JP2018532602A - 関節装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気モータ（１６）と、電気的に制御可能なブロック装置（１８）と、各種の制御装置と、制動システムとを備える関節装置（１０）に関する。この制動システムは、様々な代替事例において、可能なときにはアクティブな閉ループ／開ループ制御または（周期的な）短絡を引き起こすことによってシステムから常に最大エネルギーを抽出し、機械的・電気的システム自体を保護するために最後の手段としてのみ機械的ブロックを引き起こしながら、最長時間の後システムの安全なシャットダウンを確実にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、関節駆動側と関節被駆動側との間の相対運動を実現する電気モータと、モータ制御装置と、制動装置とを備える関節装置に関する。

このような構成は、例えば、電力損失時などに制動装置が発動して摩擦により停止するまで制動するＵＳ８４１０７３２Ｂ２から周知である。この装置は、複数の機械的要素とその設定を必要とし、最長制動時間は、完全に定義されることがないよう、摩擦に依存し、時間とともに変化する。

したがって、本発明の目的は、規定された期間中あらゆる使用条件において建設的に簡易化した関節装置により関節被駆動側を停止するまでの制動、またはこれに対応する制動方法を提供することである。

本目的は、請求項１または１３に規定された特徴によって実現される。好都合な実施形態は、従属請求項に規定される。本発明の基本概念は、可能なときにはアクティブな閉ループ／開ループ制御または短絡を引き起こすことによってシステムから常に最大エネルギーを抽出し、決まった最長時間の後システムの安全なシャットダウンを確実にしつつ機械的なシステム自体を保護するために最後の手段としてのみ機械的ブロックを引き起こすことである。

本発明の関節装置は、上記文献の実施形態よりも、機械的要素が少なく、エラーがおこりにくく、摩耗しにくいことを特徴とする。本発明の関節装置は、より小型かつ薄型で、若干軽量化されている。制動ディスクの品質を落とす必要はなく、取り付け中に波形ばね座金に適切な摩耗を設定する必要もない。したがって、摩耗または摩耗係数への依存はなく、その温度依存性は時間とともに変化する。

本発明は、制動システムが、定められた障害またはエラーの臨界に依存して、障害の際には所定の無駄時間内にシステムを安全にシャットダウンしつつ、システムから可能な最大エネルギーを抽出する制動システムを提案する。システムのシャットダウンの代替事例としては、基本的に３つの異なる可能性があり、第１の代替事例（通常の制動プロセス）が最も頻度が高い。第２および第３の代替事例は、障害の際にのみ生じるため、非常に稀である。最も稀であるのは第４の代替事例であり、これは、検出されない電気的不良または例えば中間短絡の場合にのみ起こる。

出発点である通常のケースは、通常の制動プロセスであり、すなわち、第１の代替事例の制御部が、動作状態検出装置から不良がないまたは少なくともセキュリティ上重大な不良がないことが伝達されたことを検出し、電気モータを制動するために制御部によってモータ制御装置が制御される場合である。制御は、電気モータへ供給される電流の変更、好ましくは、低減、反転、またはこれら変更の組み合わせによって行われる。制動プロセスが完了し関節装置が停止する際、関節装置が自重またはその他の外部の影響によりさらに移動することを防ぐため、好都合な実施形態にかかるロック装置が係合してもよい。

動作状態検出装置が、制御部の外部の不良、特にセキュリティ上重大な不良を検出した場合、第２の代替事例において、制御部が、電気モータを制動するモータ制御装置により制御され、遅くとも所定の無駄時間後の後続時点においてロック装置はロック位置に移動する。第２の代替事例は、例えば、センサ装置の信号の整合性にエラーがある場合、関節が予期しない位置にある場合、電圧低下の検出、予期しないトルク、予期しないモータ速度、または温度のオーバーシュートの際に用いられる。このような場合、緊急ロックシステム（ロック装置）の係合が開始される。ロック装置による係合が起こるまで、アクティブなモータ制御によりシステムからエネルギーを抽出するために定められた無駄時間が用いられる。遅くとも無駄時間後までに、システムは確実に停止状態になり、同時に事前のモータ制御のアクティブ制動によって、電子機械工学システムが確実に最大限の保護を受ける。好都合な実施形態によれば、第２の代替事例において、制御部は、電気モータの短絡、または制動と短絡の組み合わせを行うために、モータ制御装置を制御する。

センサ装置は、例えば、関節位置、トルク、温度、またはモータ速度を測定する関節の内外に配置されるセンサ、または自己診断装置やグローバル主制御装置などのその他のソースである。

ただし、第３の代替事例において、モータ接続制御部によって制御部が不良であると判断される場合、モータ接続装置は、モータ接続制御部によって、短絡状態に設定され、その後、遅くとも所定の無駄時間後には、ロック装置がロック位置になる。モータ接続制御部は、通常は制御部から送信される信号を予期しない時点で受信することで不良な制御部を検出することもできる。この信号の内容は、正しいかどうかを検証するために、制御計算により確認することもできる。

上記の無駄時間は少なくとも１０ミリ秒であり、通常は質量やモータのサイズによって５０ミリ秒〜２００ミリ秒の間となる。短絡状態やカウンターインダクションによって、電気モータの制動が行われ、無駄時間後に電気モータまたは関節装置がまだ動いていれば、ロック装置が急停止を行う。無駄時間は基本的に電気モータが制動されるよう選択されるため、急停止により生じる力は許容可能な程度に低い。短絡は、機械的部分の自己保護を得るためのシステムからのエネルギーの抽出に用いられる。好都合な実施形態によれば、システムが一層早く制動されるように、電気モータが所定の残余スピードよりも遅くなったとき、無駄時間の終了前に対応する後続時点に達してもよい。

第４の代替事例においては、電流不良が存在するが検出されない。この場合、エネルギー供給不足により、ロック装置は自動的にロック位置になる。この動作状態の第１の可能性は、ロボットまたは間接への電源ケーブルが短絡していることである。電気モータから電圧が返されないため、電圧を検出することができない。別のケースは主電源の不良であるが、このような不良は認識されないことも多く、停止信号が十分な速度で転送できないこともある。

本発明のシーケンスの基本的局面または利点は、フェイルセーフ機能である。無駄時間終了後のアクティブな制御により、または検出されない電源供給不良の場合に、機械的ロック装置（ブレーキ）が常に係合する。

本発明の好都合な実施形態によれば、モータ接続装置は、電気モータを周期的に短絡させる。この周期により、非周期的な短絡のインダクションにより引き起されることがある高電流が低減されるため、電子機器が保護される。好ましくは、高速時には短い値、速度が落ちた場合には長く続く値が与えられる。好都合には、この周期は、モータ制御の周期と同程度である。好ましくは、短絡周期は４０ｋＨｚである。

本発明の好都合な実施形態によれば、エネルギーバッファ装置が設けられる。好ましくは、システム全体（少なくとも１のかかる関節装置を備えるロボットなど）が、エネルギーバッファとすることのできる拡張電源を有する。電源へ流れる電流がない場合、システムおよびその関節装置は、一時的に電流供給を受けることができる。したがって、システムの主制御部は、電源の入力電圧制御により電源へ流れる電流がないことが検出されるとすぐに、全ての関節部に制動信号を送信することができる。

好都合な実施形態によれば、第５の代替事例において、電源不良が検出され、モータ接続制御部は、電気モータを制動するモータ制御装置を制御し、遅くとも無駄時間終了後の後続時点において、ロック装置が前記ロック位置に設定される。ここでは、電源不良は、電源の遮断の場合に引き起こされ、したがって短絡はない。電気モータはまだ動作しており、ここから電子機器にエネルギーが供給され、ロック装置が解除位置に維持されたままの状態で、モータを調整する電子機器によってこのエネルギーを用いることができる。一方、電気モータが停止すると、もはやモータをロック装置がロック位置になる前に制動する必要がないため、モータ調整が不可能なばかりか不必要となる。この代替事例は、特に主電源が機能せず、不良が特に主制御部により検出され、信号が好ましくは主制御部から関節装置へ送信される場合に現れ、既に説明したように、この動作状態において後者が制御された制動動作を行ってロック装置をロック位置に移動させるようにする。

第５の代替事例の出現確率は、第２のおよび第３の代替事例と同じである。その目的は、異常事態において機械的エネルギーが崩壊する前にシステムからエネルギーを抽出することである。

好ましくは、ロック装置は、スターホイールによって形成される。

好ましくは、電気モータおよびロック装置の背後にギアボックスが設けられる。関節装置は、制動スターの使用により、突起部同士の間に隙間を有している。ギアボックスが、電気モータおよびロック装置の背後に設けられると、被駆動側では隙間が減少する。この隙間が関節を通してまとめられてエンドエフェクタ（ロボットなど）を形成するため、この効果は重要である。加えて、ギアボックス自体によって機械的システムが保護される。分離効果により、ギアボックスからスターホイールに加わる力が小さくなるため、この効果は、特に、より低軸で生じることを指摘しておく。セキュリティ概念の文脈では、ギアボックスは、代わりにブロックするため、アイドル回転により停止しないように設けられる。

さらなる利点、特徴、および詳細は、少なくとも１の例示的実施形態について場合により図面を参照して詳細に説明する以下の記載から得られる。等価、類似、および／または機能的に等価である部分には、同一の参照符号を付している。

図１は、本発明のアセンブリの模式図である。 図２は、ロック装置の斜視図である。

図１に示すように、関節装置１０は、モータ接続装置１４を介して電気モータ１６へエネルギーを供給する、またはここからエネルギーを抽出するよう構成されるモータ制御装置１２を備える。モータ接続装置１４は、通常状態でモータ制御装置と電気モータとの間でエネルギー交換を行い、短絡状態で電気モータ１６を永久的またはパルス状に短絡させることができるよう構成される。

また、機械的に作用し電気的に制御可能なロック装置１８が設けられ、このロック装置は、ロック位置では不図示の関節駆動側と不図示の関節被駆動側との間のあらゆる相対運動をフォームフィットによってエネルギー供給なしにブロックし、解除位置ではエネルギー供給を行いこの相対運動を解除する。図２において、ロック装置１８のさらに詳細を示している。

制御部２０は、各種の代替事例に応じて、関節装置１０を停止させるよう、モータ接続装置１４とロック装置１８とを制御するよう構成される。このため、制御部２０は、多数のセンサ装置２４が接続されて様々な動作状態を検出するよう構成される動作状態検出装置２２を備える。

モータ接続制御部２６は、各種の代替事例に応じて、関節装置１０を停止させるよう、モータ接続装置１４とロック装置１８とを制御するよう構成される。このため、制御部２０は、モータ接続制御部２６に一定の間隔で信号を送る。予定時刻に信号が入ってこない場合や不良な信号が入ってきた場合、モータ接続制御部は短絡状態に設定され、第３の代替事例では、その後、遅くても所定の無駄時間の後の後続時点において、ロック装置１８がロック位置に設定される。

図２に、ロック装置１８の斜視図を示す。ロック装置１８は、ドライブシャフト４０と、筐体に固定されて不図示のベアリングを介してドライブシャフト４０を支持するベアリングディスク４２を備える。ドライブシャフト４０にはスターホイール４４が固定されており、スターホイール４４はともに回転する複数の突起部４５を有する。ベアリングディスク４２には径方向に拡張したヘッド部を有するヘッドボルト４６が配置されており、ヘッドボルト４６は、詳細は図示しない筐体４８に収納された磁気作動装置を介して、エネルギー供給がない場合のロック位置とエネルギー供給があると達する解除位置との間を移動する。図２に示す解除位置では、ヘッドボルト４６のヘッド部は、軸方向に配置されてスターホイール４４の突起部４５とは係合しない。エネルギーが停止した場合、ヘッドボルト４６がばねの力によりベアリングディスク４２の方向に引っ張られ、スターホイール４４の隣接する突起部４５同士の間に移動する。これにより、次の突起部４５がヘッドボルト４６のヘッド部に衝突したとたんにドライブシャフト４０の急制動が起こる。

電力を落としたときにヘッドボルト４６のヘッド部が突起部４５の上に位置する場合、ヘッド部は、スターホイール、ひいては突起部４５が、さらに移動するとすぐに真下方向にばねの力でスライドする。

上記のロック装置は、手動で通気することができる。関節装置がエンクロージャーで囲まれている場合、そのエンクロージャーには対応する開口部を設ける必要がある。

アンバランスさを回避するためにドライブシャフト４０に対して対称とするためには、少なくとも１個、好ましくは少なくとも２個、の突起部４５が必要となる。好ましくは、５個または６個の突起部４５が設けられる。数が多いほど、突起部４５がヘッドボルト４６に衝突する可能性が高くなるだけでなく、早く衝突することになる。

好ましくは、突起部４５の先端部は尖っている。先端部の傾きにより、ヘッドボルト４６に当たった時に力の一部分だけが屈曲板として用いられる突起部４５を逸らすために用いられ、他の部分はこの屈曲板に沿って導かれる。理想的には、この傾きは３０°〜６０°の角度、特に４５°に等しい。

以上、好適な例示的実施形態により本発明を詳細に図示・説明したが、本発明は開示された例に限定されるものではなく、当業者には本発明の範囲から逸脱することなくその他の変形例を導き出すことが可能であることを指摘しておく。したがって、多様な変形例の可能性があることは明らかである。また、例示的実施形態は単なる例を提示するにすぎず、本発明の保護の範囲、適用可能性、または構成を限定するものとしてみなすべきではないことも明らかである。上述の説明および図の説明は、当業者に実施形態を正しく実施する手段を提供するものであり、当業者には、開示された発明の着想についての知識に基づいて、請求項および明細書においてより詳細に説明されるようなその法的等価物によって規定される本発明の範囲を逸脱することなく、例示的実施形態で説明した個々の要素の機能や配置などについて様々な変更を行うことができる。

１０：関節装置
１２：モータ制御装置
１４：モータ接続装置
１６：電気モータ
１８：ロック装置
２０：制御部
２２：検出装置
２４：センサ装置
２６：モータ接続制御部
４０：ドライブシャフト
４２：ベアリングディスク
４４：スターホイール
４５：スターホイール４４の突起部
４６：ヘッドボルト
４８：筐体

Claims (13)

1. 関節装置（１０）であって、
   関節駆動側と関節被駆動側との間の相対運動をもたらす電気モータ（１６）と、
   前記電気モータ（１６）にエネルギーを供給する、またはそこからエネルギーを抽出するよう構成されるモータ制御装置（１２）と、
   通常状態では前記モータ制御装置と前記電気モータとの間のエネルギー交換をこれに影響を与えることなく可能とし、短絡状態では永久的またはパルス状に前記電気モータ（１６）を短絡させることができるよう構成されるモータ接続装置（１４）と、
   ロック位置ではフォームフィットによって前記関節駆動側と前記関節被駆動側との間のあらゆる相対運動をエネルギー供給なしにブロックし、解除位置ではエネルギー供給を得て当該相対運動を解除する、機械的に機能し電気的に制御可能なロック装置（１８）と、
   様々な動作状態に応じて、前記関節装置（１０）を停止するように、前記モータ制御装置（１２）と前記モータ接続装置（１４）と前記ロック装置（１８）とを制御するよう構成される制御部（２０）と、
   前記関節装置（１０）を停止するように、前記モータ接続装置（１４）と前記ロック装置（１８）とを様々な方法で制御するよう構成されるモータ接続制御部（２６）とを備え、
   前記制御部は、多数のセンサ装置（２４）が接続されて様々な動作状態を検出するよう構成される動作状態検出装置（２２）を含み、
   前記関節装置（１０）は、そのシャットダウンが複数の代替事例によって実現するよう構成され、前記代替事例は、
   第１の代替事例において、前記制御部（２０）が不良を検出しない場合、前記電気モータ（１６）の制動に前記モータ制御装置（１２）が用いられる代替事例と、
   第２の代替事例において、前記動作状態検出装置（２２）が前記制御部（２０）の外部に不良を検出する場合、前記制御部（２０）は前記電気モータ（１６）を制動する前記モータ制御装置（１２）を制御し、遅くとも所定の無駄時間の後の後続時点において前記ロック装置（１８）をブロック位置に設定する代替事例と、
   第３の代替事例において、前記モータ接続制御部（２６）が前記制御部（２０）を不良状態にあると判断する場合、前記モータ接続装置（１４）が短絡状態に設定され、遅くとも所定の無駄時間の後の後続時点において前記ロック装置（１８）が前記ブロック位置に設定される代替事例と、
   第４の代替事例において、停電が起こったがこれを検出できない場合、前記ロック装置（１８）はエネルギー供給不足により前記ブロック位置に設定される代替事例と、を含む、関節装置（１０）。
2. 前記第１の代替事例において、前記電気モータ（１６）のシャットダウン後、前記ロック装置（１８）は前記ブロック位置に切り替わり可能である、請求項１に記載の関節装置。
3. 前記第２の代替事例において、前記電気モータ（１６）が所定の残余スピードよりも遅くなったとき、前記無駄時間の終了前に前記後続時点に達する、請求項１または２に記載の関節装置。
4. 前記第３の代替事例において、前記電気モータ（１６）が所定の残余スピードよりも遅くなったとき、前記無駄時間の終了前に前記後続時点に達する、請求項１、２、または３に記載の関節装置。
5. 前記第２の代替事例において、前記制御部（２０）は、前記電気モータ（１６）の短絡、または制動と短絡の組み合わせを行うために、前記モータ制御装置（１２）を制御する、請求項１、２、３、または４に記載の関節装置。
6. 前記モータ接続装置（１４）は、前記電気モータ（１６）を周期的に短絡させる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の関節装置。
7. 周期は、前記モータ制御装置の周期の頻度範囲で行われる、請求項６に記載の関節装置。
8. 前記関節装置またはシステム全体はエネルギーバッファ装置を備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の関節装置。
9. 電気不良が検出可能である第５の代替事例が設けられ、前記制御部（２０）は、前記電気モータ（１６）を制動する前記モータ制御装置（１２）を制御し、遅くとも所定の無駄時間の後の後続時点において前記ロック装置（１８）が前記ブロック位置に設定される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の関節装置。
10. 前記電気モータ（１６）が所定の残余スピードよりも遅くなったとき、前記無駄時間の終了前に前記後続時点に達する、請求項９に記載の関節装置。
11. 前記電気モータ（１６）および前記ロック装置（１８）の背後にギアボックスが設けられる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の関節装置。
12. ロボット装置であって、
    請求項１〜１１のいずれか一項にかかる関節装置を少なくとも１個備える、ロボット装置。
13. 関節装置（１０）の目標制動の方法であって、前記関節装置（１０）は、
    関節駆動側と関節被駆動側との間の相対運動をもたらす電気モータ（１６）と、
    前記電気モータ（１６）にエネルギーを供給する、またはそこからエネルギーを抽出するよう構成されるモータ制御装置（１２）と、
    通常状態では前記モータ制御装置と前記電気モータとの間のエネルギー交換をこれに影響を与えることなく可能とし、短絡状態では永久的またはパルス状に前記電気モータ（１６）を短絡させることができるよう構成されるモータ接続装置（１４）と、
    ロック位置ではフォームフィットによって前記関節駆動側と前記関節被駆動側との間のあらゆる相対運動をエネルギー供給なしにブロックし、解除位置ではエネルギー供給を得て当該相対運動を解除する、機械的に機能し電気的に制御可能なロック装置（１８）と、
    様々な動作状態に応じて、前記関節装置（１０）を停止するように、前記モータ制御装置（１２）と前記モータ接続装置（１４）と前記ロック装置（１８）とを制御するよう構成される制御部（２０）と、
    前記関節装置（１０）を停止するように、前記モータ接続装置（１４）と前記ロック装置（１８）とを様々な方法で制御するよう構成されるモータ接続制御部（２６）とを備え、
    前記制御部は、多数のセンサ装置（２４）が接続されて様々な動作状態を検出するよう構成される動作状態検出装置（２２）を含み、
    前記関節装置（１０）は、そのシャットダウンが複数の代替事例によって実現するよう構成され、前記代替事例は、
    第１の代替事例において、前記制御部（２０）が不良を検出しない場合、前記電気モータ（１６）の制動に前記モータ制御装置（１２）が用いられる代替事例と、
    第２の代替事例において、前記動作状態検出装置（２２）が前記制御部（２０）の外部に不良を検出する場合、前記制御部（２０）は前記電気モータ（１６）を制動する前記モータ制御装置（１２）を制御し、遅くとも所定の無駄時間の後の後続時点において前記ロック装置（１８）をブロック位置に設定する代替事例と、
    第３の代替事例において、前記モータ接続制御部（２６）が前記制御部（２０）を不良状態にあると判断する場合、前記モータ接続装置（１４）が短絡状態に設定され、遅くとも所定の無駄時間の後の後続時点において前記ロック装置（１８）が前記ブロック位置に設定される代替事例と、
    第４の代替事例において、停電が起こったがこれを検出できない場合、前記ロック装置（１８）はエネルギー供給不足により前記ブロック位置に設定される代替事例と、を含む、方法。

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