JP2013163232A - ロボットアームの制御装置、ロボットアーム及びそのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアームが作業者の予期せぬ動作をすることを防止すると共に、ロボットアームの操作性を良好にできる構成を実現する。
【解決手段】時間計測部５でブレーキ１１の解除を開始してからの経過時間を計測する。移動量演算部７でブレーキ１１の解除中にロボットアームが重力方向に移動した量を演算する。そして、時間計測部５により計測した時間が有効時間リミット内で、且つ、移動量演算部７により演算したロボットアームの重力方向の移動量が移動量リミットを超えた場合に、ブレーキ１１を自動的にロックする。一方、時間計測部５により計測した時間が有効時間リミットを超えた場合には、移動量演算部７により演算したロボットアームの重力方向の移動量が移動量リミットを超えても、ブレーキを自動的にロックしないようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、部品の搬送や組み立てなどを行う産業用などのロボットアームで、動作を制動するためのブレーキを備えたロボットアームの制御装置、ロボットアーム及びそのプログラムに関する。

一般的に産業用などのロボットアームには、各リンクを駆動する関節部に設けられたモータの回転軸にブレーキが設けられている。そして、サーボ制御系が作動している場合にはブレーキが解除され、サーボ制御系が非作動中の場合にはロボットの各関節の回転軸（各軸）はブレーキによって停止するように構成される（例えば、特許文献１参照）。

このようなブレーキを備えたロボットアームの場合、一般にブレーキは電源断によるロボットアームの自重落下を防止するためブレーキ駆動信号がない場合には各軸を機械的にロックするように構成される。また、電源投入後のロボットアーム制御時にはモータの負荷にならないよう、電磁力や空圧力などを利用してブレーキ駆動力を発生して、ブレーキを解除するように構成される。

一方、意図的にブレーキを解除して手動でロボットアームを移動させる必要がある場合もある。例えば、異常動作によってロボットアーム制御軸の機械原点と制御原点がずれてしまったケースや、電源断によりロボットアームが止まった状態から復帰させるケースである。

このように意図的にブレーキを解除して手動でロボットアームを移動させる場合、ロボットアームのサーボ系を非作動の状態にした後、作業者がロボットアームの稼動範囲内に入り、ロボットアームを支える準備を行う。その後、他の作業者がロボットアームの制御装置の操作部を通してロボットアームの特定の軸のブレーキを解除する。そして、ロボットアームを支えている作業者がロボットアームを手動で移動させた後、操作部の作業者が制御装置の操作部を通してブレーキを解除した軸をロックする。

このような場合に、ロボットアームを支える作業者が支えている軸と、制御装置からブレーキを解除する作業者がブレーキを解除する軸とが異なってしまった場合、ロボットアームが自重で落下し、作業者の予期せぬ動作をする恐れがある。

このために、ブレーキ制御部に制御時間設定部とロック時間設定部を設ける構成が提案されている（特許文献２参照）。この特許文献２に記載された構成の場合、断続的にブレーキ解除とロックを繰り返すことで、ロボットアームが作業者の予期せぬ動作をしても、その動作速度を抑えることができる。

特開平３−９２２８８号公報 特許第３５０８５２２号公報

しかしながら、上述の特許文献２に記載された構成の場合、ブレーキの解除とロックを交互に繰り返しロボットアームが重力方向へ落下する速度を低下させて、ロボットアームが過大に移動することは防げるが、完全に止めることはできなかった。そのため、作業者が手動でブレーキをロックするまではロボットアームは動き続けてしまう。また、ブレーキ解除とロックを交互に繰り返すため、作業者がロボットアームを動かそうとした場合、ロボットアームの動きが急に重くなったように感じ、操作性が良くない。また、断続的にブレーキ解除とロックを繰り返すことで、通常使用時に比べブレーキの寿命が極端に短くなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑み、ロボットアームが作業者の予期せぬ動作をすることを防止すると共に、ロボットアームの操作性を良好にできる構成を実現すべく発明したものである。

本発明は、ロボットアームのブレーキの解除及びロックを制御するロボットアームの制御装置において、前記ブレーキの解除を開始してからの経過時間を計測する時間計測部と、前記ブレーキの解除中に前記ロボットアームが移動した量を演算する移動量演算部と、前記時間計測部により計測した時間が有効時間リミット内で、且つ、前記移動量演算部により演算した前記ロボットアームの移動量が移動量リミットを超えた場合に、前記ブレーキを自動的にロックし、前記時間計測部により計測した時間が前記有効時間リミットを超えた場合には、前記移動量演算部により演算した前記ロボットアームの移動量が前記移動量リミットを超えても、前記ブレーキを自動的にロックしないように前記ブレーキを制御するブレーキ制御部と、を備えた、ことを特徴とするロボットアームの制御装置にある。

本発明によれば、有効時間リミット内に移動量リミットを超えた場合にブレーキを自動的にロックするため、ロボットアームが作業者の予期せぬ動作をすることを防止できる。また、有効時間リミットを超えた場合には、移動量リミットを超えてもブレーキを自動的にロックしないため、ロボットアームの操作性を良好にできる。

本発明の対象となるロボットの１例を示す斜視図。 本発明の実施形態に係るロボットアームのブロック図。 制御コントローラのブロック図。 本発明の実施形態に係るブレーキ制御のフローチャート。

＜ロボットの１例＞
本発明の対象となるロボットの１例の概略構成について、図１を用いて説明する。ロボットアーム２０１は、各リンク２０１ａ〜２０１ｃを動作させる複数のアクチュエータであるモータ２０２〜２０６と、これら各モータ２０２〜２０６を制御する制御装置１０１とを備える。これら各モータ２０２〜２０６は、ロボットアーム２０１の各関節部分などのロボットの駆動部分に配置される。また、各モータ２０２〜２０６の回転軸にはそれぞれブレーキが設けられ、各ブレーキは、制御装置１０１によりロック及び解除を制御される。

即ち、モータ２０２は、ロボットアーム２０１全体を架台２０７に対して旋回させる。モータ２０３は、リンク２０１ａを架台２０７に対して図の上下方向に回動させる。モータ２０４は、リンク２０１ｂをリンク２０１ａに対して回動させる。モータ２０５は、リンク２０１ｃをリンク２０１ｂに対して回動させる。モータ２０６は、リンク２０１ｃの先端部分を基端部分に対して回動させる。また、各ブレーキは、各リンクの動作をそれぞれ制動する。

このように構成されるロボットアーム２０１は、例えば、棒状のワークＷ１を円柱状のワークＷ２に形成された孔に挿入する作業を次のように行う。まず、ユーザがこのような指示を入力すると、制御装置１０１がロボットアーム２０１の手先の軌道を計算する。そして、各モータ２０２〜２０６を駆動し、ロボットアーム２０１が動作して、ワークＷ１を円柱状のワークＷ２に形成された孔に挿入する。

一方、意図的にブレーキを解除して手動でロボットアーム２０１を移動させる場合には、ロボットアーム２０１のサーボ系を非作動の状態にした後、作業者がロボットアーム２０１の稼動範囲内に入り、ロボットアーム２０１を支える準備を行う。その後、他の作業者がロボットアーム２０１の制御装置１０１の操作部を通してロボットアーム２０１の特定の軸のブレーキを解除する。そして、ロボットアームを支えている作業者がロボットアーム２０１を手動で移動させた後、操作部の作業者が制御装置１０１の操作部を通してブレーキを解除した軸をロックする。

＜実施形態＞
次に、本発明の実施形態について、図２ないし図４を用いて説明する。図２は、ロボットアームのブロック図である。１はブレーキ解除指令発生部で、作業者がロボットアームのブレーキ１１を解除する場合にブレーキ解除指令を与える部分である。４は制御装置としての制御コントローラであり、図１の制御装置１０１に相当する。制御コントローラ４は、ブレーキの解除及びロックをプログラムに基づいて機能する。

９はブレーキ制御部（ブレーキ制御手段）で、１１はブレーキであり、図２では２つしか明記しないが、それぞれロボットアームの各軸に一つずつ付加される。ブレーキ制御部９では制御コントローラ４からのブレーキ解除・ロック指示を受けロボットアームの各軸に付加されたブレーキ１１を指示どおりに制御するように構成される。

１０はモータ制御部で、１２は位置検出器、１３はモータであり、図２では２つしか明記しないが、それぞれロボットアームの各軸に一つずつ付加される。また、モータ１３が図１の各モータ２０２〜２０６に相当する。モータ制御部１０では制御コントローラ４からの指示に従って、各軸に付加されているモータ１３を制御する。また、モータ制御部１０では位置検出器１２から各軸の現在位置を受け取り、制御コントローラ４へ伝える役割も同時に持つように構成される。位置検出器１２は、例えば、モータ１３の回転軸に設けられたエンコーダであり、モータ１３の回転角度からロボットアームの位置を算出する。

２は移動量リミット設定部で、ブレーキ１１を解除しロボットアームが自重で落下した際に自動でブレーキをロックさせる移動量（重力方向の移動量）の閾値（移動量リミット）を設定する部分である。３は有効時間リミット設定部であり、ブレーキ１１の解除を開始してからロボットアームが自重で落下した際に、自動でブレーキをロックさせる処理を有効にする時間（有効時間リミット）を設定する部分である。

このような設定は、ユーザが、例えばティーチングペンダントなどの操作部で行う。また、移動量リミット及び有効時間リミットは、それぞれ任意に設定可能であるが、例えば、移動量リミットとして、ロボットアームの重力方向の揺動角度を１０°、有効時間リミットを０．５秒や１．０秒などとする。なお、移動量リミットと有効時間リミットの少なくとも一方を予め設定しておいても良い。この場合、移動量リミット設定部２と有効時間リミット設定部３とのうち、リミットが予め設定されているものに関しては、設定部自体を省略しても良い。

５は時間計測部（時間計測手段）で、ブレーキ１１の解除を開始してから経過時間を計測する。本実施形態では、時間計測部５は、ブレーキ１１の解除時から時間を計測し、ブレーキ１１のロック時に時間計測を終了し、計測の終了と同時に測定時間をリセットする構成である。７は移動量演算部（移動量演算手段）で、モータ制御部１０から受け取った各軸のブレーキ解除前の位置と後の位置とから、ロボットアームが重力方向に移動した量を演算する。なお、重力方向に移動した量とは、ロボットアームの何れかのリンクが自重により動作した量であり、例えば、上述のように揺動角度であっても良いし、鉛直方向の落下量であっても良い。

６は移動量リミット判定部で、移動量演算部７で演算した値が、設定された移動量リミットを超えたか否かを判定する。８は有効時間リミット判定部で、時間計測部５で計測した時間が有効時間リミット内であるか否かを判定する。

本実施形態では、制御コントローラ４が、予めインストールされている、ロボットアームのブレーキの解除及びロックを制御するロボットアームのプログラムに基づいて動作する。

制御コントローラ４は、図３に示すように、演算装置４１及び記憶装置４２を有するコンピュータ本体に、ブレーキ制御部９及びモータ制御部１０が接続されて構成されている。また、コンピュータ本体には、作業者が入力作業を行うためのティーチングペンダント４３、及びキーボード４４ａやマウス３３ｂなどの入力装置４４も接続されている。

記憶装置４２には、ワークの形状データなどの各種データが格納されている。また、その他にも、ブレーキやモータなどの制御ドライバや、ワークの組み立て手順の演算をコンピュータ（演算装置４１）に実行させる組み立て手順演算プログラムなどの各種プログラムが格納されている。更に本実施形態の場合には、ロボットアームのブレーキの解除及びロックを制御するロボットアームのプログラムが格納されている。

より詳しくは、コンピュータ本体は、ＣＰＵ４１ａを主体として構成され、このＣＰＵ４１ａには、ＲＯＭ４２ａ及びＲＡＭ４２ｂがバス４５を介して接続されている。ＲＯＭ４２ａには、ロボットの基本制御に必要なプログラムが格納されていると共に、上述したブレーキの解除及びロックの制御プログラムなどの各種プログラムやデータが格納されている。ＲＡＭ４２ｂには、ＣＰＵ４１ａに対する作業領域が確保される。

また、バス４５には、ブレーキ制御部９、モータ制御部１０が接続されていると共に、記録ディスク読取装置４６が接続されている。そして、ＣＰＵ４１ａが、ブレーキの解除及びロックの制御プログラムなどを記録した記録媒体Ｄを読み込み、例えばＲＯＭ４２ａに格納できるようになっている。なお、上述した記憶装置４２は、主記憶装置であるＲＯＭ４２ａ及びＲＡＭ４２ｂの他に、コンピュータ読取可能な記録媒体Ｄやその他の外部記憶装置を備えて構成されている。

図２に示した、時間計測部５、移動量リミット判定部、移動量演算部７、有効時間リミット判定部８は、それぞれ、上述の演算装置４１及び記憶装置４２から構成される。

次に、本実施形態のブレーキの解除及びロックの制御プログラムに基づく制御フローについて、図４を用いて説明する。ブレーキ１１の解除を行う際は、作業者がブレーキ解除指令発生部１からブレーキ解除指令を制御コントローラ４へ与える。制御コントローラ４は、ブレーキ解除指令を受信した時（Ｓ１）、モータ制御部１０からその時の現在位置を受け取り、ＲＡＮ４２ｂなどの内部メモリに保存する（Ｓ２）。同時に、制御コントローラ４は、解除指令の対象となるブレーキ１１のブレーキ制御部９にブレーキ解除指示を与え、そのブレーキ１１を解除し、時間計測部５による時間の計測を始める（Ｓ３）。

その後、有効時間リミット判定部８が、時間計測部５で計測した時間と有効時間リミット設定部３に設定された有効時間リミットとを比較し、時間計測部５で計測した時間が有効時間リミット内か否かを判定する（Ｓ４）。その結果、有効時間リミットを超えていれば、制御コントローラ４はブレーキ１１を解除したままにする（Ｓ６）。一方、時間計測部５が計測した時間が有効時間リミット設定部３に設定された有効時間リミット内であれば、以下に示す方法で、移動量リミットの判定を行う。

まず、制御コントローラ４はモータ制御部１０から各軸のその時の位置を受け取り、移動量リミット判定部６で、Ｓ２で保存したブレーキ解除指令受信時の位置との差を算出する。そして、算出した差から重力方向の移動量を演算し、その移動量が移動量リミット設定部２で設定した移動量リミットを超えているかを判定する（Ｓ５）。移動量リミットを超えていない場合、制御コントローラ４はブレーキ１１を解除したままにする（Ｓ６）。

一方、Ｓ５で重力方向の移動量が移動量リミットを超えたと判定された場合、制御コントローラ４はブレーキ制御部９にブレーキロックの指示を与え、ブレーキ制御部９はブレーキ１１を自動的にロックする（Ｓ７）。ブレーキ１１をロックした後、制御コントローラ４は、Ｓ２で内部メモリに保存したブレーキ解除指令受信時の位置をクリアする（Ｓ８）。また、制御コントローラ４は、時間計測部５の時間計測を止め（Ｓ９）、計測した時間をクリアする（Ｓ１０）。

なお、Ｓ６でブレーキ解除中は、Ｓ４の有効時間リミットの判定処理、更にはＳ５の移動量リミットの判定処理を行い、Ｓ８でブレーキをロックするまで一定周期で継続処理される。

本実施形態によれば、有効時間リミット内に移動量リミットを超えた場合にブレーキ１１を自動的にロックするため、ロボットアームが作業者の予期せぬ動作をすることを防止できる。また、有効時間リミットを超えた場合には、移動量リミットを超えてもブレーキ１１を自動的にロックしないため、ロボットアームの操作性を良好にできる。

例えば、意図的にブレーキを解除すべく、作業者がロボットアームを支える場合、支えている軸と解除する軸とが異なっていることは、ブレーキを解除した直後に分かる。即ち、支えている軸と解除する軸とが異なっていれば、ブレーキの解除直後にロボットアームが自重により落下することになる。したがって、本実施形態では、この直後の時間を有効時間リミットとし、この時間内でロボットアームが移動量リミットを超える程度に重力方向に移動した場合、支えている軸と解除する軸とが異なっているとしてブレーキを自動的にロックする。これにより、ロボットアームが作業者の予期せぬ動作をすることを防止できる。

また、間違った軸を支えている場合、移動量リミットに達しブレーキがロックするまではロボットアームは動作するため、作業者が間違った軸を支えていることに気づくことができる。

一方、ブレーキの解除直後にロボットアームが自重により落下しない場合、即ち、支えている軸と解除する軸とが一致している場合、ロボットアームが作業者の予期せぬ動作をしないため、ロボットアームを重力方向に移動させても良いはずである。したがって、本実施形態では、有効時間リミットを超えていれば、移動量リミットに拘らず、ロボットアームを重力方向にも移動可能とし、操作性を良好にしている。

また、本実施形態の場合、移動量リミット及び有効時間リミットは、環境や条件に応じて適宜設定可能である。例えば、ロボットアームの先端がワークや周辺装置などに近い状態でブレーキを解除する場合、移動量リミットを１°や２°などの極小さい値に設定する。この場合、ブレーキ解除後にロボットアームが僅かでも重力方向に移動したら、ブレーキがロックするため、誤作動によりロボットアームがワークに接触することを防止できる。一方、ロボットアームがワークから離れている場合などには、誤作動でロボットアームが落下しても作業者に接触しない程度に、移動量リミットを大きくすることもできる。この場合に、有効時間リミットもある程度長くすれば、有効時間リミット内であっても移動量リミットの範囲内でロボットアームを操作可能にすることもできる。

なお、以上の説明では、ブレーキ制御部９、モータ制御部１０は軸毎に付加される構成であるが、制御コントローラ４内に付加される構成でも良い。また、ステップＳ６のブレーキ解除を一定周期で行っているが、ブレーキ解除中かロック中かを判定し、ブレーキ解除中であればブレーキ解除処理を行わずにＳ４の処理へ進む構成でも良い。

また、移動量リミット設定部２と有効時間リミット設定部３は制御コントローラ４の内部メモリに保存する構成としたが、制御コントローラ４とは別の外部メモリに保存されていてもよいし、電気回路で構成し、ボリュームなどで設定してもよい。また移動量リミット、有効時間リミットを複数保存しブレーキ解除時の姿勢やその時のロボットアームと周辺環境との位置関係によって使い分ける構成をとってもよい。

また、ブレーキ解除指令発生部１を配置する場所を明示していないが、作業者がロボットアームに必要な指令を与えるためのインターフェースとして操作盤を用意し、そこにブレーキ解除指令発生部１を設ける構成でもよい。また、ブレーキ解除指令発生部１をブレーキ解除スイッチとし、ロボットアーム周辺や、ロボットアーム本体に設けてもよい。

なお、本発明の対象となるロボットアームは、図示のような１個のアームだけではなく、２個以上の複数のアームを有するものも含む。要は、複数のアームが１個の制御装置で制御されていれば良い。例えば、２個のアームを有するロボットアームの場合、作業者が片方のアームを支持している状態で、他の作業者が他方のアームのブレーキを解除した場合に、本発明であれば、他方のアームが作業者に接触したりすることを防止できる。

また、上述の説明では、重力方向の移動について移動量リミットを設けているが、その他の方向についても移動量リミットを設けても良い。例えば、ロボットアームが水平方向などの他の方向に力が付与された状態で停止している場合に、意図していない軸のブレーキが解除されると、ロボットアームが予期せずその方向に移動してしまう可能性がある。このような場合に、他の方向にも移動量リミットを設けることにより、上述した説明と同様の効果が得られる。

１・・・ブレーキ解除指令発生部、２・・・移動量リミット設定部、３・・・有効時間リミット設定部、４・・・制御コントローラ（制御装置）、５・・・時間計測部、６・・・移動量リミット判定部、７・・・移動量演算部、８・・・有効時間リミット判定部、９・・・ブレーキ制御部、１０・・・モータ制御部、１１・・・ブレーキ、１２・・・位置検出器、１３・・・モータ、１０１・・・制御装置、２０１・・・ロボットアーム、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ・・・リンク、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６・・・モータ

Claims (4)

1. ロボットアームのブレーキの解除及びロックを制御するロボットアームの制御装置において、
   前記ブレーキの解除を開始してからの経過時間を計測する時間計測部と、
   前記ブレーキの解除中に前記ロボットアームが移動した量を演算する移動量演算部と、
   前記時間計測部により計測した時間が有効時間リミット内で、且つ、前記移動量演算部により演算した前記ロボットアームの移動量が移動量リミットを超えた場合に、前記ブレーキを自動的にロックし、前記時間計測部により計測した時間が前記有効時間リミットを超えた場合には、前記移動量演算部により演算した前記ロボットアームの移動量が前記移動量リミットを超えても、前記ブレーキを自動的にロックしないように前記ブレーキを制御するブレーキ制御部と、を備えた、
   ことを特徴とするロボットアームの制御装置。
2. 前記移動量リミットを任意に設定可能な移動量リミット設定部を有する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のロボットアームの制御装置。
3. リンクと、前記リンクを動作させるアクチュエータと、前記リンクの動作を制動するブレーキと、請求項１又は２に記載のロボットアームの制御装置と、を備えた、
   ことを特徴とするロボットアーム。
4. ロボットアームのブレーキの解除及びロックを制御するロボットアームの制御装置を、
   前記ブレーキの解除を開始してからの経過時間を計測する時間計測手段と、
   前記ブレーキの解除中に前記ロボットアームが移動した量を演算する移動量演算手段と、
   前記時間計測手段により計測した時間が有効時間リミット内で、且つ、前記移動量演算手段により演算した前記ロボットアームの移動量が移動量リミットを超えた場合に、前記ブレーキを自動的にロックし、前記時間計測手段により計測した時間が前記有効時間リミットを超えた場合には、前記移動量演算手段により演算した前記ロボットアームの移動量が前記移動量リミットを超えても、前記ブレーキを自動的にロックしないように前記ブレーキを制御するブレーキ制御手段として機能させる、
   ことを特徴とするロボットアームのプログラム。

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