JP7152238B2 - ロボット制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット制御装置に関する。

一般に、多関節ロボットでは、基端側の関節に設けられた軸はロボット全体を支えるために大きなトルクが必要となるため、大きな駆動電力（モータ出力）が必要である。一方、先端側の関節に設けられた軸は、支える量が減りトルクも小さくなるため、比較的小さな電力で駆動できる。ロボットの各軸を駆動するモータは、ＩＧＢＴに代表される複数のパワー半導体チップを備えたパワーモジュールによって駆動するのが一般的である。最近では、パワーモジュールとして、ＩＧＢＴにその駆動回路や保護回路を一体化したＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）が実用化されている。本発明の先行技術として、車両用のモータを駆動するための複数のパワーモジュールを基板上に実装する技術がある（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

特許第５２６０３４７号 特許第４３１３２７２号

上記のように、多関節ロボットは、各軸によって異なる出力の複数のモータを有するため、従来のロボットコントローラでは、いろんなパワーの組み合わせに応じて異なる形態の基板を複数用意しなければならず、装置の大型化が避けられなかった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、ロボットコントローラの小型化を図ることを目的としている。

本発明の一態様に係るロボット制御装置は、複数の軸をそれぞれ駆動し、各軸によって異なる出力の複数のモータを有するロボットの動作を制御する制御装置であって、前記複数のモータのそれぞれに駆動電力を供給するように構成された複数のパワーモジュールと、一主面上において、パワーモジュールを配置可能なスペースが複数設けられ、各スペースにはパワーモジュールのピン配置に応じた貫通孔が設けられた１枚の回路基板と、を備え、前記複数のパワーモジュールのうち、少なくとも一のパワーモジュールの定格電流が他の一のパワーモジュールの定格電流と異なり、且つ、各パワーモジュールが同一のピン配置を有するものである。

多関節ロボットは各軸によって異なる出力の複数のモータを有するため、モータの駆動に使用される複数のパワーモジュールは、少なくとも一のパワーモジュールの定格電流が他の一のパワーモジュールの定格電流と異なる仕様が要求される。上記構成によれば、全てのパワーモジュールが同一のピン配置を有するようにパッケージの規格を統一するとともに、一主面上において、予め、パワーモジュールを配置可能なスペースが複数設けられ、各スペースにパワーモジュールのピン配置に応じた貫通孔が設けられた１枚の回路基板を準備することで、複数のパワーモジュールを選択して配置することができ、制御装置の小型化を実現できる。

また、前記複数のパワーモジュールの形状及び大きさが同一であってもよい。

また、前記パワーモジュールは、複数のパワー半導体スイッチング素子をブリッジ接続した電力変換回路と、前記パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路とを１つのパッケージに格納してインテリジェントパワーモジュールとして構成されてもよい。

また、一つのヒートシンクが前記複数のパワーモジュールに取り付けられてもよい。

また、前記ロボット制御装置の製造方法としては、ロボットの複数の軸をそれぞれ駆動し、各軸によって異なる出力の複数のモータを有するロボットの動作を制御する制御装置を製造する方法であって、一主面上において、パワーモジュールを配置可能なスペースが複数設けられ、前記複数のスペースの各々にパワーモジュールのピン配置に応じた貫通孔が設けられた１枚の回路基板を準備することと、複数種類の定格電流の各々に対応する少なくとも１のパワーモジュールを準備することと、前記複数のスペースの各々に、前記複数の定格電流のうちの任意の１のものを定格電流とするパワーモジュールを、前記パワーモジュールから選択して配置すること、を含み、前記全てのパワーモジュールのピン配置が同一であるものにすることができる。

本発明によれば、ロボット制御装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るロボットの構成を示す斜視図である。 制御装置のブロック図である。 制御装置のサーボユニットを構成する回路基板及びパワーモジュールを模式的に示した平面図である。 回路基板及び一のパワーモジュールの断面を模式的に示した図である。 制御装置内部の回路基板を裏側から見た第１の斜視図である。 制御装置内部の回路基板を裏側から見た第２の斜視図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るロボットの構成を示す斜視図である。本実施形態においてロボットは、動作に必要な複数の可動部材を備えていて、それらを複数のモータによって駆動するよう構成されたものであればよい。従って、本実施形態において、ロボットは、典型的には、多関節ロボットであるが、これには限定されない。図１に示すように、ロボット１は、工場の床面などの据え付け面に固定されるベースリンク（ベース）１０に、第１リンク１１、第２リンク（以下、「下部アーム」ともいう）１２、第３リンク（以下、「上部アーム」ともいう）１３、フランジ１４を第１～第６の各関節ＪＴ１～ＪＴ６により順次連結して構成されている。本実施形態のロボット１は、基端から先端に向かって、ねじり関節（ＪＴ１）、曲げ関節（ＪＴ２）、曲げ関節（ＪＴ３）、捩り関節（ＪＴ４）、曲げ関節（ＪＴ５）および捩り関節（ＪＴ６）を有し、これらの関節を介して複数のリンク（１０～１４）により順次連結して構成されている。ロボット１は、６軸の垂直多関節型のロボットである。

第１リンク１１はベース１０上に第１関節ＪＴ１によって捻り回転可能に連結される。下部アーム１２は第１リンク１１の上端部に第２関節ＪＴ２によって上下（鉛直）方向に旋回可能に支持される。上部アーム１３は下部アーム１２の先端部に第３関節ＪＴ３によって上下方向に旋回可能に支持されるとともに、第４関節ＪＴ４によって捻り回転可能に支持される。フランジ１４は上部アーム１３の先端部に第６関節ＪＴ６によって捩り回転可能に支持される。第１関節ＪＴ１～第６関節ＪＴ６それぞれに対応付けられるように、サーボモータ、サーボモータの回転を制動するブレーキ、及び、サーボモータの回転位置を検出する位置センサがそれぞれ設けられる（いずれも図示せず）。

制御装置２は、本実施形態では、マイクロコントローラ等のコンピュータを備えたロボットコントローラであり、ロボット１とケーブルを介して接続される。制御装置２は単一の装置とは限らず、複数の装置で構成されてもよい。

図２は、制御装置２のブロック図である。図２に示すように、制御装置２は、サーボユニット２０と、制御ユニット２１と、パワーユニット２２と、冷却ユニット２３と、を備える。

サーボユニット２０は、指令入力に応じてロボット１のサーボモータＭ１～Ｍ６に駆動電力を供給する。サーボモータＭ１～Ｍ６は、ロボット１の第１関節ＪＴ１～第６関節ＪＴ６（図１参照）にそれぞれ設けられる。本体ベース側にある３つの第１関節ＪＴ１～第３関節ＪＴ３に設けられたサーボモータＭ１～Ｍ３は、相対的に出力の大きなサーボモータが使用される。一方、本体ベースとは反対側すなわちリスト側にある３つの第４関節ＪＴ４～第６関節ＪＴ６に設けられたサーボモータＭ４～Ｍ６は、相対的に出力の小さなサーボモータが使用される。つまり、ロボット１では、各軸（各関節）によって、トルク、すなわち駆動電力（モータ出力）が異なる。

制御ユニット２１は、各種演算を行い、サーボユニット２０介してロボット１の動作を制御するとともに、パワーユニット２２や冷却ユニット２３等の各種ユニットの動作を制御する。

パワーユニット２２は、サーボユニット２０、制御ユニット２１及び冷却ユニット２３に電力を供給する。パワーユニット２２は、例えば、交流電源から出力された三相交流電力を直流電力に変換して出力するＡＣ／ＤＣ変換部と、直流出力電圧を平滑化する平滑用コンデンサ等を備える（図示せず）。また、冷却ユニット２３は、冷却用のファンやヒートシンクで構成され、発熱素子によって熱せられた制御装置２内部を冷却する。

図３（ａ）は、サーボユニット２０を構成する回路基板２００のみを模式的に示した平面図である。図３（ａ）に示すように、１枚の回路基板２００の一主面上に、パワーモジュール２０１を配置可能なスペース２００ａが８つ設けられる。各スペース２００ａにはパワーモジュール２０１のピン配置に応じた貫通孔２００ｂが設けられる。各スペース２００ａの貫通孔２００ｂは、パワーモジュール２０１の端子２０１ｂのピン配置に応じて設けられている。

図３（ｂ）は、回路基板２００上に配置されたパワーモジュール２０１を模式的に示した平面図である。図３（ｂ）に示すように、８つの配置スペース２００ａのうち、６つの配置スペース２００ａそれぞれに６つのパワーモジュール２０１が配置されている。６つのパワーモジュール２０１は、６つの関節ＪＴ１～ＪＴ６のサーボモータＭ１～Ｍ６のそれぞれに駆動電力を供給するように構成されている。サーボモータＭ１～Ｍ６の駆動に使用される６つのパワーモジュール２０１は、少なくとも一のパワーモジュールの定格電流が他の一のパワーモジュールの定格電流と異なる仕様が要求される。本実施形態では、サーボモータＭ１～Ｍ６の出力に対応すべく、サーボモータＭ１～Ｍ３のそれぞれを駆動する３つのパワーモジュール２０１は定格電流（１００Ａ）が相対的に大きいものを使用している。一方、サーボモータＭ４～Ｍ６のそれぞれを駆動する３つのパワーモジュール２０１は定格電流（５０Ａ）が相対的に小さいものを使用している。

パワーモジュール２０１は、複数のパワー半導体スイッチング素子をブリッジ接続した電力変換回路と、パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路とを１つのパッケージに格納してインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）として構成される。本実施形態では、全てのパワーモジュール２０１のピン配置が同じになるようにパッケージの規格を統一している。

図４は、図３（ｂ）の回路基板２００上の一のパワーモジュール２０１（ＩＶ－ＩＶ部）の断面を模式的に示した図である。図４に示すように、回路基板２００上に設けられたスペース２００ａに応じてパワーモジュール２０１が配置される。パワーモジュール２０１の端子２０１ａが回路基板２００上のスペース２００ａに設けられた貫通孔２００ｂに挿入される。

図５は、制御装置２内部の回路基板２００を裏側から見た第１の斜視図である。図５では、制御装置２の筐体２０３の底板パネル及び正面側の側板パネルは取り付け前の状態を示している。図５に示すように、制御装置２の筐体２０３は、略直方体形状を有する。筐体２０３の内部の空間は、平板形状を有する中段パネル２１０の主面によって、上部の第１空間と下部の第２空間に分割されている。第２空間において中段パネル２１０の主面上には回路基板２００が配置されている。回路基板２００上には６つのパワーモジュール２０１が配置されている。全てのパワーモジュール２０１のパッケージは、平面視で略矩形状を有し、パッケージの形状及び大きさは同一である。

上部の第１空間は密閉空間であるのに対し下部の第２空間は密閉されていない。下部の空間において、一方の側板パネル２１１には冷却ユニット２３を構成する空冷ファンが設けられ、他方の側板パネル２１２には通風口が設けられる。

図６は、制御装置２内部の回路基板２００を裏側から見た第２の斜視図である。図６に示すように、回路基板２００上にはヒートシンク２０４が取り付けられている。ヒートシンク２０４は、回路基板２００上の６つのパワーモジュール２０１の上面を覆うように取り付けられる。６つのパワーモジュール２０１のパッケージの形状及び大きさは同一であるので、発熱素子であるパワーモジュール２０１を上部から効率的に冷却することができる。ヒートシンク２０４は一体的に形成されたものが使用される。ヒートシンク２０４には、空気が流れやすくなるように一方の側板パネル２１１から他方の側板パネル２１１に向かう方向に沿って溝が形成される。また、ヒートシンク２０４は、軽量化のために、パワーモジュール２０１に相当しない部分に溝が形成される。

本実施形態によれば、全てのパワーモジュール２０１が同一のピン配置を有するようにパッケージの規格を統一するとともに、回路基板２００の一主面上において、予め、パワーモジュール２０１を配置可能なスペース２００ａが複数設けられ、各スペース２００ａにパワーモジュールのピン配置に応じた貫通孔が設けられた１枚の回路基板を準備することで、パワーモジュールを選択して配置することができ、制御装置の小型化を実現できる。

尚、本実施形態は、ロボット１の複数の軸をそれぞれ駆動し、各軸によって異なる出力の複数のモータを有するロボット１の動作を制御する制御装置２を製造する方法についても開示する。この方法は、一主面上において、パワーモジュール２０１を配置可能なスペース２００ａが８つ設けられ、８つのスペース２００ａの各々にパワーモジュール２０１のピン配置に応じた貫通孔２００ｂが設けられた１枚の回路基板２００を準備することと、二種類の定格電流（１００Ａ，５０Ａ）の各々に対応する少なくとも１のパワーモジュール２０１を準備することと、６つの配置スペース２００ａの各々に、二種類の定格電流（１００Ａ，５０Ａ）のうちの任意の１のものを定格電流とするパワーモジュール２０１を、パワーモジュール２０１から選択して配置すること、を含み、全てのパワーモジュール２０１のピン配置が同一であることを特徴とするものである。

尚、上記各実施形態のロボット１は、垂直多関節型のロボットであったが、水平多関節型のロボットであってもよい。

尚、上記実施形態の回路基板２００は、１枚の基板であったが、複数の基板要素によって結合されて構成されてもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び機能の双方又は一方の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、多関節ロボットの制御装置に有用である。

１ ロボット
２ 制御装置
２０ サーボユニット
２１ 制御ユニット
２２ パワーユニット
２３ 冷却ユニット
２００ 回路基板
２００ａ 配置スペース
２００ｂ 貫通孔
２０１ パワーモジュール
２０１ａ ピン
２０３ 筐体
２０４ ヒートシンク
２１０ 中段パネル
２１１，２１２ 側板パネル
２１３ 天板パネル
ＪＴ１～ＪＴ６ 関節
Ｍ１～Ｍ６ サーボモータ

Claims (3)

1. 複数の軸をそれぞれ駆動し、各軸によって異なる出力の複数のモータを有するロボットの動作を制御する制御装置であって、
   前記複数のモータのそれぞれに駆動電力を供給するように構成された複数のパワーモジュールと、
   一主面上において、パワーモジュールを配置可能なスペースが複数設けられ、各スペースにはパワーモジュールのピン配置に応じた貫通孔が設けられた１枚の回路基板と、
   前記複数のパワーモジュールに取り付けられる一つのヒートシンクと、
   を備え、
   前記複数のパワーモジュールのうち、少なくとも一のパワーモジュールの定格電流が他の一のパワーモジュールの定格電流と異なり、且つ、各パワーモジュールが同一のピン配置を有し、
   前記ヒートシンクは、前記パワーモジュールに相当しない部分に溝が形成されている、ロボット制御装置。
2. 前記複数のパワーモジュールの形状及び大きさが同一である、請求項１に記載のロボット制御装置。
3. 前記パワーモジュールは、複数のパワー半導体スイッチング素子をブリッジ接続した電力変換回路と、前記パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路とを１つのパッケージに格納してインテリジェントパワーモジュールとして構成される、請求項１又は２に記載のロボット制御装置。

Images