JPH0623681A - ロボットの原点復帰装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転関節の回転範囲が１回転以上の場合で
も、アブソリュート形のエンコーダを用いることなく、
原点復帰できる。 【構成】 原点センサには、手首軸の被検出部が通過す
る方向により検出信号の状態が変化し、その変化した検
出信号の状態を被検出部が逆方向に向かって通過するま
で維持する構成のものを使用する。電源投入時、原点セ
ンサは手首軸の位置に応じた信号を出力するので、その
信号の状態により手首軸がＪで示すように原点より反時
計回り方向側にあるか、Ｍで示すように原点より時計回
り方向側にあるかを判別し、その判別結果に応じてサー
ボモータを正方向或いは逆方向に回転させて手首軸を原
点位置に向かって回転させ、最終的に原点センサの信号
がハイレベルからロウレベルに切り替わった時点でサー
ボモータを正方向回転させた後、エンコーダからの
「０」位置信号の最初の立ち下がり時点でサーボモータ
を停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電源投入時などに回転
関節を原点位置に復帰させるロボットの原点復帰装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、ロボットでは、関節の位置制御は
原点位置を基準にして行われる。ところが、電源が断た
れたときの関節の停止位置は、場合場合によって異な
る。このため、電源投入時には、関節を原点位置に復帰
させ、そこから教示された内容に従って動作を開始する
ようになっている。

【０００３】従来の原点復帰構成を、多関節型ロボット
のアーム先端に設けられた回転関節である手首軸を例に
とって図７および図８により説明する。まず、図７にお
いて、把持装置などが取り付けられる手首軸１は、サー
ボモータにより減速装置（いずれも図示せず）を介して
３６０度（１回転）の範囲、通常の作業動作時で例えば
原点位置から時計回り方向および反時計回り方向にそれ
ぞれ１３５度、合計２７０度の範囲で正逆回転される。
手首軸１の回転角度の検出は、サーボモータに設けられ
た例えばインクリメンタル形のエンコーダにより行われ
る。このエンコーダは手首軸１が１回転内の特定位置に
回転すると、その都度、図８（ａ）に示すようにパルス
信号（以下、「０」位置信号という）を出力するように
なっている。

【０００４】一方、手首軸１の外周部の一箇所には被検
出部として永久磁石２が設けられており、これに対し手
首軸１を支持したアーム側には磁気抵抗素子からなる原
点センサ３が設けられている。この原点センサ３は手首
軸１が原点位置近くに回転したことを検出するためのも
ので、手首軸１が原点位置近くに回転すると、永久磁石
２が近接することにより、図８（ｂ）に示すようにハイ
レベル信号を出力する。また、手首軸１を支持したアー
ム側には原点センサ３から時計回り方向および反時計回
り方向に所定の角度隔たった位置に磁気抵抗素子からな
る動作限センサ４，５が設けられている。この場合、動
作限センサ４，５は手首軸１の回転範囲をやや越えた角
度位置に配置されている。

【０００５】上記構成において、電源投入時の原点復帰
は、次のようにして行われる。なお、サーボモータの回
転方向を、手首軸１を時計回り方向に回転させる方向が
正方向で、反時計回り方向に回転させる方向が逆方向で
あるとして以下に説明する。すなわち、電源投入時点で
は、手首軸１が原点位置のどちら側に位置しているか分
からないため、サーボモータは、まず手首軸１の位置と
は無関係に予め定められた方向、例えば逆方向に回転す
る。

【０００６】今、手首軸１が、図８（ｄ）にＡで示すよ
うに（同図では左側から右側方向への移動を時計回り方
向とする）、原点位置より反時計回り方向側にあるとす
ると、電源投入により、まずサーボモータは逆方向に回
転し、手首軸１を図８（ｄ）に矢印Ｂで示すように反時
計回り方向に回転させる。この手首軸１の回転により永
久磁石２が動作限センサ５に対向する状態になると、該
動作限センサ５がハイレベル信号を出力するため、この
ハイレベル信号の立ち上がりに同期してサーボモータが
正方向に回転する。すると、手首軸１は反転して図８
（ｄ）に矢印Ｃで示すように時計回り方向に回転し、こ
れにより永久磁石２が原点センサ３に接近し且つ遠ざか
るようになるため、原点センサ３はハイレベル信号を出
力し、元のロウレベル状態に戻る。この原点センサ３の
ハイレベル信号の立下りに同期して、サーボモータが再
度逆方向回転し、手首軸１を図８（ｄ）に矢印Ｄで示す
ように反時計回り方向に回転させる。そして、この後、
エンコーダからの「０」位置信号の最初の立ち下がりに
同期してサーボモータが停止し、これにて手首軸１の原
点復帰が完了する。

【０００７】また、電源投入時点において、手首軸１が
図８（ｄ）にＥで示すように、原点位置より時計回り方
向側にあったとすると、まずサーボモータの逆方向回転
により、手首軸１は図８（ｄ）に矢印Ｆで示すように反
時計回り方向に回転する。この手首軸１の回転により永
久磁石２が原点センサ３に接近し且つ遠ざかるようにな
るため、原点センサ３はハイレベル信号を出力し、元の
ロウレベル状態に戻る。この原点センサ３のハイレベル
信号の立下りに同期して、サーボモータが正方向回転
し、手首軸１を図８（ｄ）に矢印Ｇで示すように時計回
り方向に回転させる。すると、再度永久磁石２が原点セ
ンサ３に対し接近し且つ遠ざかるようになるため、原点
センサ３がハイレベル信号を出力し、ロウレベル状態に
戻るようになり、このハイレベル信号の立下りに同期し
てサーボモータが再度逆方向回転して手首軸１を図８
（ｄ）に矢印Ｈで示す反時計回り方向に回転させる。そ
して、この後、エンコーダからの「０」位置信号の最初
の立ち下がりに同期してサーボモータが停止し、これに
て手首軸１の原点復帰が完了する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特に多関節
型ロボットでは、アームの姿勢が変化した場合でも、手
首の姿勢を一定に保つことが要求されることが多い。こ
のような要求を満たすためには、手首軸１の回転範囲を
１回転以上にしなければならない場合がある。

【０００９】しかしながら、上記従来の原点復帰構成で
は、電源投入時にサーボモータを一定方向たる逆方向に
回転させた場合、最初に動作限センサ５からハイレベル
信号が出力されるか、原点センサ３からハイレベル信号
が出力されるかによって、電源投入時点で手首軸１が原
点を反時計回り方向に通過して停止していたか、時計回
り方向側に通過して停止していたかを判別してその後の
制御を行う方式であるため、手首軸１の回転範囲が１回
転以上のものでは、手首軸１の位置によってはその判別
が逆になってしまう場合がある。従って、手首軸１の回
転範囲を１回転以上としたものには、従来の原点復帰構
成は適用できない。

【００１０】ここで、エンコーダをアブソリュート形の
ものにすれば、手首軸１の回転範囲が１回転以上のもの
でも、原点復帰させることができるが、しかしアブソリ
ュート形のエンコーダは大形で、サーボモータの大形化
を招来し、しかも制御回路が複雑化する等の理由で小型
のロボットには使用できないのが実情である。

【００１１】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、回転関節の回転範囲が１回転以上の場
合でも、アブソリュート形のエンコーダを用いることな
く、原点復帰を行わせることができるロボットの原点復
帰装置を提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のロボットの原点
復帰装置は、回転関節を駆動するモータの回転軸が１回
転内の特定位置に回転したことを１回転毎に検出するた
めの位置検出手段を設け、前記回転関節側に被検出部を
設け、前記回転関節を支持する側に前記被検出部の近接
により回転関節が原点位置近くに回転したことを検出す
るための原点センサを設け、前記原点センサは、前記被
検出部が通過する方向により検出信号の状態が変化し、
その変化した検出信号の状態を被検出部が逆方向に向か
って通過するまで維持する構成のものとし、前記回転関
節の原点復帰時、前記原点センサの検出信号の状態に応
じて前記モータを正逆方向に回転させて原点センサを特
定の検出信号の状態にした後、モータを特定方向に回転
させて前記位置検出手段の検出信号に基づきモータを停
止させることにより、回転関節を原点位置に復帰させる
構成にしたことを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】原点センサは、被検出部が通過する方向により
検出信号の状態が異なり、その検出信号の状態を被検出
部が逆方向に向かって通過するまで維持する構成のもの
であるから、原点復帰動作時の開始時において、原点セ
ンサの検出信号状態により、回転関節が原点位置を時計
回り方向に通過した位置で停止しているか、逆に反時計
回り方向に通過した位置で停止しているかを判別でき
る。このため、回転関節の回転範囲を２回転未満、すな
わち原点位置から時計回り方向に３６０度未満および反
時計回り方向に３６０度未満にしても原点復帰が可能に
なる。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例を図１ないし図６に基づい
て説明する。

【００１５】まず、図３において、１１は多関節型ロボ
ットの最終段のアームを示しており、このアーム１１の
先端部分には回転関節としての手首部１２が回転可能に
設けられている。この手首部１２はアーム１１側に設け
られた図示しないサーボモータにより正逆方向に回転さ
れるようになっている。

【００１６】上記手首部１２には、例えば把持装置が取
り付けられる手首軸１３が回転可能に支持されている。
この手首軸１３は、手首部１２に設けられたサーボモー
タ１４により減速機１５を介して正逆方向に回転され
る。そして、サーボモータ１４には、位置検出手段とし
ての例えばインクリメント形のエンコーダ１６が設けら
れている。このエンコーダ１６は、サーボモータ１４の
回転軸（図示せず）の回転角度を検出するためのもの
で、その回転軸が所定角度回転する度にパルス信号を出
力すると共に、図１（ａ）に示すように回転軸が１回転
内の特定の位置に回転したことを検出して１回転毎にパ
ルス信号（以下、「０」位置信号という）を出力するよ
うになっている。

【００１７】前記手首軸１３の外周部の１箇所には、図
４にも示すように、被検出部としての永久磁石１７が設
けられており、この永久磁石１７に対応して、手首部１
２側には例えば磁気抵抗効果により磁界方向を検出する
磁気抵抗素子からなる原点センサ１８が設けられてい
る。

【００１８】この原点センサ１８は、その等価回路を示
す図５のように、４個の強磁性薄膜１９ａ〜１９ｄをブ
リッジ接続し、それらの接続点のうちの２個の接続点を
直流電源２０に接続すると共に、残る２個の接続点を差
動増幅器２１の入力端子に接続した構成のもので、差動
増幅器２１の出力端子から検出信号を取り出す構成にな
っている。そして、永久磁石１７が原点センサ１８を通
過する方向により強磁性薄膜１９ａ〜１９ｄの磁気抵抗
が変化し、強磁性薄膜１９ａおよび１９ｂの接続点と強
磁性薄膜１９ｃおよび１９ｄの接続点の電圧の大小関係
が逆転するため、差動増幅器２１からの出力である検出
信号の状態がプラス側電圧出力（以下単にハイレベル信
号という）とマイナス側電圧出力（以下単にロウレベル
信号という）との間で変化し、その信号の状態は永久磁
石１７が原点センサ１８を逆方向に向かって通過するま
で維持される。そして、信号の状態は電源２０がオフさ
れても記憶され、電源２０のオンにより記憶した信号の
状態で出力する。

【００１９】この実施例では、原点センサ１８は、図１
に示すように、永久磁石１７が反時計回り方向に通過す
ると、ハイレベル信号を出力し、時計回り方向に通過す
ると、ロウレベル信号を出力するように設定されている
ものとする。なお、図１では、手首軸１３が左側から右
側へ移動する方向を時計回り方向の回転に定めてある。
また、同図（ｂ）では、二重矢印は手首軸１３が時計回
り方向に回転する場合の信号変化を示し、通常の矢印は
手首軸１３が反時計回り方向に回転する場合の信号変化
を示す。

【００２０】かかる原点センサ１８の信号および前記エ
ンコーダ１６の信号は、図６に示すコンピュータを主体
とする制御装置２２に入力され、手首軸１３の原点復帰
時、制御装置２２は原点センサ１８、エンコーダ１６か
らの信号および予め設定されたプログラムに基づいてサ
ーボモータ１４を制御する。次に上記構成において、電
源投入時に手首軸１３を原点に復帰させるための作用を
図２に示すフローチャートをも参照しながら説明する。

【００２１】なお、この実施例では、手首軸１３の回転
範囲は、原点位置から時計回り方向および反時計回り方
向にそれぞれ３００度、合計６００度に定められている
ものとする。また、手首軸１３の原点位置は、当該手首
軸１３の時計回り方向の回転により、原点センサ１８の
検出信号がハイレベルからロウレベルに変化（特定の検
出信号の状態に変化）した時点で、手首軸１３を特定方
向たる反時計回り方向に回転させた後、エンコーダ１６
の「０」位置信号の最初の立ち下がり時点における手首
軸１３の位置に設定されている。

【００２２】さて、電源が投入されると、原点センサ１
８は記憶している電源オフ時の検出状態、従って電源オ
フ時の手首軸１３の位置に応じた信号を出力する。そこ
で、まず制御装置２２は、原点センサ１８の検出信号が
ハイレベル状態にあるか否かを判断する（図２のステッ
プＳ１）。今、手首軸１３が図１（ｃ）にＪで示すよう
に原点位置よりも反時計回り方向にあるとする。する
と、原点センサ１８の検出信号は図１（ｂ）に示すよう
にハイレベル状態にあるので、制御装置２２は、ステッ
プＳ１では、「ＹＥＳ」と判断し、原点センサ１８の検
出信号がハイレベル状態からロウレベル状態に切り替わ
るまでサーボモータ１４を正方向に回転駆動する（ステ
ップＳ２およびステップＳ３の繰り返し）。

【００２３】さて、サーボモータ１４が正方向に回転駆
動されると、手首軸１３は図１（ｃ）に矢印Ｋで示すよ
うに時計回り方向に回転し、永久磁石１７が原点センサ
１８を時計回り方向に通過するようになる。すると、原
点センサ１８の検出信号はハイレベル状態からロウレベ
ル状態に切り替わるようになる。そして、制御装置２２
は、そのハイレベル信号の立ち下がりを検出すると（ス
テップＳ３で「ＹＥＳ」）、次にサーボモータ１４の回
転方向を切り替えて逆方向に回転させながらエンコーダ
１６から「０」位置信号の立ち下がりを監視する状態に
なる（ステップＳ４およびステップＳ５）。そして、サ
ーボモータ１４の逆方向回転により、手首軸１３が図１
（ｃ）に矢印Ｌ方向に回転し始めた後、エンコーダ１６
からの「０」位置信号の最初の立ち下がりを検出すると
（ステップＳ５で「ＹＥＳ」）、制御装置２２はその時
点での手首軸１３の位置を原点としてサーボモータ１４
を停止させる。

【００２４】一方、電源投入時点において、手首軸１３
が図１（ｃ）のＭで示すように原点位置よりも時計回り
方向にあったとする。すると、原点センサ１８の検出信
号は図１（ｂ）に示すようにロウレベル状態にあるの
で、制御装置２２は原点センサ１８の検出信号の状態を
判断する前記ステップＳ１で「ＮＯ」と判断し、原点セ
ンサ１８の検出信号がロウレベル状態からハイレベル状
態に切り替わるまでサーボモータ１４を逆回転方向に回
転駆動する（ステップＳ７およびステップＳ８の繰り返
し）。

【００２５】サーボモータ１４が逆方向に回転駆動され
ると、手首軸１３は、図１（ｃ）に矢印Ｎで示すように
反時計回り方向に回転し、永久磁石１７が原点センサ１
８を反時計回り方向に通過するようになる。すると、原
点センサ１８の検出信号はロウレベル状態からハイレベ
ル状態に切り替わる。このようになると、前述した手首
軸１３が原点位置よりも反時計回り方向に位置していた
場合と同様の状態になるので、制御装置２２は前記ステ
ップＳ２に移行し、そして原点センサ１８の検出信号が
ハイレベル状態からロウレベル状態に切り替わるまでサ
ーボモータ１４を正方向に回転駆動して手首軸１３を図
１（ｄ）に矢印Ｐで示すように時計回り方向に回転させ
る（ステップＳ２およびステップＳ３の繰り返し）。

【００２６】その後、制御装置２２は、以下前述したと
同様にハイレベル信号の立ち下がりを検出すると（ステ
ップＳ３で「ＹＥＳ」）、サーボモータ１４を逆方向に
回転駆動して手首軸１３を図１（ｄ）に矢印Ｑで示すよ
うに反時計回り方向に回転させ（ステップＳ４およびス
テップＳ５の繰り返し）、そしてエンコーダ１６からの
「０」位置信号の最初の立ち下がりを検出した時点（ス
テップＳ５で「ＹＥＳ」）での手首軸１３の位置を原点
としてサーボモータ１４を停止させる（ステップＳ
６）。なお、上記実施例では、手首軸の原点復帰に適用
したが、本発明は手首軸に限られるものではなく、回転
する関節の原点復帰に広く適用できるものである。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、原
点センサを、被検出部が通過する方向により検出信号の
状態が異なり、その検出信号の状態を被検出部が逆方向
に向かって通過するまで維持する構成のものとしたか
ら、原点復帰動作時の開始時において、原点センサの検
出信号状態により、回転関節が原点位置を時計回り方向
に通過した位置で停止しているか、逆に反時計回り方向
に通過した位置で停止しているかを判別できる。このた
め、回転関節の回転範囲が１回転以上であっても、アブ
ソリュート型のエンコーダを用いることなく、回転関節
を原点復帰させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を手首部の位置との関係で示
す各部の信号波形図

【図２】原点復帰動作の作用を説明するためのフローチ
ャート

【図３】手首軸部分を示す断面図

【図４】手首軸と原点センサとの関係を示す断面図

【図５】原点センサの等価回路図

【図６】電気的構成を示すブロック図

【図７】従来の原点復帰構成を説明するための図３相当
図

【図８】図１相当図

【符号の説明】

１３は手首軸（回転関節）、１４はサーボモータ、１６
はエンコーダ（位置検出手段）、１７は永久磁石（被検
出部）、１８は原点センサ、２２は制御装置である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転する関節を備えたものにおいて、前
   記回転関節を駆動するモータと、このモータの回転軸が
   １回転内の特定位置に回転したことを１回転毎に検出す
   るための位置検出手段と、前記回転関節側に設けられた
   被検出部と、前記回転関節を支持する側に設けられ前記
   被検出部の近接により回転関節が原点位置近くに回転し
   たことを検出するための原点センサとを備え、前記原点
   センサは、前記被検出部が通過する方向により検出信号
   の状態が変化し、その変化した検出信号の状態を被検出
   部が逆方向に向かって通過するまで維持する構成のもの
   とし、前記回転関節の原点復帰時、前記原点センサの検
   出信号の状態に応じて前記モータを正逆方向に回転させ
   て原点センサを特定の検出信号の状態にした後、モータ
   を特定方向に回転させて前記位置検出手段の検出信号に
   基づきモータを停止させることにより、回転関節を原点
   位置に復帰させる構成にしてなるロボットの原点復帰装
   置。