特開 2023-67330 温度制御装置及び温度制御方法

(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】P2023067330

(43)【公開日】2023-05-16

(54)【発明の名称】温度制御装置及び温度制御方法

(51)【国際特許分類】

   B25J 19/00 20060101AFI20230509BHJP

   B25J 9/22 20060101ALI20230509BHJP

   G05B 11/36 20060101ALI20230509BHJP

【ＦＩ】

B25J19/00 M

B25J9/22 Z

G05B11/36 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021178452

(22)【出願日】2021-11-01

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003166

【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】盧 佳晨

【テーマコード（参考）】

3C707

5H004

【Ｆターム（参考）】

3C707LS02

3C707MS03

3C707MS27

3C707MS29

5H004GA29

5H004GB16

5H004HA01

5H004HB01

5H004KA52

5H004KB01

(57)【要約】

【課題】従来に対し、ロボットの発熱をより抑制可能とする。
【解決手段】軌道情報に基づいて、ロボット２の動作を制御する動作制御部１０２と、ロボット２の温度を示す情報を取得する温度情報取得部１０３と、設定温度及び温度情報取得部１０３による取得結果に基づいて、ロボット２の動作を緩和するための動作緩和補正係数を算出する係数算出部１０４と、係数算出部１０４による算出結果に基づいて、ロボット２の軌道情報に対してＰＩＤ制御を行う温度制御部１０５とを備えた。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軌道情報に基づいて、ロボットの動作を制御する動作制御部と、
前記ロボットの温度を示す情報を取得する温度情報取得部と、
設定温度及び前記温度情報取得部による取得結果に基づいて、前記ロボットの動作を緩和するための動作緩和補正係数を算出する係数算出部と、
前記係数算出部による算出結果に基づいて、軌道情報に対してＰＩＤ制御を行う温度制御部と
を備えた温度制御装置。

【請求項2】

前記温度制御部は、前記係数算出部による算出結果に基づいて、軌道情報における動作最高速度の割合を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。

【請求項3】

前記温度制御部は、前記係数算出部による算出結果に基づいて、軌道情報におけるデューティー比の割合を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。

【請求項4】

動作制御部が、軌道情報に基づいて、ロボットの動作を制御するステップと、
温度情報取得部が、前記ロボットの温度を示す情報を取得するステップと、
係数算出部が、設定温度及び前記温度情報取得部による取得結果に基づいて、前記ロボットの動作を緩和するための動作緩和補正係数を算出するステップと、
温度制御部が、前記係数算出部による算出結果に基づいて、軌道情報に対してＰＩＤ制御を行うステップと
を有する温度制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、ロボットに対して発熱抑制を行うように動作を制御する温度制御装置及び温度制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ロボットの発熱量にモータの仕事量を加えて消費電力を算出する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。より具体的には、この方法では、ロボットで使用されるモータの発熱量、及びアンプの発熱量を算出し、更にモータの仕事量を加えることで、消費電力を算出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４５７１２２５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、発熱量は安全面に影響する要素であり、例えば人間協働ロボット等ではダイレクトティーチングを実施する際に人が直接ロボットを触れることがあり、より安全であることが好ましい。よって、ロボットの発熱の抑制に関して更なる改善が求められている。

【0005】

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、ロボットの発熱をより抑制可能な温度制御装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明に係る温度制御装置は、軌道情報に基づいて、ロボットの動作を制御する動作制御部と、ロボットの温度を示す情報を取得する温度情報取得部と、設定温度及び温度情報取得部による取得結果に基づいて、ロボットの動作を緩和するための動作緩和補正係数を算出する係数算出部と、係数算出部による算出結果に基づいて、軌道情報に対してＰＩＤ制御を行う温度制御部とを備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

この発明によれば、上記のように構成したので、従来に対し、ロボットの発熱をより抑制可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係るロボットシステムの構成例を示す図である。

【図2】実施の形態１に係るロボットコントローラの構成例を示す図である。

【図3】実施の形態１に係るロボットコントローラの動作例を示すフローチャートである。

【図4】実施の形態１に係るロボットコントローラの動作例を示す図である。

【図5】従来のロボットコントローラによる制御例（閾値判定オンオフ制御によるロボットの温度の過渡状態の一例）を示す図である。

【図6】実施の形態１に係るロボットコントローラによる制御例（ＰＩＤ制御によるロボットの温度の過渡状態の一例）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係るロボットシステムの構成例を示す図である。
ロボットシステムは、図１に示すように、ロボットコントローラ１、及び、１つ以上の関節軸を有するロボット（ロボットアーム）２を備えている。ロボット２は、関節軸毎にモータ（不図示）を有し、ロボットコントローラ１によりモータが制御されることで動作する。

【0010】

ロボットコントローラ１は、ロボット２が有するモータを制御することで、ロボット２を動作させる。また、ロボットコントローラ１は、ロボット２に対し、ロボット２の発熱を抑えるように動作制御を行う機能（温度制御装置の機能）を有する。
このロボットコントローラ１は、図２に示すように、動作作成部１０１、動作制御部１０２、温度情報取得部１０３、係数算出部１０４及び温度制御部１０５を備えている。

【0011】

なお、ロボットコントローラ１は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

【0012】

動作作成部１０１は、ロボット２に対する軌道情報を生成する。この際、動作作成部１０１は、外部から受付けたロボット２に対する動作条件に基づいて、ロボット２に対する軌道情報を生成する。

【0013】

動作制御部１０２は、動作作成部１０１により生成された軌道情報に基づいて、ロボット２の動作を制御する。
なお、動作作成部１０１により生成された軌道情報に対し、温度制御部１０５により補正が行われた場合には、動作制御部１０２は、温度制御部１０５による補正後の軌道情報に基づいて、ロボット２の動作を制御する。

【0014】

温度情報取得部１０３は、ロボット２の温度を示す情報を取得する。この際、温度情報取得部１０３は、ロボット２に設けられた温度センサ（不図示）により計測された現在の温度（実測値）を示す情報、又は、温度推定部（不図示）により推定された現在の温度（予測値）を示す情報を取得する。

【0015】

係数算出部１０４は、設定温度及び温度情報取得部１０３による取得結果に基づいて、動作緩和補正係数を算出する。動作緩和補正係数は、軌道情報に基づくロボット２の動作を緩和するための係数である。

【0016】

温度制御部１０５は、係数算出部１０４による算出結果に基づいて、動作作成部１０１により生成された軌道情報に対してＰＩＤ制御を行う。この際、温度制御部１０５は、動作緩和補正係数に基づいて、設定温度を超えないように軌道情報における動作最高速度又はデューティー比の割合を制御する。

【0017】

次に、図１，２に示す実施の形態１に係るロボットコントローラ１の動作例について、図３，４を参照しながら説明する。

【0018】

図１，２に示す実施の形態１に係るロボットコントローラ１の動作例では、図３，４に示すように、まず、動作作成部１０１は、外部から受付けたロボット２に対する動作条件に基づいて、ロボット２に対する軌道情報を生成する。

【0019】

この際、まず、ユーザは、外部ＵＩ（ユーザインタフェース）を利用し、ロボット２に対する動作条件を入力する。そして、動作作成部１０１は、ユーザにより入力されたロボット２に対する動作条件を受付ける（ステップＳＴ３０１）。

【0020】

ここで、ロボット２に対する動作条件としては、例えば、動作ポイント（動作ｗａｙｐｏｉｎｔ）、動作最高速度、待機時間（Ｗａｉｔ ｔｉｍｅ）、設定温度、及び、ＰＩＤ制御操作対象が挙げられる。動作ポイントは、ロボット２の先端の移動開始位置となる始点及び移動終了位置となる終点である。動作最高速度は、ロボット２の先端の最高移動速度である。待機時間は、始点又は終点或いはその両方で停止する時間である。設定温度は、通常動作又はダイレクトティーチング等々を実施する場合におけるロボット２の許容温度の範囲であり、目標温度及びマージンから設定可能とする。ＰＩＤ制御操作対象は、ＰＩＤ制御の対象であり、動作最高速度又はデューティー比が挙げられる。デューティー比は、動作時間／サイクルタイムで表される。動作時間は、始点から終点まで移動する時間であり、始点と終点との間の距離と動作最高速度から決まる。サイクルタイムは、動作時間＋待機時間で表され、連続動作における１サイクルの所要時間を指す。
例えば、ユーザは、始点としてポイント（座標）Ａを入力とし、終点としてポイント（座標）Ｂを入力し、動作最高速度としてＣ［ｍ／ｓ］を入力し、Ａ又はＢ或いはその両方に停止する時間を入力し、目標温度及びマージンを入力し、ＰＩＤ制御操作対象を入力する。

【0021】

次いで、動作作成部１０１は、受付けた動作条件に基づいて、ロボット２に対する軌道情報を生成する（ステップＳＴ３０２）。すなわち、動作作成部１０１は、動作条件に基づいて、モーションプロファイル（ロボット２の速度及び先端位置等を含む時系列データ）を生成する。

【0022】

次いで、動作制御部１０２は、動作作成部１０１により生成された軌道情報に基づいて、ロボット２の動作を制御する（ステップＳＴ３０３）。すなわち、動作制御部１０２は、軌道情報が示すデータを指令値として、ロボット２を駆動して制御する。

【0023】

次いで、温度情報取得部１０３（図４に示す温度情報取得プログラム）は、ロボット２の温度を示す情報を取得する（ステップＳＴ３０４）。温度情報取得部１０３は、常時、ロボット２の温度を示す情報の取得を行う。

【0024】

次いで、係数算出部１０４は、設定温度及び温度情報取得部１０３による取得結果に基づいて、動作緩和補正係数を算出する（ステップＳＴ３０５）。

【0025】

ここで、動作緩和補正係数は、下式（１）で表される。式（１）において、ＭＶは動作緩和補正係数を示し、ＰＶは温度取得部により取得された情報が示す温度（現在の温度）を示し、ＳＰは設定温度の上限値（目標温度に対しマージンを取った温度）を示し、Ｐｂは比例帯を示し、Ｔｉは積分時間を示し、Ｔｄは微分時間を示す。なお、ＭＶは、０．１～１．０の数値であり、上限値である１．０の場合には軌道情報に対する補正なしの設計動作となる。ＰＩＤ制御のパラメータ（Ｐｂ，Ｔｉ・ｓ，Ｔｄ・ｓ）のチューニング方法は既存技術を適用可能である。また、係数算出部１０４は、ＭＶが下限値（０．１）を下回る場合には下限値を採用し、ＭＶが上限値（１．０）を上回る場合には上限値を採用する。
ＭＶ＝（１００／Ｐｂ）・｛１＋（１／Ｔｉ・s）＋Ｔｄ・ｓ｝・（ＳＰ－ＰＶ） （１）

【0026】

例えば、ＳＰ＝６０℃、ＰＶ＝５０℃であり、仮にＰｂ＝１００００、Ｔｉ・ｓ＝1、Ｔｄ・ｓ＝１とした場合、ＭＶは下式（２）のようになる。
ＭＶ＝（１００／１００００）・｛１＋（１／１）＋１｝・（６０－５０）＝０．３ （２）

【0027】

次いで、温度制御部１０５は、係数算出部１０４による算出結果に基づいて、動作作成部１０１により生成された軌道情報に対してＰＩＤ制御を行う（ステップＳＴ３０６）。この際、温度制御部１０５は、動作緩和補正係数に基づいて、設定温度を超えないように軌道情報における動作最高速度又はデューティー比の割合を制御する。

【0028】

温度制御部１０５は、動作最高速度の割合を制御する場合には、係数算出部１０４により算出されたＭＶを動作最高速度に乗算して、動作最高速度の書き換えを行うことで、新しい軌道情報を作成する。この際、動作ポイントは変更されない。例えばＭＶ＝０．３である場合、０．３が動作最高速度に乗算されることで、３０％だけ動作最高速度が緩和された新しい軌道情報が作成される。
また、温度制御部１０５は、デューティー比の割合を制御する場合には、上記と同様に、係数算出部１０４により算出されたＭＶをデューティー比に乗算して、デューティー比の書き換えを行うことで、新しい軌道情報を作成する。

【0029】

なお、係数算出部１０４及び温度制御部１０５は、図４に示す減算器１０６及びＰＩＤ温度制御器１０７に相当する。

【0030】

ここで、例えば図５に示すように、従来方式（閾値判定オンオフ制御による不連続な切替え方式）では、複数の熱容量要素による高次遅れの等価むだ時間がある。そのため、従来方式では、過熱と冷熱の繰返しの発生及び不安定状態になる可能性が高く、設定温度を超えてしまう可能性が高い。
なお、図５では、縦軸がロボット２の温度を示し、横軸が時間を示している。また、図５において、符号５１で示される破線に挟まれた範囲は設定温度を示し、符号５２は目標温度を示している。

【0031】

これに対し、実施の形態１に係る温度制御装置では、上記に示したＰＩＤ制御により、例えば図６に示すように、設定温度内での軌道情報を作成可能となる。その後のロボット２の連続動作では、ＰＩＤ制御が常に有効となり、環境温度及び稼働中の条件変化があっても自動的に温度を管理可能となる。
なお、図６では、縦軸がロボット２の温度を示し、横軸が時間を示している。また、図６において、符号６１で示される破線に挟まれた範囲は設定温度を示し、符号６２は目標温度を示している。

【0032】

ここで、ロボット２の制御において、安全面を重視する場合、発熱量の抑制を目的に限定して管理及び操作を実行するべきである。その場合、モータの仕事量はモータの動作変化に応じて即座に変化するのに対し、発熱量及びこれに伴う温度上昇量は、フィードバック制御で調整可能な時定数を伴う現象である。すなわち、仕事量と発熱量は、影響の現れる速さが各段に異なる。また、モータの負荷と発熱量は、単調な物理現象（単調非線形）になる。そこで、実施の形態１に係る温度制御装置では、ＰＩＤ制御のようなダイナミクスを取り込んだ制御方法を採用することで、発熱量を抑制するためのロボット２の動作緩和を可能としている。

【0033】

このように、実施の形態１に係る温度制御装置では、ロボット２に対する設定温度と現在の温度に基づいて動作緩和補正係数を算出し、動作緩和補正係数が１．０未満である場合には、その値に準じて軌道情報における動作最高速度又はデューティー比の割合を制御することで、サイクルタイム等の動作パラメータを修正する。このＰＩＤ制御（ＰＩＤ温度制御）により、ロボット２の温度が設定温度内に抑えられた状態となり、安定する。なお、設定温度内であるか否かについてはシステム上判定する必要はない。また、目標温度に対してマージンを取った温度近傍でロボット２が動作するのであれば、規定された安全性を確保した範囲で、最高（最速）の動作を維持可能となる。

【0034】

以上のように、この実施の形態１によれば、温度制御装置は、軌道情報に基づいて、ロボット２の動作を制御する動作制御部１０２と、ロボット２の温度を示す情報を取得する温度情報取得部１０３と、設定温度及び温度情報取得部１０３による取得結果に基づいて、ロボット２の動作を緩和するための動作緩和補正係数を算出する係数算出部１０４と、係数算出部１０４による算出結果に基づいて、ロボット２の軌道情報に対してＰＩＤ制御を行う温度制御部１０５とを備えた。これにより、実施の形態１に係る温度制御装置は、従来に対し、ロボット２の発熱をより抑制可能となる。

【0035】

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

【符号の説明】

【0036】

１ ロボットコントローラ
２ ロボット
１０１ 動作作成部
１０２ 動作制御部
１０３ 温度情報取得部
１０４ 係数算出部
１０５ 温度制御部
１０６ 減算器
１０７ ＰＩＤ温度制御器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】