JP6836638B2

JP6836638B2 - ロボットシステム

Info

Publication number: JP6836638B2
Application number: JP2019192078A
Authority: JP
Inventors: 井上　俊彦; 俊彦井上; 俊克黒木; 直幹藤岡
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2021-03-03
Anticipated expiration: 2039-10-21
Also published as: JP2020075353A

Description

本発明は、ロボットシステムに関するものである。

従来、ロボットの内部を経由して配線されてきた線条体の一部を手首の外側に取り出して、手首の先端に取り付けられているツールに接続することにより、手首の外部空間において付与された十分な余長によって、手首の動作に伴う線条体の曲げおよび捻じれを吸収し、線条体に加わるダメージを低減している産業用ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−３０５６８３号公報

しかしながら、特許文献１の産業用ロボットにおいても、手首の動作角度によっては線条体に過大な捻じれが発生し、気づかないうちに線条体に相当のダメージが加わって寿命が早期に短縮されてしまうという不都合がある。
本発明は、線条体にダメージを与えない範囲で手首を動作させることを可能とし、線条体の寿命を安定させ、保守頻度を低減させることができるロボットシステムを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、ロボット本体と、該ロボット本体を制御する制御装置とを備え、前記ロボット本体が、アームの先端に、該アームの長手軸に沿う第１軸線回りに回転可能に支持された第１手首要素と、該第１手首要素に、前記第１軸線に交差する第２軸線回りに回転可能に支持された第２手首要素と、該第２手首要素に、前記第２軸線に交差する第３軸線回りに回転可能に支持された第３手首要素とを備え、前記アーム内部を経由して配線されてきた線条体が、前記第１手首要素に設けられた線条体出口から前記ロボット本体の外部の空中径路を経由して、前記第３手首要素に固定されたエンドエフェクタに接続され、前記制御装置が、前記線条体出口を原点とし前記第１軸線に沿う方向に延びる１つの座標軸を備える直交座標系において、前記線条体出口と前記線条体の特定点とを結ぶ直線を前記座標軸に直交する平面に投影した直線の、前記線条体にかかる負荷が最も小さい位置を基準とした前記座標軸回りの角度を算出する角度算出部と、該角度算出部により算出された前記角度の絶対値が所定の角度閾値を超えたか否かを判定する判定部とを備えるロボットシステムである。

本態様によれば、ロボット本体のアームの先端に取り付けられた第１手首要素の線条体出口から、アーム内部を経由して配線されてきた線条体がロボット本体外部の空中径路を経由して、第３手首要素に固定されたエンドエフェクタに接続されている。この場合、第１手首要素に対して第２軸線回りに第２手首要素を回転させたり、第２手首要素に対して第３軸線回りに第３手首要素を回転させたりすると、空中径路が変化して、回転角度の大きさに応じて線条体の特定点における捻れ量が変化する。

本態様によれば、角度算出部により、特定点と線条体出口とを結ぶ直線を座標軸に直交する平面に投影した直線の負荷が最も小さい位置を基準とした座標軸回りの角度が算出され、算出された角度の絶対値が角度閾値を超えたか否かが判定部により判定される。算出された角度は、特定点の位置における線条体の捻れ量を代表していると考えられ、この角度が角度閾値よりも大きい場合には、線条体に捻れによる大きなダメージが与えられる。判定結果に基づいて動作プログラムを変更したり、制御を変更したりすることにより、線条体にダメージを与えない範囲で手首を動作させることを可能とし、線条体の寿命を安定させ、保守頻度を低減させることができる。

上記態様においては、前記制御装置が、前記線条体出口と前記線条体の特定点との距離を算出する距離算出部を備え、前記判定部が、前記距離算出部により算出された前記距離が、前記角度に応じた所定の距離閾値を超えたか否かを判定してもよい。
この構成により、第１手首要素に対して第２軸線回りに第２手首要素を回転させたり、第２手首要素に対して第３軸線回りに第３手首要素を回転させたりすると、空中径路が変化して、回転角度の大きさに応じて線条体の特定点における引っ張り量または圧縮量が変化する。

距離算出部により、特定点と線条体出口とを結ぶ直線の距離が算出され、算出された距離が角度に応じた距離閾値を超えたか否かが判定部により判定される。算出された距離は、特定点の位置における線条体の引っ張り量または圧縮量を代表していると考えられ、この距離が距離閾値よりも大きい場合には、線条体に捻れによる大きなダメージが与えられる。判定結果に基づいて動作プログラムを変更したり、制御を変更したりすることにより、線条体にダメージを与えない範囲で手首を動作させることを可能とし、線条体の寿命を安定させ、保守頻度を低減させることができる。

また、上記態様においては、前記制御装置は、前記角度が前記角度閾値を超えない角度範囲で前記ロボット本体を制御してもよい。
この構成により、線条体に加わるダメージが少ない各手首要素の角度でロボット本体を動作させ続けることができ、線条体の寿命を安定させ、保守頻度を低減させることができる。

また、上記態様においては、前記制御装置は、前記角度が前記角度閾値を超えたと判定された場合にはその旨を報知する報知部を備えていてもよい。
この構成により、線条体に加わるダメージが大きい旨を作業者に知らせることができ、動作プログラムの修正を促すことができる。

また、上記態様においては、前記制御装置は、前記距離が前記距離閾値を超えない距離範囲で前記ロボット本体を制御してもよい。
この構成により、線条体に加わるダメージが少ない各手首要素の角度でロボット本体を動作させ続けることができ、線条体の寿命を安定させ、保守頻度を低減させることができる。

また、上記態様においては、前記制御装置は、前記距離が前記距離閾値を超えると判定された場合にはその旨を報知する報知部を備えていてもよい。
この構成により、線条体に加わるダメージが大きい旨を作業者に知らせることができ、動作プログラムの修正を促すことができる。

また、上記態様においては、前記制御装置は、前記角度算出部により逐次算出された前記角度を記憶し、記憶された時系列の前記角度に基づいて前記線条体の寿命を算出してもよい。
この構成により、算出された寿命により、線条体に加わるダメージをより具体化することができ、寿命に基づいて、動作プログラムの修正を促すことができる。

本発明によれば、線条体にダメージを与えない範囲で手首を動作させることを可能とし、線条体の寿命を安定させ、保守頻度を低減させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボットシステムを示す全体構成図である。図１のロボットシステムの制御装置を説明するブロック図である。図２の制御装置の判定部による特定点Ａのダメージ量の判定を説明する図である。図２の制御装置の判定部による特定点Ｂのダメージ量の判定を説明する図である。図１のロボットシステムの作用を説明するフローチャートである。図５のフローチャートの寿命算出ルーチンを説明するフローチャートである。

本発明の一実施形態に係るロボットシステム１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１は、図１に示されるように、ロボット本体２と、該ロボット本体２を制御する制御装置３とを備えている。

ロボット本体２は、例えば、６軸多関節型ロボットであり、床面Ｆに設置されるベース２１と、鉛直な第１軸線Ｌ１回りにベース２１に対して回転可能に支持された旋回胴２２と、水平な第２軸線Ｌ２回りに旋回胴２２に対して回転可能に支持された第１アーム２３と、水平な第３軸線Ｌ３回りに第１アーム２３に対して回転可能に支持された第２アーム（アーム）２４と、第２アーム２４の先端に取り付けられた３軸手首ユニット２５とを備えている。

３軸手首ユニット２５は、第２アーム２４の長手軸に沿う方向に延びる第４軸線（第１軸線）Ｌ４回りに第２アーム２４に対して回転可能に支持された第１手首要素２６と、第４軸線Ｌ４に直交する第５軸線（第２軸線）Ｌ５回りに第１手首要素２６に対して回転可能に支持された第２手首要素２７と、第５軸線Ｌ５に直交し第４軸線Ｌ４と第５軸線Ｌ５との交点を通過する第６軸線（第３軸線）Ｌ６回りに第２手首要素２７に対して回転可能に支持された第３手首要素２８とを備えている。

第２アーム２４および第１手首要素２６は、第４軸線Ｌ４の周囲に第４軸線Ｌ４に沿って延びる中空孔２６ａを備える中空構造を有している。第２手首要素２７および第３手首要素２８にも、第６軸線Ｌ６の周囲に第６軸線Ｌ６に沿って延びる中空孔２７ａ，２８ａを備える中空構造を有している。

第３手首要素２８には、例えば、レーザ加工ツール（エンドエフェクタ）４が固定されている。レーザ加工ツール４を駆動するための剛性の高いケーブル（図示略）等は、第２アーム２４の後方から第２アーム２４および第１手首要素２６の中空孔２６ａを貫通して、第１手首要素２６の中空孔２６ａの出口（線条体出口）から空中径路を経由して第２手首要素２７および第３手首要素２８の中空孔２７ａ，２８ａを貫通し、レーザ加工ツール４に接続されている。剛性の高いケーブルを第４軸線Ｌ４および第６軸線Ｌ６に沿って配線することにより、第１手首要素２６、第２手首要素２７および第３手首要素２８の回転による過度の捻れや曲げをケーブルに加えずに済む。

一方、ケーブル等とともに第１手首要素２６の中空孔２６ａの出口まで中空孔２６ａ内を導かれてきた剛性の低い光ファイバケーブル（線条体）５は、剛性の高いケーブルとは別の空中径路を経由して、レーザ加工ツール４に接続されている。光ファイバケーブル５は、第４軸線Ｌ４および第６軸線Ｌ６に沿って配線しないので、第１手首要素２６、第２手首要素２７および第３手首要素２８の回転による捻れや曲げを吸収するための余長を十分に付与した状態で配線されている。

しかしながら、光ファイバケーブル５のレーザ加工ツール４への接続部４１に配置される特定点Ａあるいは光ファイバケーブル５の長さ方向の途中位置に配置される特定点Ｂにおいては、各手首要素２６，２７，２８の姿勢によっては、過度の曲げ、引っ張りあるいは圧縮等が作用する場合がある。特定点Ａ，Ｂは任意に設定することができる。
制御装置３は、プロセッサおよびメモリを備え、図１に示されるように、第１手首要素２６の中空孔２６ａの出口中心を原点Ｏとし、第４軸線Ｌ４に沿う方向に延びるＸ軸（座標軸）を備える直交座標系である出口座標系を定義している。

そして、制御装置３は、ロボット本体２の各手首要素２６，２７，２８の角度情報に基づいて、各特定点Ａ，Ｂの座標を算出する。レーザ加工ツール４の接続部４１の座標は各手首要素２６，２７，２８の角度情報およびレーザ加工ツール４の寸法に基づいて一義的に算出することができ、光ファイバケーブル５の途中位置の座標は、各手首要素２６，２７，２８の角度情報に基づいて推定することができる。

制御装置３は、図２に示されるように、算出された特定点Ａ，Ｂの座標と原点Ｏとを結ぶ直線ＬＡ，ＬＢを想定し、その直線ＬＡ，ＬＢの長さ（距離）Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒを算出する距離算出部３１と、その直線ＬＡ，ＬＢをＹＺ平面に投影したときの、Ｚ軸に対する角度Ａ_θ，Ｂ_θを算出する角度算出部３２とを備えている。本実施形態においては、Ｚ軸に対する角度Ａ_θ，Ｂ_θが０°のときに、光ファイバケーブル５にかかる負荷が最も小さい状態であるとする。

そして、制御装置３は、角度Ａ_θ，Ｂ_θおよび長さＡ_Ｒ，Ｂ_Ｒと対応づけた角度閾値および距離閾値を記憶しており、算出された角度Ａ_θ，Ｂ_θおよび長さＡ_Ｒ，Ｂ_Ｒが各閾値を超えたか否かを判定する判定部３３と、光ファイバケーブル５の寿命を算出する寿命算出部３４とを備えている。角度閾値および距離閾値は、図３および図４に示されるように、特定点Ａ，Ｂの位置毎に、原点Ｏから延びる直線ＬＡ，ＬＢの先端座標の取り得る範囲として記憶しており、直線ＬＡ，ＬＢの長さＡ_Ｒ，Ｂ_Ｒと座標軸からの角度Ａ_θ，Ｂ_θとを用いた極座標により表現することができる。
判定部３３による判定結果は、図示しないモニタ等の表示部に表示される。

また、制御装置３は、算出された直線ＬＡ，ＬＢの長さＡ_Ｒ，Ｂ_Ｒと角度Ａ_θ，Ｂ_θとに基づいて、各特定点Ａ，Ｂにおいて光ファイバケーブル５に与えられるダメージ量を下式により算出する。
Ｄ１＝Ｆｒａ（Ａ_Ｒ）＋Ｆθａ（Ａ_θ）
Ｄ２＝Ｆｒａ（Ｂ_Ｒ）＋Ｆθｂ（Ｂ_θ）

ここで、
Ｄ１：光ファイバケーブル５との接続部４１におけるダメージ量、
Ｄ２：光ファイバケーブル５の途中位置におけるダメージ量、
Ａ_Ｒ：光ファイバケーブル５との接続部４１の原点Ｏからの距離、
Ａ_θ：光ファイバケーブル５との接続部４１と原点Ｏとの間に引いた直線ＬＡのＹＺ平面上におけるＺ軸に対する角度、
Ｂ_Ｒ：光ファイバケーブル５の途中位置の原点Ｏからの距離、
Ｂ_θ：光ファイバケーブル５の途中位置と原点Ｏとの間に引いた直線ＬＢのＹＺ平面上におけるＺ軸に対する角度、
Ｆｒａ、Ｆｒｂ：距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒに基づきダメージ量を算出する関数、
Ｆθａ、Ｆθｂ：角度Ａ_θ，Ｂ_θに基づきダメージ量を算出する関数
である。

また、制御装置３は、算出されたダメージ量Ｄ１，Ｄ２に基づいて数式（１）および（２）を用いて寿命算出部３４により光ファイバケーブル５の残り寿命Ｌを算出し、表示部に表示する。

Ｌ＝Ｈ−Ｄ・・・（２）
ここで、
Ｌ：残り寿命、
Ｈ：総合寿命、
Ｄ：光ファイバケーブルに与える１サイクル間のダメージ量、
Ｄ′ｉ＝Ｄ１＋Ｄ２、
ｎ＝1サイクル間のサンプリング回数
である。

このように構成された本実施形態に係るロボットシステム１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１によれば、図５および図６に示されるように、予め教示された教示プログラムに従ってロボット本体２の動作が開始されると、制御装置３は、Ｔ秒後のロボット本体２の姿勢Ｓを算出し（ステップＳ１）、姿勢Ｓにおいて出口座標系における特定点Ａ，Ｂの座標を算出する（ステップＳ２）。

次いで、算出された座標に基づいて、特定点Ａ，Ｂから出口座標系の原点Ｏまでの距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒをそれぞれ算出する（ステップＳ３）。また、出口座標系のＹＺ平面におけるＺ軸からの角度Ａ_θ，Ｂ_θをそれぞれ算出する（ステップＳ４）。

次に、寿命算出部３４による寿命算出ルーチンを実行する（ステップＳ５）。寿命算出ルーチンにおいては、算出された距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒおよび角度Ａ_θ，Ｂ_θを用いてダメージ量Ｄ′ｉが算出され（ステップＳ５１）、算出されたダメージ量Ｄ′ｉが積算される（ステップＳ５２）。そして、１サイクルが終了したか否かが判定され（ステップＳ５３）、終了していない場合にはメインルーチンに戻る。終了した場合には、残り寿命Ｌを算出し（ステップＳ５４）、モニタに表示し（ステップＳ５５）、メインルーチンに戻る。

次いで、算出された距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒおよび角度Ａ_θ，Ｂ_θがそれぞれ各閾値を超えているか否かを判定し（ステップＳ６）、超えていない場合にはステップＳ１からの工程が繰り返される。一方、ステップＳ６において各閾値を超えていると判定された場合には、その旨が表示部に表示され（ステップＳ７）、ロボット本体２の動作が停止させられる（ステップＳ８）。

このように、本実施形態に係るロボットシステム１によれば、角度算出部３２により算出された角度Ａ_θ，Ｂ_θおよび距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒが各閾値を超えている場合に、その旨が表示部に表示されることによって報知されるので、判定結果に基づいて動作プログラムを変更したり、制御を変更したりすることにより、光ファイバケーブル５にダメージを与えない範囲で３軸手首ユニット２５を動作させることを可能とし、光ファイバケーブル５の寿命を安定させ、保守頻度を低減させることができるという利点がある。また、Ｔ秒後の角度Ａ_θ，Ｂ_θを予測していることにより、ダメージを与える前に報知することを可能としている。

特に、角度Ａ_θ，Ｂ_θは特定点Ａ，Ｂの位置における光ファイバケーブル５の捻れ量を代表していると考えられ、光ファイバケーブル５の接続部４１においては、光ファイバケーブル５が捻れによる大きなダメージを受け易い。したがって、角度閾値を超えたか否かを判定し報知することにより、光ファイバケーブル５にダメージを与えない動作に変更するなどの対策を施して、光ファイバケーブル５の寿命を安定させることができる。

また、距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒは、特定点Ａ，Ｂの位置における光ファイバケーブル５の引っ張りおよび圧縮を代表していると考えられ、光ファイバケーブル５の途中位置においては、光ファイバケーブル５が引っ張りおよび圧縮による大きなダメージを受け易い。したがって、距離閾値を超えたか否かを判定し報知することにより、光ファイバケーブル５にダメージを与えない動作に変更するなどの対策を施して、光ファイバケーブル５の寿命を安定させることができる。

また、本実施形態によれば、算出された距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒおよび角度Ａ_θ，Ｂ_θに基づいて、光ファイバケーブル５の残り寿命Ｌが算出され、表示部に表示されるので、表示された残り寿命Ｌにより、光ファイバケーブル５に加わるダメージをより客観的に把握することができ、残り寿命Ｌに基づいて、動作プログラムの修正等を促すことができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、出口座標系の原点Ｏから特定点Ａ，Ｂまで引いた直線ＬＡ，ＬＢの長さ（距離）Ａ_Ｒ，Ｂ_ＲとＹＺ平面に投影された直線ＬＡ，ＬＢのＺ座標軸からの角度Ａ_θ，Ｂ_θの両方により、光ファイバケーブル５のダメージ量Ｄ′ｉが大きいか否かを判定したが、これに代えて、特に捩りによるダメージを判定したい場合には角度Ａ_θ，Ｂ_θのみ、特に引っ張り、圧縮によるダメージを判定したい場合には距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒのみによって判定してもよい。

また、本実施形態においては、判定部３３による判定の結果、距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒまたは角度Ａ_θ，Ｂ_θが閾値を超えている場合にこれを報知することとしたが、これに代えて、制御装置３が、距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒまたは角度Ａ_θ，Ｂ_θが閾値に達した場合には、これを超えないようにロボット本体２の各手首要素２６，２７，２８を制御することにしてもよい。

また、本実施形態においては、報知部として、表示部を用いて画面表示するものを例示したが、これに代えて、音によって報知するものを採用してもよい。
また、線条体として光ファイバケーブル５を例示して説明したが、これに限定されるものではない。

また、本実施形態においては、距離Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒに基づきダメージ量Ｄ′ｉを算出する関数Ｆｒａ、Ｆｒｂおよび角度Ａ_θ，Ｂ_θに基づきダメージ量Ｄ′ｉを算出する関数Ｆθａ、Ｆθｂを用いてダメージ量Ｄ′ｉを算出することとしたが、これに代えて、データベースと照合してダメージ量Ｄ′ｉを取得することにしてもよい。また、機械学習を適用してもよい。

１ロボットシステム
２ロボット本体
３制御装置
４レーザ加工ツール（エンドエフェクタ）
５光ファイバケーブル（線条体）
２４第２アーム（アーム）
２６第１手首要素
２７第２手首要素
２８第３手首要素
３１距離算出部
３２角度算出部
３３判定部
Ａ，Ｂ特定点
Ａ_θ，Ｂ_θ 角度
Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒ長さ（距離）
Ｌ４第４軸線（第１軸線）
Ｌ５第５軸線（第２軸線）
Ｌ６第６軸線（第３軸線）
ＬＡ，ＬＢ直線

Claims

ロボット本体と、該ロボット本体を制御する制御装置とを備え、
前記ロボット本体が、アームの先端に、該アームの長手軸に沿う第１軸線回りに回転可能に支持された第１手首要素と、該第１手首要素に、前記第１軸線に交差する第２軸線回りに回転可能に支持された第２手首要素と、該第２手首要素に、前記第２軸線に交差する第３軸線回りに回転可能に支持された第３手首要素とを備え、
前記アーム内部を経由して配線されてきた線条体が、前記第１手首要素に設けられた線条体出口から前記ロボット本体の外部の空中径路を経由して、前記第３手首要素に固定されたエンドエフェクタに接続され、
前記制御装置が、前記線条体出口を原点とし前記第１軸線に沿う方向に延びる１つの座標軸を備える直交座標系において、前記線条体出口と前記線条体の特定点とを結ぶ直線を前記座標軸に直交する平面に投影した直線の、前記線条体にかかる負荷が最も小さい位置を基準とした前記座標軸回りの角度を算出する角度算出部と、該角度算出部により算出された前記角度の絶対値が所定の角度閾値を超えたか否かを判定する判定部とを備えるロボットシステム。
前記制御装置が、前記線条体出口と前記線条体の特定点との距離を算出する距離算出部を備え、前記判定部が、前記距離算出部により算出された前記距離が、前記角度に応じた所定の距離閾値を超えたか否かを判定する請求項１に記載のロボットシステム。
前記制御装置は、前記角度が前記角度閾値を超えない角度範囲で前記ロボット本体を制御する請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
前記制御装置は、前記角度が前記角度閾値を超えたと判定された場合にはその旨を報知する報知部を備える請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
前記制御装置は、前記距離が前記距離閾値を超えない距離範囲で前記ロボット本体を制御する請求項２に記載のロボットシステム。
前記制御装置は、前記距離が前記距離閾値を超えると判定された場合にはその旨を報知する報知部を備える請求項２に記載のロボットシステム。
前記制御装置は、前記角度算出部により逐次算出された前記角度を記憶し、記憶された時系列の前記角度に基づいて前記線条体の寿命を算出する請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。