JP2022532150A - ロボット駆動装置用のブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に、ロボットアームの２つのリンク間にあるジョイントの駆動装置に用いられ、ブレーキ起動装置（１）とロック要素（２）とを含むブレーキ装置に関し、前記ブレーキ起動装置（１）は、前記駆動装置のロータ（４）の回転を停止させるために、必要に応じて前記ロック要素（２）を前記ロータ（４）と係合させるように設計され、前記ロック要素はボルト（２）として、前記ブレーキ要素は前記ボルト（２）との衝突面（９）を有するウェブ（７）を含むブレーキスター（５）として設計される。

Description

本発明は、ロボットアームやマニピュレータ、特に多軸ジョイントアームロボットの２つのリンク間にあるジョイントの駆動装置に用いるブレーキ装置に関する。

特に、人間－ロボット協調（ＨＲＣ、Human-Robot Collaboration）の分野で使用されるロボットでは、安全上の理由から、誤動作時または電源の突然の故障時に緊急停止用またはブレーキ用の装置を備えることが必須であり、この装置は、ロボットシステムの操作者の負傷を防ぐため、またはロボットアームが実行する動作の過程でロボットアームによって操作される対象物またはロボットアーム自体の損傷を防ぐために、可及的速やかにロボットアームを停止させるように設計されている。このような緊急停止は、ユーザー自身が緊急スイッチを作動させるなどして、直接行うこともできる。

例えば、ジョイント型ロボット用のブレーキ装置としては、様々な形態のものが知られており、これらの装置を用いてロボットアームの動きを急停止させたり、少なくとも規定の時間内に高速停止させたりすることができる。

例えば、特許文献１では、摩擦リングがモータ軸と同軸に取り付けられ、緊急時にロック装置のピンが前記摩擦リング内に半径方向に係合することにより前記摩擦リングと協調動作するブレーキ機構が提案されている。摩擦リングは、既定の摩擦係合条件下ではモータシャフトを軸にして回転可能であるという事実により、半径方向のピンが係合するときに前記回転運動の弱いブレーキ減速が実現される。

特許文献２は、ブレーキスターが駆動装置のシャフトに回転しないように連結されており、緊急停止のためにスプリング駆動ヘッドボルトが係合する半径方向に突出したプロングを有するブレーキ装置を開示している。前記プロングの端部は尖ったり面取りされたりして、力の一部が前記ヘッドボルトとの係合時に前記プロングの曲げ部分にあてられ前記プロングが曲がったビームと同じように挙動し、そして、一部の力はこのビームに対して長手方向に偏向するようになっている。それにもかかわらず、回転速度が大きいために、前記ヘッドボルトと前記プロングの間の衝撃力が非常に大きく、顕著な弾性変形が発生する。この弾性変形により、一定回数ブレーキ動作を繰り返した後、前記プロングの材料破壊が引き起こされる可能性がある。

欧州特許第３－０４５－２７３号公報 ドイツ特許出願第１０－２０１５－１１６－６０９号公開公報 ドイツ特許出願第１０－２０１６－００４－７８７号公開公報

上記問題に基づき、本発明の目的は、ロボットアーム、特に軽量構造の多ジョイント型アームロボットの２つのリンク間のジョイントの駆動装置用のブレーキ装置であって、機能的安全性が向上され、その特性上耐用年数が長いブレーキ装置を提供することである。

この目的は、ジョイント駆動装置に用いる請求項１に記載のブレーキ装置によって達成される。さらに、この目的は、請求項１１に記載の対応する駆動装置と、請求項１２に記載のロボットによって達成される。

本発明によれば、ロボットアームの２つのリンク間にあるジョイントの駆動手段に用いるブレーキ装置が提案され、該ブレーキ装置はブレーキ起動装置とロック要素とを備え、前記ブレーキ起動装置は、ロータの回転を停止させるために、必要なときに、前記駆動手段の前記ロータに回転可能に固定連結されたブレーキ要素と前記ロック要素とを係合するように構成されており、前記ロック要素はボルトとして形成され、前記ブレーキ要素はブレーキスターとして形成されており、前記ブレーキスターは、前記ロータの軸から半径方向に突出する少なくとも１つのウェブを有し、前記ウェブは、係合時に前記ボルトと相互作用する衝突面を有し、前記衝突面は前記ブレーキスターの回転方向に対して内側に湾曲し、少なくとも前記ボルトの半径に相当する半径を有し、前記衝突面は、前記ロータの前記軸と前記ボルトの軸との間の距離を超えて半径方向に延在している。

これにより、ボルトのエッジの半径方向内側に向けられた１／４円の円周を超えて、半径方向外側に延在する部分で、ボルトが全体として衝突面に近接するようになる。前記ウェブの前記衝突面が前記固定されたボルトと接触すると、弾性エネルギーの散逸が起こるように力が前記ウェブ内で分散され、半径方向で見ると、力の一部が前記ウェブに半径外側方向にもかかるため、この力が、曲げビームとして作用する前記ウェブに対して弱いテコ効果を及ぼすことになる。

本発明によれば、ピンとブレーキスターの材料の適切な選択に関係なく、衝突時のエネルギー吸収の面で前記ウェブにかかる負荷量を低減して、機械的故障、すなわち破損のリスクを大幅に回避することができる。したがって、ブレーキ装置の耐用年数を従来技術に比べて延ばすことができる。

１つの実施形態では、前記衝突面は円周方向に広がり、前記ボルトを前記ウェブから離れるように誘導することができる。言い換えれば、２つのウェブの間の中心から見て、前記ブレーキスターが停止するまで回転し続けると、前記ボルトが実際に前記衝突面に突き当たるように、前記ブレーキスターの端面が前記ウェブの衝突面に向かって高速で進む。この誘導により、摩擦に起因するとはいえ、すでに初期において前記衝撃力をわずかに弱めることが可能になる。

本発明によれば、前記ウェブは、内側に、特に本質的には２つの前記ウェブ間の前記ブレーキスターのエッジ面の半径の領域に、少なくとも１つの凹部を半径方向に有するようにすることができる。前記凹部は原理的に任意の形状にすることができるが、好ましくは円形の穴のような対称的な形状がよい。ブレーキスターの好ましい実施形態では、前記ウェブは、ウェブの中心軸から等距離にある２つの均一な穴を有する。

これらの穴は、前記ボルトが前記ウェブの前記衝突面に衝突したときに発生する力を、前記ウェブの範囲内で弾性分散が実現するように方向転換する役割を果たし、これによって、ウェブの変形を小さく抑えておくかまたは、前記ウェブ、すなわち半径方向に伸びる曲げビームとしての前記ウェブ、にかかるテコ力を弱めるように前記変形を変換することができる。

上述のように、本発明によるブレーキスターの好ましい実施形態では、ロータの軸と穴の中心との間を半径方向に延在するラインが、一つの点で衝突面と交差するように設けられており、前記一つの点に対応する半径は、前記ロータの軸と前記ボルトの軸との間の距離よりも小さくなる。

本発明によるブレーキスターの別の好ましい実施形態では、ロータの軸と穴の中心との間を放射状に延在するこのラインが、前記ボルトが係合したときに最大の衝撃力が発生する可能性のある点で衝突面と交差するように設けられる。

本発明によるブレーキスターのさらに別の好ましい実施形態では、穴の中心からロータの軸までの距離でできる半径が、ボルトの軸からロータの軸までの距離からボルトの半径を引いてできる半径に少なくとも等しいか、それよりも小さくなるように設けられる。

上記条件では、穴の直径がボルトの半径と少なくとも等しいか、又はそれよりも小さいときにさらに有利になる。

緊急停止時の高速動作を保証するために、本発明では、ブレーキスターから１つだけウェブが出ているだけでなく、複数、２つまたは好ましくは３つのウェブが円周方向に互いに等間隔に並ぶように設けられる。

上記構成により、本発明によれば、Ｎ個のウェブを周方向に互いに等間隔に配置したとき、一つのウェブの周方向の幅を決定する各ウェブの開き角度は３６０°／３Ｎになる。

さらに別の態様では、本発明は、上述の複数の実施形態の１つによるブレーキ装置を有するロボットアームの２つのリンク間のジョイント用の駆動装置に関する。更に別の態様では、本発明は、ジョイントによって互いに相対的に移動可能に配置された複数のリンクを備えたロボットアームを有するロボットであって、少なくとも１つのジョイントが上述のように構成された駆動装置を有するロボットに関する。

好ましくは、本発明によるブレーキ装置は、駆動装置の駆動側の側面または出力側の側面のいずれかに、駆動装置の駆動軸またはモータ軸によって形成されるロータの周りに同軸に構成可能である方がよく、このような構成の駆動装置については、例えば特許文献３に記載されている。特にその中でも、本発明は、マルチジョイントアームロボット、中でも特に、人間ーロボット協調の分野で使用するための軽量構造の駆動装置またはジョイントに向いているが、これに限られない。

本発明によれば、ウェブの途中に設けられた凹部と、ボルトの中心に対して生じる半径方向に半径を超えて延在するウェブの衝突面とが協調して、前記ウェブに上述のような弾性変形が引き起こされ、これによって前記ウェブが前記ボルトに衝突したときの速度の低下が早められる。前記衝突面と共に前記凹部をウェブの材料に応じて選択、設計することで、ウェブのバネ特性を調整し、所望のブレーキングプロセスの実現が可能になる。ビームの座屈や座屈破断のリスクは、なくすることができる。

本発明のさらなる利点および特徴は、添付の図面を参照して実施形態の説明から明らにされる。

図１は、本発明によるブレーキ装置の代表的な例の透視図である。 図２は、ブレーキスターに対するボルトの配置を示す模式図である。 図３ａは、本発明による１つの実施形態において、対応する寸法のブレーキスターを示す模式図である。 図３ｂは、本発明による一実施形態における、ブレーキスターと、ボルトのブレーキスターに対する相対位置を同じ寸法比で示す模式図である。

図１に模式的に示す本発明によるブレーキ装置は、好ましくは、ロボットアームの２つのリンク間にあるジョイントの駆動装置の一端に取り付けることができる。

本発明によるブレーキ装置は、ブレーキ起動装置１を備えており、このブレーキ起動装置１は、例えば、磁気作動する保持機構またはスプリング機構として設計することができる。ブレーキ起動装置１は、必要に応じて、例えば予期せぬ停電が発生した場合に、ボルト２の形態のロック要素を起動するように設計および構成されており、その結果、ボルト２は、例えば、スプリングによって上方に駆動される。

ハウジングに固定された、すなわち、図示しない駆動装置のハウジングに連結された軸受ワッシャ３によって、図示しない公知の軸受を介して、前記駆動装置のシャフトまたはロータ４を取り付けることができる。ボルト２を備えたブレーキ起動装置１は、軸受ワッシャ３に定置して配置される。

ロータ４は、ブレーキスター５の形をしたブレーキ素子を搭載しており、このブレーキ素子は、軸方向に延在するスリーブ６を介してロータ４に回転可能に固定して連結、例えば接着されている。

ブレーキスター５は、互いに周方向に等しい角度で間隔を空けられた３つのウェブ７を含み、これらのウェブ７はブレーキスター５の内側リング８から半径方向に延在している。

好ましくは磁気作動するブレーキ起動装置１によって、ボルト２は、電力が供給されていないときのロック位置と、電力が供給されたときのリリース位置との間を移動することができる。図１は、上記のリリース位置にあるボルト２を示している。このボルト２は、前記軸方向に見て回転するブレーキスター５の下に配置されており、その結果、ウェブ７のうちの１つとも係合していない。前記ボルトはスプリングのばね力によってブレーキスター５の方向に付勢されており、電力がオフに切り替わると、このばね力は、もはや磁石が駆動されていないために解放され、その結果、回転ブレーキスター５の２つの隣接するウェブ７の間に入り、それによって、次のウェブ７がボルト２に当たると同時に、駆動軸またはロータ４の急速なブレーキングが実行される。

図２は、ブレーキスター５に対するボルト２の位置関係を示し、かつ、それぞれの幾何学的な寸法を示している。さらに詳細な寸法の相対的な関係を図３ａおよび３ｂに示す。

ボルト２の直径はＤＢである。内側リング８から半径方向に突出するウェブ７は各々、その両側に、ブレーキスター５の両方の回転方向に対して内側に湾曲し、少なくともボルト２の半径ＤＢ／２に対応する半径ＲＡを有する衝突面９を有しており、その結果、ボルト２は、ブレーキ係合時にその表面全体が切れ目なく衝突面９に受支される。

本発明によれば、図３ｂに示されているように、衝突面９は、ロータ４の軸とボルト２の軸との間の距離を画定する距離ＬＢよりも長く半径方向に延在するように構成できる。

上述のウェブ７の突出によって、ウェブ７の外径ＤＡ、すなわちブレーキスター５の外径もまた決まる。ウェブ７の外縁には、公差からの意図しない逸脱の結果としてボルト２が衝撃を受けたときのノッチ効果を回避するために、面取り１０が設けられている。

各ウェブ７は、共通の半径ＲＬ上に中心が位置する一対の孔１１を有している。孔１１は、それぞれ同一の直径ＤＬを有し、ウェブ７の中心軸Ｓから等距離に配置されている。

図２でわかるように、衝突面９は、各々が円周方向から見てウェブ７から離れる方向に広がっている。このような広がり１２は、衝突面９がボルト２に接触する少し前に、ブレーキ係合中にブレーキスター５がボルト２に向かって急接近する際に、ボルト２のガイドを容易にすることができる。

本発明によると、ブレーキスター５は、さらに、ロータ４の軸と孔１１の中心との間に延在するラインＬが点Ｐで衝突面９と交差するように構成されており、点Ｐを通る円の半径ＲＰは、ロータ４の軸とボルト２の軸との間の距離ＬＢよりも短い。理想的には、この点Ｐは、衝突面９のうち、ボルト２の係合時に最大の衝撃力が発生する可能性のある領域内の点である。

本発明によれば、孔１１の中心を通る円の半径ＲＬは、この半径ＲＬが、ボルト２の軸からロータ４の軸までの距離ＬＢからボルトの半径ＤＢ／２を引いてできる半径ＲＢに長くとも等しいか、好ましくはそれよりも短くなるように選択される。

好ましくは、孔１１の直径ＤＬは、最大でもボルト２の半径ＤＢ／２の半分である。

図示の実施形態では、３つのウェブ７が示されており、それぞれのウェブ７は、互いに対して１２０°の角度αを等しく保持している。ウェブ７の円周方向の幅は、４０°の角度βであり、これにより、ウェブ７毎に２つある孔１１の間の円周方向の距離は、角度βの半分以上である角度γである。

本発明によれば、前述の寸法および寸法比により、ボルト２がブレーキスター５の衝突面９に衝突した際に、ウェブ７に対するテコ効果が低く抑えられる程度に、かつ、そのような力の分散が起きるように、ウェブ７が弾性変形可能であるということによって、エネルギーの効果的な散逸が確実に達成される。この結果、上述のようなブレーキスター５を備えたブレーキ装置は、材料疲労がほとんどまたは全くなく、耐用年数を相当に長くすることができる。

本発明によるブレーキスター５の設計に加えて、前記ブレーキ装置の剛性を上述の寸法比に対応して相応に剛性の高いものにするために、本発明は、ボルト２とブレーキスター５との間を合体させ、剛性挙動を支持する部材をさらに有する。

また、ロボットアームの２つのリンク間のジョイント装置の重量をできるだけ小さくするために、ブレーキスター５は、理想的には厚さが２ｍｍを超えないシート状の金属部品として設計することができる。したがって、ボルト２の長さもこの寸法辺りにあることが望ましい。コンパクトな構造を実現するためにボルト２はブレーキ係合時にストロークを行うので、結果的に、この寸法を下回ることはない。したがって、ボルト２のリリース位置での配置およびブレーキ係合時のストロークの高さは、本発明に従って、ボルト２の周縁部が衝突面９とぴったりと密着することができるように選択される。

このための理想的な弾性変形挙動を得るために、本発明では、ボルト２が軟質の快削鋼、例えばタイプ1.0715（11SMN30+C+A）で作られ、一方、ブレーキスター５は高強度であると同時に高靭性を有する熱処理可能な鋼、例えばタイプ1.7225（42CrMo4）で作られる。硬度、引張強度、降伏強度、破断伸び率に関するブレーキスター５の機械的材料特性は、必要に応じて材料の焼入れ・焼戻しや表面処理などの適切な対応方法を採用すれば、ボルト２の上記のような機械的材料特性よりも良好にすることができる。

本発明によって定義された凹部を有するブレーキスターの設計のさらなる利点は、質量による加速度の低下とそれに伴う最大トルクの低下の結果として、ギアユニットと駆動装置のロータまたは駆動軸にかかる負荷が小さくなることである。逆に言えば、このことは、ブレーキ係合時に速度をより迅速に低下させることができることを意味する。

本発明によれば、凹部または穴の数および／または形状および／または配置形態及び位置を選択することによって、加速動作およびブレーキング動作に関する最適な処理パラメータを詳細に設定することができる。

１ ブレーキ起動装置
２ ボルト
３ ベアリングワッシャー
４ ロータ
５ ブレーキスター
６ スリーブ
７ ウェブ
８ インナーリング
９ 衝突面
１０ 面取り
１１ 孔
１２ 広がり
ＤＢ ボルト直径
ＲＡ 衝突面の半径
ＬＢ ロータ軸～ボルト軸間の距離
ＤＡ ウェブ／ブレーキスターの外径
ＤＬ 孔の直径
Ｓ ウェブ７の中心軸
Ｌ ロータ軸と中心孔とを結ぶライン
Ｐ 衝突面とラインＬとの交点
ＲＰ 交点Ｐを通る円の半径
ＲＬ センターホールに対する半径
ＲＢ ＬＢマイナスＤＢ／２の長さの半径

Claims (12)

1. ロボットアームの２つのリンク間にあるジョイントの駆動装置用のブレーキ装置であって、
   ブレーキ起動装置（１）とロック要素（２）とを含み、
   前記ブレーキ起動装置（１）は、必要なときに前記ロック要素（２）をブレーキ要素（５）と係合させ、
   前記ブレーキ要素（５）は、前記駆動装置のロータ（４）の回転を止めるためにロータ（４）に回転可能に固定され、
   前記ロック要素はボルト（２）として設計され、前記ブレーキ要素は前記ロータ（４）の前記軸から半径方向に突出する少なくとも１つのウェブ（７）を有するブレーキスター（５）として設計されており、
   前記ウェブ（７）は、係合時に前記ボルト（２）と相互作用する衝突面（９）を有し、前記衝突面（９）は、前記ブレーキスター（５）の回転方向に対して内側に湾曲し、少なくとも前記ボルト（２）の前記半径（ＤＢ／２）に相当する半径（ＲＡ）を有し、
   前記衝突面（９）は、前記ロータ（４）の前記軸と前記ボルト（２）の前記軸との間の距離（ＬＢ）を超えて半径方向に延在すること
   を特徴とするブレーキ装置。
2. 前記衝突面（９）は、前記ボルト（２）をガイドするために、前記ウェブ（７）から周方向に離間するように広がっていること
   を特徴とする請求項１に記載のブレーキ装置。
3. 前記ウェブ（７）は、半径方向内側に位置する少なくとも１つの凹部（１１）を含むこと
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のブレーキ装置。
4. 前記ウェブ（７）の中心軸（Ｓ）から等間隔に離間しておかれた２つの均一な孔（１１）が設けられていること
   を特徴とする請求項３に記載のブレーキ装置。
5. 前記ロータ（４）の前記軸と孔（１１）の前記中心との間を半径方向に延びるライン（Ｌ）が、点（Ｐ）で前記衝突面（９）と交差し、前記点（Ｐ）を通る円の半径（ＲＰ）は、前記ロータ（４）の前記軸と前記ボルト（２）の前記軸との間の距離（ＬＢ）よりも短いこと
   を特徴とする請求項４に記載のブレーキ装置。
6. 前記ロータ（４）の前記軸と前記孔（１１）の前記中心との間を半径方向に延びるライン（Ｌ）が点（Ｐ）で前記衝突面（９）と交差し、前記点（Ｐ）で前記ボルト（２）が係合する時に最大の衝撃力が発生すること
   を特徴とする請求項４または請求項５に記載のブレーキ装置。
7. 前記孔（１１）の前記中心から前記ロータ（４）の前記軸までの距離で形成される半径（ＲＬ）は、前記ボルト（２）の前記軸から前記ロータ（４）の前記軸までの距離（ＬＢ）から前記ボルトの前記半径（ＤＢ／２）を引いてできる半径（ＲＢ）と大きくても等しいか、それよりも小さいこと
   を特徴とする、請求項４、５、または６に記載のブレーキ装置。
8. 孔径（ＤＬ）が大きくとも前記ボルトの前記半径（ＤＢ／２）と等しい、またはそれよりも小さいこと
   を特徴とする請求項４，５，６、または７に記載のブレーキ装置。
9. 周方向に互いに等間隔で配置されたＮ個のウェブ（７）が設けられ、該ウェブ（７）の周方向の幅を決定する各ウェブ（７）の開き角度（α）が３６０°／３Ｎであること
   を特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のブレーキ装置。
10. 前記ウェブ（７）が３つ設けられていること
    を特徴とする請求項９に記載のブレーキ装置。
11. ロボットアームの２つのリンク間のジョイント用の駆動装置であって、前記ジョイントは請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のブレーキ装置を有すること
    を特徴とする駆動装置。
12. ジョイントによって互いに対して相互に移動可能に配置された複数のリンクを有するロボットアームを含み、前記ジョイントの少なくとも１つは請求項１１に記載の駆動装置を含むこと
    を特徴とするロボット。

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