特開 2023-58100 伝動装置の異常検出方法及び異常検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023058100

(43)【公開日】2023-04-25

(54)【発明の名称】伝動装置の異常検出方法及び異常検出装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/00 20160101AFI20230418BHJP

   B25J 19/06 20060101ALI20230418BHJP

   G01H 17/00 20060101ALI20230418BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20230418BHJP

   H01L 21/677 20060101ALI20230418BHJP

【ＦＩ】

H02P29/00

B25J19/06

G01H17/00 A

G01M99/00 A

H01L21/68 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021167875

(22)【出願日】2021-10-13

(71)【出願人】

【識別番号】000002233

【氏名又は名称】ニデックインスツルメンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】桃澤 義秋

【テーマコード（参考）】

2G024

2G064

3C707

5F131

5H501

【Ｆターム（参考）】

2G024AB01

2G024AD03

2G024BA11

2G024BA27

2G024CA13

2G024FA01

2G024FA04

2G024FA06

2G024FA11

2G064AA11

2G064AB01

2G064AB02

2G064AB22

2G064BA02

2G064BD02

2G064CC02

2G064CC41

2G064CC43

2G064DD02

3C707BS15

3C707BS26

3C707CX01

3C707CX03

3C707DS05

3C707HS27

3C707KS21

3C707KS24

3C707KX10

3C707MS14

3C707MS15

3C707MS24

3C707MT03

3C707MT04

3C707NS12

5F131DB02

5F131DB58

5F131DB62

5F131DB72

5F131DB93

5F131KA28

5F131KA45

5H501AA22

5H501BB08

5H501DD01

5H501GG01

5H501JJ03

5H501JJ26

5H501LL07

5H501LL35

5H501LL51

5H501MM09

5H501PP02

(57)【要約】

【課題】ロボットなどに設けられる、減速機や走行駆動ユニットなどの伝動装置における異常の発生を小さな演算量で確実に検出する。
【解決手段】モータ３６によって駆動される例えば減速機３８などの伝動装置における異常を検出する異常検出装置は、モータ３６の速度の検出値に対してバンドパスフィルタ処理を行うバンドパスフィルタ４４と、バンドパスフィルタ処理によって得られる信号に基づいて伝動装置における異常の発生の有無を判定する判定手段（コンパレータ４６）と、を有する。バンドパスフィルタ４４と判定手段との間に、バンドパスフィルタ４４から出力される信号の二乗平均平方根（ＲＭＳ）値を求めるＲＭＳ演算部４５が設けられていてもよい。バンドパスフィルタ４４は、例えば５次のバタワースフィルタである。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータによって駆動される伝動装置における異常を検出する異常検出方法であって、
前記モータの速度を検出し、
前記速度の検出値に対してバンドパスフィルタ処理を行い、
前記バンドパスフィルタ処理によって得られる信号に基づいて、前記伝動装置における異常の発生の有無を判定する、異常検出方法。

【請求項2】

前記バンドパスフィルタ処理は、５次のバタワースフィルタによるバンドパスフィルタ処理である、請求項１に記載の異常検出方法。

【請求項3】

前記バンドパスフィルタ処理によって得られる信号に対し、前記信号の二乗平均または二乗平均平方根を求めて閾値と比較することにより、前記異常の発生の有無を判定する、請求項１または２に記載の異常検出方法。

【請求項4】

前記モータに接続されたエンコーダから得られる信号から前記モータの速度を検出する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異常検出方法。

【請求項5】

モータによって駆動される伝動装置における異常を検出する異常検出装置であって、
前記モータの速度の検出値に対してバンドパスフィルタ処理を行うバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタから出力される信号に基づいて前記伝動装置における異常の発生の有無を判定する判定手段と、
を有する、異常検出装置。

【請求項6】

前記バンドパスフィルタは、５次のバタワースフィルタである、請求項５に記載の異常検出装置。

【請求項7】

前記バンドパスフィルタから出力される信号の二乗平均または二乗平均平方根を求める演算手段をさらに備え、
前記判定手段は、前記演算手段によって得られた値と閾値と比較することにより、前記異常の発生の有無を判定する、請求項５または６に記載の異常検出装置。

【請求項8】

前記モータに接続されたエンコーダから得られる信号から前記モータの速度を検出する速度演算手段をさらに有する、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の異常検出装置。

【請求項9】

前記異常検出装置は、外部から与えられる指令値に基づいて前記モータのサーボ制御を実行する制御装置の内部に設けられている、請求項５乃至８のいずれか１項に記載の異常検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータからの回転を負荷などに伝達するために用いられる減速機や走行駆動ユニットなどの伝動装置における異常を検出する方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

産業用ロボットにおいては軸ごとにサーボモータが設けられており、各軸はサーボモータに取り付けられた減速機を介して駆動力が伝達されて駆動される。ロボットを床面上などで水平方向に直線移動させるために、ラック・アンド・ピニオン構造などを有する走行駆動ユニットが用いられ、走行駆動ユニットもサーボモータによって駆動される。減速機も走行駆動ユニットも、サーボモータからの駆動力を対象物に伝達する伝動装置である。伝動装置は例えば歯車などを組み合わせて構成されるものであり、歯車を軸に固定するボルトの緩みや歯の欠けなどが異常が発生した場合には、高速回転時に振動が発生したり、ロボットへの応用においては位置決め精度の低下などが起こることがある。したがって、伝動装置における異常の発生を早期に検出できることが求められている。

【0003】

特許文献１は、減速機の異常を判定する技術として、減速機の動作時における複数の動作データを現在の動作データとして取得し、減速機の異常の形態を示す異常モードでの過去の動作データと現在の動作データとの相関係数を求め、異常の有無と異常の原因とを判定することを開示している。動作データとしては、例えば、サーボモータへの指令電流値の平均値、最大値、振幅及び標準偏差や、モータの回転数及び回転角などが用いられる。この方法では、十分な判定精度を得るためには多種多様な多数の動作データを取得した上で統計処理を行う必要があり、全体としての計算量が多くなる。また、異常モードでの過去の動作データの収集にも労力を有する。

【0004】

特許文献２は、ロボットなどにおける減速機における故障の兆候の有無を判定する技術として、サーボモータの加減速期間においてモータ電流における特定の周波数帯域の周波数成分の振幅のピーク値を求め、このピーク値に基づいて故障の兆候の有無を判定することを開示している。判定に用いる特定の周波数帯域は、ロボットにおける複数の機械的な固有振動数のうちの、減速機の歯車が噛み合う方向にロボットを共振によって振れさせる固有振動数に応じて定められる。特定の周波数帯域の周波数成分の抽出には、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算あるいはバンドパスフィルタが用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－１８２７０号公報

【特許文献2】特開２０２１－９０４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献２に記載された方法は、加減速時におけるモータ電流に基づいて減速機における異常の有無を検出するものであるので、その検出感度がサーボゲインの設定値に左右されやすいというという課題を有する。また、特定の周波数帯域の周波数成分の抽出にＦＦＴ演算を用いた場合には、計算量が多くなる。特定の周波数帯域の周波数成分の抽出にバンドパスフィルタを用いた場合には、バンドパスフィルタの構成によって検出感度などが変化することが予想される。例えばバンドパスフィルタの次数が低い場合には、位置指令値の直流成分による影響を十分には除去できなくなる。しかしながら特許文献２では、減速機での異常の検出に適したバンドパスフィルタの構成が明らかにはなっていない。

【0007】

本発明の目的は、ロボットなどに設けられる伝動装置における異常の発生を小さな演算量で確実に検出できる方法及び装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の異常検出方法は、モータによって駆動される伝動装置における異常を検出する異常検出方法であって、モータの速度を検出し、速度の検出値に対してバンドパスフィルタ処理を行い、バンドパスフィルタ処理によって得られる信号に基づいて、伝動装置における異常の発生の有無を判定する。本発明の異常検出方法では、モータの速度の検出値に対してバンドパスフィルタ処理を行うことにより、後述するように、伝動装置における異常の発生をより確実に検出できる。本発明において伝動装置は、例えば、モータに接続する減速機あるいは走行駆動ユニットである。

【0009】

本発明の異常検出方法では、バンドパスフィルタ処理は、５次のバタワースフィルタによるバンドパスフィルタ処理であることが好ましい。３次のバタワースフィルタを用いたときには不要な周波数成分の影響を受けやすくなり、７次以上のバタワースフィルタを用いるときは、その実装が難しくなり、また、演算量が大きくなる。したがって、５次のバタワースフィルタを用いるバンドパスフィルタ処理が最適なものである。

【0010】

本発明の異常検出方法では、バンドパスフィルタ処理によって得られる信号に対し、その信号の二乗平均または二乗平均平方根を求めて閾値と比較することにより、異常の発生の有無を判定することが好ましい。このように判定を行うことにより、判定に必要な演算量を削減しつつ、異常を確実に検出できるようになる。

【0011】

本発明の異常検出方法では、モータの速度は、モータに接続されたエンコーダから得られる信号から検出することができる。サーボ制御の対象となっているモータであれば、そのモータにはそのモータの位置を検出するエンコーダが取り付けられていることが一般的であるから、エンコーダからの信号に対して例えば微分処理を行うことにより、モータの速度を簡単に得ることができる。

【0012】

本発明の異常検出装置は、モータによって駆動される伝動装置における異常を検出する異常検出装置であって、モータの速度の検出値に対してバンドパスフィルタ処理を行うバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタから出力される信号に基づいて伝動装置における異常の発生の有無を判定する判定手段と、を有する。本発明の異常検出装置では、バンドパスフィルタを設けてモータの速度の検出値に対してバンドパスフィルタ処理を行うことにより、後述するように、伝動装置における異常の発生をより確実に検出できる。

【0013】

本発明の異常検出装置において、バンドパスフィルタは、５次のバタワースフィルタからなるバンドパスフィルタである。３次のバタワースフィルタを用いたときには不要な周波数成分の影響を受けやすくなり、７次以上のバタワースフィルタを用いるときは、その実装が難しくなり、また、演算量が大きくなる。したがって、５次のバタワースフィルタからなるバンドパスフィルタが最適なものである。

【0014】

本発明の異常検出装置においては、バンドパスフィルタから出力される信号の二乗平均または二乗平均平方根を求める演算手段をさらに設け、演算手段によって得られた値と閾値と比較することにより判定手段が異常の発生の有無を判定することが好ましい。二乗平均または二乗平均平方根と閾値との比較を行うことにより、異常の発生の有無の判定に必要な演算量を削減しつつ、異常を確実に検出できる。

【0015】

本発明の異常検出装置では、モータに接続されたエンコーダから得られる信号からモータの速度を検出する速度演算手段がさらに設けられていてもよい。モータがサーボ制御の対象となっているものであれば、そのモータにはそのモータの位置を検出するエンコーダが取り付けられていることが一般的であるから、エンコーダからの信号に対して例えば微分処理を行うように速度演算手段を設けることにより、モータの速度を簡単に得ることができる。

【0016】

本発明の異常検出装置は、外部から与えられる指令値に基づいてモータのサーボ制御を実行する、例えばロボットコントローラなどの制御装置の内部に設けられてもよい。制御装置の内部に異常検出装置を設けることにより、制御装置によるモータのサーボ制御と連動する形態で、伝動装置における異常の発生の有無を検出できるようになる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、ロボットなどに設けられる伝動装置における異常の発生を小さな演算量で確実に検出できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】（ａ）は、本発明に基づく異常検出方法が適用されるロボットの全体構成を示す概略図であり、（ｂ）はロボットの正面図であある。

【図2】（ａ），（ｂ）はそれぞれロボットの側面図と平面図である。

【図3】本発明の実施の一形態の異常検出装置を備える制御装置の構成を示すブロック図である。

【図4】減速機における異常の検出を説明する波形図である。

【図5】減速機における異常の検出を説明する波形図である。

【図6】走行駆動ユニットにおける異常の検出を説明する波形図である。

【図7】走行駆動ユニットにおける異常の検出を説明する波形図である。

【図8】走行駆動ユニットにおける異常の検出を説明する波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本発明は、モータによって駆動される伝動装置における異常の検出に関するものである。伝動装置は、例えば、減速機や走行駆動ユニットであって、産業用ロボットに組み込まれる。そこでまず、伝動装置が組み込まれる機器の一例であるロボットについて、図１及び図２を用いて説明する。図１において（ａ）はロボット１０の全体構成を示す概略図であり、（ｂ）はロボット１０の正面図である。図２において（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ロボット１０の側面図及び平面図である。

【0020】

図示されるロボット１０は、ガラス基板などのワーク５０を搬送することを目的とするものであって、水平多関節ロボットとして構成されている。特にこのロボット１０は、ワーク５０（図１には不図示）をそれぞれ保持する２つのハンド１３Ａ，１３Ｂを備えるいわゆるダブル・ハンド・ロボットとして構成されている。ロボット１０には、ロボット１０に対する動作指令が外部から入力し、この動作指令に基づいてロボット１０を駆動し制御する制御装置（ロボットコントローラ）４０が、ケーブルによって電気的に接続されている。後述するように制御装置４０には、ロボット１０内の伝動装置の異常を検出する異常検出装置４２（図３参照）が設けられている。なお図１（ａ）は、ロボット１０において水平多関節機構が上昇した状態を示しているのに対し、図１（ｂ）、図２（ａ），（ｂ）は、水平多関節機構が下降した状態を示している。

【0021】

ロボット１０は、床面ＦＬ（図１（ｂ）参照）において直線状に設けられた相互に平行な１対のレール２１上を移動可能な基台２２と、基台２２の上に設けられて回転軸３１の周りで水平面内で回転する回転台２３と、回転台２３に対して直立するように設けられた昇降機構２４を備えている。レール２１は、例えばラックレールであり、基台２２に設けられたピニオンと噛み合う。ピニオンは基台２２内に設けられた走行用モータに機械的に接続しており、走行用モータを駆動することによってピニオンが回転し、ロボット１０がレール２１に沿って水平方向に移動する。走行用モータとピニオンとの間に駆動力伝達用の歯車が設けられていてもよく、これらの歯車とピニオンとによって、ロボット１０の走行駆動ユニットが構成される。レール２１にはそれを覆うカバー２５が取り付けられている。

【0022】

基台２２に対して回転軸３１の周りで回転台２３を回転させるために、基台２２には走行用モータとは別に、θ軸モータとも呼ばれるモータが設けられている。θ軸モータには減速機が取り付けられ、θ軸モータに対する負荷である回転台２３は、減速機を介してθ軸モータによって駆動される。昇降機構２４は、回転台２３に取り付けられている固定部２４Ａと、モータによって固定部２４Ａに対して昇降する移動部２４Ｂとを備えている。移動部２４Ｂを昇降させるモータは、固定部２４Ａに設けられており、このモータにも減速機が取り付けられており、移動部２４Ｂは、減速機を介して昇降用のモータによって駆動されて昇降する。

【0023】

移動部２４Ｂには水平多関節機構を保持するアーム支持部２６Ａ，２６Ｂが水平方向に延びるように設けられており、アーム支持部２６Ａ，２６Ｂの先端にはそれぞれ水平多関節機構が取り付けられている。上側の水平多関節機構は、アーム支持部２６Ａに取り付けられて共通軸３２の周りで水平面内を回転可能な第１アーム１１Ａと、第１アーム１１Ａの先端に取り付けられて軸３３Ａの周りで水平面内を回転可能な第２アーム１２Ａを備えており、第２アーム１２Ａの先端にハンド１３Ａが取り付けられている。同様に下側の水平多関節機構は、アーム支持部２６Ｂに取り付けられて共通軸３２の周りで水平面内を回転可能な第１アーム１１Ｂと、第１アーム１１Ｂの先端に取り付けられて軸３３Ｂの周りで水平面内を回転可能な第２アーム１２Ｂを備えており、第２アーム１２Ｂの先端にハンド１３Ｂが取り付けられている。

【0024】

ハンド１３Ａ，１３Ｂは、下から保持することによって板状のワーク５０を水平状態に保ったまま搬送できるように、複数の棒状部材を平行に配置したフォーク状の形状となっている。すなわちハンド１３Ａ，１３Ｂは、ワーク５０をそのハンド１３Ａ，１３Ｂの上に保持する形式のものである。ハンド１３Ａ，１３Ｂは、ロードロック室やカセットなどに収納されているワーク５０を取り出してハンド１３Ａ，１３Ｂ上に保持したり、保持しているワーク５０をロードロック室内などに収納するときにワーク５０に対して前進または後退するが、このハンド１３Ａ，１３Ｂの前進したり後退する方向は、棒状部材の延びる方向と平行な方向とされる。

【0025】

このロボットにおいて水平多関節機構は、第１アーム１１Ａ，１１Ｂと第２アーム１２Ａ，１２Ｂとに組み込まれたリンク機構により、アーム支持部２６が延びる方向とは直交する方向で直線運動でハンド１３Ａ，１３Ｂが前進及び後退運動を行うように構成されている。すなわち両方のハンド１３Ａ，１３Ｂは同一方向に前進及び後退を行う。中心軸３２に対してハンド１３Ａ，１３Ｂの先端が遠ざかる動きが前進運動であり、前進運動とは反対方向の動きが後退運動である。第１アーム１１Ａ，１１Ｂと第２アーム１２Ａ，１２Ｂとは全体して屈曲運動を行い、それにも関わらず水平面内でのハンド１３Ａ，１３Ｂの向きを一定とするために、ハンド１３Ａ，１３Ｂは、それぞれ、第２アーム１２Ａ，１２Ｂの先端の位置で手首軸３４Ａ，３４Ｂの周りで水平面内を回転可能に取り付けられている。上側の水平多関節機構では、アーム支持部２６に設けられたモータから減速機を介して駆動されることによって、第１アーム１１Ａ及び第２アーム１２Ａが動き、ハンド１３Ａはその向きを保ったまま、アーム支持部２６の延びる方向とは直交する方向に移動する。同様に下側の水平多関節機構では、アーム支持部２６に設けられたモータから減速機を介して駆動されることによって、第１アーム１１Ｂ及び第２アーム１２Ｂが動き、ハンド１３Ｂはその向きを保ったまま、アーム支持部２６の延びる方向とは直交する方向に移動する。このロボットでは、ハンド１３Ａとハンド１３Ｂとを独立して前進及び後退させることができる。以下の説明において、第１アーム１１Ａ，１１Ｂと第２アーム１２Ａ，１２Ｂとに組み込まれたリンク機構によりハンド１３Ａ，１３Ｂが前進及び後退運動をすることをアームの伸縮運動と呼ぶ。

【0026】

結局、ロボット１０での動きは、レール２１に沿った水平方向の移動（これをＸ軸あるいは走行軸の動きとする）と、回転軸３１の周りでの基台２２に対する昇降機構２４の旋回（これをθ軸あるいは旋回軸の動きとする）と、ハンド１３Ａ，１３Ｂの前進及び後退運動、すなわちアーム伸縮運動（これをＲ軸の動きとする）と、昇降機構２４によるアーム支持部２６の昇降（これをＺ軸の動きとする）とに分けることができ、これらは、それぞれロボット１０に設けられている軸ごとのモータによって駆動される。ロボット１０は、移動動作に対応する指令に応じた制御装置４０からの駆動制御により、これらの各軸のうちの１つの軸だけを動かす動作や、２以上の軸を同時に動かす動作とを実行する。

【0027】

ロボット１０を用いたガラス基板などのワーク５０の搬送について説明する。ここではレール２１に沿って２つのロードロック室が設けられており、これらのロードロック室の間でワーク５０を搬送する場合を考える。まず、ハンド１３Ａ，１３Ｂがいずれも後退して第１アーム１１Ａ，１１Ｂと第２アーム１２Ａ，１２Ｂとが折り畳まれた状態、すなわちアームが縮んだ状態で、搬出側のロードロック室に向き合う位置にまでレール２１に沿ってロボット１０を移動させ、同時に、ハンド１３Ａの高さをロードロック室に対応する高さとなるように、昇降機構２４によって昇降させる。そして、アームを伸ばすことによりハンド１３Ａを前進させて搬出側のロードロック室内にハンド１３Ａを進入させ、わずかにハンド１３Ａを上昇させることによってハンド１３Ａ上にワーク５０を載置する。その後、アームを縮めることによりハンド１３Ａを後退させてワーク５０ごとハンド１３Ａをロードロック室から引き出す。次に、ワーク５０を搭載した状態で搬入側のロードロック室に向き合う位置にまでレール２１に沿ってロボット部１０を移動させ、同時にハンド１３Ａの高さがロードロック室に対応する高さとなるように、昇降機構２４によってアーム支持部２６Ａを昇降させる。そして、ワーク５０を載せたままハンド１３Ａを前進させて第２のカセット内にハンド１３Ａを進入させ、わずかにハンド１３Ａを下降させることによって搬入側のロードロック室にワーク５０を載置し、ハンド１３Ａを後退させてロードロック室からハンド１３Ａを引き出す。以上の動作によって、ワーク５０が搬送されたことになる。レール２１を挟んで一方の側に搬出側のロードロック室が配置し、他方の側に搬入側のロードロック室が配置する場合は、上記の動作に加え、回転軸３１の周りでの旋回の動作が実行される。

【0028】

上述したロボット１０では、θ軸モータや各水平多関節機構のモータには減速機が取り付けられており、これらの軸は減速機を介してモータによって駆動される。走行用モータには走行駆動ユニットが接続しており、走行用モータを駆動することによってロボット１０はレール２１に沿って移動する。減速機や走行駆動ユニットは、モータに接続する伝動装置である。以下、ロボット１０に設けられる伝動装置１０における異常の発生を検出するための機構について説明する。図３は、ロボット１０に接続する制御装置４０の構成を示すブロック図である。

【0029】

制御装置４０は、入力する指令値、例えば位置指令値に基づいてロボット１０の各軸のモータ３６を駆動し制御する。モータ３６には、そのモータ３６の回転位置を検出するエンコーダ３７が取り付けられている。モータ３６の回転軸には減速機３８が取り付けられており、減速機３８を介して負荷３９がモータ３６に機械的に接続する。減速機３８の代わりに走行駆動ユニットが用いられてもよい。制御装置４０には、モータ３６の位置を示す信号がエンコーダ３７からフィードバックされてモータ３６をサーボ制御する制御部４１と、伝動装置における異常の発生を検出する、本発明の実施の一形態の異常検出装置４２とが設けられている。図では、モータ３６、制御部４１及び異常検出装置４２が１つずつ描かれているが、ロボット１０には複数のモータ３６が設けられるので、制御装置４０では、その制御するモータ３６ごとに制御部４１と異常検出装置４２が設けられる。したがって制御装置４０では、モータ３６の駆動及び制御と、減速機３８での異常の発生の検出とが、軸ごとに実行される。制御部４１としては、産業用ロボットの各軸のモータを制御するための標準的なサーボ制御機構が使用される。

【0030】

異常検出装置４２は、モータ３６の位置を示す信号がエンコーダ３７から供給されてその信号に対して微分演算を行ってモータ３６の速度を連続的に算出する速度演算部４３と、速度演算部４３で算出された速度値を示す信号に対してバンドパスフィルタ処理を行うバンドパスフィルタ４４と、バンドパスフィルタ処理後の速度値から二乗平均平方根（ＲＭＳ；Root Mean Square）値を算出するＲＭＳ演算部４５とを備えている。さらに異常検出装置４２は、ＲＭＳ演算部４５において算出されたＲＭＳ値と閾値とを比較するコンパレータ４６と、ＲＭＳ値が閾値を上回るときに、減速機３８に異常が発生したと判断して警報を出力する警報処理部４７とを備えている。ロボットの制御に用いられる制御装置は、一般に、ソフトウェアによって動作するマイクロプロセッサなどによって実現されるので、本実施形態においても異常検出装置４２は、例えばマイクロプロセッサなどを用いたデジタル信号処理技術を用いて実現される。

【0031】

バンドパスフィルタ４４は、例えばローパスフィルタ４４Ｌとハイパスフィルタ４４Ｈとをカスケード接続して構成されている。バンドパスフィルタ４４の通過帯域は、モータ３６や減速機３８さらにはロボット１０自体の大きさや構成などによって最適なものが異なるが、例えば、３～１０Ｈｚとされる。この場合、ローパスフィルタ４４Ｌの遮断周波数を１０Ｈｚとし、ハイパスフィルタ４４Ｈの遮断周波数を３Ｈｚとする。ローパスフィルタ４４Ｌ及びハイパスフィルタ４４Ｈはいずれも５次のバタワースフィルタであることが好ましく、その場合、バンドパスフィルタ４４も５次のバタワースフィルタとして構成されることになる。伝動装置がランクアンドピニオン型の走行駆動ユニットである場合には、通過帯域が例えば３～２０Ｈｚであるバンドパスフィルタ４４が使用され、この場合もバンドパスフィルタ４４は５次のバタワースフィルタであることが好ましい。

【0032】

ＲＭＳ演算部４５は、バンドパスフィルタ４４で処理された速度値を二乗する二乗演算部（Ｓｑ）４５Ａと、二乗演算部４５で算出された値を所定の長さの期間にわたって積算する積算部（Ｓｕｍ）４５Ａと、積算部４５で積算された値の平方根を求める平方根演算部（Ｓｑｒｔ）４５Ｃとを備えている。ここではデジタル信号処理を前提としているので、積算部４５は、信号の各サンプリング周期ごとに、直前の所定の数のサンプリング周期において二乗演算部４５で算出された値を積算し、その値をＲＭＳ値として出力する。

【0033】

以下、本実施形態の異常検出装置４２による減速機３８での異常の検出を、図４を用いて実例に基づいて説明する。図１及び図２を用いて説明したロボット１０を使用し、θ軸のモータ３６に接続する減速機３８が正常である場合（正常品）と異常である場合（異常品）の両方について、モータ３６を駆動して回転軸３１の周りで回転台２３を旋回させた。図４において（ａ－１）は、正常品について検出されたモータ３６の速度を示し、（ｂ－１）は、異常品について検出されたモータ３６の速度を示している。モータ３６に対する速度指令では、ロボット１０においてθ軸に対して規定されている最大の速度でモータ３６を駆動するようにした。図４及びそれ以降の図において、速度は、制御装置４０において内部的に使用されている速度の単位で示されている。このようにして得られた速度値のデータに対し、通過帯域が３～１０Ｈｚであるバンドフィルタ４４を用いてバンドパフフィルタ処理を行った。正常品に対する結果が（ａ－２）及び（ａ－３）に示されている。（ａ－２）は３次のバタワースフィルタで処理した結果を示し、（ａ－３）は５次のバタワースフィルタで処理した結果を示している。同様に、異常品に関し、（ｂ－２）は３次のバタワースフィルタで処理した結果を示し、（ｂ－３）は５次のバタワースフィルタで処理した結果を示している。これらの図において、「ＦＩＬＴＥＲＥＤ」で示される灰色の線は、バンドパスフィルタ４４で処理して得られた値を示し、「ＲＭＳ」で示される黒色の線は、さらにＲＭＳ処理部４５によって処理して得られた結果、すなわちＲＭＳ値を示している。

【0034】

図４に示す結果から、モータ３６の速度そのもののデータでは減速機が正常なときと異常なときとを事実上見分けることができないが、バンドパスフィルタ処理を行うことによって、両者の差が明確になり、異常品の方が振幅、特に最大振幅が大きくなった。ＲＭＳ値で比較すると、ピーク値は、異常品の方が大きかった。正常時のＲＭＳ値を考慮して閾値を定めることにより、減速機３８における異常の発生を検出することができることが分かる。正常品について検討すると、バンドパスフィルタ処理後の値の振幅もＲＭＳ値のピーク値も５次のバンドパスフィルタを用いたときの方が小さかった。このことから、減速機３８の異常の検出には３次よりも５次のバタワースフィルタを用いることが好ましいといえる。７次あるいはそれよりも高次のバタワースフィルタの使用も考えられるが、オーバーシュートの増加、実装上のコストの増加、計算誤差による精度の悪化が生じて現実的ではなくなる。

【0035】

バンドパスフィルタ４４についてさらに検討する。モータ３６の速度における変動成分を調べるためには速度を示す信号に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行えばよいが、速度を示す信号をそのまま用いたのでは波形が非常に見にくくなる。そこで、通過地域が２～２０Ｈｚであって５次のバタワースフィルタであるバンドパスフィルタによって速度信号を処理し、フィルタ処理後の速度信号に対してＦＦＴを行ってスペクトラムを得た。図５において（ａ－１）及び（ａ－２）は、それぞれ、正常品におけるフィルタ処理後の速度値及びＦＦＴによって得たスペクトラムを示している。同様に図５の（ｂ－１）及び（ｂ－２）は、それぞれ、異常品におけるフィルタ処理後の速度値及びスペクトラムを結果を示している。正常品では２Ｈｚ以上の周波数成分の強度は小さい。これに対し異常品では、４Ｈｚより若干低い周波数から５Ｈｚをやや超える周波数までの領域とそれの２次高調波に対応する８～１０ｋＨｚの領域にピークが見られた。これらのピークは異常品に特有の周波数成分を表していると考えられ、このロボット１０の減速機３８での異常の発生の有無を検出するためには、通過帯域が３～１０Ｈｚであるバンドパスフィルタ４４を用いればよいことが分かる。

【0036】

さらに、異常品について、図４の（ｂ－２）及び（ｂ－３）に示されるバンドパスフィルタ処理後の速度値に対してＦＦＴを適用して図５の（ｃ－１）及び（ｃ－２）のそれぞれ示されるスペクトラムを得た。図５（ｃ－１）は、３次のバタワースフィルタで処理した結果から得られたスペクトラムを示しているが、このスペクトラムでは、異常品に特有なピークのほかに、２Ｈｚ以下の領域に不要な周波数成分によるピークが存在する。これに対し、図５（ｃ－２）に示す、５次のバタワースフィルタで処理した結果から得られたスペクトラムには、２Ｈｚ以下の領域に位置する不要な周波数成分のピークは見られなかった。このことから、不要な週はす成分によるピークの影響を防ぐためにも、バンドパスフィルタ４４として３次よりも５次のバタワースフィルタを用いることが好ましいことが分かる。なお、図４の（ｂ－２）に示す、異常品での３次のバタワースフィルタを用いたときのフィルタ処理後の速度値やＲＭＳ値結果において、時刻が約１秒から約３秒までの期間に不自然な変動が見られるが、これも、バンドパスフィルタ処理では取り切れなかった上述した不要な周波数成分の影響であると考えられる。最近のロボットでは、マニピュレータの振動抑制を目的としてジャーク（躍度あるいは加加速度ともいう）を制限するといった処理を行うことがあり、その場合には低次のバンドパスフィルタではジャークの直流成分を除去できないと考えられる。この除去できなかった直流成分が、３次のバタワースフィルタから得られるスペクトラムにおける不要な周波数成分になったものと考えられる。

【0037】

図１及び図２に示すロボット１０は、基台２２に組み込まれたピニオンを含む走行駆動ユニットにより、レール２１に沿って水平方向に移動する。そこで、図１及び図２に示すロボット１０をレール２１に沿って往復移動させ、そのときにロボット１０の走行駆動ユニットの異常を、本実施形態の異常検出装置４２を用いて検出した例を説明する。この場合、図４に示すブロック図では、減速機３８の代わりに走行駆動ユニットが設けられたことになる。異常品としては、走行駆動ユニットにおいてギアを固定するボルトに緩みのあるものを使用した。バンドパスフィルタ４４として、通過帯域が３～２０Ｈｚである５次のバタワースフィルタを使用した。結果を図６に示す。図６は、図４の（ａ－３）あるいは（ｂ－３）に示すものと同様に、バンドパスフィルタ処理後の速度値と、バンドパスフィルタ処理後の速度値に対してＲＭＳ処理部４５によって処理して得られるＲＭＳ値を示している。図６において、（ａ）は正常品に対する結果を示し、（ｂ）は異常品に対する結果を示している。

【0038】

走行駆動ユニットによりレール２１に沿ってロボット１０を往復移動させるとき、ロボット１０は一方向に加速されて所定の速さに到達してそれからは定速で移動し、その後、減速されて停止し、次に逆方向に加速されて所定の速さに到達して低速で移動し、再び減速されて停止する、という動作を実行する。このときの所定の速さが、ロボット１０においてその水平移動に関して定められている最高速度のどの程度のものであるかをＳＰ値で表すこととする。ＳＰ＝１００％であれば、往復移動のときの所定の速さが規定された最高速度と一致し、ＳＰ＝５０％であれば、往復移動の時の所定の速さが規定された最高速度の５０％であることを意味する。図６は、異なるＳＰ値によりロボット１０を水平移動させた場合の各々について、結果を示している。

【0039】

図６から、正常品では、バンドパスフィルタ処理後の速度値におけるピーク値は小さく、ＳＰ値によらずにＲＭＳ値は０の近傍で小さく変動するだけである。これに対し異常品では、バンドパスフィルタ処理後の速度値は大きく変動し、ＲＭＳ値は脈動し、ＲＭＳ値のピークはＳＰ値が大きいほど大きくなった。このことから、本実施形態の異常検出装置４２によれば、走行駆動ユニットの異常も検出できること、異常の検出のためには、その走行用モータで駆動される走行駆動ユニットを、その走行駆動ユニットにおいて規定されている最高速度の範囲でできるだけ高速で駆動することが好ましいことが分かった。走行駆動ユニットではなくロボットの各軸の減速機の異常を検出するときも、その軸について規定されている最高速度の範囲内でできるだけ高速でその軸を駆動することが好ましいと考えられる。

【0040】

以上説明した図６は、走行用モータの速度に基づいて走行駆動ユニットの異常を検出した例を示している。ここで比較のため、モータの速度以外の量を用いて伝動装置の異常を検出した場合を説明する。図７は、図１及び図２に示すロボット１０に走行駆動ユニットについて、走行用モータに対するトルク指令値に基づいて異常を検出したときの結果を示している。トルク指令値は、制御装置４０の制御部４１から得ることができる。図７に示す結果は、速度の代わりにトルク指令値が異常検出装置４２のバンドパスフィルタ４４に入力するようにしたこと以外は図６の場合と同様にして得られた結果である。トルク指令値は、制御装置４０の内部で使用される単位によって示されている。走行用モータに対するトルク指令値は、走行用モータに供給される電流と比例する。図においては、バンドパスフィルタ処理後のトルク指令値に関して代表的な点でのＸＹ座標値（Ｘは時刻、Ｙはトルク指令値）が示されている。図７に示した結果においても、バンドパスフィルタ処理後のトルク指令値の振幅は異常品の方が大きく、異常品においてはＲＭＳ値に脈動が観察された。しかしながら正常品においてもＳＰ値が大きい場合（例えばＳＰ＝１００％）に、ＲＭＳ値に脈動が観察され、このことから、トルク指令値に基づいて異常の有無の判定を行おうとすると、速度に基づいて異常の有無の判定を行う場合に比べ、判定のための閾値の設定が難しくなり、誤判定のおそれが上昇するものと考えられる。

【0041】

図８は、図１及び図２に示すロボット１０に走行駆動ユニットについて、走行用モータにおける位置偏差に基づいて異常を検出したときの結果を示している。位置偏差は、制御装置４０に与えられる位置指令値とエンコーダ３８で得たモータ３６の実際の位置との偏差であって、制御部４１から得ることができる。図８に示す結果は、速度の代わりに位置偏差が異常検出装置４２のバンドパスフィルタ４４に入力するようにしたこと以外は図６の場合と同様にして得られた結果である。位置偏差値は、制御装置４０の内部で使用される単位によって示されている。図においては、バンドパスフィルタ処理後の位置偏差の値に関して代表的な点でのＸＹ座標値（Ｘは時刻、Ｙは位置偏差）が示されている。図８に示した結果においても異常品においてＲＭＳ値に脈動が観察された。しかしながら正常品においてもＳＰ値が大きい場合（例えばＳＰ＝１００％）に、ＲＭＳ値に脈動が観察され、このことから、位置偏差に基づいて異常の有無の判定を行おうとすると、速度に基づいて異常の有無の判定を行う場合に比べ、判定のための閾値の設定が難しくなり、誤判定のおそれが上昇するものと考えられる。以上の結果は走行駆動ユニットに関するものであるが、減速機に関しても、モータの速度値に対してハンドパスフィルタ処理を行うことにより、モータに対するトルク指令値あるいはモータでの位置偏差に対してバンドパスフィルタ処理を行う場合に比べ、異常をより正確に検出できるようになると考えられる。

【0042】

以上説明した実施形態では、伝動装置を駆動するモータの速度を求め、モータ速度値に対してバンドパスフィルタ処理を行うことにより、伝送装置における異常、例えば故障などを確実に検出できるようになる。さらに、ＲＭＳ処理などを行うことにより、閾値を設定するだけで簡単に異常を検出できるようになる。加速度センサなどを用いて伝動装置における異常の検出することも可能であるが、本実施形態では、加速度センサなどを用いることなくモータのサーボ制御時に得られる値に基づいて異常の検出を行うので、加速度センサなどを設ける分のコストを削減することができる。本実施形態の異常検出装置４２は、マイクロプロセッサが実行するソフトウェアによって実現できるので、同じくソフトウェアをマイクロプロセッサに実行させることによって実現される一般的なロボットコントローラ（すなわち制御装置４０）との親和性が高く、ソフトウェアの改修だけで既存の制御装置４０に容易に組み込むことができる。また、そのようなロボットコントローラ（制御装置４０）では、エンコーダ３８の出力信号からモータ３６の速度を算出する機構やアルゴリズムが既に備えられていることが多く、そのような場合には、異常検出装置４２において速度演算部４３を別途設ける必要はなく、既存の機構あるいはアルゴリズムからモータ速度を取得するようにすることができる。

【0043】

以上の説明において、異常検出装置４２では、速度値のバンドパスフィルタ処理を行った後に速度値のＲＭＳ（二乗平均平方根）値を求めて閾値を比較し、ＲＭＳ値と閾値との大小関係で異常の有無を判定している。閾値との比較による異常の有無の判定だけであれば、ＲＭＳ演算部４５の平方根演算部４５Ｃは必ずしも必要ではなく、積算部４５Ｂの出力と閾値とを比較するような構成とすることもできる。この場合は、速度値の二乗平均と閾値とを比較していることになり、このとき用いる閾値は、ＲＭＳ値用のものではなくて二乗平均値用のものとされる。すなわち異常検出装置４２では、バンドパスフィルタ処理によって得られる信号から二乗平均または二乗平均平方根を求めて閾値と比較することにより、伝動装置での異常の発生の有無を判定することができる。

【符号の説明】

【0044】

１０…ロボット；１１Ａ，１１Ｂ…第１アーム；１２Ａ，１２Ｂ…第２アーム；１３Ａ，１３Ｂ…ハンド；２１…レール；２２…基台；２３…回転台；２４…昇降機構；２４Ａ…固定部；２４Ｂ…移動部；２５…カバー；２６Ａ，２６Ｂ…アーム支持部；３１…回転軸；３２…共通軸；３３Ａ，３３Ｂ…軸；３４Ａ，３４Ｂ…手首軸；３６…モータ；３７エンコーダ；３８…減速機；３９…負荷；４０…制御装置；４１…制御部；４２…異常検出装置；４３…速度演算部；４４…バンドパスフィルタ；４４Ｌ…ローパスフィルタ；４４Ｈ…ハイパスフィルタ；４５…ＲＭＳ演算部；４５Ａ…二乗演算部；４５Ｂ…積算部；４５Ｃ…平方根演算部；４６…コンパレータ；４７…警報処理部；５０…ワーク。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】