Robot control system

本発明は、ロボット制御装置に関し、特にソフトウェアを利用した安価で安全性の高いサーボ電源接続・遮断回路を有したロボット制御装置に関する。

ロボット制御装置のサーボアンプは、ＡＣ／ＤＣコンバータを備えている。 この様なサーボアンプでは、電源投入時にはサーボアンプ内の平滑用コンデンサ（以下、単にコンデンサと記す）に大量の突入電流が流れるので、ロボット制御装置には予備充電回路が用意されている。

サーボアンプ起動時には、予備充電回路内の充電抵抗（以下、単に抵抗と記す）と直列の接点（リレーまたは電磁開閉器）と、起動時に予備充電を行ってから主電源に接続するために、抵抗と直列接点との直列線路に並列な主回路接点を設け、まず、抵抗と直列の接点を閉じ、予備充電を開始して、コンデンサが充電された後に主回路接点を閉じる。

一方、非常停止時にサーボ電源を遮断する際は、予備充電接点、主回路接点を両方とも開にするが、安全のため、接点の溶着故障を検出する必要がある。

従来技術、例えば特許文献１または特許文献２に記載の非常停止回路では、接点の溶着故障を検出する機能を実現するためには、ハードウエアによる回路が用いられていたが、回路が複雑であり、コストも高かった。

図１は、ロボット１とロボット制御装置２の概略電気系統図である。 図１に示す制御部１１は、ロボットの動作を制御するためのＣＰＵおよびその周辺回路を含み、ロボット１があらかじめ定められた作業を行うよう、サーボアンプ１２に指令を与えてロボット１の動作および姿勢を制御する。

また、制御部１１には、教示操作盤１３が接続されており、教示操作盤１３を作業者が操作することで、ロボット１の動作を教示する、あるいは、ロボット制御装置２に対して、各種設定を行うことが可能できる。

サーボアンプ１２は、制御部１１からの指令に基づき、ロボット１の各関節に取り付けられたサーボモータを駆動する。 また、サーボアンプ１２は、それぞれのサーボモータに取り付けられたロータリエンコーダから、回転角および速度に関する帰還情報を信号ライン１５を介して受け取り、これらのサーボモータの制御に必要な情報を、制御部１１に送信する。

サーボ電源接続・遮断回路１４は、ロボット１の起動の要求に応じて、サーボアンプ１２、動力ライン１６を介してロボット１のサーボモータへの動力用電源を投入するか、あるいは、非常停止の要求が発生すると、直ちにサーボモータへの動力用電源の供給を遮断し安全を確保する。

図２は図１に示すサーボアンプ１２内のブロック構成図である。 サーボアンプ１２は、動力源であるＡＣ電源をＤＣ電源に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ２１と、ＤＣ電源を、制御部１１からの指令によって電流制御されたＡＣ電源に変換するインバータ２２を有する。 また、ＡＣ／ＤＣコンバータ２１の出力電圧を平滑化するために大容量の平滑用のコンデンサ２３が設けられている。 インバータ２２にはコンデンサ２３で平滑化されたＤＣ電圧が入力される。

サーボアンプ１２に対してサーボ電源を接続する際、コンデンサ２３の電荷の蓄積が不十分な状態で、電源電圧を直接印加すると、コンデンサ２３に対して、大きな突入電流が流入し、電流路にある電気回路に悪影響を及ぼしたり、一時的な電圧の降下を引き起こしたりするため、電源を接続する前に、抵抗を介してコンデンサ２３に対して予備充電を行うことが一般的である。

図３は、図１に示すサーボ電源接続・遮断回路１４の詳細を示す図であり、図４は、図３に示すサーボ電源接続・遮断回路１４の状態遷移を示す図である。 図３に示すサーボ電源接続・遮断回路１４は、オペレータが非常停止スイッチ３１を押したとき、サーボアンプ１２への動力用電源（以下、サーボ電源と記す）の供給を遮断する機能と、オペレータが非常停止スイッチ３１を解除し、リセットスイッチ３２を押したとき、サーボ電源を接続する機能とを有している。

また、サーボ電源を接続する際、サーボアンプ１２に対して大きな突入電流が流れるのを防ぐために、予備充電を行う機能を有している。

以下にサーボ電源接続・遮断回路１４の詳細を説明する。 図３および図４において、ＫＡ１、ＫＡ２、ＫＡ３はリレーを表し、ＫＭ１、ＫＭ２は電磁接触器を表す。 これらのリレー及び電磁接触器については、常開接点と常閉接点の連動性が保証されている（インターロックがかけられている）ものを使用している。

たとえば、KM1の常閉接点KM1-1が閉じているとき、常開接点であるKM1-4〜KM1-6は開状態であることが保証されている。

最初、これらのリレー（ＫＡ１〜ＫＡ３）および電磁接触器（ＫＭ１、ＫＭ２）はすべてオフ状態である（図4のＳ０の状態）。

このとき、それぞれのリレー、電磁接触器に常開接点の溶着や復帰不良といった故障が無く、常開接点が開いていれば、接点KA2-2、KM1-1、KA3-2、M2-1は閉状態となっている。

この状態で、オペレータが、リセットスイッチ３２を押すと、KA1がオン状態になり、KA1-1、KA1-2が閉じる（図4のＳ１の状態）。 このとき非常停止信号スイッチ３１が閉状態であればこれらの接点を通して、KA2,KA3がオンする（図4のＳ２の状態）。 なお、非常停止スイッチ３２が開状態であればKA2,KA3がオンすることは無い。

KA2，KA3がオンすると、KA2-2、KA3-2は開になるため、KA1はオフ状態になるが、KA2-1及びKA3-1を通して、電流が流れるため、非常停止スイッチ３１が閉状態である間は、KA2，KA3のオン状態は保持される（図4のＳ３の状態）。 このため、リセットスイッチ３２を押す操作は、短時間でよい。

KA2がオン、KA1がオフになると、KM1-3、KM2-3が閉となり、KM1がオンとなる。 このとき、KM1-4〜KM1-6、KA3-4〜KA3-6がそれぞれ閉状態となり、KA3がオンとなっているので、KA3-4〜KA3-6および充電抵抗３５を通して、サーボアンプ１２内のコンデンサ２３に対して、電荷が蓄積されてゆく。 このときの電流は充電抵抗３５によって制限されるため、大きな突入電流が流れることは無い。

投入遅延回路３６は、KA3がオンした時間から、サーボアンプ１２内のコンデンサ２３の電荷が十分に蓄積する時間を経過した後にKA1-3〜KA3-3を介してKM2をオンするように設定されている。 このことにより、KM2-4〜KM2-6がオンした際に突入電流が流れることを防いでいる。

以上の様に、最終的には、KA1のみオフ状態となり、その他のKA2,KA3,KM1,KM2は全てオン状態となり、運転準備が完了する（図4のＳ４の状態）。

非常停止スイッチ３１のボタンが押されると、全ての（ＫＡ１〜ＫＡ３）および電磁接触器（ＫＭ１、ＫＭ２）がオフし、最初の状態（図4のＳ０の状態）に戻る。

万一、最初の状態（Ｓ０）でサーボ電源接続・遅延回路１４を構成するリレーや電磁接触器に常開接点の溶着などの理由で常開接点が復帰できなくなるような不良があれば、KA2-2、KM1-1、KA3-2、M2-1のうち、故障した部品に対応する接点が閉状態とならない。 このため、Ｓ０からＳ１の遷移が起こらず、サーボアンプに電源が供給される状態すなわちＳ３、Ｓ４の状態にならない。 したがって、オペレータが故障に気づくと共に、故障がある状態で、サーボ電源が投入されることが無くなり、安全が確保される。

特開２００４−２３７４１６号公報（明細書の段落番号［００２３］〜［００３７］および図面の図３、４参照）。

特開２００５−１６５７５５号公報（特許請求の範囲の［請求項１］、明細書の段落番号［００２３］〜［００３７］および図面の図１、２参照）。

前述の電源接続・遮断回路により、電源接続・遮断回路の故障に対して、安全性が確保されると共に、予備充電を行うことにより、サーボアンプへの突入電流を抑えることができるが、回路が複雑となり部品点数が増えることにより、コストアップが避けられない。 また、常開・常閉接点の連動性が保証されたリレーは、一般的のリレーに対して、非常に高価であることも、コストアップの要因である。

サーボ電源をオンする前に、電源接続・遮断回路の故障を検出することができるが、一旦オンしてしまうと、オン中に故障検出を行うことができないという課題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電源接続・遮断回路の故障を検出する安価で安全性の高いロボット制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明によるロボット制御装置は、サーボ電源接続・遮断回路の制御にプロセッサを用い、プロセッサから、予備充電用のリレーおよび主回路接続用の電磁接触器に、それぞれ、接続・遮断指令を発するとともに、それぞれの接続・遮断の状態を、プロセッサから監視できるロボット制御装置において、プロセッサから、それぞれの接点が指令通りに開閉するか否かを検出することにより、サーボ電源接続・遮断回路に故障が有るか無いかをチェックすることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明によるロボット制御装置は、プロセッサと、ＡＣ／ＤＣコンバータを有するサーボアンプと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ内の平滑用のコンデンサへの充電時の突入電流を防ぐための抵抗と、該抵抗に直列に接続された第１接点と、前記プロセッサからの指令により前記第１接点を開閉する第１開閉回路と、前記第１接点の開閉状態を検出し、前記プロセッサに通知する第１検出回路と、前記抵抗及び第１接点に並列に設けた第２接点と、前記プロセッサからの指令により前記第２接点を開閉する第２開閉回路と、前記第２接点の開閉状態を検出し、前記プロセッサに通知する第２検出回路とを備え、前記コンデンサの充電時には、前記第１接点を閉じて前記コンデンサを充電した後、前記第２接点を閉じる動作行うロボット制御装置において、前記プロセッサより前記第１開閉回路及び第２開閉回路に夫々前記第１接点及び第２接点の開閉を指令し、前記第１検出回路及び第２検出回路により、夫々前記第１接点及び第２接点が指令通り開閉するか否かを検出することにより、前記第１接点及び第２接点の異常チェックを行う機能を有し、該機能を用いて前記第１接点を通しての通電電力によって、ロボットが動作している間或いはロボットが動作可能な状態にある間に、前記第２接点の異常チェックを行うことを特徴とする。

本発明により、予備充電用リレーの接点と主回路用電磁接触器の接点の開閉を意図的に行い、予備充電用リレーと主回路用電磁接触器の動作チェックをサーボアンプの電源がオン中にも実施することが可能となり、安価で安全性の高いサーボ電源接続・遮断回路を有したロボット制御装置を提供することができる。

図５は、本発明によるサーボ電源接続・遮断回路の第一実施形態を示す図である。 図５に示すように、サーボ電源接続・遮断回路５０にはプロセッサ５１とサーボアンプ５２が接続されている。 非常停止スイッチ、リセットスイッチ、予備充電用リレーKA1の接点KA1-0および主回路用電磁接触器KM1の接点KM1-0は、入力回路５３に接続され、これらのスイッチおよび接点の状態をプロセッサ５１から読み取ることができる。 予備充電用リレーKA1の接点KA1-1および充電抵抗５５を通して、サーボアンプ１２内のコンデンサに電荷が蓄積される。

また、プロセッサ５１から指令され出力回路５４から出力される信号ラインは予備充電用リレーKA1を励磁するコイルおよび主接点用電磁接触器KM1を励磁するコイルに接続され、プロセッサ５１から予備充電用リレーKA1および主接点用電磁接触器KM1の各接点の開閉を制御可能となっている。

まず、サーボ電源投入の際にサーボ電源接続・遮断回路５０の故障をチェックする方法について図６を用いて説明する。

図６はサーボ電源投入の際のシーケンスを示すタイムチャートである。

最初、サーボ電源投入の際、予備充電用リレーKA1及び電磁接触器KM1はすべてオフ状態である。 このとき、リレーKA1の常開接点KA1-1、電磁接触器KM1の常開接点KM1-1に溶着や復帰不良といった故障が無く、常開接点KA1-1、KM1-1が開いていれば、リレーKA1の常閉接点KA1-0および電磁接触器KM１の常閉接点KM1-0は、閉状態となっている。 これらの常閉接点KA1-0、KM1-0の状態は、それぞれ入力回路５３内の予備充電リレーモニタ入力および主接点モニタ入力を通してプロセッサ５１から読み取ることができるので、プロセッサ５１は、予備充電用リレーKA1及び電磁接触器KM1に故障が無いことを判断できる。

この状態で、オペレータが、リセットスイッチを押すと、プロセッサ５１は入力回路５３を通してリセットスイッチが押されたことを検出する。 このとき、非常停止信号スイッチが閉状態であり、かつ予備充電リレーモニタ入力および主接点モニタ入力が共にオン、すなわち接点閉の状態であることが入力回路５３を通して読み取れた場合にのみ、プロセッサ５１は予備充電用リレーKA1にオンの指示を出す（ｔ１のタイミング）。

プロセッサ５１は、予備充電用リレーKA1をオンすることに引き続き、一定時間後もしくは、サーボアンプ５２内部のコンデンサの電荷が十分に蓄積されたことを検出した後に、主回路用電磁接触KM1に対してオンの指示を出す（ｔ２のタイミング）。

ｔ２のタイミング以降は、予備充電リレーモニタ入力および主接点モニタ入力が共にオフ状態となることを、プロセッサ５１が読み取ることにより、入力回路５３に故障が無いことを確認する。

次に、サーボ電源を投入した後に、サーボ電源接続・遮断回路５０の故障をチェックする方法について図７を用いて説明する。

図７は、サーボ電源投入後のサーボ電源接続・遮断回路の第一故障チェック方法を示すタイムチャートである。 サーボ電源投入後は、予備充電用リレーKA1及び電磁接触器KM1はともにオン状態である。 この状態で、プロセッサ５１から、それぞれに対して、オフ指令を発する（ｔ３のタイミング）。 このとき、それぞれのリレーKA1、電磁接触器KM１に常開接点KA1-1、KM1-1の溶着や復帰不良といった故障が無く、常開接点KA1-1、KM1-1が開けば、リレーKA1および電磁接触器KM１の常閉接点KA1-0、KM1-0は、閉状態となる。 常閉接点KA1-0、KM1-0の状態は、それぞれ予備充電リレーモニタ入力および主接点モニタ入力を通してプロセッサ５１から読み取ることができるので、プロセッサ５１は、予備充電用リレーKA1及び電磁接触器KM１に故障が無いことを確認する。

その後、直ちに、予備充電用リレーKA1及び電磁接触器KM１に対してオン指令を発し、予備充電用リレーKA1及び電磁接触器KM１はオン状態に戻る（ｔ４のタイミング）。 予備充電用リレーKA1及び電磁接触器KM１がオフの間は、サーボアンプ５２に対して電力の供給がされないことになるが、その時間は、数10ミリ秒と非常に短時間であり、その間は、サーボアンプ５２の中のコンデンサの充電電力にて動作を継続することにより、ロボットの動作への影響はほとんど無視できる。

このような、故障チェックは、プロセッサ５１からの指示で実施できるため、消費電力が大きく、電力供給を止める影響が出やすい動作をしている時間を避けて実施することが可能である。 一例として、故障チェックは、ロボットの各軸にブレーキをかけて、サーボモータへのトルクの供給を止めた状態で実施することや、ロボットが作業と作業の合間で休止している状態で実施することなどの方法がある。

図８は、サーボ電源投入後のサーボ電源接続・遮断回路の第二故障チェック方法を示すタイムチャートである。 これまでの例では、予備充電用リレーKA1と電磁接触器KM1の故障チェックを同時に行ったが、予備充電用リレーKA1と電磁接触器KM1の故障チェックのタイミングを別々に設定することにより、サーボアンプ５２への電力供給を完全に停止させることなく、故障チェックを実施することもできる。 この実施例について図８を用いて以下に説明する。

サーボ電源投入後は、予備充電用リレーKA1及び電磁接触器KM1はともにオン状態である。 この状態で、プロセッサ５１から、まず予備充電用リレーKA1に対して、オフ指令を発する（ｔ５のタイミング）。 このとき、予備充電リレーKA1に常開接点KA1-1の溶着や復帰不良といった故障が無く、常開接点KA1-1が開けば、予備充電リレーKA1の常閉接点KA1-0は、閉状態となる。 予備充電リレーKA1の常閉接点KA1-0の状態は、予備充電リレーモニタ入力を通してプロセッサ５１から読み取ることができるので、プロセッサ５１は、予備充電用リレーKA1に故障が無いことを確認する。 プロセッサ５１は、その後、直ちに、予備充電用リレーKA1に対してオン指令を発し、予備充電用リレーKA1及び電磁接触器KM1はオン状態に戻る。 （ｔ６のタイミング）
プロセッサ５１は次に電磁接触器KM1に対して、オフ指令を発する（ｔ７のタイミング）。 このとき、電磁接触器KM1に常開接点KM1-1の溶着や復帰不良といった故障が無く、常開接点KM1-1が開けば、電磁接触器KM１の常閉接点KM1-0は、閉状態となる。 電磁接触器KM１の常閉接点KM1-0の状態は、主接点モニタ入力を通してプロセッサ５１から読み取ることができるので、プロセッサ５１は、電磁接触器KM1に故障が無いことを確認する。 その後、直ちに、電磁接触器KM1に対してオン指令を発し、電磁接触器KM1はオン状態に戻る（ｔ８のタイミング）。

このタイミングに従えば、予備充電用リレーKA1がオフしているときは、主回路用の電磁接触器KM1を通してサーボアンプ５２に電力が供給され、また、主回路用の電磁接触KM1がオフしているときには、予備充電用リレーKA1を通してサーボアンプ５２に電力が供給されるため、故障チェックによるロボット動作への影響を最小限に抑えることが可能となる。 ここでは、先に予備充電用リレーKA1をチェックし、後で電磁接触器KM1をチェックしたが、逆順でも全く同様である。

なお理解を容易にするため、上述した第一実施形態では、電磁接触器１個の場合について説明したが、従来技術で説明した回路と同様に、電磁接触器を２重化した回路においても本発明は実施可能である。

図９は本発明によるサーボ電源接続・遮断回路の第二実施形態を示す図である。 第二実施形態は図５に示す第一実施形態と比して電磁接触器を二重に設けた点が異なる。 この第二実施形態のサーボ電源接続・遮断回路９０では、図５に示すサーボ電源接続・遮断回路５０に加えて、第２の電磁接触器KM2を設け、第１のプロセッサ９１とは別の第２のプロセッサ９１Ａから制御する。 非常停止スイッチは２重接点のものを使用し、第１の接点、第２の接点を有する。

非常停止スイッチの第１の接点、リセットスイッチ、予備充電用リレーKA1の接点KA1-0および主回路用電磁接触器KM1の接点KM1-0は、入力回路９３に接続され、これらのスイッチおよび接点の状態をプロセッサ９１から読み取ることができる。 予備充電用リレーKA1の接点KA1-1および充電抵抗９５を通して、サーボアンプ１２内のコンデンサに電荷が蓄積される。

また、プロセッサ９１から指令され出力回路９４から出力される信号ラインは予備充電用リレーKA1を励磁するコイルおよび主接点用電磁接触器KM1を励磁するコイルに接続され、プロセッサ９１から予備充電用リレーKA1および主接点用電磁接触器KM1の各接点の開閉を制御可能となっている。

第２プロセッサ９１Ａから制御するのは、第１プロセッサ９１または第２プロセッサ９１Ａの何れか１個のプロセッサの故障によって、非常停止などの安全機能が損なわれない様にする配慮であり、一般的に実施されている方法である。 このような場合においても、それぞれのプロセッサ９１、９１Ａで本発明に基づくチェックを行うことが可能である。

非常停止スイッチの第２の接点および主回路用電磁接触器KM2の接点KM2-0は、入力回路９３Ａに接続され、これらのスイッチおよび接点の状態をプロセッサ９１Ａから読み取ることができる。

また、プロセッサ９１Ａから指令され出力回路９４Ａから出力される信号ラインは主接点用電磁接触器KM2を励磁するコイルに接続され、プロセッサ９４Ａから電磁接触器KM2の接点の開閉を制御可能となっている。

また、安全を確保しつつ、故障チェックによるロボット動作への影響を最小限にするために、サーボ電源投入後は、KA1とKM1についてのみ図８で示した故障チェックを行い、KM2については、サーボ電源投入後の故障チェックを実施しない方式としてもよい。

ロボットとロボット制御装置の概略電気系統図である。

図１に示すサーボアンプ内のブロック構成図である。

図１に示すサーボ電源接続・遮断回路の詳細を示す図である。

図３に示すサーボ電源接続・遮断回路の状態遷移を示す図である。

本発明によるサーボ電源接続・遮断回路の第一実施形態を示す図である。

サーボ電源投入の際のシーケンスを示すタイムチャートである。

サーボ電源投入後のサーボ電源接続・遮断回路の第一故障チェック方法を示すタイムチャートである。

サーボ電源投入後のサーボ電源接続・遮断回路の第二故障チェック方法を示すタイムチャートである。

本発明によるサーボ電源接続・遮断回路の第二実施形態を示す図である。

符号の説明

５０、９０ サーボ電源接続・遮断回路 ５１、９１、９１Ａ プロセッサ ５２、９２ サーボアンプ ５３、９３ 入力回路 ５４、９４ 出力回路 ５５、９５ 充電抵抗 ＫＡ１ リレー ＫＭ１、ＫＭ２ 電磁接触器