CN110465931B - 驱动装置和机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供利用多个电动机驱动一个动作轴的驱动装置和机器人，该机器人具备该驱动装置。驱动装置能够抑制由于由驱动装置的制动机构进行的制动动作而施加于设置有该驱动装置的机构部(例如机器人机构部)的机械负荷。该驱动装置具备：第一制动机构，其设置于第一电动机，执行针对动作轴的第一制动动作；第二制动机构，其设置于第二电动机，执行针对动作轴的第二制动动作；以及制动控制部，其控制第一制动机构和第二制动机构，使得在第二制动动作之前先开始第一制动动作，之后继续第一制动动作和第二制动动作。

Description

驱动装置和机器人

技术领域

本发明涉及一种利用多个电动机协作地驱动一个动作轴的驱动装置、以及具备驱动装置的机器人。

背景技术

已知一种利用多个电动机协作地驱动一个动作轴的驱动装置(所谓的串联驱动装置)的制动机构(例如，日本特开2008-055550号公报)。

自以往以来，需要抑制由于由驱动装置的制动机构进行的制动动作而施加于设置有该驱动装置的机构部(例如，机器人机构部)的机械负荷。

发明内容

在本公开的一个方式中，利用多个电动机协作地驱动一个动作轴的驱动装置具备：第一制动机构，其设置于第一电动机，执行针对动作轴的第一制动动作；第二制动机构，其设置于第二电动机，执行针对动作轴的第二制动动作；以及制动控制部，其控制第一制动机构和第二制动机构，使得在第二制动动作之前先开始第一制动动作，之后继续第一制动动作和第二制动动作。

根据本公开，能够使由于第一制动动作和第二制动动作而施加于机构部的负荷的峰值分散，从而减小各个峰值的大小，因此能够降低在第一制动机构和第二制动机构动作时施加于机构部的负荷。

附图说明

图1是一个实施方式所涉及的机器人的图。

图2是图1所示的机器人的框图。

图3是驱动图1所示的机器人机构部的驱动机构的图。

图4是图3所示的第一制动机构和第二制动机构的图，表示该第一制动机构和第二制动机构的动作被解除的状态。

图5表示图4所示的第一制动机构和第二制动机构动作的状态。

图6是用于说明第一制动机构的第一制动动作以及第二制动机构的第二制动动作的定时的图表。

图7是表示由于第一制动动作及第二制动动作而施加于机器人机构部的负荷与时间的关系的图表。

图8是其它实施方式所涉及的机器人的框图。

具体实施方式

以下基于附图来详细地说明本公开的实施方式。此外，在以下说明的各种实施方式中对同样的要素标注相同的标记，省略重复的说明。首先，参照图1和图2对一个实施方式所涉及的机器人10进行说明。

机器人10具备控制部12、机器人机构部14、以及驱动装置50(图2)。控制部12具有处理器和存储部等，并控制机器人机构部14和驱动装置50。

在本实施方式中，机器人机构部14具备基底部16、旋转体18、机器人臂20、以及手腕部22。基底部16固定于作业室的地面上。旋转体18以能够绕铅垂轴转动的方式设置于基底部16。机器人臂20具有可转动地与旋转体18连结的下臂部24和可转动地与该下臂部24的前端部连结的上臂部26。

手腕部22可转动地设置于上臂部26的前端部。末端执行器28以能够装卸的方式安装于手腕部22。末端执行器28为机器人手、焊枪、或者涂料涂布器等。

驱动装置50对机器人机构部14的可动要素(即旋转体18、下臂部24、上臂部26、或手腕部22)的关节轴74(图3)进行旋转驱动。以下参照图2和图3来说明驱动装置50。

驱动装置50具有驱动机构52和制动控制部53。在本实施方式中，制动控制部53被嵌入在控制部12中，控制部12担负制动控制部53的功能。在后文对制动控制部53的功能进行叙述。

驱动机构52具有第一电动机54、第二电动机56、输入齿轮级(日语：入力ギア段)58、减速器60、第一制动机构62、以及第二制动机构64。第一电动机54例如为伺服电动机，并且具有输出轴54a。第一电动机54根据来自控制部12的指令使其输出轴54a旋转。在输出轴54a的前端固定设置有齿轮66。

第二电动机56与第一电动机54同样，例如为伺服电动机，并且具有输出轴56a。第二电动机56根据来自控制部12的指令使其输出轴56a旋转。在输出轴56a的前端固定设置有齿轮68。

输入齿轮级58具有与齿轮66及齿轮68卡合的输入齿轮70、以及从该输入齿轮70延伸出的输入轴72。输入齿轮级58伴随齿轮66及68的旋转而旋转。

减速器60内置多级齿轮构造(未图示)，该减速器60的输入侧与输入齿轮级58的输入轴72连结，该减速器60的输出侧与作为动作轴的关节轴74连结。减速器60一边使输入轴72的旋转减速一边将该输入轴72的旋转传递至关节轴74。关节轴74固定设置于机器人机构部14的可动要素(旋转体18、下臂部24、上臂部26、或手腕部22)。

当第一电动机54和第二电动机56分别使输出轴54a及56a旋转时，输出轴54a及56a的旋转力经由输入齿轮级58和减速器60传递至关节轴74，从而使该关节轴74(即可动要素)向一个方向旋转。像这样，驱动机构52通过多个电动机54及56协作来使一个关节轴74向同一方向驱动(所谓的串联驱动)。

例如，在驱动机构52设置为使下臂部24相对于旋转体18旋转驱动的情况下，第一电动机54和第二电动机56相互协作地使相对于旋转体18固定且固定设置于下臂部24的关节轴74向同一方向旋转驱动。

第一制动机构62设置于第一电动机54，另一方面，第二制动机构64设置于第二电动机56，第一制动机构62和第二制动机构64分别执行针对关节轴74的制动动作。在本实施方式中，第一制动机构62和第二制动机构64具有相同的构造。

以下参照图4来说明第一制动机构62和第二制动机构64的结构。此外，在以下的说明中，轴向与沿着输出轴54a(或输出轴56a)的轴线O的方向相当，径向与以该轴线O为中心的圆的半径方向相当，周向与该圆的圆周方向相当。

第一制动机构62对第一电动机54的输出轴54a进行直接制动。具体地说，第一制动机构62具有制动芯76、励磁线圈78、施力构件80、衔铁82、端板84、以及制动盘86。

制动芯76例如为由铁这样的磁性材料制成的环状构件，并配置为以轴线O为中心。在制动芯76中形成有环状的第一凹部76a、以及形成于该第一凹部76a的径向内侧的环状的第二凹部76b。第一凹部76a和第二凹部76b分别形成为从制动芯76的轴向端面76c凹入。

励磁线圈78收容于制动芯76的第一凹部76a中，沿周向卷绕。励磁线圈78与设置在外部的制动电源(未图示)电连接。控制部12向该制动电源发送指令，从而向励磁线圈78施加电压来对制动芯76进行励磁或解除该励磁。

施力构件80收容于制动芯76的第二凹部76b中。施力构件80具有螺旋弹簧等弹性构件，并朝向制动盘86的方向对衔铁82施力。

衔铁82为由磁性材料制成的环状构件，并配置为以轴线O为中心。衔铁82设置为朝向轴向可动，使得衔铁82选择性地相对于制动盘86接触和分离。衔铁82与制动芯76的端面76c相邻地配置。

端板84是配置为以轴线O为中心的环状构件，并配置在沿轴向与衔铁82间隔开的位置。端板84借助螺栓等紧固件88固定于制动芯76。

制动盘86是配置为以轴线O为中心的环状构件，并以不能相对于输出轴54a沿周向移动的方式设置于该输出轴54a的外周面，从而该制动盘86与该输出轴54a一体地旋转。制动盘86配置在衔铁82与端板84之间。

第二制动机构64对第二电动机56的输出轴56a进行直接制动。第二制动机构64与第一制动机构62同样地具有制动芯76、励磁线圈78、施力构件80、衔铁82、端板84、以及以不能沿周向移动的方式设置于输出轴56a的制动盘86。

在解除制动机构62、64的动作时，控制部12向设置在外部的制动电源发送指令，从该制动电源向励磁线圈78施加电压。由此，励磁线圈78和制动芯76被励磁，通过磁力向制动芯76吸引衔铁82。其结果是，衔铁82抵抗施力构件80的施力而向朝向制动芯76的方向移动，从而被吸附于制动芯76的端面76c。

在图4中表示该状态。如图4所示，在解除制动机构62、64的动作的状态下，衔铁82与制动芯76的端面76c抵接，另一方面，与制动盘86分离。由此，制动盘86能够向周向旋转，由制动机构62、64进行的针对输出轴54a、56a的制动被解除。

另一方面，在使制动机构62、64动作的情况下，控制部12向制动电源发送指令，停止从该制动电源向励磁线圈78施加电压。于是，励磁线圈78和制动芯76的励磁被解除，向制动芯76吸引衔铁82的磁力消失。

其结果是，衔铁82由于施力构件80的作用向朝向制动盘86的方向移动而被推压于该制动盘86，从而在衔铁82与端板84之间夹持该制动盘86。在图5中表示该状态。

如图5所示，在制动机构62、64动作的状态下，通过施力构件80的施力，制动盘86被衔铁82与端板84夹持使得向周向的旋转被制动，由此，输出轴54a及56a的旋转被制动。其结果是，与该输出轴54a及56a机械地连结的关节轴74也被制动机构62、64制动。

在本实施方式中，在使关节轴74停止时，控制部12控制第一制动机构62和第二制动机构64，使得在第二制动机构64的第二制动动作之前先开始第一制动机构62的第一制动动作，之后继续该第一制动动作和该第二制动动作。像这样，在本实施方式中，控制部12担负作为用于控制第一制动机构62和第二制动机构64的制动控制部53的功能。

以下参照图6来说明第一制动机构62的第一制动动作、以及第二制动机构64的第二制动动作的定时。图6的(a)示出表示施加于第一制动机构62的励磁线圈78的电压V与时间t的关系的图表，图6的(b)示出表示施加于第二制动机构64的励磁线圈78的电压V与时间t的关系的图表。另外，图6的(c)示出表示第一制动机构62的制动力F与时间t的关系的图表，图6的(d)示出表示第二制动机构64的制动力F与时间t的关系的图表。

在时间点t₀，解除第一制动机构62和第二制动机构64的动作。即，从制动电源向第一制动机构62和第二制动机构64的励磁线圈78分别施加电压V₁及V₂，第一制动机构62和第二制动机构64的衔铁82被吸附于制动芯76的端面76c(图4)。

在使关节轴74停止时，控制部12首先在时间点t₁开始第一制动机构62的第一制动动作。具体地说，控制部12在时间点t₁向外部的制动电源发送指令，如图6的(a)所示，使施加于第一制动机构62的励磁线圈78的电压V从V₁变为零。

其结果是，第一制动机构62的励磁线圈78的励磁被解除，制动盘86被夹持在衔铁82与端板84之间(图5)。像这样，如图6的(c)所示，第一制动机构62在时间点t₁(严格地说是从时间点t₁起经过了些许的时间后)对第一电动机54的输出轴54a施加最大制动力F_M1。该最大制动力F_M1取决于施力构件80的施力、以及制动盘86与衔铁82以及制动盘86与端板84之间的摩擦系数。

接着，控制部12在从时间点t₁起经过了时间τ后的时间点t₂开始第二制动机构64的第二制动动作。具体地说，控制部12在时间点t₂向制动电源发送指令，如图6的(b)所示，使施加于第二制动机构64的励磁线圈78的电压V从V₂变为零。此外，在本实施方式中，V₁＝V₂。

其结果是，第二制动机构64的励磁线圈78的励磁被解除，制动盘86被夹持在衔铁82与端板84之间。像这样，如图6的(d)所示，第二制动机构64在时间点t₂(严格地说是从时间点t₂起经过了些许的时间后)对第二电动机56的输出轴56a施加最大制动力F_M2。

在本实施方式中，第二制动机构64的最大制动力F_M2与第一制动机构62的最大制动力F_M1大致相同。也就是说，第一制动机构62的第一制动动作与第二制动机构64的第二制动动作是实质上相同的制动动作。

像这样，控制部12通过控制第一制动机构62的励磁线圈78和第二制动机构64的励磁线圈78的励磁定时，以使定时错开时间τ的方式开始第一制动动作和第二制动动作。之后，控制部12继续执行第一制动动作和第二制动动作，利用第一制动机构62来对输出轴54a进行制动，并且利用第二制动机构64来对输出轴56a进行制动，由此继续对关节轴74进行制动。

此外，关于第一制动动作的开始时间点t₁与第二制动动作的开始时间点t₂之差即时间τ，由使用者考虑关节轴74的容许惯性移动距离和在制动时施加于可动要素的负荷L的峰值L_M(图7)、使用实验的方法来预先决定为最佳的值(例如τ＝100[msec])。

在图7中示出表示由于第一制动动作和第二制动动作而施加于机器人机构部14的结构要素(例如手腕部22)的负荷L与时间t的关系的图表。图7中的实线122表示在图6所示的定时执行了第一制动动作和第二制动动作的情况下的负荷L与时间t的关系。另一方面，作为比较对象，图7中的虚线124表示同时开始第一制动动作和第二制动动作的情况下的负荷L与时间t的关系。

如实线122所示，在图6所示的定时执行了第一制动动作和第二制动动作的情况下，对于机器人机构部14的结构要素，在第一制动动作的开始时(即时间点t₁)施加负荷L₁，在第二制动动作的开始时(即时间点t₂)施加负荷L₂。

另一方面，如虚线124所示，在时间点t₁同时使第一制动机构62和第二制动机构64动作的情况下，在时间点t₁对机器人机构部14的构成要素施加比负荷L₁及L₂大幅度大的负荷L_M。

像这样，根据图6所示的制动控制，能够使由于第一制动动作和第二制动动作而施加于机器人机构部14的负荷L的峰值分散(L₁、L₂)，从而减小各个峰值的大小。因而，能够降低在第一制动机构62和第二制动机构64动作时施加于机器人机构部14的负荷。

与此同时，考虑容许惯性移动距离来设定上述的时间τ，由此即使使第一制动动作和第二制动动作的开始的定时错开时间τ，也能够将由于第一制动机构62和第二制动机构64引起的关节轴74的惯性移动距离收敛在容许范围中。

另外，由于两个制动机构62及64对关节轴74施加制动力，因此即使由于外力等而对关节轴74施加有大的转矩，也能够牢固地对该关节轴74进行制动。因而，能够使机器人机构部14的结构要素稳定地静止。

另外，根据本实施方式，能够降低在制动机构62及64动作时施加于机器人机构部14的负荷，因此能够使机器人机构部14所用的材料(例如铸件材料)轻量化。因而，能够在机器人机构部14安装重量更大的末端执行器28，另外，也能够削减制造成本。

接着，参照图8来说明其它实施方式所涉及的机器人100。机器人100与上述的机器人10的不同之处在于驱动装置102。具体地说，驱动装置102除了上述的驱动机构52和制动控制部53之外还具备异常检测部104。

异常检测部104检测是否发生了应该使关节轴74紧急停止的异常。作为一例，异常检测部104检测的异常为用于向第一电动机54或第二电动机56供给电力的电动机电源的停电。

在该情况下，异常检测部104监视电动机电源的输出电压(或向电动机电源供给的供给电压)，在该输出电压(或供给电压)为预先决定的阈值以下时，检测到发生了停电。

作为其它例子，异常检测部104检测的异常为针对第一电动机54或第二电动机56的指令值(例如位置指令)与来自传感器的反馈值(例如位置反馈值)之差超过预先决定的阈值。该传感器例如包括用于检测第一电动机54或第二电动机56的转速的编码器、或者检测关节轴74(可动要素)的位置的位置传感器。

在该情况下，异常检测部104获取来自传感器的反馈值，与针对第一电动机54或第二电动机56的指令值进行比较。而且，在反馈值与指令值之差为预先决定的阈值以上时，检测到机器人机构部14的动作发生了异常。

作为另一其它例子，异常检测部104检测的异常为人进入预先决定的禁止进入区域。例如，由设置有门的围栏划定出禁止进入区域。在该情况下，异常检测部104具有能够检测围栏的门的开闭的传感器，在从传感器接收到开门信号时，检测到人进入禁止进入区域。

或者，由从非接触传感器照射的电磁波来划定出禁止进入区域。在该情况下，异常检测部104具有该非接触传感器，该非接触传感器检测物体与照射的电磁波的交叉。异常检测部104通过检测物体横穿非接触传感器的电磁波来检测人进入到禁止进入区域。

控制部12作为制动控制部53发挥功能，在异常检测部104检测到异常时，如图6所示，使第一制动机构62的第一制动动作开始，之后(经过时间τ后)使第二制动机构64的第二制动动作开始。

根据本实施方式，在发生了停电等异常时，通过第一制动机构62和第二制动机构64能够降低施加于机器人机构部14的可动要素的负荷的峰值L_M，并且能够紧急停止关节轴74。

此外，制动电源也可以具有即使在停电时也能够对励磁线圈78施加电压的无停电电源。在该情况下，即使意外发生停电，也能够使制动机构62及64可靠地工作。

此外，第一制动动作的开始时间点t₁与第二制动动作的开始时间点t₂之差即时间τ也可以基于机器人机构部14的可动要素(即关节轴74)的动作状态而变化。

作为一例，控制部12根据来自传感器的反馈值(例如速度反馈值)使时间τ变化。该传感器包括用于检测第一电动机54或第二电动机56的转速的编码器、或者用于检测关节轴74(可动要素)的位置(或速度)的位置传感器(或速度传感器)。

具体地说，能够如下那样地设定时间τ。即，能够在反馈值α_f为α_f≤α₁的情况下，设定为τ＝τ₀(例如τ₀＝0)，在反馈值α_f为α₁<α_f≤α₂的情况下，设定为τ＝τ₁(>τ₀)，在反馈值α_f为α₂<α_f≤α₃的情况下，设定为τ＝τ₂(>τ₁)。由使用者预先决定阈值α₁、α₂及α₃。

根据本实施方式，例如在反馈值α_f为速度反馈值的情况下，第一电动机54或第二电动机56的转速(即关节轴74和可动要素的速度)越大则时间τ越大。

在此，在第一电动机54或第二电动机56的转速(即关节轴74和可动要素的速度)足够小的情况下，即使使第一制动机构62和第二制动机构64同时动作，施加于机器人机构部14的结构要素的负荷L的峰值L_M也比较小，因此该负荷L不会过大。因而，在该情况下，通过使第一制动机构62和第二制动机构64同时动作，能够减少关节轴74的惯性移动距离。

另一方面，在第一电动机54或第二电动机56的转速(即关节轴74和可动要素的速度)大的情况下，由于第一制动机构62和第二制动机构64的制动动作而施加于机器人机构部14的构成要素的负荷L大，因此如图6所示那样使开始第一制动动作和第二制动动作的定时错开是有利的。

像这样，通过根据第一电动机54或第二电动机56的转速(即关节轴74和可动要素的速度)使时间τ变化，能够在从低速域至高速域内使惯性移动距离和施加于机器人机构部14的负荷L最优化。

此外，也可以将第一制动机构62和第二制动机构64构成为第一制动机构62的制动力F_M1与第二制动机构64的制动力F_M2彼此不同。换言之，可以将第一制动机构62的第一制动动作与第二制动机构64的第二制动动作设为相互不同的制动动作。

例如，通过使第一制动机构62的施力构件80的施力与第二制动机构64的施力构件80的施力相互不同，能够使第一制动机构62的制动力F_M1与第二制动机构64的制动力F_M2不同。

作为一例，能够设定为第一制动机构62的制动力F_M1比第二制动机构64的制动力F_M2大(即F_M1>F_M2)。在该情况下，控制部12在使关节轴74停止时，在图6所示的定时执行第一制动动作和第二制动动作。

即，在该情况下，在用于发挥小的制动力F_M2的第二制动机构64的第二制动动作开始之前，先开始用于发挥大的制动力F_M1的第一制动机构62的第一制动动作。根据该结构，首先以大的制动力F_M1对关节轴74进行制动，因此能够减少该关节轴74的惯性移动距离。

作为其它例，设定为第一制动机构62的制动力F_M1比第二制动机构64的制动力F_M2小(即，F_M1<F_M2)。在该情况下，控制部12在使关节轴74停止时，在图6所示的定时执行第一制动动作和第二制动动作。

即，在该情况下，在用于发挥大的制动力F_M2的第二制动机构64的第二制动动作开始之前，先开始用于发挥小的制动力F_M1的第一制动机构62的第一制动动作。根据该结构，由于首先对转动中的关节轴74施加小的制动力F_M1，因此能够降低施加于机器人机构部14的构成要素的负荷L。

另外，也可以将第一电动机54构成为用于输出更大的功率(即旋转力)的主电动机，而将第二电动机56构成为用于输出小于第一电动机54的功率的从电动机。在该情况下，控制部12在使关节轴74停止时，在图6所示的定时执行第一制动动作和第二制动动作。

即，在该情况下，在针对作为低输出的从电动机的第二电动机56的第二制动动作开始之前，先开始针对作为高输出的主电动机的第一电动机54的第一制动动作。

或者，也可以将第二电动机56构成为主电动机，而将第一电动机54构成为用于输出小于第二电动机56的功率的从电动机。在该情况下，控制部12在使关节轴74停止时，也可以在图6所示的定时执行第一制动动作和第二制动动作。

即，在该情况下，在针对作为高输出的主电动机的第二电动机56的第二制动动作开始之前，先开始针对作为低输出的从电动机的第一电动机54的第一制动动作。

此外，在上述的实施方式中，对制动机构62、64具有图4所示的构造的情况进行了叙述。然而，不限于此，如果制动机构62、64能够对输出轴54a、56a进行制动，则能够具有任何类型的制动构造。例如，制动机构62、64也可以是具有空压式或液压式的缸，通过该缸来产生制动力。

另外，在上述的实施方式中，对制动机构62、64设置于输出轴54a、56a以对该输出轴54a、56a进行制动的情况进行了叙述。然而，不限于此，制动机构62、64也可以分别设置于输入轴72以对输入齿轮级58的输入轴72进行制动。或者，制动机构62、64也可以分别设置于关节轴74以直接对该关节轴74进行制动。

另外，在上述的实施方式中，对驱动装置50、102具有总共两个电动机54及56的情况进行了叙述。然而，不限于此，驱动装置50、102也可以具有总共n个(n为3以上的整数)电动机。在该情况下，驱动装置50、102具有总共n个制动机构，其分别设置于n个电动机的输出轴从而分别对该输出轴进行制动，控制部12也可以通过使总共n个制动机构的制动动作在相互错开的定时开始的方式来执行该n个制动机构的制动动作。

另外，在上述的实施方式中，对两个电动机54及56协作地对关节轴74进行旋转驱动的情况进行了叙述。然而，不限于此，两个电动机54及56也可以相互协作地使动作轴直线运动。另外，制动控制部53也可以设置为与控制部12相独立的要素。在该情况下，制动控制部53也可以由具有处理器和存储部等的一个计算机构成。

以上，通过实施方式对本公开进行了说明，但上述的实施方式并不限定权利要求书所涉及的发明。

Claims (4)

1.一种驱动装置，利用多个电动机协作地驱动一个动作轴，所述驱动装置具备：

第一电动机和第二电动机；

第一制动机构，其设置于所述第一电动机，执行针对所述动作轴的第一制动动作；

第二制动机构，其设置于所述第二电动机，执行针对所述动作轴的第二制动动作；以及

制动控制部，其控制所述第一制动机构和所述第二制动机构，通过在发出使所述第一制动机构动作的指令之后发出使所述第二制动机构动作的指令，使得在所述第二制动动作之前先开始所述第一制动动作，之后继续所述第一制动动作和所述第二制动动作。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，

还具备异常检测部，所述异常检测部检测是否发生了应该使所述动作轴紧急停止的异常，

在所述异常检测部检测到所述异常时，所述制动控制部使所述第一制动动作开始。

3.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，

所述第一制动机构和所述第二制动机构分别具有：

制动盘；

磁性体的衔铁，其选择性地与该制动盘接触和分离；以及

励磁线圈，其使该衔铁相对于该制动盘接触或分离，

其中，所述制动控制部控制所述励磁线圈的励磁定时。

4.一种机器人，具备：

根据权利要求1～3中的任一项所述的驱动装置；以及

机器人机构部，其具有作为所述动作轴的关节轴。

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