、外力トルク移動平均値と外力トルク移動平均値の基準値との差が所定の値を超えるか否かを判定して異常を判定するようにしてもよい。なお、所定の値は、例えば実験等により予め決定することができる。
　さらに、本実施の形態では、まず単位時間内のモータ出力トルク値τｍｏの他の平均値τｍＡを計算し、その後Ｎ個の他の平均値τｍＡからモータ出力トルク平均値（移動平均値）τｍＡＡを求めた。しかし、上記他の平均値τｍＡを求めなくても、モータ出力トルク値τｍｏからモータ出力トルク平均値（移動平均値）τｍＡＡを求めることも可能である。このことは、外力トルク推定平均値τｄＡＡを求める場合も同様である。
　また、本実施の形態では、任意の１つのモータについて異常判断を行うようにした。しかし、多関節ロボットは複数のモータを備えているので、本実施の形態と同様な方法で、全てのモータについて異常判定を行ってもよい。あるいは、特定のモータについて異常判定を行ってもよい。
　なお、本実施の形態のロボットには、例えばサーボモータが使用されており、このサーボモータの異常判定を行うものである。
　本発明は、基準データの測定、記憶を必要とせず、生産ライン稼働中の判定も可能で、正確な負荷パラメータが入力されていない場合や外力を受けた場合でも誤判定の確率を減じることができるので、動作中のロボットの異常判定方法として有用である。
　６　　位置制御部
　１０　　速度制御部
　１８　　モータ／外力トルク部
　２１　　方向判定部
　２６　　動力学トルク演算部
　３０　　外力トルク推定部
　３２　　異常判定装置
　３４　　異常警告表示部
　３５　　単位時間平均部
　３６　　データ蓄積部
　３７　　移動平均部
　３８　　異常判定基準値設定部
　４０　　異常判定部
　１０１　　溶接ワイヤ
　１０３　　ワイヤ送給モータ
　１０４　　溶接トーチ
　１０５　　溶接電源装置
　１０７　　母材
　１０８　　アーク
　１０９　　ロボット
　１１０　　ロボット制御装置
　１１１　　トーチケーブル
　１１２　　治具

Claims (10)

  1. モータ出力トルク値のＮ個分（Ｎは正の整数）の平均値であるモータ出力トルク平均値が、所定の前記Ｎ個分のモータ出力トルク平均値から得たモータ出力トルク平均値の基準値に、第１の所定値を加えた第１の異常判定基準値を超えるか否かを、ロボットの動作中に判定するステップと、
    外力トルク推定値のＮ個分の平均値である外力トルク推定平均値が、所定の前記Ｎ個分の外力トルク推定平均値から得た外力トルク推定平均値の基準値に、第２の所定値を加えた第２の異常判定基準値を超えるか否かを前記ロボットの動作中に判定するステップと、
    前記モータ出力トルク平均値が前記第１の異常判定基準値を超え、かつ、前記外力トルク推定平均値が前記第２の異常判定基準値を超えた場合に異常と判定するステップと
    を備えたロボットの異常判定方法。
  2. ＮＮ個（ＮＮは正の整数）のモータ出力トルク値と前記モータ出力トルク平均値との差が予め定めた所定の値より小さいときの前記モータ出力トルク平均値を、前記モータ出力トルク平均値の基準値と設定し、このときの前記外力トルク推定平均値を前記外力トルク推定平均値の基準値と設定するステップを備えた請求項１記載のロボットの異常判定方法。
  3. ＮＮ個の外力トルク推定値と前記外力トルク推定平均値との差が予め定めた所定の値より小さいときの前記外力トルク推定平均値を、前記外力トルク推定平均値の基準値と設定し、このときの前記モータ出力トルク平均値を前記モータ出力トルク平均値の基準値と設定するステップを備えた請求項１記載のロボットの異常判定方法。
  4. 前記モータ出力トルク平均値が前記第１の異常判定基準値を超え、前記外力トルク推定平均値が前記第２の異常判定基準値を超えない場合、または、前記外力トルク推定平均値が前記第２の異常判定基準値を超え、前記モータ出力トルク平均値が前記第１の異常判定基準値を超えない場合は、前記モータ出力トルク平均値の基準値と前記外力トルク推定平均値の基準値を設定する請求項２または３記載のロボットの異常判定方法。
  5. 前記モータ出力トルク値および前記外力トルク推定値は、予め決められた単位時間内の前記モータ出力トルク値および前記外力トルク推定値の他の平均値である請求項１記載のロボットの異常判定方法。
  6. モータ出力トルク値のＮ個分（Ｎは正の整数）の平均値であるモータ出力トルク平均値と、所定の前記Ｎ個分のモータ出力トルク平均値から得たモータ出力トルク平均値の基準値との差が、第１の所定の値を超えるか否かを、ロボットの動作中に判定するステップと
    外力トルク推定値のＮ個分の平均値である外力トルク推定平均値と、所定の前記Ｎ個分の外力トルク推定平均値から得た外力トルク推定平均値の基準値との差が、第２の所定の値を超えるか否かを、前記ロボットの動作中に判定するステップと、
    前記モータ出力トルク平均値と前記モータ出力トルク平均値の基準値との差が前記第１の所定の値を超え、かつ、前記外力トルク推定平均値と前記外力トルク推定平均値の基準値との差が前記第２の所定の値を超えた場合に異常と判定するステップと
    を備えたロボットの異常判定方法。
  7. ＮＮ個のモータ出力トルク値と前記モータ出力トルク平均値との差が予め定めた所定の値より小さいときの前記モータ出力トルク平均値を、前記モータ出力トルク平均値の基準値と設定し、このときの前記外力トルク推定平均値を前記外力トルク推定平均値の基準値と設定するステップを備えた請求項６記載のロボットの異常判定方法。
  8. ＮＮ個の外力トルク推定値と前記外力トルク推定平均値との差が予め定めた所定の値より小さいときの前記外力トルク推定平均値を、前記外力トルク推定平均値の基準値と設定し、このときの前記モータ出力トルク平均値を前記モータ出力トルク平均値の基準値と設定するステップを備えた請求項６記載のロボットの異常判定方法。
  9. 前記モータ出力トルク平均値と前記モータ出力トルク平均値の基準値との差が前記第１の所定の値を超え、かつ、前記外力トルク推定平均値と前記外力トルク推定平均値の基準値との差が前記第２の所定の値を超えない場合、または、前記外力トルク推定平均値と前記外力トルク推定平均値の基準値との差が前記第２の所定の値を超え、かつ、前記モータ出力トルク平均値と前記モータ出力トルク平均値の基準値との差が前記第１の所定の値を超えない場合には、前記モータ出力トルク平均値の基準値と前記外力トルク推定平均値の基準値を設定する請求項７または８記載のロボットの異常判定方法。
  10. 前記モータ出力トルク値および前記外力トルク推定値は、予め決められた単位時間内の前記モータ出力トルク値および前記外力トルク推定値の他の平均値である請求項６記載のロボットの異常判定方法。
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