JPH10315173A - ロボットの異常検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】この発明は、位置指令の軌道に対する逸脱の検
出が遅れ検出精度を上げられないという課題を解決しよ
うとするものである。 【解決手段】 この発明は、電動機及びその負荷１１と
位置制御部１２との全体をモデル化してなり位置指令が
入力される位置制御モデル部１３と、この位置制御モデ
ル部１３からの出力信号と電動機の実際の位置を示す位
置信号とを比較し、その差が所定値以上の時にロボット
の異常として検出する異常検出手段１５〜１７とを備え
たものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はロボットの異常検出
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ロボットは、アームを旋回させ
るための電動機と、この電動機の回転角度データを検出
するセンサを有するフィードバック制御系（サーボ系）
により構成され位置指令と上記センサからの回転角度デ
ータとを基に位置制御量を決定する比例及び比例積分型
の位置制御部とを具備し、この位置制御量からの制御量
によって上記電動機の位置制御を行うようにしている。

【０００３】また、ロボットにおいて、軌道逸脱等の異
常動作を監視して異常動作発生時に非常停止手段により
動作を停止させる機能は、すべての産業用ロボットに設
けられている。この機能は、例えば電動機の速度異常、
電動機の実際の位置と位置指令との位置偏差の異常（位
置指令の軌道に対する逸脱）、位置制御部の電流指令値
異常、電動機の過負荷を検出して非常停止手段により動
作を停止させるようなものである。これらの異常動作の
中で位置指令の軌道に対する逸脱を検出する場合には、
従来は、固定的な位置偏差の上限値によって、実測した
位置偏差が異常であるか否かを判定している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記ロボットにおいて
は、通常、位置偏差は、フィードバック制御系の特性に
より、正常な動作であっても、電動機の速度が大きくな
るとその値も大きくなり、電動機の速度が小さくなれば
その値が小さくなるというように、刻々と変化する。こ
のように刻々と変化する位置偏差の実測値に対して、従
来のように、固定的な位置偏差の上限値によって異常で
あるか否かを判定すると、位置指令の軌道に対する逸脱
の検出が遅れてしまうという不具合が生ずる。

【０００５】そこで、速度指令の大きさに応じて位置偏
差の上限値（異常判定値）を変化させる方法をとると、
上記不具合がだいぶ改善されるが、それでも、異常検出
の精度を上げるためには、サーボ系のゲインを調整する
ことによって、その調整の手間が大きくなるし、従来の
比例及び比例積分型の位置制御部ではサーボ系のゲイン
を調整しても大きなマージンをとらないと異常を誤検出
してしまうために異常検出精度をなかなか上げられない
のが現状である。異常検出精度が低い場合には、ロボッ
トが異常動作した時にそれから動作を停止させるまでの
時間が長くなり、ロボットの異常動作で移動する距離も
その分長くなる。

【０００６】本発明は、位置指令の軌道に対する逸脱を
瞬時に検出することができ、正常動作時の誤検出も少な
くて現実的で高性能なロボットの異常検出装置を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、ロボットを動作させるため
の電動機と、この電動機の回転角度データを検出するセ
ンサを有し位置指令と上記センサからの回転角度データ
とを基に位置制御量を決定する位置制御部とを具備し、
この位置制御部からの制御量によって上記電動機の位置
制御を行うようにしたロボットの異常検出装置におい
て、上記電動機及びその負荷と上記位置制御部との全体
をモデル化してなり上記位置指令が入力される位置制御
モデル部と、この位置制御モデル部からの出力信号と上
記電動機の実際の位置を示す位置信号とを比較し、その
差が所定値以上の時にロボットの異常として検出する異
常検出手段とを備えたものであり、位置指令の軌道に対
する逸脱を瞬時に検出することができ、正常動作時の誤
検出も少なくて現実的で高性能である。

【０００８】請求項２に係る発明は、請求項１記載のロ
ボットの異常検出装置において、上記位置制御部は閉ル
ープを有する位置サーボ系であって外乱補償機能を含ん
だ極配置系により構成し、上記位置制御モデル部を上記
電動機及びその負荷と上記位置制御部との全体を２次モ
デルとして構成したものであり、モデルがシンプルであ
るため、付加するフィルタ装置も簡単なもので済み、ゲ
イン調整による手間もかからない。また、外乱補償機能
を含んだ極配置系のため、モデル化精度が高い。位置指
令の軌道に対する逸脱を瞬時に検出することができ、正
常動作時の誤検出も少なくて現実的で高性能である。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態を示
す。この実施形態は請求項１、２に係る発明の一実施形
態である。電動機（モータ）及びその負荷系１１は、ロ
ボットのアームを旋回させるための電動機と、この電動
機により旋回されるアーム等の負荷とからなり、電動機
が制御装置１２により制御される。この制御装置１２
は、電動機の回転角度データを検出するセンサを有する
フィードバック制御系（サーボ系）により構成され、位
置指令と上記センサからの回転角度データとを基に位置
制御量を決定する外乱補償機能を持った極配置型の比例
及び比例積分型の位置制御部を具備し、この位置制御部
からの制御量によって上記電動機の位置制御を行う。

【００１０】この制御装置１２は位置制御部の閉ループ
部分が外乱補償機能を持つ極配置系により構成され、制
御装置１２と電動機及びその負荷系１１の全体が配置し
た極に基づく２次モデルの特性を持つようになる。ここ
に、この極配置系は特開平６ー２７００７９号公報や、
精密工学会 超精密位置決めに関する専門委員会 前刷
集「多関節ロボットのロバスト非干渉化制御」１９９６
年２月などにより知られている。制御装置１２にその時
点時点での軌道を表す位置指令を入力すると、ロボット
が実位置に移動し、その応答特性は２次モデルの特性に
なる。２次フィルタ１３は、伝達関数が制御装置１２と
電動機及びその負荷系１１の全体からなる位置制御系１
４の伝達関数ｍ１・ｍ２／｛（ｓ＋ｍ１）（ｓ＋ｍ
２）｝と同じ伝達関数ｍ１・ｍ２／｛（ｓ＋ｍ１）（ｓ
＋ｍ２）｝であり、上記２次モデルの特性を持つように
位置制御系１４をモデル化した２次フィルタからなる位
置制御モデル部である。この２次フィルタ１３には制御
装置１２と同じ位置指令が入力される。

【００１１】従って、正常動作時は、電動機及びその負
荷系１１の実位置を示す位置信号、例えば上記センサか
らの回転角度データより得た位置信号と、２次フィルタ
１３から出力される位置信号とはほぼ同じになる。これ
らの位置信号は比較器１５により比較されてその差が求
められ、この差の絶対値が絶対値変換部１６により求め
られる。

【００１２】この絶対値変換部１６により求められた絶
対値は減算器１７にてメモリなどに設定された固定閾値
より減算され、この減算器１７の出力信号は電動機及び
その負荷系１１の位置が位置指令の軌道に対して逸脱し
た場合には負極性となって異常信号として非常停止装置
１８へ出力される。非常停止装置１８は減算器１７から
の異常信号（負極性の出力信号）によりロポットの動作
を停止させる。

【００１３】ここに、位置制御系１４が極配置系で構成
されて位置制御系１４全体が２次モデルで表されるの
で、その正常動作時の特性は２次フィルタ１３の特性に
非常に精度良く一致する。このため、固定閾値を小さく
しても、位置指令の軌道に対する逸脱の誤検出は起こら
ず、本当の位置指令軌道に対する逸脱による異常動作の
みを瞬時に検出することができる。

【００１４】図２及び図３は制御装置１２の構成を示
す。ロボットのアーム１９はサーボモータからなる電動
機２０により駆動される。制御装置１２は、電流指令を
デジタル値からアナログ値に変換するＤ／Ａ変換器（Ｄ
／ＡＣ）２１と、このＤ／ＡＣ２１からの電流指令によ
り電動機２０を駆動するドライバ２２と、電動機２０の
回転角度データを検出してパルス信号を電動機２０の所
定角度回転毎に発生するセンサとしてのエンコーダ２３
と、ロボットの各種検知を行うセンサ２４と、マイクロ
プロセッサシステムからなる位置制御部２５と、エンコ
ーダ２３からのパルス信号を電動機２０の１回転毎にカ
ウントするカウンタ２６と、ロボットの断線、過電流、
電動機２０の過負荷、温度異常などのエラーを検出する
エラー検出部２７と、上述した比較器１５と、絶対値変
換部１６と、減算器１７と、非常停止装置１８とを有す
る。

【００１５】マイクロプロセッサシステム２５は、マイ
クロプロセッサ（ＭＰＵ）２８と、ＲＯＭ２９，ＲＡＭ
３０，フラッシュメモリ３１，シェアードメモリ３２か
らなるメモリと、ＤＩ／ＤＯポート３３と、ＳＣＩポー
ト３４とを有る。このマイクロプロセッサシステム２５
は、機能的には、位置制御を行う外乱補償機能を持つ極
配置制御機３５と、フィードフォワード制御器３６と、
リミッタ３８と、位置検出器４１とを有する。また、極
配置制御機３５は、比例器３７と、第１の制御フィルタ
３９と、第２の制御フィルタ４０と、加算機４２とを有
する。

【００１６】ＭＰＵ２８は、ＲＯＭ２９に格納されてい
るプログラムやデータに基づいて動作し、メモリ３０〜
３２を使いながら位置指令及びカウンタ２６のカウント
値に基づいて電流指令を決定してＤ／ＡＣ２１へ出力す
ることにより電動機２０を制御してアーム１９を制御し
たり、センサ２４からの情報をＤＩ／ＤＯポート３３よ
り取り込んでロボットの動作状態の監視を行ったり、エ
ラ検出部２７からのエラー検出信号をＤＩ／ＤＯポート
３３より取り込んでロボットの断線、過電流、電動機２
０の過負荷、温度異常などのエラー発生時に非常停止装
置１８によりロボットの動作を停止させたり、ＳＣＩポ
ート３４を介して外部機器としてのパーソナルコンピュ
ータ（ＰＣ）からなるホストコンピュータ４３と情報を
授受したりする。シェアードメモリ３２はＰＣ４３によ
っても情報の読み書きが行われる。

【００１７】アーム１９は電動機２０により駆動されて
旋回し、エンコーダ２３が電動機２０の回転角度データ
を検出して電動機２０の所定角度回転毎にパルス信号を
発生する。カウンタ２６は電動機２０の１回転毎にエン
コーダ２３からのパルス信号をカウントし、位置検出器
４１がカウンタ２６のカウント値から電動機２０の回転
位置を検出する。極配置制御器３５は、位置指令に比例
器３７をかけた信号と、フィードフォワード制御器３６
からのフィードフォワード信号と、極配置制御器３５か
らの信号を入力とする第１の制御フィルタ３９の出力信
号と、位置検出器４１の出力信号を入力とする第２の制
御フィルタ４０の出力信号とを加算器４２によって加算
して、電流指令を求める。

【００１８】この極配置制御器３５からの電流指令はリ
ミッタ３８により制限されてＤ／ＡＣ２１によりアナロ
グ値に変換され、ドライバ２２はＤ／ＡＣ２１からの電
流指令により電動機２０を駆動する。この位置制御部２
５は、上述のように閉ループ部分が極配置系により構成
され、制御装置１２と電動機及びその負荷系１１の全体
が配置した極に基づく２次モデルの特性を持つようにな
る。なお、比較器１５に位置制御系１４と２次フィルタ
１３とから入力される位置信号（角度信号を含む）は、
位置制御系１４と２次フィルタ１３との対応する箇所の
位置信号であればよく、位置制御系１４における位置検
出器４１からの位置信号とこれとほぼ同じになる２次フ
ィルタ１３からの位置信号などでもよい。

【００１９】この実施形態では、位置制御部の閉ループ
部分を極配置系により構成したので、正常動作時の誤検
出を少なくしつつ異常検出用の閾値を小さくする（検出
精度を上げる）ことができる。また、その時点時点での
ダイナミックな動作に応じた位置指令の軌道に対する逸
脱を瞬時に検出することができ、ロボットの異常動作
（暴走）を早期に発見して止めることができ、異常動作
による被害を最小限にくい止めることができる。さら
に、比較器１５、絶対値変換部１６、減算器１７及び２
次フィルタ１３はマイクロプロセッサシステム２５のソ
フトウェア追加で実現され、しかも、２次フィルタ１３
の次数も“２”と小さいため、非常に簡単かつ低コスト
で実現できる等、実用性が高い。

【００２０】このように、この実施形態は、請求項１に
係る発明の一実施形態であって、ロボットを動作させる
ための電動機２０と、この電動機２０の回転角度データ
を検出するセンサとしてのエンコーダ２３を有し位置指
令と上記センサ２３からの回転角度データとを基に位置
制御量を決定する位置制御部２５とを具備し、この位置
制御部２５からの制御量によって上記電動機２０の位置
制御を行うようにしたロボットの異常検出装置におい
て、上記位置制御部２５をモデル化してなり上記位置指
令が入力される位置制御モデル部としての２次フィルタ
１３と、この位置制御モデル部１３からの出力信号と上
記電動機２０の実際の位置を示す位置信号とを比較し、
その差が所定値以上の時にロボットの異常として検出す
る２次ファルタ１３、比較器１５、絶対値変換部１６及
び減算器１７からなる異常検出手段とを備えたので、ロ
ボットのその時点時点でのタイナミックな動作に応じた
位置指令の軌道に対する逸脱を瞬時に検出することがで
き、正常動作時の誤検出も少なくて現実的で高性能であ
る。

【００２１】また、この実施形態は、請求項２に係る発
明の一実施形態であって、請求項１記載のロボットの異
常検出装置において、上記位置制御部２５は閉ループを
有する位置サーボ系であって外乱補償機能を含んだ極配
置系により構成し、上記位置制御モデル部１３を上記位
置制御部の２次モデルとして構成したので、位置指令の
軌道に対する逸脱を瞬時に検出することができ、正常動
作時の誤検出も少なくて現実的で高性能である。

【００２２】なお、位置制御部２５は、例えば特開平６
ー２７００７９号公報記載のものと同様に多関節ロボッ
トにおいて外乱補償、非干渉化と各軸毎の希望モデル
（伝達関数）への極配置という３つの機能を持たせた構
成とし、位置指令から、エンコーダ２３より得られる回
転角度データに至る伝達関数行列が干渉要素のない希望
伝達関数行列となるように予め定めたパラメータを用い
て位置指令よりＤ／Ａｃ２１への出力信号（制御量）を
算出するようにしてもよい。

【００２３】この場合も、位置制御系１４は２次モデル
になるので、２次ファルタ１３を使用することになる。
また、２次ファルタ１３、比較器１５、絶対値変換部１
６及び減算器１７は、位置指令の軌道に対する逸脱だけ
でなく、意図的な衝突を起こさせるような場合の早期衝
突検出にも利用することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように請求項１に係る発明によれ
ば、ロボットを動作させるための電動機と、この電動機
の回転角度データを検出するセンサを有し位置指令と上
記センサからの回転角度データとを基に位置制御量を決
定する位置制御部とを具備し、この位置制御部からの制
御量によって上記電動機の位置制御を行うようにしたロ
ボットの異常検出装置において、上記電動機及びその負
荷と上記位置制御部との全体をモデル化してなり上記位
置指令が入力される位置制御モデル部と、この位置制御
モデル部からの出力信号と上記電動機の実際の位置を示
す位置信号とを比較し、その差が所定値以上の時にロボ
ットの異常として検出する異常検出手段とを備えたの
で、位置指令の軌道に対する逸脱を瞬時に検出すること
ができ、正常動作時の誤検出も少なくて現実的で高性能
である。

【００２５】請求項２に係る発明によれば、請求項１記
載のロボットの異常検出装置において、上記位置制御部
は閉ループを有する位置サーボ系であって外乱補償機能
を含んだ極配置系により構成し、上記位置制御モデル部
を上記電動機及びその負荷と上記位置制御部との全体を
２次モデルとして構成したので、位置指令の軌道に対す
る逸脱を瞬時に検出することができ、正常動作時の誤検
出も少なくて現実的で高性能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すブロック図である。

【図２】同実施形態における制御装置の構成を示すブロ
ック図である。

【図３】同実施形態における制御装置の機能的構成を示
すブロック図である。

【符号の説明】

１１ 電動機・負荷系 １２ 制御装置 １３ ２次フィルタ １４ 位置制御系 １５ 比較器 １６ 絶対値変換部 １７ 減算器 １８ 非常停止装置 ２０ 電動機 ２３ エンコーダ ２５ 位置制御部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロボットを動作させるための電動機と、こ
   の電動機の回転角度データを検出するセンサを有し位置
   指令と上記センサからの回転角度データとを基に位置制
   御量を決定する位置制御部とを具備し、この位置制御部
   からの制御量によって上記電動機の位置制御を行うよう
   にしたロボットの異常検出装置において、上記電動機及
   びその負荷と上記位置制御部との全体をモデル化してな
   り上記位置指令が入力される位置制御モデル部と、この
   位置制御モデル部からの出力信号と上記電動機の実際の
   位置を示す位置信号とを比較し、その差が所定値以上の
   時にロボットの異常として検出する異常検出手段とを備
   えたことを特徴とするロボットの異常検出装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のロボットの異常検出装置に
   おいて、上記位置制御部は閉ループを有する位置サーボ
   系であって外乱補償機能を含んだ極配置系により構成
   し、上記位置制御モデル部を上記電動機及びその負荷と
   上記位置制御部との全体を２次モデルとして構成したこ
   とを特徴とするロボットの異常検出装置。