JP4606256B2

JP4606256B2 - 産業用ロボットの制御装置

Info

Publication number: JP4606256B2
Application number: JP2005174755A
Authority: JP
Inventors: 学永田; 芳英井上; 武小池
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: JP2006346797A

Description

本発明は、溶接ロボット等の産業用ロボットの異常を検知する手段を備えた産業用ロボットの制御装置に関する。

従来、ロボットの速度の監視は、速度指令値と速度のフィードバック値とを比較し、その差が許容値を超える場合に、異常を検知し、ロボットの動作を停止させるようにしている。例えば、特許文献１においては、溶接ロボットの動作中に、リアルタイムで、常時、アブソリュートエンコーダデータによる現在位置算出結果と、インクリメンタルエンコーダデータによる現在位置算出結果とを比較することにより、位置検出器自体によりロボットの暴走及び位置ずれの発生を防止するようにしている。また、特許文献２においては、エンコーダ信号伝送系又はエンコーダ自体の不具合が発生した場合は、ハード的にこれを即時検出できるロボット制御装置が提案されており、リアルタイムでの絶対位置検出手段の異常検出は、ハード的な異常検出の方が即時性及び確実性において有利であることが開示されている。更に、特許文献３には、ロボットの速度指令に対する実速度の比較手段を、２つのＣＰＵで行うことにより、より安全性を向上させるようにした技術が開示されている。

特開平４−２３５６１０号公報実開平２−１３３７０４号公報特開平９−６６４９０号公報

しかしながら、上述の各文献に記載の従来技術は、速度指令値に対するフィードバック値の追従性を監視するものであり、指令値自体が間違っていたり、伝送経路の故障により間違って伝わってしまった場合には、ロボットの駆動部は、その受け取った間違った指令値に追従して動作してしまうことになり、安全性が十分であるとはいえない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、指令自体が安全であるか、又は指令が伝送系で正しく伝送されたかを、監視することができ、より安全性が優れた産業用ロボットの制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る産業用ロボットの制御装置は、ロボットの各軸目標位置算出部と、この各軸目標位置算出部からの目標位置を基にロボットの各軸を移動させるための速度指令信号を算出する速度指令生成部と、この速度指令生成部からの速度指令値とロボットのエンコーダから求まる速度フィードバック値とからロボットの各軸の移動のフィードバック制御を行う速度制御系と、前記速度指令値と前記速度フィードバック値とを比較して両者の差が許容値を超えたときに異常信号を出力する第１速度監視部と、前記目標位置算出部からの各軸目標位置を合成してロボットの姿勢を算出する各軸合成部と、この各軸合成部の姿勢算出値からロボットの各軸のアーム先端速度を算出し、このアーム先端速度が所定の安全速度を超える場合に異常信号を出力し、前記アームの先端速度が所定の安全速度以下である場合に、所定の制御サンプリング期間における前記各軸目標位置の変化分に基づいて各軸の速度を算出し、この各軸の速度に所定の余裕分を加算した安全速度異常検出値を求め、この安全速度異常検出値を出力する安全速度異常検出値算出部と、前記安全速度異常検出値と前記速度指令値とを比較して、前記速度指令値が前記安全速度異常検出値より大きい場合に異常信号を出力する第２速度監視部と、前記安全速度異常検出値と前記速度フィードバック値とを比較して、前記速度フィードバック値が前記安全速度異常検出値より大きい場合に異常信号を出力する第３速度監視部と、前記異常信号を受けて異常処理を行う異常処理部と、を有することを特徴とする。

また、前記異常処理部は、前記異常信号を入力して、ロボットの一次停止又は非常停止処理を行うと共に、異常発生の表示、外部への異常信号の出力及び警報のうちの少なくとも１つの処理を行うことが好ましい。

更に、前記目標位置算出部からの目標位置は、正論理とそれを反転した負論理の信号として、前記速度指令生成部に伝送され、前記速度指令生成部に入力される前に、第１値比較部で正論理のデータと負論理のデータとが一致しているか否かを検出し、一致している場合に、前記速度指令生成部に入力されることが好ましい。更に、前記安全速度異常検出値算出部からの安全速度異常検出値は、正論理とそれを反転した負論理の信号として、前記第２及び第３速度監視部に伝送され、前記第２及び第３速度監視部に入力される前に、夫々第２値比較部で正論理のデータと負論理のデータとが一致しているか否かを検出し、一致している場合に、夫々前記第２及び第３速度監視部に入力されることが好ましい。

本発明によれば、ロボットの目標位置算出部により算出される目標位置が正しい指令値であるか否かを、各軸合成部により算出されたロボットの目標姿勢からロボットのアーム先端の速度を計算し、これが所定の安全速度以下である場合に正しい目標位置指令値であると判断し、そうでない場合に異常処理をするので、目標位置指令値自体の誤りを検知し、ロボットが誤った指令値に従って動作する危険を回避することができる。

また、この目標位置の指令値が正しい場合に、安全速度異常検出値算出部が、目標位置の指令値に関連させて安全速度異常検出値を求め、この安全速度異常検出値を、速度指令生成部からの速度指令値及びモータからの速度フィードバック値と比較して、速度指令値又は速度フィードバック値が、安全速度異常検出値を超えた場合に、速度指令生成部で生成した速度指令値が異常であり、また、モータの回転から求まる速度フィードバック値が異常であると判断し、異常処理するので、速度のフィードバック値に加えて、速度の指令値もそれが正しいものか否かが監視され、速度指令値自体の誤りも検知することができる。これにより、速度指令値自体の誤りを検知し、ロボットが誤った速度指令値に従って動作する危険を回避することができる。

更に、請求項３及び４によれば、目標位置及び安全速度異常検出値の信号が正しく伝送されたか否かを検知することができ、伝送系における故障により、信号が正しく伝送されないことによるロボットの誤動作を回避することができる。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は産業用ロボットとしてのアーク溶接用ロボットを示す模式図である。ロボット本体１２は例えば６軸構成の垂直多関節型ロボットである。ロボット本体１２の手首部分には、アーク溶接トーチ１７が取り付けられている。このトーチ１７から溶接ワイヤ１８が被溶接部に向けて送り出され、溶接ワイヤと被溶接部との間にアークが形成されて、溶接が行われる。ロボット制御装置１１には、溶接インタフェースケーブル１４を介して溶接電源１５が接続されており、ロボット制御装置１１からからの溶接指令信号が、インタフェースケーブル１４により溶接電源１５に伝送され、溶接電源１５からの給電によりワイヤ送給装置１６が駆動されて、溶接ワイヤ１８がトーチ１７に送給される。教示ペンダント１３はロボットの教示作業の際に使用する。

図２及び図３は本発明の実施形態に係る産業用ロボットの制御装置を示すブロック図であり、図２に示す上位ＣＰＵ（中央演算処理装置）ボード２０及び通信ＣＰＵ３０と、図３に示すサーボ制御部（ＣＰＵ）４０及び信号／電力変換部５０とは、本実施形態の制御装置１００を構成し、一の制御ボックス内に収納されている。この通信ＣＰＵ３０と、サーボ制御部４０とはシリアル通信伝送部３９により接続されている。制御装置１００の信号／電力変換部５０は、サーボ制御部４０の出力部及び入力部側に設けられている。一方、ロボット本体６０には、６軸用の交流サーボモータ６１が設けられており、各モータ６１には、エンコーダ６２が設けられていて、サーボモータ６１の回転を検出するようになっている。この溶接ロボット本体６０の近傍には、ロボットに対する教示プログラムを実行するための教示ペンダント１３が設けられており、この教示ペンダント１３によりロボットのアームをリモート誘導したり、教示データを基にロボットを前送り操作又は後ろ送り操作するようになっている。

上位ＣＰＵボード２０においては、ロボットの各軸の目標位置算出部２２、各軸合成部（目標姿勢計算）２３及び安全速度異常検出値算出部２４の各プログラムをＣＰＵの別タスクのソフトウエアにより実行する。教示ペンダント１３等を利用して作られたロボットの動作軌跡データである教示データ２１が教示ペンダント１３からの信号と共に、目標位置算出部２２に入力されている。この目標位置算出部２２は、教示ペンダント１３によるリモート誘導操作、教示データの前送り操作及び後ろ送り操作指令を基に、制御周期（数ｍｓｅｃ）毎にロボットが移動する各軸の位置を計算する。各軸の目標位置の計算値は、例えば、３２ｂｉｔのデータ幅を有し、目標位置算出部２２は、正論理とそれをｂｉｔ反転した負論理のデータとを出力する。この目標位置の正論理信号及び反転信号は、ＤＰＲＡＭ（デュアルポートランダムアクセスメモリ）２９を介して、通信ＣＰＵ３０に受け渡され、この通信ＣＰＵ３０からシリアル通信伝送部３９を介して、サーボ制御部４０に入力され、更に、値比較部４１を介して速度指令生成部４３に入力される。

また、目標位置算出部２２で算出された各軸の目標位置は、各軸合成部２３にも入力される。各軸合成部２３においては、これらの各軸の目標位置を合成し、ロボットの姿勢を計算する。各軸合成部２３で計算された目標位置のロボット姿勢は、安全速度異常検出値算出部２４に入力され、この安全速度異常検出値算出部２４はこのロボット姿勢について、前回計算値と、今回計算値との差分から、ロボットのＴＣＰ（Tool Center Point）、即ち、ロボットの先端に取り付けられたツール（アーク溶接用ロボットの場合には、トーチのワイヤ先端）の移動速度を計算する。このＴＣＰはロボットが制御する点である。そして、この移動速度が安全速度（２５０ｍｍ／ｓｅｃ）以下の場合には、安全速度異常検出値＝各軸目標位置−前回各軸目標値＋余裕として、安全速度異常検出値を出力する。この安全速度異常検出値は、ＤＰＲＡＭ（Dual Port Random Access Memory）２９を介してサーボ制御部４０に入力され、更に、値比較部４２を介して速度監視部４５，４６に入力される。この安全速度異常検出値も、３２ｂｉｔのデータ幅を有し、正論理とｂｉｔ反転した負論理データからなる。一方、移動速度が安全速度を超えていた場合は、安全速度異常検出値算出部２４は異常信号を異常処理部２５に出力する。異常処理部２５は、この異常信号を入力した場合に、これを論理ゲート５１に入力し、論理ゲート５１を介して信号電力変換部５０と一次側電源との間のスイッチ５２を切り、信号電力変換部５０に供給される一次側電源を遮断し、モータの動力源を断つ。なお、ＤＰＲＡＭ２９は、ランダムにアクセスできるポート（アドレスバス及びデータバス等）が２つ用意されたＲＡＭであり、上位ＣＰＵボード２０及びサーボ制御部４０という２つのＣＰＵ間でデータの受け渡しのための共用メモリとなるものである。このＤＰＲＡＭを使用すれば、バスを共用する共用メモリ方式に比べて互いのバスの調停回路等が不要であり、回路構成が簡素化される。

サーボ制御部４０においては、速度指令生成部４３及び速度監視部４４，４５，４６の各プログラムをＣＰＵのソフトウエアにより処理する。値比較部４１は目標位置算出部２２から受け取った目標位置の正論理データとｂｉｔ反転した負論理データとを比較し、正常に通信されたか否かを検知する。値比較部４１は、比較した結果、正論理データと反転データとが一致しなかった場合には、通信の過程で異常が発生したものとし、つまり、データが正確に伝送されなかったと判断し、異常信号を異常処理部４９に出力する。値比較部４１が目標位置の正論理データとｂｉｔ反転した負論理データとを比較して両者が一致した場合は、正常にデータ伝送が行われたとして、この目標位置のデータを位置制御系の速度指令生成部４３に出力する。一方、値比較部４２においても、安全速度異常検出値算出部２４から受け取った安全速度異常検出値の正論理データとｂｉｔ反転した負論理データとを比較し、正常通信されたか否かを検知する。値比較部４２は、正論理データとｂｉｔ反転した負論理データとを比較して両者が一致した場合は、正常にデータ伝送が行われたとして、この安全速度異常検出値のデータを速度監視部４５，４６に出力する。値比較部４２が、比較した結果、正論理データと反転データとが一致しなかった場合には、通信の過程で異常が発生し、データが正常に伝送されなかったと判断し、異常信号を異常処理部４９に出力する。異常処理部４９は異常処理部２５と同様に異常信号を論理ゲート５１に出力し、この論理ゲート５１を介してスイッチ５２を切り、信号電力変換部５０に供給される一次側電源を遮断し、モータの動力源を断つ。

速度指令生成部４３は、目標位置のデータを基に、後述する信号／電力変換部５０のサーボアンプの制御周期（１２５μｓｅｃ）毎にモータの位置を指令することにより、この経時的に変化するモータ位置としての速度指令信号を生成して出力する。この速度指令生成部４３から出力された速度指令信号は、速度監視部４４，４５に入力される。速度監視部４４は、速度指令生成部４３で生成された速度指令値と、後述する位置速度変換部４８で求められた速度のフィードバック値とを比較し、両者間の偏差が大きい場合には、異常処理部４９に異常を通知する。速度監視部４５は、速度指令生成部４３で生成された速度指令値と、値比較部４２を介して安全速度異常検出値算出部２４から入力された安全速度異常検出値とを比較し、速度指令値の方が安全速度異常検出値よりも大きい場合は、異常と判断し、異常信号を異常処理部４９に出力する。速度監視部４６は後述する位置速度変換部４８で算出された速度のフィードバック値と、安全速度異常検出値算出部２４から入力された安全速度異常検出値とを比較し、速度フィードバック値の方が安全速度異常検出値よりも大きい場合に、異常と判断し、異常信号を異常処理部４９に出力する。異常処理部４９はいずれの場合も異常信号を入力したときに、論理回路５１を介してスイッチ５２を切り、信号電力変換部５０に供給される一次側電源を遮断し、モータ６１を停止させる。

速度制御系４７は、速度指令生成部４３から入力した速度指令値と、後述する位置速度変換部４８から入力した速度のフィードバック値とから、速度フィードバック値が速度指令値に一致するように制御する速度制御信号を出力する。この速度制御信号は、信号／電力変換部５０に入力され、この信号／電力変換部５０にてモータを駆動するのに見合うトルク電流に増幅され、ロボット本体６０の６軸のＡＣサーボモータ６１に駆動電流として出力される。ＡＣサーボモータ６１は、ロボットの各軸を動作させる駆動部であり、１台のマニピュレータについて６軸のモータがある。各サーボモータ６１には、アブソリュートエンコーダ６２が設けられており、このエンコーダ６２により、モータのロータ位置（モータ回転内の位置）の検出と、ロボットのアームの位置（モータ多回転分の位置）の検出とを行うようになっている。そして、エンコーダ６２からアームの位置（各軸の位置）情報に関する信号が出力され、この位置情報信号は位置速度変換部４８にフィードバックされる。

この各軸の位置のフィードバック信号は、位置速度変換部４８に入力され、位置速度変換部４８にて、各軸の位置情報が各軸の速度に変換され、各軸の速度フィードバック値が求められる。つまり、位置速度変換部４８は、エンコーダ６２からの位置情報フィードバック信号を高速にサンプリングし、サンプリング周期毎の位置の差分として、速度を計算し、速度フィードバック値を求める。この速度フィードバック値は速度制御系４７に入力されて前述の如くフィードバック制御に使用される。また、位置速度変換部４８の速度フィードバック値は速度監視部４６にも入力され、前述の如く、速度フィードバック値の安全速度異常検出値を超えて異常が発生していないか否かが判定される。更に、エンコーダ６２からの各軸の位置情報フィードバック信号は速度指令生成部４３にも入力される。速度指令生成部４３は、位置を基に速度を生成するため、指令位置（目標位置）とフィードバック位置（現在位置）との差分から位置の偏差を計算する。そして、この偏差は、時々刻々と変化する目標位置の差分（今回目標位置と前回目標位置との差分）に加味される。

次に、上述の如く構成された産業用ロボットの制御装置の動作について説明する。教示ペンダント１３からのリモート誘導操作、教示データの前送り／後ろ送り操作指令信号を基に、目標位置算出部２２は所定の制御周期（数ｍｓｅｃ）毎に垂直多関節ロボットの６軸アームが移動する位置を６軸毎に計算する。目標位置算出部２２はこの目標位置をサーボ制御部４０に出力する。一方、各軸合成部２３はこの目標位置情報からロボットの姿勢計算を行い、安全速度異常検出値算出部２４は、今回の制御周期における各軸合成されたロボットの姿勢と、前回の制御周期におけるロボットの姿勢から、ロボットのアーム先端の速度を計算し、この速度算出値が所定の設定された安全速度（２５０ｍｍ／ｓｅｃ）を超えている場合は、教示ペンダント１３から指示され目標位置算出部２２で算出された目標位置の時間経過が異常であるため、安全速度異常検出値算出部２４は異常信号を異常処理部２５に出力する。速度算出値が安全速度以下である場合は、安全速度異常検出値算出部２４は、今回の制御周期におけるロボット姿勢と、前回の制御周期におけるロボット姿勢からロボットの各軸の速度を計算し、この速度算出値に若干の余裕を持たせた値（つまり、速度算出値よりも若干大きい値）を安全速度異常検出値としてサーボ制御部４０に出力する。この安全速度異常検出値は、ロボットの各軸速度がこの速度を超えた場合に、それを異常と検出する基準となるものであり、教示ペンダント１３から指示された速度（実際は位置の経時変化）よりも若干速い速度までは異常とせず、それを超えた場合に異常と判断する基準となるものである。

このとき、目標位置及び安全速度異常検出値は、夫々二重化され、一つは計算結果そのものであり（正論理値）、他方はその補数（反転した負論理値）である。サーボ制御部４０においては、値比較部４１，４２が、その受け取った正論理の信号と、ｂｉｔ反転された負論理の信号とを比較し、一致している場合に、サーボ制御部までは正しく伝送されたことを認識する。一致していない場合には、伝送の過程で異常が生じたことを認識し、値比較部４１，４２は異常信号を異常処理部４９に出力する。このように、目標位置及び安全速度異常検出値の各信号は、二重化により正しく伝送されたことを確認した後、速度制御と速度監視に使用されるので、ロボット制御の安全性が著しく高まる。この信号二重化により、ハードウエアのランダムな故障の検出も可能となり、信頼性が高い指令を上位ＣＰＵ２０からサーボ制御部４０に送ることができる。

サーボ制御部４０においては、速度指令生成部４３が目標位置から速度指令信号を生成して出力し、速度制御系４７はこの速度指令値とエンコーダ６２からフィードバックされた速度フィードバック値とから、フィードバック値が速度指令値に一致するようにフィードバック制御するための制御信号を出力する。また、速度監視部４４は速度の指令値とフィードバック値とを比較して、フィードバック値と指令値との偏差が所定範囲を超えていないか否かを監視し、偏差が所定範囲を超えて大きい場合に異常処理部４９に異常信号を出力する。速度監視部４５は速度指令値と安全速度異常検出値とを比較し、速度指令値が安全速度異常検出値を超えている場合に異常信号を異常処理部４９に出力する。更に、速度監視部４６は速度のフィードバック値と安全速度異常検出値とを比較し、速度のフィードバック値が安全速度異常検出値を超えている場合に異常信号を異常処理部４９に出力する。このように、速度監視部４４，４５，４６において、速度の指令値とフィードバック値との相対的な関係の異常と、速度の指令値及びフィードバック値の安全速度異常検出値を超えるような異常が、常に監視され、このような異常が生じた場合に、異常信号が異常処理部４９に入力され、論理ゲート５１を介して、スイッチ５２が切られ、信号電力変換部５０への一次側電源が遮断され、モータ駆動が停止され、ロボットが停止する。

このように、教示データ（アーム先端位置データ及び先端の移動速度）は、目標位置算出部２２で各軸の目標位置に分解され、その後、各軸合成部２３を経由することによりアーム先端位置が改めて合成され、安全速度異常検出値算出部２４はアーム先端位置の速度に所定の余裕分を加味して、安全速度異常検出値を算出する。そして、安全速度異常検出値算出部２４はこの安全速度異常検出値を各軸の速度に分解し、後段のサーボ制御部４０が各軸の目標位置を基に生成する指令速度と、前記安全速度異常検出値とを比較して、異常信号を出力するか否かが監視される。本件発明においては、ロボットの各軸目標位置指令による速度指令を２個のＣＰＵ（上位ＣＰＵボード２０及びサーボ制御部４０）により別の方式で計算し比較することにより、速度指令の信頼性を高めることができ、正しい安全な速度でロボットを動作させることができる。

本発明の実施形態のロボットを示す模式図である。本発明の実施形態に係る産業用ロボットの制御装置の一部を示すブロック図である。同じく、本発明の実施形態に係る産業用ロボットの制御装置を示し、図２の残りの部分を示すブロック図である。

符号の説明

１３：教示ペンダント
２０：上位ＣＰＵボード
２１：教示データ
２２：目標位置算出部
２３：各軸合成部
２４：安全速度異常検出値算出部
２５、４９：異常処理部
２９：ＤＰＲＡＭ
３０：通信ＣＰＵ
３９：シリアル通信伝送部
４０：サーボ制御部
４１，４２：値比較部
４３：速度指令生成部
４４、４５，４６：速度監視部
４７：速度制御系
４８：位置速度変換部
５０：信号電力変換部
５１：論理ゲート
５２：スイッチ
６０：ロボット本体
６１：サーボモータ
６２：エンコーダ

Claims

ロボットの各軸目標位置算出部と、この各軸目標位置算出部からの目標位置を基にロボットの各軸を移動させるための速度指令信号を算出する速度指令生成部と、この速度指令生成部からの速度指令値とロボットのエンコーダから求まる速度フィードバック値とからロボットの各軸の移動のフィードバック制御を行う速度制御系と、前記速度指令値と前記速度フィードバック値とを比較して両者の差が許容値を超えたときに異常信号を出力する第１速度監視部と、前記目標位置算出部からの各軸目標位置を合成してロボットの姿勢を算出する各軸合成部と、この各軸合成部の姿勢算出値からロボットの各軸のアーム先端速度を算出し、このアーム先端速度が所定の安全速度を超える場合に異常信号を出力し、前記アームの先端速度が所定の安全速度以下である場合に、所定の制御サンプリング期間における前記各軸目標位置の変化分に基づいて各軸の速度を算出し、この各軸の速度に所定の余裕分を加算した安全速度異常検出値を求め、この安全速度異常検出値を出力する安全速度異常検出値算出部と、前記安全速度異常検出値と前記速度指令値とを比較して、前記速度指令値が前記安全速度異常検出値より大きい場合に異常信号を出力する第２速度監視部と、前記安全速度異常検出値と前記速度フィードバック値とを比較して、前記速度フィードバック値が前記安全速度異常検出値より大きい場合に異常信号を出力する第３速度監視部と、前記異常信号を受けて異常処理を行う異常処理部と、を有することを特徴とする産業用ロボットの制御装置。
前記異常処理部は、前記異常信号を入力して、ロボットの一次停止又は非常停止処理を行うと共に、異常発生の表示、外部への異常信号の出力及び警報のうちの少なくとも１つの処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の産業用ロボットの制御装置。
前記目標位置算出部からの目標位置は、正論理とそれを反転した負論理の信号として、前記速度指令生成部に伝送され、前記速度指令生成部に入力される前に、第１値比較部で正論理のデータと負論理のデータとが一致しているか否かを検出し、一致している場合に、前記速度指令生成部に入力されることを特徴とする請求項１又は２に記載の産業用ロボットの制御装置。
前記安全速度異常検出値算出部からの安全速度異常検出値は、正論理とそれを反転した負論理の信号として、前記第２及び第３速度監視部に伝送され、前記第２及び第３速度監視部に入力される前に、夫々第２値比較部で正論理のデータと負論理のデータとが一致しているか否かを検出し、一致している場合に、夫々前記第２及び第３速度監視部に入力されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の産業用ロボットの制御装置。