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JP5617437B2 - Industrial equipment rotary joint control device - Google Patents

Industrial equipment rotary joint control device Download PDF

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JP5617437B2
JP5617437B2 JP2010190348A JP2010190348A JP5617437B2 JP 5617437 B2 JP5617437 B2 JP 5617437B2 JP 2010190348 A JP2010190348 A JP 2010190348A JP 2010190348 A JP2010190348 A JP 2010190348A JP 5617437 B2 JP5617437 B2 JP 5617437B2
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明 青木
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Description

本発明は、産業用ロボットのアームに関する技術であり、特にアームの駆動制御に関する。   The present invention relates to a technique related to an arm of an industrial robot, and more particularly to arm drive control.

産業用ロボットのアームは、典型的には、電動モータで発生させた駆動トルクを変速機で変速させてアームに回転動力(回転仕事率)を伝達させることによって操作されている。アームと変速機との間の回転動力の伝達は、アームと変速機とを機械的に接続する締結構造によって伝達される。締結構造の設計仕様は、従来は、予め想定される運転範囲内において締結構造に印加される最大のトルクである最大トルクが印加される状態(ワーストケース)を想定し、電動モータの駆動トルクにトルク制限を設けることを前提として設定されていた。トルク制限は、産業用ロボットを過大なトルクから保護するとともに、締結構造等の産業用ロボットの構造の軽量化を実現している。   The arm of an industrial robot is typically operated by shifting drive torque generated by an electric motor with a transmission to transmit rotational power (rotational power) to the arm. Transmission of rotational power between the arm and the transmission is transmitted by a fastening structure that mechanically connects the arm and the transmission. Conventionally, the design specification of the fastening structure assumes a state (worst case) in which the maximum torque, which is the maximum torque applied to the fastening structure within the operation range assumed in advance, is applied to the drive torque of the electric motor. It was set on the assumption that a torque limit was provided. The torque limit protects the industrial robot from excessive torque and realizes a weight reduction of the structure of the industrial robot such as a fastening structure.

特開平6−190770号公報JP-A-6-190770

しかし、本発明者は、締結構造に最大トルクが印加される状態(ワーストケース)がアームの制動時(減速時)において発生することと、アームの駆動時(増速時)においては締結構造に加えられるトルクが制動時に比較して顕著に小さくなっていることを見出した。本知見によれば、アームの駆動時においては締結構造の構造強度や剛性といった特性を十分に活かしきれていないことになる。   However, the present inventor has found that the state in which the maximum torque is applied to the fastening structure (worst case) occurs during braking (deceleration) of the arm, and the fastening structure is used during driving of the arm (during acceleration). It has been found that the applied torque is significantly smaller than that during braking. According to this knowledge, the characteristics such as the structural strength and rigidity of the fastening structure are not fully utilized when the arm is driven.

本発明は、上述の従来の課題を解決するために創作されたものであり、変速装置を使用して回転負荷にトルクを供給するトルク制御において、駆動状態あるいは制動状態といったトルクの供給状態の検知を可能とすることを目的とする。このような検知が可能となれば、トルクの供給状態に応じたトルク制限を可能として締結構造の構造強度や剛性といった特性を十分に活かすことができるとともに、回転関節制御装置の故障探知といった他の目的にも利用することができる。   The present invention has been created to solve the above-described conventional problems, and in torque control for supplying torque to a rotational load using a transmission, detection of a torque supply state such as a driving state or a braking state is detected. It aims to make it possible. If such detection becomes possible, it is possible to limit the torque according to the supply state of the torque and to fully utilize the characteristics such as the structural strength and rigidity of the fastening structure, and to detect other problems such as failure detection of the rotary joint control device. It can also be used for purposes.

以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、必要に応じて効果等を示しつつ説明する。   Hereinafter, effective means for solving the above-described problems will be described while showing effects and the like as necessary.

手段1.回転負荷に対して回転動力を供給する回転関節装置が発生させるトルクを制御する産業機器の回転関節制御装置であって、
前記回転関節装置は、駆動トルクを発生させる駆動トルク発生部と、前記駆動トルクを入力する入力軸と所定の回転比で変速された回転数の回転動力を所定の効率で出力する出力軸とを有する変速装置と、前記出力軸から前記回転負荷に伝達されるトルクである出力側トルクを伝達するトルク伝達構造と、を有し、
前記変速装置が前記入力軸から回転動力の供給を受けて前記所定の効率で前記出力軸に回転動力を出力している伝達状態である駆動状態と、前記変速装置が前記出力軸から回転動力の供給を受けて前記所定の効率で前記入力軸に回転動力を出力している伝達状態である制動状態と、の2つの伝達状態の少なくとも一方を判定する伝達状態判定部を備え、
前記伝達状態判定部は、前記駆動トルクを前記回転比で除算した無損失トルクと前記出力側トルクとの比較に基づいて、前記出力側トルクが前記無損失トルクよりも小さい場合に前記駆動状態と判定し、前記出力側トルクが前記無損失トルクよりも大きい場合に前記制動状態と判定し、
前記出力側トルクは、前記入力軸の回転加速度と、前記回転比と、前記回転負荷の慣性モーメントとの積を使用して算出されることを特徴とする回転関節制御装置。
Means 1. A rotary joint control device for industrial equipment that controls torque generated by a rotary joint device that supplies rotational power to a rotational load,
The rotary joint device includes a drive torque generating unit that generates a drive torque, an input shaft that inputs the drive torque, and an output shaft that outputs the rotational power of the rotational speed shifted at a predetermined rotation ratio with a predetermined efficiency. A transmission having a torque transmission structure for transmitting an output side torque that is a torque transmitted from the output shaft to the rotational load;
A driving state in which the transmission is supplied with rotational power from the input shaft and outputs the rotational power to the output shaft at the predetermined efficiency; and the transmission is configured to transmit rotational power from the output shaft. A transmission state determination unit that determines at least one of two transmission states: a braking state that is a transmission state that receives supply and outputs rotational power to the input shaft at the predetermined efficiency;
The transmission state determination unit, based on a comparison between the lossless torque obtained by dividing the drive torque by the rotation ratio and the output side torque, when the output side torque is smaller than the lossless torque, And when the output side torque is larger than the lossless torque, the braking state is determined,
The output-side torque is calculated using a product of a rotation acceleration of the input shaft, the rotation ratio, and an inertia moment of the rotation load.

手段1は、出力側トルクと無損失トルクと比較することによって、回転関節装置が回転負荷を駆動されている駆動状態と、回転関節装置が回転負荷を制動している制動状態(ブレーキ状態)とが判別される。出力側トルクは、入力軸の回転加速度と回転比と回転負荷の慣性モーメントとの積を使用して算出され、無損失トルクは、駆動トルク発生部が発生させる駆動トルクを回転比で除算して得ることができるので、出力側トルクを計測するためのセンサを出力軸に設ける必要が無く、簡易な実装を実現することができる。これにより、駆動状態と制動状態(ブレーキ状態)とが簡易に判別可能なので、制御対象の状態を正確に検知して回転関節制御装置の故障探知や制御性能の向上に利用することができる。なお、判定内容は、駆動状態と制動状態のいずれか一方あるいは駆動状態と制動状態の双方のいずれであってもよい。   The means 1 compares the output-side torque and the lossless torque, so that the rotational joint device is driving the rotational load, and the braking state (brake state) in which the rotational joint device is braking the rotational load. Is determined. The output side torque is calculated using the product of the rotation acceleration and rotation ratio of the input shaft and the inertial moment of the rotation load, and the lossless torque is calculated by dividing the drive torque generated by the drive torque generator by the rotation ratio. Therefore, there is no need to provide a sensor for measuring the output side torque on the output shaft, and simple mounting can be realized. As a result, the driving state and the braking state (braking state) can be easily discriminated, so that the state of the controlled object can be accurately detected and used for detecting the failure of the rotary joint control device and improving the control performance. Note that the determination content may be either the driving state or the braking state, or both the driving state and the braking state.

手段2.前記回転関節装置が前記駆動状態であると判定された場合に、前記制動状態のトルク制限値である制動時トルク制限値よりも大きなトルク制限値である駆動時トルク制限値で前記駆動トルクを制限するトルク制限部を備える手段1に記載の回転関節制御装置。   Mean 2. When it is determined that the rotary joint device is in the driving state, the driving torque is limited by a driving torque limit value that is larger than a braking torque limit value that is a torque limiting value in the braking state. The rotary joint control device according to claim 1, further comprising a torque limiting unit.

手段2では、駆動状態においては制動状態よりも大きなトルク制限値で駆動トルクが制限されるので、駆動状態におけるトルク制限を緩和することができる。トルク制限の緩和は、駆動状態においては駆動トルク(実施形態ではモータのトルク)が、変速装置における損失によって減衰した状態でトルク伝達構造に伝達されることに着目して実現されているものである。駆動状態は、変速装置が入力軸から回転動力の供給を受け、所定の効率で出力軸に回転動力が出力されている状態である。これにより、回転駆動力を供給する回転関節装置の駆動トルクの出力範囲を広げることができる。回転比は、入力軸と出力軸の回転数の比であり、減速比と増速比とを含む広い意味を有している。なお、トルク制限値は、一般的にはトルク伝達構造によるトルクの伝達が許容される値として設定されている。   In the means 2, since the driving torque is limited in the driving state with a torque limit value larger than that in the braking state, the torque limitation in the driving state can be relaxed. The relaxation of the torque limitation is realized by paying attention to the fact that in the driving state, the driving torque (motor torque in the embodiment) is transmitted to the torque transmission structure while being attenuated by the loss in the transmission. . The driving state is a state in which the transmission receives supply of rotational power from the input shaft, and rotational power is output to the output shaft with a predetermined efficiency. Thereby, the output range of the driving torque of the rotary joint device that supplies the rotational driving force can be expanded. The rotation ratio is the ratio of the rotational speeds of the input shaft and the output shaft, and has a broad meaning including a reduction ratio and a speed increase ratio. The torque limit value is generally set as a value that allows the transmission of torque by the torque transmission structure.

本発明は、発明者による以下の知見に基づいて創作されたものである。駆動トルク発生部が発生させる駆動トルクのトルク制限を一定の値とすると、制動状態すなわち回転負荷が減速しつつ変速装置に回転動力を回生している状態が設計上の標定状態となる。この状態は、トルク伝達構造に仕様上の最大トルクを発生させる際において、駆動トルク発生部に発生する制動トルク(負の駆動トルク)を最小とする状態だからである。このような設計上の標定状態に基づき、駆動トルクの許容値(トルク制限)を設定すれば、予め想定された運転範囲内において、トルク伝達構造に対して設計仕様を超えるトルクが印加されないことになる。   The present invention was created based on the following findings by the inventors. If the torque limit of the driving torque generated by the driving torque generator is a constant value, the braking state, that is, the state where the rotational power is regenerated in the transmission while decelerating the rotational load becomes the design standardized state. This is because the braking torque (negative driving torque) generated in the driving torque generator is minimized when the torque transmission structure generates the maximum torque in the specification. If an allowable value (torque limit) of the drive torque is set based on the design standardized state, torque exceeding the design specification is not applied to the torque transmission structure within the operation range assumed in advance. Become.

しかしながら、発明者は、駆動状態すなわち駆動トルクが変速装置に供給され、回転負荷が増速している状態においては、駆動トルクが上述の制限値を超えてもトルク伝達構造に対して設計仕様を超えるトルクが印加されないことを見出した。変速装置の特性によって、制動状態では、トルク伝達構造のトルクに対して比較的に小さな制動トルク(負の駆動トルク)が回生されるのに対して、駆動状態では、トルク伝達構造のトルクに対して比較的に大きな駆動トルクが要求されるからである。   However, in the state where the driving state, that is, the driving torque is supplied to the transmission device and the rotational load is increased, the inventor sets the design specification for the torque transmission structure even if the driving torque exceeds the above limit value. It has been found that no torque exceeding is applied. Depending on the characteristics of the transmission, a relatively small braking torque (negative driving torque) is regenerated in the braking state relative to the torque in the torque transmission structure. This is because a relatively large driving torque is required.

変速装置の特性は、回転動力(仕事率)の供給を受ける一方、回転数を変化させて所定の効率で回転動力を出力するという伝達機能を特徴としている。この伝達機能は、双方向に働くが、損失は常に回転動力の供給先に発生するという特徴を有している。さらに、一般的に所定の効率は変速装置においてはトルクの伝達効率を意味し、回転数には損失(効率)が存在しないので、入力されたトルクに対して減殺されたトルクが出力されることを意味する。   The characteristics of the transmission are characterized by a transmission function of receiving rotational power (working power) and outputting rotational power at a predetermined efficiency by changing the rotational speed. This transmission function works in both directions, but has a characteristic that a loss always occurs at the destination of the rotational power. Furthermore, in general, the predetermined efficiency means the torque transmission efficiency in the transmission, and since there is no loss (efficiency) in the rotational speed, a torque that is reduced with respect to the input torque is output. Means.

手段3.前記駆動状態は、前記無損失トルクよりも小さく且つ前記所定の効率と前記無損失トルクの積よりも大きい値として予め設定された第1の閾値よりも、前記出力側トルクが小さい場合に判定され、
前記制動状態は、前記無損失トルクよりも大きく且つ前記所定の効率の逆数と前記無損失トルクの積よりも小さい値として予め設定された第2の閾値よりも、前記出力側トルクが大きい場合に判定される手段1又は2に記載の回転関節制御装置。
Means 3. The drive state is determined when the output side torque is smaller than a first threshold value that is smaller than the lossless torque and larger than a product of the predetermined efficiency and the lossless torque. ,
The braking state is when the output side torque is larger than a second threshold that is set in advance as a value that is larger than the lossless torque and smaller than the product of the inverse of the predetermined efficiency and the lossless torque. The rotary joint control apparatus according to means 1 or 2 to be determined.

手段3では、駆動状態は、無損失トルクよりも小さく且つ所定の効率と無損失トルクの積よりも大きい値として予め設定された第1の閾値よりも、出力側トルクが小さい場合に判定される。なお、手段1の「出力側トルクが無損失トルクよりも小さい場合に駆動状態と判定し」の意味は、所定の効率と無損失トルクの積と、無損失トルクとの間に設定された第1の閾値を基準として比較する構成も含む広い意味を有している。一方、たとえば第1の閾値を所定の効率と無損失トルクの積に近づけるほど駆動状態との判定がされにくくなるので、第1の閾値の設定は、駆動状態の判定信頼性を高めることができるといった設計自由度を提供することができる。   In the means 3, the driving state is determined when the output side torque is smaller than the first threshold value which is set in advance as a value smaller than the lossless torque and larger than the product of the predetermined efficiency and the lossless torque. . The meaning of “determine the drive state when the output side torque is smaller than the lossless torque” of the means 1 means that the first efficiency is set between the product of the predetermined efficiency and the lossless torque and the lossless torque. It has a broad meaning including a configuration in which comparison is made with a threshold value of 1 as a reference. On the other hand, for example, the closer the first threshold value is to the product of the predetermined efficiency and the lossless torque, the harder it is to determine the driving state. Therefore, the setting of the first threshold value can improve the determination reliability of the driving state. Design flexibility can be provided.

一方、制動状態は、無損失トルクよりも大きく且つ所定の効率の逆数と無損失トルクの積よりも小さい値として予め設定された第2の閾値よりも、出力側トルクが大きい場合に判定される。なお、手段1の「出力側トルクが無損失トルクよりも大きい場合に制動状態と判定し」の意味は、所定の効率の逆数と無損失トルクの積と、無損失トルクとの間に設定された第2の閾値を基準として比較する構成も含む広い意味を有している。一方、たとえば第2の閾値を所定の効率の逆数と無損失トルクの積に近づけるほど制動状態との判定がされにくくなるので、第2の閾値の設定は、制動状態の判定信頼性を高めることができるといった設計自由度を提供することができる。   On the other hand, the braking state is determined when the output side torque is larger than a second threshold that is set in advance as a value that is larger than the lossless torque and smaller than the product of the reciprocal of the predetermined efficiency and the lossless torque. . The meaning of “meaning that the braking state is determined when the output side torque is larger than the lossless torque” of the means 1 is set between the product of the reciprocal of the predetermined efficiency and the lossless torque and the lossless torque. Further, it has a broad meaning including a configuration in which the second threshold is used as a reference. On the other hand, for example, the closer the second threshold is to the product of the reciprocal of the predetermined efficiency and the lossless torque, the more difficult it is to determine the braking state. Therefore, the setting of the second threshold increases the determination reliability of the braking state. It is possible to provide design flexibility such as

手段4.前記回転負荷に対して前記駆動トルクを操作して前記回転負荷の回転加速度を計測し、前記駆動トルクと前記計測された回転加速度とに基づいて前記回転負荷の慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定部を備え、
前記伝達状態判定部は、前記推定された慣性モーメントに基づいて前記伝達状態を判定する手段1乃至3のいずれか1つに記載の回転関節制御装置。
Means 4. An inertia moment estimator that measures the rotational acceleration of the rotational load by operating the drive torque with respect to the rotational load, and estimates the inertia moment of the rotational load based on the drive torque and the measured rotational acceleration With
The rotary joint control device according to any one of means 1 to 3, wherein the transmission state determination unit determines the transmission state based on the estimated moment of inertia.

手段4では、計測された回転負荷の回転加速度と駆動トルクとに基づいて回転負荷の慣性モーメントを推定し、その推定値に基づいてトルク制限値を決定することができるので、あらゆる形態の回転関節装置に対して自動的にトルク制限値を決定することができる。これにより、本発明の簡易な実装を可能とすることができる。   The means 4 can estimate the moment of inertia of the rotational load based on the measured rotational acceleration and driving torque of the rotational load, and can determine the torque limit value based on the estimated value. A torque limit value can be automatically determined for the device. Thereby, the simple mounting of this invention can be enabled.

なお、本発明は、回転関節制御装置だけでなく、トルク制御方法やトルク制御を実現するコンピュータプログラム及びそのプログラムを格納する記録媒体等の形態で実現することもできる。   The present invention can be realized not only in a rotary joint control device but also in the form of a torque control method, a computer program for realizing torque control, a recording medium for storing the program, and the like.

実施形態のロボット装置の概要を示す正面図。The front view which shows the outline | summary of the robot apparatus of embodiment. 実施形態のロボット装置の関節部における内部構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the internal structure in the joint part of the robot apparatus of embodiment. ロボット装置の駆動制御の内容を示す機能ブロック図。The functional block diagram which shows the content of the drive control of a robot apparatus. 順伝達における駆動力の伝達状態を示す模式図と表。The schematic diagram and table | surface which show the transmission state of the driving force in forward transmission. 逆伝達における駆動力の伝達状態を示す模式図と表。The schematic diagram and table | surface which show the transmission state of the driving force in reverse transmission.

以下、本発明を垂直多関節型ロボットとして具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態のロボットは、例えば産業用ロボット装置として機械組立工場などの組立システムにて用いられる。   Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied as a vertical articulated robot will be described with reference to the drawings. The robot of this embodiment is used in an assembly system such as a machine assembly factory as an industrial robot device, for example.

(ロボット装置の構成)
図1は、実施形態のロボット装置の概要を示す正面図である。ロボット装置10は、6軸ロボットであり、回動中心軸線として第1軸線J1、第2軸線J2、第3軸線J3、第4軸線J4、第5軸線J5、および第6軸線J6を有している。本実施形態では、第1軸線J1が鉛直方向に延びるようにしてロボット装置10が床等のロボット設置箇所に設置されている。以下の説明では、図1の上下方向が鉛直方向を示すとしている。
(Robot device configuration)
FIG. 1 is a front view illustrating an outline of the robot apparatus according to the embodiment. The robot apparatus 10 is a six-axis robot, and has a first axis J1, a second axis J2, a third axis J3, a fourth axis J4, a fifth axis J5, and a sixth axis J6 as rotation center axes. Yes. In the present embodiment, the robot apparatus 10 is installed at a robot installation location such as a floor so that the first axis J1 extends in the vertical direction. In the following description, the vertical direction in FIG. 1 indicates the vertical direction.

ロボット装置10の主要な構成要素は、以下のとおりである。ロボット装置10は、床に固定される基台11と、下アーム15と、上アーム16と、手首部17と、ハンド部18と、を有している。基台11は、第1軸線J1を回動中心として相互に回動可能に連結されている固定部11Aと回動部11Bとを有している。上アーム16は、第4軸線J4を回動中心として相互に回動可能に連結されている基端側の第1上アーム16Aと先端側の第2上アーム16Bの2つのアーム部に分割されて構成されている。基端側の第1上アーム16Aは下アーム15に連結されている。先端側の第2上アーム16Bは手首部17に連結されている。   The main components of the robot apparatus 10 are as follows. The robot apparatus 10 includes a base 11 that is fixed to the floor, a lower arm 15, an upper arm 16, a wrist portion 17, and a hand portion 18. The base 11 has a fixed portion 11A and a rotating portion 11B that are connected to each other so as to be rotatable around the first axis J1. The upper arm 16 is divided into two arm portions, ie, a first upper arm 16A on the base end side and a second upper arm 16B on the distal end side that are connected to each other so as to be rotatable about the fourth axis J4. Configured. The proximal first upper arm 16 </ b> A is connected to the lower arm 15. The second upper arm 16 </ b> B on the distal end side is connected to the wrist portion 17.

ロボット装置10の各構成要素は、以下のように回動可能に連結されている。ロボット装置10は、基台11の固定部11Aで床等に固定されている。固定部11Aには、回動部11Bが第1軸線J1を回動中心として水平方向(床基準)に回動可能に連結されている。回動部11Bには、下アーム15が第2軸線J2を回動中心として垂直方向(床基準)に回動可能に連結されている。下アーム15には、上アーム16の基端側の第1上アーム16Aが第3軸線J3を回動中心として垂直方向(床基準)に回動可能に連結されている。第1上アーム16Aには、先端側の第2上アーム16Bが第4軸線J4を回動中心として回動可能に連結されている。第2上アーム16Bには、手首部17が第5軸線J5を回動中心として回動可能に連結されている。手首部17には、ハンド部18が第6軸線J6を回動中心として回動可能に連結されている。   Each component of the robot apparatus 10 is rotatably connected as follows. The robot apparatus 10 is fixed to a floor or the like by a fixing part 11 </ b> A of the base 11. A rotating part 11B is connected to the fixed part 11A so as to be rotatable in the horizontal direction (floor reference) about the first axis J1. The lower arm 15 is coupled to the rotating portion 11B so as to be rotatable in the vertical direction (floor reference) about the second axis J2. A first upper arm 16A on the base end side of the upper arm 16 is connected to the lower arm 15 so as to be rotatable in the vertical direction (floor reference) about the third axis J3. The second upper arm 16B on the distal end side is connected to the first upper arm 16A so as to be rotatable about the fourth axis J4. The wrist 17 is connected to the second upper arm 16B so as to be rotatable about the fifth axis J5. A hand portion 18 is connected to the wrist portion 17 so as to be rotatable about the sixth axis J6.

ロボット装置10の各軸線J1〜J6は、減速機構を介して各サーボモータ(図示省略)に連結されている。以下では、第2軸線J2の連結部(関節部)を例示してその詳細を説明する。   Each axis J1-J6 of the robot apparatus 10 is connected to each servo motor (not shown) via a speed reduction mechanism. Below, the connection part (joint part) of the 2nd axis line J2 is illustrated and the detail is demonstrated.

図2は、下アーム15と回動部11Bとを連結する連結部の内部構造を示す断面図である。図2は、図1のII−II線断面図に相当する。下アーム15と回動部11Bとは、下アームカバー15aの中で相互に回動可能に軸受50で連結されている。回動部11Bは、固定部カバー11Baの中で固定部11Aに回動可能に連結されている。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the internal structure of the connecting portion that connects the lower arm 15 and the rotating portion 11B. 2 corresponds to a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. The lower arm 15 and the rotating portion 11B are connected by a bearing 50 so as to be rotatable relative to each other in the lower arm cover 15a. The rotating part 11B is rotatably connected to the fixing part 11A in the fixing part cover 11Ba.

下アーム15と回動部11Bとの間の連結部は、軸受50によって回動可能な連結として構成されている。すなわち、下アーム15は、その主構造部材としてのアームフレーム41と、アームフレーム41を軸受50の内輪49に締結している複数のボルト42とを備えている。回動部11Bは、その主構造部材としての基台フレーム21と、基台フレーム21を軸受50の2つの外輪29a,29bに締結している複数のボルト24とを備えている。軸受50の外輪29a,29bと内輪49は、第2軸線J2の回りに相互に回転可能なので、下アーム15と回動部11Bとの間も相互に回転可能に機械的に接続されていることになる。   The connecting portion between the lower arm 15 and the rotating portion 11 </ b> B is configured as a connection that can be rotated by the bearing 50. That is, the lower arm 15 includes an arm frame 41 as a main structural member, and a plurality of bolts 42 that fasten the arm frame 41 to the inner ring 49 of the bearing 50. The rotating part 11 </ b> B includes a base frame 21 as its main structural member and a plurality of bolts 24 that fasten the base frame 21 to the two outer rings 29 a and 29 b of the bearing 50. Since the outer rings 29a and 29b and the inner ring 49 of the bearing 50 are rotatable relative to each other around the second axis J2, the lower arm 15 and the rotating portion 11B are also mechanically connected to each other so as to be rotatable relative to each other. become.

下アーム15と回動部11Bとの間の連結部には、ハーモニックドライブ(登録商標)と呼ばれる減速機30を介してサーボモータ51から相対的に回転駆動させるための駆動力が供給されている。減速機30は、楕円状のカムの外周にボールベアリングが組み付けられてなるウェーブジェネレータ31と、その外側に配置される薄肉カップ状のフレクスプライン(弾性歯車)32と、その外側に配置される剛体環状のサーキュラスプライン(内歯車)33とを備えている。減速機30は、サーボモータ51によってウェーブジェネレータ31を回転駆動し、サーキュラスプライン33とフレクスプライン32との間に高い減速比で回転動力を伝達させることができる。サーキュラスプライン33は、サーボモータ51と共に回動部11B側に固定されている。   The connecting portion between the lower arm 15 and the rotating portion 11B is supplied with a driving force for rotationally driving from the servo motor 51 via a speed reducer 30 called a harmonic drive (registered trademark). . The speed reducer 30 includes a wave generator 31 in which a ball bearing is assembled on the outer periphery of an elliptical cam, a thin cup-shaped flexspline (elastic gear) 32 disposed on the outside thereof, and a rigid body disposed on the outside thereof. An annular circular spline (internal gear) 33 is provided. The speed reducer 30 can drive the wave generator 31 to rotate by a servo motor 51 and transmit rotational power between the circular spline 33 and the flex spline 32 at a high reduction ratio. The circular spline 33 is fixed to the rotating part 11B side together with the servo motor 51.

トルク伝達構造は、たとえば回動部11Bを固定基準として下アーム15にトルクを伝達構造として把握すると以下のように構成されている。フレクスプライン32には、下アーム15のアームフレーム41に接続されているので、減速機30は、下アーム15に回転動力を伝達することができる。フレクスプライン32とアームフレーム41の間の接続は、軸受50の内輪49と、内輪49とフレクスプライン32とを締結する取付部材45及び複数のボルト44と、内輪49とアームフレーム41とを締結する複数のボルト42とによって構成されている。   The torque transmission structure is configured as follows, for example, when the torque is transmitted to the lower arm 15 with the rotating portion 11B as a fixed reference. Since the flexspline 32 is connected to the arm frame 41 of the lower arm 15, the reduction gear 30 can transmit rotational power to the lower arm 15. The connection between the flexspline 32 and the arm frame 41 is to fasten the inner ring 49 of the bearing 50, the mounting member 45 that fastens the inner ring 49 and the flexspline 32, a plurality of bolts 44, and the inner ring 49 and the arm frame 41. It comprises a plurality of bolts 42.

一方、固定基準としての回動部11Bは、フレクスプライン32から下アーム15に伝達されるトルクの反作用としてサーキュラスプライン33が受けるトルクを受けるトルク伝達構造として機能している。サーキュラスプライン33には、回動部11Bの基台フレーム21に接続されているので、減速機30は、回動部11Bに回転動力を伝達することができる。サーキュラスプライン33と基台フレーム21の間の接続は、環状の形状を有する金属製のモータプレート23と、基台フレーム21に対してモータプレート23を締結している複数のボルト22と、モータプレート23に対してサーキュラスプライン33を締結している複数組のスタッドボルト25及びナット26と、によって構成されている。   On the other hand, the rotation part 11B as a fixed reference functions as a torque transmission structure that receives torque received by the circular spline 33 as a reaction of torque transmitted from the flexspline 32 to the lower arm 15. Since the circular spline 33 is connected to the base frame 21 of the rotating part 11B, the speed reducer 30 can transmit rotational power to the rotating part 11B. The connection between the circular spline 33 and the base frame 21 includes a metal motor plate 23 having an annular shape, a plurality of bolts 22 fastening the motor plate 23 to the base frame 21, and a motor plate. And a plurality of sets of stud bolts 25 and nuts 26 that fasten a circular spline 33 to 23.

一方、サーボモータ51の固定は、モータ支持台52への締結と、モータプレート23の段差形状がモータプレート23の孔に嵌合するとともに、減速機30のサーキュラスプライン33とサーボモータ51とでモータプレート23を挟むように締結構造28で締結することによって実現されている。サーキュラスプライン33は、スタッドボルト25とナット26とによってモータプレート23に締結されている。   On the other hand, the servo motor 51 is fixed to the motor support base 52, the stepped shape of the motor plate 23 is fitted into the hole of the motor plate 23, the circular spline 33 of the speed reducer 30 and the servo motor 51 This is realized by fastening with a fastening structure 28 so as to sandwich the plate 23. The circular spline 33 is fastened to the motor plate 23 by stud bolts 25 and nuts 26.

このように、下アーム15と回動部11Bは、回動可能に接続されているとともに、サーボモータ51の駆動力が減速機30で減速されて高トルクとなった回転動力が伝達可能な構成とされている。減速比は、サーボモータ51の回転駆動力とサーキュラスプライン33とフレクスプライン32との間に発生する回転動力の回転比である。   As described above, the lower arm 15 and the rotating portion 11B are connected so as to be rotatable, and can transmit the rotational power in which the driving force of the servo motor 51 is reduced by the speed reducer 30 to become high torque. It is said that. The reduction ratio is a rotation ratio of the rotational driving force of the servo motor 51 and the rotational power generated between the circular spline 33 and the flex spline 32.

(ロボット装置の制御)
図3は、ロボット装置10が有する第2軸線J2の回りの駆動制御の内容を示す機能ブロック図である。制御の目的は、下アーム15と回動部11Bとの間に発生する駆動トルクを下アーム15と回動部11Bの連結部に許容されている許容トルク(トルク制限)を超えない範囲で、外部から与えられた目標値θに相対角度を近づけることである。相対角度は、下アーム15と回動部11Bの間の角度である。許容トルクは、下アーム15と回動部11Bの連結部の機械的な仕様として設定されているトルクである。換言すれば、下アーム15と回動部11Bの連結部は、許容トルクを想定して機械的な強度や剛性が設定されている。
(Control of robotic devices)
FIG. 3 is a functional block diagram showing the content of drive control around the second axis J2 of the robot apparatus 10. The purpose of the control is within a range in which the driving torque generated between the lower arm 15 and the rotating part 11B does not exceed the allowable torque (torque limit) allowed for the connecting part of the lower arm 15 and the rotating part 11B. This is to bring the relative angle close to the target value θ given from the outside. The relative angle is an angle between the lower arm 15 and the rotating portion 11B. The allowable torque is a torque set as a mechanical specification of the connecting portion between the lower arm 15 and the rotating portion 11B. In other words, the connecting portion between the lower arm 15 and the rotating portion 11B is set with mechanical strength and rigidity assuming an allowable torque.

制御対象は、慣性質量を有し、重力に起因するトルクを発生させる出力段83と、出力段83に対して減速機30からの高駆動トルク(低回転数)を伝達する締結部材Bと、減速機30に低駆動トルク(高回転数)を伝達する締結部材Aと、締結部材Aに低駆動トルクを供給するモータ51と、を含んでいる。締結部材Bの高駆動トルクは、床に固定されている回動部11Bと自由端としての下アーム15との間の連結部に働くトルクとして減速機30から供給される。   The control target has an inertial mass, an output stage 83 that generates torque due to gravity, and a fastening member B that transmits a high driving torque (low rotational speed) from the speed reducer 30 to the output stage 83; A fastening member A that transmits a low driving torque (high rotational speed) to the speed reducer 30 and a motor 51 that supplies the fastening member A with a low driving torque are included. The high driving torque of the fastening member B is supplied from the speed reducer 30 as a torque that acts on a connecting portion between the rotating portion 11B fixed to the floor and the lower arm 15 as a free end.

出力段83は、下アーム15と、上アーム16と、手首部17と、ハンド部18と、を含んでいる。出力段83は、ハンド部18が物体(図示省略)を掴んでいる場合には、その物体も含むことになる。出力段83は、第2軸線J2の回りの回転駆動によっては慣性モーメントが変化せず、重力に起因するトルクが変化するという物理的な性質を有している。ただし、出力段83の慣性モーメントは、他の軸J1,J3,J4,J5,J6の回動角度によって変化する。出力段83の第2軸線J2の回りのモーメントアームが変動するからである。   The output stage 83 includes a lower arm 15, an upper arm 16, a wrist portion 17, and a hand portion 18. When the hand unit 18 holds an object (not shown), the output stage 83 includes the object. The output stage 83 has a physical property that the moment of inertia does not change by the rotational driving around the second axis J2, and the torque caused by gravity changes. However, the moment of inertia of the output stage 83 varies depending on the rotation angle of the other axes J1, J3, J4, J5, and J6. This is because the moment arm around the second axis J2 of the output stage 83 varies.

締結部材Bは、フレクスプライン32とアームフレーム41の間を接続する構造として、軸受50の内輪49と、内輪49とフレクスプライン32とを締結する取付部材45及び複数のボルト44と、内輪49とアームフレーム41とを締結する複数のボルト42とを備えている。   The fastening member B has a structure for connecting the flexspline 32 and the arm frame 41, an inner ring 49 of the bearing 50, a mounting member 45 for fastening the inner ring 49 and the flexspline 32, a plurality of bolts 44, and an inner ring 49. A plurality of bolts 42 for fastening the arm frame 41 are provided.

締結部材Aは、減速機30のウェーブジェネレータ31とサーボモータ51の回転軸(図示省略)とを締結しているボルトを有する締結構造28と、サーボモータ51を基台フレーム21に締結するモータプレート23とを含んでいる。なお、モータプレート23は、締結部材Aと締結部材Bの双方の機能を兼ねた構造部材として構成されていることになる。   The fastening member A includes a fastening structure 28 having bolts fastening the wave generator 31 of the speed reducer 30 and the rotation shaft (not shown) of the servo motor 51, and a motor plate that fastens the servo motor 51 to the base frame 21. 23. The motor plate 23 is configured as a structural member that functions as both the fastening member A and the fastening member B.

ただし、サーボモータ51の回転は、ロボット装置10では、一般に大きな減速比(たとえば1/100)で減速されるので、締結部材Aに比較して締結部材Bに印加されるトルクが顕著に大きいことになる。したがって、一般には締結部材Bの構造強度や剛性が連結部の構造設計の標定となるので、駆動トルクの観点からは締結部材Bについてのみ考慮すれば良いことになる。   However, since the rotation of the servo motor 51 is generally decelerated at a large reduction ratio (for example, 1/100) in the robot apparatus 10, the torque applied to the fastening member B is significantly larger than that of the fastening member A. become. Therefore, in general, the structural strength and rigidity of the fastening member B become the standard for the structural design of the connecting portion, and therefore, only the fastening member B needs to be considered from the viewpoint of driving torque.

モータ51は、直流サーボモータであり、電源装置72からの電力供給に応じて駆動トルクを発生させる。電流指令値Tiは、制御部71から与えられる。制御部71は、電源装置72からモータ51に供給されている電流値とモータ51の回転数に基づいて予め設定されている制御則に基づいて電流指令値Tiを決定する。一方、モータ51は、出力段83の制動時(ブレーキ時)においては回生電力を発生させる。回生電力は、たとえば電源装置72の回生抵抗(図示省略)で処理される。モータ51に供給されている電流値は、電機子電流としてモータ51の駆動トルクに比例する値として利用可能である。電機子電流は、電源装置72が有する電流センサ(図示省略)を有している。   The motor 51 is a DC servo motor and generates drive torque in response to power supply from the power supply device 72. The current command value Ti is given from the control unit 71. The control unit 71 determines the current command value Ti based on a control law set in advance based on the current value supplied from the power supply device 72 to the motor 51 and the rotational speed of the motor 51. On the other hand, the motor 51 generates regenerative power when the output stage 83 is braked (during braking). The regenerative power is processed by a regenerative resistor (not shown) of the power supply device 72, for example. The current value supplied to the motor 51 can be used as an armature current that is proportional to the drive torque of the motor 51. The armature current has a current sensor (not shown) included in the power supply device 72.

制御部71は、モータ51に供給されている電流値とモータ51の駆動トルクとの対応関係を表す電流/トルク値変換テーブルデータ(図示省略)を有している。伝達状態判定部71aは、電流/トルク値変換テーブルデータと電流センサで計測された電流値とに基づいて駆動トルクを推定することができる。   The control unit 71 has current / torque value conversion table data (not shown) representing the correspondence between the current value supplied to the motor 51 and the driving torque of the motor 51. The transmission state determination unit 71a can estimate the drive torque based on the current / torque value conversion table data and the current value measured by the current sensor.

図4は、モータ51が発生させる駆動トルクによって出力段83を回転駆動させる際の回転動力の伝達状態を示す説明図である。図4(a)は、減速機30に着目した回転動力の伝達状態を示す概念図である。図4(b)は、締結部材Aに印加される駆動トルクと、締結部材Bに印加される出力側トルクと、減速機30によるトルクの伝達状態を示す表T1である。この伝達状態では、モータ51は、減速機30に約1000Wの回転動力(仕事率)を供給している。モータ51から減速機30を介して出力段83に回転動力を伝達している状態は順伝達状態と呼ばれる。順伝達状態は駆動状態とも呼ばれる。なお、説明を分りやすくするために、図4及び図5では、円周率πを3として計算している。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state of transmission of rotational power when the output stage 83 is rotationally driven by the driving torque generated by the motor 51. FIG. 4A is a conceptual diagram showing a state of transmission of rotational power focusing on the reduction gear 30. FIG. 4B is a table T <b> 1 showing a driving torque applied to the fastening member A, an output side torque applied to the fastening member B, and a torque transmission state by the speed reducer 30. In this transmission state, the motor 51 supplies about 1000 W of rotational power (power) to the reduction gear 30. A state where rotational power is transmitted from the motor 51 to the output stage 83 via the speed reducer 30 is called a forward transmission state. The forward transmission state is also called a driving state. In order to make the explanation easy to understand, in FIG. 4 and FIG.

この伝達状態では、たとえば表T1に示されるように、減速機30は、モータ51から締結部材Aを介して1000rpmの回転数で10Nmのトルクの回転動力(約1000W)が供給されている。一方、減速機30は、出力段83に対して締結部材Bを介して10rpmの回転数で700Nmのトルクの回転動力(約700W)を供給している。換言すれば、減速機30には、10rpmの回転数で700Nmのトルクの回転動力が供給されていることになる。   In this transmission state, for example, as shown in Table T1, the reduction gear 30 is supplied with rotational power (about 1000 W) with a torque of 10 Nm at a rotational speed of 1000 rpm from the motor 51 via the fastening member A. On the other hand, the speed reducer 30 supplies a rotational power (about 700 W) with a torque of 700 Nm to the output stage 83 via the fastening member B at a rotational speed of 10 rpm. In other words, the reduction gear 30 is supplied with rotational power of 700 Nm of torque at a rotational speed of 10 rpm.

減速機30の効率は、たとえばハーモニックドライブ(登録商標)のように歯車を利用した滑りを伴わない機構においては回転数の損失が発生しないので、トルク損失に一致することになる。したがって、効率70%の減速機30では、減速比に基づいて増大したトルクに対する比となる。すなわち、1/100の減速比で理論上のトルクが100倍に増大して1000Nmのトルクとなった場合には、その70%の700Nmが出力されるトルクとなる。   The efficiency of the speed reducer 30 coincides with the torque loss because a loss of the rotational speed does not occur in a mechanism that does not involve a slip such as a harmonic drive (registered trademark) using a gear. Therefore, in the reduction gear 30 with an efficiency of 70%, the ratio to the torque increased based on the reduction ratio is obtained. That is, when the theoretical torque is increased 100 times with a reduction ratio of 1/100 to a torque of 1000 Nm, 70% of 700 Nm is output.

換言すれば、減速機30の特性は、回転動力(仕事率)の供給を受ける一方、回転数を変化させて所定の効率で回転動力を出力するという伝達機能を特徴としている。この伝達機能は、双方向に働くが、損失は常に出力側(変速装置が回転動力を供給する側)に発生するという特徴を有している。さらに、所定の効率は変速装置においてはトルクの伝達効率を意味し、回転数には損失(効率)が存在しないので、入力されたトルクに対して減殺されたトルクが出力されることを意味するのである。   In other words, the characteristics of the speed reducer 30 are characterized by a transmission function of receiving rotational power (power) and outputting rotational power at a predetermined efficiency by changing the rotational speed. This transmission function works in both directions, but has a characteristic that loss always occurs on the output side (the side on which the transmission supplies rotational power). Furthermore, the predetermined efficiency means the torque transmission efficiency in the transmission, and since there is no loss (efficiency) in the rotational speed, it means that a torque that is reduced with respect to the input torque is output. It is.

制御部71は、順伝達時においては締結部材Bの出力側トルクが許容トルク(トルク制限)を超えないようにモータ51の駆動トルクを操作する。モータ51の駆動トルクは、たとえばモータ51の電機子電流に基づいて計測することができるので、この例では、たとえば締結部材Bの許容トルクが700Nmであると仮定すると、モータ51の駆動トルクが10Nmを超えないように制御すればよいことになる。すなわち、電流指令値Tiは、モータ51が10Nmのトルクを発生させる電流値Tinを上限として設定すればよいことになる。このように、順伝達状態(駆動状態)では、電流値Tinを上限として設定すれば締結部材Bの伝達トルクが700Nmを超えないように制御できることになる。   The controller 71 operates the drive torque of the motor 51 so that the output side torque of the fastening member B does not exceed the allowable torque (torque limit) during forward transmission. Since the driving torque of the motor 51 can be measured based on the armature current of the motor 51, for example, in this example, assuming that the allowable torque of the fastening member B is 700 Nm, the driving torque of the motor 51 is 10 Nm. It is sufficient to control so as not to exceed. That is, the current command value Ti may be set with the upper limit of the current value Tin that causes the motor 51 to generate a torque of 10 Nm. Thus, in the forward transmission state (driving state), if the current value Tin is set as the upper limit, the transmission torque of the fastening member B can be controlled so as not to exceed 700 Nm.

図5は、出力段83の制動(ブレーキ)が発生させる制動トルクによってモータ51を回転させる際の制動動力の伝達状態を示す説明図である。この伝達状態では、出力段83は、たとえば表T2に示されるように、減速機30に1500Wの回転動力(仕事率)を供給し、減速機30からモータ51には1000Wの動力が回生されている。このように、出力段83から減速機30を介してモータ51に制動トルクを伝達している状態は逆伝達状態と呼ばれる。逆伝達状態は制動状態とも呼ばれる。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing a transmission state of the braking power when the motor 51 is rotated by the braking torque generated by the braking (braking) of the output stage 83. In this transmission state, as shown in Table T2, for example, the output stage 83 supplies 1500 W of rotational power (power) to the speed reducer 30, and 1000 W of power is regenerated from the speed reducer 30 to the motor 51. Yes. As described above, the state in which the braking torque is transmitted from the output stage 83 to the motor 51 via the speed reducer 30 is called a reverse transmission state. The reverse transmission state is also called a braking state.

制御部71は、逆伝達時においては締結部材Bの出力側トルクが許容トルクを超えないようにモータ51の駆動トルク(制動トルク)を操作する。この例では、たとえば表T3に示されるように、たとえば締結部材Bの許容トルクが700Nmであると仮定すると、モータ51の駆動トルク(制動トルク)が4.9Nmを超えないように制御しなければならないことになる。すなわち、電流指令値Tiは、逆伝達状態を想定すると、モータ51が4.9Nmの駆動トルク(制動トルク)を発生させる電流値Tirを上限として設定しなければならないことになる。このように、逆伝達状態(制動状態)では、過度に低い電流値Tirを上限として設定しなければ締結部材Bの伝達トルクが700Nmを超えてしまうことになる。   The controller 71 operates the driving torque (braking torque) of the motor 51 so that the output side torque of the fastening member B does not exceed the allowable torque during reverse transmission. In this example, as shown in Table T3, for example, assuming that the allowable torque of the fastening member B is 700 Nm, the driving torque (braking torque) of the motor 51 must be controlled so as not to exceed 4.9 Nm. It will not be. In other words, the current command value Ti must be set with the current value Tir that causes the motor 51 to generate a driving torque (braking torque) of 4.9 Nm as an upper limit, assuming a reverse transmission state. Thus, in the reverse transmission state (braking state), unless the excessively low current value Tir is set as the upper limit, the transmission torque of the fastening member B will exceed 700 Nm.

このように、順伝達状態と逆伝達状態の双方を想定して、電流指令値Tiの上限を設定すると、モータ51の駆動トルク(制動トルク)が4.9Nmを超えないように制御しなければならないことになる。順伝達状態では、トルク制限の標定となっている締結部材Bの出力側トルクに損失が発生しているのに対して、逆伝達状態では、モータ51が受ける駆動トルク(制動トルク)に損失が発生しているからである。これにより、順伝達状態においては、モータ51のトルクが10Nmに達しても締結部材Bの十分な強度や剛性(締結部材Bでは700Nmに相当)を有しているにも拘わらず、4.9Nm(締結部材Bでは約350Nmに相当)が上限となってしまうことが本発明者によって見出された。   As described above, if the upper limit of the current command value Ti is set assuming both the forward transmission state and the reverse transmission state, the driving torque (braking torque) of the motor 51 must be controlled so as not to exceed 4.9 Nm. It will not be. In the forward transmission state, a loss is generated in the output side torque of the fastening member B, which is the standard for torque limitation, whereas in the reverse transmission state, the drive torque (braking torque) received by the motor 51 is lost. It is because it has occurred. Thus, in the forward transmission state, even if the torque of the motor 51 reaches 10 Nm, the fastening member B has sufficient strength and rigidity (equivalent to 700 Nm for the fastening member B), but 4.9 Nm. It has been found by the present inventor that the upper limit (corresponding to about 350 Nm for the fastening member B) is the upper limit.

このような問題を解決するためには、締結部材Bにトルクセンサを装備することが通例であるが、トルクセンサの装備は、ロボット装置10の構成を複雑にし、大型化やコスト上昇の要因となってしまうという問題を有している。しかし、本発明者は、新たなトルクセンサを装備することなく、制御部71の制御則の変更のみ、すなわちソフトウェアの書き換えだけで、上述の問題を解決する方法を新規に創作することに成功した。   In order to solve such a problem, it is usual to equip the fastening member B with a torque sensor. However, the provision of the torque sensor complicates the configuration of the robot apparatus 10 and causes an increase in size and cost. Has the problem of becoming. However, the present inventor has succeeded in creating a new method for solving the above-described problem only by changing the control law of the control unit 71, that is, only by rewriting software, without providing a new torque sensor. .

(伝達状態の判定方法)
以下に示される判定式F1,F2は、伝達状態の判定方法に使用される。

Figure 0005617437
順伝達判定式F1は、順伝達状態であることを判定するために使用される判定式である。順伝達判定式F1の左項は、減速機30が無損失(効率100%)で作動すると仮定したときの無損失トルクの大きさ(絶対値)を算出する式である。無損失トルクは、たとえば1/100の減速比では、モータトルクの100倍のトルクとなる。順伝達判定式F1の右項は、出力段トルクの大きさの推定値である。出力段トルクの大きさは、出力段83の慣性質量Iとモータ51の回転加速度αと減速比の逆数とを使用して、その積として算出される。出力段83の慣性質量Iは、予め取得しておいた値である。 (Method of judging the transmission status)
Determination formulas F1 and F2 shown below are used in a transmission state determination method.
Figure 0005617437
The forward transmission determination formula F1 is a determination formula used to determine that the forward transmission state is set. The left term of the forward transmission determination formula F1 is an equation for calculating the magnitude (absolute value) of the lossless torque when it is assumed that the speed reducer 30 operates without loss (efficiency 100%). The lossless torque is, for example, 100 times the motor torque at a reduction ratio of 1/100. The right term of the forward transmission determination formula F1 is an estimated value of the magnitude of the output stage torque. The magnitude of the output stage torque is calculated as a product of the inertia mass I of the output stage 83, the rotational acceleration α of the motor 51, and the reciprocal of the reduction ratio. The inertia mass I of the output stage 83 is a value acquired in advance.

順伝達判定式F1は、順伝達状態では、出力段トルクの側(締結部材Bの側)に損失が発生していることを利用して判定している。具体的には、たとえば1/100の減速比の減速機30を使用するロボット装置10において、モータトルクが10Nmであれば、無損失トルクの大きさは、1000Nmと算出される。一方、出力段トルクの大きさは、減速機30の損失によって、700Nmに近い値となる。出力段トルクの値は、モータ51の回転数の微分値を使用して制御部71の伝達状態判定部71aによって算出される(図4(b)参照)。   The forward transmission determination formula F1 is determined using the fact that a loss occurs on the output stage torque side (fastening member B side) in the forward transmission state. Specifically, for example, in the robot apparatus 10 using the speed reducer 30 with a reduction ratio of 1/100, if the motor torque is 10 Nm, the magnitude of the lossless torque is calculated as 1000 Nm. On the other hand, the magnitude of the output stage torque becomes a value close to 700 Nm due to the loss of the speed reducer 30. The value of the output stage torque is calculated by the transmission state determination unit 71a of the control unit 71 using the differential value of the rotation speed of the motor 51 (see FIG. 4B).

このように、順伝達判定式F1は、順伝達状態においては、左項側が損失のない無損失トルクとしての出力段トルクとなる一方、右項側が損失を含む現実の出力段トルクとなることを判定原理として利用している。この判定原理によれば、表T1の例では、左項(1000Nm)>右項(700Nm)であれば順伝達状態と判定することができる。   Thus, in the forward transmission state, the forward transmission determination formula F1 indicates that in the forward transmission state, the left term side is the output stage torque as lossless torque without loss, while the right term side is the actual output stage torque including loss. It is used as a judgment principle. According to this determination principle, in the example of Table T1, if the left term (1000 Nm)> the right term (700 Nm), the forward transmission state can be determined.

一方、逆伝達判定式F2は、逆伝達状態では、モータトルクの側(締結部材Aの側)に損失が発生していることを利用して判定する。具体的には、たとえば1/100の減速比の減速機30を使用するロボット装置10において、計測されたモータトルクの大きさが4.9Nmである場合には、出力段における無損失トルクの大きさは490Nmとなる。しかし、逆伝達状態では、計測されたモータトルクは、出力段から70%の効率で伝達されたものなので、現実の出力段トルクは、700Nmとなる。   On the other hand, the reverse transmission determination formula F2 is determined using the fact that a loss has occurred on the motor torque side (fastening member A side) in the reverse transmission state. Specifically, for example, in the robot apparatus 10 that uses the speed reducer 30 with a reduction ratio of 1/100, when the measured motor torque is 4.9 Nm, the lossless torque is large in the output stage. The height is 490 Nm. However, in the reverse transmission state, the measured motor torque is transmitted with an efficiency of 70% from the output stage, so the actual output stage torque is 700 Nm.

このように、逆伝達判定式F2は、逆伝達状態においては、左項側が損失を含む現実のモータトルクとなる一方、右項側が損失のない無損失トルクとしての出力段トルクとなることを判定原理として利用している。この判定原理によれば、表T3の例では、左項(490Nm)<右項(700Nm)であれば逆伝達状態と判定することができる。   Thus, the reverse transmission determination formula F2 determines that in the reverse transmission state, the left term side is the actual motor torque including loss, while the right term side is the output stage torque as lossless torque without loss. It is used as a principle. According to this determination principle, in the example of Table T3, if the left term (490 Nm) <the right term (700 Nm), the reverse transmission state can be determined.

判定式F1は、さらに信頼性の高い判定とするために、左項に1以下の所定の係数(たとえば効率が0.7のときには、その効率以上の値(たとえば0.8)で1.0より小さな値)を乗じて設定された閾値(本閾値は第1の閾値とも呼ばれる。)を用いて判定するようにしてもよい。本明細書では、「無損失トルク」とは、減速機30が無損失で回転動力を伝達したことを想定してモータトルクから算出された出力段側のトルクを意味している。第1の閾値を所定の効率と無損失トルクの積に近づけるほど駆動状態との判定がされにくくなるので、第1の閾値の設定は、駆動状態の判定信頼性を高めることができるといった設計自由度を提供することができる。   In order to make the determination formula F1 more reliable, the left term has a predetermined coefficient of 1 or less (for example, when the efficiency is 0.7, a value that is equal to or higher than the efficiency (for example, 0.8) is 1.0. You may make it determine using the threshold value (this threshold value is also called 1st threshold value) set by multiplying by a smaller value. In this specification, “lossless torque” means torque on the output stage side calculated from the motor torque on the assumption that the reduction gear 30 has transmitted the rotational power without loss. The closer the first threshold value is to the product of the predetermined efficiency and the lossless torque, the more difficult it is to determine the driving state. Therefore, the setting of the first threshold value allows design freedom such that the determination reliability of the driving state can be improved. Can provide the degree.

一方、判定式F2は、さらに信頼性の高い判定とするために、左項に1以上の所定の係数(たとえば効率が0.7のときには、その効率の逆数以下の値(たとえば1.3)で1.0より小さな値)を乗じて設定された閾値(本閾値は第2の閾値とも呼ばれる。)を用いて判定するようにしてもよい。第2の閾値を所定の効率の逆数と無損失トルクの積に近づけるほど制動状態との判定がされにくくなるので、第2の閾値の設定は、制動状態の判定信頼性を高めることができるといった設計自由度を提供することができる。   On the other hand, in order to make the determination formula F2 more reliable, the left term has a predetermined coefficient of 1 or more (for example, when the efficiency is 0.7, a value less than the reciprocal of the efficiency (for example, 1.3) The threshold value (this threshold value is also referred to as a second threshold value) set by multiplying by a value smaller than 1.0) may be used. The closer the second threshold value is to the product of the reciprocal of the predetermined efficiency and the lossless torque, the more difficult it is to determine the braking state. Therefore, the setting of the second threshold value can increase the determination reliability of the braking state. Design freedom can be provided.

これにより、本実施形態では、駆動状態においては制動状態よりも大きなトルク制限値で駆動トルクが制限されるので、駆動状態におけるトルク制限を緩和することができる。この結果、回転動力を供給するモータ51の駆動トルクの出力範囲が広げられることになる。   Thereby, in this embodiment, in the driving state, the driving torque is limited by a torque limit value larger than that in the braking state, so that the torque limitation in the driving state can be relaxed. As a result, the output range of the drive torque of the motor 51 that supplies rotational power is expanded.

出力段83の慣性質量Iは、新規開発のロボットにおいては既知の値として利用可能であると考えられるが、たとえば製造後(運用中も含まれる。)のロボットに関しては、自動的な計測機能が利用可能である。   The inertial mass I of the output stage 83 is considered to be available as a known value in a newly developed robot. For example, an automatic measurement function is provided for a robot after manufacture (including during operation). Is available.

具体的には、たとえば予め想定されている運転範囲(各軸線J1〜J6の角度の範囲)において、短パルス(ステップ状あるいはランプ状)の駆動トルクを与えて出力段83の回転加速度を計測すれば、その計測された回転加速度と駆動トルクの大きさとで出力段83の慣性質量Iを推定することができる。さらに、運転状態(各軸線J1〜J6の角度)において、出力段83の慣性質量Iが大きく変動する場合には、出力段83の慣性質量Iを運転状態の関数として利用することもできる。   Specifically, for example, in a presumed driving range (range of angles of the axes J1 to J6), a short pulse (stepped or ramped) driving torque is applied to measure the rotational acceleration of the output stage 83. For example, the inertial mass I of the output stage 83 can be estimated from the measured rotational acceleration and the magnitude of the driving torque. Further, when the inertial mass I of the output stage 83 varies greatly in the operating state (angles of the respective axes J1 to J6), the inertial mass I of the output stage 83 can be used as a function of the operating state.

さらに、伝達状態判定の検証は、たとえば以下の機能確認試験を行うことによっても簡易に実現することができる。本機能確認試験では、出力段83に軸線J2からの距離が相互に相違する複数の加速度計を装着し、あるいは軸線J2の近傍にジャイロを装着して出力段83の回転状態を実測可能な装備状態として行うこともできる。   Further, the verification of the transmission state determination can be easily realized, for example, by performing the following function confirmation test. In this function confirmation test, the output stage 83 is equipped with a plurality of accelerometers whose distances from the axis J2 are different from each other, or a gyroscope is mounted in the vicinity of the axis J2 so that the rotational state of the output stage 83 can be measured. It can also be done as a state.

この装備状態において、たとえばロボット装置10に短パルス(ステップ状あるいはランプ状)の駆動トルクを与えて静止状態から回転状態に変化させた場合(加速状態)には、出力段83の制動状態ではないことが明らかなので、駆動状態であることを前提として想定された状態量が出力段83で検出されれば適切に作動していることが確認できる。一方、たとえばロボット装置10の回転状態から静止状態に変化させた場合(減速状態)には、出力段83の制動状態であることが明らかなので、制動状態であることを前提として想定された状態量が出力段83で検出されれば適切に作動していることが確認できる。   In this equipped state, for example, when a short pulse (stepped or ramped) driving torque is applied to the robot apparatus 10 to change from a stationary state to a rotating state (accelerated state), the braking state of the output stage 83 is not established. Since it is clear that the state quantity assumed on the assumption of the driving state is detected by the output stage 83, it can be confirmed that the operation is properly performed. On the other hand, for example, when the robot apparatus 10 is changed from the rotating state to the stationary state (decelerated state), it is clear that the output stage 83 is in the braking state. Is detected at the output stage 83, it can be confirmed that it is operating properly.

このように、本機能確認試験は、本発明の一つの態様がその本来の効果を奏するように適用されていることを確認する試験として利用可能である。なお、ハンド部18が予め想定された質量体(図示省略)を掴んだ状態や離した状態を含むようにしてもよい。   Thus, this function confirmation test can be used as a test for confirming that one embodiment of the present invention is applied so as to exhibit its original effect. In addition, you may make it include the state which the hand part 18 grabbed the mass body (illustration omitted) assumed beforehand, and the separated state.

このように、本実施形態のトルク制御方法は、新製品の開発時だけでなく納入後の製品にも簡易に実装することができる。   As described above, the torque control method of the present embodiment can be easily mounted not only at the time of development of a new product but also at the product after delivery.

以上詳述した本実施形態は以下の利点を有する。   The embodiment described above has the following advantages.

本実施形態は、ロボット装置10が備える構造強度や剛性(たとえば締結部材Bの強度等)を十分に活かした運用を実現することができる。この方法は、ロボット装置10のハードウェアを一切変更することなくソフトウェアの変更だけで実装することができる。さらに、製造後の製品にも簡易に実装することができる。   In the present embodiment, it is possible to realize an operation that sufficiently utilizes the structural strength and rigidity (for example, the strength of the fastening member B) provided in the robot apparatus 10. This method can be implemented by changing the software without changing any hardware of the robot apparatus 10. Further, it can be easily mounted on a manufactured product.

(他の実施形態)
なお、実施の形態は上記した内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。
(Other embodiments)
The embodiment is not limited to the above contents, and may be implemented as follows, for example.

上記の実施形態では、駆動状態と制動状態のいずれの状態であるかを判定し、その判定結果に基づいて電流指令値の最大値を変化させているが、たとえばその判定結果を回転関節制御装置の故障探知や制御性能の向上に利用するようにしてもよい。この判定では、回転関節装置が回転負荷を駆動されている駆動状態と、回転関節装置が回転負荷を制動している制動状態(ブレーキ状態)とを判別することが可能なので、制御対象の作動状態の状態量を正確に計測することができるからである。   In the above embodiment, it is determined whether the state is the driving state or the braking state, and the maximum value of the current command value is changed based on the determination result. It may be used for failure detection and control performance improvement. In this determination, it is possible to discriminate between a driving state in which the rotary joint device is driving the rotational load and a braking state (brake state) in which the rotary joint device is braking the rotational load. This is because the state quantity can be accurately measured.

10…ロボット装置、11…基台、11A…固定部、11B…回動部、15…下アーム、16…上アーム、16A…第1上アーム、16B…第2上アーム、17…手首部、18…ハンド部、21…基台フレーム、23…モータプレート、30…減速機、41…アームフレーム、45…取付部材、50…軸受、51…サーボモータ、71…制御部、71a…伝達状態判定部、72…電源装置、83…出力段。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Robot apparatus, 11 ... Base, 11A ... Fixed part, 11B ... Turning part, 15 ... Lower arm, 16 ... Upper arm, 16A ... First upper arm, 16B ... Second upper arm, 17 ... Wrist part DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 ... Hand part, 21 ... Base frame, 23 ... Motor plate, 30 ... Reduction gear, 41 ... Arm frame, 45 ... Mounting member, 50 ... Bearing, 51 ... Servo motor, 71 ... Control part, 71a ... Transmission state determination Part 72 ... power supply device 83 ... output stage.

Claims (4)

回転負荷に対して回転動力を供給する回転関節装置が発生させるトルクを制御する産業機器の回転関節制御装置であって、
前記回転関節装置は、駆動トルクを発生させる駆動トルク発生部と、前記駆動トルクを入力する入力軸と所定の回転比で変速された回転数の回転動力を所定の効率で出力する出力軸とを有する変速装置と、前記出力軸から前記回転負荷に伝達されるトルクである出力側トルクを伝達するトルク伝達構造と、を有し、
前記変速装置が前記入力軸から回転動力の供給を受けて前記所定の効率で前記出力軸に回転動力を出力している伝達状態である駆動状態と、前記変速装置が前記出力軸から回転動力の供給を受けて前記所定の効率で前記入力軸に回転動力を出力している伝達状態である制動状態と、の2つの伝達状態の少なくとも一方を判定する伝達状態判定部を備え、
前記伝達状態判定部は、前記駆動トルクを前記回転比で除算した無損失トルクと前記出力側トルクとの比較に基づいて、前記出力側トルクが前記無損失トルクよりも小さい場合に前記駆動状態と判定し、前記出力側トルクが前記無損失トルクよりも大きい場合に前記制動状態と判定し、
前記出力側トルクは、前記入力軸の回転加速度と、前記回転比と、前記回転負荷の慣性モーメントとの積を使用して算出されることを特徴とする回転関節制御装置。
A rotary joint control device for industrial equipment that controls torque generated by a rotary joint device that supplies rotational power to a rotational load,
The rotary joint device includes a drive torque generating unit that generates a drive torque, an input shaft that inputs the drive torque, and an output shaft that outputs the rotational power of the rotational speed shifted at a predetermined rotation ratio with a predetermined efficiency. A transmission having a torque transmission structure for transmitting an output side torque that is a torque transmitted from the output shaft to the rotational load;
A driving state in which the transmission is supplied with rotational power from the input shaft and outputs the rotational power to the output shaft at the predetermined efficiency; and the transmission is configured to transmit rotational power from the output shaft. A transmission state determination unit that determines at least one of two transmission states: a braking state that is a transmission state that receives supply and outputs rotational power to the input shaft at the predetermined efficiency;
The transmission state determination unit, based on a comparison between the lossless torque obtained by dividing the drive torque by the rotation ratio and the output side torque, when the output side torque is smaller than the lossless torque, And when the output side torque is larger than the lossless torque, the braking state is determined,
The output-side torque is calculated using a product of a rotation acceleration of the input shaft, the rotation ratio, and an inertia moment of the rotation load.
前記回転関節装置が前記駆動状態であると判定された場合に前記制動状態のトルク制限値である制動時トルク制限値よりも大きなトルク制限値である駆動時トルク制限値で前記駆動トルクを制限するトルク制限部を備える請求項1に記載の回転関節制御装置。   When it is determined that the rotary joint device is in the driving state, the driving torque is limited by a driving torque limit value that is a torque limiting value that is larger than a braking torque limit value that is a torque limiting value in the braking state. The rotary joint control device according to claim 1, further comprising a torque limiting unit. 前記駆動状態は、前記無損失トルクよりも小さく且つ前記所定の効率と前記無損失トルクの積よりも大きい値として予め設定された第1の閾値よりも、前記出力側トルクが小さい場合に判定され、
前記制動状態は、前記無損失トルクよりも大きく且つ前記所定の効率の逆数と前記無損失トルクの積よりも小さい値として予め設定された第2の閾値よりも、前記出力側トルクが大きい場合に判定される請求項1又は2に記載の回転関節制御装置。
The drive state is determined when the output side torque is smaller than a first threshold value that is smaller than the lossless torque and larger than a product of the predetermined efficiency and the lossless torque. ,
The braking state is when the output side torque is larger than a second threshold that is set in advance as a value that is larger than the lossless torque and smaller than the product of the inverse of the predetermined efficiency and the lossless torque. The rotary joint control device according to claim 1, wherein the rotary joint control device is determined.
前記回転負荷に対して前記駆動トルクを操作して前記回転負荷の回転加速度を計測し、前記駆動トルクと前記計測された回転加速度とに基づいて前記回転負荷の慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定部を備え、
前記伝達状態判定部は、前記推定された慣性モーメントに基づいて前記伝達状態を判定する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の回転関節制御装置。
An inertia moment estimator that measures the rotational acceleration of the rotational load by operating the drive torque with respect to the rotational load, and estimates the inertia moment of the rotational load based on the drive torque and the measured rotational acceleration With
The rotary joint control device according to claim 1, wherein the transmission state determination unit determines the transmission state based on the estimated moment of inertia.
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