JP7810049B2 - 制御装置およびロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、制御装置およびロボットシステムに関する。

近年、工場では人件費の高騰や人材不足により、ロボットアームを有するロボットによって製造、加工、組み立てなどの作業が行われるようになり、人手で行われてきた作業の自動化が加速している。また、ロボットは、省電力で駆動することが求められている。

例えば特許文献１に記載されているロボットのロボット制御装置は、ロボットアームを駆動するモーターで生じる回生電力を蓄電する平滑コンデンサーを有する。回生電力を平滑コンデンサーに蓄電し、例えばＤＣファンの駆動用に用いている。

特開２００６－２８００７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のロボット制御装置では、蓄電した回生電力を、断続的に電力を消費するＤＣファンに供給する構成であるため、電力を消費するタイミングに合わせて放電する必要があり、制御や構成が複雑になってしまう。このように、簡単な構成で回生電力を有効活用するのは難しい。

本発明の制御装置は、ロボットアームのモーターの駆動を制御する制御装置であって、
交流電源から電力を供給する端子と、
前記モーターとの間で電力を入出力する複数の入出力端子と、
前記端子から入力される交流電流を直流電流に変換して出力する第１コンバーター回路部と、
前記第１コンバーター回路部から出力される直流電流を交流電流に変換して複数の前記入出力端子に出力するとともに、前記モーターからの回生電力が複数の前記入出力端子から入力される駆動回路部と、
前記駆動回路部と並列接続されて前記駆動回路部から前記回生電力が入力され、前記回生電力の電圧値がしきい値を超えた場合、電力を消費する放電抵抗部と、
前記第１コンバーター回路部と並列接続され、前記端子から入力される交流電流を直流電流に変換して出力する第２コンバーター回路部と、
前記第２コンバーター回路部から出力される電流の電圧を降圧して出力する第１降圧回路部と、
前記第１降圧回路部から出力される直流電流により作動し、前記駆動回路部を制御する通電制御回路部と、
前記放電抵抗部と接続し、前記回生電力の直流電流を前記第１降圧回路部に出力する回生ダイオードを有する回生電力供給部と、を備えることを特徴とする。

本発明のロボットシステムは、
ロボットアームを有するロボットと、
前記ロボットアームの駆動を制御する、本発明の制御装置と、を備えることを特徴とする。

図１は、本発明の制御装置を備えるロボットシステムの全体構成を示す図である。 図２は、図１に示すロボットシステムのブロック図である。 図３Ａは、図１に示す制御装置の回路図である。 図３Ｂは、図３Ａに示すコンパレーターの回路図である。 図４は、図１に示すモーターからの回生電力の電圧のしきい値と、第１降圧回路部に入力される電力の電圧値との関係の一例を示す図である。 図５は、図１に示すモーターからの回生電力の電圧のしきい値と、第１降圧回路部に入力される電力の電圧値との関係の一例を示す図である。 図６は、図１に示すモーターからの回生電力の電圧のしきい値と、第１降圧回路部に入力される電力の電圧値との関係の一例を示す図である。 図７は、図１に示す制御装置の回路図の変形例である。

以下、本発明の制御装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜実施形態＞
図１は、本発明の制御装置を備えるロボットシステムの全体構成を示す図である。図２は、図１に示すロボットシステムのブロック図である。図３Ａは、図１に示す制御装置の回路図である。図３Ｂは、図３Ａに示すコンパレーターの回路図である。図４は、図１に示すモーターからの回生電力の電圧のしきい値と、第１降圧回路部に入力される電力の電圧値との関係の一例を示す図である。図５は、図１に示すモーターからの回生電力の電圧のしきい値と、第１降圧回路部に入力される電力の電圧値との関係の一例を示す図である。図６は、図１に示すモーターからの回生電力の電圧のしきい値と、第１降圧回路部に入力される電力の電圧値との関係の一例を示す図である。図７は、図１に示す制御装置の回路図の変形例である。

なお、以下では、説明の便宜上、ロボットアーム１０については、図１中の基台１１側を「基端」、その反対側、すなわちエンドエフェクター２０側を「先端」とも言う。

図１に示すように、本発明のロボットシステム１００は、ロボット１と、ロボット１を制御する制御装置３と、教示装置４と、を備える。

まず、ロボット１について説明する。
図１に示すロボット１は、本実施形態では単腕の６軸垂直多関節ロボットであり、基台１１と、ロボットアーム１０と、を有する。また、ロボットアーム１０の先端部にエンドエフェクター２０を装着することができる。なお、エンドエフェクター２０は、ロボット１の構成要件であってもよく、ロボット１とは別部材、すなわち、ロボット１の構成要件でなくてもよい。

なお、ロボット１は、図示の構成に限定されず、例えば、双腕型の多関節ロボットであってもよい。また、ロボット１は、水平多関節ロボットであってもよい。

基台１１は、ロボットアーム１０をその基端側において、かつ駆動可能に支持する支持体であり、例えば工場内の床に固定されている。ロボット１は、基台１１が中継ケーブルを介して制御装置３と電気的に接続されている。なお、ロボット１と制御装置３との接続は、図１に示す構成のように有線による接続に限定されず、例えば、無線による接続であってもよい。また、ロボット１と制御装置３とは、インターネット等のネットワークを介して接続されていてもよい。

本実施形態では、ロボットアーム１０は、第１アーム１２と、第２アーム１３と、第３アーム１４と、第４アーム１５と、第５アーム１６と、第６アーム１７とを有し、これらのアームが基台１１側からこの順に連結されている。なお、ロボットアーム１０が有するアームの数は、６つに限定されず、例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、５つまたは７つ以上であってもよい。また、各アームの全長等の大きさは、それぞれ、特に限定されず、適宜設定可能である。

基台１１と第１アーム１２とは、関節１７１を介して連結されている。そして、第１アーム１２は、基台１１に対し、鉛直方向と平行に延びる第１回動軸を回動中心とし、その第１回動軸回りに回動可能となっている。第１回動軸は、基台１１が固定される床の床面の法線と一致している。

第１アーム１２と第２アーム１３とは、関節１７２を介して連結されている。そして、第２アーム１３は、第１アーム１２に対し、水平方向に延びる第２回動軸を回動中心として回動可能となっている。第２回動軸は、第１回動軸に直交する軸と平行である。

第２アーム１３と第３アーム１４とは、関節１７３を介して連結されている。そして、第３アーム１４は、第２アーム１３に対し、水平方向に延びる第３回動軸を回動中心として回動可能となっている。第３回動軸は、第２回動軸と平行である。

第３アーム１４と第４アーム１５とは、関節１７４を介して連結されている。そして、第４アーム１５は、第３アーム１４に対し、第３アーム１４の中心軸方向と平行な第４回動軸を回動中心として回動可能となっている。第４回動軸は、第３回動軸と直交している。

第４アーム１５と第５アーム１６とは、関節１７５を介して連結されている。そして、第５アーム１６は、第４アーム１５に対し、第５回動軸を回動中心として回動可能となっている。第５回動軸は、第４回動軸と直交している。

第５アーム１６と第６アーム１７とは、関節１７６を介して連結されている。そして、第６アーム１７は、第５アーム１６に対し、第６回動軸を回動中心として回動可能となっている。第６回動軸は、第５回動軸と直交している。

また、第６アーム１７は、ロボットアーム１０の中で最も先端側に位置するアームである。この第６アーム１７は、ロボットアーム１０の駆動により、エンドエフェクター２０ごと変位することができる。

図１に示すエンドエフェクター２０は、ワークまたは工具を把持することができる把持部を有する構成である。第６アーム１７にエンドエフェクター２０を装着した状態では、エンドエフェクター２０の先端部は、ツールセンターポイントＴＣＰとなる。

ロボット１は、駆動部としてのモーターＭ１、モーターＭ２、モーターＭ３、モーターＭ４、モーターＭ５およびモーターＭ６と、エンコーダーＥ１、エンコーダーＥ２、エンコーダーＥ３、エンコーダーＥ４、エンコーダーＥ５およびエンコーダーＥ６とを備える。モーターＭ１は、関節１７１に内蔵され、基台１１に対し第１アーム１２を前記第１回動軸回りに回転させる。モーターＭ２は、関節１７２に内蔵され、第１アーム１２と第２アーム１３とを前記第２回動軸回りに相対的に回転させる。モーターＭ３は、関節１７３に内蔵され、第２アーム１３と第３アーム１４とを前記第３回動軸回りに相対的に回転させる。モーターＭ４は、関節１７４に内蔵され、第３アーム１４と第４アーム１５とを前記第４回動軸回りに相対的に回転させる。モーターＭ５は、関節１７５に内蔵され、第４アーム１５と第５アーム１６とを前記第５回動軸回りに相対的に回転させる。モーターＭ６は、関節１７６に内蔵され、第５アーム１６と第６アーム１７とを前記第６回動軸回りに相対的に回転させる。各モーターＭ１～Ｍ６は、三相交流により駆動する三相モーターである。

また、エンコーダーＥ１は、関節１７１に内蔵され、モーターＭ１の位置を検出する。エンコーダーＥ２は、関節１７２に内蔵され、モーターＭ２の位置を検出する。エンコーダーＥ３は、関節１７３に内蔵され、モーターＭ３の位置を検出する。エンコーダーＥ４は、関節１７４に内蔵され、モーターＭ４の位置を検出する。エンコーダーＥ５は、第５アーム１６に内蔵され、モーターＭ５の位置を検出する。エンコーダーＥ６は、第６アーム１７に内蔵され、モーターＭ６の位置を検出する。なお、ここで言う「位置を検出」とは、モーターの回転角すなわち正逆を含む回転量および角速度を検出することを言い、当該検出された情報を「位置情報」と言う。

図２に示すように、モータードライバーＤ１～モータードライバーＤ６は、それぞれ、対応するモーターＭ１～モーターＭ６に接続され、該モーターの駆動を制御する。モータードライバーＤ１～モータードライバーＤ６は、それぞれ、関節１７１、関節１７２、関節１７３、関節１７４、第５アーム１６および第６アーム１７に内蔵されている。

エンコーダーＥ１～エンコーダーＥ６、モーターＭ１～モーターＭ６およびモータードライバーＤ１～モータードライバーＤ６は、それぞれ、制御装置３と電気的に接続されている。エンコーダーＥ１～エンコーダーＥ６で検出されたモーターＭ１～モーターＭ６の位置情報、すなわち、回転量等は、制御装置３に電気信号として送信される。そして、この位置情報に基づいて、制御装置３の電力制御回路１０Ａにおける通電制御回路部７４は、図２に示すモータードライバーＤ１～モータードライバーＤ６に制御信号を出力し、モーターＭ１～モーターＭ６への通電を制御してモーターＭ１～モーターＭ６を所望に駆動する。すなわち、ロボットアーム１０を制御するということは、モーターＭ１～モーターＭ６の駆動を制御して、ロボットアーム１０に属する第１アーム１２～第６アーム１７の作動を制御することである。

ロボットアーム１０の先端部には、エンドエフェクター２０を着脱可能に装着することができる。本実施形態では、エンドエフェクター２０は、互いに接近離間可能な一対の爪部を有し、各爪部によりワークまたは工具を把持、解除するハンドで構成される。なお、エンドエフェクター２０としては、図示の構成に限定されず、例えば吸着部を有し、該吸着部の吸着によりワークまたは工具を把持する構成のものであってもよい。また、エンドエフェクター２０としては、例えば、研磨機、研削機、切削機、スプレーガン、レーザー光照射器、ドライバー、レンチ等の工具であってもよい。

次に、制御装置３および教示装置４について説明する。
図１に示すように、制御装置３は、本実施形態では、ロボット１と離れた位置に設置されている。ただし、この構成に限定されず、制御装置３は、基台１１に内蔵されていてもよい。また、制御装置３は、ロボット１の駆動を制御する機能を有し、前述したモーターＭ１～モーターＭ６、交流電源６１、その他ロボットの各部と電気的に接続されている。制御装置３は、制御部３１と、記憶部３２と、通信部３３と、を有する。これらの各部は、例えばバスを介して相互に通信可能に接続されている。

制御部３１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成され、記憶部３２に記憶されている動作プログラム等の各種プログラムを読み出し、実行する。制御部３１で生成された信号は、通信部３３を介してロボット１の各部に送信され、ロボット１の各部からの信号は、通信部３３を介して制御部３１で受信される。これにより、ロボットアーム１０が所定の作業を所定の条件で実行することができる。

記憶部３２は、制御部３１で実行される各種プログラム等を保存する。記憶部３２としては、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリー、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性メモリー、着脱式の外部記憶装置等を有する構成のものが挙げられる。

通信部３３は、例えば有線ＬＡＮ（Local Area Network）、無線ＬＡＮ等の外部インターフェースを用いて制御装置３との間で信号の送受信を行う。この場合、図示しないサーバーを介して通信を行ってもよく、また、インターネット等のネットワークを介して通信を行ってもよい。

図１および図２に示すように、教示装置４は、教示を行うためのコマンド装置であり、表示部であるディスプレイ４０を有する。このディスプレイ４０は、ロボットアーム１０に対して動作プログラムの教示を行う操作部でもある。すなわち、動作プログラムを作成したり、入力したりする機能を有する。ディスプレイ４０は、タッチパネルで構成されており、作業者が指またはタッチペンで操作を行うことにより教示に関する各種操作や情報の入力が行われる。ディスプレイ４０は、例えば、液晶、有機ＥＬ等により構成され、各種画面をカラーまたはモノクロで表示することができる。また、ディスプレイ４０におけるタッチパネルの方式としては、感圧方式、静電容量方式のいずれであってもよい。

教示装置４は、制御部４１と、記憶部４２と、通信部４３と、を有する。
制御部４１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の少なくとも１つのプロセッサーで構成され、記憶部４２に記憶されている教示プログラム等の各種プログラムを読み出し、実行する。また、制御部４１は、ディスプレイ４０の作動を制御する機能を有する。具体的には、制御部４１は、ディスプレイ４０に長方形の操作画面を表示し、所望箇所のタッチ等により操作画面から入力された情報に基づいてロボット１の動作プログラムを生成する。制御部４１で生成された動作プログラムは、記憶部４２に記憶され、通信部４３を介して制御装置３に送信される。これにより、制御装置３を介してロボットアーム１０に所定の作業を所定の条件で実行させるプログラムを指定することができる。

記憶部４２は、制御部４１が実行可能な各種プログラム等を保存する。記憶部４２としては、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリー、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性メモリー、着脱式の外部記憶装置等を有する構成のものが挙げられる。また、記憶部４２には、制御部４１が作成した動作プログラムが記憶される。

通信部４３は、例えば有線ＬＡＮ（Local Area Network）、無線ＬＡＮ等の外部インターフェースを用いて制御装置３との間で信号の送受信を行う。この場合、図示しないサーバーを介して通信を行ってもよく、また、インターネット等のネットワークを介して通信を行ってもよい。通信部４３は、記憶部４２に記憶された動作プログラムに関する情報を制御装置３に送信する。また、通信部４３は、記憶部３２に記憶された情報を受信し、記憶部４２に記憶することもできる。

次に、図３Ａを参照しつつ、ロボットシステム１００の制御装置３について詳細に説明する。制御装置３は、制御部３１を有し、制御部３１は、電力制御回路１０Ａを有する。電力制御回路１０Ａは、入力端子（端子）６２Ａと、ノイズ除去コンデンサー６０Ａと、突入防止抵抗部６０Ｂと、第１コンバーター回路部６２と、第１コンバーター回路部６２の出力側に電気的に接続された回生コンデンサー６３と、駆動回路部６４と、入出力端子６２Ｂと、放電抵抗部６５と、電位検出部６６と、スイッチ６７と、コンパレーター６８と、第２コンバーター回路部７１と、力率改善回路部７２と、第１降圧回路部７３と、通電制御回路部７４と、第２降圧回路部７５と、回生電力供給部７６と、を有する。なお、接続との表現には、端子同士の直接接続だけでなく、電線などを介して端子同士を接続する場合も含む。

交流電源６１は、例えば２００Ｖの交流電源である。交流電源６１が出力する電力、すなわち電気エネルギーは、入力端子６２Ａ、ノイズ除去コンデンサー６０Ａ、および突入防止抵抗部６０Ｂを経て、第１コンバーター回路部６２に入力される。入力端子６２Ａは、交流電源６１から電力が供給される端子であり、交流電流が入力される。図３Ａに示すように、２つの入力端子６２Ａは、後述する第１コンバーター回路部６２とそれぞれ電線で接続される。下側の入力端子６２Ａから第１コンバーター回路部６２までを接続する電線は、低電位電線であり、上側の入力端子６２Ａから第１コンバーター回路部６２までを接続する電線は、低電位電線よりも高電位となる高電位電線である。また、２つの入力端子６２Ａは、後述する第２コンバーター回路部７１とそれぞれ電線で接続される。下側の入力端子６２Ａから第２コンバーター回路部７１までを接続する電線は低電位電線であり、上側の入力端子６２Ａから第２コンバーター回路部７１までを接続する電線は、低電位電線よりも高電位となる高電位電線である。本実施形態では、低電位電線にはそれぞれアースが接続されている。

ノイズ除去コンデンサー６０Ａは、２つのコンデンサーが直列に接続されており、これらのコンデンサーの間にアースが接続されている。このノイズ除去コンデンサー６０Ａを経ることにより、交流電源６１が出力する電力のノイズが除去され、安定した電力供給が可能となる。

突入防止抵抗部６０Ｂは、高電位電線に設けられ、抵抗と、抵抗を迂回するスイッチを有し、突入電流が流れるのを阻止する。制御装置３の起動時などには、回生コンデンサー６３などに蓄電するために、突入電流といわれる過大な電流が生じる。そのため、制御装置３の起動時などには、スイッチがＯＦＦとなり、電流が抵抗に流れ、電力を消費することで第１コンバーター回路部６２などに突入電流が流れるのを阻止する。これにより、安全性を高めることができる。一方、制御装置３が起動した後には、コンデンサーなどに電力が蓄えられ、突入電流は生じないため、スイッチがＯＮとなり、電流が抵抗に流れず、抵抗による電力の消費を抑制できる。

第１コンバーター回路部６２は、ダイオードを用いたブリッジ整流回路であり、交流電源６１からノイズ除去コンデンサー６０Ａおよび突入防止抵抗部６０Ｂを経て入力される交流電流を直流電流に変換して出力する。

第１コンバーター回路部６２の出力側には、回生コンデンサー６３が接続されている。回生コンデンサー６３は、モーターＭ１～モーターＭ６で発電された回生電力が蓄電される。また、回生コンデンサー６３は、平滑用コンデンサーとしても機能し、第１コンバーター回路部６２から出力される電圧を平滑化する。

また、駆動回路部６４は、モータードライバーＤ１～モータードライバーＤ６を有する。モータードライバーＤ１～モータードライバーＤ６は、それぞれ、６つのスイッチング素子を含むインバーター回路を有している。モータードライバーＤ１～モータードライバーＤ６は、それぞれ、ＰＷＭ制御を行い、第１コンバーター回路部６２から出力される直流電流を交流電流、本実施形態では三相交流に変換し、入出力端子６２Ｂを介して対応するモーターＭ１～モーターＭ６のそれぞれに選択的に供給する。また、モーターＭ１～モーターＭ６は後述する回生電力を生じ、この回生電力は、入出力端子６２Ｂを介してモータードライバーＤ１～モータードライバーＤ６に入力される。なお、駆動回路部６４からモーターＭ１～モーターＭ６のそれぞれに出力する電力の大きさやタイミングは、通電制御回路部７４により設定される。図３Ａに示すように、駆動回路部６４の２つの端子は、第１コンバーター回路部６２とそれぞれ電線で接続される。駆動回路部６４の下側端子から第１コンバーター回路部６２までを接続する電線は、低電位電線であり、駆動回路部６４の上側端子から第１コンバーター回路部６２までを接続する電線は、低電位電線よりも高電位となる高電位電線である。本実施形態では、低電位電線にはアースが接続されている。

また、駆動回路部６４からモーターＭ１～モーターＭ６に出力する端子が、それぞれ、入出力端子６２Ｂである。入出力端子６２Ｂを通じて、モータードライバーＤ１～モータードライバーＤ６とモーターＭ１～モーターＭ６との間で電力が入出力される。各モーターＭ１～モーターＭ６は三相モーターであるため、モーター１つにつき３つの入出力端子６２Ｂが設けられる。

モーターＭ１～モーターＭ６を駆動することにより、ロボットアーム１０が駆動し、変位するが、モーターＭ１～モーターＭ６への通電を停止してロボットアーム１０の変位を急激に減速または停止しようとすると、変位途中のロボットアーム１０は、その慣性力により瞬時には停止せず、モーターＭ１～モーターＭ６に逆起電力、すなわち回生電力を生じる。

モーターＭ１～モーターＭ６は、それぞれ独立して回生電力を生じる。以下説明する「回生電力」は、モーターＭ１～モーターＭ６でそれぞれ生じた回生電力の合計の電力のことを言う。

放電抵抗部６５は、駆動回路部６４と並列で接続され、モーターＭ１～モーターＭ６を減速させるために通電を停止する際、すなわち、モーターＭ１～モーターＭ６の回生を行う際に、モーターＭ１～モーターＭ６で生成された回生エネルギーとしての回生電力を熱に変換して消費する。回生とは、モーターＭ１～モーターＭ６のような駆動源が、急激な減速時に逆起電力を発生するように駆動源を作動させること、すなわち、駆動源を発電機として作動させることである。

モーターＭ１～モーターＭ６を駆動する際、通電制御回路部７４が、交流電源６１からの電力で作動して駆動回路部６４を制御し、所定のタイミング、所定の周波数、所定の電圧でモーターＭ１～モーターＭ６に交流、特に三相交流を通電する。一方、モーターＭ１～モーターＭ６の駆動を停止する際には、通電制御回路部７４が駆動回路部６４を制御して、モーターＭ１～モーターＭ６への通電を停止する。この際、前述したようにモーターＭ１～モーターＭ６では逆起電力が生じ、その電力が回生コンデンサー６３に蓄電される。そして、回生コンデンサー６３の容量を超えた場合、残余の電力が放電抵抗部６５にて熱に変換され、放電抵抗部６５が発熱し、放熱される。

また、放電抵抗部６５には、直列でスイッチ６７が接続されている。スイッチ６７がＯＮ状態のときには、放電抵抗部６５に電力が供給される状態となり、スイッチ６７がＯＦＦ状態のときには、放電抵抗部６５に電力が供給されない状態となる。

電位検出部６６は、回生コンデンサー６３の電位を検出する。電位検出部６６が検出した検出値に応じた信号は、コンパレーター６８の端子６９に入力される。

コンパレーター６８は、モーターＭ１～モーターＭ６からの回生電力の電圧値がしきい値を超えた場合にスイッチ６７をＯＮとする信号を生成する。すなわち、コンパレーター６８は、電位検出部６６の検出結果、すなわち、回生電力の電圧値と設定されたしきい値とを比較し、比較結果に応じた信号をスイッチ６７に出力する。コンパレーター６８は、回生電力の電圧値がしきい値よりも大きい場合、スイッチ６７をＯＮにする信号をスイッチ６７に出力する。一方、コンパレーター６８は、回生電力の電圧値がしきい値未満である場合、スイッチ６７をＯＦＦにする信号をスイッチ６７に出力する。なお、このしきい値を以下では、「しきい値Ｂ」とも言う。また、コンパレーター６８は、図３Ｂに示すように、比較を行い比較結果に応じた信号を出力するコンパレーター本体６８１、電位検出部６６と接続する端子６９、後述する第２降圧回路部７５と接続する端子７０、コンパレーター本体６８１と端子７０とを接続する電線上に配置される抵抗Ｒ１、コンパレーター本体６８１および抵抗Ｒ１の間とコンパレーター本体６８１の出力側の電線とを接続する電線上に配置され、コンパレーター本体６８１を迂回することでヒステリシスを得る抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ１よりも端子７０側に配置される抵抗Ｒ３、および、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ３の間とアースとを接続する電線上に配置される抵抗Ｒ４、を有する。

電力制御回路１０Ａのうち、コンパレーター６８を除く上記で説明した部分が比較的高い電圧が印加される「強電側」の回路である。次に、電力制御回路１０Ａのうち、「強電側」よりも低い電圧が印加される「弱電側」の回路について説明する。

第２コンバーター回路部７１は、第１コンバーター回路部６２と並列で接続され、交流電源６１から入力端子６２Ａ、ノイズ除去コンデンサー６０Ａ、および突入防止抵抗部６０Ｂを経て入力される交流電流を直流電流に変換して力率改善回路部７２に出力する。第２コンバーター回路部７１は、ダイオードを用いたブリッジ整流回路である。

力率改善回路部７２は、交流電源６１の力率（ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ）を１に近づけるための回路である。また、力率改善回路部７２は、交流電源６１で発生する高周波電流を所定値以下に抑え、後述するＣＰＵ等を保護する機能を有する。力率改善回路部７２は、出力電圧を調整する出力電圧設定抵抗７２１を有する。出力電圧設定抵抗７２１の抵抗値を適宜設定することにより、力率改善回路部７２から第１降圧回路部７３に出力する電圧、すなわち、第１降圧回路部７３に入力される電流の電圧の値を設定することができる。以下では、第１降圧回路部７３に入力される電流の電圧の値を、「電圧値Ａ」とも言う。

このように、制御装置３は、回生電力供給部７６から供給される電力の力率を改善して第１降圧回路部７３に出力する力率改善回路部７２を備える。これにより、力率を改善させて交流電源６１からの電力を有効活用することができるとともに、第１降圧回路部７３に出力する電流の電圧の設定が容易に可能となる。

第１降圧回路部７３は、リニア方式またはスイッチング方式のＤＣ／ＤＣコンバーターであり、入力された電圧を降圧して通電制御回路部７４および第２降圧回路部７５に出力する。なお、通電制御回路部７４および第２降圧回路部７５に供給される電圧は、例えば、２４Ｖ程度まで降圧される。

通電制御回路部７４および第２降圧回路部７５は、並列に接続されている。通電制御回路部７４は、前述した制御部３１の一部を構成する回路であり、第１降圧回路部７３から出力される直流電流により作動し、駆動回路部６４を制御する。すなわち、通電制御回路部７４は、駆動信号制御を生成し、駆動回路部６４へ出力する。

第２降圧回路部７５は、変圧の程度が異なる以外は第１降圧回路部７３と同様の構成および作用を有するものであり、第１降圧回路部７３で降圧された電圧をさらに降圧し、コンパレーター用電源電圧としてコンパレーター６８の端子７０に供給する。これにより、コンパレーター６８の作動が可能となる。なお、コンパレーター６８の端子７０に供給されるコンパレーター用電源電圧は、第２降圧回路部７５により、例えば５Ｖ程度まで降圧される。コンパレーター６８は、前述した端子６９からの入力値と端子７０からの入力値とを比較して、スイッチ６７の開閉を制御する。図３Ａに示すように、通電制御回路部７４および第２降圧回路部７５の２つの端子は、第２コンバーター回路部７１とそれぞれ電線で接続される。通電制御回路部７４および第２降圧回路部７５の下側端子から第２コンバーター回路部７１までを接続する電線は、低電位電線であり、通電制御回路部７４および第２降圧回路部７５の上側端子から第２コンバーター回路部７１までを接続する電線は、低電位電線よりも高電位となる高電位電線である。本実施形態では、低電位電線にはアースが接続されている。

回生電力供給部７６は、強電側で生じた回生電力の直流電流を第１降圧回路部７３に出力する回生ダイオード７６１を有する。なお、回生電力供給部７６が第１降圧回路部７３に供給する回生電力には、モーターＭ１～モーターＭ６で発生した直接的な回生電力や、回生コンデンサー６３が放電した回生電力が含まれる。回生電力供給部７６は、回生ダイオード７６１の入力側の端子、つまりアノードが第１コンバーター回路部６２の出力側端子と放電抵抗部６５との間の高電位電線に接続され、回生ダイオード７６１の出力側の端子、つまりカソードが第１降圧回路部７３の高電位電線の入力側端子に接続される。回生ダイオード７６１は、回生電力を一方向のみ、すなわち、図３Ａ中矢印Ａで示すように、モーターＭ１～モーターＭ６側から第１降圧回路部７３に向かう方向の電流の通過を許容し、逆方向の電流の通過は阻止する。換言すれば、回生電力供給部７６は、回生電力を強電側から弱電側に向かって供給する。回生電力供給部７６によって供給される回生電力は、第１降圧回路部７３に入力される。また、回生電力供給部７６は、第１コンバーター回路部６２の低電位電線と第２コンバーター回路部７１の低電位電線とを接続する電線を有する。これにより、２つの低電位電線を等しい電位にすることが可能となり、後述するように、回生電力を、通電制御回路部７４に供給する頻度をさらに高めることができ、回生電力をさらに有効活用することができる。

従来では、回生電力供給部７６に相当する供給部が無く、回生電力を強電側から弱電側に供給する構成ではなかったため、回生電力を有効に活用することができなかったが、本発明では、回生電力を強電側から弱電側に供給し、降圧した後に、通電制御回路部７４を駆動する電力として活用する。また、回生電力は、第２降圧回路部７５へも供給され、コンパレーター６８の作動に供される。これにより、回生コンデンサー６３の容量以上の回生電力を有効活用することができる。特に、通電制御回路部７４は、ロボット１を駆動する間、常に電力を消費する回路であるため、回生電力を、通電制御回路部７４の駆動用の電力として活用する構成とすることにより、電力を消費するタイミングに合わせた放電制御や放電制御を行うための回路を設けるのを省略でき、簡単な構成で回生電力を有効活用することができる。

このように、制御装置３は、ロボットアーム１０のモーターＭ１～モーターＭ６の駆動を制御するものであって、交流電源６１から電力を供給する入力端子６２Ａと、モーターＭ１～モーターＭ６との間で電力を入出力する複数の入出力端子６２Ｂと、入力端子６２Ａから入力される交流電流を直流電流に変換して出力する第１コンバーター回路部６２と、第１コンバーター回路部６２から出力される直流電流を交流電流に変換して複数の入出力端子６２Ｂに出力するとともに、モーターＭ１～モーターＭ６からの回生電力が複数の入出力端子６２Ｂから入力される駆動回路部６４と、駆動回路部６４と並列接続されて駆動回路部６４から回生電力が入力され、回生電力の電圧値がしきい値Ｂを超えた場合、電力を消費する放電抵抗部６５と、第１コンバーター回路部６２と並列接続され、入力端子６２Ａから入力される交流電流を直流電流に変換して出力する第２コンバーター回路部７１と、第２コンバーター回路部７１から出力される電流の電圧を降圧して出力する第１降圧回路部７３と、第１降圧回路部７３から出力される直流電流により作動し、駆動回路部６４を制御する通電制御回路部７４と、放電抵抗部６５と接続し、回生電力の直流電流を第１降圧回路部７３に出力する回生ダイオード７６１を有する回生電力供給部７６と、を備える。これにより、回生電力を、通電制御回路部７４の駆動用の電力として活用することができる。よって、回生電力を再活用する際、従来のような複雑な回路、制御を行うのを省略しつつ、簡単な構成で回生電力を有効活用することができる。その結果、低消費電力で制御装置３を駆動することができる。

また、ロボットシステム１００は、ロボットアーム１０を有するロボット１と、ロボットアーム１０の駆動を制御する制御装置３と、を備える。これにより、回生電力を、通電制御回路部７４の駆動用の電力として活用することができる。よって、電力を消費するタイミングに合わせた放電制御を行うための回路を設けるのを省略しつつ、簡単な構成で回生電力を有効活用することができる。その結果、低消費電力で制御装置３を駆動することができ、ロボットシステム１００全体で見て省エネ化を図ることができる。

また、回生電力供給部７６は、回生ダイオード７６１の入力側の端子が第１コンバーター回路部６２と放電抵抗部６５との間に接続され、回生ダイオード７６１の出力側の端子が第１降圧回路部７３の入力側端子に接続される。これにより、モーターＭ１～モーターＭ６で生じた回生電力を一括して第１降圧回路部７３に供給することができる。なお、回生ダイオード７６１の入力側が駆動回路部６４またはその入力側に接続されていてもよい。この場合、モーターＭ１～モーターＭ６の各々に対応する回生ダイオード７６１を設けることが好ましい。

次に、第１降圧回路部７３に入力される電流の電圧値Ａと、モーターＭ１～モーターＭ６の回生電力の電圧値のしきい値Ｂとの関係について説明する。

第１降圧回路部７３に入力される電流の電圧値Ａは、しきい値Ｂ未満であることが好ましい。これにより、放電抵抗部６５に電圧が印加される頻度を低く抑えることができ、回生電力を、通電制御回路部７４に供給する頻度を高めることができる。よって、回生電力をさらに有効活用することができる。

また、電圧値Ａには、素子の個体差などにより、幅、すなわち所定の範囲がある。
電圧値Ａの中央値がＡ３であり、Ａ３を中心として、最小値がＡ１であり、最大値がＡ２である。なお、力率改善回路部７２の出力電圧設定抵抗７２１によって設定される設定値が中央値Ａ３である。Ａ１は、例えば、３７０Ｖ以上３８０Ｖ程度とされる。Ａ２は、３８５Ｖ以上３９５Ｖ程度とされる。

また、しきい値Ｂにも、素子の個体差などにより、幅、すなわち所定の範囲がある。
しきい値Ｂの中央値がＢ３であり、Ｂ３を中心として、最小値がＢ１であり、最大値がＢ２である。なお、コンパレーター６８のコンパレーター用電源電圧によって設定される設定値が中央値Ｂ３である。そのため、コンパレーター用電源電圧の精度は５％未満が好ましい。また、コンパレーター６８の抵抗Ｒ１～Ｒ４の抵抗誤差により、しきい値Ｂは中央値Ｂ３からずれた値となる。抵抗Ｒ１～Ｒ４の抵抗精度を高めることにより、最小値Ｂ１を大きく、最大値Ｂ２を小さくすることができる。そのため、抵抗Ｒ１～Ｒ４の抵抗精度は１％未満が好ましい。Ｂ１は、例えば、３９０Ｖ以上４００Ｖ程度とされる。Ｂ２は、４１５Ｖ以上４２５Ｖ程度とされる。

これらの電圧値は、以下のような関係を満たすことにより、それぞれ以下のような効果を得ることができる。

１．Ａ１＜Ｂ１＜Ａ３＜Ａ２＜Ｂ２なる関係を満たす（図４参照）。
これにより、電圧値Ａの範囲およびしきい値Ｂの範囲が重ならない領域を有することができる。よって、回生電力を、通電制御回路部７４に供給する頻度を高めることができ、回生電力をさらに有効活用することができる。

２．Ａ１＜Ａ３＜Ｂ１＜Ａ２＜Ｂ２なる関係を満たす（図５参照）。
これにより、電圧値Ａの範囲およびしきい値Ｂの範囲が重ならない領域を、さらに広くすることができる。よって、回生電力を、通電制御回路部７４に供給する頻度をさらに高めることができ、回生電力をさらに有効活用することができる。

なお、電圧値Ａの範囲およびしきい値Ｂの範囲が重なっていると、放電抵抗部６５の抵抗や、回生コンデンサー６３等の部品を、低コストのものを使用することができる。

３．Ａ２≦Ｂ１なる関係を満たす（図６参照）。
これにより、電圧値Ａの範囲およびしきい値Ｂの範囲が、重ならない領域を可及的に広くすることができる。よって、回生電力を、通電制御回路部７４に供給する頻度をさらに高めることができ、回生電力をさらに有効活用することができる。この場合、Ａ２とＢ１との差は、可及的に小さいことが好ましい。

このように、電圧値Ａおよびしきい値Ｂは所定の範囲を有し、電圧値Ａの最大値をＡ２、電圧値Ａの所定の範囲の中心となる中央値をＡ３とし、しきい値Ｂの最小値をＢ１としたとき、Ａ３＜Ｂ１＜Ａ２なる関係を満たすことが好ましい。これにより、電圧値Ａの範囲およびしきい値Ｂの範囲が重ならない領域を、さらに広くすることができる。よって、回生電力を、通電制御回路部７４に供給する頻度をさらに高めることができ、回生電力をさらに有効活用することができる。

また、電圧値Ａおよびしきい値Ｂは所定の範囲を有し、電圧値Ａの最大値をＡ２とし、しきい値Ｂの最小値をＢ１としたとき、Ａ２≦Ｂ１なる関係を満たすことが好ましい。これにより、電圧値Ａの範囲およびしきい値Ｂの範囲が重ならない領域を、可及的に広くすることができる。よって、回生電力を、通電制御回路部７４に供給する頻度をさらに高めることができ、回生電力をさらに有効活用することができる。

また、力率改善回路部７２は、第１降圧回路部７３に出力する電圧を設定する出力電圧設定抵抗７２１を有し、出力電圧設定抵抗７２１の抵抗精度は、１％以下であることが好ましい。これにより、電圧値Ａの最大値であるＡ２を容易に設定すること、特に、下げることができる。よって、電圧値が上記１．２．３．の関係を満たすのに寄与し、上記効果を容易に得ることができる。

また、制御装置３は、しきい値Ｂに基づいて、放電抵抗部６５に電力を供給するか否かを選択するコンパレーター６８を備え、コンパレーター６８の抵抗の抵抗精度が１％以下である。これにより、しきい値Ｂの最小値であるＢ１を容易に設定すること、特に、上げることができる。よって、電圧値１．２．３．が上記関係を満たすのに寄与し、上記効果を容易に得ることができる。

なお、制御回路１０Ａは、本実施形態では、力率改善回路部７２を有するが、変形例として、図７に示すように、力率改善回路部７２を設けない構成としてもよい。この場合、第１降圧回路部７３は、第２コンバーター回路部７１と接続される。また、回生電力供給部７６の回生ダイオード７６１の出力側の端子は、第２コンバーター回路部７１と第１降圧回路部７３との間に接続する。また、第１降圧回路部７３は、フライバック方式などのＤＣ／ＤＣコンバーターである。この構成においても、回生電力を、通電制御回路部７４の駆動用の電力として活用することができる。

以上、本発明の制御装置およびロボットシステムを図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。また、制御装置およびロボットシステムの各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構造物と置換することができる。また、任意の構造体が付加されていてもよい。

１…ロボット、３…制御装置、４…教示装置、１０…ロボットアーム、１０Ａ…電力制御回路、１１…基台、１２…第１アーム、１３…第２アーム、１４…第３アーム、１５…第４アーム、１６…第５アーム、１７…第６アーム、２０…エンドエフェクター、３１…制御部、３２…記憶部、３３…通信部、４０…ディスプレイ、４１…制御部、４２…記憶部、４３…通信部、６０Ａ…ノイズ除去コンデンサー、６０Ｂ…突入防止抵抗部、６１…交流電源、６２…第１コンバーター回路部、６２Ａ…入力端子、６２Ｂ…入出力端子、６３…回生コンデンサー、６４…駆動回路部、６５…放電抵抗部、６６…電位検出部、６７…スイッチ、６８…コンパレーター、６８１…コンパレーター本体、６９…端子、７０…端子、７１…第２コンバーター回路部、７２…力率改善回路部、７３…第１降圧回路部、７４…通電制御回路部、７５…第２降圧回路部、７６…回生電力供給部、１００…ロボットシステム、１７１…関節、１７２…関節、１７３…関節、１７４…関節、１７５…関節、１７６…関節、７２１…出力電圧設定抵抗、７６１…回生ダイオード、Ａ３…中央値、Ｂ３…中央値、Ｄ１…モータードライバー、Ｄ２…モータードライバー、Ｄ３…モータードライバー、Ｄ４…モータードライバー、Ｄ５…モータードライバー、Ｄ６…モータードライバー、Ｅ１…エンコーダー、Ｅ２…エンコーダー、Ｅ３…エンコーダー、Ｅ４…エンコーダー、Ｅ５…エンコーダー、Ｅ６…エンコーダー、Ｍ１…モーター、Ｍ２…モーター、Ｍ３…モーター、Ｍ４…モーター、Ｍ５…モーター、Ｍ６…モーター、ＴＣＰ…ツールセンターポイント、Ｒ１…抵抗、Ｒ２…抵抗、Ｒ３…抵抗、Ｒ４…抵抗

Claims (7)

1. ロボットアームのモーターの駆動を制御する制御装置であって、
   交流電源から電力を供給する端子と、
   前記モーターとの間で電力を入出力する複数の入出力端子と、
   前記端子から入力される交流電流を直流電流に変換して出力する第１コンバーター回路部と、
   前記第１コンバーター回路部から出力される直流電流を交流電流に変換して複数の前記入出力端子に出力するとともに、前記モーターからの回生電力が複数の前記入出力端子から入力される駆動回路部と、
   前記駆動回路部と並列接続されて前記駆動回路部から前記回生電力が入力され、前記回生電力の電圧値がしきい値を超えた場合、電力を消費する放電抵抗部と、
   前記第１コンバーター回路部と並列接続され、前記端子から入力される交流電流を直流電流に変換して出力する第２コンバーター回路部と、
   前記第２コンバーター回路部から出力される電流の電圧を降圧して出力する第１降圧回路部と、
   前記第１降圧回路部から出力される直流電流により作動し、前記駆動回路部を制御する通電制御回路部と、
   前記放電抵抗部と接続し、前記回生電力の直流電流を前記第１降圧回路部に出力する回生ダイオードを有する回生電力供給部と、を備え、
   前記第１降圧回路部に入力される電流の電圧は、前記しきい値以下であることを特徴とする制御装置。
2. 前記第１降圧回路部に入力される前記電流の前記電圧および前記しきい値は所定の範囲を有し、
   前記第１降圧回路部に入力される前記電流の前記電圧の最大値をＡ２、前記第１降圧回路部に入力される前記電流の前記電圧の前記所定の範囲の中心となる中央値をＡ３とし、
   前記しきい値の最小値をＢ１としたとき、
   Ａ３＜Ｂ１＜Ａ２なる関係を満たす請求項１に記載の制御装置。
3. 前記第１降圧回路部に入力される前記電流の前記電圧および前記しきい値は所定の範囲を有し、
   前記第１降圧回路部に入力される前記電流の前記電圧の最大値をＡ２とし、
   前記しきい値の最小値をＢ１としたとき、
   Ａ２≦Ｂ１なる関係を満たす請求項１に記載の制御装置。
4. ロボットアームのモーターの駆動を制御する制御装置であって、
   交流電源から電力を供給する端子と、
   前記モーターとの間で電力を入出力する複数の入出力端子と、
   前記端子から入力される交流電流を直流電流に変換して出力する第１コンバーター回路部と、
   前記第１コンバーター回路部から出力される直流電流を交流電流に変換して複数の前記入出力端子に出力するとともに、前記モーターからの回生電力が複数の前記入出力端子から入力される駆動回路部と、
   前記駆動回路部と並列接続されて前記駆動回路部から前記回生電力が入力され、前記回生電力の電圧値がしきい値を超えた場合、電力を消費する放電抵抗部と、
   前記第１コンバーター回路部と並列接続され、前記端子から入力される交流電流を直流電流に変換して出力する第２コンバーター回路部と、
   前記第２コンバーター回路部から出力される電流の電圧を降圧して出力する第１降圧回路部と、
   前記第１降圧回路部から出力される直流電流により作動し、前記駆動回路部を制御する通電制御回路部と、
   前記放電抵抗部と接続し、前記回生電力の直流電流を前記第１降圧回路部に出力する回生ダイオードを有する回生電力供給部と、
   前記回生電力供給部から供給される電力の力率を改善して前記第１降圧回路部に出力する力率改善回路部と、を備え、
   前記力率改善回路部は、前記第１降圧回路部に出力する電圧を設定する出力電圧設定抵抗を有し、
   前記出力電圧設定抵抗の抵抗精度は、１％以下であることを特徴とする制御装置。
5. ロボットアームのモーターの駆動を制御する制御装置であって、
   交流電源から電力を供給する端子と、
   前記モーターとの間で電力を入出力する複数の入出力端子と、
   前記端子から入力される交流電流を直流電流に変換して出力する第１コンバーター回路部と、
   前記第１コンバーター回路部から出力される直流電流を交流電流に変換して複数の前記入出力端子に出力するとともに、前記モーターからの回生電力が複数の前記入出力端子から入力される駆動回路部と、
   前記駆動回路部と並列接続されて前記駆動回路部から前記回生電力が入力され、前記回生電力の電圧値がしきい値を超えた場合、電力を消費する放電抵抗部と、
   前記第１コンバーター回路部と並列接続され、前記端子から入力される交流電流を直流電流に変換して出力する第２コンバーター回路部と、
   前記第２コンバーター回路部から出力される電流の電圧を降圧して出力する第１降圧回路部と、
   前記第１降圧回路部から出力される直流電流により作動し、前記駆動回路部を制御する通電制御回路部と、
   前記放電抵抗部と接続し、前記回生電力の直流電流を前記第１降圧回路部に出力する回生ダイオードを有する回生電力供給部と、
   前記しきい値に基づいて、前記放電抵抗部に電力を供給するか否かを選択するコンパレーターと、を備え、
   前記コンパレーターの抵抗の抵抗精度は、１％以下であることを特徴とする制御装置。
6. 前記回生電力供給部は、前記回生ダイオードの入力側の端子が前記第１コンバーター回路部と前記放電抵抗部との間に接続され、前記回生ダイオードの出力側の端子が前記第１降圧回路部の入力側端子に接続される請求項１ないし５のいずれか１項に記載の制御装置。
7. ロボットアームを有するロボットと、
   前記ロボットアームの駆動を制御する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の制御装置と、を備えることを特徴とするロボットシステム。