(57)【要約】非接触に精度良く、リアルタイムに、複雑なキャリブレーションが不要で、簡単なシステム構成で、ロボットのアームの運動状態量、特に位置や速度や加速度、又は角度や角速度や角加速度を測定することができるロボットの評価システム及びその評価方法を提供する。  ロボットのアームに設けられ、前記アームの運動状態量を検出するセンサと、ロボットの各軸サーボモータの関節角度を計測する角度検出器と、前記センサの状態量を直交座標系の状態量に変換する第１のセンサ演算部と、前記角度検出器の関節角度を直交座標系の状態量に変換する第２のセンサ演算部と、前記第1のセンサ演算部の出力と前記第２のセンサ演算部の出力を合成する出力合成部とを有することを特徴とするロボットの評価システム。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットのアームに設けられ、前記アームの運動状態量を検出するセンサと、
ロボットの各軸サーボモータの関節角度を計測する角度検出器と、
前記センサの状態量を直交座標系の状態量に変換する第１のセンサ演算部と、
前記角度検出器の関節角度を直交座標系の状態量に変換する第２のセンサ演算部と、
前記第1のセンサ演算部の出力と前記第２のセンサ演算部の出力を合成する出力合成部
とを有することを特徴とするロボットの評価システム。
【請求項２】
前記センサは加速度センサであることを特徴とする請求項１記載のロボットの評価システム。
【請求項３】
前記センサはジャイロセンサであることを特徴とする請求項１記載のロボットの評価システム。
【請求項４】
前記出力合成部の出力である出力合成値を基に、前記ロボットの各軸サーボモータのサーボゲイン調整を行うことを特徴とする請求項１記載のロボットの評価システム。
【請求項５】
前記各軸サーボモータの関節指令を直交座標系の位置及び速度及び加速度に変換した直交指令値と前記出力合成部の出力である出力合成値を、前記制御装置に接続された操作ペンダントの画面上に表示することを特徴とする請求項１記載のロボットの評価システム。
【請求項６】
第１ステップとして、ロボットのアームに設けられ、前記アームの運動状態量を検出するセンサの状態量を直交座標系の状態量に変換して第１のセンサ出力値を求め、
第２ステップとして、ロボットの各軸サーボモータに接続された角度検出器で計測された関節角度を直交座標系の状態量に変換して第２のセンサ出力値を求め、
第３ステップとして、前記第１のセンサ出力値と前記第２のセンサ出力値を合成して、出力合成値を求めることを特徴とするロボットの評価方法。
【請求項７】
第４ステップとして、前記出力合成値を基に、前記ロボットの各軸サーボモータのサーボゲインを調整することを特徴とする請求項６記載のロボットの評価方法。
【請求項８】
直交座標系の状態量を関節座標系の状態量に変換して前記各軸サーボモータの速度ループゲインを調整する請求項７記載のロボットの評価方法。
【請求項９】
前記出力合成部の出力である出力合成値を基に、前記ロボットの動作異常を検出することを特徴とする請求項１記載のロボットの評価システム。
【請求項１０】
前記直交指令値及び前記出力合成値を通信部を介して遠隔地に送信することを特徴とする請求項５記載のロボットの評価システム。
【請求項１１】
第４ステップとして、前記出力合成値を基に、前記ロボットの動作異常を検出することを特徴とする請求項６記載のロボットの評価方法。
【請求項１２】
ロボットの各軸サーボモータと、前記サーボモータに接続される機構部と、前記サーボモータを指令に基づいて駆動するモータ制御部と、を有するロボットの評価システムにおいて、
前記サーボモータを模擬したモータモデルと、前記機構部を模擬した機構モデル部と、前記モータ制御部を模擬した制御モデル部と、を有するシミュレーション部と、
前記ロボットのアームに設けられ、前記アームの運動状態量を検出するセンサと、
前記センサの状態量を直交座標系の状態量に変換する第１のセンサ演算部と、
前記シミュレーション部の出力である関節モデル角度応答又はモデルメカ位置応答を直交座標系の状態量に変換する第２のセンサ演算部と、
前記第1のセンサ演算部の出力と前記第２のセンサ演算部の出力を合成する出力合成部
とを有することを特徴とするロボットの評価システム。
【請求項１３】
第１ステップとして、ロボットのアームに設けられ、前記アームの運動状態量を検出するセンサの状態量を直交座標系の状態量に変換して第１のセンサ出力値を求め、
第２ステップとして、ロボットの各軸サーボモータと、前記サーボモータに接続される機構部と、前記サーボモータを指令に基づいて駆動するモータ制御部と、で構成された実機部をそれぞれ模擬したモータモデルと、機構モデル部と制御モデル部とで構成されたシミュレーション部により、実機部と同一指令を前記シミュレーション部に入力し、前記シミュレーション部の出力として、関節モデル角度応答又はモデルメカ位置応答を求め、
第３ステップとして、前記関節モデル角度応答又は前記モデルメカ位置応答を直交座標系の状態量に変換して第２のセンサ出力値を求め、
第４ステップとして、前記第１のセンサ出力値と前記第２のセンサ出力値を合成して、出力合成値を求めることを特徴とするロボットの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直交座標系におけるロボットの先端部の状態量、特に位置や速度や加速度を計測する評価システムとその評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のシリアルリンク型ロボットの動作性能を評価する場合やパラメータ調整を実施する場合には、ロボットの手先の状態量、特に位置や速度や加速度、又は角度や角速度や角加速度を精度良く測定することが重要である、しかし、シリアルリンク型ロボットの手先の可動範囲は広く、手先の動きの自由度も直交と回転の６自由度と多自由度であるため、精度良く測定する事が困難である。【０００３】
このような問題に対して、例えば、図７に示すように、前記ロボット手先に、回転角度センサをもったパッシブリンクの３軸ロボットを取り付けて、測定対象のロボット手先の位置を計測する方式がある（例えば、特許文献１参照）。
この方式では、測定対象のロボット手先の姿勢変化は自在継手で吸収し、位置変化のみを前記回転角度センサの値とリンク長から演算する構成である。【０００４】
また、２個以上のカメラで測定対象を撮影し、その画像から３次元位置を演算し絶対位置姿勢を求め、更にジャイロセンサと加速度センサで相対位置姿勢を求める方式がある（例えば、特許文献２参照）。
この方式では、測定対象上にマーカやＬＥＤを配置し、その画像を連続的に２台以上のカメラで撮影して専用のコントローラで合成することで連続的な３次元位置を求め、カメラで撮影できない位置では加速度センサ等の相対位置情報を用いる構成である。【０００５】
また、アームに取り付けた加速度センサで振動を計測し、FFT解析でロボットの固有振
動数を求め、固有振動数に応じロボットを制御する方式がある（例えば、特許文献３参照）。
この方式では、固有振動数を算出するための予測式を、予め固有振動数と、ロボットアームの位置とワークの質量との関数として求める構成である。【０００６】
また、互いに垂直な３表面を持つターゲットに、非接触式センサを有する互いに垂直な３表面を持つマルチセンサ測定ヘッドを対向させ、ターゲットの相対的な動きを立方体定位測定原理に基づいてポーズ計算し、位置と方向のデータを同時に測定する方式がある（例えば、特許文献４参照）。【０００７】
また、動作性能の評価ではないが、外界センサを用いることでロボットの動作性能を向上させたり、ロボットのパラメータを補正したりする方法もある。
ロボット自身のパラメータ補正方法としては、作業対象物の情報を取得する外界センサ及びロボットの位置姿勢情報を取得する内界センサを具備し、ロボットの手先が直線対象物に沿った基準動作時の情報から認識誤差のモデリングを行う方法もある（例えば、特許文献５参照）。【０００８】
ロボットの振動を抑制する方法としては、アーム先端に加速度センサを設け、加速度信号はローパスフィルタを通してヤコビ転置行列で各軸の加速度に変換し、速度指令にフィードバックする方法がある（例えば、特許文献６参照）。
【特許文献１】実開平０７−０３１２９５号公報（請求項１、第１図）
【特許文献２】特開２００４−０５０３５６号公報（請求項１、第１図）
【特許文献３】特開平０６−２７８０８０号公報（請求項１、第１図）
【特許文献４】特開平０８−０９０４６５号公報（請求項１、第１図）
【特許文献５】特開平１１−１９７８３４号公報（請求項１、第１図）
【特許文献６】特許第３４４２９４１号（請求項１、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、回転角度センサをもったパッシブリンクの３軸ロボットで測定対象のロボット手先の位置を計測する方式では、測定対象であるロボットの可動範囲全体を一度に測定する事は困難であるという問題がある。また、測定対象のロボットと３軸ロボットが接続しているため、測定対象ロボットの動作によっては、３軸ロボットを破損させる危険性がある。また、３軸ロボットであるため、ロボットの手先の回転動作も測定不可能であるという問題や、測定精度がパッシブリンクの３軸ロボットの加工・組立精度に依存するという問題や、高い分解能の回転角度センサが必要であるという問題もある。【００１０】
また、２個以上のカメラで測定対象を撮影した画像と加速度センサやジャイロセンサから３次元位置を演算して求める方式では、カメラで撮影できない時間が長い場合には加速度センサやジャイロセンサの２回積分に頼らなければならず、そのオフセット量が著しく大きく不連続になるという問題がある。また、測定前にロボットと装置間の複雑なキャリブレーションを実施しないと使用できず、画像処理が必要なためリアルタイムにロボットの手先の状態量を表示できない等の問題もある。更には、このようなカメラを複数台使用する測定装置は高価であるという問題もある。【００１１】
また、アームに取り付けた加速度センサで振動を計測し、FFT解析でロボットの固有振
動数を求める方式では、手先の振動は求めることができるが、ロボットの動作性能評価動作中の直交座標系での絶対的な手先の位置や速度や加速度、又は角度や角速度や角加速度を測定し評価することはできない。【００１２】
また、互いに垂直な３表面を持つターゲットに、非接触式センサを有する互いに垂直な３表面を持つマルチセンサ測定ヘッドを対向させる方式では、測定対象であるロボットの可動範囲全体を一度に測定する事は困難であるという問題がある。また、測定精度がターゲットの加工精度に依存するという問題がある。【００１３】
また、外界センサと内界センサで直線動作時の同じ状態量を測定して認識誤差をモデリングする方法では、ロボットの手先の動作性能を評価することはできない。また同様に、加速度信号はローパスフィルタを通してヤコビ転置行列で各軸の加速度に変換し、速度指令にフィードバックする方法では、ロボットの手先の動作性能を評価することはできない。【００１４】
そこで本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、複雑なキャリブレーションが不要で、非接触に精度良く、リアルタイムに、簡単なシステム構成で、ロボットの先端部、手先の状態量、特に位置や速度や加速度、又は角度や角速度や角加速度を測定することができるロボットの評価システム及びその評価方法を提供することを目的とする。
また、ロボットの手先の指令値とセンサ値を合成した出力合成値を操作ペンダント上に表示し、それにより作業者がリアルタイムにロボットの手先の応答を評価できるようにすることを目的とする。
また、作業者が前記ロボットの手先の状態量を直感的に把握でき、各軸サーボモータのサーボゲイン調整、速度ループゲイン調整を簡単に行うことを目的とする。
また、ロボットの内部状態量のみを使うよりも高感度にロボットの動作異常を検出することを目的とする。
また、遠隔地からも各軸サーボモータのサーボゲイン調整、速度ループゲイン調整、ロボットの動作異常を検出することを目的とする。
また、ロボットのアームの状態量を、非接触に精度良く簡単なシステム構成で測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明では、上記問題点を解決するため、本発明は次のようにしたものである。【００１６】
請求項１記載のロボットの評価システムでは、ロボットのアームに設けられ、前記アームの運動状態量を検出するセンサと、ロボットの各軸サーボモータの関節角度を計測する角度検出器と、前記センサの状態量を直交座標系の状態量に変換する第１のセンサ演算部と、前記角度検出器の関節角度を直交座標系の状態量に変換する第２のセンサ演算部と、前記第1のセンサ演算部の出力と前記第２のセンサ演算部の出力を合成する出力合成部と
を有することを特徴とする。【００１７】
また、請求項２記載のロボットの評価システムでは、前記センサは加速度センサであることを特徴とする。【００１８】
また、請求項３記載のロボットの評価システムでは、前記センサはジャイロセンサであることを特徴とする。【００１９】
また、請求項４記載のロボットの評価システムでは、前記出力合成部の出力である出力合成値を基に、前記ロボットの各軸サーボモータのサーボゲイン調整を行うことを特徴とする。【００２０】
また、請求項５記載のロボットの評価システムでは、前記各軸サーボモータの関節指令を直交座標系の位置及び速度及び加速度に変換した直交指令値と前記出力合成部の出力である出力合成値を、前記ロボットの制御装置に接続された操作ペンダントの画面上に表示することを特徴とする。【００２１】
また、請求項６記載のロボットの評価方法では、第１ステップとして、ロボットのアームに設けられ、前記アームの運動状態量を検出するセンサの状態量を直交座標系の状態量に変換して第１のセンサ出力値を求め、第２ステップとして、ロボットの各軸サーボモータに接続された角度検出器で計測された関節角度を直交座標系の状態量に変換して第２のセンサ出力値を求め、第３ステップとして、前記第１のセンサ出力値と前記第２のセンサ出力値を合成して、出力合成値を求めることを特徴とする。【００２２】
また、請求項７記載のロボットの評価方法では、請求項６において第４ステップとして、前記出力合成値を基に、前記ロボットの各軸サーボモータのサーボゲインを調整することを特徴とするものである。【００２３】
また、請求項８記載のロボットの評価方法では、請求項７において、直交座標系の状態量を関節座標系の状態量に変換して前記各軸サーボモータの速度ループゲインを調整するものである。【００２４】
また、請求項９記載のロボットの評価システムでは、請求項１において前記出力合成部の出力である出力合成値を基に、前記ロボットの動作異常を検出することを特徴とする。【００２５】
また、請求項１０記載のロボットの評価システムでは、請求項５において前記直交指令値及び前記出力合成値を、通信部を介して、遠隔地に送信することを特徴とする。【００２６】
また、請求項１１記載のロボットの評価方法では、請求項６において第４ステップとして、前記出力合成値を基に、前記ロボットの動作異常を検出することを特徴とする。【００２７】
また、請求項１２記載のロボットの評価システムでは、ロボットの各軸サーボモータと、前記サーボモータに接続される機構部と、前記サーボモータを指令に基づいて駆動するモータ制御部と、を有するロボットの評価システムにおいて、前記サーボモータを模擬したモータモデルと、前記機構部を模擬した機構モデル部と、前記モータ制御部を模擬した制御モデル部と、を有するシミュレーション部と、前記ロボットのアームに設けられ、前記アームの運動状態量を検出するセンサと、前記センサの状態量を直交座標系の状態量に変換する第１のセンサ演算部と、前記シミュレーション部の出力である関節モデル角度応答又はモデルメカ位置応答を直交座標系の状態量に変換する第２のセンサ演算部と、前記第1のセンサ演算部の出力と前記第２のセンサ演算部の出力を合成する出力合成部とを有することを特徴とする。【００２８】
また、請求項１３記載のロボットの評価方法では、第１ステップとして、ロボットのアームに設けられ、前記アームの運動状態量を検出するセンサの状態量を直交座標系の状態量に変換して第１のセンサ出力値を求め、第２ステップとして、ロボットの各軸サーボモータと、前記サーボモータに接続される機構部と、前記サーボモータを指令に基づいて駆動するモータ制御部と、で構成された実機部をそれぞれ模擬した、モータモデルと、機構モデル部と、制御モデル部と、で構成されたシミュレーション部により、実機部と同一指令を前記シミュレーション部に入力し、前記シミュレーション部の出力として、関節モデル角度応答又はモデルメカ位置応答を求め、第３ステップとして、前記関節モデル角度応答又は前記モデルメカ位置応答を直交座標系の状態量に変換して第２のセンサ出力値を求め、第４ステップとして、前記第１のセンサ出力値と前記第２のセンサ出力値を合成して、出力合成値を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
以上述べたように、請求項１、２及び３のロボットの評価システムによれば、ロボットのアームに設けられた運動状態量を検出するセンサとロボットの各軸の角度検出器からの状態量を、直交座標系の状態量に変換して合成することで、ロボットのアームの状態量を、非接触に精度良く、複雑なキャリブレーションが不要で、簡単なシステム構成で測定することができる。
請求項４記載のロボットの評価システムによれば、ロボットのアームに設けられた運動状態量を検出するセンサとロボットの各軸の角度検出器からの状態量を、直交座標系の状態量に変換して合成することで、作業者が前記ロボットの手先の状態量を直感的に把握で
き、各軸サーボモータのサーボゲイン調整を簡単に行うことができる。
請求項５記載のロボットの評価システムによれば、ロボットの手先の指令値とセンサ値を合成した出力合成値を操作ペンダント上に表示できることで、作業者はリアルタイムにロボットの手先の応答を評価することが出来る。
請求項６記載のロボットの評価方法によれば、ロボットのアームに設けられた運動状態量を検出するセンサとロボットの各軸の角度検出器からの状態量を、直交座標系の状態量に変換して合成することで、ロボットの手先の状態量を、非接触に精度良く、複雑なキャリブレーションが不要で、簡単なシステム構成で測定することができる。
請求項７記載のロボットの評価方法によれば、ロボットのアームに設けられた運動状態量を検出するセンサとロボットの各軸の角度検出器からの状態量を、直交座標系の状態量に変換して合成することで、前記ロボットの手先の状態量から各軸サーボモータのサーボゲイン調整することができる。
請求項８記載のロボットの評価方法によれば、直交座標系の状態量を関節座標系の状態量に変換して前記各軸サーボモータの速度ループゲインを調整することができる。
請求項９記載のロボットの評価システムによれば、前記出力合成部の出力である出力合成値を基に、前記ロボットの動作異常を検出することで、ロボットの内部状態量のみを使うよりも高感度に異常検出することができる。
請求項１０記載のロボットの評価システムによれば、前記直交指令値及び前記出力合成値を、通信部を介して、遠隔地に送信することことで、遠隔地からもサーボゲイン調整や動作異常検出を行うことができる。
請求項１１記載のロボットの評価方法によれば、ロボットのアームに設けられた運動状態量を検出するセンサとロボットの各軸の角度検出器からの状態量を、直交座標系の状態量に変換して合成し、ロボットの動作異常を検出することで、ロボットの内部状態量のみを使うよりも高感度に異常検出することができる。
請求項１２記載のロボットの評価システムによれば、ロボットのアームに設けられた運動状態量を検出するセンサとロボットのシミュレーションによる状態量を、直交座標系の状態量に変換して合成することで、ロボットのアームの状態量を、非接触に精度良く、複雑なキャリブレーションが不要で、二重に振動を検出して精度を落とすことなく、簡単なシステム構成で測定することができる。
請求項１３記載のロボットの評価方法によれば、ロボットのアームに設けられた運動状態量を検出するセンサとロボットのシミュレーションによる状態量を、直交座標系の状態量に変換して合成することで、ロボットのアームの状態量を、非接触に精度良く、複雑なキャリブレーションが不要で、二重に振動を検出して精度を落とすことなく、簡単なシステム構成で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施例を表す外観図
【図２】本発明の第１の実施例を表すフローチャート
【図３】本発明の第１の実施例を表す信号波形
【図４】本発明の第２の実施例を表すロボット操作ペンダント上の信号波形
【図５】本発明の第３の実施例を表すロボット操作ペンダント上の信号波形
【図６】本発明の第４の実施例を表すブロック図
【図７】従来の制御方式を示す図
【符号の説明】
【００３１】
１１  ロボット
１２  ツール
１３  制御装置
１４  センサ
１５  センサ受信部
１６  角度検出器
１７  操作ペンダント
２０  実機部
２１  サーボモータ
２２  機構部
２３  モータ制御部
３０  シミュレーション部
３１  モータモデル
３２  機構モデル部
３３  制御モデル部
４１  第１のセンサ演算部
４２  第２のセンサ演算部
４３  出力合成部
４４  指令
４５  モデル状態量
４６  第２の状態量
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００３３】
本発明の第１の実施例を、図１、図２及び図３を用いて説明する。ここでは、評価対象であるロボット11は６軸垂直多関節ロボットとし、前記ロボット11の手先の状態量、特に位置や速度や加速度、又は角度や角速度や角加速度を測定し、評価する評価システムについて、３段階に分けて説明する。各ステップは図２に示す制御フローにより実行される。
図１に示すように、前記ロボット11は制御装置13で駆動される。前記ロボット11の手先には作業に応じて交換されるエンドエフェクタであるツール12が接続されている。前記ツール12には手先の位置を評価するためのセンサ14が前記ツール12に内蔵又は表面に配置されている。以下の本実施例では、センサ14は３軸の加速度センサとして、前記ロボット11の手先の位置を評価する場合を説明する。【００３４】
（１）第１ステップ
ここでは、センサの状態量（加速度）を直交座標系の状態量（位置）に変換する方法について説明する。
前記加速度センサ14の加速度信号は、前記制御装置13内のセンサ受信部15に入力される。前記センサ受信部15内では、前記加速度信号を２回積分することで、センサ座標系の位置に変換する。ここで、信号のノイズ成分も積分されることで、変換した位置にはオフセットが発生するため、ハイパスフィルタ又は移動平均でオフセット成分を除去する。次に、オフセット成分が除去されたセンサ座標系の位置を、前記ロボット11のベースからツールまでの回転行列を用いることで、前記ロボット11の直交座標系の位置に変換する。【００３５】
（２）第２ステップ
ここでは、内界センサの状態量（関節角度）を直交座標系の状態量（位置）に変換する方法について説明する。
前記ロボット11の各関節のモータには、内界センサとして角度検出器16が配置されている。前記角度検出器16の出力である関節角度を、一般的に順変換又は順運動学と呼ばれる変換式を用いることで、前記ロボット11の直交座標系の位置に変換することができる。【００３６】
（３）第３ステップ
ここでは、第１ステップで求められたセンサによる直交座標系での第１の状態量（位置）と、第２ステップで求められた内界センサによる直交座標系での第２の状態量（位置）を合成する方法について説明する。
本実施例における各センサの検出の役割として、モータの減速器から負荷側の状態量をアームに配置したセンサで測定し、モータの減速器からモータ側の状態量を内界センサで
測定する。そのため、内界センサにモータの減速器から負荷側が影響する場合としない場合で、処理を分ける必要がある。内界センサにモータの減速器から負荷側が影響するか否かの具体的判断は、内界センサと外界センサの同一時刻の振動成分を比較して、同一の振動成分がある場合には影響があると判断する。例えば、負荷側の振動が減速器のバネ要素を介してモータに伝わり、角度検出器でその振動が測定される場合には、内界センサの信号からその振動成分を除去する必要がある。振動成分の検出には、ＦＦＴなどの信号処理を別に行えば良い。
内界センサにモータの減速器から負荷側が影響しない場合には、アームに配置したセンサによる直交座標系での第１の状態量（位置）と内界センサによる直交座標系での第２の状態量（位置）は加算すれば良い。内界センサにモータの減速器から負荷側が影響する場合には、その影響を除去する必要がある。具体的には、内界センサの状態量（位置）からハイパスフィルタ又は移動平均で振動成分を抽出し、その振動成分を状態量（位置）から減算した値を内界センサの状態量（位置）とする。この振動成分が除去された内界センサから求めた直交座標系の第２の状態量（位置）とセンサによる直交座標系での第１の状態量（位置）を加算すれば良い。【００３７】
次に、実際に前記ロボット11に直交座標系でＹ軸方向に５０[mm]の往復動作をさせた場合の波形処理について説明する。
図３(a)に、センサである加速度センサ14からのＹ軸の加速度データを示す。この加速
度センサ信号にはノイズ成分が含まれるので必要に応じてローパスフィルタ等を通す。
図３(b)に、前記Ｙ軸の加速度データを時間積分した速度データを示す。図３(c)に、前記速度データを時間積分した位置データと、この位置データの１００[ms]の時間で移動平均した位置データを示す。速度データや位置データにはオフセット成分が出ていることが分かる。位置データを移動平均することで、このオフセット成分を除去する。また、必要に応じて速度データのオフセット成分も除去しても良い。速度データのオフセット成分の除去方法は、位置データのオフセット成分除去方法と同様であり、ハイパスフィルタを通すことでも除去できる。図３(d)に、前記位置データから前記移動平均した位置データを
減算した振動データを示す。この振動データがモータの減速器から負荷側の振動成分を表している。
図３(e)に、直交座標系での前記振動データと角度検出器から演算された直交座標系で
の位置を合成した位置データと、直交座標系での位置指令データを示す。【００３８】
このように、前記ロボット11のアーム先端にセンサ14（３軸の加速度センサ）を配置し、前記センサ14の状態量（加速度）と内界センサ16（角度検出器）の状態量（関節角度）から、前記ロボット11のアーム先端の位置を簡単な処理で求めることができる。非接触センサである加速度センサを用いることで、ロボットの動作を制限することなく、ロボットの動作性能を評価することが可能である。
また、加速度センサの替わりに３軸のジャイロセンサを用いることで、ロボットの直交座標系での姿勢を求める事もできる。また、加速度センサとジャイロセンサを併用する構成でも良い。
ここでは、直交座標系での位置を求めたが、直交座標系での他の状態量（速度や加速度など）を求めることも位置の場合と同様に可能である。
【実施例２】
【００３９】
本発明の第２の具体的実施例を、図４及び図５に示して説明する。
図４はロボット操作ペンダント上の信号波形を示す。（ａ）においてＹ軸とＺ軸を平面内に長方形の位置指令の軌跡とそれに対応した合成位置応答の軌跡を示している。また（ｂ）は時間（横軸）に対する位置指令と合成位置応答の様子（縦軸：変位）を示している。
本実施例では、第１の具体的実施例が直交座標系の位置を求めることに対して、求められた位置により前記ロボット11の各軸サーボモータのサーボゲイン調整（特にここでは、
位置ループゲインや速度ループゲイン）を実施することが異なる。
前記ロボット11の直交座標系の状態量（位置）を求めるまでの過程は、第１の具体的実施例と同じであるため、説明を省略する。
直交座標系の状態量（位置）が求められた場合には、次の第４ステップに進む。【００４０】
（４）第４ステップ
図４(a)に示すように、求められた直交座標系の状態量（位置）は指令と共に、前記制
御装置13に接続された操作ペンダント17上の画面に表示される。作業者はその波形を見ながら、位置指令と合成位置応答の偏差が小さくなるように、各軸サーボモータの位置ループゲインを大きく調整することができる。大きく設定しすぎてロボットの手先に振動が発生した場合にはその振動も合成位置応答に現れるので、逆に小さく調整すればよい。【００４１】
本実施例では、直交座標系での状態量（位置）でサーボゲインを調整しているが、図４(b)に示すように、アームに配置したセンサと内界センサで合成する状態量を、関節座標
系での状態量（角度や角速度や角加速度）にして、調整作業を行っても良い。これは特に、ロボットの軸毎にモータ容量が違う場合に、各軸サーボモータによって速度ループゲインの値が異なるため、速度ループゲインを調整する際にも有効である。
【実施例３】
【００４２】
本発明の第３の具体的実施例を、図５に示して説明する。
第１の具体的実施例が求められた位置により前記ロボット11の各軸サーボモータのサーボゲイン調整を実施していたのに対して、本実施例では、求められた位置によりロボットの動作異常を検出することが異なる。
例えば、ここではサーボモータとアーム間に配置された減速機が摩耗した場合を想定する。減速機の摩耗が起きると減速機の出力端でガタが生じて、ロボットのアーム先端での振動が大きくなるため、この振動現象を捉えることでロボットの動作異常を判断する。
前記ロボット11の直交座標系の状態量（位置）を求めるまでの過程は、第１の具体的実施例と同じであるため、説明を省略する。
直交座標系の状態量（位置）が求められた場合には、次の第４ステップに進む。【００４３】
（４）第４ステップ
図５に示すように、求められた直交座標系の状態量（位置）は指令と共に、前記制
御装置13に接続された操作ペンダント17上の画面に表示される。横軸が時間、縦軸がＺ軸変位を表し、ロボットの直交座標系における位置指令とそれに対応した合成位置応答の波形を示している。
作業者はこの波形を見ながら、合成位置応答が位置指令を基準として予め設定された範囲の中に入っているか否かで、アーム先端が振動しているかを判断できる。また、この判断は制御装置１３内で自動的に実施して、範囲外であった場合には警告を発する構成であっても良い。また、位置指令と合成位置応答の波形の比較は、前記直交座標系の比較の後で、故障診断モードに移行して、関節軸単位で実施しても良い。手先または根元から１軸ずつ動作させて、合成位置応答を関節座標系に変換して、位置指令と比較する。
このように直交座標系の比較から関節座標系の比較に２段階に比較を実施することで、初めに直交座標系の比較（ＸＹＺの３軸）で比較データを少なくしておき、振動が検出された場合には関節座標系の比較（６軸）で詳細に比較することで、通常監視時の制御装置の演算負荷を減らすことができる。
振動が予め設定された範囲を超えた場合には、減速機の摩耗が起こっているとして、作業者へアラーム表示や交換要求を出すことができる。
本実施例では、制御装置１３内で、故障診断を実施したが、商用回線、インターネットなどの通信部を介して、遠隔地にあるメンテナンス部門に位置指令とそれに対応した合成位置応答を送信することことで、遠隔地から故障診断を実施できる。特に海外で稼働しているロボットの遠隔故障診断に有効である。
【実施例４】
【００４４】
本発明の第４の具体的実施例を、図６に示して説明する。
本実施例では、第１の具体的実施例が内界センサの状態量（関節角度）を直交座標系の状態量（位置）に変換することでロボット11の直交座標系の絶対位置を求めていたのに対して、内界センサの状態量の代わりにシミュレータの状態量を用いることが異なる。
第１の具体的実施例では、内界センサにモータの減速器から負荷側が影響する場合には、内界センサの信号から振動成分を除去するために特別な処理が必要である。本実施例では、その処理を簡易化するために以下の方法で合成位置応答を作成する。
前記加速度センサ14の加速度信号から前記ロボット11の直交座標系の位置に変換する第１の演算部41の処理は、第１の具体的実施例と同じであるため、説明を省略する。【００４５】
（２）第２ステップ
前記ロボット11および前記制御装置13内に、図６に示すように、ロボットの各軸サーボモータ21と、前記サーボモータに接続される機構部22と並列に処理されるシミュレーション部30とを設ける。シミュレーション部30は、前記サーボモータ21を指令に基づいて駆動するモータ制御部23から構成された実機部20と、前記サーボモータ21を模擬したモータモデル31と、前記機構部22を模擬した機構モデル部32と、前記モータ制御部23を模擬した制御モデル部33とで構成されている。
シミュレーション部30では実機部20のサーボ系の遅れや機構の特性などを含んだモータの運動特性を反映できており、上位から同じ位置指令が入力されるので、実機部20とシミュレーション部30の内部状態量（位置指令、位置フィードバック、位置偏差、速度指令、速度フィードバック、速度偏差など）は、ほぼ一致する。シミュレーション部の内部状態量は外部からの影響を一切受けないため、振動成分を除去する等の処理を必要としない。
ここで、図６は１軸分であるが、実際にはロボット11の軸数分で構成される。シミュレーション部30の具体的な演算としては、以下の式を解けばよい。【００４６】
Tref＝Ｊ*Kv*( Kp*(θref - θfb ) - Ｖfb)           ・・・（１）【００４７】
ここで、Tref：トルク指令
Ｊ：モータのロータイナーシャ＋機構部のイナーシャ（減速機を含む）
Kv：速度ループゲイン
Kp：位置ループゲイン
θref：上位指令生成部50から位置指令
θfb：位置フィードバック
Ｖfb：速度フィードバック【００４８】
Ｖfb＝Σ( dt * Tref / J )                          ・・・（２）【００４９】
ここで、
dt：演算周期時間
Σ：積分【００５０】
θfb＝Σ( dt * Ｖfb )                            ・・・（３）【００５１】
第２のセンサ演算部42において、前記シミュレーション部30の出力である関節モデル角度応答を一般的に順変換又は順運動学と呼ばれる変換式を用いることで、前記ロボット11の直交座標系の位置に変換する。【００５２】
また、前記シミュレーション部30に、より詳細な２慣性モデルを用いる場合には、（４）〜（７）式を演算し、前記関節モデル角度応答の代わりに、減速機よりも負荷側のモデルメカ位置応答を用いて、順変換又は順運動学と呼ばれる変換式を用いることで、前記ロボット11の直交座標系の位置に変換する構成でも良い。
Ｖfb＝Σ｛ dt（Tref - Ｋ *（θfb -Ｘfb））/ Jm ｝  ・・・（４）
ここで、
Ｋ：減速機バネ定数
Ｘfb：モデルメカ位置応答
Jm：モータのロータイナーシャ【００５３】
θfb＝Σ( dt * Ｖfb )                              ・・・（５）【００５４】
Ｘ’fb＝Σ｛ dt * Ｋ *（θfb - Ｘfb）/JL ｝        ・・・（６）【００５５】
ここで、各記号は以下のとおりである。
Ｘ’fb：モデルメカ速度応答
JL：機構部のイナーシャ（減速機を含む）【００５６】
Ｘfb＝Σ( dt * Ｘ’fb )                            ・・・（７）【００５７】
（３）第３ステップ
出力合成部43において、前記第１のセンサ演算部41で求めたセンサによる直交座標系での第１の状態量（位置）と、前記第２のセンサ演算部42で求めたシミュレーション部の関節モデル角度応答による直交座標系での第２の状態量（位置）を合成する。前述のように、シミュレーション部の内部状態量は外部からの影響を一切受けないため、振動成分を除去する等の処理を必要としないため、第１の状態量（位置）と第２の状態量（位置）は単に加算すればよい。
第４ステップ以降は、第１の具体的実施例と同じであるため、説明を省略する。
本実施例では、実機を模擬したシミュレーション部を用いることで、二重に振動を検出して精度を落とすことなく、簡単なシステム構成で測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、ロボットのアームに設けられたセンサとロボットの各軸の内界センサからの状態量を直交座標系の状態量に変換して合成してロボットの運動状態量を非接触に精度良く測定することができるので、遠隔地のロボットの経年変化による異常検出や、遠隔操作によるパラメータの同定や調整という用途にも適用できる。
【図１】
2006022201.tif 000002
【図２】
2006022201.tif 000003
【図３】
2006022201.tif 000004
【図４】
2006022201.tif 000005
【図５】
2006022201.tif 000006
【図６】
2006022201.tif 000007
【図７】
2006022201.tif 000008
【国際調査報告】
2006022201.tif 000009
2006022201.tif 000010
2006022201.tif 000011
2006022201.tif 000012