(57)【要約】【課題】配線の引き回しスペースの増大を抑制し、配線の寿命低下を抑制しつつ、温度検出精度の低下を抑制する。【解決手段】複数の温度センサ２２１〜２２５のそれぞれが各フレームに配置され、各フレームの温度を検出する。制御装置３００は、複数の温度センサ２２１〜２２５の検出結果に基づき、ロボットアームの位置ずれを補正制御する。各温度センサ２２１〜２２５は、制御装置３００にケーブル２４１〜２４５でシリアル接続され、各フレームに対して非接触で各フレームの温度を検出する非接触型温度センサである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節で連結された複数のフレームを有するロボットアームと、
前記各フレームの温度をそれぞれ検出する複数の温度センサと、
前記複数の温度センサの検出結果に基づき、前記ロボットアームの位置ずれを補正制御する制御装置と、を備え、
前記各温度センサは、前記制御装置にシリアル接続され、前記各フレームに対して非接触で前記各フレームに対向して配置され、前記各フレームの温度を検出する非接触型温度センサであることを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
前記温度センサが、赤外線温度センサであることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
前記各フレームには、前記各温度センサに対向する位置に、前記フレームよりも赤外線の放射率の高い高放射率材料が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記フレームは、前記温度センサに対向する底面部と、前記底面部から前記温度センサの側に突出し、前記底面部と共に前記温度センサの検出範囲を包囲する側面部と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記ロボットアームは、前記各関節をそれぞれ駆動する複数のモータと、前記制御装置の指令に応じて前記各モータの駆動をそれぞれ制御する複数の駆動制御基板と、を備え、
前記複数の温度センサのうち少なくとも１つの温度センサは、前記駆動制御基板に搭載されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアームの熱膨張による位置ずれを補正制御するロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットアームは、複数のフレームが関節で連結されて構成されている。各フレームは、運転に伴う発熱により熱膨張する。そのため、従来、複数のフレームそれぞれに温度センサを取り付け、各温度センサによる検出温度により各フレームの熱膨張したロボットアームの先端の位置と目標位置との誤差を計算し、誤差を解消するように制御していた（特許文献１参照）。特許文献１では、各温度センサは、それぞれ信号線で信号変換器に接続されている。そして、信号変換器で各温度センサの出力信号がデジタル信号に変換され、制御装置に出力されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−８０３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１では、温度センサの数が増加するにつれて、配線の本数も増加し配線束が太くなるため、配線の引き回しスペースの増大や配線の曲げによる寿命低下の問題があった。更に、温度センサがフレームに接触させて温度を検出する接触型の温度センサであるため、温度センサとフレームとの接触状態のばらつきにより温度検出精度が低下し、これによりロボットアーム先端の位置ずれ補正制御の精度が低下する問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、配線の引き回しスペースの増大を抑制し、配線の寿命低下を抑制しつつ、温度検出精度の低下を抑制することができるロボット装置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】
【０００６】
本発明のロボット装置は、関節で連結された複数のフレームを有するロボットアームと、前記各フレームの温度をそれぞれ検出する複数の温度センサと、前記複数の温度センサの検出結果に基づき、前記ロボットアームの位置ずれを補正制御する制御装置と、を備え、前記各温度センサは、前記制御装置にシリアル接続され、前記各フレームに対して非接触で前記各フレームに対向して配置され、前記各フレームの温度を検出する非接触型温度センサであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、各温度センサが制御装置にシリアル接続されているので、配線の引き回しスペースの増大が抑えられ、配線の曲げによる寿命低下を抑えることができる。また、各温度センサが非接触型温度センサであるため、温度検出精度の低下を抑制することができ、制御装置によるロボットアームの位置ずれの補正制御の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係るロボット装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施形態に係るロボット装置の配線状態を示す説明図である。
【図３】第１実施形態に係るロボット装置の複数のフレームのうち１つのフレームの内部構成を示す断面図である。
【図４】第２実施形態に係るロボット装置の複数のフレームのうち１つのフレームの内部構成を示す断面図である。
【図５】第３実施形態に係るロボット装置の複数のフレームのうち１つのフレームの内部構成を示す断面図である。
【図６】第４実施形態に係るロボット装置の複数のフレームのうち１つのフレームの内部構成を示す断面図である。
【図７】第５実施形態に係るロボット装置の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るロボット装置の概略構成を示す説明図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るロボット装置の配線状態を示す説明図である。ロボット装置１００は、垂直多関節のロボット２００と、ロボット２００を制御する制御装置３００と、を備えている。
【００１１】
図１に示すように、ロボット２００は、多軸（４軸）のロボットアーム２０１と、ロボットアーム２０１の先端に取り付けられたエンドエフェクタ２０２と、を有する。ロボットアーム２０１は、関節Ｊ１〜Ｊ４で連結された複数（５つ）のフレーム（リンク）２１１〜２１５を有する。ロボット２００は、各フレーム２１１〜２１５に配置され、各フレーム２１１〜２１５の温度をそれぞれ検出する、図２に示す複数（５つ）の温度センサ２２１〜２２５を有している。各温度センサ２２１〜２２５は、非接触型温度センサであり、第１実施形態では、赤外線を検出することで温度を検出する、例えばサーモパイル型の赤外線温度センサである。
【００１２】
ロボットアーム２０１の構成について具体的に説明すると、図１に示すように、第１フレームであるフレーム２１１と第２フレームであるフレーム２１２とは、第１関節である関節Ｊ１で旋回可能に連結されている。フレーム２１２と第３フレームであるフレーム２１３とは、第２関節である関節Ｊ２で旋回可能に連結されている。フレーム２１３と第４フレームであるフレーム２１４とは、第３関節である関節Ｊ３で回転可能に連結されている。フレーム２１４と第５フレームであるフレーム２１５とは、第４関節である関節Ｊ４で旋回可能に連結されている。エンドエフェクタ２０２は、先端フレーム（先端リンク）であるフレーム２１５に取り付けられている。
【００１３】
ここで、フレーム２１１の内部には第１プリント配線板である基板２３１、フレーム２１２の内部には第２プリント配線板である基板２３２、フレーム２１３の内部には第３プリント配線板である基板２３３が配置されている。また、フレーム２１４の内部には第４プリント配線板である基板２３４、フレーム２１５の内部には第５プリント配線板である基板２３５が配置されている。各基板２３１〜２３５には、それぞれ図２に示すように、温度センサ２２１〜２２５が実装されている。
【００１４】
また、各基板２３１〜２３５（即ち各温度センサ２２１〜２２５）は、電力を伝達する電力線と信号を伝達する信号線からなるケーブル（配線）２４１〜２４５で制御装置３００にシリアル接続されている。つまり、制御装置３００と基板２３１とは、図２に示すように、コネクタ２５１を介してケーブル２４１で接続されている。また、基板２３１と基板２３２とは、コネクタ２５２，２５３を介してケーブル２４２で接続されている。また、基板２３２と基板２３３とは、コネクタ２５４，２５５を介してケーブル２４３で接続されている。また、基板２３３と基板２３４とは、コネクタ２５６，２５７を介してケーブル２４４で接続されている。また、基板２３４と基板２３５とは、コネクタ２５８，２５９を介してケーブル２４５で接続されている。このように、各基板２３１〜２３５（各温度センサ２２１〜２２５）がコネクタ２５１〜２５９を介してケーブル２４１〜２４５でデイジーチェーンにより接続されている。具体的には、各基板２３１〜２３５に少なくとも２つのコネクタがあり、各ケーブルのコネクタを各基板上のコネクタに接続することで、デイジーチェーン接続している。
【００１５】
ここで、ケーブル２４２〜２４５の関節Ｊ１〜Ｊ４を通る部分においては、関節Ｊ１〜Ｊ４を回転させた際にケーブル２４２〜２４５に負荷がかからないように関節Ｊ１〜Ｊ４の構造が工夫されており、とぐろ形状やクランクシャフト等の構造がとられている。
【００１６】
制御装置３００は、複数の温度センサ２２１〜２２５の検出結果に基づき、ロボットアーム２０１の位置ずれを補正制御する。具体的に説明すると、制御装置３００は、各温度センサ２２１〜２２５による検出温度により各フレーム２１１〜２１５の熱膨張した際のロボットアーム２０１の先端の位置と目標位置との誤差を計算し、誤差を解消するように各関節Ｊ１〜Ｊ４を制御する。
【００１７】
なお、基板２３１は、コネクタ２５１とコネクタ２５２とを電気的に接続する不図示の配線パターンを有している。基板２３２は、コネクタ２５３とコネクタ２５４とを電気的に接続する不図示の配線パターンを有している。基板２３３は、コネクタ２５５とコネクタ２５６とを電気的に接続する不図示の配線パターンを有している。基板２３４は、コネクタ２５７とコネクタ２５８とを電気的に接続する不図示の配線パターンを有している。
【００１８】
ここで、各基板２３１〜２３５は同様の構成であり、基板２３５において、本実施形態では不使用であるがコネクタ２６０が形成されている。そして、基板２３５は、コネクタ２５９とコネクタ２６０とを電気的に接続する不図示の配線パターンを有している。
【００１９】
更に、基板２３１は、実装された不図示の抵抗器及びコンデンサ等を介して温度センサ２２１をコネクタ２５１，２５２に電気的に接続する不図示の配線パターンを有している。基板２３２は、実装された不図示の抵抗器及びコンデンサ等を介して温度センサ２２２をコネクタ２５３，２５４に電気的に接続する不図示の配線パターンを有している。基板２３３は、実装された不図示の抵抗器及びコンデンサ等を介して温度センサ２２３をコネクタ２５５，２５６に電気的に接続する不図示の配線パターンを有している。基板２３４は、実装された不図示の抵抗器及びコンデンサ等を介して温度センサ２２４をコネクタ２５７，２５８に電気的に接続する不図示の配線パターンを有している。基板２３５は、実装された不図示の抵抗器及びコンデンサ等を介して温度センサ２２５をコネクタ２５９，２６０に電気的に接続する不図示の配線パターンを有している。
【００２０】
つまり、ケーブル２４１〜２４５は、制御装置３００に接続されたバス配線を構成し、各温度センサ２２１〜２２５はバス配線に分岐して接続されていることになる。
【００２１】
温度センサ２２１〜２２５は、赤外線温度センサを構成するセンサモジュールであり、不図示の感熱素子（サーモパイル）、不図示のＡＤコンバータを有し、温度検出結果をデジタル信号として出力する。そして、各温度センサ２２１〜２２５は、互いに同期をとり、信号が重ならないように、時分割でデジタル信号を制御装置３００に出力する。
【００２２】
図３は、本発明の第１実施形態に係るロボット装置１００の複数のフレーム２１１〜２１５のうち１つのフレーム（フレーム２１１）の内部構成を示す断面図である。なお、フレーム２１２〜２１５についても同様の構成であるので、図示及び説明を省略する。
【００２３】
温度センサ２２１は基板２３１に実装されており、電力線及び信号線で構成されるケーブル２４１，２４２が接続されている。温度センサ２２１は、フレーム２１１に対して非接触状態でフレーム２１１の内面に対向配置されており、フレーム２１１の内面の温度を非接触で検出することができる。各温度センサ２２１〜２２５により検出された検出温度を示す信号は、ケーブル２４１〜２４５を介して制御装置３００に伝送される。
【００２４】
ここで、制御装置３００は、温度センサ２２１〜２２５で検出した温度を用いてロボットアーム２０１の位置を補正する機能を有する。即ち、制御装置３００は、検出温度から各フレーム２１１〜２１５の長さを算出するフレーム長演算部と、算出したフレーム２１１〜２１５の長さからロボットアーム２０１の先端の位置を算出する順運動学演算部と、を有している。更に、制御装置３００は、ロボットアーム２０１の先端の目標位置と計算した位置との差分から、各関節Ｊ１〜Ｊ４の回転角度（関節角度）の補正量を算出する逆運動学演算部と、補正量に基づいた移動量で移動するように制御するドライバと、を有している。
【００２５】
まず、フレーム長演算部において下記の式から各フレーム２１１〜２１５の膨張量を算出する。
ΔＬ１＝α１×δ１×Ｌ１    ・・・（１）
ΔＬ２＝α２×δ２×Ｌ２    ・・・（２）
ΔＬ３＝α３×δ３×Ｌ３    ・・・（３）
ΔＬ４＝α４×δ４×Ｌ４    ・・・（４）
ΔＬ５＝α５×δ５×Ｌ５    ・・・（５）
【００２６】
式（１）はフレーム２１１の膨張量ΔＬ１、式（２）はフレーム２１２の膨張量ΔＬ２、式（３）はフレーム２１３の膨張量ΔＬ３、式（４）はフレーム２１４の膨張量ΔＬ４、式（５）はフレーム２１５の膨張量ΔＬ５を算出する計算式である。
【００２７】
ここで、αｉ（ｉ＝１，２，３，４，５）は温度センサ２２１〜２２５で検出したフレーム温度の基準温度からの変化量である。基準温度とは、例えば室温等である。δｉ（ｉ＝１，２，３，４，５）は、各フレーム２１１〜２１５の材料の膨張係数であり、例えば一般的なアルミニウム合金の場合、２４×１０−６／℃である。ここで用いる膨張係数は、フレーム２１１〜２１５の材質が複数で構成される場合はその平均値を用いてもよい。また、Ｌｉ（ｉ＝１，２，３，４，５）は各フレーム２１１〜２１５の長さ（フレーム長）であり、例えば関節の中心間の距離を示す。フレーム長Ｌｉは、膨張量を算出するための長さであるため、熱膨張に寄与しない部分があればその長さを除いてもよい。上記のように算出したフレーム２１１〜２１５の膨張量ΔＬｉをフレーム長Ｌｉに足して、温度変化したフレーム２１１〜２１５の長さを算出する。
【００２８】
次に、順運動学演算部においてフレーム２１１〜２１５の長さの計算結果と関節Ｊ１〜Ｊ４の回転角度から順運動学計算によりロボットアーム２０１の先端の位置を算出し、目標位置との差である位置ずれ量を算出する。次に、逆運動学演算部においてロボットアーム２０１の先端の目標位置に対する位置ずれ量から逆運動学計算により関節Ｊ１〜Ｊ４の回転角度の補正量を算出する。次に、ドライバにおいて各関節の回転角度の補正量を加味した移動量を各モータに指令しモータを駆動させる。
【００２９】
以上、温度センサ２２１〜２２５をシリアル接続としたことにより、温度センサの数によらず関節を通るケーブル（配線）は最低限の本数で構成できる。そのため、ケーブル（配線）の引き回しスペースの増大が抑えられ、ケーブル（配線）の曲げによる寿命低下を抑えることができる。また、温度センサ２２１〜２２５として、非接触型温度センサを用いているため、接触状態のばらつきによる温度検出精度の低下を防止することができ、ロボットアーム２０１の先端の位置ずれ補正制御の精度が向上する。
【００３０】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るロボット装置について説明する。本第２実施形態において上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。図４は、本発明の第２実施形態に係るロボット装置の複数のフレーム２１１〜２１５のうち１つのフレーム（フレーム２１１）の内部構成を示す断面図である。なお、フレーム２１２〜２１５については、フレーム２１１と同様であるため、説明及び図示を省略する。
【００３１】
第２実施形態では、フレーム２１１の内面の一部（温度センサ２２１の受光面に対向する位置）に、フレーム２１１よりも赤外線の放射率の高い高放射率材料４０１が形成されている。フレーム２１１はアルミニウム合金で構成され、高放射率材料４０１は、例えば市販の黒体塗料（放射率０．９４）を塗布して形成されており、少なくとも温度センサ２２１の視野範囲（図３の点線で囲われた検出範囲）Ｒを含む領域に形成されている。第２実施形態では、温度センサ２２１の視野角は例えば４５°である。
【００３２】
以上、温度センサ２２１に対向するフレーム２１１の内面に高放射率材料４０１が形成されているので、フレーム２１１がアルミニウム合金のような金属であってもフレーム２１１から放出される赤外線量を増加させることができる。また、放射率が低いことによる赤外線の反射が防止できることから、温度センサ２２１の検出精度が向上し、フレーム温度を高精度に検出することができる。
【００３３】
なお、第２実施形態では、非接触型の温度センサ２２１として視野角４５°の場合を示したが、視野角に合わせて高放射率材料の塗布範囲を変えてもよい。また、高放射率材料として黒体塗料を塗布した例を示したが、市販の黒体テープを貼り付けてもよい。
【００３４】
以上、第２実施形態のロボット装置によれば、上記第１実施形態と同様、ロボットアームの先端の位置ずれ補正制御の精度を向上することができる。また、温度センサの数が増加しても、関節を通るケーブルの数は変わらず最低限の本数で構成できるため、配線の引き回しスペースの増大が抑えられ、配線の曲げによる寿命低下を抑えることができる。
【００３５】
更に、第２実施形態のロボット装置によれば、温度センサ２２１の対向するフレーム２１１の内面に高放射率材料４０１を形成したので、温度センサ２２１が検知する熱線量（赤外線量）が増加し、フレーム温度の検出精度を更に向上させることができる。
【００３６】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係るロボット装置について説明する。本第３実施形態において上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。図５は、本発明の第３実施形態に係るロボット装置の複数のフレーム２１１〜２１５のうち１つのフレーム（フレーム２１１）の内部構成を示す断面図である。なお、フレーム２１２〜２１５については、フレーム２１１と同様であるため、説明及び図示を省略する。
【００３７】
第３実施形態では、フレーム２１１の内面に温度センサ２２１の視野範囲（検出範囲）Ｒを囲うようにリブ２８０を形成し、その内側に高放射率材料４０１を塗布している。つまり、フレーム２１１は、温度センサ２２１に対向する底面部２１１Ａと、底面部２１１Ａから温度センサ側に突出し、底面部２１１Ａと共に温度センサ２２１の検出範囲Ｒを包囲する側面部２８０Ａと、を有する。
【００３８】
ここで、リブ２８０は、金型成型や機械加工によって形成されるものであり、温度センサ２２１から見たフレーム面内の形状は温度センサ２２１の種類によって選択することができ、四角形状や円形状であってもよい。
【００３９】
第３実施形態のロボット装置によれば、温度センサ２２１の視野角内において、他の部品の赤外線の反射等を防ぐことができ外乱を防止することができるため、フレーム温度を高精度に検出することができる。したがって、ロボットアームの先端の位置ずれ補正制御の精度が向上する。
【００４０】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係るロボット装置について説明する。本第４実施形態において上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。図６は、本発明の第４実施形態に係るロボット装置の複数のフレーム２１１〜２１５のうち１つのフレーム（フレーム２１１）の内部構成を示す断面図である。なお、フレーム２１２〜２１５については、フレーム２１１と同様であるため、説明及び図示を省略する。
【００４１】
第４実施形態では、フレーム２１１の内面に温度センサ２２１の視野範囲Ｒを囲うように凹部２９０が形成され、その内側に高放射率材料４０１を塗布している。
【００４２】
つまり、フレーム２１１は、温度センサ２２１に対向する底面部２９０Ａと、底面部２９０Ａから温度センサ側に突出し、底面部２９０Ａと共に温度センサ２２１の検出範囲Ｒを包囲する側面部２９０Ｂと、を有する。
【００４３】
第４実施形態のロボット装置においても、上記第３実施形態と同様にフレーム温度を高精度に検出することができ、ロボットアームの先端の位置ずれ補正制御の精度を向上することができる。
【００４４】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係るロボット装置について説明する。本第５実施形態において上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。図７は、本発明の第５実施形態に係るロボット装置の概略構成を示す説明図である。
【００４５】
第５実施形態のロボット装置１００Ａは、垂直多関節のロボット２００Ａと、ロボット２００Ａを制御する制御装置３００とを備えている。
【００４６】
ロボット２００Ａは、上記第１実施形態で説明したロボットアーム２０１と、エンドエフェクタ２０２と、を有している。
【００４７】
ロボットアーム２０１は、各関節Ｊ１〜Ｊ４をそれぞれ駆動する複数のモータＭ１〜Ｍ４と、制御装置３００の指令に応じて各モータＭ１〜Ｍ４の駆動をそれぞれ制御する複数の駆動制御基板３３１〜３３４を有している。また、エンドエフェクタ２０２のモータの駆動を制御する駆動制御基板３３５が、フレーム２１５内に配置されている。
【００４８】
複数の温度センサ２２１〜２２５（図２参照）のうち少なくとも１つの温度センサは、駆動制御基板に搭載されている。第５実施形態では、各駆動制御基板３３１〜３３５に各温度センサ２２１〜２２５が図２と同様に搭載されている。なお、駆動制御基板３３１〜３３５は、制御装置３００にシリアル接続（デイジーチェーン接続）されている。
【００４９】
つまり、温度センサを実装した基板は、温度センサを実装するために用意した基板でなくても、ロボットアーム２０１の各関節Ｊ１〜Ｊ４を駆動するモータＭ１〜Ｍ４を制御するための駆動制御基板（分散型制御基板）に温度センサを実装してもよい。
【００５０】
このように、温度センサを、既存の駆動制御基板３３１〜３３４（３３５）に実装することで、新規に基板を追加することなくフレーム温度を検出することが可能となる。
【００５１】
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
【００５２】
上記実施形態では、温度センサをフレームの内部に配置した場合について説明したが、フレームに対向して配置され、フレームに対して非接触であれば、フレームの外部に配置してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１００…ロボット装置、２００…ロボット、２０１…ロボットアーム、２１１〜２１５…フレーム、２２１〜２２５…温度センサ、３００…制御装置、Ｊ１〜Ｊ４…関節
【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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【図６】
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【図７】
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