JP5628953B2 - ガススプリングを備えた多関節ロボット、及びガススプリングの内圧を推定する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガススプリングを備えた多関節ロボットに関し、特には、当該ガススプリングの内圧減少量を推定する技術に関する。
ガススプリングは、不活性の圧縮性ガス(以後、単にガスと称する)を封入したピストン構造を有し、シリンダに対するピストンロッドの動作に伴うガスの圧縮により反発力を発生させるものである。このようなガススプリングは一般に、同程度の出力が得られるコイルスプリングに比べて小型・軽量であり、故に設備全体の軽量化・コンパクト化に有用である。
多関節ロボットにおいて、重力による負荷が作用する軸では、当該軸を駆動するサーボモータの動力(トルク)を補助する装置として、重力による負荷に対して逆方向の力を発生する装置(以後、バランサと呼称する)を組み込む場合がある。このバランサにガススプリングを適用すると(このようなバランサをガスバランサと称する)、上述のようにガススプリングは比較的小型・軽量にも関わらず出力が大きいため、ガスバランサはコンパクトな機構で大きな補助トルクを発生し、軽量・コンパクトかつ大きな可搬重量を持つロボットを実現することができる。例えば特許文献1には、ベース1上で旋回アーム3を駆動する垂直回転軸2の荷重モーメントを軽減するためのバランサが記載されている。このバランサは、シリンダ4、ロッド5及びピストン6を備え、シリンダ4には連通部11を介して気体圧縮チャンバ10が設けられ、シリンダ4及びチャンバ10内にはエア等の気体(圧縮性流体)とオイル等の粘性液体が封入される、とされている。
一方、ガススプリングでは、シリンダに対するピストンロッドの動作に伴い、シリンダ内部に封入されたガスが外部へ漏出し、シリンダ内圧が低下することが知られている。これによりバランサの発生力が低下し、その結果、サーボモータのトルク不足を知らせるアラーム等が発せられ、ロボットが緊急停止するという問題があった。このようなガススプリングの内圧低下に伴う不具合を未然に防ぐための手段として、いくつかの従来技術が既に知られている。例えば特許文献2には、ガススプリング回路の内圧低下を視覚的に表示できるようにした回路圧力表示装置が記載されている。また特許文献3には、ガススプリングの圧縮ガス充填室に収容された圧縮ガスの圧力を指示するためのガススプリング用圧力インジケータが記載されている。
さらに特許文献4には、気体ばね4及び圧縮機システム5を含む釣合い装置が記載されている。圧縮機システム5は、圧縮機6と、気体ばね4内の圧力を調整する自動制御システム7とを備え、自動制御システム7は、気体ばね4内の圧力を検出する圧力センサ8からの信号に基づいて、気体ばね4からの又は気体ばね4への気体の流量を規制する圧力制御弁9を制御する、とされている。
特許文献2及び3に記載されているように、ガススプリングの外部に圧力表示器を取り付ける場合、少なくともその圧力表示器に相当する分だけ設備費が上昇する。また、圧力表示器とガススプリングとの間にはコネクタ等の接続手段を設ける必要があるが、そのような接続手段の存在はガス漏れの可能性を高める。さらに、圧力表示器自体の破損によってガス漏れが生じる虞もある。
また特許文献4のように、ガススプリング(気体ばね)に圧力センサや圧力調整弁等を設ける場合、特許文献2及び3と同様にそれらの装置の分、設備費が上昇することに加え、ガス漏れの可能性も高くなる。さらに、圧力調整弁9に接続されるガスタンク11のような設備も必要となり、周辺設備が大型化するという問題もある。
そこで本発明は、低コスト及び簡易な構成で、ガススプリングの内圧低下を知ることができる機能を備えた多関節ロボット、及びガススプリングの内圧低下量を推定する方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本願第1の発明は、少なくとも1つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有する多関節ロボットであって、前記ガススプリングは、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成され、前記制御装置は、前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時の前記サーボモータの電流値を基準電流値として取得し、前記基準時と同一の動作条件で前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時と異なる時点での前記サーボモータの電流値を対象電流値として取得し、前記基準電流値と前記対象電流値との差分を求め、前記差分に基づいて前記ガススプリングの圧縮性ガスの内圧の減少量を算出する機能を有する、多関節ロボットを提供する。
第2の発明は、第1の発明において、前記基準電流値及び前記対象電流値として、前記サーボモータへの電流指令値を使用する、多関節ロボットを提供する。
第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記制御装置は、前記基準電流値を取得するときの前記多関節ロボットの動作条件を記録する記憶手段を有する、多関節ロボットを提供する。
第4の発明は、第1〜第3のいずれか1つの発明において、前記圧縮性ガスの内圧の減少量を視覚的又は聴覚的に出力する表示手段を有する、多関節ロボットを提供する。
第5の発明は、第4の発明において、前記表示手段は、前記内圧の減少量の経時変化を視覚的に表示する、多関節ロボットを提供する。
第6の発明は、少なくとも1つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有し、前記ガススプリングが、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成されている多関節ロボットにおける、前記ガススプリングの内圧の減少量を推定する方法であって、前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時の前記サーボモータの電流値を基準電流値として取得するステップと、前記基準時と同一の動作条件で前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時と異なる時点での前記サーボモータの電流値を対象電流値として取得するステップと、前記基準電流値と前記対象電流値との差分を求めるステップと、前記差分に基づいて前記ガススプリングの圧縮性ガスの内圧の減少量を算出するステップと、を有する、方法を提供する。
本発明によれば、ロボットの姿勢及び速度等の動作条件等を同一として得られる基準電流値及び対象電流値から差分電流値を求め、この差分電流値に基づきガススプリングの内圧減少量を推定することができる。従って、圧力計等の手段が必要ないことに加え、ロボットの負荷条件や動作条件の影響を取り除いた高精度の推定が可能となる。
基準電流値及び対象電流値として電流指令値を使用することにより、サーボモータに実際に流れた電流値を検出する場合と同様の効果が得られる。
電流値を測定する際の動作条件をロボット制御装置に記録することにより、長時間が経過した後でも、基準電流値の測定時と同一の動作条件で、対象電流値の測定を確実に実施することが可能となる。
内圧減少量やその経時変化を視覚的又は聴覚的に出力することにより、作業者はガス圧低下の進行程度を予測することができ、ロボットが所定の動作を行うことができなくなる前に、予め必要な対策を実施できる。
図1は、本発明の好適な実施形態に係る多関節ロボットの概略構成を示す図である。多関節ロボット2は、少なくとも1つのアームを備えたロボット機構部4と、ロボット機構部4を制御する制御装置6と、該少なくとも1つのアームに設けられたガススプリングとを有する。図示例では、ロボット機構部4は、ベース8と、ベース8に旋回可能に設けられた旋回部10と、旋回部10に回転可能に設けられた下部アーム12と、下部アーム12に回転可能に設けられた上部アーム14とを有する。多関節ロボット2はさらに、下部アーム12に関連して設けられたガススプリング16を有する。ガススプリング16は、下部アーム12に回転可能に取付けられたシリンダ18と、旋回部10に回転可能に取付けられかつシリンダ18内を摺動可能に構成され支持されたピストンロッド20とを有し、シリンダ18内部には不活性の圧縮性ガスが封入されている。ガススプリング16は、重力による負荷が作用する下部アーム12を駆動するサーボモータ22の負荷を軽減するバランサとして使用される。
制御装置6は、給電ケーブル24等を介してロボット機構部4に接続されており、ロボット機構部4の各軸の動作を制御するとともに、後述するガス内圧推定処理を行うことができる。また制御装置6は、モニタ付き操作パネル26を有してもよく、操作パネル26には推定された内圧等を表示することができる。
図2は、下部アーム12の変位及び速度を所定の条件で制御する場合において必要なトルクを説明する図であり、詳細には、グラフ(A)は適正な量のガスがガススプリングに充填された状態、グラフ(B)はガススプリングのガスが一定量漏出してガス圧が低下した状態を示している。上述のようにガススプリング16は、ガスバランサとして使用されるので、下部アーム12の駆動に必要なトルクTrは、サーボモータ22によるトルクTs及びガススプリング16によるトルクTgの合計となる。両グラフの比較からわかるように、(B)ではガスの漏出によってガススプリング16のトルクTgが低下するので、所定のトルクTrを得るためには、サーボモータ22のトルクTsを大きくする必要がある。
そこで本発明は、ガススプリング16の内圧減少量とトルクTgの減少量(ΔTg)は概ね比例関係又は直線関係にあること、さらにサーボモータ22が発生するトルクTsは、サーボモータ22の電流値に基づいて算出できる(トルクと電流値は概ね比例関係又は直線関係にある)ことに着目し、サーボモータ22の電流値を用いてガス圧の減少量を推定(算出)することを主たる特徴とする。つまり図2の例で言えば、(B)におけるガス圧減少量は、(A)及び(B)でのサーボモータ22の電流値をそれぞれ検出し、それらの電流値の差分に基づいて算出することができる。
以下、本発明におけるガススプリング16のガス圧の減少量の推定手順について説明する。先ず図3に示すように、基準時のサーボモータ22の電流値を検出・記録する。ここで基準時とは、ガススプリング16の初期状態等、ガススプリング内に適正な量のガスが封入されており、ガスバランサとして予め定めた(所望の)トルクを出力できる状態(例えば図2の(A)に相当)を意味する。この基準時に、基準電流値取得指令が発せられたら、サーボモータ22が通電制御された状態での該サーボモータの電流値を検出し(ステップS11)、これを基準電流値I0としてメモリ等の記憶手段に記録する(ステップS12)。なお基準電流値I0を検出する手段としては、サーボモータ22を制御する際に使用するフィードバック回路が使用でき、そのフィードバック値を検出された基準電流値I0として使用することができる。また、基準電流値I0を測定したときの多関節ロボット2の動作条件(ロボットの姿勢や動作速度等)も併せてメモリに記録してもよい(ステップS13)。基準電流値を測定する際の動作条件を記録することにより、長時間が経過した後でも、基準電流値の測定時と同一の動作条件で、後述する対象電流値の測定を確実に実施することが可能となる。
図4は、ガススプリング16の内圧減少量を算出するための処理を説明するフローチャートである。先ず、基準時とは異なる時点(例えばロボットの実運転時)において、上述の基準電流値を測定したときの動作条件と同一条件のときに、対象電流値取得指令が発せられたら、サーボモータ22が通電制御された状態での該サーボモータの対象電流値I1を検出し(ステップS21)。次に、この検出された対象電流値I1と、記録された基準電流値I0との差である差分電流値ΔIを算出する(ステップS22)。なお動作条件を基準時と完全同一とすることは実際には困難な場合があるので、動作条件の差が、測定値に影響しないと経験的に知られている一定の範囲内に収まっていれば、動作条件は「同一」として扱うことができる。
次に、差分電流値ΔIに基づいて、基準時に対するサーボモータ22の発生トルクの差分(図2の例ではトルクΔTgに相当)を演算し、トルクの差分(上昇分)ΔTを求める(ステップS23)。さらに、求めたトルク差分ΔTに基づいて、ガススプリング16の内圧の減少量Pを算出する(ステップS24)。なお差分電流値ΔIに基づくトルク差分ΔTの算出、及びトルク差分ΔTに基づくガス圧減少量Pの算出は、いずれも比例関係にあるとして(つまり適当な換算係数を乗算して)求めることができる。またトルク差分の算出(ステップS23)を省略し、差分電流値ΔIに基づいてガス圧減少量Pを求めてもよい。
次のステップS25では、ステップS24で求めた内圧減少量Pを、制御装置6のモニタ付き操作パネル26等の表示手段に表示し、算出した内圧減少量Pと、予め定めた許容値Paとを比較する(ステップS26)。減少量Pが許容値Paを超えていれば、ガス内圧が過小である旨を操作パネル26に表示する、或いは警報を発する等の視覚的又は聴覚的な出力を行い(ステップS27)、ロボットが奥まった場所に設置されている場合であっても、作業者が視覚的又は聴覚的に迅速にガス圧低下量が許容値を超えている旨を知ることができるようにする。最後に、これらの処理が実施された日時と算出された内圧減少量とを関連付けて、メモリ等に記録する(ステップS28)。
なお図4で示した処理に加えて、内圧減少量Pを時系列に並べて表示する処理を加えてもよいし、求めた内圧減少量を、ロボット機構部の経時劣化等の状態を検知し診断する処理に活用することもできる。例えば、ロボット保守作業者が、ガス圧低下の進行程度を予測することができ、ガスの補充時期を予め把握して必要な準備をしておく等の措置を採ることができる。
また上記実施形態では、基準電流値I0及び対象電流値I1をいずれも検出(測定)により求めているが、これらの値として電流指令値を使用してもよい。すなわち、基準電流値取得指令又は対象電流値取得指令が発せられたら、サーボモータ22の制御に使用する電流指令値を、それぞれ基準電流値I0及び対象電流値I1とすることができる。この場合でも、サーボモータに実際に流れた電流値を検出する場合と概ね同様の効果が得られる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図1ではガススプリングを、前後方向(左右方向)に揺動する下部アーム12のサーボモータ22を補助するものとして説明したが、重力の影響を受けながら駆動される軸を支えるようにガススプリングを用いたロボットであれば、上述のものと同様の作用効果を得ることができる。つまり本発明は、下部アーム12が上下方向又は斜め方向に揺動する場合にも適用可能であるし、下部アーム以外のアームに対しても適用可能である。また上記実施形態では、軸(下部アーム12)が変位している最中の状態を説明したが、サーボモータが通電制御されている状態であれば、軸が変位しているか、静止中かに関係なく本発明は適用できる。
2 多関節ロボット
4 ロボット機構部
6 制御装置
8 ベース
10 旋回部
12 下部アーム
14 上部アーム
16 ガススプリング
18 シリンダ
20 ピストンロッド
22 サーボモータ
24 給電ケーブル
26 操作パネル
4 ロボット機構部
6 制御装置
8 ベース
10 旋回部
12 下部アーム
14 上部アーム
16 ガススプリング
18 シリンダ
20 ピストンロッド
22 サーボモータ
24 給電ケーブル
26 操作パネル
Claims (6)
- 少なくとも1つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有する多関節ロボットであって、
前記ガススプリングは、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成され、
前記制御装置は、前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時の前記サーボモータの電流値を基準電流値として取得し、前記基準時と同一の動作条件で前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時と異なる時点での前記サーボモータの電流値を対象電流値として取得し、前記基準電流値と前記対象電流値との差分を求め、前記差分に基づいて前記ガススプリングの圧縮性ガスの内圧の減少量を算出する機能を有する、多関節ロボット。 - 前記基準電流値及び前記対象電流値として、前記サーボモータへの電流指令値を使用する、請求項1に記載の多関節ロボット。
- 前記制御装置は、前記基準電流値を取得するときの前記多関節ロボットの動作条件を記録する記憶手段を有する、請求項1又は2に記載の多関節ロボット。
- 前記圧縮性ガスの内圧の減少量を視覚的又は聴覚的に出力する表示手段を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の多関節ロボット。
- 前記表示手段は、前記内圧の減少量の経時変化を視覚的に表示する、請求項4に記載の多関節ロボット。
- 少なくとも1つのアームを備えたロボット機構部と、前記アームに設けられたガススプリングと、前記ロボット機構部を制御する制御装置と、を有し、前記ガススプリングが、シリンダと、前記シリンダ内部に封入された不活性の圧縮性ガスと、前記シリンダ内を摺動可能に構成されたピストンロッドとを有し、前記アームを駆動するサーボモータの負荷を軽減するガスバランサとして作用するように構成されている多関節ロボットにおける、前記ガススプリングの内圧の減少量を推定する方法であって、
前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時の前記サーボモータの電流値を基準電流値として取得するステップと、
前記基準時と同一の動作条件で前記アームを駆動するサーボモータが通電制御された状態での、基準時と異なる時点での前記サーボモータの電流値を対象電流値として取得するステップと、
前記基準電流値と前記対象電流値との差分を求めるステップと、
前記差分に基づいて前記ガススプリングの圧縮性ガスの内圧の減少量を算出するステップと、
を有する、方法。
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