WO2016190141A1

WO2016190141A1 - ロボット装置及びステッピングモータ制御装置

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Publication number: WO2016190141A1
Application number: PCT/JP2016/064404
Authority: WO
Inventors: 尹　祐根
Original assignee: ライフロボティクス株式会社
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2016-05-15
Publication date: 2016-12-01
Also published as: JP6633296B2; TW201644182A; JP2016221604A

Abstract

ダイレクトティーチングにおける作業者の負担軽減及び作業者の安全性向上。ロボット装置は、ステッピングモータをアクチュエータとする関節部（Ｊ１－Ｊ６）を有するアーム機構と作業者によるダイレクトティーチングを制御する制御部（１００）とを備える。制御部（１００）は、関節部（Ｊ１－Ｊ６）の関節変数、アーム機構を構成するアームの重心質量に基づいて関節部にかかる自重による負荷トルクに等価で逆向きの静止トルクを計算するトルク計算部（１０４）と、ステッピングモータに静止トルクを発生させるために必要な励磁電流値を計算する電流値計算部（１０５）と、励磁電流値を静止指令とともにステッピングモータのドライバに出力する出力部（１０７）と、これら計算処理、励磁電流値と静止指令の出力処理を作業者によるアームの手動操作期間にわたって繰り返すために各部を制御するシステム制御部（１０１）とを有する。

Description

ロボット装置及びステッピングモータ制御装置

　本発明の実施形態はロボット装置及びステッピングモータ制御装置に関する。

　ステッピングモータは、回転角がパルス信号の数に比例するので基本的にフィードバック回路の必要性がなく、オープンループ制御が可能であることで、ＡＣモータ、ＤＣモータよりも有利である反面、過負荷がかかったり、パルス周波数が高すぎると同期外れで制御が乱れるいわゆる「脱調」が生じるとのデメリットがある。このデメリットによりロボット装置のアクチュエータとしてステッピングモータを採用することは一般的ではない。

　その一方で、ロボット装置では、オペレータはロボットアームが動くべき作業点や経由点、また作業点での手先作業内容などの動作をロボット装置に教示する必要があり、実際に作業者がアームを動かしてその動作を教示することをダイレクトティーチングと呼ばれる。

　一般的には、ダイレクトティーチングでは、ロボットアームの重量により一人の作業者では動かせない事態も生じている。典型的には、ロボットアームの重量をカウンターウェイトによりキャンセルし、またモータアシスト機能により作業者がロボットアームを動かす方向にアクチュエータで動かすような制御により、作業者がロボットアームを動かす力を軽減させるように様々な対策がなされている。

　前者の対策では、ロボットアーム自体の重量が増加してしまう。後者では駆動されたロボットアームの移動による作業者に衝突する恐れがないとはいえない。

　目的は、ダイレクトティーチングにおける作業者の負担軽減及び作業者の安全性向上にステッピングモータの脱調現象を活用することにある。

　本実施形態による「ステッピングモータをアクチュエータとする関節部を有するアームを備えたロボット装置のダイレクトティーチング制御装置」は、関節部の関節変数、アームの重心質量に基づいて関節部にかかる自重による負荷トルクに等価で逆向きの静止トルクをトルク計算部で計算する。この静止トルクをステッピングモータに発生させるために必要な励磁電流値を電流値計算部で計算する。出力部は励磁電流値を静止指令とともにステッピングモータのドライバに出力する。制御部によるトルク計算部、電流値計算部、出力部の制御により、静止トルクの計算処理、励磁電流値の計算処理、励磁電流値と静止指令の出力処理をオペレータによるアームの手動操作期間にわたって繰り返す。

図１は、本実施形態に係るロボット装置のロボットアーム機構の外観斜視図である。図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す側面図である。図３は、図１のロボットアーム機構の構成を図記号表現により示す図である。図４は、本実施形態に係るロボット装置の構成を示すブロック図である図５は、図４のダイレクトティーチング制御装置によるダイレクトティーチング時のアーム保持制御手順を説明するためのフローチャートである。図６は、図５の手順の説明補足図であって、アーム機構の３種の姿勢を示す図である。図７は、図５の手順の説明補足図であって、図６の姿勢変化に応じた、関節部Ｊ２のステッピングモータへの静止用励磁電流値の時間変化を示す図である。

　以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボット装置又はそれに装備されるダイレクトティーチング制御装置を説明する。本実施形態に係るダイレクトティーチング制御装置は、ロボットハンドによる作業が行われる作業位置や、作業位置から次の作業位置までに経由する経由位置等の手先軌道を作業者がロボット装置の、例えばロボットハンドを直接手で持って動かしてロボット装置に記憶させる、いわゆるダイレクトティーチングを支援するものである。ロボット装置は、ステッピングモータをアクチュエータとする関節部を有するロボットアーム機構を備える。当該ロボット装置としては、垂直多関節アーム機構を例に説明する。特に複数の関節部のうち一が直動伸縮関節を備えた垂直多関節アーム機構として説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

　本実施形態の主題は、ダイレクトティーチングにおける作業者の負担軽減及び作業者の安全性向上にステッピングモータの脱調現象を積極的に活用することにある。つまり、関節部にはそのアームの自重による負荷トルクがかかる。その負荷トルクを関節変数、アームの重心質量等に基づいて計算する。それと等価で逆向きの静止トルクをステッピングモータで発生させる。それによりアームはその位置でその自重と釣り合った状態で静止する。その状態で作業者がダイレクトティーチングにおいてアームを動かすと、静止トルクを超過する過負荷によりステッピングモータは脱調を生じる。従って作業者はアームを軽快に移動させることができる。アームが移動している間、その位置、姿勢ごとに静止トルクの計算が繰り返され、その位置でアームはその自重と釣り合う状態が維持される。このようにロボット装置の関節部のアクチュエータにステッピングモータを採用し、ステッピングモータに静止トルクを生じさせるようその駆動制御をすることで、ダイレクトティーチングにおける作業者の負担軽減及び作業者の安全性向上を実現できる。

　図１は、本実施形態に係るロボット装置の外観斜視図である。ロボット装置を構成するロボットアーム機構は、略円筒形状の基部１０と基部１０に接続されるアーム部２とアーム部２の先端に取り付けられる手首部４とを有する。手首部４には図示しないアダプタが設けられている。例えば、アダプタは後述の第６回転軸ＲＡ６の回転部に設けられる。手首部４に設けられたアダプタには、用途に応じたロボットハンドが取り付けられる。

　ロボットアーム機構は、複数、ここでは６つの関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基部１０から順番に配設される。一般的に、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は根元３軸と呼ばれ、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６はロボットハンドの姿勢を変化させる手首３軸と呼ばれる。手首部４は第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。根元３軸を構成する関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の少なくとも一つは直動伸縮関節である。ここでは第３関節部Ｊ３が直動伸縮関節部、特に伸縮距離の比較的長い関節部として構成される。アーム部２は直動伸縮関節部Ｊ３（第３関節部Ｊ３）の伸縮部分を表している。

　第１関節部Ｊ１は基台面に対して例えば垂直に支持される第１回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節である。第２関節部Ｊ２は第１回転軸ＲＡ１に対して垂直に配置される第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節である。第３関節部Ｊ３は、第２回転軸ＲＡ２に対して垂直に配置される第３軸（移動軸）ＲＡ３を中心として直線的にアーム部２が伸縮する関節である。

　第４関節部Ｊ４は、第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節である。第４回転軸ＲＡ４は、後述の第７関節部Ｊ７が回転していないとき、つまりアーム部２の全体が直線形状にあるとき、第３移動軸ＲＡ３と略一致する。第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して直交する第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節である。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４に対して直交し、第５回転軸ＲＡ５に対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした曲げ関節である。

　基部１０を成すアーム支持体（第１支持体）１１ａは、第１関節部Ｊ１の第１回転軸ＲＡ１を中心に形成される円筒形状の中空構造を有する。第１関節部Ｊ１は図示しない固定台に取り付けられる。第１関節部Ｊ１が回転するとき、アーム部２は第１支持体１１ａの軸回転とともに左右に旋回する。なお、第１支持体１１ａが接地面に固定されていてもよい。その場合、第１支持体１１ａとは独立してアーム部２が旋回する構造に設けられる。第１支持体１１ａの上部には第２支持部１１ｂが接続される。

　第２支持部１１ｂは第１支持部１１ａに連続する中空構造を有する。第２支持部１１ｂの一端は第１関節部Ｊ１の回転部に取り付けられる。第２支持部１１ｂの他端は開放され、第３支持部１１ｃが第２関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２において回動自在に嵌め込まれる。第３支持部１１ｃは第１支持部１１ａ及び第２支持部に連通する鱗状の外装からなる中空構造を有する。第３支持部１１ｃは、第２関節部Ｊ２の曲げ回転に伴ってその後部が第２支持部１１ｂに収容され、また送出される。ロボットアーム機構の直動伸縮関節部Ｊ３（第３関節部Ｊ３）を構成するアーム部２の後部はその収縮により第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂの連続する中空構造の内部に収納される。

　第３支持部１１ｃはその後端下部において第２支持部１１ｂの開放端下部に対して第２回転軸ＲＡ２を中心として回動自在に嵌め込まれる。それにより第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節部としての第２関節部Ｊ２が構成される。第２関節部Ｊ２が回動するとき、アーム部２は第２回転軸ＲＡ２を中心に垂直方向に回動、つまり起伏動作をする。

　第４関節部Ｊ４は、アーム部２の伸縮方向に沿ったアーム中心軸、つまり第３関節部Ｊ３の第３移動軸ＲＡ３に典型的には接する第４回転軸ＲＡ４を有するねじり関節である。第４関節部Ｊ４が回転すると、手首部４及び手首部４に取り付けられたロボットハンドは第４回転軸ＲＡ４を中心に回転する。第５関節部Ｊ５は、第４関節部Ｊ４の第４回転軸ＲＡ４に対して直交する第５回転軸ＲＡ５を有する曲げ関節部である。第５関節部Ｊ５が回転すると、第５関節部Ｊ５から先端にかけてロボットハンドとともに上下（第５回転軸ＲＡ５を中心に垂直方向）に回動する。第６関節部Ｊ６は、第４関節部Ｊ４の第４回転軸ＲＡ４に直交し、第５関節部Ｊ５の第５回転軸ＲＡ５に垂直な第６回転軸ＲＡ６を有する曲げ関節である。第６関節部Ｊ６が回転すると、ロボットハンドは左右に旋回する。

　上記の通り手首部４のアダプタに取り付けられたロボットハンドは、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６により任意姿勢に配置される。特に第３関節部Ｊ３のアーム部２の伸縮距離の長さは、基部１０の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にロボットハンドを到達させることを可能にする。第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮機構により実現される直線的な伸縮動作とその伸縮距離の長さとが特徴的である。

　図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す斜視図である。直動伸縮機構はアーム部２と射出部３０とを有する。アーム部２は第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２２とを有する。第１連結コマ列２１は複数の第１連結コマ２３からなる。第１連結コマ２３は略平板形に構成される。前後の第１連結コマ２３は、互いの端部箇所においてピンにより屈曲自在に列状に連結される。第１連結コマ列２１は内側や外側に自在に屈曲できる。

　第２連結コマ列２２は複数の第２連結コマ２４からなる。第２連結コマ２４は横断面コ字形状の短溝状体に構成される。前後の第２連結コマ２４は、互いの底面端部箇所においてピンにより屈曲自在に列状に連結される。第２連結コマ列２２は内側に屈曲できる。第２連結コマ２４の断面はコ字形状であるので、第２連結コマ列２２は、隣り合う第２連結コマ２４の側板同士が衝突して、外側には屈曲しない。なお、第１、第２連結コマ２３、２４の第２回転軸ＲＡ２に向いた面を内面、その反対側の面を外面というものとする。第１連結コマ列２１のうち先頭の第１連結コマ２３と、第２連結コマ列２２のうち先頭の第２連結コマ２４とは結合コマ２７により接続される。例えば、結合コマ２７は第２連結コマ２４と第１連結コマ２３とを合成した形状を有している。

　射出部３０は、複数の上部ローラ３１と複数の下部ローラ３２とが角筒形状のフレーム３５に支持されてなる。例えば、複数の上部ローラ３１は第１連結コマ２３の長さと略等価な間隔を隔ててアーム中心軸に沿って配列される。同様に、複数の下部ローラ３２は第２連結コマ２４の長さと略等価な間隔を隔ててアーム中心軸に沿って配列される。射出部３０の後方には、ガイドローラ４０とドライブギア５０とが第１連結コマ列２１を挟んで対向するように設けられる。ドライブギア５０は図示しない減速器を介してステッピングモータ３３０に接続される。第１連結コマ２３の内面には連結方向に沿ってリニアギアが形成されている。複数の第１連結コマ２３が直線状に整列されたときに互いのリニアギアは直線状につながって、長いリニアギアを構成する。ドライブギア５０は、直線状のリニアギアにかみ合わされる。直線状につながったリニアギアはドライブギア５０とともにラックアンドピニオン機構を構成する。

　アーム伸長時、モータ５５が駆動し、ドライブギア５０が順回転すると、第１連結コマ列２１はガイドローラ４０により、アーム中心軸と平行な姿勢となって、上部ローラ３１と下部ローラ３２との間に誘導される。第１連結コマ列２１の移動に伴い、第２連結コマ列２２は射出部３０の後方に配置された図示しないガイドレールにより射出部３０の上部ローラ３１と下部ローラ３２との間に誘導される。上部ローラ３１と下部ローラ３２との間に誘導された第１、第２連結コマ列２１，２２は互いに押圧される。これにより、第１、第２連結コマ列２１，２２による柱状体が構成される。射出部３０は、第１、第２連結コマ列２１，２２を接合して柱状体を構成するとともに、その柱状体を上下左右に支持する。第１、第２連結コマ列２１、２２の接合による柱状体が射出部３０により堅持されることで、第１、第２連結コマ列２１，２２の接合状態が保持される。第１、第２連結コマ列２１、２２の接合状態が維持されているとき、第１、第２連結コマ列２１，２２の屈曲は互いに拘束される。それにより第１、第２連結コマ列２１、２２は、一定の剛性を備えた柱状体を構成する。柱状体とは、第２連結コマ列２２に第１連結コマ列２１が接合されてなる柱状の棒体を言う。この柱状体は第２連結コマ２４が第１連結コマ２３とともに全体として様々な断面形状の筒状体に構成される。筒状体とは上下左右が天板、底板及び両側板で囲まれ、前端部と後端部とが開放された形状として定義される。第１、第２連結コマ列２１、２２の接合による柱状体は、結合コマ２７が始端となって、第３移動軸ＲＡ３に沿って直線的に第３支持部１１ｃの開口から外に向かって送り出される。

　アーム収縮時、モータ５５が駆動し、ドライブギア５０が逆回転されると、ドライブギア５０と係合している第１連結コマ列２１が第１支持体１１ａ内に引き戻される。第１連結コマ列の移動に伴って、柱状体が第３支持体１１ｃ内に引き戻される。引き戻された柱状体は射出部３０後方で分離される。例えば、柱状体を構成する第１連結コマ列２１はガイドローラ４０とドライブギア５０とに挟まれ、柱状体を構成する第２連結コマ列２２は重力により下方に引かれ、それにより第２連結コマ列２２と第１連結コマ列２１とは互いに離反される。離反された第１、第２連結コマ列２１，２２はそれぞれ屈曲可能な状態に復帰する。収納に際しては、射出部３０から、第１支持体１１ａ（基部１０）の内部の収納部に第２連結コマ列２２は内側に屈曲されて搬送され、第１連結コマ列２１も第２連結コマ列２２と同じ方向（内側）に屈曲されて搬送される。第１連結コマ列２１は第２連結コマ列２２に略平行な状態で格納される。

　図３は、図１のロボットアーム機構を図記号表現により示す図である。ロボットアーム機構において、根元３軸を構成する第１関節部Ｊ１と第２関節部Ｊ２と第３関節部Ｊ３とにより３つの位置自由度が実現される。また、手首３軸を構成する第４関節部Ｊ４と第５関節部Ｊ５と第６関節部Ｊ６とにより３つの姿勢自由度が実現される。

　ロボット座標系Σbは第1関節部Ｊ１の第１回転軸ＲＡ１上の任意位置を原点とした座標系である。ロボット座標系Σｂにおいて、直交３軸（Ｘｂ、Ｙｂ，Ｚｂ）が規定されている。Ｚｂ軸は第１回転軸ＲＡ１に平行な軸である。Ｘｂ軸とＹｂ軸とは互いに直交し、且つＺb軸に直交する軸である。手先座標系Σｈは、手首部４に取り付けられたロボットハンド５の任意位置（手先基準点）を原点とした座標系である。例えば、ロボットハンド５が２指ハンドのとき、手先基準点（以下、単に手先という。）の位置は２指先間中央位置に規定される。手先座標系Σｈにおいて、直交３軸（Ｘｈ、Ｙｈ，Ｚｈ）が規定されている。Ｚｈ軸は第６回転軸ＲＡ６に平行な軸である。Ｘｈ軸とＹｈ軸とは互いに直交し、且つＺｈ軸に直交する軸である。例えば、Ｘｈ軸は、ロボットハンド５の前後方向に平行な軸である。手先姿勢とは、手先座標系Σhのロボット座標系Σｂに対する直交３軸各々周りの回転角（Ｘｈ軸周りの回転角（ヨウ角）α、Ｙｈ軸周りの回転角（ピッチ角）β、Ｚｈ軸周りの回転角（ロール角）γとして与えられる。

　第１関節部Ｊ１は、第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂとの間に配設されており、回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節として構成されている。回転軸ＲＡ１は第１関節部Ｊ１の固定部が設置される基台の基準面ＢＰに垂直に配置される。

　第２関節部Ｊ２は回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節として構成される。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は空間座標系上のＸb軸に平行に設けられる。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対して垂直な向きに設けられる。さらに第２関節部Ｊ２は、第１関節部Ｊ１に対して、第１回転軸ＲＡ１の方向（Ｚb軸方向）と第１回転軸ＲＡ１に垂直なＹb軸方向との２方向に関してオフセットされる。第２関節部Ｊ２が第１関節部Ｊ１に対して上記２方向にオフセットされるように、第２支持体１１ｂは第１支持体１１ａに取り付けられる。第１関節部Ｊ１に第２関節部Ｊ２を接続する仮想的なアームロッド部分（リンク部分）は、先端が直角に曲がった２つの鈎形状体が組み合わされたクランク形状を有している。この仮想的なアームロッド部分は、中空構造を有する第１、第２支持体１１ａ、１１ｂにより構成される。

　第３関節部Ｊ３は移動軸ＲＡ３を中心とした直動伸縮関節として構成される。第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対して垂直な向きに設けられる。第２関節部Ｊ２の回転角がゼロ度、つまりアーム部２の起伏角がゼロ度であってアーム部２が水平な基準姿勢においては、第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２とともに第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１にも垂直な方向に設けられる。空間座標系上では、第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３はＸb軸及びＺb軸に対して垂直なＹb軸に平行に設けられる。さらに、第３関節部Ｊ３は、第２関節部Ｊ２に対して、その回転軸ＲＡ２の方向（Ｙb軸方向）と、移動軸ＲＡ３に直交するＺb軸の方向との２方向に関してオフセットされる。第３関節部Ｊ３が第２関節部Ｊ２に対して上記２方向にオフセットされるように、第３支持体１１ｃは第２支持体１１ｂに取り付けられる。第２関節部Ｊ２に第３関節部Ｊ３を接続する仮想的なアームロッド部分（リンク部分）は、先端が垂直に曲がった鈎形状体を有している。この仮想的なアームロッド部分は、第２、第３支持体１１ｂ、１１ｃにより構成される。

　第４関節部Ｊ４は回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節として構成される。第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４は第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３に略一致するよう配置される。　
　第５関節部Ｊ５は回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節として構成される。第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５は第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３及び第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４に略直交するよう配置される。　
　第６関節部Ｊ６は回転軸ＲＡ６を中心としたねじり関節として構成される。第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６は第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４及び第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に略直交するよう配置される。第６関節部Ｊ６は手先効果器としてのロボットハンド５を左右に旋回するために設けられている。なお、第６関節部Ｊ６は、その回転軸ＲＡ６が第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４及び第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に略直交する曲げ関節として構成されてもよい。

　このように複数の関節部Ｊ１－Ｊ６の根元３軸のうちの一つの曲げ関節部を直動伸縮関節部に換装し、第１関節部Ｊ１に対して第２関節部Ｊ２を２方向にオフセットさせ、第２関節部Ｊ２に対して第３関節部Ｊ３を２方向にオフセットさせることにより、本実施形態に係るロボット装置のロボットアーム機構は、特異点姿勢を構造上解消している。

　図４は、本実施形態に係るロボット装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係るロボット装置のロボットアーム機構の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５、Ｊ６には、アクチュエータとして、それぞれステッピングモータ３１０，３２０，３３０，３４０，３５０，３６０が設けられている。ここでは、ステッピングモータは５相ステッピングモータとする。ステッピングモータ３１０，３２０，３３０，３４０，３５０，３６０には、ドライバユニット２１０、２２０，２３０，２４０，２５０，２６０が電気的に接続されている。典型的には、ドライバユニット２１０、２２０，２３０，２４０，２５０，２６０は、それぞれ制御対象のステッピングモータに併設される。これらドライバユニット２１０、２２０，２３０，２４０，２５０，２６０は、同一の構成を有し、ダイレクトティーチング制御装置１００からの制御信号に従って、制御対象のステッピングモータに対して同一の動作をする。ここでは、ドライバユニット２１０のみ説明し、他のドライバユニット２２０，２３０，２４０，２５０，２６０の説明は省略する。

　ドライバユニット２１０は、ステッピングモータ３１０の駆動および停止を制御する。ドライバユニット２１０は、制御部２１１と、電源回路２１２と、パルス信号発生部２１３と、ロータリーエンコーダ２１５と、カウンタ２１７とを有する。制御部２１１は、ダイレクトティーチング制御装置１００から入力された指令値に従って、ドライバユニット２１０を統括して制御する。

　周知の通り、ステッピングモータ３１０は、ドライブシャフトが接続されたロータの周囲に複数のステータコイルを配置してなる。ステータコイルはスイッチング素子を介して電源回路に接続される。これらスイッチング素子をパルス信号により順番にオンさせることでロータは所定のステップ角で順次回転する。パルス信号の周波数（パルス周波数）を変化させることで回転速度を変える事ができる。特定のスイッチング素子のオン状態を継続させ、特定のステータコイルの通電状態を継続させることによりステッピングモータ３１０を静止させることができる。このときの静止トルクは電源回路からステータコイルに供給する励磁電流を変化させることで変更させることができる。なお、静止トルクはアームの自重による負荷トルクと釣り合うトルクであり、いわゆる励磁最大静止トルクとは明確に区別される。

　制御部２１１にはダイレクトティーチング制御装置１００からステッピングモータ３１０の励磁電流値を表す指令コードが入力される。制御部２１１は、電源回路２１２に対して、指令コードに応じた制御信号を出力する。電源回路２１２は、電流可変のＡＣ／ＤＣ変換方式電源回路であり、指令コードにより指定された励磁電流値の電流を発生する。発生された励磁電流はステッピングモータ３１０のステータコイルに供給される。

　また、ドライバユニット２１０内の制御部２１１には、ダイレクトティーチング制御装置１００からステッピングモータ３１０を現在位置で静止させるための静止指令信号が入力される。ステッピングモータ３１０は、現在位置に対応する相のステータコイルに継続的に電流を供給することによりその位置で静止する。そのために、静止指令信号として例えば関節部Ｊ１の現在の関節角度θ１（ｔ）（関節変数）を表すコードが与えられる。同様に、関節部Ｊ２，Ｊ４、Ｊ５，Ｊ６に対応するドライバユニット２２０，２４０，２５０，２６０各々には現在の関節角度θ２（ｔ）、θ４（ｔ）、θ５（ｔ）、θ６（ｔ）を表すコードを含む静止指令信号が、関節部Ｊ３に対応するドライバユニット２３０には現在の伸張距離（直動変位）Ｌ３（ｔ）を表すコードを含む静止指令信号がダイレクトティーチング制御装置１００から入力される。なお、関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ４，Ｊ５、Ｊ６において、関節角度とは、基準位置からの正負の回転角度を表し、関節部Ｊ３において、伸縮距離とは、最も収縮した状態からの距離を表す。関節角度と伸長距離とを関節変数と総称する。

　パルス信号発生部２１３は、現在の関節変数から、制御部２１１から指示された所定の制御周期△ｔ（例えば１０ｍｓ）後の関節角度との差をステップ角で除算することによりパルス数を決定し、制御周期△ｔをパルス数で除算しその逆数によりパルス周波数を決定する。静止時には、制御部２１１からは、所定の制御周期△ｔ（例えば１０ｍｓ）後の関節角度として、現在の関節変数が与えられる。それによりステッピングパルスはステッピングモータ３１０の複数の相（コイル）のうち、ステッピングモータ３１０の現在位置に対応する相だけに出力される。これにより、ステッピングモータ３１０は現在位置で留まることができる。このとき、ステッピングモータ３１０には、励磁電流値に応じた静止トルクが発生する。

　ロータリーエンコーダ２１５は、ステッピングモータ３１０のドライブシャフトに接続され、一定の回転角ごとにパルス信号（エンコーダパルス）を出力する。カウンタ２１７は、ロータリーエンコーダ２１５から出力されたエンコーダパルスの数を回転方向に応じて加減算することによりカウント数を計算する。このカウント数はステッピングモータ３１０のドライブシャフトの基準位置（原点）でリセットされる。カウンタ２１７は、リセット回数とカウント数とに基づいて関節部Ｊ１の関節角度θ１（ｔ）（関節変数）を計算する。

　ダイレクトティーチング制御装置１００は、システム制御部１０１と、操作部インターフェース１０２と、位置・姿勢記憶部１０３と、ダイナミクス計算部１０４と、静止用励磁電流決定部１０５と、出力部１０７と、ドライバユニットインターフェース１０６とを有する。ダイレクトティーチング制御装置１００には、ドライバユニット２１０から、カウンタ２１７により計算された関節部Ｊ１－Ｊ６各々の現在の関節変数に関するデータがドライバユニットインターフェース１０６を介して所定の制御周期毎（例えば、１０ｍｓ毎）に入力される。

　システム制御部１０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）と半導体メモリ等を有し、ダイレクトティーチング制御装置１００を統括して制御する。システム制御部１０１には、制御／データバス１０９を介して各部が接続されている。

　ダイレクトティーチング制御装置１００には、操作部インターフェース１０２を介して操作部５０が接続されている。操作部５０は、ダイレクトティーチングにおいて作業者が作業位置や経由位置、各作業位置での手先作業内容等を登録するためのインターフェースとして機能する。例えば、操作部５０は、ロボット装置の制御モードを、通常のモードからダイレクトティーチングのモードに切り替えるための切り替えスイッチを備える。また、操作部５０は、作業者が手先軌道を登録するための登録スイッチを備える。システム制御部１０１は、登録スイッチが押されたときの関節部Ｊ１－Ｊ６の関節変数のセットを登録スイッチが押された順番とともに後述の位置・姿勢記憶部１０３に順次記憶させる。操作部５０を構成する入力デバイスは、他のデバイス、例えば、マウス、キーボード、トラックボールおよびタッチパネル等で代替が可能である。

　位置・姿勢記憶部１０３は、ダイレクトティーチングにより作業者により教示された動作シーケンスデータを記憶する。動作シーケンスデータにおいて、手先基準点の始点、終点及び始点と終点との間の中間点とがロボット座標系で記述されている。これら各点には、関節部Ｊ１－Ｊ６各々の関節変数の値、移動時間、ロボットハンドの作業内容等の指令値が関連付けされている。移動時間とロボットハンドの作業内容とは、操作部５０を介した作業者の操作に従って、ダイレクトティーチング期間に登録されてもよいし、それ以外の期間に登録されてもよい。

　ダイナミクス計算部１０４はそのＲＯＭに６つの関節部Ｊ１－Ｊ６にそれぞれ対応するダイナミクスモデルを保管している。ダイナミクスモデルは、各関節部Ｊ１－Ｊ６にかかるトルクを関節変数に基づいて計算するための計算式である。ダイナミクスモデルは、当該ロボットアーム機構の構造的特徴、つまり関節部Ｊ１－Ｊ６を連結するリンク各々の重心位置、リンク質量、リンク長等に基づいて関節部Ｊ１－Ｊ６ごとに事前に計算されている。例えば、関節部Ｊ１には、ロボットアーム機構における関節部Ｊ１より先の構造的特徴に応じた自重による負荷トルクが発生される。例えば関節部Ｊ１用のダイナミクスモデルに、関節部Ｊ１－Ｊ６各々の現在の関節変数を適用することにより、関節部Ｊ１にかかるアーム自重による負荷トルクが計算される。さらにこの自重による負荷トルクに等価で逆向きのトルクが計算される。このトルクを関節部Ｊ１に発生させることにより、関節部Ｊ１ではアーム部２は重量と釣り合った状態で静止する。以下、このトルクを静止トルクと称する。他の関節部Ｊ２－Ｊ６も同様にそれぞれ対応するダイナミクスモデルにその時々の全関節部Ｊ１－Ｊ６の関節変数を適用することにより、アーム部２の自重に釣り合って静止するために関節部Ｊ２－Ｊ５に必要とされる静止トルクＴ２（ｔ）～Ｔ６（ｔ）が計算される。

　静止用励磁電流決定部１０５は、ステッピングモータ３１０に供給する励磁電流の励磁電流値Ｉｓ１（ｔ）を決定する。静止用励磁電流決定部１０５は、ステッピングモータ３１０のトルクと励磁電流値とを対応付けた対応表のデータを保持する。静止用励磁電流決定部１０５は、対応表を参照し、ダイナミクス計算部１０４で計算された関節部Ｊ１の静止トルクＴ１（ｔ）に対応する静止用の励磁電流値Ｉｓ１（ｔ）を決定する。静止用励磁電流決定部１０５は、同様の方法で、関節部Ｊ２－Ｊ６の静止用の励磁電流値Ｉｓ２（ｔ）～Ｉｓ６（ｔ）を計算する。

　なお、ここでは、静止用励磁電流決定部１０５は、ダイナミクス計算部１０４により計算された関節部Ｊ１の静止トルクＴ１（ｔ）に対応する静止用の励磁電流値Ｉｓ１（ｔ）を決定した。しかしながら、ダイナミクス計算部１０４による静止トルクの計算には、ロボットアーム機構の内部の摩擦力等の誤差要因が含まれている。したがって、静止用励磁電流決定部１０５は、関節部Ｊ１にダイナミクス計算部１０４により計算された静止トルクＴ１（ｔ）よりもわずかに大きい静止トルクを発生させるために、例えば、計算された静止トルクの１．１倍に対応する静止用の励磁電流値を決定してもよい。

　出力部１０７は、システム制御部１０１の制御に従って、ダイレクトティーチング制御装置１００で決定された関節部Ｊ１－Ｊ６に対応する指令値をドライバユニット２１０に対して出力する。具体的には、出力部１０７は、静止用励磁電流決定部１０５で決定された静止用の励磁電流値Ｉｓ１（ｔ）を表す指令コードを、ドライバユニット２１０から入力された現在の関節角度θ１（ｔ）を表すコードを含む静止指令信号とともにドライバユニット２１０に対して出力する。同様に、出力部１０７は、システム制御部１０１の制御に従って、関節部Ｊ２－Ｊ６毎の指令値（静止用の励磁電流値と現在の関節変数）をドライバユニット２２０～２６０に対して出力する。

　以下、本実施形態に係るロボット装置のダイレクトティーチング制御装置１００によるダイレクトティーチング時のアーム保持制御手順について図５を参照して説明し、その補足説明を図６、図７を参照して行う。図５は、図４のダイレクトティーチング制御装置１００によるダイレクトティーチング時のアーム保持制御手順を説明するためのフローチャートである。図６は、図５の手順の説明補足図であって、ロボットアーム機構の３種の姿勢を示す図である。図７は、図５の手順の説明補足図であって、図６の姿勢変化に応じた、関節部Ｊ２のステッピングモータに供給する静止用の励磁電流値の時間変化を示す図である。

　（工程Ｓ１）ダイレクトティーチングのモードに移行　
　操作部５０の切り替えスイッチによるダイレクトティーチングのＯＮ操作に従って、システム制御部１０１によりダイレクトティーチングプログラムが起動される。

　（工程Ｓ２）関節部の関節変数の入力　
　ダイレクトティーチングプログラムが起動され、まずドライバユニット２１０からダイレクトティーチング制御装置１００に、関節部Ｊ１－Ｊ６にそれぞれ対応する現在の関節変数θ１（ｔ）、θ２（ｔ）、Ｌ３（ｔ）、θ４（ｔ）、θ５（ｔ）、θ６（ｔ）が入力される。

　（工程Ｓ３）関節部Ｊ１－Ｊ６の静止トルクの計算処理　
　ダイナミクス計算部１０４により、関節部Ｊ１－Ｊ６各々の現在の関節変数θ１（ｔ）～θ６（ｔ）に基づいて、ダイナミクスモデルにより、関節部Ｊ１－Ｊ６各々にかかる自重による負荷トルクに等価で逆向きの静止トルクＴ１（ｔ）～Ｔ６（ｔ）が計算される。

　（工程Ｓ４）静止用の励磁電流値の計算処理　
　静止用励磁電流決定部１０５により、トルクと励磁電流値との対応表を参照することにより、工程Ｓ３でダイナミクス計算部１０４により計算された静止トルクＴ１（ｔ）～Ｔ６（ｔ）を、ステッピングモータ３１０～３６０が発生するために必要な静止用の励磁電流値Ｉｓ１（ｔ）～Ｉｓ６（ｔ）が決定される。

　（工程Ｓ５）ドライバユニットに出力　
　出力部１０７から関節部Ｊ１－Ｊ６のドライバユニット２１０～２６０各々の制御部２１１に指令値として、工程Ｓ４で決定された励磁電流値Ｉｓ１（ｔ）～Ｉｓ６（ｔ）を表すコードを、現在の関節変数θ１（ｔ）～θ６（ｔ）を表すコードを含む静止指令信号とともに出力される。

　（工程Ｓ６）ダイレクトティーチングの終了の判定処理　
　ダイレクトティーチングが行われている期間、少なくともオペレータによるハンドやアームの手動操作期間にわたって、工程Ｓ２～工程Ｓ５までの工程が所定の周期で繰り返し行わせるために、システム制御部１０１により各部が制御される。操作部５０の切り替えスイッチによるダイレクトティーチングのＯＦＦ操作に従って、システム制御部１０１によりダイレクトティーチングプログラムが終了される。

　次に、図５の補足説明を図６、図７を参照して行う。図６は、図５の手順の説明補足図であって、ロボットアーム機構の３種の姿勢を示す図である。図７は、図５の手順の説明補足図であって、図６の姿勢変化に応じた、関節部Ｊ２のステッピングモータ３２０への静止用励磁電流値の時間変化を示す図である。ここでは説明の便宜上、ステッピングモータ３２０は、５相（Ａ相～Ｅ相）、つまりペアのステータコイルが５セット装備されていると仮定する。図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）はそれぞれ時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２におけるロボットアーム機構の姿勢を示している。ここでは、時刻ｔ０にダイレクトティーチングが開始され、時刻ｔ１と時刻ｔ２とにロボットアーム機構が手動操作されたものとする。

　ダイレクトティーチング開始時（時刻ｔ０）において、関節部Ｊ２のステッピングモータ３２０には、図６（ａ）のロボットアーム機構の姿勢における関節部Ｊ２の現在位置に対応するＡ相（コイル）に、静止用の励磁電流値Ｉｔ０を有する励磁電流が供給される。これにより、ステッピングモータ３２０には、励磁電流値Ｉｔ０に対応する静止トルクが発生され、関節部Ｊ２は現在位置で静止される。この静止トルクは、図６（ａ）に示す姿勢のロボットアーム機構において、自重により関節部Ｊ２にかかる負荷トルクに逆向きで等価である。そのため、ステッピングモータ３２０は、少しでも負荷がかかるとすぐに脱調する状態である。そのため、作業者がロボットアーム機構に少しでも力をかけると、ステッピングモータ３２０に脱調が発生する。

　したがって、時刻ｔ１の作業者によるロボットアーム機構の手動操作において、作業者は大きな力を使うことなく、軽快な手動操作でロボットアーム機構を図６（ａ）に示す姿勢から図６（ｂ）に示す姿勢まで移動させることができる。ロボットアーム機構が移動されている期間、制御周期毎に指令値（現在の関節変数と励磁電流値）がダイレクトティーチング制御装置１００から、関節部Ｊ１－Ｊ６のドライバユニット２１０～２６０に出力される。そのため、作業者は、ロボットアーム機構を図６（ａ）に示す姿勢から図６（ｂ）に示す姿勢になるまで手動で移動させた後、ロボットアーム機構から手を離しても、ロボットアーム機構は作業者が手を離した時点での姿勢（図６（ｂ））で保持される。これは、作業者がロボットアーム機構から手を離した時点で、既に関節部Ｊ２のステッピングモータ３２０の現在位置に対応するＢ相（コイル）に、静止用の励磁電流値Ｉｔ１を有する励磁電流が供給されているからである。これにより、ステッピングモータ３２０には、励磁電流値Ｉｔ１に対応する静止トルクが発生され、関節部Ｊ２は現在位置で静止される。この静止トルクは、図６（ｂ）に示す姿勢のロボットアーム機構において、自重により関節部Ｊ２にかかる負荷トルクに逆向きで等価である。そのため、ステッピングモータ３２０は、少しでも負荷がかかるとすぐに脱調する状態である。したがって、時刻ｔ２の作業者によるロボットアーム機構の手動操作においても、作業者は大きな力を使うことなく、軽快な手動操作でロボットアーム機構を図６（ｂ）に示す姿勢から図６（ｃ）に示す姿勢まで移動させることができる。作業者は、ロボットアーム機構を図６（ｂ）に示す姿勢から図６（ｃ）に示す姿勢になるまで手動で移動させた後、ロボットアーム機構から手を離しても、ロボットアーム機構は作業者が手を離した時点での姿勢（図６（ｃ））で保持される。このとき、関節部Ｊ２のステッピングモータ３２０には、図６（ｃ）のロボットアーム機構の姿勢における関節部Ｊ２の現在位置に対応するＥ相（コイル）に、静止用の励磁電流値Ｉｔ１を有する励磁電流が供給される。なお、図６（ｂ）、図６（ｃ）のロボットアーム機構の姿勢における関節部Ｊ２に自重によりかかる重力方向に平行な負荷は、図６（ａ）のロボットアーム機構の水平姿勢のときに比べて小さい。そのため、励磁電流値Ｉｔ１、Ｉｔ２は励磁電流値Ｉｔ０よりも小さい。

　また、本実施形態に係るロボット装置のロボットアーム機構において、例えば、基部１０は基台面（地面）に垂直に設けられ、第１関節部Ｊ１は基台面に対して垂直な第１回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節である。そのため、ダイレクトティーチングにおいて、関節部Ｊ１は、関節部Ｊ１のステッピングモータ３１０に励磁電流を供給しない、いわゆるフリーの状態にする方がよい。したがって、システム制御部１０１は、ダイレクトティーチングにおけるアーム保持制御の制御対象から関節部Ｊ１に対応するドライバユニット２１０を除外し、関節部Ｊ１に対応するドライバユニット２１０に対する制御信号の出力処理を実行しなくてもよい。同様に、第３関節部Ｊ３を構成する直動伸縮機構において、アーム部２は射出部３０により支持されている。そのため、ダイレクトティーチングにおけるアーム保持制御において、関節部Ｊ３は、関節部Ｊ３のステッピングモータ３３０に励磁電流を供給しない、いわゆるフリーの状態にしてもよい。したがって、システム制御部１０１は、ダイレクトティーチングにおけるアーム保持制御の制御対象から関節部Ｊ３に対応するドライバユニット２３０を除外し、関節部Ｊ３に対応するドライバユニット２３０に対する制御信号の出力処理を実行しなくてもよい。

　以上説明した本実施形態に係るロボット装置のアーム保持制御によれば、関節部Ｊ１－Ｊ６に発生させる静止トルクを、ロボットアーム機構の姿勢変化に応じて動的に変更することができる。このとき、関節部Ｊ１－Ｊ６各々には、現在位置で静止し続けるために必要な最低限の静止トルクが発生される。当該静止トルクは、ロボットアーム機構の姿勢において自重により関節部Ｊ１－Ｊ６にかかる負荷と略等価または負荷よりもわずかに大きい値を有する。したがって、関節部Ｊ１－Ｊ６各々のステッピングモータは、少しの負荷がかかるとすぐに脱調してしまう状態にある。そのため、作業者によりロボットアーム機構が手動操作されると、ステッピングモータは静止トルク以上の負荷がかかるため脱調し、これにより、作業者は、ロボットアーム機構の手動操作を大きな力を使うことなく、軽快に行うことができる。また、作業者がロボットアーム機構から手を離した時点で、既に関節部Ｊ１－Ｊ６には、その位置で静止し続けるために必要な最低限の静止トルクがかけられているため、作業者は、ロボットアーム機構の姿勢を、ロボットアーム機構から手を離した状態で保持させることができる。

　ダイレクトティーチングにおいて、作業者は、ロボット装置に、動作シーケンスデータを教示するために、ロボットアーム機構の手動操作と、ロボットアーム機構の位置の登録作業とを繰り返し行う。ダイレクトティーチング期間、少なくとも作業者によるアームの手動操作期間にわたって、アーム保持制御により、作業者は大きな力を使うことなくロボットアーム機構の手動操作を行うことができ、ロボットアーム機構から手を離した位置でロボットアーム機構の姿勢を保持させることができる。したがって、本実施形態に係るロボット装置は、ステッピングモータの脱調現象を活用して、ダイレクトティーチングにおける作業者の負担を軽減し、作業者の安全性を向上させることができる。

　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

　５０…操作部、１００…ダイレクトティーチング制御装置、１０１…システム制御部、１０２…操作部Ｉ／Ｆ、１０３…位置・姿勢記憶部、１０４…ダイナミクス計算部、１０５…静止用励磁電流決定部、１０６…ドライバユニットＩ／Ｆ、１０７…出力部、１０９…制御／データバス、２１０～２６０…ドライバユニット、２１１…制御部、２１２…電源回路、２１３…パルス信号発生部、２１５…エンコーダ、２１７…カウンタ、３１０…ステッピングモータ

Claims

　ステッピングモータをアクチュエータとする関節部を有するアームを備えたロボット装置のダイレクトティーチング制御装置において、
　前記関節部の関節変数、前記アームの重心質量に基づいて前記関節部にかかる自重による負荷トルクに等価で逆向きの静止トルクを計算するトルク計算部と、
　前記ステッピングモータに前記静止トルクを発生させるために必要な励磁電流値を計算する電流値計算部と、
　前記励磁電流値を静止指令とともに前記ステッピングモータのドライバに出力する出力部と、
　前記静止トルクの計算処理、前記励磁電流値の計算処理、前記励磁電流値と前記静止指令の出力処理をオペレータによる前記アームの手動操作期間にわたって繰り返すために前記トルク計算部、前記電流値計算部、前記出力部を制御する制御部とを具備することを特徴とするダイレクトティーチング制御装置。
　前記アーム機構は、基部と、前記基部の略中心線に係る第1軸回りのねじり回転間接部と前記第1軸に直交する第２軸回りの曲げ回転間接部と前記第２軸に直交する第３軸に沿った直動伸縮性を有する直動伸縮関節部とを有し、
　前記制御部は、前記ねじり回転間接部に対しては前記静止トルクの計算処理、前記励磁電流値の計算処理、前記励磁電流値と前記静止指令の出力処理を実行しないことを特徴とする請求項１記載のダイレクトティーチング制御装置。
　前記制御部は、前記ねじり回転間接部とともに前期直動伸縮関節部に対しても前記静止トルクの計算処理、前記励磁電流値の計算処理、前記励磁電流値と前記静止指令の出力処理を実行しないことを特徴とする請求項２記載のダイレクトティーチング制御装置。
　ステッピングモータをアクチュエータとする関節部を有するアームを備えたアーム機構と、
　前記アームへのオペレータによるダイレクトティーチングを制御するダイレクトティーチング制御部とを備え、
　前記ダイレクトティーチング制御部は、
　前記関節部の関節変数、前記アームの重心質量に基づいて前記関節部にかかる自重による負荷トルクに等価で逆向きの静止トルクを計算するトルク計算部と、
　前記ステッピングモータに前記静止トルクを発生させるために必要な励磁電流値を計算する電流値計算部と、
　前記励磁電流値を静止指令とともに前記ステッピングモータのドライバに出力する出力部と、
　前記静止トルクの計算処理、前記励磁電流値の計算処理、前記励磁電流値と前記静止指令の出力処理をオペレータによる前記アームの手動操作期間にわたって繰り返すために前記トルク計算部、前記電流値計算部、前記出力部を制御する制御部とを有することを特徴とするロボット装置。