JP4955791B2 - ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、産業用ロボットの異常動作を検出するロボットシステムに関する。

従来、ロボットアームの先端部の加速度および速度を検出し、この加速度および速度のいずれかが所定値よりも大きくなった場合に、ロボットが異常状態であると判断し、ロボットを非常停止させるようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平６−９１５８７号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置では、加速度および速度を検出するセンサが故障した場合に、ロボットの異常動作を防ぐことはできない。

本発明は、サーボモータにより駆動されるロボットアームと、ロボットアームの動作を制御するロボット制御装置とを有するロボットシステムであって、サーボモータの回転量に基づきロボットアーム先端部の位置および姿勢を検出する第１の検出手段と、ロボットアーム先端部に取り付けられ、ロボットアーム先端部の速度または加速度を検出する第２の検出手段と、第１の検出手段による検出値に基づきロボットアーム先端部の速度または加速度を演算するとともに、この演算された速度または加速度と、第２の検出手段により検出された速度または加速度との偏差を演算する演算手段と、演算手段により演算された偏差の大きさが基準値より大きいときに、サーボモータを非常停止する非常停止手段とを備え、第２の検出手段は、ロボットアームの停止時の重力加速度を検出するセンサを有し、演算手段は、ロボットアームの停止時の第１の検出手段による検出値に基づき、ロボットアーム先端部の重力加速度を演算するとともに、この演算された重力加速度と、センサにより検出された重力加速度との偏差を演算し、非常停止手段は、さらに演算手段により演算された重力加速度の偏差の大きさが基準値より大きいときに、サーボモータを非常停止することを特徴とする。

本発明によれば、サーボモータの回転量の検出値に基づいてロボットアーム先端部の速度または加速度を演算し、この速度または加速度と実際に検出された速度または加速度との偏差に応じてサーボモータを非常停止するようにしたので、速度や加速度を検出するセンサが故障した場合であっても、ロボットの異常動作を確実に防ぐことができる。

本発明の実施の形態に係るロボットシステムの構成を示す図である。 図１のロボットの構成を概略的に示す図である。 図１の制御部で実行される処理の一例を示すフローチャートである。

以下、図１〜図３を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るロボットシステム１００の構成を示す図である。このロボットシステム１００は、多関節型の産業用ロボット１０と、ロボット１０を制御するロボット制御装置２０とを備える。

図２は、産業用ロボット１０の構成を概略的に示す図である。ロボット１０は、一般的な６軸垂直多関節型ロボットであり、床に固定されたベース１１と、ベース１１に回動可能に連結されたロボットアーム１２とを有する。ロボットアーム１２は、下アーム１２１と、下アーム１２１の先端部に回転可能に連結された上アーム１２２と、上アーム１２２の先端部に回転可能に取り付けられた作業装置１２３（例えばスポット溶接ガン）とを有する。

ロボット１０は、複数（便宜上１つのみ図示）のロボット駆動用のサーボモータ１５を内蔵する。各サーボモータ１５にはエンコーダ（位置検出器と呼ぶ）１６が設けられ、位置検出器１６によりサーボモータ１５の軸回りの回転角度が検出される。検出された回転角度はロボット制御装置２０（サーボアンプ２２）にフィードバックされ、ロボット制御装置２０でのフィードバック制御により、ロボットアーム先端部の作業装置１２３の位置および姿勢が制御される。

作業装置１２３には３軸加速度センサ１７が装着され、加速度センサ１７によりロボットアーム先端部の３軸方向の加速度が測定される。加速度センサ１７は、ロボットアーム駆動時の動的な加速度ａだけでなく、ロボットアーム停止時の静的な加速度、すなわち重力加速度ａｓも検出することができる。重力加速度ａｓは、ロボットアーム先端部の姿勢に応じて変化する。

図１に示すように、ロボット制御装置２０は、制御部２１と、サーボモータ１５にフィードバック制御に応じた電力を供給するサーボアンプ２２と、サーボアンプ２２からの電力供給を停止する非常停止部２３とを有する。非常停止部２３は、例えばスイッチにより構成され、加速度センサ１７の故障時に、このスイッチの切換によりサーボアンプ２２の電源を遮断し、サーボモータ１５を非常停止する。

制御部２１は、ＣＰＵ２１１、ＲＡＭ２１２、ＲＯＭ２１３、不揮発性メモリ２１４、およびその他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成される。ＲＯＭ２１３には、各種のシステムプログラムが格納され、不揮発性メモリ２１４には、ロボット１０の動作内容に関する各種プログラム、関連設定値等が格納されている。

制御部２１には、加速度センサ１７からの信号（加速度情報）が入力されるとともに、サーボアンプ２２を介して位置検出器１６からの信号（位置情報）が入力される。ＣＰＵ２１１は、これらの入力信号に基づき所定の処理を実行し、サーボアンプ２２と非常停止部２３に制御信号を出力し、これらの動作を制御する。

図３は、ＣＰＵ２１ａで実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えばロボット制御装置２０の電源オンにより開始される。ステップＳ１では、加速度センサ１７からの加速度情報と各位置検出器１６からの位置情報とを読み込む。加速度情報には動的な加速度ａと重力加速度ａｓとが含まれる。

ステップＳ２では、位置検出器１６からの位置情報に基づき、ロボットアーム先端部、つまり加速度センサ１７の取付部の速度ｖ１、動的な加速度ａ１および重力加速度ａ２をそれぞれ演算する。ここで、速度ｖ１は、ロボットアーム先端部の座標位置を所定時間毎に算出し、これを時間微分することにより得られ、加速度ａ１は、速度ｖ１をさらに時間微分することにより得られる。重力加速度ａ２は、加速度センサ１７の取付部における姿勢（傾き）を求めることにより得られる。なお、以下では、加速度情報に基づき得られた加速度ａ，ａｓをそれぞれ検出加速度、検出重力加速度と呼び、位置情報に基づき得られた加速度ａ１，ａ２をそれぞれ演算加速度、演算重力加速度と呼ぶこともある。

ステップＳ３では、演算された速度ｖ１に基づき、ロボットアーム先端部が停止しているか否かを判定する。例えば、速度ｖ１が所定値以下の場合に、ロボットアーム先端部が停止していると判定する。ステップＳ３で、ロボットアーム先端部が非停止と判定されるとステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、加速度センサ１７の故障判断の基準となる基準値αを設定する。この場合、速度ｖ１の低下に伴い基準値αが小さくなるような関係を予めメモリに記憶しておき、この関係を用いて速度ｖ１に応じた基準値αを設定する。メモリに記憶される速度ｖと基準値αの関係としては、速度ｖ１の低下に伴い基準値αが線形的に減少するような関係でもよく、基準値αが段階的に減少するような関係でもよい。

ステップＳ５では、検出加速度ａと演算加速度ａ１との偏差（ａ−ａ１）を演算し、その大きさ（絶対値）が基準値αより大きいか否かを判定する。ステップＳ５が肯定されるとステップＳ６に進み、否定されるとステップＳ６をパスしてリターンする。

ステップＳ６では、非常停止部２３に非常停止信号を出力し、サーボアンプ２２の電源を遮断する。これによりロボットアーム駆動用の各サーボモータ１５が非常停止され、ロボット１０の動作が停止する。

一方、ステップＳ３で、ロボットアーム先端部が停止と判定されるとステップＳ７に進む。ステップＳ７では、予めメモリに記憶された速度ｖ１と基準値αとの関係に基づき、ロボットアーム停止時の基準値αを設定する。

ステップＳ８では、検出重力加速度ａｓと演算重力加速度ａ２との偏差（ａｓ−ａ２）を演算し、その大きさ（絶対値）がステップＳ７で定めた基準値αより大きいか否かを判定する。ステップＳ８が肯定されるとステップＳ６に進み、否定されるとリターンする。

本実施の形態に係るロボットシステムの動作をまとめると次のようになる。ロボットアーム１２の動作時には、加速度センサ１７により検出された検出加速度ａと位置検出器１６からの信号により求められた演算加速度ａ１との偏差が求められ、この偏差の大きさが基準値αより大きいか否かが判定される（ステップＳ５）。偏差が基準値α以下であれば、加速度センサ１７の検出値に異常が見られないため、制御部２１から非常停止信号は出力されない。

一方、検出加速度ａと演算加速度ａ１との偏差の大きさが基準値αより大きいと、非常停止部２３に非常停止信号が出力され、サーボアンプ２２の電源が遮断される（ステップＳ６）。これにより加速度センサ１７の故障時にロボット１０の動作を停止することができ、センサ故障時のロボット１０の異常動作を未然に防ぐことができる。この場合、ロボットアーム先端部の速度ｖ１が小さいほど基準値αを小さくしているので、ロボットアーム先端部が低速で動作している場合のセンサ１７の故障検出の精度を高めることができる。

ロボットアーム１２の停止時には、加速度センサ１７により検出された検出重力加速度ａｓと位置検出器１６からの信号により求められた演算重力加速度ａ２との偏差が求められ、偏差の大きさが基準値αより大きいか否かが判定される（ステップＳ８）。偏差が基準値αより大きいと、非常停止部２３に非常停止信号が出力され、サーボアンプ２２の電源が遮断される（ステップＳ６）。したがって、ロボットアーム停止時においても、センサ故障によるロボット１０の異常動作を確実に防ぐことができる。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）ロボットアーム１２の動作時において、位置検出器１６からの信号によりロボットアーム先端部の加速度ａ１を演算し、この演算加速度ａ１と加速度センサ１７により検出された検出加速度ａとの偏差が基準値αより大きいと、サーボモータ１５を非常停止するようにした。これによりセンサ故障によるロボット１０の異常動作を未然に防ぐことができる。すなわち、ロボット１０の異常動作が起きる前に、ロボット１０を非常停止することができ、安全上、好ましい。

（２）ロボットアーム１２の停止時においては、位置検出器１６からの信号によりロボットアーム先端部の姿勢を判断して、ロボットアーム先端部の重力加速度ａ２を演算し、この演算重力加速度ａ２と加速度センサ１７により検出された検出重力加速度ａｓとの偏差の大きさが基準値αより大きいと、サーボモータ１５を非常停止するようにした。これによりロボットアーム停止時においても、センサ故障によるロボット１０の異常動作を未然に防ぐことができる。
（３）位置検出器１６からの信号によりロボットアーム先端部の速度ｖ１を演算し、この速度ｖが小さいほど基準値αを小さくするようにしたので、ロボットアーム先端部が低速で動作している場合には、加速度センサ１７の故障の検出精度を高めることができる。

なお、上記実施の形態では、位置検出器（エンコーダ）１６によりサーボモータ１５の回転量を検出するようにしたが、第１の検出手段としての位置検出器１６の構成はいかなるものでもよい。加速度センサ１７によりロボットアーム先端部の加速度ａを検出するようにしたが、加速度センサ１７からの加速度情報に基づき、ロボットアーム先端部の速度ｖを検出するようにしてもよい。ロボットアーム先端部に取り付けられ、ロボットアーム先端部の速度ｖまたは加速度ａを検出するのであれば、第２の検出手段は加速度センサ１７に限定されず、例えばジャイロセンサや慣性センサ等を用いてもよい。

上記実施の形態では、位置検出器１６からの信号によりロボットアーム先端部の加速度ａ１を演算するとともに、演算加速度ａ１と検出加速度ａとの偏差（加速度偏差）を演算するようにしたが、演算手段としての制御部２１の構成はこれに限らない。例えば、上述したようにロボットアーム先端部の速度ｖを検出する場合、位置検出器１６からの信号によって演算された速度（演算速度）ｖ１と検出速度ｖとの偏差（速度偏差）を求めるようにしてもよい。この場合、速度偏差の大きさが基準値より大きいときに制御部２１からの信号によりサーボモータ１５を非常停止すればよい。

非常停止部２３のスイッチの切換によりサーボアンプ２２の電源を遮断するようにしたが、速度偏差または加速度偏差の大きさが基準値より大きいときにサーボモータ１５を非常停止するのであれば、非常停止手段の構成はいかなるものでもよい。上記実施の形態では、位置検出器１６からの信号によって演算されたロボットアーム先端部の速度ｖ１に応じて、センサ故障判定時の基準値αを設定するようにしたが、演算されたロボットアーム先端部の姿勢や加速度ａ１に応じて基準値αを設定するようにしてもよい。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態のロボットシステムに限定されない。

１０ ロボット
１２ ロボットアーム
１６ 位置検出器
１７ 加速度センサ
２０ ロボット制御装置
２１ 制御部
２２ サーボアンプ
２３ 非常停止部

Claims (3)

1. サーボモータにより駆動されるロボットアームと、
   該ロボットアームの動作を制御するロボット制御装置とを有するロボットシステムであって、
   前記サーボモータの回転量を検出する第１の検出手段と、
   前記ロボットアーム先端部に取り付けられ、該ロボットアーム先端部の速度または加速度を検出する第２の検出手段と、
   前記ロボットアームの動作時の前記第１の検出手段による検出値に基づき前記ロボットアーム先端部の速度または加速度を演算するとともに、この演算された速度または加速度と、前記ロボットアームの動作時における前記第２の検出手段により検出された速度または加速度との偏差を演算する演算手段と、
   前記演算手段により演算された偏差の大きさが基準値より大きいときに、前記サーボモータを非常停止する非常停止手段とを備え、
   前記第２の検出手段は、前記ロボットアームの停止時の重力加速度を検出するセンサを有し、
   前記演算手段は、前記ロボットアームの停止時の前記第１の検出手段による検出値に基づき、前記ロボットアーム先端部の重力加速度を演算するとともに、この演算された重力加速度と、前記センサにより検出された重力加速度との偏差を演算し、
   前記非常停止手段は、さらに前記演算手段により演算された重力加速度の偏差の大きさが基準値より大きいときに、前記サーボモータを非常停止することを特徴とするロボットシステム。
2. 請求項１に記載のロボットシステムにおいて、
   前記基準値は、前記第１の検出手段による検出値に基づき演算された前記ロボットアーム先端部の位置、速度または加速度に応じて設定されていることを特徴とするロボットシステム。
3. 請求項１または２に記載のロボットシステムにおいて、
   前記第２の検出手段は、ジャイロセンサ、加速度センサ、および慣性センサの少なくともいずれかを有するロボットシステム。

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