(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有する多関節ロボットであって、
前記ガススプリングは、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成され、
前記制御装置は、前記シリンダに対する前記ピストンロッドの進退動作量を積算して前記ピストンロッドの総動作距離を算出し、前記総動作距離に基づいて、前記ガススプリングの前記圧縮性ガスの内圧の減少量を算出する機能を有する、多関節ロボット。
【請求項２】
前記制御装置は、前記ピストンロッドの総動作距離を、微小時間毎の前記アームの回転角度から幾何学的に算出される、前記シリンダからの前記ピストンロッドの突出長さの差分を積算して求める、請求項１に記載の多関節ロボット。
【請求項３】
前記制御装置は、前記ピストンロッドの総動作距離に加え、前記シリンダの内圧の絶対値、前記シリンダに対する前記ピストンロッドの進退速度、及び前記ガススプリングの温度の少なくとも１つをパラメータとして前記圧縮性ガスの内圧の減少量を算出する、請求項１又は２に記載の多関節ロボット。
【請求項４】
算出された前記ピストンロッドの総動作距離および前記圧縮性ガスの内圧の減少量の少なくとも一方を、視覚的又は聴覚的に出力する表示手段を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
【請求項５】
少なくとも１つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有し、前記ガススプリングが、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成されている多関節ロボットにおける、前記ガススプリングの内圧の減少量を推定する方法であって、
前記シリンダに対する前記ピストンロッドの進退動作量を積算して前記ピストンロッドの総動作距離を求めるステップと、
前記総動作距離に基づいて、前記ガススプリングの前記圧縮性ガスの内圧の減少量を算出するステップと、
を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガススプリングを備えた多関節ロボットに関し、特には、当該ガススプリングの内圧減少量を推定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガススプリングは、不活性の圧縮性ガス（以後、単にガスと称する）を封入したピストン構造を有し、シリンダに対するピストンロッドの動作に伴うガスの圧縮により反発力を発生させるものである。このようなガススプリングは一般に、同程度の出力が得られるコイルスプリングに比べて小型・軽量であり、故に設備全体の軽量化・コンパクト化に有用である。
【０００３】
多関節ロボットにおいて、重力による負荷が作用する軸では、当該軸を駆動するサーボモータの動力（トルク）を補助する装置として、重力による負荷に対して逆方向の力を発生する装置（以後、バランサと呼称する）を組み込む場合がある。このバランサにガススプリングを適用すると（このようなバランサをガスバランサと称する）、上述のようにガススプリングは比較的小型・軽量にも関わらず出力が大きいため、ガスバランサはコンパクトな機構で大きな補助トルクを発生し、軽量・コンパクトかつ大きな可搬重量を持つロボットを実現することができる。例えば特許文献１には、ベース１上で旋回アーム３を駆動する垂直回転軸２の荷重モーメントを軽減するためのバランサが記載されている。このバランサは、シリンダ４、ロッド５及びピストン６を備え、シリンダ４には連通部１１を介して気体圧縮チャンバ１０が設けられ、シリンダ４及びチャンバ１０内にはエア等の気体（圧縮性流体）とオイル等の粘性液体が封入される、とされている。
【０００４】
一方、ガススプリングでは、シリンダに対するピストンロッドの動作に伴い、シリンダ内部に封入されたガスが外部へ漏出し、シリンダ内圧が低下することが知られている。これによりバランサの発生力が低下し、その結果、サーボモータのトルク不足を知らせるアラーム等が発せられ、ロボットが緊急停止するという問題があった。このようなガススプリングの内圧低下に伴う不具合を未然に防ぐための手段として、いくつかの従来技術が既に知られている。例えば特許文献２には、ガススプリング回路の内圧低下を視覚的に表示できるようにした回路圧力表示装置が記載されている。また特許文献３には、ガススプリングの圧縮ガス充填室に収容された圧縮ガスの圧力を指示するためのガススプリング用圧力インジケータが記載されている。
【０００５】
さらに特許文献４には、気体ばね４及び圧縮機システム５を含む釣合い装置が記載されている。圧縮機システム５は、圧縮機６と、気体ばね４内の圧力を調整する自動制御システム７とを備え、自動制御システム７は、気体ばね４内の圧力を検出する圧力センサ８からの信号に基づいて、気体ばね４からの又は気体ばね４への気体の流量を規制する圧力制御弁９を制御する、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１３８１８９号公報
【特許文献２】特開２００７−２９８５１３号公報
【特許文献３】特開２００９−２７０９８７号公報
【特許文献４】特表２０１２−５１９０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２及び３に記載されているように、ガススプリングの外部に圧力表示器を取り付ける場合、少なくともその圧力表示器に相当する分だけ設備費が上昇する。また、圧力表示器とガススプリングとの間にはコネクタ等の接続手段を設ける必要があるが、そのような接続手段の存在はガス漏れの可能性を高める。さらに、圧力表示器自体の破損によってガス漏れが生じる虞もある。
【０００８】
また特許文献４のように、ガススプリング（気体ばね）に圧力センサや圧力調整弁等を設ける場合、特許文献２及び３と同様にそれらの装置の分、設備費が上昇することに加え、ガス漏れの可能性も高くなる。さらに、圧力調整弁９に接続されるガスタンク１１のような設備も必要となり、周辺設備が大型化するという問題もある。
【０００９】
そこで本発明は、低コスト及び簡易な構成で、ガススプリングの内圧低下を知ることができる機能を備えた多関節ロボット、及びガススプリングの内圧低下量を推定する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本願第１の発明は、少なくとも１つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有する多関節ロボットであって、前記ガススプリングは、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成され、前記制御装置は、前記シリンダに対する前記ピストンロッドの進退動作量を積算して前記ピストンロッドの総動作距離を算出し、前記総動作距離に基づいて、前記ガススプリングの前記圧縮性ガスの内圧の減少量を算出する機能を有する、多関節ロボットを提供する。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、前記ピストンロッドの総動作距離を、微小時間毎の前記アームの回転角度から幾何学的に算出される、前記シリンダからの前記ピストンロッドの突出長さの差分を積算して求める多関節ロボットを提供する。
【００１２】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記制御装置は、前記ピストンロッドの総動作距離に加え、前記シリンダの内圧の絶対値、前記シリンダに対する前記ピストンロッドの進退速度、及び前記ガススプリングの温度の少なくとも１つをパラメータとして前記圧縮性ガスの内圧の減少量を算出する、多関節ロボットを提供する。
【００１３】
第４の発明は、第１〜第３の発明において、算出された前記ピストンロッドの総動作距離および前記圧縮性ガスの内圧の減少量の少なくとも一方を、視覚的又は聴覚的に出力する表示手段を有する、多関節ロボットを提供する。
【００１４】
第５の発明は、少なくとも１つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有し、前記ガススプリングが、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成されている多関節ロボットにおける、前記ガススプリングの内圧の減少量を推定する方法であって、前記シリンダに対する前記ピストンロッドの進退動作量を積算して前記ピストンロッドの総動作距離を求めるステップと、前記総動作距離に基づいて、前記ガススプリングの前記圧縮性ガスの内圧の減少量を算出するステップと、を有する、方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、シリンダに対するピストンロッドの総動作距離に基づいてガススプリング内圧の減少量を推定することができるので、従来のようにガススプリング内圧を測定するための圧力計やセンサ等の手段が不要となり、設備の小型化や低コスト化が図れる。
【００１６】
ピストンロッドの総動作距離を、微小時間毎のアームの回転角度から幾何学的に算出することにより、距離センサ等の手段が不要となり、さらなる低コスト化が図れる。
【００１７】
圧縮性ガスの内圧の減少量を算出する際に、ピストンロッドの総動作距離に加え、シリンダの内圧の絶対値、シリンダに対するピストンロッドの進退速度、及びガススプリングの温度の少なくとも１つをパラメータとしてさらに考慮することにより、より正確な内圧減少量の推定が可能となる。
【００１８】
ピストンロッドの総動作距離及びガス内圧減少量の一方又は双方を視覚的又は聴覚的に出力することにより、作業者は、出力された情報を迅速に視覚的又は聴覚的に知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の好適な実施形態に係る多関節ロボットの概略構成を示す図である。
【図２】図１の多関節ロボットの制御装置が行う動作制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】シリンダに対するピストンロッドの総動作距離を求めるための第１の構成例を示す図である。
【図４】シリンダに対するピストンロッドの総動作距離を求めるための第２の構成例を示す図である。
【図５】図４の構成を用いてピストンロッドの総動作距離及びガススプリングの内圧減少量を求める手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明の好適な実施形態に係る多関節ロボットの概略構成を示す図である。多関節ロボット２は、少なくとも１つのアームを備えたロボット機構部４と、ロボット機構部４を制御する制御装置６と、該少なくとも１つのアームに設けられたガススプリングとを有する。図示例では、ロボット機構部４は、ベース８と、ベース８に旋回可能に設けられた旋回部１０と、旋回部１０に回転可能に設けられた下部アーム１２と、下部アーム１２に回転可能に設けられた上部アーム１４とを有する。多関節ロボット２はさらに、下部アーム１２に関連して設けられたガススプリング１６を有する。ガススプリング１６は、下部アーム１２に回転可能に取付けられたシリンダ１８と、旋回部１０に回転可能に取付けられかつシリンダ１８内を摺動可能に構成され支持されたピストンロッド２０とを有し、シリンダ１８内部には不活性の圧縮性ガスが封入されている。ガススプリング１６は、重力による負荷が作用する下部アーム１２を駆動するサーボモータ２２の負荷を軽減するバランサとして使用される。
【００２１】
制御装置６は、給電ケーブル２４等を介してロボット機構部４に接続されており、ロボット機構部４の各軸の動作を制御する。また制御装置６は、モニタ付き操作パネル２６を有してもよく、操作パネル２６には後述するピストンロッド２０の総動作距離や推定されたシリンダ１８の内圧等を表示することができる。
【００２２】
ガススプリング１６のシリンダ１８内のガス圧（内圧）は、ガススプリング１６が関連付けられたアーム（ここでは下部アーム１２）の動作に伴い低下するが、この内圧低下の原因として、ガススプリング内部の圧縮性ガスを封止するためのシール部材（図示せず）とピストンロッド２０との間の僅かな隙間に入り込んだガスがピストンロッドの動作と共に外部へ漏出することや、ピストンロッド２０の動作により生じるシール部材の磨耗が挙げられる。そこで本発明は、これらの原因によるガス圧の低下量はシリンダ１８に対するピストンロッド２０の進退動作量を積算して得られる総動作距離と高い相関があることに着目し、その総動作距離を計算することでガススプリング内圧の減少量を推定（算出）することを主たる特徴とする。
【００２３】
図２は、上述の制御装置６が行う微小時間（制御周期）毎に行う、多関節ロボット２の動作制御の一例を示すフローチャートである。制御装置６は、所定のロボットプログラム等に基づき、多関節ロボット２の各軸の動作を予め定めた制御周期毎に制御するための指令を作成し、ロボット２に送信する等の処理を行う。図２の例では、制御装置６は微小時間毎に処理Ａ〜Ｄを行うが、このうち処理Ｃが、上述のガススプリング内圧の減少量の算出処理に相当する。このように内圧減少量の算出処理は、制御装置６が行う処理の１つとして容易に組み込むことができる。
【００２４】
図３は、ガススプリング１６の内圧減少量を算出するための基礎となる、シリンダ１８に対するピストンロッド２０の総動作距離を求めるための第１の構成例を示す図である。ガススプリング１６のピストンロッド２０には、ピストンロッド２０と実質一体に動作するレーザ変位計等の距離センサ２８を取付ける。距離センサ２８は、シリンダ１８と実質一体の固定部又は固定面３０と距離センサ２８との距離を検出できるように構成されている。距離センサ２８により検知された距離の変動量はシリンダ１８に対するピストンロッド２０の進退動作距離に相当するので、距離センサ２８により検出された距離の変動量を積算することにより、シリンダ１８に対するピストンロッド２０の総動作距離を求めることができる。
【００２５】
通常、ロボット動作中の下部アーム１２は不規則な揺動運動を行うことが多く、故に下部アーム１２に設けたガススプリング１６のピストンロッド２０の進退動作も複雑となる。このような場合に距離センサを用いてピストンロッド２０の突出長さの変動量を求めるには、距離センサをシリンダ１８又はピストンロッド２０に取り付ける必要があるが、その取り付けが困難となる場合もある。そこで以下に、距離センサを使用せずにピストンロッドの突出長さを求める例を説明する。
【００２６】
図４は、図１に示す多関節ロボット２において特に好適に適用可能な、シリンダ１８に対するピストンロッド２０の総動作距離を求めるための第２の構成例を示す図である。ここでは、図１のように下部アーム１２が略鉛直方向に延びる第１の位置（図４では二点鎖線で図示）から、旋回部１０に対して反時計方向に角度θだけ回転した第２の位置（図４では実線で図示）に回転移動したときの、シリンダ１８に対するピストンロッド２０の動作距離を考える。
【００２７】
図４に示すように、下部アーム１２とガススプリング１６（シリンダ１８）との連結点３２から下部アーム１２の回転中心３４までの距離をａとし、旋回部１０とガススプリング１６（ピストンロッド２０）との連結点３６から下部アーム１２の回転中心３４までの距離をｂとし、さらにシリンダ１８の全長をｃとする。この場合、シリンダ１８からのピストンロッド２０の突出長さｄは、以下の式（１）を用いて幾何学的に求めることができる。
ｄ＝（ａ2＋ｂ2−2・ａ・ｂ・cos（180−θ））1/2−ｃ        （１）
【００２８】
式（１）において、ａ、ｂ及びｃはいずれも定数なので、下部アーム１２の回転角度θを微小時間毎に検出することにより、ピストンロッド２０の突出長さｄを幾何学的に容易に求めることができる。図４の例では、下部アーム１２のフィードバック制御等で用いられるエンコーダ（図示せず）等を用いて回転角度θを検出できるので、図３の例のように距離センサ等の手段を別途設ける必要はない。
【００２９】
図５は、図２のフローチャートにおける処理Ｃの詳細を示すフローチャートであり、ここでは図４の構成を用いてピストンロッドの総動作距離及びガススプリングの内圧減少量を求める手順を示している。先ずステップＳ１において、旋回部１０に対する下部アーム１２の回転角度θを読み込む。この回転角度θとしては、上述のように下部アーム１２の回転角度を検出するエンコーダ等の出力を利用することができる。
【００３０】
次にステップＳ２において、図４に示したような旋回部１０、下部アーム１２及びガススプリング１６の幾何学的関係（より具体的には、回転中心３４、連結点３２及び３６の位置関係）から、シリンダ１８からのピストンロッド２０の突出長さｄ１を計算する。次にステップＳ３において、前の制御周期において同様に計算したピストンロッドの突出長さｄ０との差分（差の絶対値）Δｄ（＝｜ｄ１-ｄ０｜）を求める。つまりΔｄは、ロボット動作中の微小時間毎のピストンロッド２０の動作距離に相当する。
【００３１】
次にステップＳ４において、シリンダ１８に対するピストンロッド２０の総動作距離Ｄを更新する。具体的には、前の制御周期で求めた総動作距離Ｄに、ステップＳ３で求めたΔｄを加算し、新たな総動作距離とする。
【００３２】
次のステップＳ５では、更新された総動作距離Ｄに基づいて、ガススプリングの内圧減少量を算出する。図５の例では、総動作距離Ｄと内圧減少量Ｐとは概ね比例関係にあることに着目し、総動作距離Ｄに内圧換算係数Ｋ１を乗算して内圧減少量Ｐを求め、これを推定された内圧減少量としている。なお総動作距離Ｄや内圧減少量Ｐは、制御装置６に組み込まれたソフトウェア等によって算出することができる。
【００３３】
次にステップＳ６において、算出した内圧減少量Ｐを、制御装置６の操作パネル２６のモニタ等にリアルタイムで表示する。これにより作業者は、ガススプリングの内圧減少量を容易に知ることができ、減少量に応じた必要な措置を迅速に行うことができる。また内圧減少量の代わりに又はこれに加え、ステップＳ４で求めた総動作距離Ｄを表示するようにしてもよい。また内圧減少量又は総動作距離が所定の閾値を超えた場合は警報を発するようにしてもよく、このように制御装置６は、総動作距離Ｄ及び内圧減少量Ｐの一方又は双方をリアルタイムで視覚的又は聴覚的に出力することができ、これにより作業者は、出力された情報を迅速に視覚的又は聴覚的に知ることができる。
【００３４】
最後にステップＳ７において、次の制御周期での処理のために、ステップＳ２で求めたｄ１をｄ０に更新する。なおこの処理は、ステップＳ３以降であればどこで行ってもよい。
【００３５】
図５のフローチャートからわかるように、ロボット動作中の微小時間（制御周期）毎のアームの回転角度から算出されるピストンロッドの突出長さの差分を積算することにより、ピストンロッドの総動作距離を算出し、算出されたピストンロッドの総動作距離をパラメータとしてガススプリングの内圧減少量を推定することが可能となる。
【００３６】
なお図５の例では、ガススプリングの内圧減少量はピストンロッドの総動作距離に比例する（Ｐ＝Ｋ１×Ｄ）としたが、実際には、ガススプリングの内圧減少量は、シリンダ内圧の絶対値、シリンダに対するピストンロッドの進退速度、及びガススプリングの温度（環境温度）等にも依存する。そこで、ステップＳ５の処理においてピストンロッドの総動作距離に加え、シリンダ内圧の絶対値、シリンダに対するピストンロッドの進退速度、及びガススプリングの温度の少なくとも１つをパラメータとしてさらに含む計算式を用いてガス圧の減少量を算出するようにしてもよい。例えば、シリンダ内圧の絶対値、シリンダに対するピストンロッドの進退速度、及びガススプリングの温度を適宜変更して実験的に得られたガススプリングの内圧減少量のデータを事前に取得し、このデータに基づいてこれらのパラメータを加味した相関式を作成しておく、等のやり方が挙げられる。このように内圧減少量の推定において、総動作距離以外のパラメータも考慮することにより、実際の使用条件に即したより正確な推定が可能となる。
【００３７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図１ではガススプリングを、前後方向（左右方向）に揺動する下部アーム１２のサーボモータ２２を補助するものとして説明したが、重力の影響を受けながら駆動される軸を支えるようにガススプリングを用いたロボットであれば、上述のものと同様の作用効果を得ることができる。つまり本発明は、下部アーム１２が上下方向又は斜め方向に揺動する場合にも適用可能であるし、下部アーム以外のアームに対しても適用可能である。また、ガススプリングとロボットアームとの幾何学的関係は様々な形態を取り得るので、ピストンロッドの突出長さを算出する式は、上述の式（１）に限られるものではない。
【符号の説明】
【００３８】
２    多関節ロボット
４    ロボット機構部
６    制御装置
８    ベース
１０    旋回部
１２    下部アーム
１４    上部アーム
１６    ガススプリング
１８    シリンダ
２０    ピストンロッド
２２    サーボモータ
２４    給電ケーブル
２６    操作パネル
２８    距離センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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