JP2009196030A - 産業用ロボットの出力トルク制限回路 - Google Patents

Abstract

【課題】力センサにて検出されたトルク信号の確実性を確保することにより、産業用ロボットのツール先端での出力トルクの制限を適切に与えることが可能な産業用ロボットのトルク制限回路を提供する。
【解決手段】多軸で構成される産業用ロボットにおいて、各軸駆動部に取り付けた力センサにて検出されたトルク信号と駆動部の指令トルクとがあらかじめ設定した許容値以上の不一致を検出した場合に駆動回路を遮断するようにした。これにより、力センサにて検出されたトルク信号が正しいか否かの検証をし、出力トルクの制限を可能にするという効果を奏するものとなった。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータにより各関節軸が駆動されるようにされた産業用ロボットにおける、出力トルク制限回路に関する。

従来、サーボモータにより各関節軸が駆動されるようにされた産業用ロボットにおける、力センサを用いた出力トルク制限技術については、非特許文献１に開示されているように、力センサを産業用ロボットの手首先端と作業ツールとの間に配置することにより、組み付け作業時の出力トルクを制限するというものであった。しかし、これについては、出力トルクが許容トルクを超えた場合や指令トルクと力センサで検出されたトルク信号とが一致しない場合に、サーボモータの動力を遮断して安全を確保するものではなく、これを示唆するものでもなかった。

また、特許文献１では、各関節軸に力センサを配置する方法について従来の技術も含めて網羅的に記載されているが、その用途は、前述した非特許文献１と同様に、組み付け作業時の出力トルクを制限するものであった。しかし、これについても、出力トルクが許容トルクを超えた場合や指令トルクと力センサで検出されたトルク信号とが一致しない場合に、サーボモータの動力を遮断して安全を確保するものではなく、これを示唆するものでもなかった。

一方、出願人らの特許文献２では、減速機の出力部に力センサを二重に取り付けることにより信号を二重化し、これにより力センサにて検出されたトルク信号の確実性を確保する技術が開示されている。しかし、これについては、後述する本発明のように、力センサで検出されたトルク信号と指令トルク信号とを比較することで、その力センサからのトルク信号の確実性を確保するものでもなく、また、ＸＹＺ方向のトルクに合成してそのＸＹＺ方向のトルクを制限するものでもなく、それらを示唆するものでもなかった。

特開２００４−２０３６８号公報 特開２００７−３０１６９１号公報 「ロボット工学ハンドブック」、日本ロボット学会、１９９０年、ｐ．３９４

本発明は、前述した問題点に鑑みて、力センサにて検出されたトルク信号の確実性を確保することにより、産業用ロボットのツール先端での出力トルクの制限を適切に与えることが可能な産業用ロボットのトルク制限回路を提供することを目的とする。

さらに、力センサにて検出されたトルク信号が正しいか否かを、指令トルクと比較することで検証することにより、出力トルクが許容値を超えないことを確実にする、出力トルク制限の解決法を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、請求項１に係る発明では、多軸で構成される産業用ロボットにおいて、各軸駆動部に取り付けた力センサにて検出されたトルク信号と駆動部の指令トルクとがあらかじめ設定した許容値以上の不一致を検出した場合に駆動回路を遮断する出力トルク制限回路とした。

また、請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明において、出力トルク制限回路の指令トルク信号として、サーボモータ駆動電流を合成したトルク合成信号を用いる構成とした。

また、請求項３に係る発明では、請求項１に係る発明において、出力トルク制限回路の指令トルク信号として、サーボモータを駆動するサーボモータドライバのトルク指令信号を用いる構成とした。

また、請求項４に係る発明では、請求項１に係る発明において、出力トルク制限回路の指令トルク信号として、産業用ロボットを制御するロボット制御部が具備する内部モデル演算部において産業用ロボットの動作軌道を入力として演算により求められた指令演算トルク信号を用いる構成とした。

請求項５に係る発明では、多軸で構成される産業用ロボットの各軸駆動部に取り付けた力センサにて検出されたトルク信号からＸＹＺの各方向にトルク信号を合成し、これらＸＹＺの各方向のトルク信号のいずれかが出力トルク規定値を超えた場合、あるいはＸＹＺ方向のトルク信号を合成したトルク信号が出力トルク規定値を超えた場合に、駆動回路を遮断する出力トルク制限回路とした。

請求項６に係る発明では、請求項５に係る発明において、力センサにて検出されたトルク信号から産業用ロボットの姿勢保持に必要なトルクを差し引いた後、これにＸＹＺの各方向のトルク信号を合成した信号を用いる構成とした。

請求項７に係る発明では、請求項５または６に係る発明において、出力トルク制限回路に加え、請求項１から４のいずれかの出力制限回路を有することで、力センサ信号処理回路の動作信頼性を確保する構成とした。

請求項８に係る発明では、力センサにて検出されたトルク信号を位置検出器にて検出された位置検出信号と一緒にシリアル転送する位置検出器の信号伝送回路とした。

請求項９に係る発明では、請求項８に係る発明において、信号伝送回路から力センサにて検出されたトルク信号を入力するようにした、請求項１乃至７のいずれかに記載の出力トルク制限回路とした。

以上述べたように、請求項１に係る発明では、力センサにて検出されたトルク信号を駆動部の指令トルクと比較することで、力センサにて検出されたトルク信号が正しいか否かの検証をし、出力トルクの制限を可能とするという効果を奏するものとなった。

また、請求項２に係る発明では、力センサにて検出されたトルク信号をサーボモータの指令トルクとなるサーボモータ駆動電流を合成したトルク合成信号を指令トルクとすることで、力センサにて検出されたトルク信号が正しいか否かの検証をし、出力トルクの制限を可能とするという効果を奏するものとなった。

また、請求項３に係る発明では、力センサにて検出されたトルク信号を、サーボモータを駆動するサーボモータドライバのトルク指令信号とすることで、力センサにて検出されたトルク信号が正しいか否かの検証をし、出力トルクの制限を可能とするという効果を奏するものとなった。

また、請求項４に係る発明では、力センサにて検出されたトルク信号を、産業用ロボットを制御するロボット制御部が具備する内部モデル演算部において産業用ロボットの動作軌道を入力として演算により求められた指令演算トルク信号とすることで、力センサにて検出されたトルク信号が正しいか否かの検証をし、出力トルクの制限を可能とするという効果を奏するものとなった。

また、請求項５に係る発明では、多軸で構成される産業用ロボットの各軸駆動部に取り付けた力センサにて検出されたトルク信号からＸＹＺの各方向にトルク信号を合成し、これらＸＹＺの各方向のトルク信号のいずれかが出力トルク規定値を超えた場合、あるいはＸＹＺ方向のトルク信号を合成したトルク信号が出力トルク規定値を超えた場合に、駆動回路を遮断することで、出力トルクの制限を可能とするという効果を奏するものとなった。

また、請求項６に係る発明では、多軸で構成される産業用ロボットの各軸駆動部に取り付けた力センサにて検出されたトルク信号から産業用ロボットの姿勢保持に必要なトルクを差し引いた後、ＸＹＺの各方向にトルク信号を合成し、これらＸＹＺの各方向のトルク信号のいずれかが出力トルク規定値を超えた場合、あるいはＸＹＺ方向のトルク信号を合成したトルク信号が出力トルク規定値を超えた場合に、駆動回路を遮断することで、より正確に出力トルクの制限を可能とするという効果を奏するものとなった。

請求項７に係る発明では、力センサにて検出されたトルク信号から合成したＸＹＺ方向のトルク値が出力トルク規定値を超えた場合に駆動回路を遮断すると同時に、力センサにて検出されたトルク信号が正しいか否かを指令トルク信号と比較することで確認することにより、より信頼性の高い出力トルクの制限を可能にするという効果を奏するものとなった。

請求項８に係る発明では、力センサにて検出されたトルク信号を位置検出器にて検出された位置検出信号と一緒にシリアル転送する位置検出器の信号伝送回路とすることで、省配線を実現するとともに、位置検出器にて検出された位置検出信号と力センサにて検出されたトルク信号との同時性を確保できるという効果を奏するものとなった。

請求項９に係る発明では、位置検出器にて検出された位置検出信号と力センサにて検出されたトルク信号との同時性を確保しながら、より正確かつ信頼性高く出力トルクの制限を可能にするという効果を奏するものとなった。

本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。各図面において、図１は出力トルクの制限回路部、図２はサーボモータ駆動電流を合成するトルク合成回路部、図３はサーボモータを駆動するサーボモータドライバのトルク指令信号部、図４はロボット制御部の内部モデル演算部、図５は力センサの信号からＸＹＺ各方向のトルク信号を合成する実施例を説明するために用いる３軸の垂直多関節ロボットのモデル、図６は力センサの信号をシリアル伝送する信号伝送回路部の説明図である。

図１の出力トルクの制限回路部において、比較回路１には、産業用ロボットの各軸の駆動部に取り付けられた力センサ１０にて検出されたトルク信号としての力センサ検出トルク信号と指令トルク信号とが入力となり、あらかじめ設定された許容値２の範囲にあるか否かが比較される。この比較の結果、許容値２の範囲を外れる場合には不一致検出と判断し、サーボ動力遮断信号を出力する。比較回路１はロボットの関節軸の個数分が準備され、各関節軸の不一致検出がＯＲ回路３で接続され、いずれか一つの関節軸で不一致が検出されるとサーボ動力遮断信号が出力される。

さらに、図１のＸＹＺ方向トルク合成回路４には、産業用ロボットの各駆動軸の駆動部に取り付けられた力センサ１０にて検出されたトルク信号としての力センサ検出トルク信号が入力となり、ＸＹＺ各方向のトルクに合成される。ＸＹＺ各方向のトルクはＸＹＺ方向比較回路５に入力され、このＸＹＺ方向比較回路５では、あらかじめ設定されたトルク規定値６（例えば１５０Ｎｍ）と、ＸＹＺ各方向別の値あるいはＸＹＺ方向を合成した値とが比較され、この比較の結果、トルク既定値６を超える場合にはサーボ動力遮断の信号が出力される。

ところで、垂直多関節構造のアームを有するロボットでは、アーム自体の質量や負荷の質量に働く重力に抗して姿勢を保持するための姿勢保持トルクが必要となる。この姿勢保持トルクを差し引いたトルクがアーム先端に出力されるトルクとなる。そこで、さらに図１には、力センサ１０にて検出されたトルク信号としての力センサ検出トルク信号から姿勢保持トルクを減算する減算回路７を配置し、この減算回路７からの出力がＸＹＺ方向トルク合成回路４に入力される。

このようにして、産業用ロボットの出力部に取り付けられた力センサ１０にて検出されたトルク信号としての力センサ検出トルク信号から、ＸＹＺ各方向の出力トルクを求め、この出力トルクが既定値を超えないようにするとともに、力センサ１０にて検出されたトルク信号を指令トルク信号と比較することにより、力センサ１０にて検出されたトルク信号そのものが正しいか否かを検証し、これにより回路動作の信頼性を保証するようにしている。

図２のトルク合成回路部において、サーボモータ動力線に配置された電流検出回路８ではサーボモータ９の駆動電流が検出される。そして、この電流検出回路８にて検出されたサーボモータ９の駆動電流をトルク合成回路１１において合成し、指令トルク信号を作り出す。この指令トルク信号を前述した図１の指令トルク信号の入力とする。なお、サーボモータ９の駆動電流の検出方法及び駆動電流をトルク合成する方法については、これらは既に公知であり、例えば技術文献「ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際」（総合電子出版社、１９９０年、ｐ．７４〜８１、ｐ．８６〜８７）などに記載されている。

図３はドライバ（後述する図４に示すサーボモータドライバ１３）のトルク指令部を記載する。このトルク指令についても前述した技術文献「ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際」に記載されており、公知である。このドライバ（サーボモータドライバ１３）のトルク指令信号を前述した図１の指令トルク信号の入力とする。

図４はロボット制御部１２が具備する内部モデル演算部１４の説明図である。この内部モデル演算部１４において演算した推測指令トルクをサーボモータドライバ１３に出力し、前述した図１の指令トルク信号の入力とする。なお、内部モデル演算部１４において行われる演算処理の詳細については、図５に基づいて以下に説明する。

図５は垂直多関節構造を有する３軸（関節軸が３軸あるもの）のロボットモデルを模式的に記述したものである。なお、本発明は３軸よりも多軸の６軸あるいは７軸のロボットにも順次数式を拡張することにより適用可能であるが、ここでは本発明の理解を助けるために、本発明の作用を最も効果的に説明できる３軸構造のロボットモデルを例にあげて、以下説明を行う。

この図５に示すロボットの関節軸は、ロボットの接地面に垂直な軸（Ｚ軸）回りに回転する第１軸（θ１回りの軸）、その先にＸ軸回りにＹＺ平面で回転する第２軸（θ２回りの軸）、アーム長Ｌ２だけ隔たった位置に同じくＹＺ平面で回転する第３軸（θ３回りの軸）であり、さらにアーム長Ｌ３だけ隔たった位置に負荷ＷＬが取り付けられている。この３軸の構成により、ＸＹＺの空間位置に負荷ＷＬを移動することができる。

第２軸（θ２回りの軸）及び第３軸（θ３回りの軸）のアームには、自身の質量Ｗ２及びＷ３が、それぞれ図５に図示するように、Ｌ２１及びＬ３１の距離の位置を重心位置として配置されている。なお、第１軸は接地面に垂直な軸の回りに回転するため重力による姿勢保持トルクは必要とされないが、第２軸は自身の質量Ｗ２に加え第３軸の質量Ｗ３と負荷の質量ＷＬを保持するための姿勢保持トルクが必要となるので、第２軸の出力トルクはこれらの姿勢保持トルクを差し引いたトルクとなる。また、第３軸は、自身の質量Ｗ３と負荷の質量ＷＬとを保持するための姿勢保持トルクが必要となるので、第３軸の出力トルクはこれらの姿勢保持トルクを差し引いたトルクとなる。

ここで、各関節軸の角度位置をそれぞれラジアン単位でθ１、θ２、θ３とする。また、θ２及びθ３については、接地面に平行な線となる角度で表記する。さらに、数式を短く表記するため、Ｃｏｓθ１をＣ１、Ｓｉｎθ３をＳ３のように簡易表記する。

まず、図５の負荷ＷＬの位置（ＸＬ，ＹＬ，ＺＬ）は、それぞれ次の式（１）乃至式（３）となる。

また、各関節軸の駆動部に取り付けた力センサ１０にて検出されたトルク信号をＴ１、Ｔ２、Ｔ３と表記すると、第１軸のＸＹＺ合成トルク（Ｔ１Ｘ、Ｔ１Ｙ、Ｔ１Ｚ）は、それぞれ次の式（４）乃至式（６）となる。

また、第２軸のＸＹＺ合成トルク（Ｔ２Ｘ、Ｔ２Ｙ，Ｔ２Ｚ）は、それぞれ次の式（７）乃至式（９）となる。

また、第３軸のＸＹＺ合成トルク（Ｔ３Ｘ、Ｔ３Ｙ，Ｔ３Ｚ）は、それぞれ次の式（１０）乃至式（１２）となる。

また、第１軸から第３軸のＸＹＺ合成トルクを合成したトルク（ＴＸ，ＴＹ，ＴＺ）は、それぞれ次の式（１３）乃至式（１５）となる。

これら式（１３）乃至式（１５）により、前述した図１において、ＸＹＺのいずれかの方向について、トルク規定値６を超えるか否かをＸＹＺ方向比較回路５により比較し、超える場合にはＸＹＺ方向比較回路５はサーボ動力遮断信号を出力する。あるいは、ＸＹＺ方向のトルクを合成したトルクＴＡを次の式（１６）により演算し、このトルクＴＡがトルク規定値６を超えるか否かをＸＹＺ方向比較回路５により判定するようにしてもよい。

また、第２軸の質量重心位置（Ｘ２Ｌ、Ｙ２Ｌ、Ｚ２Ｌ）および第３軸の質量重心位置（Ｘ３Ｌ、Ｙ３Ｌ、Ｚ３Ｌ）は、前述した式（１）乃至式（３）と同様にして、それぞれ次の式（１７）乃至式（２２）となる。

また、第２軸の姿勢保持トルクＴ２Ｈは、第２軸の質量Ｗ２、第３軸の質量Ｗ３および負荷の質量ＷＬのそれぞれを保持するトルクの和となり、次の式（２３）となる。

また、第３軸の姿勢保持トルクＴ３Ｈは、第３軸の質量Ｗ３および負荷の質量ＷＬのそれぞれを保持するトルクの和となり、次の式（２４）となる。

また、図１に示す減算回路７の動作は次の通りとなる。すなわち、式（７）乃至式（９）のＴ２に換えてＴ２’＝Ｔ２−Ｔ２Ｈ、式（１０）乃至式（１２）のＴ３に換えてＴ３’＝Ｔ３−Ｔ３Ｈをそれぞれ代入することにより、力センサ１０にて検出されたトルク信号から姿勢保持トルクを差し引いた、ＸＹＺ方向の出力トルクを求めることができる。

また、第１軸乃至第３軸の各関節軸の角度を２階微分して得られる加速度をそれぞれα１、α２、α３と置くとき、各関節軸の指令演算トルクＴ１Ｅ、Ｔ２Ｅ、およびＴ３Ｅは、それぞれ次の式（２５）乃至式（２７）となる。

この式（２５）乃至式（２７）の演算を図４に示すロボット制御部１２の内部モデル演算部１４において行い、得られた指令演算トルクＴ１Ｅ、Ｔ２Ｅ、Ｔ３Ｅを図１に示す指令トルク信号として用いる。モータ駆動電流を合成した指令トルク信号やサーボモータ１３のトルク指令を用いる場合と比較して、この内部モデル演算部１４において内部モデルに基づいて演算する方法は、演算分量は増加するが駆動部に存在する粘性抵抗分に起因する誤差を除外することが可能となる。

ところで、先に記載した演算式にあるように、力センサ１０にて検出されたトルク信号からＸＹＺ方向のトルク成分を演算する際は、各関節軸の位置を基準に演算している。したがって、力センサ１０にて検出されたトルク信号と位置検出信号との同時性は演算精度を確保する上で重要である。そこで、図６に示すように、力センサ１０からのトルク信号を力センサ回路１６にて検出し、位置検出器１５からの位置検出信号を位置検出回路１７にて検出し、これらを併せて信号伝送回路１８でシリアル伝送する。これにより、配線数を減少させることができるとともに、トルク信号と位置検出信号との同時性を確実にすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、前述の実施形態では、本発明の内容をより具体的に説明するために垂直多関節構造の３軸ロボットで説明したが、一般的な６軸構成のロボットや冗長軸を有する７軸構成のロボットの場合においても、前述したものと同様な考え方で適用できることはいうまでもない。また、本発明は垂直多関節構造に限定されるものでなく、直動型の軸構成や水平多関節構造のロボットに対しても、より簡単な演算式で適用可能である。

多軸構成を有する産業用ロボットの出力トルク制限回路において、出力トルクが許容値を超えた場合には動力を遮断して、出力トルクを制限することが可能となる。本発明の利用としては、例えば、作業者と産業用ロボットが一緒に作業をする場合において、ロボットの出力トルクが１５０Ｎｍ以下であれば、作業者とロボットとを安全柵で仕切る必要がなくなるので、作業者とロボットとの共存環境下での作業が可能となり、これにより作業スペースはより小さくすることが可能となる。

本発明の実施形態の一例である出力トルク制限回路の説明図である。 本発明の実施形態の一例であるサーボモータ９の駆動電流を合成して指令トルク信号を作成する制御部の説明図である。 本発明の実施形態の一例であるサーボモータドライバ１３のトルク指令を指令トルク信号とする制御部の説明図である。 本発明の実施形態の一例であるロボット制御部１２が具備する内部モデル演算部１４の説明図である。 本発明の実施形態の一例である垂直多関節構造のロボットモデルの説明図である。 本発明の実施形態の一例である力センサ１０からの信号のシリアル伝送部の説明図である。

符号の説明

１ 比較回路
２ 許容値
３ ＯＲ回路
４ ＸＹＺ方向トルク合成回路
５ ＸＹＺ方向比較回路
６ トルク規定値
７ 減算回路
８ 電流検出回路
９ サーボモータ
１０ 力センサ
１１ トルク合成回路
１２ ロボット制御部
１３ サーボモータドライバ
１４ 内部モデル演算部
１５ 位置検出器（エンコーダ）
１６ 力センサ回路
１７ 位置検出回路
１８ 信号伝送回路

Claims (9)

1. 多軸で構成される産業用ロボットにおいて、各軸駆動部に取り付けた力センサにて検出されたトルク信号と駆動部の指令トルクとがあらかじめ設定した許容値以上の不一致を検出した場合に駆動回路を遮断するようにしたことを特徴とする産業用ロボットの出力トルク制限回路。
2. 前記指令トルクが、サーボモータ駆動電流を合成したトルク合成信号であることを特徴とする請求項１に記載の産業用ロボットの出力トルク制限回路。
3. 請求項１に記載の指令トルクが、サーボモータを駆動するサーボモータドライバのトルク指令信号であることを特徴とする請求項１に記載の産業用ロボットの出力トルク制限回路。
4. 請求項１に記載の指令トルクが、産業用ロボットを制御するロボット制御部が具備する内部モデル演算部において産業用ロボットの動作軌道を入力として演算により求められた指令演算トルクであることを特徴とする請求項１に記載の産業用ロボットの出力トルク制限回路。
5. 多軸で構成される産業用ロボットの各軸駆動部に取り付けた力センサにて検出されたトルク信号からＸＹＺの各方向にトルク信号を合成し、該ＸＹＺの各方向のトルク信号のいずれかが出力トルク規定値を超えた場合、あるいはＸＹＺ方向のトルク信号を合成したトルク信号が出力トルク規定値を超えた場合に、駆動回路を遮断することを特徴とする産業用ロボットの出力トルク制限回路。
6. 力センサにて検出されたトルク信号から産業用ロボットの姿勢保持に必要なトルクを差し引いた後、これにＸＹＺの各方向のトルク信号を合成することを特徴とする請求項５に記載の産業用ロボットの出力トルク制限回路。
7. 請求項５または６に記載の出力トルク制限回路に加え、請求項１乃至４のいずれかに記載の出力トルク制限回路を有することを特徴とする産業用ロボットの出力トルク制限回路。
8. 力センサにて検出されたトルク信号を位置検出器にて検出された位置検出信号と一緒にシリアル転送することを特徴とする位置検出器の信号伝送回路。
9. 請求項８に記載の信号伝送回路から前記力センサにて検出されたトルク信号を入力することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の産業用ロボットの出力トルク制限回路。

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