CN105553381A

CN105553381A - 机器人

Info

Publication number: CN105553381A
Application number: CN201510691487.7A
Authority: CN
Inventors: 山崎武马; 饭田泉; 笹井重德
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2016-05-04
Also published as: US20160118866A1; JP6488632B2; US10411564B2; JP2016078212A

Abstract

本发明提供一种能够抑制噪声向柔性基板的外部泄漏的技术。本发明构成一种机器人，其具备：驱动部；柔性基板，其具有向上述驱动部传输电力的电力线；以及扼流线圈，其与上述电力线连接，在上述机器人中，通过由上述电力线形成的寄生电容和上述扼流线圈来形成带阻滤波器。

Description

机器人

技术领域

本发明涉及机器人。

背景技术

以往，已知有经由电力线对机器人所具备的驱动部供给电力、通过利用该电力驱动驱动部所具备的电机等来驱动该驱动部的结构。例如，专利文献1公开了一种通过形成于柔性基板上的电力线来向促动器供电的机器人。

专利文献1：日本特开2010-214530号公报

若如上述现有技术那样利用柔性基板形成布线，则寄生电容变大，导致噪声增加。即，在利用柔性基板的结构中，在柔性基板上、柔性基板的周围配置有处于接地电位的金属导体(例如，地线、屏蔽体)、处于接地电位的机器人的框架等。因此，在高频噪声可被电力线传输的电路布线中，柔性基板成为传输噪声的寄生电容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够抑制噪声向柔性基板的外部泄漏的技术。

用于实现上述目的的机器人具备：驱动部；柔性基板，其具有向驱动部传输电力的电力线；以及扼流线圈，其与电力线连接，在上述机器人中，通过由电力线形成的寄生电容和扼流线圈来形成带阻滤波器。

即，在形成于柔性基板的电力线与驱动部所具备的电路连接的机器人中，由于利用柔性基板，所以不可避免地会产生寄生电容。另一方面，若利用电容成分和电感成分，则能够形成带阻滤波器。因此，在本发明的一实施方式所涉及的机器人中，由寄生电容和扼流线圈构成带阻滤波器。

若像这样构成带阻滤波器，则例如朝向带阻滤波器的噪声被带阻滤波器衰减或反射。因此，能够防止若不存在带阻滤波器则因寄生电容而向柔性基板的外部泄漏的噪声向柔性基板的外部泄漏。此外，柔性基板的外部假定是柔性基板周围的空间、柔性基板周围的构造物等(机器人的框架等)。

这里，驱动部是构成机器人的部位，是被用电力驱动的部位。驱动部通过用电力使电机、各种促动器等运动部动作而被驱动即可，数量、形状、运动方向等不受限定。此外，驱动部构成为能够通过柔性基板对驱动部所具备的运动部供给电力即可，可以在驱动部的框体内形成有供柔性基板通过的空间，也可以构成为柔性基板的至少一部分通过驱动部的框体外。

柔性基板在由具有柔软性的基材构成的基板上至少形成有电力线即可。该电力线以与驱动部所需要的电力对应规格、个数构成即可。因此，若驱动部具备被以多相交流驱动的电机等运动部，则用于传输各相电力的多条电力线被形成于柔性基板。此外，柔性基板具有柔软性以使驱动部的驱动产生的应力不会破坏基板或基板上的布线即可，材料、形状不受限定。当然，也可以组合多个基板来利用并在基板的至少一部分形成由金属导体等构成的屏蔽体等。

扼流线圈是连接于电力线的电感成分即可，大小、形状、匝数等不受限定，但至少与由柔性基板的电力线形成的寄生电容组合而形成带阻滤波器即可。因此，根据寄生电容的大小和应该除去的噪声的频率来调整扼流线圈的大小、形状、匝数等，由此形成能够将除去对象的频率的噪声除去的带阻滤波器即可。当然，扼流线圈也可以以单体作为用于防止向驱动部传递高频噪声的部件而发挥作用。

此外，带阻滤波器至少由扼流线圈和寄生电容形成即可，例如可以采用通过由扼流线圈和寄生电容形成使低频带通过、阻断高频带的LC滤波器来除去高频带的噪声的结构等。在该情况下，优选以LC滤波器的截止频率比除去对象的频率(例如，开关噪声的峰值频率)小的方式来设计扼流线圈。根据该结构，能够形成可将除去对象的频率的噪声除去的带阻滤波器。当然，也可以通过将其他部件例如电阻部件、电容器部件等组合来形成带阻滤波器。

寄生电容假定是由各种因素形成的电容。例如，可以假定是通过在柔性基板的电力线的周围配置金属导体等而形成的寄生电容。即，柔性基板具备电力线和金属导体，还具备存在于电力线与金属导体之间的绝缘体，在这样的结构中，形成电力线与金属导体夹着绝缘体的电容器，因此处于由电力线形成寄生电容的状态。此外，金属导体假定是各种导体，可以假定是屏蔽体、处于接地电位的布线等。

前者是以至少覆盖屏蔽对象的布线的方式配置的金属导体，可以采用在多层柔性基板中由分别具备电力线、金属导体、绝缘体的层形成柔性基板的结构等。后者那样的布线，可以通过作为多层柔性基板的1层形成金属导体来构成，也可以在具备电力线的层中以与电力线并排的方式配置处于接地电位的布线。无论是哪种情况，根据以上的结构，都能够抑制因利用包括金属导体的柔性基板而不可避免地产生的寄生电容所形成的噪声的泄漏。

当然，伴随着柔性基板的利用而产生的寄生电容也可能会因其他因素而产生。例如，假定是因柔性基板被配置于驱动部的内部空间从而柔性基板与驱动部的内部的部件(框体、其他电路等)接近而由此形成的寄生电容等。因此，可以以使得抑制这样的寄生电容产生的噪声的泄漏的方式调整扼流线圈来形成带阻滤波器。此外，寄生电容的电容值能够通过柔性基板、驱动部、机器人等设计时的仿真以及柔性基板、驱动部、机器人等制造后的实测等来确定。

并且，也可以是扼流线圈串联连接于多相交流的生成源与柔性基板的电力线之间的结构。即，在由多相交流的生成源生成的电力通过柔性基板的电力线传输至驱动部内的电机等的结构中，若在多相交流的生成源与柔性基板的电力线之间串联连接扼流线圈，则由柔性基板的寄生电容与扼流线圈形成作为带阻滤波器的LC滤波器。更具体而言，在扼流线圈串联连接于多相交流的生成源与柔性基板的电力线之间的状态下，若将由柔性基板的电力线形成的寄生电容看作电容器，则可以看作该电容器的一端与扼流线圈与电机等之间的布线连接，该电容器的另一端接地。

因此，能够由扼流线圈与寄生电容形成典型的LC滤波器。另外，仅通过将扼流线圈串联连接于多相交流的生成源与柔性基板的电力线之间就能够形成带阻滤波器，从而即便不准备电容器也能够形成带阻滤波器。此外，多相交流的生成源只要是能够生成各相的交流电力的电路即可，例如，可以由通过对开关元件的控制而从直流电力生成交流电力的逆变电路等构成。

并且，在多相交流的生成源具备通过开关元件来转换电力的电力转换部的结构中，带阻滤波器可以构成为除去包括电力转换部中的开关噪声的峰值频率的频带。即，在借助通过对开关元件的控制来从直流电力生成交流电力的逆变电路等生成多相交流的结构中，伴随着对开关元件进行高速开关控制，生成高频的开关噪声。因此，若调整扼流线圈的规格以使得由扼流线圈与寄生电容形成的带阻滤波器的特性为除去包括开关噪声的峰值频率的频带的特性，则能够通过简易的结构除去开关噪声(抑制噪声向柔性基板的外部泄漏)。

并且，也可以是扼流线圈与电力转换部被安装于同一基板上的结构。根据该结构，与扼流线圈安装于柔性基板上的结构、扼流线圈插入柔性基板与驱动部之间的情况相比，能够将扼流线圈配置于电力转换部的附近。因此，能够在接近开关噪声的产生源的部位配置扼流线圈，从而能够有效地抑制开关噪声。

并且，以上那样的通过由柔性基板的电力线形成的寄生电容和扼流线圈来形成带阻滤波器的本发明的手法也能够作为方法来应用。另外，应用本发明的机器人可以作为包括进行机器人的控制、与各种设备的协作的控制部等的机器人系统而被提供，能够采用各种结构。

附图说明

图1A是表示本发明的实施方式所涉及的机器人的框图，图1B是表示LC滤波器的增益的频率特性的图，图1C是用于对LC滤波器的电路进行说明的说明图。

图2是表示包括带阻滤波器的电路的图。

附图标记说明：10…机器人；20…控制器；21…电力转换部；21a…转换器；21b…逆变器；21c…基板；22、23…电缆；24a、24b、24c…扼流线圈；30…驱动部；31…末端执行器；31a…电机；32…柔性基板；32a、32b、32c…寄生电容；33…中继器；34…支承部；40…电源。

具体实施方式

这里，按照下述顺序对本发明的实施方式进行说明。

(1)机器人的结构：

(2)用于噪声除去的结构：

(3)其他实施方式：

(1)机器人的结构：

图1A是表示本发明的一实施方式的机器人10的结构的框图。本实施方式所涉及的机器人10具备控制器20和驱动部30。控制器20具备用于驱动驱动部30的各种电路。控制器20连接着电缆22，经由该电缆22从机器人10的设置场所所提供的电源40对该控制器20供电。

控制器20包括电力转换部21。电力转换部21具备从以规定的规格(电压、频率等)进行提供的电源40生成应该供给至驱动部30的电力的电路。在本实施方式中，电源40提供规定的电压以及频率的三相交流，电力转换部21从该三相交流生成应该供给至驱动部30的三相交流。

因此，电力转换部21具备将交流电力转换为直流电力的转换器21a和将直流电力转换为交流电力的逆变器21b。转换器21a是将电源40的各相的电力转换为直流电力的电路。逆变器21b具备多个开关元件，通过进行利用了开关元件的PWM控制，将转换器21a所生成的直流电力转换为相位不同的三相交流电力。

逆变器21b所生成的各相的交流电力经由包覆线构成的电缆23供给至驱动部30。此外，在本实施方式中，逆变器21b生成的三相交流电力是用于驱动作为交流电动机的电机31a的电力。即，在驱动部30的内部具备电机31a，用于供给至该电机31a的电力由逆变器21b生成。

驱动部30具备被多个电机驱动的多个可动部。在图1A中，示出对作为驱动部30所具备的可动部的末端执行器31进行驱动的电机31a。其他可动部例如被支承为能够旋转的臂也由其他电机驱动，但在图1A中，上述其他电机被省略。此外，假定本实施方式所涉及的机器人10在工作中与人类共同存在。例如，假定在人类的居住空间配置机器人10的情况、在工厂内机器人10与人类一起进行作业。因此，本实施方式的电机31a的容量为80W左右，与工业用机器人(工作中不与人类共同存在的机器人)中的电机的容量(例如1kW)相比，为极小的容量。

电机31a连接有柔性基板32，柔性基板32经由中继器33连接于电缆23。即，电缆23从形成于驱动部30的开口部(在图1A所示的例子中，在基座形成有开口部)向驱动部30的内部布线，并经由中继器33连接于柔性基板32，该柔性基板32与配置在驱动部30的内部的电机31a连接。

此外，电缆23包括用于输送用于对作为交流电动机的电机31a进行驱动的三相交流电力的电力线、和处于接地电位的地线(处于接地电位的金属导体)。柔性基板32具备多个层，在以聚酰亚胺等为基材的薄膜状的1层通过金属导体形成三相的电力线和地线。另外，在本实施方式中，在具备该电力线与地线的层的表背配置有具有屏蔽用的金属导体的层。当然，屏蔽用的金属导体与成为电力线(以及地线)的金属导体相互绝缘。该绝缘能够通过由绝缘体形成的层等来实现。

柔性基板32薄且轻，有利于在狭小空间内的布线，因此在本实施方式中，可以用于电机31a与中继器33之间的空间的布线。即，对图1A所示的机器人10而言，越靠近前端侧即末端执行器31，臂越细，电机31a的周围是非常狭小的空间。因此，在狭小的空间即在电机31a与中继器33之间的空间，不利用包覆线而利用柔性基板32。

另一方面，在本实施方式中，中继器33与控制器20之间的空间比电机31a与中继器33之间的空间大，即便通过包覆线的电缆23进行布线，也不存在布线困难的情况。因此，在本实施方式中，在电缆23的前端，通过柔性基板32实现了电机31a与中继器33之间的布线。当然，若在中继器33与控制器20之间的内部空间狭小的情况下等，存在难以通过包覆线进行布线的部位，则也可以通过柔性基板来进行该部位的布线。

(2)用于噪声除去的结构：

无论哪种情况，在本实施方式中，驱动部30内部的至少一处的布线由柔性基板32形成。如上所述，柔性基板32是为了使在狭小空间的布线变容易而使用的，但在该柔性基板32中，无法避免形成寄生电容。而且，在控制器20的逆变器21b中，在多个开关元件高速地重复开、关动作，因此产生高频的开关噪声。在普通的电机31a的驱动中，该开关噪声的频率为数MHz的带域。典型地，数MHz(例如5MHz)是噪声的峰值频率，在比峰值频率高的频带中噪声逐渐衰减。

因此，在本实施方式中，通过由柔性基板32的电力线形成的寄生电容和扼流线圈来形成防止噪声向柔性基板32的外部泄漏的带阻滤波器。图2是示意性地表示由本实施方式所涉及的电力转换部21(转换器21a以及逆变器21b)、柔性基板32、电机31a形成的电路的图，示出与噪声的除去相关的要素(省略未在噪声的除去的说明中使用的电缆23)。

如该图所示，电源40连接于转换器21a，向转换器21a供给三相交流电力。转换器21a连接于逆变器21b，对三相交流电力进行整流并转换为直流电力，向逆变器21b供给。在逆变器21b中，电力转换部21所具备的控制IC控制各相的开关元件并使之以规定的频率进行开关动作，由此生成规定的频率以及振幅的交流电压。

来自逆变器21b的各相的输出线分别连接着扼流线圈24a、24b、24c。从扼流线圈24a、24b、24c分别延伸的电力线经由电缆23而到达柔性基板32，再从柔性基板32到达电机31a。因此，通过以上结构，根据控制IC对开关元件的控制，电机31a按照规定的周期旋转。在控制器20中，执行遵从未图示的程序的控制(通过控制器20的固件、其他计算机执行的控制)，从而使机器人10的驱动部30执行规定的动作。

在以上结构中，在由柔性基板32形成的各相的电力线的周围配置有金属导体，因此由该电力线形成寄生电容。这样的寄生电容可以看作连接于各相的电力线与金属导体之间的电容器。在本实施方式中，该金属导体是地线等接地电位的布线，因此在图2中，该寄生电容记作电力线与接地电位之间的寄生电容32a、32b、32c。在形成了这样的寄生电容32a、32b、32c的状态下，当扼流线圈24a、24b、24c不存在时，在逆变器21b产生的开关噪声经由寄生电容32a、32b、32c向外部(接地布线)泄漏。作为上述寄生电容32a、32b、32c的例子，假定是数百pF左右(200pF等)的数量级。

然而，在本实施方式中，如图2所示，在作为多相交流的生成源的逆变器21b与柔性基板32的电力线之间，串联连接了扼流线圈24a、24b、24c的各个。因此，在各层中，扼流线圈与寄生电容形成除去高频带的信号的LC滤波器。

图1B、图1C是用于对图2所示的LC滤波器的作用进行说明的说明图。如图1C所示，假定为电阻元件与线圈串联连接、电容器的一端与线圈侧的端子连接、电容器的另一端接地的电路。在该电路中，考虑以施加于电阻元件侧的端子的电压为输入电压Vin、以电容器的两端的电压为输出电压Vout的滤波器。在该电路中，若将电阻元件R的电阻值设定得比线圈、电容器的阻抗小，则图1C所示的电路与图2所示的LC滤波器为等效的滤波器。

图1B示出了在图1C所示的电路中电阻值为0.1Ω、电容器的电容为200pF、线圈的电感为47μH的情况下的增益的频率特性。如该图1B所示，在图1C所示的电路中，增益从1MHz附近开始上升，且增益在2MHz以下的频率成为峰值，然后，增益急剧降低。而且，在该例子中，增益为－3dB的截止频率位于2～3MHz之间。因此，图1C所示的电路能够看作作为阻止比位于2～3MHz之间的截止频率更大的频率的带阻滤波器来发挥作用。

像这样，根据组合图2所示的扼流线圈24a、24b、24c与寄生电容32a、32b、32c而形成的LC滤波器，在作为输入侧的逆变器21b侧产生的开关噪声在LC滤波器衰减或反射。因此，能够抑制开关噪声传递至比LC滤波器更靠输出侧，从而能够抑制噪声向柔性基板的外部泄漏。

此外，扼流线圈24a、24b、24c能够利用开关噪声的频率以及寄生电容32a、32b、32c来进行设计。例如，通过仿真、实测等确定出从图2的电路除去扼流线圈24a、24b、24c后的状态下的柔性基板32的寄生电容值。另外，还通过仿真、实测等确定出逆变器21b中的开关噪声的频率特性。

开关噪声一般在特定的频率变为峰值，在比峰值频率低的频带中噪声的强度不大幅度变化，但在比峰值频率高的频带中噪声逐渐衰减。因此，若以LC滤波器的截止频率比峰值频率小的方式设计扼流线圈24a、24b、24c，则能够形成除去开关噪声的泄漏的带阻滤波器。例如，在柔性基板32的寄生电容值为200pF左右、开关噪声的峰值频率为5MHz的情况下，如上述图1B所示，若使扼流线圈24a、24b、24c的电感为47μH，则能够形成除去开关噪声的带阻滤波器。

此外，在本实施方式所涉及的带阻滤波器中，至少作为除去对象的开关噪声的峰值频率比带阻滤波器的截止频率大即可。但是，开关噪声的峰值频率与截止频率相差越大，带阻滤波器对开关噪声的噪声除去效果越好。因此，可以以调整扼流线圈24a、24b、24c的电感使噪声除去效果变更高的方式来形成带阻滤波器。

为了增大开关噪声的峰值频率与截止频率的差量，例如由较大电感的线圈构成扼流线圈24a、24b、24c即可。但是，过度增大线圈的电感，线圈的规模变大，成本、大小、重量增大，因而不优选。因此，优选为能够充分抑制除去对象的开关噪声的范围的电感的大小且不过度增大电感。例如，在如上所述那样利用小容量的电机即80W左右的电机31a的本实施方式中，在柔性基板32的寄生电容值为200pF左右、开关噪声的峰值频率为5MHz左右的状况下，采用47mH的电感的线圈是合理的选择。

此外，作为47mH的电感的线圈，能够选择能够表面安装于印刷电路基板的部件(例如，伯恩斯(Bourns)公司(注册商标)的SRR1806系列等)。因此，与将3相的电力线卷绕于通用的铁氧体磁芯的线圈(现有的共模噪声滤波器)用作扼流线圈的结构相比，能够利用极小规模(小、轻且成本低)的扼流线圈来除去开关噪声。

在本实施方式中，像这样，不是由较大的线圈形成共模噪声滤波器，而是在各相的电力线由LC滤波器形成标准模式(normalmode)噪声滤波器，由此形成小规模的噪声滤波器。然而，着眼于开关噪声的峰值频率，形成除去峰值频率的带阻滤波器，因此即便是小规模的噪声滤波器，也能够有效地除去开关噪声。

此外，如本实施方式那样，在80W左右的容量的电机31a中，瞬时最大电流为3A左右，若为这种程度的最大电流，则能够从可进行表面安装的扼流线圈中选定该最大电流在额定电流以内的扼流线圈。并且，优选扼流线圈24a、24b、24c的额定电流在柔性基板32的额定电流以上。根据该结构，能够设计成：在利用柔性基板32的电路中，总有假定范围内的电流在扼流线圈24a、24b、24c中流动，并且扼流线圈24a、24b、24c不会被该电流破坏。

另外，在本实施方式中，构成电力转换部21的转换器21a和逆变器21b、扼流线圈24a、24b、24c形成于同一基板上，在图2中，用附图标记21c示意性地示出形成有上述电路的基板。在逆变器21b与扼流线圈24a、24b、24c形成于同一基板上的结构中，能够将扼流线圈24a、24b、24c配置(安装)于逆变器21b的附近。因此，能够将使噪声衰减的扼流线圈24a、24b、24c配置于作为开关噪声的产生源的逆变器21b的附近，从而能够高效地抑制开关噪声。

另外，在本实施方式中，通过由扼流线圈24a、24b、24c和寄生电容32a、32b、32c形成的LC滤波器抑制开关噪声。因此，通过将扼流线圈24a、24b、24c安装于基板21c上，与将扼流线圈24a、24b、24c配置于驱动部30内(例如，柔性基板32的附近)的情况相比，能够有效地抑制开关噪声向基板21c的外部泄漏、尤其是向驱动部30的渗入。

(3)其他实施方式

以上的实施方式是用于实施本发明的一个例子，只要通过由柔性基板的电力线形成的寄生电容和扼流线圈形成带阻滤波器，其他也可以采用各种实施方式。例如，机器人10的形态并不限定于图1A所示的形态，可以是双臂机器人、人形机器人，SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm：平面关节型机器人)机器人等其他任何机器人。

并且，上述电机31a是由三相交流驱动的电机，但也可以通过其他手法驱动机器人的驱动部。例如，可以通过由三相以外的多相交流驱动的电机、由单相交流驱动的电机来驱动驱动部，也可以通过电机以外的运动部(螺线管等)来驱动驱动部。无论哪种情况，只要柔性基板连接于运动部且通过由该柔性基板形成的寄生电容和扼流线圈形成带阻滤波器即可。

另外，在扼流线圈24a、24b、24c中，也可以除上述事项以外还具备各种结构，例如扼流线圈24a、24b、24c可以具备磁屏蔽。根据该结构，能够抑制来自扼流线圈24a、24b、24c的噪声的泄漏、向扼流线圈24a、24b、24c的噪声的渗入。

Claims

1.一种机器人，其特征在于，具备：

驱动部；

柔性基板，其具有向所述驱动部传输电力的电力线；以及

扼流线圈，其与所述电力线连接，

通过由所述电力线形成的寄生电容和所述扼流线圈来形成带阻滤波器。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，

所述驱动部包括被以多相交流驱动的电机，

所述柔性基板具备传输所述多相交流的各相电力的多个所述电力线。

3.根据权利要求2所述的机器人，其特征在于，

所述扼流线圈串联连接于所述多相交流的生成源与所述柔性基板的所述电力线之间。

4.根据权利要求2或3所述的机器人，其特征在于，

所述多相交流的生成源具备通过开关元件来转换电力的电力转换部，

所述带阻滤波器除去包括所述电力转换部中的开关噪声的峰值频率的频带。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的机器人，其特征在于，

所述扼流线圈与所述电力转换部被安装于同一基板上。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的机器人，其特征在于，

所述柔性基板具备所述电力线和金属导体，还具备存在于所述电力线与所述金属导体之间的绝缘体。

7.根据权利要求6所述的机器人，其特征在于，

所述金属导体被设定为接地电位。