(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性の高い他の物体への接触を検知する信頼性を向上させることができるロボット制御装置を提供すること。【解決手段】ロボット制御装置１２は、ロボット本体に設けられたモータ８のモータ軸の回転角度からモータ軸側角度を演算するモータ軸側角度演算部３と、ロボット本体に設けられた減速機の出力軸の回転角度から出力軸側角度を演算する出力軸側角度演算部４と、角度計測遅延補正係数Ｄを記憶する角度計測遅延補正係数記憶部９と、モータ軸側角度センサと、出力軸側角度センサとの角度差Δθｄを算出し、モータ軸の回転速度および角度計測遅延補正係数Ｄにより角度差Δθｄを補正してねじれ変形量Δθを演算するねじれ変形量演算部５と、ねじれ変形量Δθに応じて接触トルクＴを演算し、ロボット本体の接触状態を判定する接触判定部６と、を備える。【選択図】図３
2019119014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット本体に設けられたモータのモータ軸の回転角度からモータ軸側角度を演算するモータ軸側角度演算部と、
前記ロボット本体に設けられた減速機の出力軸の回転角度から出力軸側角度を演算する出力軸側角度演算部と、
角度計測遅延補正係数を記憶する角度計測遅延補正係数記憶部と、
前記モータ軸の回転角度を検出するモータ軸側角度センサと、前記モータ軸側角度センサと故障モードが異なり前記出力軸の回転角度を検出する出力軸側角度センサとの角度差を算出し、前記モータ軸の回転速度および前記角度計測遅延補正係数により前記角度差を補正してねじれ変形量を演算するねじれ変形量演算部と、
前記ねじれ変形量に応じて接触トルクを演算し、前記ロボット本体の接触状態を判定する接触判定部と、
を備えることを特徴とするロボット制御装置。
【請求項２】
モータと、
前記モータのモータ軸に接続された減速機と、
前記減速機の出力軸に接続され、関節が設けられたアームと、
前記モータ軸の回転角度を検出するモータ軸側角度センサと、
前記モータ軸側角度センサと故障モードが異なり、前記出力軸の回転角度を検出する出力軸側角度センサと、を有するロボット本体と、
前記モータ軸の回転角度からモータ軸側角度を演算するモータ軸側角度演算部と、
前記出力軸の回転角度から出力軸側角度を演算する出力軸側角度演算部と、
角度計測遅延補正係数を記憶する角度計測遅延補正係数記憶部と、
前記モータ軸側角度センサと前記出力軸側角度センサとの角度差を算出し、前記モータ軸の回転速度および前記角度計測遅延補正係数により前記角度差を補正してねじれ変形量を演算するねじれ変形量演算部と、
前記ねじれ変形量に応じて接触トルクを演算し、前記ロボット本体の接触状態を判定する接触判定部と、を有するロボット制御装置と、
を備えることを特徴とするロボットシステム。
【請求項３】
ロボット本体に設けられたモータのモータ軸の回転角度からモータ軸側角度を演算するステップと、
前記ロボット本体に設けられた減速機の出力軸の回転角度から出力軸側角度を演算するステップと、
前記モータ軸の回転角度を検出するモータ軸側角度センサと、前記モータ軸側角度センサと故障モードが異なり前記出力軸の回転角度を検出する出力軸側角度センサとの角度差を算出するステップと、
前記角度差を前記モータ軸の回転速度および前記角度計測遅延補正係数により補正してねじれ変形量を演算するステップと、
前記ねじれ変形量に応じて接触トルクを演算するステップと、
前記接触トルクと閾値とを比較して、前記ロボット本体の接触状態を検出するステップと、
を含むことを特徴とするロボットアームの接触検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット制御装置、ロボットシステムおよびロボットアームの接触検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工場等において、様々なロボットが使用されてきた。また、ロボットの開発は、位置決め精度や安全性などを向上させることを目的として、現在においても盛んに行われており、より複雑な動作を行うための多関節を備えたロボットなどが、実用化され広く普及している。
【０００３】
さらに、上記のように複雑な動作を行う多関節ロボットアームにおいては、ロボットアーム部などが、構造物、ワーク、作業者等と接触したことを検出し、接触による災害を低減する技術が重要であり、様々な技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、ロボットアームの各関節のアクチュエータ（モータおよび減速機）の入力側と出力側に角度検出器を設け、検出される角度差から衝突の有無を判断し、衝突と判断した場合にはロボットアームを逆方向に駆動させる技術が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２では、水平多関節ロボットの相対回転角度を検出する2つのエンコーダによってロボットの衝突を検出する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−００３３５７号公報
【特許文献２】特開２００３−０３９３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および２の技術には、角度センサが故障した場合に、力やトルクを検出することができなくなり、人との接触を伴う場合、安全に関する不安が存在する。
【０００８】
こうした安全に関する不安に対応するため、角度センサが減速機の入力軸と出力軸に取り付けられていることで、一つが故障したとしても、もう一つが検出する、また、それぞれの出力を比較して過大な差が発生した場合にいずれかの角度センサが故障していると判定することもできる。しかしながら、２つの角度センサが同時に故障した場合には力やトルクを正しく検出できないという課題を含む。
【０００９】
２つの角度センサが同時に故障する確率を下げるためには、故障モードの異なる角度センサを取り付ける方法が考えられ、例えば、磁気式の角度センサと光学式の角度センサを使う方法が考えられる。ここでいう故障モードとは、故障状態の形式による分類のことをいう。具体的には、断線、短絡、折損、摩耗、特性の劣化などが挙げらる。ところが、故障モードの異なる角度センサ同士には測定遅延時間にわずかに差が存在する。減速機の歪を測定してトルクを検出する場合、このわずかな差は無視できないという問題がある。
【００１０】
本発明は、以上のような問題を解決するために提案されたものであり、人間を含めた他の物体への接触を検知する信頼性を向上させることができるロボット制御装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目標を達成するため、本願発明に係るロボット制御装置は、ロボット本体に設けられたモータのモータ軸の回転角度からモータ軸側角度を演算するモータ軸側角度演算部と、ロボット本体に設けられた減速機の出力軸の回転角度から出力軸側角度を演算する出力軸側角度演算部と、角度計測遅延補正係数を記憶する角度計測遅延補正係数記憶部と、モータ軸の回転角度を検出するモータ軸側角度センサと、モータ軸側角度センサと故障モードが異なり前記出力軸の回転角度を検出する出力軸側角度センサとの角度差を算出し、モータ軸の回転速度および角度計測遅延補正係数により角度差を補正してねじれ変形量を演算するねじれ変形量演算部と、ねじれ変形量に応じて接触トルクを演算し、ロボット本体の接触状態を判定する接触判定部と、を備える。
【００１２】
また、本願発明に係るロボットシステムは、モータと、モータのモータ軸に接続された減速機と、減速機の出力軸に接続され、関節が設けられたアームと、モータ軸の回転角度を検出するモータ軸側角度センサと、モータ軸側角度センサと故障モードが異なり、出力軸の回転角度を検出する出力軸側角度センサと、を有するロボット本体と、モータ軸の回転角度からモータ軸側角度を演算するモータ軸側角度演算部と、出力軸の回転角度から出力軸側角度を演算する出力軸側角度演算部と、角度計測遅延補正係数を記憶する角度計測遅延補正係数記憶部と、モータ軸側角度センサと出力軸側角度センサとの角度差を算出し、モータ軸の回転速度および角度計測遅延補正係数により角度差を補正してねじれ変形量を演算するねじれ変形量演算部と、ねじれ変形量に応じて接触トルクを演算し、ロボット本体の接触状態を判定する接触判定部と、を有するロボット制御装置と、を備える。
【００１３】
また、本願発明に係るロボットアームの接触検知方法は、ロボット本体に設けられたモータのモータ軸の回転角度からモータ軸側角度を演算するステップと、ロボット本体に設けられた減速機の出力軸の回転角度から出力軸側角度を演算するステップと、モータ軸の回転角度を検出するモータ軸側角度センサと、モータ軸側角度センサと故障モードが異なり前記出力軸の回転角度を検出する出力軸側角度センサとの角度差を算出するステップと、角度差をモータ軸の回転速度および角度計測遅延補正係数により補正してねじれ変形量を演算するステップと、ねじれ変形量に応じて接触トルクを演算するステップと、接触トルクと閾値とを比較して、ロボット本体の接触状態を検出するステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るロボット制御装置によれば、他の物体への接触を検知する信頼性を向上させることができる。なお、ここに記載された効果は、必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るロボットシステムの要部を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る角度センサ計測遅延ずれの説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るロボット制御装置を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るロボットシステムの接触判定処理動作を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係るロボットシステム１８の要部の概略図を示している。図１において、本実施形態のロボットシステム１８は、モータ８と、減速機１４と、一または複数の関節が設けられたロボットアーム１６と、モータ軸１３の回転角度を検出するモータ軸側角度センサ（エンコーダ）１と、出力軸１５の回転角度を検出する出力軸側角度センサ２と、ロボット制御装置（コントローラ）１２を備えた構成である。ロボットアーム１６は、減速機１４を介在して連結されているモータ８と減速機１４を介在して連結されているため、モータ８を回転駆動すると、ロボットアーム１６が回転することになる。なお、本実施形態のロボットシステム１８は、１個のモータ、減速機、モータ軸側角度センサ、出力軸側角度センサおよびロボットアームを有する構成であるが、これに限るものではなく、複数のモータ、減速機、モータ軸側角度センサ、出力軸側角度センサおよびロボットアームを有する構成であっても良い。
【００１７】
モータ８は、通常、サーボモータなどが用いられる。また、モータ８は、モータ軸１３の一方の端部が減速機１４の入力軸と接続され、他方の端部にモータ軸１３用のモータ軸側角度センサ１が組み付けられている。
【００１８】
本実施形態では、モータ軸１３用のモータ軸側角度センサ１には光学式エンコーダを用いており、モータ８のモータ軸１３の回転方向や回転角度を検出し、測定信号をロボット制御装置１２に出力するように構成されている。なお、モータ軸側角度センサ１には光学式エンコーダを用いているが、出力軸側角度センサ２と故障モードが異なるものであれば、別の角度センサを有する構成であっても良い。また、上記モータ軸側角度センサ１には、通信遅れなどが原因で生じる避けることのできない計測遅延を有している。
【００１９】
減速機１４は、図示しない複数の歯車や出力軸１５などから構成されている。この出力軸１５にはロボットアーム１６が連結されており、また、端部には出力軸１５用の出力軸側角度センサ２が組み付けられている。なお、減速機１４としては、例えば、弾性ねじれ変形が支配的である波動歯車装置が使用されるが、これに限定するものではなく、出力軸と入力軸との間に弾性ねじれ変形を有する別の種類の減速機を使用してもよい。
【００２０】
本実施形態では、出力軸１５用の出力軸側角度センサ２には磁気式エンコーダを用いている。出力軸側角度センサ２は出力軸１５の回転方向や回転角度を検出し、測定信号をロボット制御装置１２に出力する。  なお、出力軸側角度センサ２には磁気式エンコーダを用いているが、モータ軸側角度センサ１と故障モードが異なるものであれば、別の角度センサを有する構成であっても良い。また、上記出力軸側角度センサ２には磁気的要因もしくは、通信遅れなどが原因で生じる避けることのできない計測遅延を有している。
【００２１】
ロボットアーム１６は所定の長さを有しており、図示していないが、先端部に工具やワーク保持手段などが取り付けられる。
【００２２】
図 3は、本発明の一実施形態に係るロボットシステム１８の制御系（ロボット制御装置１２）を示す機能ブロック図である。図３において、ロボット制御装置１２は、モータ軸１３の回転角度からモータ軸側角度を演算するモータ軸側角度演算部３、出力軸１５の回転角度から出力軸側角度を演算する出力軸側角度演算部４、ねじれ変形量演算部５、接触判定部６、モータ制御指令部７、角度計測遅延補正係数記憶部９、バネ定数記憶部１０、接触判定閾値記憶部１１を有している。
【００２３】
モータ軸側角度演算部３は、モータ軸側角度センサ１から受けた信号からモータ軸側角度θmを求め、減速機１４の減速比Ｎから出力側の角度に換算したモータ軸側角度θ1を演算する。つまり、θ1 = θm ÷ Ｎを演算する。出力軸側角度演算部４は、出力軸側角度センサ２から受けた信号から出力軸側角度θ2を演算する。
【００２４】
ねじれ変形量演算部５は、モータ軸側角度演算部３の演算結果のモータ軸側角度θ1と、出力軸側角度演算部４の演算結果の出力軸側角度θ2から、角度差Δθdを算出する。即ち、角度差Δθd = θ1 − θ2 となる。この角度差Δθdからロボットアーム１６の関節誤差を算出することができる。さらに、ねじれ変形量演算部５は、角度差Δθdを角度計測遅延補正係数記憶部９に保存して記憶されている角度計測遅延補正係数Dおよびモータ８の回転速度vにより補正してねじれ変形量Δθを求める。即ち、ねじれ変形量Δθ = Δθd −v×Dを演算する。
【００２５】
ここで、図２に本発明の一実施形態に係る角度センサ測定遅延の説明図を示す。図２は、縦軸を角度差Δθd、横軸をモータ回転速度vとし、無負荷状態でモータ８の速度を変化させた場合の角度差Δθdについて表したものである。図２に示すとおり、モータ回転速度が０の場合、角度差Δθdはほぼ０を示すが、無負荷状態にもかかわらずモータ回転速度が発生している場合、速度に依存した角度差Δθdが観測される。これは、モータ軸側角度センサ１と出力軸側角度センサ２の測定遅延に差があるために生じるズレであり、減速機１４固有の粘性とは別の現象である。この角度センサ測定遅延ズレは、実際には減速機１４固有の粘性によるズレより大きな値を示す場合が多く、このズレが大きい場合、外力によってねじれることにより発生するねじれ変形量Δθを高精度に測定できない。したがって、ねじれ変形量Δθを高精度に測定するためには、角度センサ測定遅延を補正することが必要不可欠である。本実施形態では角度センサ測定遅延ズレとモータ回転速度の関係を一次補間で近似し図２に示す角度センサ測定遅延係数Dを計測する。なお、角度センサ測定遅延ズレとモータ回転速度の関係をより高次の曲線で近似もしくは、角度センサ測定遅延ズレとモータ回転速度の関係を配列で保持する方法をとってもよい。
【００２６】
接触判定部６は、ねじれ変形量演算部５により演算されたねじれ変形量Δθとバネ定数記憶部１０に記憶されているモータ８からロボットアーム１６までのバネ定数Ｋから、ロボットアーム１６の接触トルクＴを演算する。即ち、接触トルクＴ = Δθ×Ｋの演算を行う。さらに、接触判定部６は、接触判定閾値記憶部１１に記憶されている接触判定閾値Ｔcと比較することで、接触に相当する外力が発生したかのロボット本体１７の接触状態を判定する。即ち、接触トルクＴが接触判定閾値Ｔcを超えた場合には、接触として検知し、モータ８を停止する。接触トルクＴが接触判定閾値Ｔc以下の場合には、再度、モータ軸側角度θ1および出力軸側角度θ2を演算する。ねじれ変形量Δθから接触トルクＴが計算できる理由は、減速機１４として、弾性ねじれ変形が支配的である波動歯車装置などを使用した場合、ねじれ変形量Δθが減速機１４のねじれ量と等価として扱うことができるからである。
【００２７】
モータ制御指令部７は、接触判定部６のロボットアームまたはロボットアームに取り付けられた機器と他の物体との接触判定の状態により、モータ８に指令を送る。通常は、ロボット制御装置１２のモータ制御指令部７からロボット本体１７のモータ８に回転トルクを発生させる電流指令が送られる。
【００２８】
図 4は、本発明の一実施形態に係るロボットアームまたはロボットアームに取り付けられた機器と他の物体との接触を検知してロボットが停止する流れを示す。図4を用いて、本実施形態のロボットシステムの接触判定処理動作について説明する。
【００２９】
まず、ステップS1において、バネ定数記憶部１０はバネ定数Ｋを読み込む。ステップS2において、接触判定閾値記憶部１１は接触判定閾値Ｔcを読み込む。ステップS3において、角度計測遅延補正係数記憶部９は角度計測遅延補正係数Dを読み込む。
【００３０】
次に、ステップS4において、モータ軸側角度演算部３はモータ軸側角度θ1を演算し、出力軸側角度演算部４は出力軸側角度θ2を演算する。
【００３１】
次に、ステップS5において、ねじれ変形量演算部５は角度差Δθdを演算する。即ち、角度差Δθd = θ1 − θ2 となる。ステップS6において、ねじれ変形量演算部５は角度センサ計測遅延ずれΔθtを演算する。即ち、角度センサ計測遅延ずれΔθt = v×Dとなる。ステップS7において、ねじれ変形量演算部５は角度差Δθdを角度センサ計測遅延ずれΔθtにより補正して、ねじれ変形量Δθを演算する。
【００３２】
そして、ステップS8において、接触判定部６はロボットアーム１６の接触トルクＴを演算する。即ち、接触トルクＴ = Δθ×Ｋの演算を行う。ステップS9において、接触判定部６は演算した接触トルクＴと接触判定閾値Ｔcの比較を行い、接触トルクＴが接触判定閾値Ｔcを超える場合は、接触として検知し、モータ８を停止する。接触トルクＴが接触判定閾値Ｔc以下の場合には、再度ステップS4に戻り、モータ軸側角度θ1および出力軸側角度θ2を演算する。
【００３３】
以上のように、本実施形態のロボット制御装置１２、ロボットシステム１８またはロボットアーム１６の接触検知方法を用いることにより、他の物体への接触を検知する信頼性を向上させることができる。また、ロボットアーム１６またはロボットアーム１６に取り付けられた機器と他の物体との接触トラブルによる損害をより低減することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  モータ軸側角度センサ（エンコーダ）
２  出力軸側角度センサ（エンコーダ）
３  モータ軸側角度演算部
４  出力軸側角度演算部
５  ねじれ変形量演算部
６  接触判定部
７  モータ制御指令部
８  モータ
９  角度計測遅延補正係数記憶部
１０  バネ定数記憶部
１１  接触判定閾値記憶部
１２  ロボット制御装置
１３  モータ軸
１４  減速機
１５  出力軸
１６  ロボットアーム
１７  ロボット本体
１８  ロボットシステム
【図１】
2019119014.tif 000003
【図２】
2019119014.tif 000004
【図３】
2019119014.tif 000005
【図４】
2019119014.tif 000006