DE112017003875T5

DE112017003875T5 - Drehmoment-Begrenzungsmechanismus, Antriebseinrichtung, und Robotervorrichtung

Info

Publication number: DE112017003875T5
Application number: DE112017003875.8T
Authority: DE
Inventors: Akiko Hamada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: US11148304B2; US20190299429A1; DE112017003875B4; WO2018025563A1; CN109565218B; JPWO2018025563A1; CN109565218A; JP6597906B2

Abstract

Es wird ein Drehmoment-Begrenzungsmechanismus aufgezeigt, mit dem eine Drehmomentabschaltung und Drehmomentübertragung zuverlässig und ohne Beeinträchtigung durch den Rotationszustand der Antriebseinheit durchgeführt werden können und Beschädigungen eines Kollisionsobjekts bereits mit einer einfachen Konfiguration reduziert werden können. Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach der vorliegenden Erfindung besitzt eine erste Kupplung (2) und eine zweite Kupplung (3). Die erste Kupplung (2) schaltet das Drehmoment einer angetriebenen Einheit ab, wenn das Reaktionsmoment an einem stationären Bereich eines Motors (1) einen ersten Wert erreicht oder überschreitet. Die zweite Kupplung (3), die das Drehmoment gemäß einem Rotationszustand eines Rotors des Motors (1) überträgt, schaltet das Drehmoment an die angetriebene Einheit ab, wenn das Reaktionsmoment einen zweiten Wert, größer als der erste Wert erreicht oder überschreitet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehmoment-Begrenzungsmechanismus, eine Antriebseinrichtung und eine Robotervorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Eine Industrierobotervorrichtung, die normalerweise mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit betrieben werden muss, ist normalerweise nicht so konfiguriert, dass sie in der Lage ist, bei einer Kollision auftretende äußere Kräfte aufzunehmen und freizugeben.
In einem Fall, in dem eine Robotervorrichtung unerwartet mit einer Person, einer Maschine oder dergleichen kollidiert, kann die Robotervorrichtung das Kollisionsobjekt, wie etwa die Person oder das Objekt oder einen angetriebenen Teil der Robotervorrichtung beschädigen. Um solche Schäden zu reduzieren, wird erwartet, dass die Robotervorrichtung über einen Drehmoment-Begrenzungsmechanismus verfügt, um die bei einer Kollision auftretenden äußeren Kräfte aufzunehmen und freizusetzen.
Als herkömmlicher Drehmoment-Begrenzungsmechanismus ist eine Konfiguration bekannt (z.B. siehe Patentdokument 1), bei der ein fester Wert als Drehmomentbegrenzungswert angenommen wird.
Bei einer solchen Konfiguration werden eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle durch die Anziehungskraft einer magnetischen Einrichtung zur Drehmomentübertragung von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle gekoppelt. Andererseits wird bei einer Last, die den Drehmomentbegrenzungswert überschreitet, das Verbindungsstück zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle gelöst, damit sich die Abtriebswelle frei drehen kann.
Als Konfiguration, bei der der Drehmomentbegrenzungswert durch eine Steuerung variabel gesteuert wird, ist ein Verfahren zur Reduzierung von Personen- und Sachschäden bei einer Kollision bekannt (z.B. siehe Patentdokument 2), bei dem bei einer Kollision die Reibungskraft zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle gemäß einem Befehl der Steuerung zur Verringerung des Begrenzungswertes des übertragenen Drehmoments geändert wird.
STAND DER TECHNIK

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 61-144 991 A
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2013-163 224 A

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Der in dem Patentdokument 1 beschriebene Drehmoment-Begrenzungsmechanismus unterbricht oder überträgt das Drehmoment mit dem Drehmomentbegrenzungswert, der durch die Anziehungskraft der magnetischen Einrichtung bestimmt wird.
Es ist zu beachten, dass der Drehmomentbegrenzungswert ein in Abhängigkeit von der Anziehungskraft der magnetischen Einrichtung vorgegebener Wert ist und daher während des Drehvorgangs nicht verändert werden kann.
Dadurch ergibt sich das Problem, dass je nach Rotationszustand der Antriebseinheit das Drehmoment nicht entsprechend übertragen oder abgeschaltet werden kann.
Um das Drehmoment zum Zeitpunkt einer Kollision abzuschalten, muss das Reaktionsmoment, das die Summe aus dem sich ändernden Antriebsreaktionsmoment in Abhängigkeit von der Winkelbeschleunigung der Antriebseinheit und dem bei einer Kollision mit dem Kollisionsobjekt erzeugten externen Kraftreaktionsmoment ist, im stationären Teil eines Motors den Drehmomentbegrenzungswert überschreiten.
Wenn der Winkelbeschleunigungswert der Antriebseinheit klein ist, darf die Summe des Reaktionsmoments den Drehmomentbegrenzungswert nicht überschreiten, es sei denn, es wird ein großes äußeres Kraftreaktionsmoment aufgebracht, d.h. es wird keine große Kraft auf das oder von dem Kollisionsobjekt aufgebracht.
Es besteht also das Problem, dass die Drehmomentabschaltung auch bei einer normalen Kollision nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird. Andererseits gibt es ein weiteres Problem. Wenn der Winkelbeschleunigungswert der Antriebseinheit groß wird, kann das von der Antriebseinheit allein erzeugte Antriebsreaktionsmoment den Drehmomentbegrenzungswert überschreiten und somit das Drehmoment abgeschaltet werden, auch wenn zu diesem Zeitpunkt keine Kollision vorliegt.
Bei dem Drehmoment-Begrenzungsmechanismus, der in dem Patentdokument 2 beschrieben ist, wird der Drehmomentbegrenzungswert von einer Steuerung so eingestellt, dass der Schaden an einem Kollisionsobjekt bei einer Kollision reduziert werden kann. Um eine solche Konfiguration zu erreichen, entsteht jedoch ein Problem, da eine komplizierte Konfiguration erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf solche Probleme konzipiert und stellt einen Drehmoment-Begrenzungsmechanismus zur Verfügung, der eine zuverlässige Drehmomentabschaltung oder Drehmomentübertragung ohne Beeinträchtigung durch den Rotationszustand der Antriebseinheit durchführen und bereits in einer einfachen Konfiguration Schäden an einem Kollisionsobjekt reduzieren kann.
Mittel zum Lösen der Probleme
Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem Gehäuse und einem stationären Bereich verbunden, der den Stator eines Motors zum Drehen einer angetriebenen Einheit in Bezug auf das Gehäuse der Antriebseinrichtung zur Aufnahme des Motors besitzt und auch das Drehmoment von dem Gehäuse auf den stationären Bereich überträgt oder abschaltet. Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus besitzt eine erste Kupplung zum Abschalten des Drehmoments zur angetriebenen Einheit, wenn das Reaktionsmoment, das im stationären Bereich durch die Drehung der angetriebenen Einheit erzeugt wird, gleich einem oder größer als ein vorbestimmter erster Wert ist, und besitzt eine zweite Kupplung zum Übertragen des Drehmoments, basierend auf dem Rotationszustand des Rotors des Motors, der mit der angetriebenen Einheit verbunden werden soll. Die zweite Kupplung schaltet das Drehmoment zur angetriebenen Einheit ab, wenn das Reaktionsmoment einen zweiten Wert aufweist, der größer als der oder gleich dem ersten Wert ist.
Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung kann zuverlässig eine Drehmomentabschaltung und -übertragung durchführen, ohne vom Rotationszustand der Antriebseinheit beeinflusst zu werden, und mit einer einfachen Konfiguration Schäden an einem Kollisionsobjekt reduzieren.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Roboteranlage mit einem Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
2 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Querschnitt entlang der in 3 dargestellten Linie A-A zur Veranschaulichung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
5A ist eine Erläuterungsdarstellung, die eine detailliertere Struktur einer ersten Kupplung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
5B ist eine Draufsicht auf die Konfiguration der ersten Kupplung gemäß 5A;
6 ist eine Draufsicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine Motorbefestigungsplatte und der Motor aufgrund der Drehmomentabschaltung durch den Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung in Umfangsrichtung gedreht werden;
7 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Hardware-Konfigurationsdiagramm des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine Erläuterungsdarstellung für die Drehmomentbegrenzungswerte des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
10 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine Erläuterungsdarstellung der Drehmomentbegrenzungswerte eines Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine vergrößerte Ansicht der Hauptteile der ersten Kupplung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung;
13 ist eine vergrößerte Ansicht der Hauptteile der ersten Kupplung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung;
14 ist eine Draufsicht auf die zweite Kupplung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung;
15 ist eine Draufsicht auf die zweite Kupplung, die einen Zustand zeigt, in dem die Bewegungseinschränkung in Umfangsrichtung im Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung beseitigt wird;
16 ist eine Querschnittsansicht der zweiten Kupplung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung;
17 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung;
18 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung zeigt und
19 ist ein Hardware-Konfigurationsdiagramm des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
1 ist eine schematische Darstellung einer Roboteranlage mit einem Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Robotervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist Folgendes auf: Antriebseinrichtungen 100a und 100b sowie Verbindungsmechanismen 300a und 300b. Die Antriebseinrichtung 100a besitzt einen Motor und einen Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200a. Ebenso besitzt die Antriebseinrichtung 100b einen Motor und einen Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200b. Weiterhin ist der Verbindungsmechanismus 300a als angetriebene Einheit mit einer Antriebswelle eines Rotors des Motors der Antriebseinrichtung 100a verbunden und wird durch die Drehung des Rotors in Bezug auf ein Gehäuse der Antriebseinrichtung 100a gedreht, das an einer Basis befestigt ist.
Ebenso ist der Verbindungsmechanismus 300b als angetriebene Einheit mit der Antriebswelle des Rotors des Motors der Antriebseinrichtung 100b verbunden und wird durch die Drehung des Rotors in Bezug auf das Gehäuse der Antriebseinrichtung 100b gedreht, das an dem Verbindungsmechanismus 300a befestigt ist. Die Drehmoment-Begrenzungsmechanismen 200a und 200b sind Vorrichtungen zur Übertragung oder Abschaltung der Drehung des Rotors gegenüber dem Verbindungsmechanismus 300a bzw. 300b.
In den Antriebseinrichtungen 100a und 100b sind die Motoren jeweils im Inneren untergebracht. Der in der Antriebseinrichtung 100a vorgesehene Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200a führt die Drehmomentübertragung oder Drehmomentabschaltung von dem in der Antriebseinrichtung 100a untergebrachten Motor auf den Verbindungsmechanismus 300a durch. Ebenso führt der in der Antriebseinrichtung 100b vorgesehene Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200b eine Drehmomentübertragung oder Drehmomentabschaltung von dem in der Antriebseinrichtung 100b untergebrachten Motor auf den Verbindungsmechanismus 300b durch.
Ein erstes Ende des Verbindungsmechanismus 300a ist an dem Rotor des Motors befestigt, der in der Antriebseinrichtung 100a untergebracht ist, und ein zweites Ende des Verbindungsmechanismus 300a ist an dem Gehäuse der Antriebseinrichtung 100b befestigt. Ein erstes Ende des Verbindungsmechanismus 300b ist an dem Rotor des Motors befestigt, der in der Antriebseinrichtung 100b untergebracht ist. Wenn sich der Rotor des in der Antriebseinrichtung 100a untergebrachten Motors dreht, dreht sich der Verbindungsmechanismus 300a. Dann dreht sich die an dem zweiten Ende des Verbindungsmechanismus 300a befestigte Antriebseinrichtung 100b mit. Im Folgenden werden die Antriebseinrichtungen 100a und 100b, die Drehmoment-Begrenzungsmechanismen 200a und 200b sowie die Verbindungsmechanismen 300a und 300b gemeinsam als Antriebseinrichtungen 100, Drehmoment-Begrenzungsmechanismen 200 und Verbindungsmechanismen 300 bezeichnet.
Im Folgenden wird aus Gründen der Übersichtlichkeit eine Konfiguration beschrieben, in der eine einzelne Antriebseinrichtung 100 und ein einzelner Verbindungsmechanismus 300 vorgesehen sind. Es ist zu beachten, dass der Unterschied zwischen dem Fall, in dem eine Vielzahl von Antriebseinrichtungen 100 und eine Vielzahl von Verbindungsmechanismen 300 vorgesehen sind, und dem Fall, in dem eine einzelne Antriebseinrichtung 100 und ein einzelner Verbindungsmechanismus 300 vorgesehen sind, später beschrieben wird.
Die Drehachse des in der Antriebseinrichtung 100 untergebrachten Motors ist an dem Verbindungsmechanismus 300 befestigt. Wenn sich also der Rotor des Motors der Antriebseinrichtung 100 dreht, dann dreht sich auch der Verbindungsmechanismus 300. Anschließend wird durch das auf den rotierenden Verbindungsmechanismus 300 wirkende Drehmoment das Antriebsreaktionsmoment auf einen stationären Bereich des Motors und auf das Gehäuse der Antriebseinrichtung 100 aufgebracht, die den stationären Bereich fixiert.
Das heißt, das Antriebsreaktionsmoment, das durch das auf den Rotor des Motors 1 und den mit dem Rotor verbundenen Verbindungsmechanismus 300 wirkende Drehmoment erzeugt wird, ist hauptsächlich proportional zur Winkelbeschleunigung der Antriebswelle im Rotor des Motors 1. Es ist zu beachten, dass das Antriebsreaktionsmoment und das externe Kraftreaktionsmoment zur Beschreibung jeweils wie folgt definiert sind.
Das Antriebsreaktionsmoment ist ein Reaktionsmoment, das im stationären Teil des Motors 1 erzeugt wird, wenn der Rotor des Motors 1 den Verbindungsmechanismus 300 dreht. Das externe Kraftreaktionsmoment ist ein Reaktionsmoment, das im stationären Teil des Motors 1 erzeugt wird, wenn Kraft aufgrund einer Kollision usw. extern auf den Verbindungsmechanismus 300 aufgebracht wird. Es ist hier zu beachten, dass dann, wenn ein Drehmoment einfach als Reaktionsmoment bezeichnet wird, es die Summe aus dem Antriebsreaktionsmoment und dem externen Kraftreaktionsmoment ist.
2 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. 3 ist eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Im Folgenden beziehen sich die Begriffe „radiale Richtung“ und „Umfangsrichtung“ auf die radiale Richtung bzw. die Umfangsrichtung des Motors 1.
Neben dem Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 besitzt die Antriebseinrichtung 100 den Motor 1, das Gehäuse 5 zur Aufnahme des Motors 1 und eine Motorbefestigungsplatte 6 als Element, an dem der Motor 1 im Gehäuse 5 befestigt ist. Die Motorbefestigungsplatte 6 ist beispielsweise eine kreisförmige Platte und wird von einem Gleitstück 7 getragen, so dass sie gegenüber dem Gehäuse 5 in Umfangsrichtung frei drehbar ist. Das Gleitstück 7 wird später anhand von 4 ausführlich beschrieben. Weiterhin sind an dem oberen Ende des Gehäuses 5 die Gehäusedeckel 13a und 13b angebracht, die so geformt sind, dass sie in radialer Richtung nach innen überstehen.
Der Motor 1 besitzt den Rotor zum Drehen des Verbindungsmechanismus 300 und den stationären Bereich zum drehbaren Aufnehmen des Rotors. Der Motor 1 ist mit einer Bremse ausgestattet, die nicht in den Abbildungen dargestellt ist. Wenn die Stromversorgung des Motors 1 unterbrochen wird, so wird die Bewegung des Rotors des Motors 1 durch die Bremse gestoppt. Bei der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform ist der stationäre Teil des Motors 1 im Gehäuse 5 befestigt. Der Motor 1 kann jedoch auch an anderer Stelle als im Inneren des Gehäuses 5 befestigt werden.
Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 der Antriebseinrichtung 100 besitzt eine erste Kupplung 2, die ständig als Kupplung arbeitet, und eine zweite Kupplung 3, die unter einer vorgegebenen Bedingung angesteuert wird. Genauer gesagt, es ist die erste Kupplung 2 eine Kupplung, um den Motor 1 so an dem Gehäuse 5 zu befestigen, dass der Drehmomentbegrenzungswert einem ersten Wert entspricht. Die zweite Kupplung 3 wird in Abhängigkeit von den Drehwinkelinformationen des Rotors des Motors 1 angesteuert oder gestoppt. Wenn die zweite Kupplung 3 angesteuert wird, so wird der Drehmomentbegrenzungswert auf einen zweiten Wert erhöht, der größer als der erste Wert ist.
Die Begriffe „Übertragung“ und „Abschaltung“ eines Drehmoments in der Beschreibung beziehen sich jeweils auf „Drehmomentübertragung“ und „Drehmomentabschaltung“ von dem Gehäuse der Antriebseinrichtung 100 auf den stationären Teil des Motors 1, der von dem Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 durchgeführt wird, und bedeuten jeweils „Übertragung der Drehkraft“ und „Nichtübertragung der Drehkraft“ vom Rotor des Motors 1 auf den Verbindungsmechanismus 300. Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 ändert die Anzahl der angesteuerten Kupplungen entsprechend der Winkelbeschleunigung.
Wenn die zweite Kupplung 3 „angesteuert“ wird, bedeutet dies, dass sich die zweite Kupplung 3 „in einem Zustand befindet, in dem sie an der Drehmomentübertragung und der Drehmomentabschaltung beteiligt ist“. Andererseits bedeutet das „Stoppen“ der zweiten Kupplung 3, dass sich die zweite Kupplung 3 „in einem Zustand befindet, in dem sie nicht an der Drehmomentübertragung und der Drehmomentabschaltung beteiligt ist“. Bei einem Stillstand der zweiten Kupplung 3 ist nur die erste Kupplung 2 an der Drehmomentübertragung oder der Drehmomentabschaltung beteiligt, so dass der Drehmomentbegrenzungswert dem ersten Wert entspricht. Wenn die zweite Kupplung 3 angesteuert wird, dann sind sowohl die erste Kupplung 2 als auch die zweite Kupplung 3 an der Drehmomentübertragung und der Drehmomentabschaltung beteiligt, so dass der Drehmomentbegrenzungswert dem zweiten Wert entspricht, der größer als der erste Wert ist.
Die erste Kupplung 2 besitzt ein Magnetelement mit den Permanentmagneten 21a, 21b und 21c, einen Magnet-Träger 22 an der Motorbefestigungsplatte 6, einen Magnet-Halter 23 an dem Gehäuse 5, Anschläge 24a und 24b sowie Anschlagträger 25a und 25b. Die erste Kupplung 2 besitzt weiterhin einen Drehmomentabschaltungs-Erkennungssensor, der später in 7 beschrieben wird.
Die Anschläge 24a und 24b, zwischen denen die erste Kupplung 2 angeordnet ist, sind beidseitig in Umfangsrichtung angeordnet. Der Anschlag 24a ist mit dem Anschlagträger 25a an dem Gehäusedeckel 13a befestigt. Ebenso ist der Anschlag 24b mit dem Anschlagträger 25b an dem Gehäusedeckel 13b befestigt. In der folgenden Beschreibung werden die Anschläge 24a und 24b gemeinsam als Anschlag 24 bezeichnet. Ebenso werden die Anschlagträger 25a und 25b gemeinsam als Anschlagträger 25 bezeichnet.
Der Anschlag 24 ist ein stoßdämpfendes Element aus einem Material, wie etwa Harz, um den Aufprall bei einer Kollision zu reduzieren. Der Anschlag 24 ist über den Anschlagträger 25 an dem Gehäusedeckel 13 befestigt. Wenn der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 die Drehmomentübertragung vom Motor 1 auf den Verbindungsmechanismus 300 abschaltet, d.h. wenn die Bewegungseinschränkung des Motors 1 in Umfangsrichtung aufgehoben wird, kollidiert der Anschlag 24 mit dem rotierenden Magnet-Träger 22, und der Aufprall bei der Kollision wird von dem Anschlag 24 absorbiert.
Die zweite Kupplung 3 besitzt ein Solenoid 31 (Kupplungsantrieb), einen konkaven Block 32 (Kupplungsverriegelungsteil), der an der Motorbefestigungsplatte 6 befestigt ist, Blattfederhalter 33a und 33b, die an dem Gehäuse 5 mit Schrauben befestigt sind, und eine Blattfeder 34 (von der Kupplung angetriebenes Teil). Es ist zu beachten, dass in der zweiten Kupplung 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Solenoid 31 die Blattfeder 34 zum Einrasten im konkaven Block 32 bewegt. Das Solenoid 31 wird angesteuert, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist. Details werden später beschrieben. In der oben beschriebenen Weise wird die zweite Kupplung 3 angesteuert.
Es ist zu beachten, dass im Folgenden die Blattfederhalter 33a und 33b gemeinsam als Blattfederhalter 33 bezeichnet werden.
Ein erstes Ende der Blattfeder 34 ist an dem Gehäuse 5 der Antriebseinrichtung 100 befestigt. Wenn die Winkelbeschleunigung einen vorgegebenen Wert erreicht oder überschreitet, bewirkt das Solenoid 31, dass sich das zweiter Ende der Blattfeder 34 an der Innenseite in radialer Richtung des Motors 1 bewegt, so dass das zweite Ende im konkaven Block 32 verriegelt wird. Auf diese Weise wird die Blattfeder 34 im konkaven Block 32 verriegelt und damit der stationäre Teil des Motors 1 über die Motorbefestigungsplatte 6 an dem Gehäuse 5 befestigt.
Wenn sich der Rotor des Motors 1 dreht, wirkt das Antriebsreaktionsmoment auf den stationären Teil des Motors 1 und die Motorbefestigungsplatte 6, an der der stationäre Teil befestigt ist. Die erste Kupplung 2 und die zweite Kupplung 3 begrenzen die Bewegung des stationären Teils des Motors 1 und der Motorbefestigungsplatte 6 in Umfangsrichtung. Wie später ausführlich beschrieben, kann sich der Motor 1 zusammen mit der Motorbefestigungsplatte 6 in Umfangsrichtung bewegen, wenn das den Drehmomentbegrenzungswert übersteigende Reaktionsmoment auf den stationären Teil des Motors 1 aufgebracht wird.
4 ist eine Querschnittsansicht entlang der in 3 dargestellten Linie A-A zur Veranschaulichung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
Anhand von 4 wird der innere Aufbau der Antriebseinrichtung 100 detailliert beschrieben. Ein Gehäuse 5 weist an seinem Innenumfang einen Flansch 5a auf. Die Motorbefestigungsplatte 6 ist auf dem Flansch 5a angebracht, und ein stationärer Bereich 1b des Motors 1 ist an dem Boden der Motorbefestigungsplatte 6 befestigt. Der stationäre Bereich 1b weist den Stator des Motors 1 auf. Wie vorstehend beschrieben, ist ein Rotor 1a des Motors 1 innerhalb des Stators des stationären Bereichs 1b angeordnet und von dem Stator des stationären Bereichs 1b drehbar gelagert.
Die Motorbefestigungsplatte 6 liegt auf dem Flansch 5a, der an dem Gehäuse 5 angeformt ist, wie in 4 dargestellt. Der Teil der Motorbefestigungsplatte 6, der durch den Flansch 5a des Gehäuses 5 getragen wird, ist mit einem Gleitstück 7 an dem Umfang abgedeckt. Wenn also die Drehmomentübertragung durch den Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 unterbrochen wird, d.h. wenn weder die erste Kupplung 2 noch die zweite Kupplung 3 die Motorbefestigungsplatte 6 fixiert, dann sind der Motor 1 und die Motorbefestigungsplatte 6 über das Gleitstück 7 im Gehäuse 5 drehbar angeordnet.
In diesem Fall wird auch dann, wenn der Verbindungsmechanismus 300 durch den Rotor des Motors 1 gedreht wird, aufgrund des Antriebsreaktionsmoments auch der stationäre Teil des Motors 1 gedreht, so dass die Drehmomentübertragung vom Rotor des Motors 1 auf den Verbindungsmechanismus 300 nicht erfolgen kann.
Wenn andererseits die Drehmomentübertragung durch den Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 erfolgt, d.h. wenn nur die erste Kupplung 2 oder sowohl die erste Kupplung 2 als auch die zweite Kupplung 3 den stationären Teil des Motors 1 über die Motorbefestigungsplatte 6 an dem Gehäuse 5 fixieren, dann wird das auf den stationären Teil des Motors 1 aufgebrachte Antriebsreaktionsmoment über die Motorbefestigungsplatte 6 auf das Gehäuse 5 übertragen.
Dann wird der stationäre Teil des Motors 1 durch das Gehäuse 5 fixiert und das Gehäuse 5 kann nicht durch das Antriebsreaktionsmoment bewegt werden. Somit kann der Rotor des Motors 1 das Drehmoment auf den Verbindungsmechanismus 300 übertragen. Die Motorbefestigungsplatte 6 ist über den Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 an dem Gehäuse 5 und der Gehäusedeckel 13 an dem Gehäuse 5 fixiert. Somit kann der stationäre Teil des Motors 1, der an der Motorbefestigungsplatte 6 fixiert ist, nicht in Umfangsrichtung bewegt werden.
Das in U-Form geformte Gleitstück 7 weist in seinem Querschnitt einen oberen Stirnbereich 7a auf, der nach unten zur Oberseite der Motorbefestigungsplatte 6 zeigt und einen unteren Stirnbereich 7b, der nach oben zur Unterseite der Motorbefestigungsplatte 6 zeigt. Weiterhin ist das Gleitstück 7 auch an einer Stelle angeordnet, die in radialer Richtung zwischen dem Gehäuse 5 und der Motorbefestigungsplatte 6 liegt.
Anhand von 4 und 5A und 5B wird nachstehend die Struktur der ersten Kupplung 2 beschrieben.
5A und 5B sind Erläuterungsdarstellungen, die die erste Kupplung 2 des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung näher darstellen. 5A ist eine perspektivische Ansicht der inneren Struktur der ersten Kupplung 2, in der ein Teil des Magnethalters 23, der den Permanentmagneten 21a bedeckt, entfernt ist. 5B ist eine Draufsicht auf die Konfiguration der ersten Kupplung 2 gemäß 5A. Das Magnetelement wird nun näher beschrieben.
Der Magnet-Träger 22 hat eine Basis, die an dem stationären Bereich des Motors 1 befestigt ist, und einen vorstehenden Bereich, der sich von der Basis nach außen in radialer Richtung des Motors 1 erstreckt. Der Permanentmagnet 21a ist an diesem vorstehenden Bereich des Magnet-Trägers 22 befestigt. Wenn sich also der Magnet-Träger 22 bewegt, dreht sich der Permanentmagnet 21a in Umfangsrichtung. Weiterhin ist der Magnet-Halter 23 an dem Gehäuse 5 des Motors 1 befestigt.
Darüber hinaus sind die Permanentmagnete 21b und 21c auf der einen Seite und auf der anderen Seite des Permanentmagneten 21a in Umfangsrichtung angeordnet.
Wenn die erste Kupplung 2 ein Drehmoment überträgt, ist der Magnet-Halter 23, wie in 5B dargestellt, an der Außenseite des Permanentmagneten 21a in radialer Richtung angeordnet. Die Permanentmagnete 21b und 21c sind auf der einen Seite und auf der anderen Seite des Permanentmagneten 21a in Umfangsrichtung angeordnet. So ziehen sich die Permanentmagnete 21a und 21b sowie die Permanentmagnete 21a und 21c durch ihre Magnetkraft gegenseitig an.
Der Magnet-Halter 23 weist konvexe Bereiche 23a und 23b auf, die so geformt sind, dass sie in radialer Richtung nach innen ragen. Der Magnet-Halter 23 schränkt die Bewegung des Permanentmagneten 21b von seiner Position an dem konvexen Bereich 23a in Umfangsrichtung zum Magnet-Halter 23, also im Uhrzeigersinn, ein. Ebenso schränkt der Magnet-Halter 23 die Bewegung des Permanentmagneten 21c aus seiner Position an dem konvexen Bereich 23b in Umfangsrichtung zum Magnet-Halter 23, nämlich gegen den Uhrzeigersinn, ein.
Wenn also aufgrund des Reaktionsmoments eine Kraft, die kleiner ist als die Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 21a und 21c, auf den Permanentmagneten 21a in Umfangs- und Gegenuhrzeigerrichtung aufgebracht wird, bewegen sich der Magnet-Träger 22 und der Permanentmagnet 21a nicht in Umfangsrichtung. Für den Fall, dass das Reaktionsmoment im Uhrzeigersinn aufgebracht wird, wird die Erklärung aufgrund der Ähnlichkeit nicht wiederholt.
Andererseits werden bei einer Kraft, die aufgrund des Reaktionsmoments größer ist als die Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 21a und 21c auf die erste Kupplung 2, der Permanentmagnet 21c und der Permanentmagnet 21a in Umfangsrichtung getrennt. Somit dreht sich der Permanentmagnet 21a zusammen mit dem Magnet-Träger 22 im Gegenuhrzeigersinn.
Im Folgenden wird eine detailliertere Struktur der zweiten Kupplung 3 beschrieben. Der konkave Block 32 ist an der Motorbefestigungsplatte 6 befestigt. Andererseits ist der Blattfederhalter 33 an dem Gehäusedeckel 13 befestigt. Darüber hinaus trägt der Blattfederhalter 33 die Blattfeder 34 frei um einen Blattfederstift 37drehbar, der als Drehachse dient.
Die Blattfeder 34 ist in vertikaler Richtung zwischen dem Solenoid 31 und einer Schraubenfeder 36 sandwichartig angeordnet. Das Solenoid 31 und die Schraubenfeder 36 liegen auf derselben Achse. Das Solenoid 31 ist an dem Blattfederhalter 33 und die Schraubenfeder 36 an dem Gehäuse 5 befestigt. Das Solenoid 31 wird von der Steuerung 4 gesteuert. Bestromt gibt das Solenoid 31 eine Abwärtskraft an die Schraubenfeder 36 ab. Wenn die Blattfeder 34 zusammen mit der Schraubenfeder 36 durch die Abwärtskraft des Solenoids 31 gedrückt wird, so wird das zweite Ende der Blattfeder 34 in einer Nut des konkaven Blocks 32 arretiert.
Auf diese Weise schränkt die zweite Kupplung 3 mit der Verriegelung des konkaven Blocks 32 und der Blattfeder 34 die Bewegung des stationären Teils des Motors 1 in Umfangsrichtung ein. Darüber hinaus bewirkt die Schraubenfeder 36 bei stromlosem Solenoid 31 durch ihre Elastizität, dass das zweite Ende der Blattfeder 34 in seine Ausgangsposition zurückkehrt, in der die Blattfeder 34 nicht im konkaven Block 32 verriegelt ist.
6 ist eine Draufsicht, die einen Zustand zeigt, in dem der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 die Drehmomentübertragung vom Motor 1 auf den Verbindungsmechanismus 300 abschaltet, indem er die Motorbefestigungsplatte 6 und den stationären Teil des Motors 1 sich in Umfangsrichtung drehen lässt. Wenn die erste Kupplung 2 das Drehmoment abschaltet, bewegt sich der Magnet-Träger 22 in Umfangsrichtung, wie in der Abbildung dargestellt.
7 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Steuerung 4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Steuerung 4 besitzt eine Betriebsbefehls-Erzeugungseinheit 41 zur Steuerung des Motors 1, eine Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42, einen Drehmomentabschalt-Signalempfänger 43 zum Empfangen eines Drehmomentabschaltsignals von der ersten Kupplung 2 und eine Winkelinformations-Übertragungseinheit 44 zur Übertragung von Winkelbeschleunigungsinformationen von der Betriebsbefehls-Erzeugungseinheit 41 zur zweiten Kupplung 3.
Zur Vereinfachung der Beschreibung zu 7 wird davon ausgegangen, dass die erste Kupplung 2 mit dem Drehmomentabschaltungs-Erkennungssensor 26 und einem ersten Kupplungsmechanismus 27 und die zweite Kupplung 3 mit dem Solenoid 31 und einem zweiten Kupplungsmechanismus 38 aufgebaut sind.
Wie bereits erwähnt, weist der erste Kupplungsmechanismus 27 das Magnetelement, den Magnet-Träger 22, den Magnet-Halter 23, den Anschlag 24 und den Anschlagträger 25 auf. Ein zweiter Kupplungsmechanismus 38 entspricht der Konfiguration ohne das Solenoid 31 (Kupplungsantrieb) der zweiten Kupplung. Bei der in 7 dargestellten Steuerung 4 zeigen der Pfeil vom ersten Kupplungsmechanismus 27 zum Drehmomentabschaltungs-Erkennungssensor 26 und der Pfeil vom Solenoid 31 zum zweiten Kupplungsmechanismus 38 physische Verbindungen an, während die anderen Pfeile elektrische Verbindungen anzeigen.
Die Betriebsbefehls-Erzeugungseinheit 41 erzeugt ein Steuersignal zur Steuerung des Motors 1. Die Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 erzeugt eine dem Steuersignal entsprechende Stromwellenform, mit der dem Motor 1 Strom zugeführt wird. Mit dem eingespeisten Strom wird der Motor 1 angetrieben, um die von der Betriebsbefehls-Erzeugungseinheit 41 vorgeschriebenen Aktionen durchzuführen.
Wie bereits erwähnt, nutzt der erste Kupplungsmechanismus 27 die Anziehungskraft der Permanentmagnete. Wenn der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 die Drehmomentübertragung abschaltet, d.h. wenn der stationäre Teil des Motors 1 in Umfangsrichtung frei drehbar wird, gibt der Drehmomentabschaltungs-Erkennungssensor 26 der ersten Kupplung 2 ein Drehmomentabschaltsignal an den Drehmomentabschalt-Signalempfänger 43 der Steuerung 4 aus. Der Drehmomentabschalt-Signalempfänger 43 gibt das Drehmomentabschaltsignal an die Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 aus. Nach dem Empfangen des Drehmomentabschaltsignals stoppt die Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 die Stromversorgung des Motors 1. Somit stoppt der Motor 1 im Notfallmodus.
Das von der Betriebsbefehls-Erzeugungseinheit 41 ausgegebene Steuersignal wird ebenfalls in die Winkelinformations-Übertragungseinheit 44 eingegeben. Die Winkelinformations-Übertragungseinheit 44 berechnet auf der Grundlage des Steuersignals die Winkelbeschleunigung, die dem Betrieb entspricht, der dem Motor 1 von der Betriebsbefehls-Erzeugungseinheit 41 vorgegeben worden ist. Die berechnete Winkelbeschleunigung wird von der Winkelinformations-Übertragungseinheit 44 auf die zweite Kupplung 3 übertragen.
Wenn der eingegebene Winkelbeschleunigungswert einen festen Wert erreicht oder überschreitet, versorgt die zweite Kupplung 3 das Solenoid 31 mit Strom aus einem Netzteil (nicht dargestellt). Dadurch wird das Solenoid 31 erregt und das zweite Ende der Blattfeder 34 im konkaven Block 32 verriegelt, so dass die zweite Kupplung 3 als Kupplung angesteuert wird.
In der folgenden Beschreibung bezieht sich der „Betriebszustand“ des Solenoids 31 auf einen Zustand, in dem die Blattfeder 34 durch das Solenoid 31 bewegt wird und dadurch die Blattfeder 34 im konkaven Block 32 verriegelt wird. Weiterhin bezieht sich der „Nichtbetriebszustand“, der nicht der Betriebszustand ist, auf einen Zustand, in dem die Blattfeder 34 nicht im konkaven Block 32 verriegelt ist.
8 ist ein Hardware-Konfigurationsdiagramm der Steuerung 4 im Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Steuerung 4 besitzt eine Recheneinheit 35A, eine Aufzeichnungseinheit 35B, eine Eingabeeinheit 45, eine Befehlseingabeeinheit 47 und Ausgabeeinheiten 46a und 46b. Diese Komponenten in der Konfiguration sind über einen Bus 48 miteinander verbunden. Die Steuerung 4 ist über ein Kabel 49a, ein Kabel 49b und ein Kabel 49c mit dem Motor 1, dem Drehmomentabschaltungs-Erkennungssensor 26 und dem Solenoid 31 verbunden.
Es ist zu beachten, dass in der Abbildung die Konfiguration dargestellt ist, in der die Eingabeeinheit 45, die Befehlseingabeeinheit 47, die Ausgabeeinheiten 46a und 46b angegeben sind, jedoch ist die Anzahl der Eingabeeinheitsangaben und der Ausgabeeinheiten nicht auf das oben beschriebene Beispiel beschränkt. Außerdem sind die Eingabeeinheit und die Ausgabeeinheit jeweils als separate Komponente in der Abbildung dargestellt, sie können aber auch als die gleiche Komponente implementiert werden.
Zunächst wird von einer Bedienungsperson ein Befehl in die Befehlseingabeeinheit 47 eingegeben und damit ein Befehl für den Betrieb der Robotervorrichtung in die Steuerung 4 eingegeben. Hier gibt der Befehl für die Bedienung der Robotervorrichtung eine Handposition und -geschwindigkeit, eine Betriebsreihenfolge usw. an. Es wird davon ausgegangen, dass der Befehl der Bedienungsperson direkt über ein Lerngerät eingegeben wird. Stattdessen kann auch ein Befehl erzeugt werden, indem ein zuvor vorbereitetes Programm ausgeführt wird. Die Aufzeichnungseinheit 35B speichert Hardwareinformationen der Robotervorrichtung, ein Berechnungsverfahren von einem Betriebsbefehl betreffend einen Drehmomentbefehl und dergleichen.
Die Recheneinheit 35A erzeugt das Steuersignal für den Betriebsbefehl an den Motor 1, indem sie den Befehl der Bedienungsperson basierend auf den in der Aufzeichnungseinheit 35B gespeicherten Informationen umwandelt. Die Recheneinheit 35A erzeugt eine Stromwellenform, die dem Drehmomentbefehl des Steuersignals entspricht. Hier wird die in 7 dargestellte Verarbeitung der Betriebsbefehls-Erzeugungseinheit 41 und der Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 durch die Recheneinheit 35A durchgeführt. Genauer gesagt, es wird die Recheneinheit 35A z.B. durch eine CPU (Central Processing Unit) und die Aufzeichnungseinheit 35B durch ein Speichermedium, wie etwa eine HDD (Hard Disk Drive) und ein RAM (Random Access Memory) realisiert.
Aus den beiden Ausgabeeinheiten 46a und 46b wird ein Berechnungsergebnis der Recheneinheit 35A ausgegeben. Die Ausgabeeinheit 46a gibt den Befehl über das Kabel 49a an den Motor 1 aus. Überschreitet die Winkelbeschleunigung des Motors 1 einen vorgegebenen Wert, gibt die Ausgabeeinheit 46b über das Kabel 49c ein Stromsignal von der Winkelinformations-Übertragungseinheit 44 aus. Dadurch wird das Solenoid 31 angesteuert, so dass die zweite Kupplung 3 in den Betriebszustand versetzt wird.
Wenn der Drehmomentabschaltungs-Erkennungssensor 26 das Drehmomentabschaltsignal von der ersten Kupplung 2 aufgrund einer Kollision usw. empfängt, wird das Drehmomentabschaltsignal in die Eingabeeinheit 45 eingegeben, die den Drehmomentabschalt-Signalempfänger 43 bildet. Bei der Eingabe des Drehmomentabschaltsignals sendet die Eingabeeinheit 45 ein Signal an die Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42, so dass die Zuführung des Stromsignals gestoppt wird. Wenn die Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 das Stromsignal nicht mehr liefert, stoppt der Motor 1 im Notfallmodus.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Motor 1 als eine von der ersten Kupplung 2 und der zweiten Kupplung 3 getrennte Komponente beschrieben. Stattdessen kann der Motor 1 in eine Komponente zusammen mit der ersten Kupplung 2 und der zweiten Kupplung 3 integriert werden.
Weiterhin wird bei der vorliegenden Ausführungsform das Drehmoment abgeschaltet, indem die Bewegungseinschränkung des stationären Teils im Motor 1 in Umfangsrichtung aufgehoben wird. Stattdessen kann auch ein Drehmoment-Begrenzungsmechanismus eingebaut werden, bei dem eine Drehmomentbegrenzungsfunktion zwischen dem Rotor des Motors 1 und dem an dem Rotor befestigten Verbindungsmechanismus 300 vorgesehen ist.
Als nächstes wird ein Drehmomentbegrenzungswert entsprechend dem Rotationszustand des Motors 1 unter Bezug auf 9 beschrieben. 9 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Winkelbeschleunigung des Rotors des Motors 1 und dem Drehmomentbegrenzungswert darstellt. In der Abbildung stellt die vertikale Achse das Drehmoment und die horizontale Achse die Winkelbeschleunigung des Motors 1 dar. Die durchgezogene Linie A zeigt an, dass der Drehmomentbegrenzungswert T₁ (erster Wert) [Nm: Newtonmeter] ist, und die durchgezogene Linie B zeigt an, dass der Drehmomentbegrenzungswert T₁ + T₂ (zweiter Wert) [Nm] ist.
Die strichpunktierte Linie C zeigt ideale Drehmomentbegrenzungswerte an, und die punktierte Linie D zeigt das durch die Drehung des Motors 1 erzeugte Antriebsreaktionsmoment an. Unter der Annahme, dass der Einfluss von Reibung oder dergleichen an jedem Gelenk gering ist, ist das durch die Drehung des Rotors des Motors 1 erzeugte Antriebsreaktionsmoment proportional zur Winkelbeschleunigung des Rotors des Motors 1, wie die punktierte Linie D in der Abbildung zeigt.
Wenn kein Strom zugeführt und der Motor 1 gestoppt wird, d.h. wenn die Winkelbeschleunigung des Rotors des Motors 1 Null ist, ist das Antriebsreaktionsmoment Null.
Wenn dann das äußere Kraftreaktionsmoment in Bezug auf den Motor 1 den Drehmomentbegrenzungswert T₁ [Nm] erreicht oder überschreitet, wird der stationäre Teil des Motors 1 in Umfangsrichtung frei drehbar. Wenn sich der Rotor des Motors 1 zu drehen beginnt, gibt die Winkelinformations-Übertragungseinheit 44 die Winkelbeschleunigung des Rotors des Motors 1 an die zweite Kupplung 3 aus.
Wenn der von der Winkelinformations-Übertragungseinheit 44 an die zweite Kupplung 3 ausgegebene Winkelbeschleunigungswert kleiner als α1 ist, wird die zweite Kupplung 3 nicht angesteuert. Wenn das Reaktionsmoment, das die Summe aus dem Antriebsreaktionsmoment und dem durch die äußere Kraft erzeugten externen Kraftreaktionsmoment ist, dem Drehmomentbegrenzungswert T₁ [Nm] gleich ist oder ihn überschreitet, wird auf diese Weise der stationäre Teil des Motors 1 frei in Umfangsrichtung drehbar.
Und dann, wenn die Winkelbeschleunigung des Rotors des Motors 1 zunimmt und der von der Winkelinformations-Übertragungseinheit 44 zur zweiten Kupplung 3 ausgegebene Winkelbeschleunigungswert gleich oder größer als α1 wird, wird die zweite Kupplung 3 angesteuert, und dann wird der Drehmomentbegrenzungswert T₁ + T₂ [Nm]. Wenn in diesem Fall die äußere Kraft usw. aufgebracht wird und damit das den Drehmomentbegrenzungswert übersteigende Reaktionsmoment erzeugt wird, wird der stationäre Teil des Motors 1 in Umfangsrichtung frei drehbar.
In 9 ist T₀ [Nm] ein Drehmomentbegrenzungswert zur Gewährleistung der Sicherheit, so dass dann, wenn die Robotervorrichtung mit einem Objekt kollidiert, die Robotervorrichtung das Kollisionsobjekt nicht beschädigt. Wenn die zweite Kupplung 3 nicht angesteuert wird, ist T₁ [Nm] der Drehmomentbegrenzungswert. Weiterhin ist T₂ [Nm] ein Drehmomentwert, bei dem die zweite Kupplung 3 die Bewegungseinschränkung in Umfangsrichtung beseitigt, wenn das auf die zweite Kupplung 3 aufgebrachte Drehmoment diesem Wert gleich ist oder diesen Wert überschreitet.
Wenn sowohl die erste Kupplung 2 als auch die zweite Kupplung 3 angesteuert werden, wird das Reaktionsmoment von T₁ + T₂ [Nm] aufgebracht, so dass der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus es dem stationären Teil des Motors 1 ermöglicht, sich frei in Umfangsrichtung zu drehen. Das heißt, bei der vorliegenden Ausführungsform 1 sind die Drehmomentbegrenzungswerte im Drehmoment-Begrenzungsmechanismus auf zwei Stufen eingestellt: T₁ (der erste Wert) [Nm] und T₁ + T₂ (der zweite Wert) [Nm]. Im Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Kupplung mechanisch konfiguriert und ohne Steuerung ständig in Betrieb, so dass Einflüsse der Steuerung verhindert werden können. Beide Kupplungen (die erste Kupplung 2 und die zweite Kupplung 3) können die Drehung des stationären Teils des Motors 1 in Umfangsrichtung mechanisch einschränken, indem sie die Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten sowie die Schließkraft zwischen der Blattfeder und dem konkaven Block nutzen, auch wenn die zweite Kupplung 3 durch das Weglaufen der Steuerung beeinträchtigt wird.
Das heißt, beide Kupplungen sind mechanisch konfiguriert. Somit überschreitet der Drehmomentbegrenzungswert im Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nicht seinen Vorgabewert, d.h. T₁ + T₂. Daher kann bei einer einfachen Konfiguration ein Drehmoment-Begrenzungsmechanismus, der die Sicherheit gewährleistet, erreicht werden. Darüber hinaus schaltet der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus aufgrund des Vorhandenseins der zweiten Kupplung 3 bei zunehmender Winkelbeschleunigung und Wegfall der äußeren Kraft das Drehmoment aufgrund des Antriebsreaktionsmoments nicht ab.
Wenn eine äußere Kraft von außen aufgebracht wird, die der Differenz zwischen dem auf den stationären Bereich aufgebrachten Antriebsreaktionsmoment gemäß der Winkelbeschleunigung des Rotors des Motors 1 und dem Drehmomentbegrenzungswert entspricht, stoppt der Rotor des Motors 1 im Notfallmodus. Mit anderen Worten, es stoppt der Motor 1 im Notfallmodus beim Vorliegen der durch die strichpunktierte Linie C in 9 angegebenen Drehmomentbegrenzungswerte, wenn ein externes Drehmoment, das die Differenz der Werte zwischen der strichpunktierten Linie C und der punktierten Linie D übersteigt, d.h. wenn T₀ von außen bei einem Winkelbeschleunigungswert des Rotors des Motors 1 aufgebracht wird.
Das Drehmoment durch die äußere Kraft wird zum Zeitpunkt einer Kollision auf den Verbindungsmechanismus 300 aufgebracht. Bei Überschreitung des Drehmomentbegrenzungswertes, drehen sich beispielsweise der Magnet-Träger 22, die Permanentmagnete 21a und 21b, wie in 6 dargestellt, gegen den Uhrzeigersinn.
Anhand von 2 bis 7 wird die Funktionsweise der ersten Kupplung 2 beschrieben. Im Folgenden wird beispielhaft der Fall beschrieben, dass die erste Kupplung 2 in 3 einem Reaktionsmoment gegen den Uhrzeigersinn ausgesetzt ist. Wenn sich der Rotor des Motors 1 dreht, wird der stationäre Teil des Motors 1 dem Antriebsreaktionsmoment ausgesetzt, das durch die Drehbewegung des mit dem Motor 1 verbundenen Verbindungsmechanismus 300 verursacht wird.
Wenn sich der Rotor des Motors 1 z.B. im Uhrzeigersinn zu drehen beginnt, wird eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung ausgeübt, in die der Permanentmagnet 21c den Permanentmagneten 21a zieht. Wenn die Kraft einen vorgegebenen Wert erreicht oder überschreitet, d.h. den Wert entsprechend dem Drehmomentbegrenzungswert T₁ [Nm], werden der Permanentmagnet 21a und der Permanentmagnet 21c voneinander getrennt. Dadurch drehen sich, wie in 6 dargestellt, der Magnet-Träger 22, der Permanentmagnet 21a und der Permanentmagnet 21b im Gegenuhrzeigersinn. Es ist zu beachten, dass die Drehung des Permanentmagneten 21a auf den Bereich bis zur Kollision mit dem Anschlag 24a beschränkt ist.
Anhand von 2 bis 7 wird die Funktionsweise der zweiten Kupplung 3 beschrieben. Bei der in 4 dargestellten zweiten Kupplung 3 drückt das Solenoid 31, wenn es bestromt wird, den oberen Teil der Blattfeder 34 nach unten. Die Schraubenfeder 36 wird durch die Schubkraft zusammengedrückt, und das zweite Ende der Blattfeder 34 wird im konkaven Block 32 verriegelt, so dass die Motorbefestigungsplatte 6 sich nicht in Umfangsrichtung drehen kann. Wenn andererseits das Reaktionsmoment, das den zweiten Drehmomentbegrenzungswert T₁ + T₂ [Nm] übersteigt, auf den stationären Bereich des Motors 1 aufgebracht wird, entspricht die auf die Blattfeder 34 ausgeübte Kraft der Kraft, die dem Drehmomentbegrenzungswert T₂ entspricht oder diesen übersteigt.
So verformt sich das zweite Ende der Blattfeder 34 durch die Reaktionskraft aus dem konkaven Block 32, so dass die Blattfeder 34 in Umfangsrichtung von der Nut des konkaven Blocks 32 gelöst wird. Dann dreht sich, wie in 6 dargestellt, die Motorbefestigungsplatte 6 auf dem Gleitstück 7 in Umfangsrichtung.
Wenn die erste Kupplung 2 und die zweite Kupplung 3 zusammen angesteuert werden, tragen sie bei der vorliegenden Ausführungsform zur Bewegungseinschränkung in Umfangsrichtung bei. Wenn also ein Reaktionsmoment größer T₁ + T₂ [Nm] auf den stationären Teil des Motors 1 und der Motorbefestigungsplatte 6 aufgebracht wird, ermöglichen beide Kupplungen eine freie Drehung der Motorbefestigungsplatte 6 in Umfangsrichtung. Dann wird der stationäre Teil des Motors 1, der an der Motorbefestigungsplatte 6 befestigt ist, in Umfangsrichtung frei drehbar.
Wenn der stationäre Teil des Motors 1 und das Gehäuse 5 nicht sicher befestigt sind, kann dies zu Umkehrspiel, Spiel und dergleichen führen. In diesem Fall kann die Genauigkeit im Drehbetrieb des Rotors des Motors 1 abnehmen. Andererseits wird im Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die erste Kupplung 2 eingesetzt, die ständig angesteuert wird, so dass das Spiel im Motor 1 reduziert werden kann. Darüber hinaus fixiert die zweite Kupplung 3 zusammen mit der ersten Kupplung 2 den stationären Teil des Motors 1 an dem Gehäuse 5. Bei der zweiten Kupplung 3 kann das Spiel unterdrückt werden, da ein Biegeelement oder dergleichen für die beidseitige Abstützung in Umfangsrichtung verwendet wird. Es ist zu beachten, dass das Biegeelement durch ein elastisches Element, wie beispielsweise einen Gummisitz, ersetzt werden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Drehmomentbegrenzungswert schrittweise geändert. Anstelle der schrittweisen Änderung des Drehmomentbegrenzungswertes können über die Steuerung 4 ideale Drehmomentbegrenzungswerte entsprechend der Winkelbeschleunigung, dargestellt durch die strichpunktierte Linie C in 9, eingestellt werden. Weiterhin kann zur Vorbereitung auf einen Notfall, wie z.B. das Weglaufen der Steuerung 4, eine Konfiguration verwendet werden, bei der sowohl der Drehmomentbegrenzungswert schrittweise als auch ein idealer Drehmomentbegrenzungswert durch die Steuerung 4 eingestellt werden. Es ist zu beachten, dass die erste Kupplung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 nicht von der Steuerung 4 gesteuert wird. Somit ist auch bei einem Weglaufen der Steuerung 4 die erste Kupplung 2 nicht betroffen.
Um den in der Abbildung durch die strichpunktierte Linie C angegebenen Drehmomentbegrenzungswert kontrolliert zu erreichen, ist es erforderlich, dass das Drehmoment des Rotors des Motors 1 von einem Drehmomentsensor gemessen wird, der gemessene Drehmomentwert von der Steuerung 4 überwacht wird und die Steuerung dann den Drehmomentbegrenzungswert aus dem gemessenen Drehmoment berechnet. In einer solchen Konfiguration kann das Drehmoment jedoch beim Weglaufen der Steuerung nicht abgeschaltet werden.
Darüber hinaus kann die Struktur kompliziert sein, um den idealen Drehmomentbegrenzungswert mechanisch, aber nicht gesteuert zu erreichen. Andererseits ist bei der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung eine Konfiguration dargestellt, bei der der Drehmomentbegrenzungswert mechanisch in zwei Stufen eingestellt werden kann. So kann der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus mit einem einfachen Aufbau konfiguriert werden, und das Drehmoment kann auch bei Weglaufen der Steuerung sicher abgeschaltet werden.
Es ist zu beachten, dass bei der vorliegenden Ausführungsform zwar die Werte der Drehmomentbegrenzung in zwei Stufen eingestellt werden, der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus jedoch so konfiguriert werden kann, dass er mehrere zweite Kupplungen zum Einstellen von drei oder mehr Drehmomentbegrenzungswerten aufweist.
Wie vorstehend dargestellt, kann mit der Konfiguration, bei der ein Drehmoment-Begrenzungsmechanismus mit zwei Kupplungen an dem Motor 1 angebracht ist, eine Robotervorrichtung mit einer Gelenkstruktur realisiert werden, die die bei einer Kollision auf die Robotervorrichtung ausgeübte Außenkraft absorbiert und freigibt. Die auf die Robotervorrichtung und ein Objekt bei einer Kollision aufgebrachte Kollisionskraft kann mittels einer Impuls-Betrachtung berechnet werden.
Je kürzer die Dauer der Kollision ist, desto größer ist die Kollisionskraft. Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beseitigt die Bewegungseinschränkung des stationären Bereichs im Motor 1 in Umfangsrichtung, und dadurch wird der stationäre Bereich des Motors 1 in Umfangsrichtung frei drehbar. Dadurch wird die Dauer der Kollision verlängert und damit die Kollisionskraft verringert. Dadurch werden Schäden an dem Objekt reduziert, so dass die Möglichkeit eines Ausfalls der Roboteranlage und des Motors 1 verringert werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, die Sicherheit des Objekts bei einer Kollision zu gewährleisten.
Da die Biegefähigkeit der Blattfeder 34 zur Befestigung verwendet wird, führt das Antriebsreaktionsmoment bei Verwendung nur der zweiten Kupplung 3 weiterhin zu einer leichten Bewegung in Umfangsrichtung. In Zusammenwirkung mit der ersten Kupplung 2 kann jedoch die Position des Motors 1 in Umfangsrichtung konstant gehalten werden, bis das Drehmoment seinen Grenzwert erreicht hat. Somit kann der Drehmomentbegrenzungswert ohne Verringerung der Betriebsgenauigkeit des an dem Rotor des Motors 1 befestigten Verbindungsmechanismus 300 eingestellt werden.
In einem Fall, in dem eine Vielzahl von Antriebseinrichtungen 100 und Verbindungsmechanismen 300 kombiniert werden, ist der Fall ähnlich wie bei der Verwendung einer einzelnen Antriebseinrichtung 100 und eines einzelnen Verbindungsmechanismus 300. In dem Fall, in dem die Robotervorrichtung eine Vielzahl von Verbindungsmechanismen 300 besitzt, beeinflussen der Winkel, die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung eines jeden anderen Motors das Reaktionsmoment, das auf den stationären Bereich des Motors 1 aufgebracht wird.
Daher muss das Reaktionsmoment von der Steuerung 4 berechnet werden. Es ist zu beachten, dass auch bei Verwendung einer Vielzahl von Verbindungsmechanismen 300 usw. der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 auf der Basis des berechneten Reaktionsmoments genauso eingesetzt werden kann wie bei Verwendung eines einzelnen Verbindungsmechanismus 300.
10 ist ein Flussdiagramm, das die Wirkungsweise des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus 200 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Anhand von 10 wird der Betrieb der oben genannten Kupplungen (die erste Kupplung 2 und die zweite Kupplung 3) nochmals beschrieben.
Zunächst wird im Ausgangszustand der Motor 1 gestoppt, die erste Kupplung 2 überträgt ein Drehmoment, und die zweite Kupplung 3 befindet sich im Ruhezustand. Hier bezieht sich der Ruhezustand, wie zuvor beschrieben, auf einen Zustand, in dem die Blattfeder 34 nicht im konkaven Block 32 verriegelt ist, d.h. auf einen Zustand, in dem die Kupplung weder eine Drehmomentübertragung noch eine Drehmomentabschaltung im Falle einer Überlastung durchführt.
Im Schritt S01 beginnt der Motor 1 zu drehen. Im Schritt S02 wird bestimmt, ob die Winkelbeschleunigung des Motors 1 gleich oder größer als α1 ist. Es ist zu beachten, dass gemäß dem Bestimmungsergebnis im Schritt S02 der Prozess zum Schritt S03 oder Schritt S06 verzweigt. Das heißt, wenn im Schritt S02 die Winkelbeschleunigung des Motors 1 gleich oder größer als α1 (JA) ist, fährt der Prozess mit Schritt S06 fort, und wenn sie kleiner als α1 (NEIN) ist, fährt der Prozess mit Schritt S03 fort.
Der Betriebsablauf nach dem Abzweigen des Prozesses von Schritt S02 zum Schritt S03 wird beschrieben. Zunächst hält die zweite Kupplung 3 im Schritt S03 den aktuellen Ruhezustand aufrecht. Anschließend wird im Schritt S04 bestimmt, ob das Reaktionsmoment, das durch eine Kollision oder dergleichen auf den stationären Teil des Motors 1 aufgebracht wird, gleich oder größer als der Drehmomentbegrenzungswert T1 [Nm] ist. Wenn im Schritt S04 das Reaktionsmoment gleich oder größer als der Drehmomentbegrenzungswert T1 (JA) ist, fährt der Prozess mit Schritt S05 fort.
Andernfalls kehrt der Prozess zum Schritt S02 zurück und der Motor 1 dreht sich weiter. Im Schritt S05 schaltet die erste Kupplung 2 das Drehmoment ab, so dass das Drehmoment zwischen dem stationären Bereich des Motors 1 und dem Gehäuse, unterbrochen wird. Anschließend kann die angetriebene Einheit manuell gedreht werden.
Als nächstes wird der Betriebsablauf nach dem Abzweigen des Prozesses von Schritt S02 zum Schritt S06 beschrieben. Im Schritt S06 befindet sich die zweite Kupplung 3 in einem Zustand, in dem das Drehmoment übertragen werden kann. Im Schritt S07 wird bestimmt, ob das Reaktionsmoment, das durch eine Kollision oder dergleichen auf den stationären Teil des Motors 1 aufgebracht wird, gleich oder größer als der Drehmomentbegrenzungswert T₁ + T₂ [Nm] ist. Wenn aber das Reaktionsmoment den Drehmomentbegrenzungswert T₁ + T₂ [Nm] (YES) erreicht oder überschreitet, fährt der Prozess mit Schritt S08 fort. Andernfalls (NEIN) kehrt der Prozess zum Schritt S02 zurück. Im Schritt S08 unterbrechen sowohl die erste Kupplung 2 als auch die zweite Kupplung 3 das Drehmoment.
Wenn im Schritt S09 die Steuerung 4 die Information erhält, dass die Kupplung (die erste Kupplung 2 oder die zweite Kupplung 3) das Drehmoment abschaltet, stoppt die Steuerung 4 die Stromversorgung, um den Motor 1 zu stoppen. Als nächstes stoppt der Motor 1 im Schritt S10 im Notfallmodus, wenn die Stromversorgung von der Steuerung 4 gestoppt wird. Im Schritt S11 wird der Ruhezustand beibehalten oder eine Umschaltung in den Ruhezustand durchgeführt.
Genauer gesagt, es behält die zweite Kupplung 3 den Ruhezustand bei, wenn Schritt S11 über Schritt S03 bis Schritt S05 ausgeführt wird. Wenn weiterhin Schritt S11 über Schritt S06 bis Schritt S08 durchgeführt wird, schaltet die zweite Kupplung 3 ihren Zustand in den Ruhezustand, da die zweite Kupplung 3 bereits das Drehmoment abschaltet (im Schritt S08) und sich im angesteuerten Zustand befindet. In diesem Moment wird, wie bereits erwähnt, das Drehmoment für den stationären Teil und die angetriebene Einheit abgeschaltet und kann somit auch manuell gedreht werden.
Im Schritt S12 werden die relativen Drehpositionen des stationären Teils und der angetriebenen Einheit so eingestellt, dass sie in die Positionen vor der Drehmomentabschaltung zurückkehren. Nachdem der Schritt S12 ausgeführt worden ist, geht der Prozess zum Schritt S13 über, so dass die erste Kupplung 2 mechanisch in Betrieb genommen wird und ein Drehmoment übertragen kann.
Nachdem der oben genannte Betriebsablauf durchgeführt worden ist, kehrt der Zustand in seinen Ausgangszustand vor der Ausführung von Schritt S01 zurück. In diesem Moment befinden sich der Motor 1 im Stillstand, die erste Kupplung 2 im Zustand der Drehmomentübertragung und die zweite Kupplung 3 im Ruhezustand. Im obigen Ablauf wird der Prozess nach Schritt S13 beendet. Stattdessen kann der Prozess auch zum Schritt S01 zurückkehren, um die oben genannten Schritte erneut auszuführen.
Bei Verwendung der Robotervorrichtung mit dieser Konfiguration wird auch bei Kollision der Robotervorrichtung mit einer Person oder einem Objekt die Bewegungseinschränkung des stationären Teils im Motor 1 in Umfangsrichtung aufgehoben, so dass die durch die Kollision verursachte Kraft absorbiert und aufgelöst werden kann. So ist es durch den Drehmoment-Begrenzungsmechanismus möglich, Personenschäden bei einer Kollision sowie den Ausfall der Roboteranlage selbst zu vermeiden.
Es ist zu beachten, dass beispielsweise dann, wenn die Robotervorrichtung stationär ist und eine Person ihre Hand auf die Robotervorrichtung legt und dadurch die Bewegungseinschränkung des stationären Bereichs im Motor 1 in Umfangsrichtung aufgehoben wird, der Verbindungsmechanismus 300 und der Motor 1 weit (z.B. mehr als 90°) gedreht werden. Dann kann die Person ihr Gleichgewicht verlieren und sich verletzen. Um die oben beschriebene Situation zu vermeiden, wird die obere Grenze des Drehwinkels, bis zu der sich der Verbindungsmechanismus 300 und der stationäre Teil des Motors 1 in Umfangsrichtung frei drehen können, klein eingestellt (z.B. 30°). Somit ist es möglich, beim Herausgehen aus der Robotervorrichtung das Risiko zu reduzieren, dass durch die Drehung des Verbindungsmechanismus 300 und des Motors 1 die Person hinfällt.
Mit dieser bisher beschriebenen Konfiguration kann ein Drehmoment-Begrenzungsmechanismus bereitgestellt werden, bei dem durch Änderung der Anzahl der verwendeten Kupplungen aufgrund des Rotationszustandes des Rotors des Motors 1 eine Drehmomentabschaltung zum Zeitpunkt einer Kollision zuverlässig durchgeführt wird, ohne durch den Rotationszustand des Rotors beeinflusst zu werden, und somit bereits mit einer einfachen Struktur und Steuerung eine Beschädigung des Kollisionsobjekts reduziert werden kann.
Ausführungsform 2
Bei der Ausführungsform 1 wird der Drehmomentbegrenzungswert der ersten Kupplung auf der Basis des Reaktionsmoments eingestellt, das sich aus der Summe des durch die äußere Kraft erzeugten äußeren Kraftreaktionsmoments und des durch den Rotor des Motors 1 verursachten Antriebsreaktionsmoments ergibt. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 dadurch, dass der Drehmomentbegrenzungswert der ersten Kupplung nur auf der Grundlage des vom Rotor des Motors 1 verursachten Reaktionsmoments eingestellt wird.
Die gleichen oder die entsprechenden Komponenten, wie sie bei der vorherigen Ausführungsform beschrieben sind, erhalten die gleichen Bezugszeichen, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
11 ist ein Diagramm, das die Drehmomentbegrenzungswerte eines Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung aufzeigt.
Wenn ein Drehmomentbegrenzungswert unterhalb der punktierten Linie D eingestellt ist, die das Antriebsreaktionsmoment angibt, das auf den stationären Teil des Motors 1 aufgebracht wird, kann der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus das Drehmoment des Motors 1 allein durch die Drehung des Motors 1 abschalten. Dann stoppt der Rotor des Motors 1 im Notfallmodus. Dadurch wird verhindert, dass der Motor 1 den normalen Betrieb ausführt.
Um ein solches Problem zu vermeiden, muss in 11 der Drehmomentbegrenzungswert T₁ [Nm] der ersten Stufe auf den Drehmomentbegrenzungswert T₁ + T₂ [Nm] der zweiten Stufe umgeschaltet werden, wobei die Winkelbeschleunigung α1 kleiner als die Winkelbeschleunigung α2 ist. Hier ist die Winkelbeschleunigung α2 ein Wert, der so einzustellen ist, dass das beim Drehen des Rotors des Motors 1 erzeugte Antriebsreaktionsmoment T₀ [Nm] als Sicherheitsbezugswert beträgt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Drehmomentbegrenzungswert, bei dem die erste Kupplung das Drehmoment abschaltet, auf einen kleineren Wert als bei der Ausführungsform 1 eingestellt werden. So kann zusätzlich zu den bei Ausführungsform 1 erzielten Effekten auch die erste Kupplung mit einer einfacheren Struktur realisiert werden.
Ausführungsform 3
Ein Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem gemäß der Ausführungsform 1 dadurch, dass neben der Konfiguration bei der Ausführungsform 1 auch ein Federelement zur Bewegungsbegrenzung in Umfangsrichtung vorgesehen ist. Die gleichen oder die entsprechenden Komponenten, wie sie in den vorherigen Ausführungsformen beschrieben sind, erhalten die gleichen Bezugszeichen und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
12 ist eine perspektivische Ansicht des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung und eine vergrößerte Ansicht einer ersten Kupplung 2A. Die über die erste Kupplung 2A hinausgehende Konfiguration, wie beispielsweise der Motor 1, die zweite Kupplung 3 und die Steuerung 4, ist die gleiche wie bei der Ausführungsform 1. Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist insofern anders, als Magnet-Begrenzungsfedern (elastische Elemente) 50a und 50b, Begrenzungsfeder-Gehäuse 51a und 51b, sowie Begrenzungsfeder-Befestigungen 52a und 52b enthalten sind, anstelle des Anschlags 24 und des Anschlagträgers 25 bei Ausführungsform 1.
In der folgenden Beschreibung werden die Magnet-Begrenzungsfedern 50a und 50b, die Begrenzungsfeder-Gehäuse 51a und 51b und die Begrenzungsfeder-Befestigungen 52a und 52b gemeinsam als Magnet-Begrenzungsfeder 50, Begrenzungsfeder-Gehäuse 51 und Begrenzungsfeder-Befestigung 52 bezeichnet.
Die Konfiguration der ersten Kupplung 2A gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben. Wie bereits beschrieben, werden der Permanentmagnet 21a an dem Magnet-Träger 22 und der Magnet-Träger 22 an der Motorbefestigungsplatte 6 befestigt. Während sich die Motorbefestigungsplatte 6 in Umfangsrichtung dreht, dreht sich der Permanentmagnet 21a um die Drehachse des Rotors. Die Magnet-Begrenzungsfedern 50 sind jedoch in Drehrichtung des Permanentmagneten 21a installiert, und je mehr sich der Permanentmagnet 21a dreht, desto stärker ist die elastische Kraft, die der Permanentmagnet 21a vom Magnet-Begrenzungsfedern 50 erhält, und so wird die Aufprallkraft reduziert.
Die Magnet-Begrenzungsfeder 50 ist vollständig mit dem Begrenzungsfeder-Gehäuse 51 abgedeckt. Wenn der Permanentmagnet 21a innerhalb des Magnet-Halters 23 positioniert ist, dann ist die Länge der Magnet-Begrenzungsfeder 50a kürzer als seine natürliche Länge, d.h. die Magnet-Begrenzungsfeder befindet sich in ihrem komprimierten Zustand. So drückt die Magnet-Begrenzungsfeder 50a mit ihrer elastischen Kraft den Permanentmagneten 21b gegen den Magnet-Halter 23.
Ebenso drückt die Magnet-Begrenzungsfeder 50b den Permanentmagneten 21c gegen den Magnet-Halter 23. Das Begrenzungsfeder-Gehäuse 51 ist an dem Gehäuse 5 befestigt. Mit einer im Inneren des Begrenzungsfeder-Gehäuses 51 vorgesehenen Nut wird der Permanentmagnet 21a nicht am Drehen gehindert. Der Permanentmagnet 21b wird durch die Magnet-Begrenzungsfeder 50a an den Magnet-Halter 23 gedrückt.
Es ist zu beachten, dass, während der Wert von T₁ [Nm] bei Ausführungsform 1 durch die Anziehungskraft der Permanentmagnete bestimmt wird, der Wert von T₁ [Nm] bei der vorliegenden Ausführungsform zusätzlich zur Anziehungskraft der Permanentmagnete durch die Federkraft der Magnet-Begrenzungsfeder 50a bestimmt wird.
Wenn auf den Permanentmagneten 21a eine Kraft ausgeübt wird, die gleich der oder größer ist als die Summe aus der Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 21a und 21c und der elastischen Kraft der Magnet-Begrenzungsfeder 50b im komprimierten Zustand, hebt die erste Kupplung 2A die Rotationsbeschränkung des stationären Teils im Motor 1 in Umfangsrichtung auf. Somit wird der Drehmomentbegrenzungswert, der der Summe aus Elastizität und Anziehungskraft entspricht, auf T₁ gesetzt.
Bei dieser Konfiguration übt die Magnet-Begrenzungsfeder 50 zusätzlich zu dem bei Ausführungsform 1 beschriebenen Vorgang, für den Fall, dass der stationäre Teil des Motors 1 mit zunehmender Umfangsverschiebung frei in Umfangsrichtung drehbar wird, auf den Permanentmagneten 21a eine größere elastische Kraft aus, um den Permanentmagneten 21a in die Position des Magnet-Halters 23 zurückzudrücken.
Wie vorstehend beschrieben, besitzt der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Magnet-Begrenzungsfeder 50 für die erste Kupplung 2A. Mit der Konfiguration kann der Permanentmagnet 21a durch die elastische Kraft der Feder automatisch in die Position des Magnethalters 23 zurückgeführt werden. Somit ist der Effekt so, dass dann, wenn der stationäre Teil des Motors 1 nach einem Ausschalten des Motors im Notfallmodus wieder in die Ausgangsposition gebracht wird, keine manuelle Bedienung oder Installation einer Wiederherstellungsvorrichtung usw. erforderlich ist.
Ausführungsform 4
Bei der Ausführungsform 1 besitzt die erste Kupplung 2 die Permanentmagnete 21a, 21b und 21c und begrenzt die Bewegung in Umfangsrichtung durch die Anziehungskraft zwischen diesen Permanentmagneten. Andererseits unterscheidet sich eine erste Kupplung 2B gemäß der vorliegenden Ausführungsform von der Ausführungsform 1 dadurch, dass die erste Kupplung 2B die Bewegung in Umfangsrichtung mit der elastischen Kraft von Rechteckblock-Begrenzungsfedern einschränkt. Die gleichen oder entsprechenden Komponenten, wie sie in den vorherigen Ausführungsformen beschrieben sind, erhalten die gleichen Bezugszeichen, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
13 ist eine perspektivische Ansicht eines Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung und eine vergrößerte Ansicht der ersten Kupplung 2B. Die anderen Komponenten außer der ersten Kupplung 2B, wie der Motor 1, die zweite Kupplung 3 und die Steuerung 4, sind die gleichen wie bei der Ausführungsform 1. Bei der vorliegenden Ausführungsform besitzt der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus anstelle der Permanentmagnete 21a, 21b und 21c einen Rechteckblock 57 und Rechteckblock-Begrenzungsfedern 59a und 59b (elastische Elemente mit anfänglicher Reaktionskraft).
Er besitzt auch einen Rechteckblock-Träger 58 anstelle des Magnet-Trägers 22. Außerdem besitzt er einen Rechteckblock-Halter 60 anstelle des Magnet-Halters 23. Die Rechteckblock-Begrenzungsfedern 59 sind in zylindrischen Elementen so untergebracht, dass ihre Länge kürzer ist als ihre natürliche Länge, so dass sie eine Anfangsreaktionskraft F [N (Newton)] haben. Mit anderen Worten, wenn auf die erste Kupplung 2B eine Kraft gleich oder größer als F [N] ausgeübt wird, kann sich der Rechteckblock 57 in Umfangsrichtung bewegen.
Die Konfiguration der ersten Kupplung 2B gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben. Der Rechteckblock 57 wird an dem Rechteckblock-Träger 58 und der Rechteckblock-Träger 58 an der Motorbefestigungsplatte 6 befestigt. Wenn sich also die Motorbefestigungsplatte 6 in Umfangsrichtung dreht, dreht sich der Rechteckblock 57 um die gleiche Welle. Der Rechteckblock 57 auf der einen Seite und der anderen Seite in Umfangsrichtung weisen jedoch die Rechteckblock-Begrenzungsfeder 59a bzw. die Rechteckblock-Begrenzungsfeder 59b auf. Mit der Konfiguration wird die Bewegung des stationären Teils des Motors 1 in Umfangsrichtung eingeschränkt.
Da der Rechteckblock-Halter 60 an dem Gehäuse 5 befestigt ist, können sich die Rechteckblock-Begrenzungsfedern 59a und 59b nicht bewegen, um sich dem Rechteckblock-Halter 60 in Umfangsrichtung zu nähern. Durch den an dem Gehäuse 5 befestigten Rechteckblock-Halter 60 kann sich die Rechteckblock-Begrenzungsfeder 59a nicht im Uhrzeigersinn und die Rechteckblock-Begrenzungsfeder 59b nicht im Gegenuhrzeigersinn bewegen, weiter weg von der Position des Rechteckblock-Halters 60. Die Rechteckblock-Begrenzungsfedern 59 sind vollständig durch die Begrenzungsfeder-Gehäuse 51 abgedeckt.
Die Begrenzungsfeder-Gehäuse 51 sind an dem Gehäuse 5 befestigt. In jedem der Begrenzungsfeder-Gehäuse 51 ist eine Nut vorgesehen, um eine Drehung des Rechteckblocks 57 nicht zu verhindern.
Bezogen auf die anfängliche Reaktionskraft F [N] und den Drehmomentbegrenzungswert T₁ [Nm] der ersten Kupplung 2B wird der Abstand L von der Antriebswelle des Motors 1 zum Rechteckblock 57 L gleich T₁ / F[m] bestimmt. Somit kann der Drehmomentbegrenzungswert der ersten Kupplung 2B auf T₁ eingestellt werden.
Wenn die auf den Rechteckblock 57 ausgeübte Kraft gleich der dem Drehmomentbegrenzungswert T₁ [Nm] entsprechenden Kraft ist oder diese übersteigt, übersteigt die Kraft, mit der der Rechteckblock 57 im Gegenuhrzeigersinn bewegt wird, die anfängliche Reaktionskraft der Rechteckblock-Begrenzungsfedern 59. So dreht sich der Rechteckblock 57 z.B. im Gegenuhrzeigersinn. In diesem Moment werden der Motor 1 und die Motorbefestigungsplatte 6 in Umfangsrichtung frei drehbar. Der Drehmomentabschaltungs-Erkennungssensor 26 funktioniert und veranlasst die Steuerung 4, einen Befehl zum Stoppen des Motors 1 auszugeben.
Zusätzlich zu der Konfiguration bei der Ausführungsform 1 besitzt die vorliegende Konfiguration die Rückhaltefedern 50, die dann, wenn der stationäre Teil des Motors 1 in Umfangsrichtung frei drehbar wird, mit zunehmender Umfangsverschiebung eine größere Federkraft auf den stationären Teil des Motors 1 ausüben. Somit kehrt der Rechteckblock 57 in seine Ausgangsposition zurück, in der der Rechteckblock 57 im Rechteckblock-Halter 60 untergebracht ist. Im Schritt S12 von 10 werden die Kupplungen (die erste Kupplung 2 und die zweite Kupplung 3) nach der Drehmomentabschaltung manuell in den Zustand (Ausgangsposition) vor der Drehmomentabschaltung zurückgesetzt. Bei der vorliegenden Ausführungsform erfolgt das Zurücksetzen auf die Ausgangspositionen durch die Rechteckblock-Begrenzungsfeder, so dass der Schritt S12 entfallen kann.
Wie vorstehend beschrieben, kann zusätzlich zu den bei der Ausführungsform 1 erzielten Effekten bei Verwendung der Rechteckblock-Begrenzungsfeder in der ersten Kupplung 2B, nachdem der stationäre Teil des Motors 1 in Umfangsrichtung frei drehbar ist, die Rückstellung in ihre Ausgangspositionen durch die elastische Kraft der Federn erfolgen. Somit entfällt das manuelle Verschieben der bewegten Bauteile in ihre ursprüngliche Position. Zusätzlich zu den bei Ausführungsform 1 erzielten Effekten ist ein weiterer Effekt gegeben, so dass die Robotervorrichtung nach der Drehmomentabschaltung schnell wieder gestartet werden kann.
Ausführungsform 5
Bei Ausführungsform 1 besitzt die zweite Kupplung 3 die Blattfeder 34 als von der Kupplung angetriebenes Teil und den konkaven Block 32 als Kupplungsverriegelungsteil. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 dadurch, dass die zweite Kupplung einen Außenring als von der Kupplung angetriebenes Teil und eine Ringaufnahme als Kupplungsverriegelungsteil besitzt.
14 ist eine Draufsicht einer zweiten Kupplung 3A eines Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung. 15 ist eine Draufsicht auf den Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung und eine vergrößerte Ansicht der zweiten Kupplung 3A. 15 ist eine Draufsicht der zweiten Kupplung 3A, in der die Bewegungseinschränkung in Umfangsrichtung im Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung beseitigt wird.
16 ist eine Abbildung des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung und eine Querschnittsansicht der zweiten Kupplung 3A. Die gleichen oder die entsprechenden Komponenten, wie sie in den vorherigen Ausführungsformen beschrieben sind, erhalten die gleichen Bezugszeichen, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Die zweite Kupplung 3A gemäß der vorliegenden Ausführungsform besitzt einen Außenring 70a, einen Ringträger 71a, eine Ringfeder 72, eine Ringsicherung 73 und eine Ringaufnahme 74. Die Ringsicherung 73 ist an dem Gehäuse 5 befestigt. Die Ringsicherung 73 weist darin den Außenring 70a auf, der zylindrisch und frei drehbar ist. Die Ringaufnahme 74 ist auf der Motorbefestigungsplatte 6 befestigt.
Wie in der Querschnittsansicht in 16 dargestellt, ist hier der Ringträger 71a so angeordnet, dass seine Achse parallel zur Achse der Antriebswelle des Motors 1 verläuft. Der Außenring 70a wird von dem Ringträger 71a getragen, so dass der Außenring 70a um die Achse des Ringträgers 71a frei drehbar ist. Mit der Federkraft der Ringfeder 72 drückt der Ringträger 71a den Außenring 70a radial von außen zur Ringaufnahme 74 in Richtung Antriebswelle. Der Ringträger 71a ist in der Ringsicherung 73 radial nach innen und außen verschiebbar angeordnet.
Wenn das Solenoid 31 erregt und in die Richtung getrieben wird, in der es die Ringfeder 72 zusammendrückt, wird die Federkraft der Ringfeder 72 größer. Der Außenring 70a wird durch die Federkraft an die Ringaufnahme 74 gedrückt. Wenn dann eine dem Drehmoment T₂ [Nm] entsprechende Kraft auf die zweite Kupplung 3A ausgeübt wird, löst sich der in einer Aussparung der Ringaufnahme 74 sitzende Außenring 70a von der Aussparung nach außen in radialer Richtung, wie in 15 dargestellt. Dadurch wird die Motorbefestigungsplatte 6 in Umfangsrichtung frei drehbar.
Wenn die zweite Kupplung 3A angesteuert wird, so wird bei der vorliegenden Ausführungsform auch die erste Kupplung 2 angesteuert. Wenn also ein Reaktionsmoment von T₁ + T₂ [Nm] auf den stationären Bereich des Motors 1 und die Motorbefestigungsplatte 6, die den stationären Bereich fixiert, aufgebracht wird, unterbrechen beide dieser Kupplungen (die erste Kupplung 2 und die zweite Kupplung 3A) das Drehmoment, um den stationären Bereich des Motors 1 frei in Drehrichtung drehbar zu machen.
Bei der oben beschriebenen Konfiguration gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Ring anstelle der bei der Ausführungsform 1 verwendeten Blattfedern verwendet, und die Verschlechterung im Laufe der Zeit ist im Vergleich zur Blattfeder geringer. Somit ist neben den bei Ausführungsform 1 erzielten Effekten ein weiterer Effekt gegeben, so dass für die zweite Kupplung längere Lebensdauer erreicht werden kann.
Ausführungsform 6
Bei Ausführungsform 5 besitzt die zweite Kupplung 3A den Außenring 70a (von der Kupplung angetriebenes Teil) und die Ringfeder 72. Wird das Solenoid 31 (Kupplungsantrieb) mit Strom versorgt, wird die zweite Kupplung 3A als Kupplung angetrieben. Die zweite Kupplung mit einem Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich dadurch, dass anstelle des Solenoids 31 ein nicht dargestellter Kupplungsantrieb verwendet wird.
Die Verschiebung des Linearaktuators wird von einer Steuerung 4 gesteuert und verändert, und zwar unter Bedingungen, wie etwa dem Rotationszustand des Rotors des Motors 1, einer Gesamthaltung der Roboteranordnung und einem Bewegungszustand der Roboteranordnung. Die gleichen oder die entsprechenden Komponenten, wie sie in den vorherigen Ausführungsformen beschrieben sind, erhalten die gleichen Bezugszeichen und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Bei der oben genannten Konfiguration ändert der Linearantrieb kontinuierlich die Länge der Ringfeder 72, so dass sich auch die auf den Außenring 70a wirkende elastische Kraft der Ringfeder 72 ändert. Somit kann der Drehmomentbegrenzungswert T₂ [Nm] der zweiten Kupplung 3 geändert werden.
Mit dem Linearantrieb wird der Rechenaufwand in der Steuerung 4 gegenüber dem Einsatz des Magneten erhöht. Die Drehmomentbegrenzungswerte können jedoch Idealwerte sein, wie sie die in 9 gezeigte strichpunktierte Linie C anzeigt.
Ausführungsform 7
17 ist eine perspektivische Ansicht eines Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung. Die erste Kupplung 2 und die Steuerung 4 sind identisch mit denen der Konfiguration bei Ausführungsform 1. Die Ringaufnahme 74 bei Ausführungsform 5 ist an der Motorbefestigungsplatte 6 befestigt. Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich dagegen dadurch, dass die Ringaufnahme 74 an der Motorbefestigungsplatte 6 in radialer Richtung beweglich gelagert ist.
Neben der Konfiguration der zweiten Kupplung 3A gemäß Ausführungsform 5 besitzt eine zweite Kupplung 3B des Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein schnell rotierendes Teil, das zusammen mit dem Rotor des Motors 1 rotiert. Das schnell rotierende Teil besitzt die Innenringe 70b, Ringträger 71b, ein Verbindungsstück 81 und Federhalter 82. Die gleichen oder die entsprechenden Komponenten, wie sie in den vorherigen Ausführungsformen beschrieben sind, erhalten die gleichen Bezugszeichen, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Die Konfiguration der zweiten Kupplung 3B gemäß der aktuellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben. Die an dem Gehäuse 5 befestigten Bereiche sind die gleichen wie bei der Konfiguration bei Ausführungsform 5. Das heißt, der Außenring 70a wird von der in 16 gezeigten Ringfeder 72 gegen die Ringaufnahme 74 gedrückt. Das Verbindungsstück 81 ist an dem Rotor des Motors 1 befestigt.
Sechs Federhalter 82 sind an dem Verbindungsstück 81 befestigt und drehen sich mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor des Motors 1. In jedem der Federhalter 82 ist eine Feder für das schnell rotierende Teil (nicht dargestellt) vorgesehen. Ein erstes Ende der Feder für das schnell rotierende Teil ist mit dem Verbindungsstück 81 und ein zweites Ende mit dem Ringträger 71b verbunden.
Ähnlich wie der in 16 dargestellte Ringträger 71a sind die Ringträger 71b so angeordnet, dass ihre Achse parallel zur Achse der Antriebswelle des Motors 1 verläuft. Die Innenringe 70b werden von den Ringträgern 71b so abgestützt, dass sie um die Achse der jeweiligen Ringträger 71b frei drehbar sind. Es ist zu beachten, dass die Ringträger 71b von den jeweiligen Federhaltern 82 unterstützt werden. Weiterhin sind in den Federhaltern 82 die jeweiligen Ringträger 71b in radialer Richtung beweglich angeordnet.
Mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit des Rotors des Motors 1 dehnen sich die Federn für das schnell rotierende Teil durch die Zentrifugalkraft aus und die Ringträger 71b bewegen sich in radialer Richtung nach außen. Während sich die Ringträger 71b bewegen, bewegen sich auch die Innenringe 70b nach außen in radialer Richtung, um mit der Innenseite der Ringaufnahme 74 in Kontakt zu kommen. Die Ringaufnahme 74 ist so angeordnet, dass sie in radialer Richtung des Motors 1 durch Schienen 83 beweglich ist.
Mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit des Rotors des Motors 1 wird die Ringaufnahme 74 von den rotierenden Innenringen 70b nach außen gedrückt und bewegt sich in radialer Richtung durch die Schienen 83 nach außen. Mit der Bewegung der Ringaufnahme 74 ändert sich die in 16 dargestellte Federkraft der Ringaufnahme 72, so dass sich der Drehmomentbegrenzungswert der zweiten Kupplung 3B ändert. Die Innenseite der Ringaufnahme 74, d.h. die den Innenringen 70b zugewandte Seite, ist bogenförmig ausgebildet, beispielsweise mit einem Winkel von 120° zur Antriebswelle des Rotors des Motors 1 als Mittelpunkt. Da die sechs Federhalter 82 gleichwinklig um die Antriebswelle herum angeordnet sind, sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Innenringe 70b des schnell rotierenden Teils 80 jeweils für alle 60° in jedem der Federhalter 82 vorgesehen. Damit stehen zwei der Innenringe 70b im Durchschnitt gleichzeitig mit der Innenseite der Ringaufnahme 74 in Kontakt. Somit kann das Zeitintervall, in dem die Ringaufnahme 74 mit den Innenringen 70b in Kontakt steht, verlängert werden. Es muss nicht erwähnt werden, dass die Anzahl der Federhalter 82 und die Form der Ringaufnahme 74 nicht auf die oben beschriebenen beschränkt sind.
Die Innenringe 70b sind über die jeweiligen Federn für das schnell rotierende Teil mit der Antriebswelle des Motors 1 verbunden, so dass sie in radialer Richtung beweglich sind. Wenn sich der Rotor des Motors 1 um die Antriebswelle dreht, bewegen sich die Innenringe 70b nach außen in radialer Richtung des Motors 1. Die Ringaufnahme 74 ist in radialer Richtung zu den Innenringen 70b nach außen gerichtet, und auf einer Seite ist darin eine Aussparung vorgesehen, die der anderen Seite zu den Innenringen 70b gegenüberliegt. Der Außenring 70a wird an dem Gehäuse 5 nach außen in radialer Richtung zur Ringaufnahme 74 befestigt. Überschreitet die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle einen vorgegebenen Wert, bewegen die Innenringe 70b die Ringaufnahme 74 nach außen in radialer Richtung, und dadurch wird die Aussparung der Ringaufnahme 74 im Außenring 70a verriegelt.
Wenn die auf die zweite Kupplung 3B ausgeübte Kraft gleich der oder größer als die dem Drehmomentbegrenzungswert T₂ entsprechenden Kraft ist, löst sich der Außenring 70a aus der Aussparung der Ringaufnahme 74. Dann wird die zweite Kupplung 3B in Umfangsrichtung frei drehbar. Der Drehmomentbegrenzungswert T₂ ändert sich entsprechend der Federkraft der Ringfeder 72 und steigt daher mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird unter Verwendung der Zentrifugalkraft die Federkraft in der zweiten Kupplung 3B verändert, so dass ein Drehmoment-Begrenzungsmechanismus erreicht werden kann, bei dem der Drehmomentbegrenzungswert entsprechend dem Bewegungszustand des Rotors des Motors 1 unabhängig vom Zustand der Steuerung 4 geändert wird. Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform funktioniert auch bei Weglaufen der Steuerung 4.
Der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem der Ausführungsform 1 dadurch, dass der Drehmomentbegrenzungswert anstelle der Winkelbeschleunigung über die Winkelgeschwindigkeit geändert wird. Wenn sich der Motor beispielsweise mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ohne Beschleunigung oder Verzögerung dreht, dann ist die Winkelbeschleunigung Null.
In einer Robotervorrichtung als Anwendungsbeispiel dreht sich der Motor 1 jedoch nicht dauerhaft ohne Beschleunigung oder Verzögerung, und Beschleunigungen oder Verzögerungen treten wiederholt auf, während sich der Verbindungsmechanismus 300 in seinem Bewegungsbereich bewegt, so dass sich auch die Winkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Beschleunigung oder Verzögerung ändert. Daher kann die zweite Kupplung 3B auf der Basis der Winkelgeschwindigkeit, wie sie im Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben ist, angesteuert werden.
Darüber hinaus wird im Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 1 das maximale Drehmoment als Schwellenwert eingestellt, mit dem eine Robotervorrichtung sicher gestoppt werden kann und Schäden an einem Kollisionsobjekt bei einer Kollision reduziert werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die zweite Kupplung 3B ohne Abhängigkeit von der Steuerung angesteuert und gestoppt werden. So kann ein Drehmoment-Begrenzungsmechanismus erreicht werden, bei dem eine Beschädigung eines Kollisionsobjekts auch bei einem Weglaufen der Steuerung reduziert wird.
Ausführungsform 8
Bei Ausführungsform 1 wird eine Blattfeder für die zweite Kupplung 3 verwendet. Bei einer zweiten Kupplung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anstelle der Blattfeder ein Element, wie z.B. eine durch Krafteinwirkung zerbrechbare Glasscheibe eingesetzt. Wenn die zweite Kupplung angesteuert wird und das Reaktionsmoment, das durch äußere Kraft bei einer Kollision erzeugt wird, T₁ + T₂ [Nm] übersteigt, wird die Glasscheibe zerbrochen. Es ist zu beachten, dass zum Neustart des Motors 1 die Glasplatte ausgetauscht werden muss.
Die Glasplatte ist ein Element, das nicht durch Spannung gebogen, sondern durch eine Spannung gebrochen wird. Somit ist die Zeit, die von der Überschreitung des Drehmomentbegrenzungswertes durch das Reaktionsmoment bis zur Beseitigung der Bewegungsbegrenzung in Umfangsrichtung benötigt wird, kürzer als bei der Verwendung einer Blattfeder. Da die Glasplatte eine hohe Steifigkeit aufweist, ist ihre Verschiebung in Umfangsrichtung kleiner als die der Blattfeder. Somit kann im Normalbetrieb die Genauigkeit in der Umfangsbewegung des Rotors des Motors 1 weiter verbessert werden.
Der Austausch des Glases ist zwar erforderlich, die Erhöhung der Arbeitsbelastung ist jedoch nicht problematisch. Denn wenn die Steuerung 4 den idealen Drehmomentbegrenzungswert, wie in 9 dargestellt, überwacht, ist die Häufigkeit, mit der die erste Kupplung 2 und die zweite Kupplung, die die Bewegungsbegrenzung in Umfangsrichtung beseitigen, recht niedrig. Im Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Glasscheibe so konfiguriert, dass sie bei Überschreitung des Drehmomentbegrenzungswertes gebrochen wird, so dass die Drehmomentabschaltung zuverlässig durchgeführt wird.
Ausführungsform 9
18 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Drehmoment-Begrenzungsmechanismus gemäß Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei Ausführungsform 1 startet oder stoppt das Solenoid 31 den Betrieb auf der Grundlage von Winkelgeschwindigkeitsinformationen, die von der Betriebsbefehls-Erzeugungseinheit 41 ausgegeben werden, wie dies in 7 dargestellt ist. Andererseits besitzt der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach der vorliegenden Ausführungsform, wie in 18 dargestellt, weiterhin eine Gleichrichterschaltung 39, die einen Teil des von der Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 ausgegebenen Stroms erhält. Die gleichen oder die entsprechenden Komponenten, wie sie in den vorherigen Ausführungsformen beschrieben sind, erhalten die gleichen Bezugszeichen und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
In Abhängigkeit von der Änderung der Winkelgeschwindigkeit des Motors 1 ändert sich der in die Gleichrichterschaltung 39 eingegebene Stromwert, und proportional zur Größe der Beschleunigung oder Verzögerung des Motors 1 steigt oder sinkt der von der Gleichrichterschaltung 39 an das Solenoid 31 abgegebene Strom. Das Verhältnis zwischen dem in die Gleichrichterschaltung 39 einzugebenden Stromwert und dem von der Gleichrichterschaltung 39 an das Solenoid 31 zu liefernden Stromwert wird entsprechend dem Betrieb des Solenoids 31 eingestellt.
Auf diese Weise kann der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus so konfiguriert werden, dass dann, wenn die Winkelbeschleunigung einen vorgegebenen Wert erreicht oder überschreitet, das Solenoid 31 in den Betriebszustand gebracht und die zweite Kupplung 3 angesteuert wird. Somit ist das Solenoid 31 konfiguriert, um das zweite Ende der Blattfeder 34 im konkaven Block 32 zu sperren, wenn der von der Gleichrichterschaltung 39 ausgegebene Stromwert einen vorgegebenen Wert erreicht oder überschreitet.
Anhand von 18 wird eine Steuerung 4A nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zunächst erzeugt die Steuerung 4A in der Betriebsbefehls-Erzeugungseinheit 41 einen Befehl zur Steuerung des Motors 1. Die Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 erzeugt ein Stromsignal, wie beispielsweise eine dem Befehl entsprechende Stromwellenform. Dann wird der Strom zugeführt, damit der Motor 1 einen bestimmten Vorgang ausführen kann. Die Gleichrichterschaltung 39 wandelt diesen Strom in eine Wellenform um, die von dem Solenoid 31 empfangen werden kann. Wenn der stationäre Teil des Motors 1 in Umfangsrichtung frei drehbar wird, überträgt die erste Kupplung 2 das Drehmomentabschaltsignal vom Drehmomentabschaltungs-Erkennungssensor 26 an den Drehmomentabschalt-Signalempfänger 43 der Steuerung 4A.
Bei der in 18 dargestellten Steuerung 4 zeigen der Pfeil vom ersten Kupplungsmechanismus 27 zum Drehmomentabschaltungs-Erkennungssensor 26 und der Pfeil vom Solenoid 31 zum zweiten Kupplungsmechanismus 38 physikalische Verbindungen an, während die anderen Pfeile elektrische Verbindungen anzeigen. Der Drehmomentabschalt-Signalempfänger 43 überträgt ein Stromsignal an die Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42, um einen Drehmomentbefehl an den Motor 1 zu stoppen, und damit stoppt der Motor 1 im Notfallmodus.
19 ist ein Hardware-Konfigurationsdiagramm der in 18 dargestellten Steuerung 4A. Im Vergleich zur Hardwarekonfiguration bei der Ausführungsform 1 (siehe 8) unterscheidet sich die Konfiguration gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch, dass die mit der zweiten Kupplung 3 verbundene Ausgabeeinheit 46b nicht vorgesehen ist. In der Abbildung werden die gleichen oder die entsprechenden Hardwarekomponenten, wie in 8 dargestellt, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Anhand von 18 und 19 werden die Bedienung und Konfiguration der Steuerung 4A beschrieben. Die von der Betriebsbefehls-Erzeugungseinheit 41 und der Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 (siehe 18) durchgeführte Verarbeitung wird von der Recheneinheit 35A durchgeführt. Das von der Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 ausgegebene Stromsignal wird ebenfalls in die Gleichrichterschaltung 39 eingespeist. Mit diesem eingegebenen Stromsignal versorgt die Gleichrichterschaltung 39 die zweite Kupplung 3 mit Strom. Gemäß dem von der Gleichrichterschaltung 39 ausgegebenen Strom wird der Betriebszustand der zweiten Kupplung 3 geschaltet (Betriebszustand oder Ruhezustand).
Ein von der Recheneinheit 35A erzeugter Befehl an den Motor 1 wird über die Ausgabeeinheit 46a ausgegeben. Erkennt der Drehmomentabschaltungs-Erkennungssensor 26 aufgrund einer Kollision oder dergleichen eine Drehmomentabschaltung der ersten Kupplung 2, sendet die Eingabeeinheit 45 als Drehmomentabschalt-Signalempfänger 43 ein Signal an die Recheneinheit 35A als Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42.
Nach dem Empfangen des Signals stellt die Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 die Bereitstellung des Stromsignals ein. Wenn die Drehmomentbefehls-Erzeugungseinheit 42 das Stromsignal nicht mehr liefert, stoppt der Motor 1 im Notfallmodus. Zusammen mit dem Not-Aus des Motors 1 wird das Stromsignal zur Gleichrichterschaltung 39 gestoppt und damit die zweite Kupplung 3 in einen Ruhezustand gebracht.
Wie vorstehend beschrieben, besitzt der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach der vorliegenden Ausführungsform die Gleichrichterschaltung 39 zum Empfangen von Strom, der dem Steuersignal entspricht und an den Motor gesendet wird. Aus diesem Grund wird ein Stromwert, der einem Rotationszustand des Rotors des Motors 1 entspricht, von der Gleichrichterschaltung 39 an die zweite Kupplung 3 geliefert. Somit kann die zweite Kupplung 3 entsprechend dem Rotationszustand des Motors 1 ordnungsgemäß angesteuert oder gestoppt werden. Daher kann die zweite Kupplung 3 neben den bei der Ausführungsform 1 erzielten Effekten auch beim Weglaufen der Steuerung richtig angesteuert oder gestoppt werden, d.h. ein anderer Effekt liegt darin, dass der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus durch das Weglaufen der Steuerung nicht beeinflusst wird.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben sind, ist es selbstverständlich, dass der Drehmomentbegrenzer auch durch eine geeignete Kombination der Ausführungsformen 1 bis 9 konfiguriert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Motor
2, 2A, 2B: erste Kupplung
3, 3A, 3B: zweite Kupplung
5: Gehäuse
31: Magnet (Kupplungsantrieb)
32: konkaver Block (Kupplungsverriegelungsteil)
34: Blattfeder (von der Kupplung angetriebenes Teil)
39: Gleichrichterschaltung
50a, 50b: Magnet-Begrenzungsfeder (Rückstellelement)
59a, 59b: Rechteckblock-Begrenzungsfeder (elastisches Element)
70b: Innenring
70a: Außenring
74: Ringaufnahme
100a, 100b: Antriebseinrichtung
200a, 200b: Drehmoment-Begrenzungsmechanismus
300a, 300b: Verbindungsmechanismus (angetriebene Einheit)

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

JP 61144991 A [0006]
JP 2013163224 A [0006]

Claims

Drehmoment-Begrenzungsmechanismus, der mit einem Gehäuse und einem stationären Bereich zu verbinden ist, der einen Stator eines Motors zum Drehen einer angetriebenen Einheit gegenüber dem Gehäuse einer Antriebseinrichtung zur Aufnahme des Motors und zum Übertragen oder Abschalten eines Drehmoments von dem Gehäuse auf den stationären Bereich besitzt, wobei der Drehmoment-Begrenzungsmechanismus Folgendes aufweist: - eine erste Kupplung, um das Drehmoment der Antriebseinheit abzuschalten, wenn das Reaktionsmoment, das im stationären Bereich durch die Drehung der Antriebseinheit erzeugt wird, einen vorbestimmten ersten Wert erreicht oder überschreitet; und - eine zweite Kupplung zur Übertragung des Drehmoments basierend auf dem Rotationszustand eines Rotors des mit der angetriebenen Einheit zu verbindenden Motors, wobei die zweite Kupplung das Drehmoment zur angetriebenen Einheit abschaltet, wenn das Reaktionsmoment gleich einem zweiten Wert ist oder diesen überschreitet, der größer ist als der erste Wert.
Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach Anspruch 1, wobei die zweite Kupplung angesteuert wird, wenn die Winkelbeschleunigung des Rotors gleich einem oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, und nicht angesteuert wird, wenn die Winkelbeschleunigung des Rotors kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach Anspruch 2, wobei die zweite Kupplung Folgendes aufweist: - ein von der Kupplung angetriebenes Teil, das an dem Gehäuse an einem ersten Ende befestigt ist; - einen Kupplungsantrieb zum Bewegen eines zweiten Endes des von der Kupplung angetriebenen Teils an einer Innenseite in radialer Richtung des Motors; und - ein Kupplungsverriegelungsteil, das an dem stationären Teil befestigt ist, und wobei der Kupplungsantrieb das zweite Ende des von der Kupplung angetriebenen Teils im Kupplungsverriegelungsteil sperrt, wenn die Winkelbeschleunigung gleich dem vorbestimmten Wert ist oder diesen überschreitet.
Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach Anspruch 3, wobei der von der Kupplung angetriebene Teil aus einem brechbaren Material besteht, wenn eine Spannung angelegt wird, die gleich einem vorbestimmten Wert ist oder diesen überschreitet.
Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach Anspruch 3 oder 4, die ferner eine Gleichrichterschaltung aufweist zur Ausgabe eines Stromwertes entsprechend der Winkelbeschleunigung des Rotors, wobei der Kupplungsantrieb das zweite Ende des von der Kupplung angetriebenen Teils im Kupplungsverriegelungsteil sperrt, wenn der aus der Gleichrichterschaltung ausgegebene Stromwert gleich einem vorbestimmten Wert ist oder diesen überschreitet.
Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse den stationären Bereich so trägt, dass dieser in einer Umfangsrichtung frei drehbar ist, wobei die zweite Kupplung Folgendes aufweist: - einen oder mehrere innere Ringe, die jeweils mit einer Antriebswelle des Rotors verbunden sind und sich aufgrund der Drehung der Antriebswelle radial nach außen im Motor bewegen; - eine Ringaufnahme, die im stationären Bereich radial nach außen in Bezug auf den einen oder die mehreren inneren Ringe angeordnet ist und auf einer Seite eine Nut aufweist, die der anderen Seite gegenüberliegt, die dem einen oder den mehreren inneren Ringe zugewandt ist; und - einen Außenring, der radial nach außen in Bezug auf die Ringaufnahme an einer der Nut zugewandten Stelle vorgesehen und an dem Gehäuse befestigt ist, wobei dann, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle einen vorbestimmten Wert überschreitet, der eine oder die mehreren inneren Ringen die Ringaufnahme radial nach außen bewegen, um die Nut der Ringaufnahme im Außenring zu sperren.
Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Kupplung ein Rückstellelement zur Rückkehr in eine Position vor dem Abschalten des Drehmoments besitzt, wenn das Drehmoment zur angetriebenen Einheit abgeschaltet ist.
Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Kupplung ferner ein elastisches Element mit anfänglicher Reaktionskraft zur Begrenzung der Umfangsbewegung des Motors besitzt.
Antriebseinrichtung, die einen Motor und einen Drehmoment-Begrenzungsmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
Robotervorrichtung, die eine Antriebseinrichtung nach Anspruch 9 und eine angetriebene Einheit aufweist, die von dem Motor gedreht wird.