-
Hintergrund der Erfindung
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungseinrichtung, um ein Gelenk eines Roboters zu betätigen.
-
Beschreibung des Standes der Technik
-
Die japanische Patentanmeldung-Offenlegungsschrift mit der Nummer
JPH 10249777 A offenbart eine Roboterarm-Betätigungseinrichtung mit drei Gliedern, die durch drei Gelenke gekoppelt sind und sich von der Basis eines Betätigungssystems zu dem distalen Ende einer Hand erstrecken. Die Basis des Betätigungssystems weist drei Riemenscheiben auf, die an jeweiligen Antrieben (Aktuatoren) fixiert sind. Jedes der Gelenke weist eine Gelenkwelle auf, an der so viele unabhängig drehbare Riemenscheiben angebracht sind, wie die Anzahl von Riemen, die um die Riemenscheiben herum gewunden und betriebsmäßig mit dem Gelenk gekoppelt sind. Wenn der Roboterarm in Kontakt mit einer Außenumgebung kommt, rutschen die Riemen, die um die Riemenscheiben herum gewunden und an den jeweiligen Antrieben fixiert sind, auf den Riemenscheiben (Schlupf), wodurch verhindert wird, dass der Roboterarm übermäßig große Kräfte auf die Außenumgebung ausübt.
-
Überblick über die Erfindung
-
Wenn jedoch eine externe Kraft auf eines der Gelenke wirkt, dann wird das Moment, welches tatsächlich auf das Gelenk einwirkt, verschieden von dem Moment, das von dem Antrieb, etwa einem Motor, auf das Gelenk ausgeübt wird. Da der Antrieb so gesteuert/geregelt wird, dass das tatsächlich angewendete Moment als ein Zielmoment dienen soll, können die Gelenke nicht geeignet gesteuert/geregelt werden.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betätigungseinrichtung bereitzustellen, die dazu in der Lage ist, ein winkelig bewegbares Element wie beispielsweise ein Gelenk oder dergleichen in geeigneter Weise auch während Zeiten zu steuern/regeln, zu welchen externe Kräfte auf das winkelig bewegbare Element ausgeübt werden.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Betätigungseinrichtung bereitgestellt, die einen Drehantrieb (Drehaktuator) umfasst, einen Kopplungsmechanismus, der mit einer Ausgabeseite von dem Drehantrieb verbunden ist, ein erstes Element, das mit einer Ausgabeseite von dem Kopplungsmechanismus verbunden ist, ein zweites Element, das mit einem winkelig bewegbaren Element verbunden ist, welches in ein Gelenk integriert ist, ein elastisches Element, um Rotationsenergie von dem ersten Element auf das zweite Element zu übertragen, eine Verlagerung-Erfassungseinheit, um jeweilige Verlagerungen von dem ersten Element und dem zweiten Element zu erfassen, eine Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung, um einen Schlupfbetrag des zweiten Elements in Bezug auf das elastische Element zu berechnen, und eine Rotation-Steuer-/Regeleinrichtung, um ein Ausgabemoment von dem Drehantrieb auf Basis von dem Schlupfbetrag zu steuern/regeln, wobei die Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung den Schlupfbetrag auf Basis einer Änderung in einer Verlagerungsrate des ersten Elements, einer Differenz zwischen den jeweiligen Verlagerungen von dem ersten Element und dem zweiten Element und dem Ausgabemoment von dem Drehantrieb berechnet.
-
Bei der Betätigungseinrichtung kann die Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung den Schlupfbetrag gemäß der folgenden Gleichung berechnen: S = I1/kr·(dθ1(n + 1) – dθ1(n))/dt + (θ2(n) – θ1(n)) – τr(n)/kr Wobei S der Schlupfbetrag ist, I1 ein Trägheitsmoment von dem ersten Element, dem Kopplungsmechanismus und dem Drehantrieb ist, kr eine Torsionsfederkonstante zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element ist, θ1(n) eine Verlagerung von dem ersten Element ist, die zu einem Zeitpunkt n erfasst wird, θ2(n) eine zu dem Zeitpunkt n erfasste Verlagerung von dem zweiten Element ist, dθ1(n) eine zu dem Zeitpunkt n erfasste Änderung in der Verlagerungsrate von dem ersten Element ist und τr(n) ein zu dem Zeitpunkt n erfasstes Ausgabemoment von dem Kopplungsmechanismus ist.
-
Bei der Betätigungseinrichtung kann die Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung ein Tiefpass-Filterverfahren an dem berechneten Schlupfbetrag durchführen, um den Schlupfbetrag zu korrigieren.
-
Bei der Betätigungseinrichtung kann ein Schlupf-Start-Moment, bei welchem das erste Element beginnt, in Bezug auf das elastische Element zu rutschen, auf Basis einer Zugkraft, die auf das elastische Element ausgeübt wird, bevor der Drehantrieb mit Energie versorgt wird, einer Gesamtlänge von dem elastischen Element, einem statischen Reibungskoeffizienten zwischen dem zweiten Element und dem elastischen Element, einer Distanz zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element, jeweiligen Radien von dem ersten Element und dem zweiten Element und einem Geschwindigkeit-Reduktionsverhältnis, einschließlich einem Reduktionsverhältnis von 1:1 des Kopplungsmechanismus etabliert werden. Die Rotation-Steuer-/Regeleinrichtung kann den Drehantrieb so steuern/regeln, dass der Drehantrieb das Moment ausgibt, welches kleiner ist als das Schlupf-Start-Moment.
-
Da gemäß der vorliegenden Erfindung der Schlupfbetrag auf Basis der Änderung in der Verlagerungsrate von dem ersten Element, der Differenz zwischen den Verlagerungen von dem ersten Element und dem zweiten Element und dem Ausgabemoment von dem Drehantrieb berechnet wird, ist es möglich, ein tatsächliches Moment τact zu bestimmen, dass tatsächlich von dem Drehantrieb auf das winkelig bewegbare Element an dem Gelenk (Verbindung) ausgeübt wird. Eine Verlagerung von dem Gelenk (Verbindung) kann so in geeigneter Weise im Hinblick auf Beschleunigung, Geschwindigkeit und Position gesteuert/geregelt werden.
-
Das Schlupf-Start-Moment, bei welchem die erste Riemenscheibe 16 beginnt, auf dem elastischen Element zu rutschen (bei dem ein Schlupf der Riemenscheibe auf dem elastischen Element beginnt), wird auf Basis der Zugkraft, die auf das elastische Element ausgeübt wird, bevor der Drehantrieb mit Energie versorgt wird, der Gesamtlänge des elastischen Elements, dem statischen Reibungskoeffizienten zwischen dem zweiten Element und dem elastischen Element, der Distanz zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element, den jeweiligen Radien von dem ersten Element und dem zweiten Element und dem Geschwindigkeit-Reduktionsverhältnis von dem Kopplungsmechanismus etabliert.
-
Die Rotation-Steuer-/Regeleinrichtung steuert/regelt den Drehantrieb so, dass der Drehantrieb ein Moment ausgibt, das kleiner als das Schlupf-Start-Moment ist. Daher wird während Zeiten, zu welchen der Motor mit Energie versorgt wird, das erste Element daran gehindert, auf dem elastischen Element zu rutschen.
-
Die obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, zusammen genommen mit den begleitenden Figuren noch deutlicher, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als illustratives Beispiel gezeigt ist.
-
Kurzbeschreibung der Figuren
-
1 ist eine Ansicht, die eine Gesamtstruktur einer Betätigungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
2 ist ein schematisches Diagramm, welches die Weise zeigt, auf welche ein Niveau einer mechanischen Stärke etabliert wird, die für einen Riemen erforderlich ist, und
-
3 ist ein elektrisches Blockdiagramm einer Steuer-/Regeleinrichtung der Betätigungseinrichtung.
-
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
-
Eine Betätigungseinrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unten im Detail unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben.
-
1 zeigt die Gesamtstruktur von einer Betätigungseinrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Betätigungseinrichtung 10 einen Motor 12, einen Kopplungsmechanismus 14, eine erste Riemenscheibe 16, einen Riemen 18, eine zweite Riemenscheibe 20, ein winkelig bewegbares Element 22 und eine Steuer-/Regeleinrichtung 24.
-
Der Motor 12, der als ein Drehantrieb dient, ist ein Elektromotor. Wenn von einer nicht gezeigten elektrischen Energiequelle elektrische Energie dem Motor 12 zugeführt wird, erzeugt der Motor 12 ein Moment, um eine Ausgabewelle 12a (Motorwelle) von dem Motor 12 um ihre Achse zu drehen. Der Kopplungsmechanismus 14 umfasst eine Eingangswelle 14a, die koaxial mit der Ausgabewelle 12a verbunden ist, um zusammen mit dieser zu rotieren. Der Kopplungsmechanismus 14 überträgt eine Rotationsenergie, welche von der Ausgabewelle 12a eingegeben wird, auf die Eingangswelle 14a mit einem gegebenen Geschwindigkeit-Reduktionsverhältnis und gibt eine Rotationsenergie mit der reduzierten Geschwindigkeit von einer Ausgabewelle 14b des Kopplungsmechanismus aus. Die Ausgabewelle 14b von dem Kopplungsmechanismus 14 ist mit einer Eingangswelle 16a der ersten Riemenscheibe (dem ersten Element) 16 verbunden. Der Kopplungsmechanismus 14 kann von der Eingangswelle 14a eingegebene Rotationsenergie ohne eine Reduktion in der Geschwindigkeit zu der Ausgabewelle 14b übertragen, also mit einem Geschwindigkeit-Reduktionsverhältnis von 1:1. In anderen Worten kann der Kopplungsmechanismus 14 irgend eine Art von Mechanismus sein, der dazu in der Lage ist, Rotationsenergie von dem Motor 12 zu der ersten Riemenscheibe 16 zu übertragen.
-
Der Riemen 18, der ein ringförmiges elastisches Element umfasst, ist um die erste Riemenscheibe 16 und die zweite Riemenscheibe 20 herum gewunden, um eine Rotationsenergie von der ersten Riemenscheibe 16 auf die zweite Riemenscheibe 20 zu übertragen. Die zweite Riemenscheibe 20 weist eine Ausgabewelle 20a auf, mit der das winkelig bewegbare Element 22 verbunden ist.
-
Die Betätigungseinrichtung 10 ist mit einem Gelenk eines Roboters kombiniert. Wenn das winkelig bewegbare Element 22 in einem Kniegelenk des Roboters eingebaut ist, dann ist das winkelig bewegbare Element 22 an dem Unterschenkel von dem Roboter angebracht, wohingegen der Motor 12 an dem Oberschenkel des Roboters montiert ist.
-
Die Gesamtlänge und die Steifigkeit des Riemens 18 wie auch die Radien von der ersten und der zweiten Riemenscheibe 16, 20 können geeignet geändert werden, um die Steifigkeit von dem Gelenk in Kombination mit der Betätigungseinrichtung 10 zu ändern.
-
Die Betätigungseinrichtung 10 umfasst auch Verlagerungsgeber 26, 28 und einen Moment-Sensor 30. Der Verlagerungsgeber (Drehwinkel-Erfassungseinheit, Verlagerung-Erfassungseinheit) 26 erfasst einen Drehwinkel (Verlagerung) θm von dem Motor 12. Der Verlagerungsgeber (Drehwinkel-Erfassungseinheit, Verlagerung-Erfassungseinheit) 28 erfasst einen Drehwinkel (Verlagerung) θ2 der zweiten Riemenscheibe 20. Der Moment-Sensor 30 erfasst ein Moment (Drehmoment) τr, das von dem Kopplungsmechanismus 14 ausgegeben wird. Der Verlagerungsgeber 26, der Verlagerungsgeber 28 und der Moment-Sensor 30 geben jeweilige Signale (Werte) an die Steuer-/Regeleinrichtung 24 aus, welche den erfassten Drehwinkel θm, den erfassten Drehwinkel θ2 und das erfasste Moment τr repräsentieren.
-
Der Moment-Sensor 30 kann mit dem Motor 12 kombiniert sein, um ein Ausgabemoment τm zu erfassen, das von dem Motor 12 ausgegeben wird. Das erfasste Ausgabemoment τm, das von dem Motor 12 ausgegeben wird, kann mit dem Geschwindigkeit-Reduktionsverhältnis von dem Kopplungsmechanismus 14 multipliziert werden, um das Moment τr zu berechnen, das von dem Kopplungsmechanismus 14 ausgegeben wird. Alternativ kann ein (nicht gezeigter) Strom-Sensor zusätzlich vorgesehen sein, um einen Strom zu erfassen, der von der Steuer-/Regeleinrichtung 24 dem Motor 12 zugeführt wird. Der von dem Strom-Sensor erfasste Strom kann mit einer Moment-Konstante multipliziert werden, also dem Koeffizienten von einem Ausgabemoment, das durch den zugeführten Strom generiert wird, um das Ausgabemoment τm zu berechnen, welches von dem Motor 12 ausgegeben wird.
-
2 ist ein schematisches Diagramm, welches die Weise zeigt, auf welche ein Niveau einer mechanischen Stärke etabliert wird, die für den Riemen 18 erforderlich ist. Es wird angenommen, dass die erste Riemenscheibe 16 einen Radius r(m) aufweist, dass die zweite Riemenscheibe einen Radius R(m) aufweist, und dass der Riemen 18 eine Gesamtlänge (volle Umfangslänge) L(m) aufweist. Der Riemen 18 wird in einer gekreuzten Form um die erste Riemenscheibe 16 und die zweite Riemenscheibe 20 herum gewunden. Wie in Beziehung auf die unten gezeigte Gleichung diskutiert wird, stellt b1 eine Entfernung von dem Punkt, an welchem der Riemen 18 sich selbst zwischen der ersten und der zweiten Riemenscheibe 16, 20 kreuzt, zu einem Berührungspunkt (Tangenten-Punkt) dar, an welchem der Riemen 18 tangential zu der ersten Riemenscheibe 16 ist, und b2 stellt eine Entfernung von dem Punkt, an welchem der Riemen 18 sich selbst zwischen der ersten und der zweiten Riemenscheibe 16, 20 kreuzt, zu einem Berührungspunkt (Tangenten-Punkt dar), an welchem der Riemen 18 tangential zu der zweiten Riemenscheibe 20 ist. Auch wenn in 2 gezeigt ist, dass der Riemen 18 in einer gekreuzten Form um die erste Riemenscheibe 16 und die zweite Riemenscheibe 20 herum gewunden ist, kann der Riemen 18 weiter auch in einer ringförmigen Form um die erste Riemenscheibe 16 und die zweite Riemenscheibe 20 herum gewunden sein.
-
Es wird angenommen, dass dann, wenn ein Moment ausgeübt wird, um die erste Riemenscheibe 16 zu drehen, die zweite Riemenscheibe 20 bei einem bestimmten Moment (Schlupf-Start-Moment) Ts beginnt, auf dem Riemen 18 zu rutschen. Eine Zugkraft Ts/R(N) wird auf den Riemen 18 ausgeübt, wenn das Schlupf-Start-Moment Ts auf die zweite Riemenscheibe 20 ausgeübt wird.
-
Auch gibt es einen statischen Reibungskoeffizienten μ zwischen dem Riemen 18 und der zweiten Riemenscheibe 20 zu der Zeit, zu der der Riemen 18 vollständig im Umfang um die zweite Riemenscheibe 20 herum gewunden ist. Eine Zugkraft Fp, die auf den Riemen 18 ausgeübt wird, bevor die erste Riemenscheibe 16 betätigt wird, wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: Fp = L·Ts·1/(2·R·μ·(L – 2(b1 + b2)))
-
Wobei ”·” eine Multiplikation darstellt. Daher benötigt der Riemen 18 ein gewisses Maß einer mechanischen Stärke, die groß genug ist, um den Riemen daran zu hindern, zu reißen bzw. zu brechen, während eine Zugkraft von Ts/R + Fp auf den Riemen 18 angewendet wird.
-
Das Schlupf-Start-Moment Ts kann aus der obigen Gleichung auf Basis der Zugkraft Fp, der Gesamtlänge L des Riemens 18, des statischen Reibungskoeffizienten μ, der Distanz zwischen der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20 und dem Radius R der zweiten Riemenscheibe 20 bestimmt werden. Da ein Schlupf-Start-Moment Ts1, bei welchem die erste Riemenscheibe 16 beginnt, auf dem Riemen 18 zu rutschen, durch Ts1 = Ts·R/(rx dem Geschwindigkeit-Reduktionsverhältnis von dem Kopplungsmechanismus 14) ausgedrückt werden kann, kann die erste Riemenscheibe 16 daran gehindert werden, auf dem Riemen 18 zu rutschen, indem sichergestellt wird, dass das Ausgabemoment von dem Motor 12 kleiner bleibt als Ts1.
-
In 2 ist gezeigt, dass der Radius r der ersten Riemenscheibe 16 kleiner ist als der Radius R der zweiten Riemenscheibe 20. Jedoch werden die erste Riemenscheibe 16 und die zweite Riemenscheibe 20 nachfolgend so beschrieben, dass sie den gleichen Radius haben.
-
Wenn eine Kraft von einer externen Quelle (externe Kraft) auf das winkelig bewegbare Element 22 ausgeübt wird, wenn die zweite Riemenscheibe 20 auf dem Riemen 18 rutscht (Schlupf hat), wird das Moment, welches tatsächlich auf das winkelig bewegbare Element 22 ausgeübt wird, also das Moment, welches auf das winkelig bewegbare Element 22 ausgeübt wird, welches auf Basis der Differenz zwischen jeweiligen Drehwinkeln der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20 berechnet wird, durch die Summe der externen Kraft und einem tatsächlichen Moment τact repräsentiert, welches von dem Motor 12 zu dem winkelig bewegbaren Element übertragen wird. Folglich kann das tatsächliche Moment τact, das von dem Motor 12 zu dem winkelig bewegbaren Element 22 übertragen wird, nicht so gesteuert/geregelt werden, dass es gleich dem Zielmoment τref ist.
-
Die Steuer-/Regeleinrichtung 24 bestimmt einen Schlupfbetrag (Schlupfbetrag S) und steuert/regelt den Motor 12 um zu bewirken, dass das zu dem winkelig bewegbaren Element 22 übertragene Moment gleich dem Zielmoment τref wird, indem ein tatsächliches Moment τact abgeschätzt wird, welches von dem Motor 12 zu dem winkelig bewegbaren Element 22 übertragen wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel rutscht die erste Riemenscheibe 16 im Prinzip nicht auf dem Riemen 18, insofern die Steuer-/Regeleinrichtung 24 den Motor 12 so steuert/regelt, dass ein Moment erzeugt wird, welches die erste Riemenscheibe 16 daran hindert, auf dem Riemen 18 zu rutschen.
-
Ein Verfahren zur Berechnung des Schlupfbetrags S wird nachstehend beschrieben. Die Bewegungsgleichung für die erste Riemenscheibe 16 wird ausgedrückt wie folgt: α1 = τ1/I1 (1)
-
Wobei α1 eine Drehwinkelbeschleunigung der ersten Riemenscheibe 16 ist, τ1 das auf die erste Riemenscheibe 16 ausgeübte Moment ist und I1 ein Trägheitsmoment der ersten Riemenscheibe 16, des Kopplungsmechanismus 14 und des Motors 12 ist.
-
Die Drehwinkelbeschleunigung α1 wird ausgedrückt wie folgt: α1 = (dθ1(n + 1) – dθ1(n))/dt (2) wobei θ1(n + 1) ein Drehwinkel (Verlagerung) der ersten Riemenscheibe 16 ist, erfasst zu einem Zeitpunkt (n + 1) (also zu einem gegenwärtigen Erfassungszeitpunkt), θ1(n) ein Drehwinkel (Verlagerung) der ersten Riemenscheibe 16 ist, der zu einem Zeitpunkt n (also einem vorhergehenden Erfassungszeitpunkt) erfasst wird, und dt eine Erfassungszeit (Samplingzeit) ist. Daher stellt dθ1(n + 1) die Drehwinkelgeschwindigkeit (Verlagerungsrate) der ersten Riemenscheibe 16 zu dem Zeitpunkt (n + 1) dar, wohingegen dθ1(n) die Drehwinkelgeschwindigkeit (Verlagerungsrate) der ersten Riemenscheibe 16 zu dem Zeitpunkt n darstellt.
-
Die Drehwinkelgeschwindigkeit dθ1(n + 1) wird ausgedrückt durch die Gleichung dθ1(n + 1) = (θ1(n + 1) – θ1(n))/dt, und die Drehwinkelgeschwindigkeit dθ1(n) wird durch die Gleichung dθ1(n) = (θ1(n) – θ1(n-1))/dt ausgedrückt.
-
Der Drehwinkel θ1 der ersten Riemenscheibe 16 wird bestimmt, indem der Drehwinkel θm von dem Motor 12, der durch den Verlagerungsgeber 26 erfasst wird, durch das Geschwindigkeit-Reduktionsverhältnis von dem Kopplungsmechanismus 14 dividiert wird. Die Drehwinkelgeschwindigkeit dθ1 der ersten Riemenscheibe 16 wird bestimmt, indem der Drehwinkel θ1 der ersten Riemenscheibe 16 differenziert wird.
-
Das Moment τ1 ist gleich der Summe von dem Moment τr, das von dem Kopplungsmechanismus 14 auf die erste Riemenscheibe 16 ausgeübt wird, und dem Moment, welches von der zweiten Riemenscheibe 20 auf die erste Riemenscheibe 16 ausgeübt wird. Unter Berücksichtigung von dem Schlupfbetrag S der zweiten Riemenscheibe 20 wird das Moment τ1 wie folgt ausgedrückt: τ1 = kr·(θ1(n) – (θ2(n) – S)) + τr(n) (3) wobei kr eine Torsionsfederkonstante (N·m/rad) zwischen der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20 ist, die repräsentativ ist für die Steifigkeit von dem Gelenk, θ2(n) ist ein zu dem Zeitpunkt n erfasster Drehwinkel der zweiten Riemenscheibe 20 und τr(n) ist ein zu dem Zeitpunkt n erfasstes Moment von dem Kopplungsmechanismus 14. Der Drehwinkel θ2 der zweiten Riemenscheibe 20 wird durch den Verlagerungsgeber 28 erfasst.
-
Aus den obigen Gleichungen (1), (2) und (3) wird der Schlupfbetrag S gemäß der folgenden Gleichung (4) bestimmt: S = I1/kr·(dθ1(n + 1) – dθ1(n))/dt + (θ2(n) – θ1(n)) – τr(n)/kr (4)
-
Der erste Term ”(dθ1(n + 1) – dθ1(n))/dt” von Gleichung (4) stellt eine Änderung in der Drehwinkelgeschwindigkeit dθ1 der ersten Riemenscheibe 16 dar, also eine Drehwinkelbeschleunigung (Verlagerungsbeschleunigung) α. Der zweite Term ”(θ2(n) – θ1(n))” stellt den Unterschied zwischen den Drehwinkeln (Verlagerungsdifferenz) der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20 dar, und der dritte Term ”τr(n)” stellt das Ausgabemoment von dem Kopplungsmechanismus 14 dar. Folglich ändert sich der Schlupfbetrag S in Abhängigkeit von der Änderung in der Drehwinkelgeschwindigkeit dθ1 der ersten Riemenscheibe 16, der Differenz zwischen den Drehwinkeln der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20 und dem Ausgabemoment τr von dem Kopplungsmechanismus 14, also dem Ausgabemoment τm von dem Motor 12.
-
Falls die zweite Riemenscheibe 20 auf dem Riemen 18 unter einer externen Kraft rutscht, die aufgrund einer Störung auf das winkelig bewegbare Element 22 ausgeübt wird, dann bleibt die Drehwinkelgeschwindigkeit dθ1 der ersten Riemenscheibe 16 wie auch das Moment τr im Wesentlichen unverändert. Daher ändert sich die Differenz zwischen den Drehwinkeln von der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20 primär in einem niedrigen Frequenzbereich.
-
Ein Schlupf der ersten Riemenscheibe 16 gegen den Riemen 18 impliziert, dass der Motor 12 gesteuert/geregelt wird, um eine Kraft zu erzeugen, welche eine limitierende statische Reibung überschreitet. Wenn die limitierende statische Reibung bekannt ist, dann ist es möglich, den Motor 12 so zu steuern/regeln, dass die erste Riemenscheibe 16 nicht rutschen wird. Wie oben beschrieben, wird die erste Riemenscheibe 16 so gesteuert/geregelt, dass sie im Prinzip nicht rutscht.
-
Da jedoch der Motor 12 und die erste Riemenscheibe 16 operativ miteinander durch den Kopplungsmechanismus 14 gekoppelt sind, kann die erste Riemenscheibe 16 aufgrund von mechanischen Eigenschaften (zum Beispiel einer Gegenreaktion) von dem Kopplungsmechanismus 14 leicht auf dem Riemen 18 rutschen. Wenn die erste Riemenscheibe 16 auf dem Riemen 18 rutscht, treten Änderungen in der Drehwinkelgeschwindigkeit dθ1 der ersten Riemenscheibe 16 und dem Moment τr bei hohen Frequenzen auf, wohingegen der Unterschied zwischen den Drehwinkeln der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20 sich mit einer mittleren Frequenz ändert. Der Verlagerungsgeber 28, der ein Sensor ist, um den Schlupfbetrag S zu berechnen, ist schwach in der Auflösung, und ist nicht dazu in der Lage, Verlagerungen zu erfassen, welche sich mit hohen Frequenzen ändern. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird daher der Schlupfbetrag S, der gemäß Gleichung (4) berechnet wird, durch ein Tiefpass-Filterverfahren korrigiert.
-
3 ist ein elektrisches Blockdiagramm der Steuer-/Regeleinrichtung 24. Die Steuer-/Regeleinrichtung 24 umfasst grundsätzlich eine Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung 50 und eine Motor-Steuer-/Regeleinrichtung (Rotation-Steuer-/Regeleinrichtung) 52. Die Motor-Steuer-/Regeleinrichtung 52 umfasst eine Moment-Wert-Berechnungseinrichtung 60, Operatoren 62, 64 und 66, einen Tiefpass-Filter 68, eine PD-Steuer-/Regeleinrichtung 70 und einen Treiber 72. Aufeinander folgende Werte von dem Zielmoment τref werden der Steuer-/Regeleinrichtung 24 zugeführt. Die aufeinander folgenden Werte von dem Zielmoment τref werden von dem Motor 12 auf das winkelig bewegbare Element 22 von einem nicht illustrierten externen Steuer-/Regelgerät ausgeübt.
-
Die Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung 50 berechnet (schätzt) einen Schlupfbetrag S gemäß Gleichung (4) aus dem Drehwinkel θm des Motors 12, der durch den Verlagerungsgeber 26 erfasst wird, dem Drehwinkel θ2 der zweiten Riemenscheibe 20, der durch den Verlagerungsgeber 28 erfasst wird, und dem Moment τr, das durch den Moment-Sensor 30 erfasst wird.
-
Die Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung 50 führt dann ein Tiefpass-Filterverfahren an dem berechneten Schlupfbetrag S aus, wodurch der Schlupfbetrag S korrigiert wird. Der Drehwinkel θ1 der ersten Riemenscheibe 16 wird bestimmt, indem der Drehwinkel θm des Motors 12, der durch den Verlagerungsgeber 26 erfasst wird, durch das Geschwindigkeit-Reduktionsverhältnis von dem Kopplungsmechanismus 14 dividiert wird.
-
Die Moment-Wert-Berechnungseinrichtung 60 berechnet (schätzt) ein tatsächliches Moment τact, das von dem Motor 12 auf das winkelig bewegbare Element 22, also auf die zweite Riemenscheibe 20, angewendet wird, aus dem Drehwinkel θ1 der ersten Riemenscheibe 16, dem Drehwinkel θ2 der zweiten Riemenscheibe 20 und dem Schlupfbetrag S. Das tatsächliche Moment τact kann gemäß der Gleichung τact = kr·(θ2 – θ1 – S) bestimmt werden. Wie oben beschrieben kann ein tatsächliches Moment τact, das von dem Motor 12 auf das winkelig bewegbare Element 22 ausgeübt wird, bestimmt (abgeschätzt) werden, indem der Schlupfbetrag S, der auftritt, wenn eine externe Kraft auf das winkelig bewegbare Element 22 ausgeübt wird, von (θ2 – θ1) abgezogen wird.
-
Der Operator 62 berechnet die Differenz τact – τc zwischen dem tatsächlichen Moment τact, welches durch die Moment-Wert-Berechnungseinrichtung 60 berechnet wird, und einem Moment τc, das im nächsten Absatz beschrieben wird. Der Tiefpass-Filter 68 führt ein Tiefpass-Filterverfahren auf die Differenz (τact – τc) durch, wodurch ein Störungsmoment τd extrahiert wird.
-
Der Operator 64 berechnet das Moment τc (τc = τref – τd), welches die Differenz zwischen dem Zielmoment τref, das von dem Motor 12 auf das winkelig bewegbare Element 22 ausgeübt wird, und dem Störungsmoment τd repräsentiert. Das berechnete Moment τc wird den Operatoren 62, 66 zugeführt.
-
Der Operator 66 berechnet ein Differenzmoment τt (τt = τc – τact), welches die Differenz zwischen dem Moment τc und dem tatsächlichen Moment τact darstellt. Die PD-Steuer-/Regeleinrichtung 70 berechnet einen Moment-Forderungswert τmc für den Motor 12 auf Basis von dem Differenzmoment τt gemäß einem PD-Steuer-/Regelverfahren (Proportional/Differenzial-Steuer-/Regelverfahren) und gibt den Moment-Forderungswert τmc an den Treiber 72 aus. Der Treiber 72 versorgt dann den Motor 12 auf Basis von dem Moment-Forderungswert τmc mit Energie.
-
Unter Verwendung von dem Schlupfbetrag S kann die Motor-Steuer-/Regeleinrichtung 52 daher den Motor 12 steuern/regeln, um zu bewirken, dass das tatsächliche Moment τact, das von dem Motor 12 auf das winkelig bewegbare Element 22 ausgeübt wird, gleich dem Zielmoment τref wird. Das Zielmoment τref wird auf ein Moment eingestellt, das kleiner als das Schlupf-Start-Moment Ts1 ist.
-
Da der Schlupfbetrag S auf Basis einer Änderung in dem Drehwinkel θ1 der ersten Riemenscheibe 16, der Drehwinkel-Differenz (θ2 – θ1) zwischen der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20 und dem Ausgabemoment τm des Motors 12 abgeschätzt wird, ist es möglich, das tatsächliche Moment τact abzuschätzen, welches tatsächlich von dem Motor 12 auf das winkelig bewegbare Element 22 an dem Gelenk angewendet wird. Daher kann das Winkel-Moment von dem winkelig bewegbaren Element 22 an dem Gelenk in geeigneter Weise im Hinblick auf Beschleunigung, Geschwindigkeit und Position gesteuert/geregelt werden.
-
Das Schlupf-Start-Moment Ts1, bei welchem die erste Riemenscheibe 16 beginnt, auf dem Riemen 18 zu rutschen, wird auf Basis der Zugkraft Fp, die auf den Riemen 18 ausgeübt wird, bevor der Motor 12 mit Energie versorgt wird, der Gesamtlänge L von dem Riemen 18, dem statischen Reibungskoeffizienten μ zwischen der zweiten Riemenscheibe 20 und dem Riemen 18, der Distanz zwischen der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20, den jeweiligen Radien r, R von der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20 und dem Geschwindigkeit-Reduktionsverhältnis von dem Kopplungsmechanismus 14 etabliert. Die Motor-Steuer-/Regeleinrichtung 52 steuert/regelt den Motor 12 so, dass der Motor 12 ein Moment ausgibt, das kleiner als das Schlupf-Start-Moment Ts1 ist. Daher kann die erste Riemenscheibe 16 daran gehindert werden, auf dem Riemen 18 zu rutschen, wenn der Motor 12 mit Energie versorgt wird.
-
In dem obigen Ausführungsbeispiel führt die Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung 50 ein Tiefpass-Filterverfahren an dem Schlupfbetrag S aus, der gemäß Gleichung (4) berechnet wird. Allerdings muss die Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung 50 nicht notwendigerweise ein Tiefpass-Filterverfahren an dem Schlupfbetrag S durchführen, der gemäß Gleichung (4) berechnet wird, im Hinblick auf die Tatsache, dass der Schlupfbetrag S sich im Wesentlichen auf den Schlupfbetrag der zweiten Riemenscheibe 20 auf dem Riemen 18 bezieht. Auch bleiben das Moment τr und die Drehwinkelgeschwindigkeit dθ1 der ersten Riemenscheibe 16 im Wesentlichen unverändert, so dass die Differenz zwischen den jeweiligen Drehwinkeln der ersten Riemenscheibe 16 und der zweiten Riemenscheibe 20 sich im Wesentlichen innerhalb von einem niedrigen Frequenzbereich ändert.
-
In dem obigen Ausführungsbeispiel führen das erste Element, das als die erste Riemenscheibe 16 dient, und das zweite Element, das als die zweite Riemenscheibe 20 dient, eine Drehbewegung aus. Allerdings können das erste Element und das zweite Element auch linear bewegt werden. Wenn das erste Element und das zweite Element linear bewegt werden, wird die durch den Motor 12 erzeugte Rotationsenergie in lineare Energie umgewandelt, die auf das erste Element übertragen wird. Solch eine Betätigungseinrichtung für eine lineare Bewegung bietet die gleichen Vorteile wie die Betätigungseinrichtung gemäß dem illustrierten Ausführungsbeispiel, die eine Drehbewegung durchführt.
-
Eine Betätigungseinrichtung (10) umfasst eine erste Riemenscheibe (16), auf die eine Rotationsenergie eines Motors (12) übertragen wird, eine zweite Riemenscheibe (20), auf die eine Rotationsenergie der ersten Riemenscheibe (16) durch einen Riemen (18) übertragen wird, Verlagerungsgeber (26, 28), um jeweilige Drehwinkel (θ1, θ2) der ersten Riemenscheibe (16) und der zweiten Riemenscheibe 20) zu erfassen, eine Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung (50), um einen Schlupfbetrag (S) der zweiten Riemenscheibe (20) in Bezug auf den Riemen (18) zu berechnen, und eine Motor-Steuer-/Regeleinrichtung (52) um ein Moment (τm) zu steuern/regeln, das von dem Motor (12) ausgegeben wird, auf Basis von dem Schlupfbetrag (S). Die Schlupfbetrag-Berechnungseinrichtung (50) berechnet den Schlupfbetrag (S) auf Basis einer Änderung in einer Drehwinkelgeschwindigkeit (dθ1) der ersten Riemenscheibe (16), einer Differenz (θ2 – θ1) zwischen den Drehwinkeln der ersten Riemenscheibe (16) und der zweiten Riemenscheibe (20), und dem Moment (τm), das von dem Motor (12) ausgegeben wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
