WO2022102585A1 - 電動機が出力する回転力を伝達する動力伝達機構の異常を検出する異常検出装置 - Google Patents

電動機が出力する回転力を伝達する動力伝達機構の異常を検出する異常検出装置 Download PDF

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WO2022102585A1
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variable
power transmission
transmission mechanism
angle
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義晃 横山
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ファナック株式会社
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    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/022—Power-transmitting couplings or clutches
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/088—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices with position, velocity or acceleration sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0095—Means or methods for testing manipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears
    • B25J9/103—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears with backlash-preventing means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means

Definitions

  • the present invention relates to an abnormality detection device that detects an abnormality in a power transmission mechanism that transmits a rotational force output by an electric motor.
  • the rotational force output from the motor is transmitted to other members via the power transmission mechanism.
  • a power transmission mechanism for example, a speed reducer that increases the rotational force output from an electric motor and transmits it to other members is known.
  • Power transmission mechanisms such as speed reducers deteriorate and break down when used for a long period of time.
  • a control of acquiring a rotation angle from an encoder attached to an electric motor and detecting a tooth skipping of a gear arranged inside the reducer based on the rotation angle For example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 2020-104177 and International Publication No. 2014/098008). Further, as a method of using the encoder attached to the motor, there is known a control of arranging an encoder on the output shaft of the reducer to correct a position shift due to a twist caused in the reducer (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-). No. 171069).
  • Motors and power transmission mechanisms are installed in many machines.
  • a mechanism in which a member such as an arm is rotated by decelerating a rotational force output by an electric motor with a speed reducer at each joint portion.
  • the internal parts of the power transmission mechanism are driven in contact with each other. Parts inside the power transmission mechanism may wear. As a result, the rattling (play) between the internal parts becomes large. For example, the wear of the gears increases the backlash between the gears. As the wear of internal components progresses, the power transmission device fails and becomes unusable.
  • Machines may be used on production lines that manufacture products. In this case, if the machine suddenly fails, it will have a great impact on the production line on which the machine was used.
  • an electric motor and a power transmission mechanism are used in the transport machine, if the transport machine fails, the desired transport cannot be performed.
  • Machines equipped with motors and power transmission mechanisms preferably do not fail at unexpected times. It is preferable to be able to detect an abnormality in the power transmission mechanism before a failure that makes the machine unusable occurs.
  • the abnormality detection device of the first aspect of the present disclosure detects an abnormality of the power transmission mechanism that transmits the rotational force output by the electric motor.
  • the abnormality detector includes a first rotation position detector for detecting the rotation angle of the input shaft of the power transmission mechanism and a second rotation position detector for detecting the rotation angle of the output shaft of the power transmission mechanism. , It is provided with an operation control unit that controls the operation of the electric motor.
  • the abnormality detection device includes a detection unit that detects an abnormality in the power transmission mechanism based on the output of the first rotation position detector and the output of the second rotation position detector.
  • the motion control unit controls the motor so that the position acquired from the output of the second rotation position detector corresponds to the position defined in the motion program.
  • the detection unit is a rotation angle acquired from the output of the first rotation position detector based on the output of the first rotation position detector, the output of the second rotation position detector, and the reduction ratio of the power transmission mechanism.
  • the detection unit includes a determination unit that determines whether or not the power transmission mechanism is abnormal based on variables.
  • the abnormality detection device of the second aspect of the present disclosure detects an abnormality of the power transmission mechanism that transmits the rotational force output by the electric motor.
  • the abnormality detector includes a first rotation position detector for detecting the rotation angle of the input shaft of the power transmission mechanism and a second rotation position detector for detecting the rotation angle of the output shaft of the power transmission mechanism. , It is provided with an operation control unit that controls the operation of the electric motor.
  • the abnormality detection device includes a detection unit that detects an abnormality in the power transmission mechanism based on the output of the first rotation position detector.
  • the motion control unit controls the motor so that the position acquired from the output of the second rotation position detector corresponds to the position defined in the motion program.
  • the detection unit includes a variable setting unit that sets a variable including the rotation angle acquired from the output of the first rotation position detector without including the rotation angle acquired from the output of the second rotation position detector. ..
  • the detection unit includes a determination unit that determines whether or not the power transmission mechanism is abnormal based on variables.
  • an abnormality detection device that accurately detects an abnormality in the power transmission mechanism.
  • FIG. 3 is an enlarged partial cross-sectional view of a joint portion of a robot according to an embodiment. It is a graph which shows the operation pattern of a servomotor. It is a graph of the rotation angle based on the output of the encoder when the reducer is new. It is a graph of the rotation angle based on the output of the encoder when the wear of the gear of the reduction gear progresses. It is an enlarged view of the part A in FIG. It is a first enlarged sectional view of the part where the teeth of two gears come into contact with each other.
  • the power transmission mechanism transmits the rotational force output by the motor to other members.
  • Motors and power transmission mechanisms are arranged in various machines such as machines that convey objects, machines that move objects, or machines that manufacture objects.
  • a robot will be described as an example as a machine.
  • a speed reducer arranged at a joint portion of the robot will be described as an example.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a robot device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram of the robot device of the present embodiment.
  • the robot device 5 of the present embodiment conveys a work.
  • the robot device 5 includes a hand 2 as a work tool for gripping the work, and a robot 1 for moving the hand 2.
  • the robot 1 of the present embodiment is an articulated robot including a plurality of joint portions 18a, 18b, 18c.
  • the robot 1 includes a base portion 14 fixed to the installation surface and a swivel base 13 supported by the base portion 14.
  • the swivel base 13 rotates with respect to the base portion 14.
  • the robot 1 includes an upper arm 11 and a lower arm 12.
  • the lower arm 12 is supported by the swivel base 13 via the joint portion 18a.
  • the upper arm 11 is supported by the lower arm 12 via the joint portion 18b.
  • Robot 1 includes a list 15 attached to the end of the upper arm 11.
  • the wrist 15 is supported by the upper arm 11 via the joint portion 18c.
  • Listing 15 includes a flange 16 that secures the hand 2.
  • the robot 1 of the present embodiment has six drive shafts.
  • the robot 1 includes a servomotor 27 and a speed reducer 30 as electric motors for driving each component.
  • the servomotor 27 and the speed reducer 30 are arranged for each drive shaft.
  • the hand 2 of the present embodiment includes a hand drive motor 21 that drives the hand 2.
  • the claw portion of the hand 2 opens and closes when the hand drive motor 21 is driven.
  • the claw portion may be formed so as to be operated by air pressure. Further, any work tool can be attached to the robot according to the work performed by the robot device.
  • the robot device 5 includes a robot control device 4 that controls the robot 1 and the hand 2.
  • the robot control device 4 includes an arithmetic processing unit (computer) having a CPU (Central Processing Unit) as a processor.
  • the arithmetic processing device has a RAM (RandomAccessMemory), a ROM (ReadOnlyMemory), and the like connected to the CPU via a bus.
  • An operation program 41 created in advance for controlling the robot 1 and the hand 2 is input to the robot control device 4.
  • the robot 1 and the hand 2 are controlled based on the operation program 41.
  • the robot control device 4 includes a storage unit 42 that stores predetermined information.
  • the storage unit 42 stores information related to the control of the robot 1 and the hand 2.
  • the storage unit 42 can be composed of a non-temporary recording medium capable of storing information such as a volatile memory, a non-volatile memory, or a hard disk.
  • the robot control device 4 includes a display 46 that displays arbitrary information about the robot device 5.
  • the display 46 can be configured by a display panel such as a liquid crystal display panel.
  • the robot control device 4 includes an operation control unit 43 that sends an operation command for the robot 1 and the hand 2.
  • the operation control unit 43 controls the operation of the servo motor 27 and the operation of the hand drive motor 21.
  • the operation control unit 43 corresponds to a processor driven according to the operation program 41.
  • the motion control unit 43 is formed so that the information stored in the storage unit 42 can be read.
  • the processor functions as the operation control unit 43 by reading the operation program 41 stored in the storage unit 42 and performing the control defined in the operation program 41.
  • the operation control unit 43 sends an operation command for driving the robot 1 to the robot drive unit 45 based on the operation program 41.
  • the robot drive unit 45 includes an electric circuit that drives the servomotor 27.
  • the robot drive unit 45 supplies electricity to the servomotor 27 based on the operation command.
  • the operation control unit 43 sends an operation command for driving the hand 2 to the hand drive unit 44 based on the operation program 41.
  • the hand drive unit 44 includes an electric circuit for driving the hand drive motor 21.
  • the hand drive unit 44 supplies electricity to the hand drive motor 21 based on the operation command.
  • a speed reducer 30 as a power transmission mechanism is arranged at a joint portion of the robot 1.
  • the robot device 5 includes an abnormality detection device that detects an abnormality in the speed reducer 30.
  • the abnormality detection device of the present embodiment includes a robot control device 4, a first encoder 23 as a first rotation position detector for detecting the rotation angle of the output shaft of the servomotor 27, and a speed reducer 30. It includes a second encoder 24 as a second rotation position detector for detecting the rotation angle of the output shaft.
  • the rotation angle of the output shaft of the servomotor 27 corresponds to the rotation angle of the input shaft of the speed reducer 30.
  • the robot control device 4 includes a detection unit 51 that detects an abnormality in the speed reducer 30 based on the output of the first encoder 23 and the output of the second encoder 24.
  • the detection unit 51 includes a state acquisition unit 52 that acquires the operation state of the robot.
  • the detection unit 51 includes a variable setting unit 53 that sets variables for determining an abnormality of the speed reducer 30.
  • the detection unit 51 includes a determination unit 54 that determines whether or not the speed reducer 30 is abnormal based on variables.
  • the detection unit 51 includes an estimation unit 55 that estimates the number of executions or the drive time of work that causes an abnormality in the future.
  • the detection unit 51 includes a torsion angle calculation unit 56 that calculates a torsion angle between the input shaft and the output shaft of the reduction gear 30 based on the torque applied to the reduction gear 30.
  • the above-mentioned detection unit 51 corresponds to a processor driven according to the operation program 41. Further, each unit of the state acquisition unit 52, the variable setting unit 53, the determination unit 54, the estimation unit 55, and the helix angle calculation unit 56 included in the detection unit 51 corresponds to a processor driven according to the operation program 41.
  • the processor reads the operation program 41 and performs the control defined in the operation program 41 to function as each unit.
  • the servomotor 27 as an electric motor and the deceleration as a power transmission mechanism are arranged in the joint portion 18a between the swivel base 13 and the lower arm 12.
  • the machine 30 will be described.
  • FIG. 3 is an enlarged partial cross-sectional view of a joint portion arranged between the swivel base and the lower arm.
  • the lower arm 12 rotates with respect to the swivel base 13.
  • a servomotor 27 that drives the lower arm 12 with respect to the turning base 13 and a speed reducer 30 that increases the output torque of the servomotor 27 are arranged in the joint portion 18a.
  • the servomotor 27 is fixed to the swivel base 13 by bolts 29.
  • the servomotor 27 includes an output shaft 28 that projects toward the speed reducer 30 and outputs a rotational force.
  • the speed reducer 30 includes an input shaft 32 to which the rotational force of the output shaft 28 of the servomotor 27 is input.
  • the speed reducer 30 can reduce the rotation speed of the input shaft 32 of the speed reducer 30 to increase the rotation torque.
  • the speed reducer 30 includes a plurality of gears that transmit the rotational force of the input shaft 32, and an output shaft 33 that supports the plurality of gears.
  • the speed reducer 30 includes a speed reducer case 31 formed so as to surround the output shaft 33.
  • the speed reducer case 31 is formed in a cylindrical shape.
  • the input shaft 32 is rotatably supported by the output shaft 33.
  • the output shaft 33 is supported so as to rotate relative to the speed reducer case 31.
  • the reducer case 31 is fixed to the swivel base 13 with bolts 37. Further, the output shaft 33 of the speed reducer 30 is fixed to the lower arm 12 by bolts 36.
  • the input shaft 32 of the speed reducer 30 is connected to the output shaft 28 of the servomotor 27.
  • the output shaft 28 and the input shaft 32 rotate around the rotation shaft RA.
  • the rotation axis RA is the rotation axis of the joint portion 18a.
  • the reducer case 31 is immovable.
  • the output shaft 33 rotates with respect to the speed reducer case 31 due to the transmission of the rotational force of the gear.
  • the lower arm 12 rotates together with the output shaft 33.
  • a speed reducer 30 for example, an eccentric swing type planetary gear speed reducer can be adopted.
  • the speed reducer is not limited to this form, and a speed reducer having an arbitrary mechanism for changing the rotational force can be adopted.
  • the servomotor 27 is equipped with a first encoder 23 for detecting the rotational position of the output shaft 28 of the servomotor 27.
  • the rotation position of the output shaft 28 of the servomotor 27 corresponds to the rotation position of the input shaft 32 of the speed reducer 30. That is, the first encoder 23 is arranged so that the rotation position of the input shaft 32 of the speed reducer 30 can be detected.
  • a second encoder 24 for detecting the rotation position of the output shaft 33 of the speed reducer 30 is arranged.
  • the second encoder 24 has a scale 24a and a detection unit 24b arranged so as to face the scale 24a.
  • the scale 24a is fixed to the surface of the lower arm 12.
  • the scale 24a has a shape extending in the circumferential direction about the rotation axis RA.
  • the detection unit 24b is supported by the swivel base 13 via the support member 25.
  • a magnetic ring can be adopted as the scale 24a, and a magnetic sensor can be adopted as the detection unit 24b.
  • the surface of the scale 24a facing the detection unit 24b can be magnetized with S poles and N poles at regular intervals so that the detection unit 24b can detect a change in magnetic flux.
  • the second encoder is not limited to this form, and an optical encoder may be adopted.
  • the scale 24a is attached to the surface of the lower arm 12, but the present invention is not limited to this embodiment.
  • the second encoder can be arranged at an arbitrary position so as to detect the rotational position of the output shaft of the reducer.
  • the scale may be attached to the output shaft of the reducer.
  • the first encoder and the second encoder may be either an incremental type encoder or an absolute type encoder.
  • the motion control unit 43 of the present embodiment controls the rotational position of the servomotor 27 in order to control the position of the robot 1.
  • the position of the robot 1 is, for example, the position of the tool tip point of the work tool.
  • the position of the tip point of the work tool is determined by the position and posture of the swivel base 13, the lower arm 12, the upper arm 11, and the wrist 15.
  • the rotation position of the servomotor 27 is controlled based on the rotation position output from the first encoder 23.
  • the parts of the speed reducer may be deformed or distorted due to the force associated with the drive. As a result, a twist may occur between the input shaft and the output shaft of the reducer. Therefore, the rotation position of the output shaft 33 of the speed reducer 30 may deviate from the rotation position of the output shaft 28 of the servomotor 27.
  • a second encoder 24 for detecting the rotational position of the output shaft 33 of the speed reducer 30 is arranged.
  • the motion control unit 43 of the present embodiment controls the position and posture of the robot 1 based on the rotation position output from the second encoder 24.
  • the operation control unit 43 generates a position command for the servomotor 27 based on the operation program 41.
  • the operation control unit 43 acquires the rotation position from the second encoder 24.
  • the operation control unit 43 generates a position command so that the rotation position output from the second encoder 24 corresponds to the position defined in the operation program 41. In this way, position feedback control can be performed.
  • the motion control unit 43 generates a speed command based on the position command.
  • the motion control unit 43 calculates the rotation speed based on the rotation position output from the second encoder 24.
  • the motion control unit 43 generates a speed command so that the actual rotation speed corresponds to the rotation speed based on the motion program 41. In this way, speed feedback control can be performed.
  • the accuracy of the position and posture of the robot 1 is improved.
  • the accuracy of the movement path in which the position of the robot 1 moves is improved.
  • the detection unit 51 of the abnormality detection device determines the abnormality of the parts arranged inside the speed reducer 30.
  • the detection unit 51 detects an abnormality due to wear of parts.
  • the gears arranged inside the speed reducer 30 are worn.
  • the bearing arranged inside the speed reducer 30 may be worn.
  • the rolling element or the raceway ring of the rolling bearing may be worn by the operation of the robot.
  • the detection unit 51 of the present embodiment detects an abnormality such as an increase in rattling of a component that occurs before a large abnormality such as tooth skipping.
  • FIG. 4 shows a graph illustrating one operation pattern of the servomotor in the present embodiment.
  • the robot device 5 repeatedly carries out the work of transporting the work.
  • the robot 1 changes its position and posture in various patterns.
  • FIG. 4 shows the operation of the servomotor 27 corresponding to one operation of the robot 1. After the servomotor 27 is started at the time ts, the predetermined rotation speed is reached. The servomotor 27 is stopped at time te after being driven in a state where the rotation speed is constant. In order to detect an abnormality in the speed reducer 30, such an operation pattern of the servomotor 27 is selected in advance.
  • FIG. 5 shows a graph of the rotation angle based on the output of the encoder when the servomotor is driven by the operation pattern shown in FIG.
  • the operation is started at time ts and ends at time te.
  • the rotation angle indicates the amount of rotation when rotated by the motor. For example, when the output shaft makes one rotation, the rotation angle becomes 360 °. Over time, the angle of rotation obtained from the output of each encoder increases as shown by arrow 92.
  • FIG. 5 shows a rotation angle based on the output of the first encoder 23 and a rotation angle based on the output of the second encoder 24 in one operation of the robot.
  • the rotation angle of the input shaft 32 of the speed reducer 30 is calculated from the rotation position output from the first encoder 23.
  • the rotation angle of the input shaft 32 is divided by the reduction ratio of the speed reducer 30.
  • it is compared with the rotation angle based on the rotation position output from the second encoder 24.
  • the rotation angle based on the output of the second encoder may be multiplied by the reduction ratio and compared with the rotation angle based on the output of the first encoder.
  • the state acquisition unit 52 of the detection unit 51 is output from the rotation position output from the first encoder 23 and the second encoder 24 during the period in which the servomotor 27 is being driven. Detect the rotation position.
  • the state acquisition unit 52 stores the acquired rotation position of each encoder in the storage unit 42.
  • FIG. 5 shows the rotation angle when the speed reducer 30 is normal.
  • the rotation angle in the initial state when the speed reducer 30 is new is shown.
  • the angle of rotation is almost the same.
  • the difference between the rotation angle acquired from the output of the first encoder 23 and the rotation angle acquired from the output of the second encoder 24 is referred to as an angle difference.
  • the angle difference corresponds to a value ( ⁇ 1- ⁇ 2) obtained by subtracting the rotation angle ⁇ 2 acquired from the output of the second encoder 24 from the rotation angle ⁇ 1 acquired from the output of the first encoder 23.
  • ⁇ 1- ⁇ 2 a value obtained by subtracting the rotation angle ⁇ 2 acquired from the output of the second encoder 24 from the rotation angle ⁇ 1 acquired from the output of the first encoder 23.
  • ⁇ 12i a slight angle difference ⁇ 12i in the angle of rotation.
  • FIG. 6 shows a graph of the rotation angle based on the output of the encoder when the wear of the parts of the speed reducer progresses.
  • FIG. 7 shows an enlarged view of part A in FIG.
  • FIG. 7 is a graph near the time ts when the measurement of the rotation angle is started.
  • the position of the robot 1 is controlled based on the output of the second encoder 24.
  • the rotation angle acquired from the output of the second encoder 24 is set to 0 at the predetermined time ts when the operation of the robot 1 is started.
  • an angle difference ⁇ 12 is generated based on the rotation angle ⁇ 1 acquired from the output of the first encoder 23 and the rotation angle ⁇ 2 acquired from the output of the second encoder 24.
  • the angle difference ⁇ 12 can be a positive number or a negative number depending on the contact state of the teeth of the gear.
  • FIG. 8 shows a first enlarged cross-sectional view of a portion where the teeth of the two gears are in contact with each other.
  • FIG. 9 shows a second enlarged cross-sectional view of the portion where the teeth of the two gears are in contact with each other.
  • 8 and 9 are schematic views showing the difference in the contact state of the teeth of the gears facing each other.
  • the gear 71 on the input side rotates in the direction indicated by the arrow 98.
  • the teeth of the gear 71 on the input side shown in FIG. 8 are in contact with the teeth of the gear 72 on the output side on the tooth surface on the rotation direction side.
  • FIG. 8 shows a first enlarged cross-sectional view of a portion where the teeth of the two gears are in contact with each other.
  • FIG. 9 shows a second enlarged cross-sectional view of the portion where the teeth of the two gears are in contact with each other.
  • 8 and 9 are schematic views showing the difference in the contact state of the teeth of the gears facing each other.
  • the tooth of the gear 71 on the input side is in contact with the tooth of the gear 72 on the output side on the tooth surface opposite to the rotation direction.
  • the difference in the contact state of these teeth is caused by gravity, inertial force when the robot operates, or other external force.
  • the angle difference is not limited to the value ( ⁇ 1- ⁇ 2) obtained by subtracting the rotation angle ⁇ 2 acquired from the output of the second encoder 24 from the rotation angle ⁇ 1 acquired from the output of the first encoder 23, and is not limited to rotation.
  • a value ( ⁇ 2- ⁇ 1) obtained by subtracting the rotation angle ⁇ 1 from the angle ⁇ 2 may be adopted.
  • the absolute value of the rotation angle obtained from the output of the first encoder 23 and the rotation angle obtained from the output of the second encoder 24 obtained by subtracting the other rotation angle from the rotation angle is adopted. It doesn't matter.
  • the angle difference ⁇ 12 is ( ⁇ 1- ⁇ 2) and the gears come into contact with each other as shown in FIG. 8 will be described.
  • the abnormality of the speed reducer 30 is detected based on the variable including the angle difference.
  • the variable of this embodiment is an evaluation variable for evaluating whether or not the speed reducer 30 is abnormal.
  • the variable setting unit 53 calculates the angle difference ⁇ 12 as the first variable.
  • the variable setting unit 53 divides the rotation angle acquired from the output of the first encoder 23 by the reduction ratio of the speed reducer 30.
  • the variable setting unit 53 calculates the angle difference ⁇ 12 obtained by subtracting the rotation angle acquired from the output of the second encoder 24 from this rotation angle.
  • the determination unit 54 determines whether or not an abnormality has occurred in the speed reducer 30.
  • the variable setting unit 53 can adopt the maximum value of the angle difference ⁇ 12 from the time ts to the time te as the angle difference ⁇ 12 used for determining the abnormality.
  • a plurality of times may be set and the average value of the variables at the plurality of times may be adopted.
  • the angle difference ⁇ 12 may be converted into an absolute value before calculating the maximum value or the average value.
  • the maximum value or the average value when the operation pattern of the servomotor 27 is carried out can be adopted as the variable used for determining the abnormality.
  • FIG. 10 shows a graph of variables with respect to the number of times the robot moves.
  • the horizontal axis is the number of times the predetermined operation of the robot 1 is executed.
  • the horizontal axis corresponds to, for example, the number of times the servomotor 27 has executed the predetermined operation shown in FIG.
  • the horizontal axis may be the drive time when the robot 1 executes a predetermined operation.
  • the vertical axis is a variable for determining whether or not an abnormality has occurred in the speed reducer 30.
  • the determination unit 54 determines that an abnormality has occurred when the variable VX exceeds the determination value.
  • the determination unit 54 determines that an abnormality has occurred when the number of executions N is completed. For example, when the angle difference ⁇ 12 as the first variable exceeds the determination value, it can be determined that the speed reducer 30 is abnormal. Alternatively, the determination unit 54 can determine that the wear of the gear is progressing.
  • FIG. 11 shows another graph of variables with respect to the number of times the robot moves.
  • the determination unit 54 determines that the speed reducer 30 is abnormal when the rate of change of the variable VX with respect to the number of times the work is executed deviates from a predetermined determination range.
  • the slope of the variable VX at the number of executions (N-1) and the variable VX at the number of executions N is calculated.
  • the determination unit 54 determines that the speed reducer 30 is abnormal when the slope of the variable VX exceeds a predetermined determination value. That is, the determination unit 54 determines that the speed reducer 30 is abnormal when the inclination of the straight line 80 exceeds the determination value. For example, when the rate of change of the angle difference ⁇ 12 as the first variable exceeds the determination value, it is determined that the speed reducer 30 is abnormal.
  • the rate of change is not limited to two variables, and the rate of change may be calculated based on three or more variables.
  • the drive time in which the robot 1 or the servomotor 27 executes a predetermined operation may be adopted.
  • the determination unit can determine that the speed reducer is abnormal when the rate of change of the variable with respect to the drive time deviates from a predetermined determination range.
  • FIG. 12 shows a graph of the amount of increase in the variable with respect to the number of times the robot moves.
  • the abnormality of the speed reducer is determined based on the number of times the work is executed or the rate of change of the variable with respect to the drive time.
  • the determination unit 54 calculates the amount of increase in the variable VX for each number of times a predetermined operation is executed.
  • the amount of increase in the variable VX is calculated every time the operation of the robot 1 is performed 10,000 times.
  • the amount of increase in the variable VX increases.
  • the determination unit 54 determines that the speed reducer is abnormal when the increase amount of the variable VX deviates from a predetermined determination range.
  • the determination unit 54 can determine that the speed reducer 30 is abnormal when the amount of increase in the angle difference ⁇ 12 every 10,000 times exceeds a predetermined determination value.
  • the determination unit 54 can determine that an abnormality has occurred in the speed reducer when the number of executions reaches N times.
  • the amount of increase of the variable can be calculated for each predetermined length of the drive time.
  • the estimation unit 55 performs estimation control for estimating the number of executions or drive time of work in which an abnormality occurs in the future, based on the value of the variable with respect to the number of executions or drive time of the past work.
  • FIG. 13 shows a graph of variables with respect to the number of times the robot moves.
  • FIG. 13 is a graph illustrating control for estimating the number of executions of work in which an abnormality occurs in the estimation unit 55.
  • the variable VX increases as the number of executions increases, as shown by arrow 93.
  • the estimation unit 55 calculates an approximation line 81 indicating the tendency of change of the variable based on the value of the variable with respect to the number of executions of the past work. For example, an approximate line for the angle difference ⁇ 12 as the first variable can be calculated.
  • the estimation unit 55 can generate an approximate line showing a change tendency by arbitrary control.
  • the approximate line 81 of a straight line is generated by the least squares method using the values of all the variables VX in the past.
  • the approximate line is not limited to a straight line, but may be a curved line. Further, when generating an approximate line, a predetermined number of variables may be selected to generate an approximate line.
  • the estimation unit 55 estimates the number of executions of work whose approximation line deviates from a predetermined determination range as the number of executions of work in which an abnormality will occur in the future.
  • the number of executions NX in which the approximation line 81 exceeds a predetermined determination value is estimated as the number of executions in which an abnormality occurs.
  • the estimation unit 55 may adopt the drive time instead of the number of executions. That is, the estimation unit may calculate an approximate line indicating the tendency of the variable to change with respect to the drive time, and may estimate the drive time at which the approximate line deviates from the determination range as the drive time at which an abnormality occurs.
  • information on the abnormality detected by the detection unit 51 can be displayed on the display 46.
  • the operator can check the information regarding the abnormality displayed on the display 46 and plan the maintenance or inspection of the speed reducer 30. As a result, it is possible to prevent the speed reducer 30 from suddenly failing.
  • variable VX is not limited to the angle difference as the first variable, and a variable including the angle difference can be adopted.
  • the variable setting unit 53 determines the difference ( ⁇ 12 ⁇ 12i) between the angle difference ⁇ 12i when the speed reducer 30 is normal and the angle difference ⁇ 12 of the current speed reducer 30. It can be calculated as a variable VX.
  • the variable setting unit 53 can calculate the ratio ( ⁇ 12 / ⁇ 12i) between the predetermined angle difference when the speed reducer 30 is normal and the current speed reducer and the angle difference as the third variable VX. ..
  • a predetermined angle difference when the speed reducer 30 is normal the angle difference in the initial state when the speed reducer 30 is new is adopted.
  • the variable setting unit 53 can calculate the angle difference when the speed reducer 30 is new and store it in the storage unit 42.
  • variable setting unit 53 converts the difference between the angle difference ( ⁇ 12i) when the speed reducer 30 is normal and the angle difference ( ⁇ 12) when the speed reducer 30 is normal into the angle difference when the speed reducer 30 is normal.
  • the value divided by ( ⁇ 12 ⁇ 12i) / ⁇ 12i) can be calculated as the fourth variable VX.
  • the abnormality of the speed reducer 30 can be determined. Further, the estimation unit 55 can estimate the time when the abnormality occurs by performing the above-mentioned estimation control using each variable.
  • FIG. 14 shows another operation pattern of the servomotor that determines whether or not an abnormality has occurred in the reducer.
  • the servomotor 27 is temporarily stopped during the period from time ts to time te.
  • the servomotor 27 is stopped at time th1 and the servomotor 27 is started at time th2.
  • the variable setting unit 53 may calculate the variable based on the output of the encoder during the period when the servomotor 27 is stopped. For example, when calculating the angle difference ⁇ 12 which is the first variable, the variable setting unit 53 may calculate the angle difference ⁇ 12 while the servomotor 27 is stopped.
  • the angle difference when the speed reducer 30 is normal is included in the variables.
  • the angle difference when the speed reducer 30 is normal is subtracted from the angle difference of the current speed reducer 30. Therefore, the influence of twisting in the speed reducer 30 is eliminated.
  • the first variable the angle difference when the speed reducer 30 is normal is not included in the variable.
  • the determination control is performed using the first variable, the influence of the twist of the speed reducer 30 is included.
  • the helix angle calculation unit 56 of the detection unit 51 calculates the helix angle between the input shaft 32 and the output shaft 33 based on the torque applied to the output shaft 33 of the speed reducer 30.
  • the helix angle ⁇ t can be expressed by the equation (2).
  • ⁇ t T / k ... (2)
  • the torque T can be calculated by using the inertia calculated in advance and the angular velocity of the servomotor 27 when driving the robot 1.
  • the inertia can be calculated based on the weight and the position of the center of gravity of the constituent members of the robot 1 and the weight and the position of the center of gravity of the work.
  • the torque T related to the weight of the component for maintaining the position of the robot 1 can be calculated.
  • the torque T may be calculated using the current value of the servomotor 27. That is, the torque applied to the output shaft 28 of the servomotor 27 is calculated using the current value.
  • the torque T can be calculated by multiplying the torque applied to the output shaft 28 by the reduction ratio.
  • FIG. 15 shows a schematic diagram showing the operation of the robot for calculating the proportionality constant between the torque and the helix angle.
  • the lower arm 12 is rotated as shown by the arrow 95.
  • the robot 1 is stopped during this rotation operation. That is, the servomotor 27 arranged at the joint portion 18a is temporarily stopped.
  • the robot 1 is stopped when the lower arm 12 rotates from the moving point MPa to the moving point MPb.
  • the torque Ta and the angle difference ⁇ 12a are calculated.
  • the lower arm 12 is rotated from the moving point MPb to the moving point MPc to stop the robot 1.
  • the torque Tb and the angle difference ⁇ 12b are calculated.
  • the following equations (4) and (5) hold at the two moving points MPb and MPc.
  • the rattling component BL can be considered to be constant at the moving point MPb and the moving point MPc.
  • the proportionality constant k can be obtained in advance for each speed reducer.
  • the helix angle calculation unit 56 can calculate the helix angle ⁇ t by the equation (2) using the proportionality constant k, the position and attitude of the robot 1 acquired by the state acquisition unit 52, and the angular velocity of the servomotor 27. ..
  • the variable setting unit 53 can set a value ( ⁇ 12 ⁇ t) obtained by subtracting the helix angle ⁇ t from the angle difference ⁇ 12 based on the output of the first encoder 23 and the output of the second encoder 24 as a variable.
  • the determination unit 54 can perform the first determination control to the third determination control using the calculated variable.
  • the estimation unit 55 can estimate the time when the abnormality occurs by using the calculated variable. The estimation unit 55 can more accurately estimate the time when the failure occurs.
  • the second abnormality detection control for detecting the abnormality of the speed reducer 30 in the present embodiment will be described.
  • a variable including the rotation angle acquired from the output of the first encoder 23 is used without including the rotation angle acquired from the output of the second encoder 24.
  • the abnormality of the speed reducer 30 is determined.
  • the first determination control to the third determination control for determining the abnormality of the speed reducer 30 are the same as the first abnormality detection control.
  • the estimation control for estimating the time when the abnormality of the speed reducer 30 occurs is the same as the above-mentioned control.
  • FIG. 16 shows a graph of the rotation angle with respect to the time for explaining the second abnormality detection control in the present embodiment.
  • FIG. 16 shows an example in which the servomotor 27 is stopped during the operation period of the robot 1.
  • the vertical axis is the angle of rotation based on the output of each encoder.
  • FIG. 17 shows an enlarged view of the graph in the vicinity of the time when the measurement of the rotation angle is started.
  • FIG. 17 is an enlarged view of a portion B in FIG. 16 and 17 show the rotation angle based on the output of the first encoder 23 when the speed reducer 30 is new as the initial state of the speed reducer 30. Further, the rotation angle based on the output of the first encoder 23 when the speed reducer 30 is driven for a long time and the wear progresses is described.
  • the rotation position of the servomotor 27 is controlled based on the rotation position output from the second encoder 24. Therefore, the rotation angle ⁇ 2 based on the output of the second encoder 24 when the robot 1 performs a predetermined operation does not substantially change even if the parts of the speed reducer 30 are worn.
  • the difference between the rotation angle ⁇ 1 based on the output of the first encoder 23 and the rotation angle ⁇ 2 based on the output of the second encoder 24 becomes large. It changes gradually. In the examples shown in FIGS. 16 and 17, the rotation angle ⁇ 1 is increased with respect to the rotation angle ⁇ 2.
  • the abnormality of the speed reducer 30 is determined based on the rotation angle ⁇ 1 acquired from the output of the first encoder 23.
  • the variable setting unit 53 sets a variable including the rotation angle ⁇ 1 acquired from the output of the first encoder 23. Then, the determination unit 54 determines whether or not the speed reducer 30 is abnormal by the above-mentioned first determination control to the third determination control based on the variable determined by the variable setting unit 53.
  • the first variable in the second abnormality detection control is the rotation angle ⁇ 1 obtained by dividing the rotation angle acquired from the output of the first encoder 23 by the reduction ratio.
  • the determination unit 54 determines the abnormality of the speed reducer 30 based on the rotation angle ⁇ 1. For example, in the first determination control shown in FIG. 10, when the rotation angle ⁇ 1 exceeds a predetermined determination value, it can be determined that the speed reducer 30 is abnormal.
  • the second variables in the second abnormality detection control include a predetermined rotation angle ⁇ 1i acquired from the output of the first encoder 23 when the speed reducer 30 is normal, and the current first encoder 23.
  • the difference ⁇ 11 from the rotation angle ⁇ 1 acquired from the output can be adopted.
  • a value ( ⁇ 1- ⁇ 1i) obtained by subtracting the rotation angle ⁇ 1i when the speed reducer 30 is normal from the current rotation angle ⁇ 1 is adopted as the difference ⁇ 11.
  • the determination unit 54 determines an abnormality in the speed reducer 30 based on the difference in rotation angles ⁇ 11. In this way, the amount of change in the angle of rotation obtained from the output of the first encoder 23 may be adopted as a variable.
  • FIG. 18 shows a graph of the angle of rotation based on the output of the first encoder.
  • the rotation angle shown in FIG. 18 is the difference in the rotation position (phase) output from the first encoder 23.
  • the rotation angle may not be divided by the reduction ratio in order to make a determination based on the output of the first encoder 23.
  • the angle of rotation is not divided by the reduction ratio.
  • the predetermined rotation angle ⁇ 1i'based on the output of the first encoder 23 when the speed reducer 30 is normal and the rotation angle ⁇ 1'based on the output of the first encoder 23 when the parts are worn out are It is shown.
  • the variable setting unit 53 can set the rotation angle ⁇ 1'output from the first encoder 23 to the third variable.
  • the determination unit 54 determines the abnormality of the speed reducer 30 based on the rotation angle ⁇ 1'.
  • the variable setting unit 53 sets the difference ( ⁇ 1'- ⁇ 1i') between the rotation angle ⁇ 1i'when the speed reducer 30 is normal and the current rotation angle ⁇ 1' as the rotation angle difference ⁇ 11', and sets the fourth. Can be set to a variable.
  • the determination unit 54 determines the abnormality of the speed reducer 30 based on the difference in the rotation angle ⁇ 11'. As described above, in the second abnormality detection control, the abnormality can be determined without using the output from the second encoder.
  • the difference between the rotation angle when the speed reducer 30 is normal and the current rotation angle may be a positive value or a negative value.
  • the difference between the rotation angle when the speed reducer 30 is normal and the current rotation angle is not limited to the above-mentioned form, and is a value obtained by subtracting the current rotation angle from the rotation angle when the speed reducer 30 is normal.
  • the absolute value of the value obtained by subtracting the other rotation angle from one rotation angle may be adopted.
  • a device for detecting an abnormality of the speed reducer in the joint portion between the turning base and the lower arm is exemplified, but the present invention is not limited to this embodiment.
  • the abnormality detection device of the present embodiment can be applied to the detection of an abnormality of the speed reducer of an arbitrary joint portion.
  • the abnormality detection device of the present embodiment can detect an abnormality of a power transmission mechanism such as a speed reducer at an early stage. In particular, rattling due to wear of parts can be detected with high accuracy. Alternatively, it is possible to detect an abnormality due to deformation of a part or the like. For example, a maintenance or inspection plan for the reducer can be established before a failure such as tooth skipping occurs in the reducer. It is also possible to plan maintenance or inspection of the reducer before the accuracy of controlling the position and attitude of the robot deteriorates. Further, when the second encoder is arranged in order to accurately control the position of the constituent members of the machine, the abnormality of the power transmission mechanism can be detected without arranging an additional sensor.
  • the abnormality detection device of the present embodiment can be applied to any machine having an electric motor and a power transmission mechanism.
  • the power transmission mechanism for transmitting the rotational force of the motor to other members is not limited to the speed reducer, and any mechanism for transmitting the rotational force of the motor can be adopted.
  • the power transmission mechanism a mechanism including a gear, a mechanism including a belt drive, a mechanism including a universal joint, a link mechanism, or the like can be adopted.
  • a power transmission mechanism including a pulley and a belt will be described.
  • FIG. 19 shows a schematic side view of the motor and other power transmission devices.
  • a belt drive mechanism is adopted to supply a rotational force to a predetermined portion of the machine.
  • the machine includes a servomotor 27 and a power transmission mechanism 59 that transmits the rotational force of the servomotor 27.
  • the servomotor 27 is fixed to the support portion 67 of the base 60.
  • the power transmission mechanism 59 includes an input shaft 63 connected to the output shaft 28 of the servomotor 27, and an output shaft 64 that transmits rotational force to other members.
  • the input shaft 63 is supported by the support portions 67 and 68 of the base 60 via the bearing 65.
  • the output shaft 64 is supported by the support portions 67 and 68 of the base 60 via the bearing 66.
  • a pulley 61 is attached to the input shaft 63.
  • a pulley 62 is attached to the output shaft 64.
  • the belt 69 is engaged with the pulley 61 and the pulley 62.
  • the servomotor 27 is driven, the belt 69 moves in the direction indicated by the arrow 94.
  • the rotational force of the input shaft 63 is transmitted to the output shaft 64 by the belt 69.
  • the rotation speed changes based on the size of the pulley 61 and the size of the pulley 62.
  • a first encoder 23 is attached to the servomotor 27 in order to detect the rotation angle of the input shaft 63 of the power transmission mechanism 59. Further, in order to detect the rotation angle of the output shaft 64 of the power transmission mechanism 59, a second encoder 24 is attached to the output shaft 64.
  • the phase of the output shaft 64 may deviate from the phase of the input shaft 63 due to deterioration of the belt 69.
  • the rotation angle of the input shaft 63 may deviate from the rotation angle of the output shaft 64 due to the bending of the belt 69.
  • the bearings 65 and 66 may be worn.
  • the abnormality detection device detects the abnormality of the power transmission mechanism 59 by performing the same control as the first abnormality detection control and the second abnormality detection control described above. can do. Further, by carrying out the above-mentioned estimation control, it is possible to estimate the time when the abnormality occurs.
  • Robot control device 23 1st encoder 24 2nd encoder 27 Servo motor 28 Output shaft 30 Reducer 32 Input shaft 33 Output shaft 41 Operation program 43 Operation control unit 51 Detection unit 53 Variable setting unit 54 Judgment unit 55 Estimating unit 56 Twist angle calculation unit 59 Power transmission mechanism 63 Input shaft 64 Output shaft 65,66 Bearing 81 Approximate line

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Abstract

異常検出装置は、減速機の入力軸の回転角を検出するための第１のエンコーダと、減速機の出力軸の回転角を検出するための第２のエンコーダとを備える。動作制御部は、第２のエンコーダの出力から取得される位置が動作プログラムに定められた位置に対応するようにサーボモータを制御する。検出部は、第１のエンコーダの出力から取得される回転角と第２のエンコーダの出力から取得される回転角との差である角度差を算出する。検出部は、角度差に基づいて減速機が異常であるか否かを判定する。

Description

電動機が出力する回転力を伝達する動力伝達機構の異常を検出する異常検出装置
　本発明は、電動機が出力する回転力を伝達する動力伝達機構の異常を検出する異常検出装置に関する。
　電動機から出力される回転力は、動力伝達機構を介して他の部材に伝達される。動力伝達機構としては、例えば、電動機から出力される回転力を増大して他の部材に伝達する減速機が知られている。
　減速機などの動力伝達機構は、長期間使用すると内部の部品が劣化して故障する。従来の技術においては、機械に故障を検出するためのセンサを取り付けたり、制御装置が出力する電動機を駆動するための指令値を解析したりすることにより、動力伝達機構の異常を検出することが知られている（例えば、特開昭６３－１４５５０７号公報、特開２０１３－１５２１６６号公報、および特開２００６－１０２８８９号公報）。
　また、従来の技術においては、電動機に取り付けられたエンコーダから回転角を取得して、回転角に基づいて減速機の内部に配置されているギヤの歯飛びを検出する制御が知られている（例えば、特開２０２０－１０４１７７号公報および国際公開第２０１４／０９８００８号）。また、モータに取り付けられたエンコーダの使用方法として、減速機の出力軸にエンコーダを配置して、減速機に生じるねじれによる位置のずれを修正する制御が知られている（例えば、特開２０１２－１７１０６９号公報）。
特開昭６３－１４５５０７号公報 特開２０１３－１５２１６６号公報 特開２００６－１０２８８９号公報 特開２０２０－１０４１７７号公報 国際公開第２０１４／０９８００８号 特開２０１２－１７１０６９号公報
　電動機および動力伝達機構は、多くの機械に配置されている。例えば、多関節ロボットにおいては、それぞれの関節部において、電動機が出力する回転力を減速機にて減速してアームなどの部材を回動する機構が知られている。
　動力伝達機構の内部の部品は、互いに接触した状態で駆動される。動力伝達機構の内部の部品が摩耗する場合が有る。この結果、内部の部品同士の間のがたつき（遊び）が大きくなる。例えば、歯車の摩耗により、歯車同士の間のバックラッシュが大きくなる。内部の部品の摩耗が進行すると、動力伝達装置は故障して使用できなくなる。
　機械は、製品を製造する生産ラインに使用される場合が有る。この場合に、機械が突然故障すると、機械を使用していた生産ラインに大きな影響を与えることになる。または、電動機および動力伝達機構が搬送機に使用されている場合には、搬送機が故障すると所望の搬送が行うことができなくなる。電動機および動力伝達機構を備える機械は、予期しない時期に故障しないことが好ましい。機械が使えなくなるような故障が生じる前に、動力伝達機構の異常を検出できることが好ましい。
　本開示の第１の態様の異常検出装置は、電動機が出力する回転力を伝達する動力伝達機構の異常を検出する。異常検出装置は、動力伝達機構の入力軸の回転角を検出するための第１の回転位置検出器と、動力伝達機構の出力軸の回転角を検出するための第２の回転位置検出器と、電動機の動作を制御する動作制御部とを備える。異常検出装置は、第１の回転位置検出器の出力および第２の回転位置検出器の出力に基づいて、動力伝達機構の異常を検出する検出部を備える。動作制御部は、第２の回転位置検出器の出力から取得される位置が動作プログラムに定められた位置に対応するように電動機を制御する。検出部は、第１の回転位置検出器の出力、第２の回転位置検出器の出力、および動力伝達機構の減速比に基づいて、第１の回転位置検出器の出力から取得される回転角と第２の回転位置検出器の出力から取得される回転角との差である角度差を含む変数を設定する変数設定部を含む。検出部は、変数に基づいて動力伝達機構が異常であるか否かを判定する判定部を含む。
　本開示の第２の態様の異常検出装置は、電動機が出力する回転力を伝達する動力伝達機構の異常を検出する。異常検出装置は、動力伝達機構の入力軸の回転角を検出するための第１の回転位置検出器と、動力伝達機構の出力軸の回転角を検出するための第２の回転位置検出器と、電動機の動作を制御する動作制御部とを備える。異常検出装置は、第１の回転位置検出器の出力に基づいて、動力伝達機構の異常を検出する検出部を備える。動作制御部は、第２の回転位置検出器の出力から取得される位置が動作プログラムに定められた位置に対応するように電動機を制御する。検出部は、第２の回転位置検出器の出力から取得される回転角を含まずに、第１の回転位置検出器の出力から取得される回転角を含む変数を設定する変数設定部を含む。検出部は、変数に基づいて動力伝達機構が異常であるか否かを判定する判定部を含む。
　本開示の態様によれば、動力伝達機構の異常を精度よく検出する異常検出装置を提供することができる。
実施の形態におけるロボットの概略図である。 実施の形態におけるロボット装置のブロック図である。 実施の形態におけるロボットの関節部の拡大部分断面図である。 サーボモータの運転パターンを示すグラフである。 減速機が新品である時のエンコーダの出力に基づく回転角のグラフである。 減速機の歯車の摩耗が進行したときのエンコーダの出力に基づく回転角のグラフである。 図６におけるＡ部の拡大図である。 ２つの歯車の歯が接触する部分の第１の拡大断面図である。 ２つの歯車の歯が接触する部分の第２の拡大断面図である。 ロボット装置の作業の実行回数に対する減速機の異常を判定するための変数の第１のグラフである。 ロボット装置の作業の実行回数に対する変数の第２のグラフである。 ロボット装置の作業の実行回数に対する変数の増加量のグラフである。 変数の変化に基づいて減速機に異常が生じる時期を予測する制御を説明するグラフである。 サーボモータの他の運転パターンを示すグラフである。 減速機に作用するトルクと減速機のねじれ角との間の比例定数を算出するための動作を説明するロボットの側面図である。 第１のエンコーダの出力に基づいて異常を検出する制御を説明するグラフである。 図１６のＢ部の拡大図である。 第１のエンコーダの出力から取得される初期状態の回転角と長時間駆動した後の回転角とを示すグラフである。 実施の形態における他の動力伝達機構を説明する機械の側面図である。
　図１から図１９を参照して、実施の形態における動力伝達機構の異常を検出する異常検出装置について説明する。動力伝達機構は、電動機が出力する回転力を他の部材に伝達する。電動機および動力伝達機構は、物を搬送する機械、物を動かす機械、または、物を製造する機械などの様々な機械に配置される。本実施の形態では、機械としてロボットを例に取り上げて説明する。また、動力伝達機構として、ロボットの関節部に配置された減速機を例に取り上げて説明する。
　図１は、本実施の形態におけるロボット装置の概略図である。図２は、本実施の形態のロボット装置のブロック図である。図１および図２を参照して、本実施の形態のロボット装置５は、ワークを搬送する。ロボット装置５は、ワークを把持する作業ツールとしてのハンド２と、ハンド２を移動するロボット１とを備える。本実施の形態のロボット１は、複数の関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃを含む多関節ロボットである。
　ロボット１は、設置面に固定されたベース部１４と、ベース部１４に支持された旋回ベース１３とを含む。旋回ベース１３は、ベース部１４に対して回転する。ロボット１は、上部アーム１１および下部アーム１２を含む。下部アーム１２は、関節部１８ａを介して旋回ベース１３に支持されている。上部アーム１１は、関節部１８ｂを介して下部アーム１２に支持されている。ロボット１は、上部アーム１１の端部に連結されているリスト１５を含む。リスト１５は、関節部１８ｃを介して上部アーム１１に支持されている。リスト１５は、ハンド２を固定するフランジ１６を含む。
　上部アーム１１および下部アーム１２等のそれぞれの構成部材は、予め定められた駆動軸の周りに回転するように形成されている。本実施の形態のロボット１は６個の駆動軸を有する。ロボット１は、それぞれの構成部材を駆動する電動機としてのサーボモータ２７および減速機３０を含む。本実施の形態では、それぞれの駆動軸に対してサーボモータ２７および減速機３０が配置されている。
　本実施の形態のハンド２は、ハンド２を駆動するハンド駆動モータ２１を含む。ハンド駆動モータ２１が駆動することによりハンド２の爪部が開いたり閉じたりする。なお、爪部は、空気圧により作動するように形成されていても構わない。また、ロボット装置が行う作業に応じて任意の作業ツールをロボットに取り付けることができる。
　ロボット装置５は、ロボット１およびハンド２を制御するロボット制御装置４を備える。ロボット制御装置４は、プロセッサとしてのＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算処理装置（コンピュータ）を含む。演算処理装置は、ＣＰＵにバスを介して接続されたＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する。ロボット制御装置４には、ロボット１およびハンド２の制御を行うために予め作成された動作プログラム４１が入力される。ロボット１およびハンド２は、動作プログラム４１に基づいて制御される。
　ロボット制御装置４は、予め定められた情報を記憶する記憶部４２を含む。記憶部４２は、ロボット１およびハンド２の制御に関する情報を記憶する。記憶部４２は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはハードディスク等の情報を記憶することができる非一時的な記録媒体にて構成されることができる。ロボット制御装置４は、ロボット装置５に関する任意の情報を表示する表示器４６を含む。表示器４６は、液晶表示パネル等の表示パネルにより構成されることができる。
　ロボット制御装置４は、ロボット１およびハンド２の動作指令を送出する動作制御部４３を含む。動作制御部４３は、サーボモータ２７の動作およびハンド駆動モータ２１の動作を制御する。動作制御部４３は、動作プログラム４１に従って駆動するプロセッサに相当する。動作制御部４３は、記憶部４２に記憶された情報を読み取り可能に形成されている。プロセッサは、記憶部４２に記憶された動作プログラム４１を読み込んで、動作プログラム４１に定められた制御を実施することにより、動作制御部４３として機能する。
　動作制御部４３は、動作プログラム４１に基づいてロボット１を駆動するための動作指令をロボット駆動部４５に送出する。ロボット駆動部４５は、サーボモータ２７を駆動する電気回路を含む。ロボット駆動部４５は、動作指令に基づいてサーボモータ２７に電気を供給する。また、動作制御部４３は、動作プログラム４１に基づいてハンド２を駆動する動作指令をハンド駆動部４４に送出する。ハンド駆動部４４は、ハンド駆動モータ２１を駆動する電気回路を含む。ハンド駆動部４４は、動作指令に基づいてハンド駆動モータ２１に電気を供給する。
　本実施の形態のロボット装置５では、ロボット１の関節部に動力伝達機構としての減速機３０が配置されている。ロボット装置５は、減速機３０の異常を検出する異常検出装置を備える。本実施の形態の異常検出装置は、ロボット制御装置４と、サーボモータ２７の出力軸の回転角を検出するための第１の回転位置検出器としての第１のエンコーダ２３と、減速機３０の出力軸の回転角を検出するための第２の回転位置検出器としての第２のエンコーダ２４とを含む。本実施の形態では、サーボモータ２７の出力軸の回転角は、減速機３０の入力軸の回転角に相当する。
　ロボット制御装置４は、第１のエンコーダ２３の出力および第２のエンコーダ２４の出力に基づいて、減速機３０の異常を検出する検出部５１を含む。検出部５１は、ロボットの動作の状態を取得する状態取得部５２を含む。検出部５１は、減速機３０の異常を判定するための変数を設定する変数設定部５３を含む。検出部５１は、変数に基づいて減速機３０が異常であるか否かを判定する判定部５４を含む。検出部５１は、将来において異常が生じる作業の実行回数または駆動時間を推定する推定部５５を含む。検出部５１は、減速機３０に加わるトルクに基づいて、減速機３０の入力軸と出力軸との間のねじれ角度を算出するねじれ角算出部５６を含む。
　上記の検出部５１は、動作プログラム４１に従って駆動するプロセッサに相当する。また、検出部５１に含まれる状態取得部５２、変数設定部５３、判定部５４、推定部５５、および、ねじれ角算出部５６のそれぞれのユニットは、動作プログラム４１に従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサが動作プログラム４１を読み込んで、動作プログラム４１に定められた制御を実施することにより、それぞれのユニットとして機能する。
　本実施の形態では、複数の関節部１８ａ，１８ｂ，１８ｃのうち、旋回ベース１３と下部アーム１２との間の関節部１８ａに配置されている電動機としてのサーボモータ２７および動力伝達機構としての減速機３０について説明する。
　図３は、旋回ベースと下部アームとの間に配置される関節部の拡大部分断面図である。本実施の形態の関節部１８ａでは、下部アーム１２が旋回ベース１３に対して回動する。関節部１８ａには、旋回ベース１３に対して下部アーム１２を駆動するサーボモータ２７と、サーボモータ２７の出力トルクを増大する減速機３０が配置されている。
　サーボモータ２７は、ボルト２９により旋回ベース１３に固定されている。サーボモータ２７は、減速機３０に向かって突出し、回転力を出力する出力軸２８を含む。減速機３０は、サーボモータ２７の出力軸２８の回転力が入力される入力軸３２を含む。
　減速機３０は、減速機３０の入力軸３２の回転速度を減速して、回転トルクを増大させることができる。減速機３０は、入力軸３２の回転力を伝達する複数の歯車と、複数の歯車を支持する出力軸３３とを含む。減速機３０は、出力軸３３を取り囲むように形成された減速機ケース３１を含む。減速機ケース３１は、円筒状に形成されている。入力軸３２は、回転可能に出力軸３３に支持されている。出力軸３３は、減速機ケース３１に対して相対的に回転するように支持されている。
　減速機ケース３１は、ボルト３７にて旋回ベース１３に固定されている。また、減速機３０の出力軸３３は、ボルト３６により下部アーム１２に固定されている。減速機３０の入力軸３２は、サーボモータ２７の出力軸２８に連結されている。出力軸２８および入力軸３２は、回転軸ＲＡの周りに回転する。回転軸ＲＡは、関節部１８ａの回転軸である。
　ここでの減速機３０の例では、減速機ケース３１が不動である。入力軸３２が回転すると、歯車の回転力の伝達により、出力軸３３が減速機ケース３１に対して回動する。下部アーム１２は、出力軸３３と共に回動する。このような減速機３０としては、例えば、偏芯揺動型の遊星歯車減速機を採用することができる。なお、減速機としては、この形態に限られず、回転力を変化させる任意の機構を有する減速機を採用することができる。
　図２および図３を参照して、サーボモータ２７には、サーボモータ２７の出力軸２８の回転位置を検出するための第１のエンコーダ２３が取り付けられている。サーボモータ２７の出力軸２８の回転位置は、減速機３０の入力軸３２の回転位置に相当する。すなわち、第１のエンコーダ２３は、減速機３０の入力軸３２の回転位置を検出できるように配置されている。
　本実施の形態のロボット装置５では、第１のエンコーダ２３に加えて、減速機３０の出力軸３３の回転位置を検出するための第２のエンコーダ２４が配置されている。第２のエンコーダ２４は、スケール２４ａと、スケール２４ａに対向するように配置された検知部２４ｂとを有する。スケール２４ａは、下部アーム１２の表面に固定されている。スケール２４ａは、回転軸ＲＡを中心として周方向に延びる形状を有する。
　検知部２４ｂは、支持部材２５を介して旋回ベース１３に支持されている。第２のエンコーダ２４では、スケール２４ａとして磁気リングを採用し、検知部２４ｂとして磁気センサを採用することができる。例えば、スケール２４ａの検知部２４ｂに対向する表面には、検知部２４ｂにて磁束の変化が検出されるように一定の間隔でＳ極およびＮ極を着磁することができる。第２のエンコーダとしては、この形態に限られず、光学式のエンコーダを採用しても構わない。
　また、本実施の形態における第２のエンコーダ２４では、スケール２４ａが下部アーム１２の表面に取り付けられているが、この形態に限られない。第２のエンコーダは、減速機の出力軸の回転位置を検出するように、任意の位置に配置することができる。例えば、スケールは、減速機の出力軸に取り付けられても構わない。なお、第１のエンコーダおよび第２のエンコーダは、インクリメンタル型またはアブソリュート型のいずれのエンコーダであっても構わない。
　本実施の形態の動作制御部４３は、ロボット１の位置の制御を行うために、サーボモータ２７の回転位置の制御を実施する。ロボット１の位置は、例えば作業ツールのツール先端点の位置である。作業ツールの先端点の位置は、旋回ベース１３、下部アーム１２、上部アーム１１、およびリスト１５の位置および姿勢によって定まる。
　一般的には、サーボモータ２７の回転位置の制御は、第１のエンコーダ２３から出力される回転位置に基づいて行われる。ところが、減速機には、内部の部品同士の間にがたつき（歯車のバックラッシュ等）が存在する。また、減速機の部品には駆動に伴う力が加わるために、部品が変形したり歪んだりする場合が有る。この結果、減速機の入力軸と出力軸との間のねじれが生じる場合がある。このため、サーボモータ２７の出力軸２８の回転位置に対して、減速機３０の出力軸３３の回転位置がずれる場合が有る。本実施の形態では、ロボット１の位置を正確に検出するために、減速機３０の出力軸３３の回転位置を検出する第２のエンコーダ２４が配置されている。
　図２を参照して、本実施の形態の動作制御部４３は、第２のエンコーダ２４から出力される回転位置に基づいて、ロボット１の位置および姿勢を制御する。動作制御部４３は、動作プログラム４１に基づいてサーボモータ２７の位置指令を生成する。この時に、動作制御部４３は、第２のエンコーダ２４から回転位置を取得する。動作制御部４３は、第２のエンコーダ２４から出力される回転位置が、動作プログラム４１に定められた位置に対応するように位置指令を生成する。このように、位置フィードバック制御を行うことができる。
　また、動作制御部４３は、位置指令に基づいて速度指令を生成する。速度指令についても、動作制御部４３は、第２のエンコーダ２４から出力される回転位置に基づいて回転速度を算出する。動作制御部４３は、実際の回転速度が動作プログラム４１に基づく回転速度に対応するように速度指令を生成する。このように、速度フィードバック制御を行うことができる。
　減速機３０の出力軸３３の回転位置を検出する第２のエンコーダ２４の出力に基づいてロボット１の位置および姿勢の制御を行うことにより、ロボット１の位置および姿勢の精度が向上する。また、ロボット１の位置が移動する移動経路の精度が向上する。
　異常検出装置の検出部５１は、減速機３０の内部に配置されている部品の異常を判定する。特に、検出部５１は、部品の摩耗による異常を検出する。ロボット１を運転することにより、減速機３０の内部に配置される歯車は摩耗する。また、減速機３０の内部に配置されている軸受けが摩耗する場合がある。例えば、減速機に転がり軸受けが配置されている場合には、ロボットの動作により転がり軸受けの転動体または軌道輪が摩耗する場合がある。
　部品の摩耗により、部品同士の間に存在するがたつきが増大する。例えば、歯車の摩耗が大きくなると歯飛び等が生じて減速機が故障する。または、部品の摩耗が大きくなると、ロボット１の位置および姿勢の正確な制御が実施できなくなる虞がある。本実施の形態の検出部５１は、歯飛びのような大きな異常の前に生じる部品のがたつきの増大等の異常を検出する。
　図４に、本実施の形態におけるサーボモータの１つの運転パターンを説明するグラフを示す。ロボット装置５は、ワークを搬送する作業を繰り返して実施する。ロボット１は、様々なパターンにて位置および姿勢を変更する。図４には、ロボット１の１つの動作に対応するサーボモータ２７の動作を示している。時刻ｔｓにてサーボモータ２７が起動した後に所定の回転速度に到達する。サーボモータ２７は、回転速度が一定の状態で駆動した後に、時刻ｔｅで停止している。減速機３０の異常を検出するために、このようなサーボモータ２７の運転パターンが予め選定されている。
　図５に、図４に示す運転パターンでサーボモータを駆動したときのエンコーダの出力に基づく回転角のグラフを示す。時刻ｔｓにおいて動作を開始して、時刻ｔｅにおいて動作を終了している。回転角は、モータにて回転したときの回転量を示す。例えば出力軸が１回転した場合には、回転角は３６０°になる。時間の経過とともに、それぞれのエンコーダの出力から取得される回転角は、矢印９２に示すように増加する。
　図５には、１回のロボットの動作における第１のエンコーダ２３の出力に基づく回転角と、第２のエンコーダ２４の出力に基づく回転角が示されている。ここでは、第１のエンコーダ２３から出力される回転位置から減速機３０の入力軸３２の回転角を算出する。次に、入力軸３２の回転角を減速機３０の減速比にて除算する。そして、第２のエンコーダ２４から出力される回転位置に基づく回転角と比較している。なお、第２のエンコーダの出力に基づく回転角に減速比を乗算して、第１のエンコーダの出力に基づく回転角と比較しても構わない。
　本実施の形態の第１の異常検出制御では、第１のエンコーダ２３の出力および第２のエンコーダ２４の出力に基づいて、減速機３０が異常か否かを判定する。図２を参照して、検出部５１の状態取得部５２は、サーボモータ２７が駆動している期間中に、第１のエンコーダ２３から出力される回転位置および第２のエンコーダ２４から出力される回転位置を検出する。状態取得部５２は、取得したそれぞれのエンコーダの回転位置を記憶部４２に記憶する。
　図５には、減速機３０が正常の時の回転角を示している。ここでは、減速機３０が新品のときの初期状態における回転角を示している。減速機３０の部品同士の間のがたつきは、殆ど存在しない。このために、減速機３０の入力軸と出力軸の間にねじれが殆ど生じていなければ、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角と、第２のエンコーダ２４の出力から取得される回転角とは、ほぼ同一になる。本実施の形態では、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角と第２のエンコーダ２４の出力から取得される回転角との差を角度差と称する。例えば、角度差は、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角θ１から第２のエンコーダ２４の出力から取得される回転角θ２を減算した値（θ１－θ２）に相当する。図５では、回転角に僅かな角度差Δθ１２ｉが存在する。
　図６に、減速機の部品の摩耗が進行したときのエンコーダの出力に基づく回転角のグラフを示す。図７に、図６のＡ部の拡大図を示す。図７は、回転角の測定を開始する時刻ｔｓの近傍のグラフである。図６および図７を参照して、本実施の形態においては、部品の摩耗が存在しないときの第１のエンコーダ２３から出力される回転位置（位相）に対する第２のエンコーダ２４から出力される回転位置（位相）は、予め測定されている。このために、サーボモータ２７を回転している時刻ｔｓから時刻ｔｅまでの期間において、摩耗が進行した時の角度差の変化量を算出することができる。
　また、本実施の形態では、第２のエンコーダ２４の出力に基づいてロボット１の位置を制御している。図５から図７のグラフでは、予め定められたロボット１の動作を開始する時刻ｔｓにおいて、第２のエンコーダ２４の出力から取得される回転角を０にしている。
　減速機３０の駆動時間が長くなると、歯車または軸受け等の部品が摩耗する。この結果、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角と、第２のエンコーダ２４の出力から取得される回転角との差は大きくなる。すなわち、角度差の絶対値が大きくなる。図６および図７においては、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角θ１と第２のエンコーダ２４の出力から取得される回転角θ２に基づいて、角度差Δθ１２が生じている。ここで、角度差Δθ１２を（θ１－θ２）にて定義した場合に、角度差Δθ１２は、歯車の歯の接触状態によって、正の数にも負の数にもなり得る。
　図８に、２つの歯車の歯が接触している部分の第１の拡大断面図を示す。図９に、２つの歯車の歯が接触している部分の第２の拡大断面図を示す。図８および図９は、互いに対向する歯車の歯の接触状態の違いを示した模式図である。図８および図９では、入力側の歯車７１が矢印９８に示す方向に回転している。図８に示す入力側の歯車７１の歯は、回転方向の側の歯面にて出力側の歯車７２の歯に接触している。一方で、図９では、入力側の歯車７１の歯は、回転方向と反対側の歯面にて出力側の歯車７２の歯に接触している。これらの歯の接触状態の違いは、重力、ロボットが動作した時の慣性力、または、その他の外力により生じる。
　図８に示すように、入力側の歯車７１の歯が出力側の歯車７２の歯と回転方向の側の歯面で接触する場合に、出力側の下部アーム１２の向きを得るために、回転角θ１は回転角θ２より大きくなる。この結果、角度差Δθ１２は正の値になる。また、図９に示すように、入力側の歯車７１の歯が回転方向と反対側の歯面にて出力側の歯車７２の歯に接触する場合に、回転角θ１は回転角θ２より小さくなる。この結果、角度差Δθ１２は負の数になる。
　なお、角度差としては、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角θ１から第２のエンコーダ２４の出力から取得される回転角θ２を減算した値（θ１－θ２）に限られず、回転角θ２から回転角θ１を減算した値（θ２－θ１）を採用しても構わない。または、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角および第２のエンコーダ２４の出力から取得される回転角のうち一方の回転角から他方の回転角を減算した値の絶対値を採用しても構わない。本実施の形態では、角度差Δθ１２が（θ１－θ２）であり、図８に示すように歯車が接触する例について説明する。
　第１の異常検出制御では、角度差を含む変数に基づいて、減速機３０の異常を検出する。本実施の形態の変数は、減速機３０が異常か否かを評価するための評価変数である。変数設定部５３は、第１の変数として角度差Δθ１２を算出する。変数設定部５３は、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角を減速機３０の減速比にて除算する。変数設定部５３は、この回転角から第２のエンコーダ２４の出力から取得される回転角を減算した角度差Δθ１２を算出する。次に、判定部５４は、減速機３０に異常が生じているか否かを判定する。
　変数設定部５３は、異常の判定に使用する角度差Δθ１２としては、時刻ｔｓから時刻ｔｅにおける角度差Δθ１２の最大値を採用することができる。または、複数の時刻を設定し、複数の時刻における変数の平均値を採用しても構わない。また、最大値または平均値を算出する前に、角度差Δθ１２を絶対値に変換しても構わない。このように、異常の判定に使用する変数は、サーボモータ２７の運転パターンを実施したときの最大値または平均値を採用することができる。
　図１０に、ロボットの動作の実行回数に対する変数のグラフを示す。横軸は、予め定められたロボット１の動作を実行した回数である。横軸は、例えば、サーボモータ２７が図４に示す予め定められた動作を実行した回数に相当する。なお、横軸は、ロボット１が予め定められた動作を実行した駆動時間であっても構わない。縦軸は、減速機３０に異常が生じているか否かを判定するための変数である。
　本実施の形態の第１の判定制御では、変数ＶＸが予め定められた判定範囲を逸脱した時に、減速機３０が異常であると判定する。実行回数が多くなると共に、変数ＶＸは徐々に大きくなる。図１０に示す例では、実行回数Ｎになったときに、変数ＶＸは予め定められた変数の判定値を超えている。判定部５４は、変数ＶＸが判定値を超えた時に、異常が生じていると判定する。ここでは、判定部５４は、実行回数Ｎを終了したときに異常が生じていると判定する。例えば、第１の変数としての角度差Δθ１２が判定値を超えた時に、減速機３０が異常であると判定することができる。または、判定部５４は、歯車の摩耗が進行していると判定することができる。
　図１１に、ロボットの動作の実行回数に対する変数の他のグラフを示す。本実施の形態の第２の判定制御では、判定部５４は、作業の実行回数に対する変数ＶＸの変化率が予め定められた判定範囲を逸脱した時に、減速機３０が異常であると判定する。ここでの例では、実行回数（Ｎ－１）における変数ＶＸと、実行回数Ｎにおける変数ＶＸとの傾きを算出する。
　判定部５４は、変数ＶＸの傾きが予め定められた判定値を超えている場合に、減速機３０が異常であると判定する。すなわち、判定部５４は、直線８０の傾きが判定値を超えている場合に減速機３０が異常であると判定する。例えば、第１の変数としての角度差Δθ１２の変化率が判定値を超えた時に、減速機３０が異常であると判定する。変化率の算出においては、２個の変数に限られず、３個以上の変数に基づいて変化率を算出しても構わない。
　また、実行回数の代わりに、ロボット１またはサーボモータ２７が予め定められた動作を実行した駆動時間を採用しても構わない。この場合に、判定部は、駆動時間に対する変数の変化率が予め定められた判定範囲を逸脱した時に、減速機が異常であると判定することができる。
　図１２に、ロボットの動作の実行回数に対する変数の増加量のグラフを示す。本実施の形態の第３の判定制御では、第２の判定制御と同様に、作業の実行回数または駆動時間に対する変数の変化率に基づいて減速機の異常を判定する。
　判定部５４は、予め定められた動作を実行した回数ごとに、変数ＶＸの増加量を算出している。ここでは、ロボット１の動作を１万回実施するごとに変数ＶＸの増加量を算出している。実行回数が増えるとともに、変数ＶＸの増加量が増加している。判定部５４は、変数ＶＸの増加量が予め定められた判定範囲を逸脱した時に、減速機が異常であると判定する。例えば、判定部５４は、１万回ごとの角度差Δθ１２の増加量が予め定められた判定値を超えたときに、減速機３０が異常であると判定することができる。ここでの例では、判定部５４は、実行回数がＮ回に到達した時に、減速機に異常が生じていると判定することができる。なお、駆動時間に対する変数の変化率を算出する場合には、予め定められた駆動時間の長さごとに、変数の増加量を算出することができる。
　次に、本実施の形態の検出部５１の推定部５５について説明する。推定部５５は、過去の作業の実行回数または駆動時間に対する変数の値に基づいて、将来に異常が生じる作業の実行回数または駆動時間を推定する推定制御を実施する。
　図１３に、ロボットの動作の実行回数に対する変数のグラフを示す。図１３は、推定部５５にて異常が生じる作業の実行回数を推定する制御を説明するグラフである。変数ＶＸは、矢印９３に示すように、実行回数が増加すると共に増加する。推定部５５は、過去の作業の実行回数に対する変数の値に基づいて、変数の変化傾向を示す近似線８１を算出する。たとえば、第１の変数としての角度差Δθ１２に関する近似線を算出することができる。
　推定部５５は、任意の制御にて変化傾向を示す近似線を生成することができる。図１３に示す例では、過去の全ての変数ＶＸの値を用いて、最小二乗法により直線の近似線８１を生成している。近似線としては、直線に限られず、曲線であっても構わない。また、近似線を生成する場合には、予め定められた個数の変数を選定して近似線を生成しても構わない。
　推定部５５は、近似線が予め定められた判定範囲を逸脱する作業の実行回数を将来に異常が生じる作業の実行回数として推定する。ここでの例では、近似線８１が予め定められた判定値を超えた実行回数ＮＸを異常が生じる実行回数として推定する。なお、推定部５５は、実行回数の代わりに駆動時間を採用しても構わない。すなわち、推定部は、駆動時間に対する変数の変化傾向を示す近似線を算出し、近似線が判定範囲を逸脱する駆動時間を異常が生じる駆動時間として推定しても構わない。
　図２を参照して、検出部５１にて検出された異常に関する情報は、表示器４６に表示することができる。作業者は、表示器４６に表示された異常に関する情報を確認して、減速機３０の保守または点検を計画することができる。この結果、減速機３０が突然に故障することを回避することができる。
　次に、減速機３０の異常を判定するための変数について説明する。変数ＶＸとしては、第１の変数としての角度差に限られず、角度差を含む変数を採用することができる。図５および図６を参照して、変数設定部５３は、減速機３０が正常のときの角度差Δθ１２ｉと、現在の減速機３０の角度差Δθ１２との差（Δθ１２－Δθ１２ｉ）を第２の変数ＶＸとして算出することができる。または、変数設定部５３は、減速機３０が正常な時の予め定められた角度差と現在の減速機と角度差との比（Δθ１２／Δθ１２ｉ）を第３の変数ＶＸとして算出することができる。ここでは、減速機３０が正常の時の予め定められた角度差として、減速機３０が新品の時の初期状態の角度差を採用している。変数設定部５３は、減速機３０が新品のときの角度差を算出して記憶部４２に記憶させておくことができる。
　更に、変数設定部５３は、減速機３０が正常な時の角度差（Δθ１２ｉ）と、現在の減速機３０の角度差（Δθ１２）との差を、減速機３０が正常な時の角度差にて除算した値（Δθ１２－Δθ１２ｉ）／Δθ１２ｉ）を、第４の変数ＶＸとして算出することができる。
　いずれの変数においても、図１０に示す変数の値による第１の判定制御、図１１に示す変数の変化率による第２の判定制御、または図１２の変数の増加量に基づく第３の判定制御により、減速機３０の異常を判定することができる。また、推定部５５は、それぞれの変数を用いて前述の推定制御を行うことにより、異常が生じる時期を推定することができる。
　図１４に、減速機に異常が生じているか否かを判定するサーボモータの他の運転パターンを示す。他の運転パターンにおいては、時刻ｔｓから時刻ｔｅまでの期間中にサーボモータ２７が一時的に停止している。ここでの例では、時刻ｔｈ１にサーボモータ２７が停止して、時刻ｔｈ２にサーボモータ２７が起動している。変数設定部５３は、サーボモータ２７が停止している期間中におけるエンコーダの出力に基づいて変数を算出しても構わない。例えば、第１の変数である角度差Δθ１２を算出する時に、変数設定部５３は、サーボモータ２７が停止している期間中に、角度差Δθ１２を算出しても構わない。
　ところで、前述の第２の変数から第４の変数では、減速機３０が正常な時の角度差が変数に含まれている。例えば、第２の変数では、現在の減速機３０の角度差から減速機３０が正常な時の角度差を減算している。このために、減速機３０における捩じれの影響が排除されている。ところが、第１の変数では、減速機３０が正常の時の角度差が変数に含まれていない。第１の変数を用いて判定制御を実施する時には、減速機３０のねじれの影響が含まれている。次に、第１の変数を用いて減速機３０の異常の判定を行ったり、異常が生じる時期を推定したりする場合に、減速機３０におけるねじれの影響を排除する制御について説明する。
　図２を参照して、検出部５１のねじれ角算出部５６は、減速機３０の出力軸３３に加わるトルクに基づいて、入力軸３２と出力軸３３との間のねじれ角を算出する。減速機の出力軸３３に作用するトルクＴと、減速機３０におけるねじれ角θｔとの関係は、比例定数ｋを用いて以下の式にて表すことができる。
　Ｔ＝ｋ×θｔ　…（１）
　上記の式（１）により、ねじれ角θｔは、式（２）にて表すことができる。
　θｔ＝Ｔ／ｋ　…（２）
　トルクＴは、予め算出したイナーシャと、ロボット１を駆動するときのサーボモータ２７の角速度とを用いて算出することができる。イナーシャは、ロボット１の構成部材の重量および重心位置と、ワークの重量および重心位置に基づいて算出することができる。ロボット１が停止している時には、ロボット１の位置を維持する為の構成部材の重量に関するトルクＴを算出することができる。または、トルクＴは、サーボモータ２７の電流値を用いて算出しても構わない。すなわち、電流値を用いてサーボモータ２７の出力軸２８に加わるトルクを算出する。出力軸２８に加わるトルクに減速比を乗じることによりトルクＴを算出することができる。
　次に、比例定数ｋの算出方法について説明する。第１のエンコーダ２３の出力と第２のエンコーダ２４の出力に基づく角度差Δθ１２と、減速機３０の歯車の摩耗などにより生じるバックラッシュ等のがたつきの成分ＢＬとの関係は、次の式（３）にて示される。
　Δθ１２＝θｔ＋ＢＬ　…（３）
　次に、作業者は、実際にロボット１を駆動する。減速機３０の内部の歯車に対してバックラッシュの方向が変化しない動作を設定する。この動作におけるロボット１の複数の姿勢について、角度差Δθ１２とトルクＴとを算出する。
　図１５に、トルクとねじれ角との間の比例定数を算出するためのロボットの動作を示す概略図を示す。ここでは、関節部１８ａにおいて、矢印９５に示すように下部アーム１２を回動する。この回動動作を行う途中にロボット１を停止する。すなわち、関節部１８ａに配置されたサーボモータ２７を一時的に停止する。
　矢印９６に示すように、下部アーム１２が移動点ＭＰａから移動点ＭＰｂに回動した時に、ロボット１を停止する。移動点ＭＰｂにおいて、トルクＴａおよび角度差Δθ１２ａを算出する。更に、矢印９７に示すように、下部アーム１２を移動点ＭＰｂから移動点ＭＰｃまで回動して、ロボット１を停止する。移動点ＭＰｃにおいて、トルクＴｂおよび角度差Δθ１２ｂを算出する。２つの移動点ＭＰｂ，ＭＰｃにおいて、次の式（４）および式（５）が成立する。
　Δθ１２ａ＝Ｔａ／ｋ＋ＢＬ　…（４）
　Δθ１２ｂ＝Ｔｂ／ｋ＋ＢＬ　…（５）
　ここで、がたつきの成分ＢＬは、移動点ＭＰｂおよび移動点ＭＰｃにおいて一定であると考えることができる。式（４）および式（５）に基づいて、比例定数ｋを次の式（６）にて求めることができる。
　ｋ＝（Ｔａ－Ｔｂ）／（Δθ１２ａ－Δθ１２ｂ）　…（６）
　このような方法により比例定数ｋを減速機ごとに予め求めておくことができる。ねじれ角算出部５６は、比例定数ｋ、状態取得部５２が取得したロボット１の位置および姿勢、およびサーボモータ２７の角速度を用いて、式（２）により、ねじれ角θｔを算出することができる。
　変数設定部５３は、第１のエンコーダ２３の出力および第２のエンコーダ２４の出力に基づいた角度差Δθ１２からねじれ角θｔを減算した値（Δθ１２－θｔ）を変数として設定することができる。判定部５４は、算出した変数を用いて、第１の判定制御から第３の判定制御を行うことができる。異常を判定するための変数として、角度差からねじれ角を減算した変数を用いることにより、減速機におけるねじれの影響を排除することができる。精度良く減速機の異常を判定することができる。また、推定部５５は、算出した変数を用いて、異常が生じる時期を推定することができる。推定部５５は、より正確に故障が生じる時期を推定することができる。
　次に、本実施の形態における減速機３０の異常を検出する第２の異常検出制御について説明する。本実施の形態の第２の異常検出制御では、第２のエンコーダ２４の出力から取得される回転角を含まずに、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角を含む変数を用いて、減速機３０の異常を判定する。減速機３０の異常を判定する第１の判定制御から第３の判定制御については、第１の異常検出制御と同様である。また、減速機３０の異常が生じる時期を推定する推定制御についても前述の制御と同様である。
　図１６に、本実施の形態における第２の異常検出制御を説明するための時刻に対する回転角のグラフを示す。図１６には、ロボット１の動作の期間中にサーボモータ２７が停止する例が示されている。縦軸は、それぞれのエンコーダの出力に基づく回転角である。図１７に、回転角の測定を開始する時刻の近傍におけるグラフの拡大図を示す。図１７は、図１６におけるＢ部の拡大図である。図１６および図１７には、減速機３０の初期状態として、減速機３０が新品の時の第１のエンコーダ２３の出力に基づく回転角が記載されている。また、減速機３０を長時間駆動して摩耗が進行した時の第１のエンコーダ２３の出力に基づく回転角が記載されている。
　図１６および図１７を参照して、本実施の形態においては、第２のエンコーダ２４から出力される回転位置に基づいてサーボモータ２７の回転位置が制御されている。このために、ロボット１が予め定められた動作を行う時の第２のエンコーダ２４の出力に基づく回転角θ２は、減速機３０の部品に摩耗が進行しても実質的に変化しない。これに対して、減速機３０の部品の摩耗が進行すると、第１のエンコーダ２３の出力に基づく回転角θ１は第２のエンコーダ２４の出力に基づく回転角θ２に対して差が大きくなるように徐々に変化する。図１６および図１７に示す例では、回転角θ２に対して、回転角θ１が増加している。
　第２の異常検出制御では、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角θ１に基づいて減速機３０の異常の判定を行う。第２の異常検出制御において、変数設定部５３は、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角θ１を含む変数を設定する。そして、判定部５４は、変数設定部５３にて定められた変数に基づいて、前述の第１の判定制御から第３の判定制御にて減速機３０が異常か否かを判定する。
　第２の異常検出制御における第１の変数は、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角を減速比にて除算した回転角θ１である。判定部５４は、回転角θ１に基づいて、減速機３０の異常を判定する。例えば、図１０に示す第１の判定制御では、回転角θ１が予め定められた判定値を超えた時に、減速機３０が異常であると判定することができる。
　第２の異常検出制御における第２の変数としては、減速機３０が正常な時の第１のエンコーダ２３の出力から取得される予め定められた回転角θ１ｉと、現在の第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角θ１との差Δθ１１を採用することができる。ここでの例では、差Δθ１１として、現在の回転角θ１から減速機３０が正常な時の回転角θ１ｉを減算した値（θ１－θ１ｉ）を採用している。減速機３０が正常な時の第１のエンコーダ２３の出力に基づく予め定められた回転角としては、減速機３０が新品の時の初期状態における第１のエンコーダ２３の出力に基づく回転角を採用することができる。判定部５４は、回転角の差Δθ１１に基づいて、減速機３０の異常を判定する。このように、第１のエンコーダ２３の出力から取得される回転角の変化量を変数として採用しても構わない。
　図１８に、第１のエンコーダの出力に基づく回転角のグラフを示す。図１８に示す回転角は、第１のエンコーダ２３から出力される回転位置（位相）の差である。第２の異常検出制御では、第１のエンコーダ２３の出力に基づいて判定するために、回転角を減速比で除算しなくても構わない。図１８では、回転角は減速比にて除算されていない。減速機３０が正常な時の第１のエンコーダ２３の出力に基づく予め定められた回転角θ１ｉ’と、部品の摩耗が進行した時の第１のエンコーダ２３の出力に基づく回転角θ１’とが示されている。
　第２の異常検出制御において、変数設定部５３は、第１のエンコーダ２３から出力される回転角θ１’を第３の変数に設定することができる。判定部５４は、回転角θ１’に基づいて、減速機３０の異常を判定する。または、変数設定部５３は、減速機３０が正常な時の回転角θ１i’と、現在の回転角θ１’との差（θ１’－θ１ｉ’）を回転角の差Δθ１１’として、第４の変数に設定することができる。判定部５４は、回転角の差Δθ１１’に基づいて、減速機３０の異常を判定する。このように、第２の異常検出制御では、第２のエンコーダからの出力を用いずに異常の判定を行うことができる。
　なお、第２の異常検出制御において、減速機３０が正常な時の回転角と現在の回転角との差は、正の値でも負の値でも構わない。更に、減速機３０が正常な時の回転角と現在の回転角との差としては、上記の形態に限られず、減速機３０が正常な時の回転角から現在の回転角を減算した値、または、一方の回転角から他方の回転角を減算した値の絶対値を採用しても構わない。
　本実施の形態においては、旋回ベースと下部アームとの間の関節部における減速機の異常を検出する装置を例示しているが、この形態に限られない。任意の関節部の減速機の異常の検出に、本実施の形態の異常検出装置を適用することができる。
　本実施の形態の異常検出装置は、減速機等の動力伝達機構の異常を早い時期に検出することができる。特に、部品の摩耗によるがたつきを精度良く検出することができる。または、部品の変形などによる異常を検出することができる。例えば、減速機に歯飛びなどの故障が生じる前に、減速機の保守または点検の計画を定めることができる。また、ロボットの位置および姿勢を制御する精度が悪化する前に、減速機の保守または点検の計画を定めることができる。また、機械の構成部材の位置を精度よく制御するために第２のエンコーダが配置されている場合は、追加のセンサを配置しなくても動力伝達機構の異常を検出することができる。
　本実施の形態の異常検出装置は、電動機および動力伝達機構を有する任意の機械に適用することができる。電動機の回転力を他の部材に伝達する動力伝達機構としては、減速機に限られず、電動機の回転力を伝達する任意の機構を採用することができる。例えば、動力伝達機構として、歯車を含む機構の他に、ベルト駆動の機構、ユニバーサルジョイントを含む機構、またはリンク機構等を採用することができる。次に、滑車およびベルトを含む動力伝達機構を説明する。
　図１９に、電動機および他の動力伝達装置の概略側面図を示す。図１９に示す例では、機械の所定の部分に回転力を供給するためにベルト駆動の機構が採用されている。機械は、サーボモータ２７とサーボモータ２７の回転力を伝達する動力伝達機構５９とを備える。サーボモータ２７は、基台６０の支持部６７に固定されている。
　動力伝達機構５９は、サーボモータ２７の出力軸２８に連結された入力軸６３と、他の部材に回転力を伝達する出力軸６４とを含む。入力軸６３は、軸受６５を介して基台６０の支持部６７，６８に支持されている。出力軸６４は、軸受６６を介して基台６０の支持部６７，６８に支持されている。
　入力軸６３には、滑車６１が取り付けられている。出力軸６４には、滑車６２が取り付けられている。ベルト６９は、滑車６１および滑車６２に係合している。サーボモータ２７が駆動することにより、ベルト６９は矢印９４に示す方向に移動する。ベルト６９により、入力軸６３の回転力は出力軸６４に伝達される。滑車６１の大きさと滑車６２の大きさに基づいて回転速度が変化する。
　動力伝達機構５９の入力軸６３の回転角を検出するために、サーボモータ２７に第１のエンコーダ２３が取り付けられている。また、動力伝達機構５９の出力軸６４の回転角を検出するために、出力軸６４には、第２のエンコーダ２４が取り付けられている。
　動力伝達機構５９においては、例えば、ベルト６９が劣化することにより、出力軸６４の位相は、入力軸６３の位相からずれる場合が有る。例えば、ベルト６９が撓むことにより、入力軸６３の回転角は、出力軸６４の回転角からずれる場合が有る。または、軸受け６５，６６に摩耗が生じることがある。このような動力伝達機構５９に対しても、異常検出装置は、前述の第１の異常検出制御および第２の異常検出制御と同様の制御を実施することにより、動力伝達機構５９の異常を検出することができる。また、前述の推定制御を実施することにより、異常が生じる時期を推定することができる。
　上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。
　４　ロボット制御装置
　２３　第１のエンコーダ
　２４　第２のエンコーダ
　２７　サーボモータ
　２８　出力軸
　３０　減速機
　３２　入力軸
　３３　出力軸
　４１　動作プログラム
　４３　動作制御部
　５１　検出部
　５３　変数設定部
　５４　判定部
　５５　推定部
　５６　ねじれ角算出部
　５９　動力伝達機構
　６３　入力軸
　６４　出力軸
　６５，６６　軸受
　８１　近似線

Claims (12)

  1. 　電動機が出力する回転力を伝達する動力伝達機構の異常を検出する異常検出装置であって、
    　動力伝達機構の入力軸の回転角を検出するための第１の回転位置検出器と、
    　動力伝達機構の出力軸の回転角を検出するための第２の回転位置検出器と、
    　電動機の動作を制御する動作制御部と、
    　第１の回転位置検出器の出力および第２の回転位置検出器の出力に基づいて、動力伝達機構の異常を検出する検出部と、を備え、
    　前記動作制御部は、第２の回転位置検出器の出力から取得される位置が動作プログラムに定められた位置に対応するように電動機を制御し、
    　前記検出部は、第１の回転位置検出器の出力、第２の回転位置検出器の出力、および動力伝達機構の減速比に基づいて、第１の回転位置検出器の出力から取得される回転角と第２の回転位置検出器の出力から取得される回転角との差である角度差を含む変数を設定する変数設定部と、前記変数に基づいて動力伝達機構が異常であるか否かを判定する判定部とを含む、異常検出装置。
  2. 　前記変数設定部は、前記角度差を前記変数に設定する、請求項１に記載の異常検出装置。
  3. 　前記変数設定部は、現在の動力伝達機構の前記角度差と動力伝達機構が正常な時の予め定められた前記角度差との差または比を前記変数として算出する、請求項１に記載の異常検出装置。
  4. 　前記変数設定部は、現在の動力伝達機構の前記角度差と動力伝達機構が正常な時の予め定められた前記角度差との差を、動力伝達機構が正常な時の予め定められた前記角度差にて除算した値を前記変数として算出する、請求項１に記載の異常検出装置。
  5. 　前記検出部は、動力伝達機構に加わるトルクに基づいて、入力軸と出力軸との間のねじれ角度を算出するねじれ角算出部を含み、
    　前記変数設定部は、前記角度差からねじれ角度を減算した値を前記変数として算出する、請求項２に記載の異常検出装置。
  6. 　電動機が出力する回転力を伝達する動力伝達機構の異常を検出する異常検出装置であって、
    　動力伝達機構の入力軸の回転角を検出するための第１の回転位置検出器と、
    　動力伝達機構の出力軸の回転角を検出するための第２の回転位置検出器と、
    　電動機の動作を制御する動作制御部と、
    　第１の回転位置検出器の出力に基づいて、動力伝達機構の異常を検出する検出部と、を備え、
    　前記動作制御部は、第２の回転位置検出器の出力から取得される位置が動作プログラムに定められた位置に対応するように電動機を制御し、
    　前記検出部は、第２の回転位置検出器の出力から取得される回転角を含まずに、第１の回転位置検出器の出力から取得される回転角を含む変数を設定する変数設定部と、前記変数に基づいて動力伝達機構が異常であるか否かを判定する判定部とを含む、異常検出装置。
  7. 　前記変数設定部は、第１の回転位置検出器の出力から取得される回転角を減速比で除算した回転角を前記変数として算出する、請求項６に記載の異常検出装置。
  8. 　前記変数設定部は、第１の回転位置検出器から出力される回転角を前記変数に設定する、請求項６に記載の異常検出装置。
  9. 　前記変数設定部は、現在の第１の回転位置検出器の出力から取得される回転角と動力伝達機構が正常な時の第１の回転位置検出器の出力から取得される予め定められた回転角との差を前記変数として算出する、請求項６に記載の異常検出装置。
  10. 　前記判定部は、前記変数が予め定められた判定範囲を逸脱した時に、動力伝達機構が異常であると判定する、請求項１から９のいずれか一項に記載の異常検出装置。
  11. 　前記判定部は、作業の実行回数または駆動時間に対する前記変数の変化率が予め定められた判定範囲を逸脱した時に、動力伝達機構が異常であると判定する、請求項１から９のいずれか一項に記載の異常検出装置。
  12. 　前記検出部は、将来において異常が生じる作業の実行回数または駆動時間を推定する推定部を含み、
    　前記推定部は、過去の作業の実行回数または駆動時間に対する前記変数の値に基づいて前記変数の変化傾向を示す近似線を算出し、近似線が予め定められた判定範囲を逸脱する時の作業の実行回数または駆動時間を、将来に異常が生じる作業の実行回数または駆動時間として推定する、請求項１から９のいずれか一項に記載の異常検出装置。
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