JP4581543B2

JP4581543B2 - 減速機一体型アクチュエータおよびこれを備えたアクチュエータシステム

Info

Publication number: JP4581543B2
Application number: JP2004225575A
Authority: JP
Inventors: 恭祐宮本
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-08-02
Also published as: JP2006050710A

Description

本発明は、減速機一体型アクチュエータに関するもので、特に、出力軸の角度およびトルク信号検出が可能で、これらの検出信号を駆動ドライバ側へ伝送することを容易にするアクチュエータおよびこれを備えたアクチュエータシステムに関する。

従来の減速機一体型アクチュエータは、ＡＣサーボ（検出器付き）および減速機をタンデム、もしくはモータのロータ内部び減速機を抱き込む構造が一般的であり、配備させる検出器は、モータ制御用エンコーダのみである（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２１８４２２号公報（図１）

図８は、特許文献１記載の従来の減速機一体形アクチュエータの側断面図である。図８において、中空アクチュエータ８１は、中空型のＡＣサーボモータ８２と、これに隣接配置した中空型波動歯車減速機８３と、中空モータ８２における中空型波動歯車減速機８３の反対側に隣接配置した回転位置検出器８４とを有している。中空モータ８２および中空型波動歯車減速機８３はアクチュエータハウジング８５に内蔵されている。
減速機８３はハーモニック減速機を用いた構造で、フレクスプラインが出力軸側であり、入力側となるウェイブジェネレータにはモータ出力軸が連結されており、そのシャフト後端にはモータ制御用エンコーダが配備され、前記モータの駆動制御用信号を駆動ドライバ側に伝達するようになっている。
図９はこの減速機のヒステリシス特性を示す図である。
図において、前記減速機入力軸に力が伝達されると、減速機構により出力軸で速度は１／Ｒ、トルクはＲ倍となる。その際、減速機出力特性は、減速機の持つガタや摩擦により図のようなヒステリシスを有する。すなわち、減速比が大きい場合、（ａ）のようにヒステリシス特性は大きくなり、減速比が小さい場合、（ｂ）のようにヒステリシス特性は小さくなる。
このように、従来の減速機一体型アクチュエータは、出力軸端に何のセンサも配備されておらず、単にモータ回転数を減速してトルクを増大させるだけの機能だけしか備えていなかった。

このように、従来の減速機一体型アクチュエータは、減速機出力軸にはエンコーダが配備していない構造となっていて、出力軸角度のセンシングをすることができないので、機械構造的に出るガタにより、出力軸の位置決め精度をダイレクトドライブ並に向上させることができないという問題があった。
また、図９のように減速機ガタ、摩擦によるヒステリシスにより、ダイレクトドライブ並に出力軸力制御ができないというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、減速機の持つバックラッシュ等のガタ、またヒステリシス特性を補正することで、モータ出力性能をあたかもＤＤモータと同様の出力性能で、小形化した力制御アクチュエータを実現できるようにし、合わせてユーザ側のメンテナンス性と利便性も高めることができる減速機一体型アクチュエータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、減速機一体型アクチュエータに係るもので、モータと、減速機と、前記モータ出力軸と前記減速機入力軸とを結合させて前記モータ出力を前記減速機側に伝達し、前記モータ出力軸にモータ制御用検出器を備え、かつ前記減速機出力軸に出力軸エンコーダとトルクセンサとを備えてなる減速機一体型アクチュエータにおいて、前記モータ制御用検出器は前記モータを制御するための情報を検出し、前記出力軸エンコーダは前記減速機出力軸の回転角を検出し、
前記トルクセンサは、前記減速機の減速比を１/Ｒとした場合、減速機構により出力軸で速度は１/Ｒ、トルクはＲ倍にされ、前記減速機出力軸のトルクが負荷につながれた際その反力により生じるねじれトルクを検出し、前記減速機は、薄肉カップ状に形成されてカップ部外周に多数の歯を備えてなるフレクスプラインと、内側に多数の歯が形成されたリング状をして反負荷ブラケット側に締結固定されたサーキュラスプラインと、前記モータ出力軸と結合されて楕円状のカムの外周に薄肉のボールベアリングを嵌め、前記ボールベアリングの内輪をカムに固定し、外輪はボールを介して弾性変形するウェイブジェネレータと、から成るハーモニック減速機であり、かつ、前記フレクスプラインの前記カップ部を前記モータの電機子とロータの間のギャップ部に配置し、これらの前記モータ制御用検出器、前記減速機出力軸エンコーダ、および前記トルクセンサの検出した各検出信号を前記モータを駆動制御する駆動ドライバ側にフィードバックすることにより、前記減速機の出力軸制御を行うことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の減速機一体型アクチュエータに関するもので、前記モータ制御用検出器がモータ制御用エンコーダまたはモータの磁極を検出する磁極検出器のいずれかであることを特徴としている。
請求項３記載の発明は、減速機一体型アクチュエータシステムに関するもので、請求項２記載の減速機一体型アクチュエータとシリアル変換器と駆動ドライバとを備えてなる減速機一体型アクチュエータシステムにおいて、前記減速機出力軸エンコーダおよび前記トルクセンサからの２つの検出信号を前記シリアル変換器に入れてシリアル信号に変換し、１本のケーブルにて該シリアル変換器と前記駆動ドライバのフルクローズド信号用Ｉ／Ｆに接続することで２種のデータを前記ケーブル１本にて通信し、かつ前記モータ制御用エンコーダ信号は、前記駆動ドライバのエンコーダ信号用別Ｉ／Ｆに伝送することを特徴としている。
請求項４記載の発明は、減速機一体型アクチュエータシステムに関するもので、請求項２記載の減速機一体型アクチュエータとシリアル変換器と駆動ドライバとを備えてなる減速機一体型アクチュエータシステムにおいて、前記モータ制御用エンコーダの代わりに前記磁極検出器を配備し、前記減速機出力軸エンコーダおよび前記磁極検出器からの２つの検出信号を前記シリアル変換器に入れてシリアル信号に変換し、１本のケーブルにて前記駆動ドライバのエンコーダ信号用別Ｉ／Ｆに接続することで２種のデータをケーブル１本にて通信し、かつ前記トルクセンサからの信号を、これも２つめのシリアル変換器に入れシリアル信号に変換し、前記駆動ドライバのフルクローズド信号用Ｉ／Ｆに伝送することを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の減速機一体型アクチュエータシステムに関するもので、モータ定数およびモータ温度性能の少なくともいずれかの情報を、前記モータ制御用エンコーダ内部メモリかまたは前記シリアル変換機内部メモリに記録させ、前記駆動ドライバに接続した際、この間もシリアルデータとしてドライバ側へ伝送することを特徴としている。

請求項１および２記載の発明によると、減速機の持つバックラッシュ等のガタ、またヒステリシス特性を補正制御を行うことで、モータ出力性能を、あたかもＤＤモータと同様の出力性能で、小形化した力制御アクチュエータを実現する。
また、請求項３および４記載の発明によると、減速機出力軸補正制御を行うための信号データ伝送を容易にすることができ、請求項５記載の発明によると、ユーザ側のメンテナンス性、利便性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る減速機一体形力制御アクチュエータの側断面図である。
図において、１は減速機出力軸、２はＬ側ブラケット、３はトルクセンサ、４はトルクセンサリード、５はＬ側ベアリング、６は保持ベアリング、７はフレクスプライン、８はサーキュラスプライン、９はモータ出力軸、１０はモータロータ、１１はマグネット、１２はウェイブジェネレータ、１３は反Ｌ側ベアリング、１４はフレーム、１５は検出器コネクタＡ、１６はモータコネクタ、１７は検出器コネクタＢ、１８は反Ｌブラケット、１９はモータ制御用エンコーダ、２０はモータ制御用エンコーダカバー、２１はモータ制御用エンコーダリード、２２はモータ電機子、２３はモータリード、２４は出力軸エンコーダヘッド、２５は出力軸エンコーダスケール、２６は出力軸エンコーダリード、２７はトルクセンサ膜である。
減速機は、フレクスプライン７、サーキュラスプライン８、ウェイブジェネレータ１２の３部品からなるハーモニック減速機を用いた減速機一体形力制御アクチュエータの例である。
フレクスプライン７は、ＳＵＳ材のような非磁性材で薄肉カップ状に形成されており、このカップ部はモータ電磁部である電機子２２と、ロータ１０の間のギャップ部に配置され、そのカップ部外周に多数の歯が形成されている。その底部は減速機出力軸１を固定している。
サーキュラスプライン８は内側に多数の歯が形成されたリング状をしており、反Ｌブラケット１８に締結固定されている。サーキュラスプライン８の歯数はフレクスプライン７の歯数よりも２枚多くなっている。
ウェイブジェネレータ１２は楕円状のカムの外周に薄肉のボールベアリングを嵌めた部分で、そのボールベアリングの内輪はカムに固定され、外輪はボールを介して弾性変形する。
そして、モータロータ１０と一体のモータ出力軸９はウェイブジェネレータ１２と結合されて減速機の入力側を構成している。モータはモータ制御用エンコーダ１９と駆動ドライバ４１（図２）にて駆動され、モータ出力軸９の出力は、これと一体のウェイブジェネレータ１２によって楕円状に撓められるフレクスプライン７とサーキュラスプライン８との歯数差で減速され、フレクスプライン７に固定の減速機出力軸１に伝達される構造となっている。
また、減速機出力軸１には出力軸エンコーダのヘッド２４およびスケール２５とトルクセンサ３が配備され、出力軸エンコーダのヘッド２４およびスケール２５は力軸角度検出を行っており、トルクセンサは軸トルクを検出し、駆動ドライバ４１側にフィードバックする力制御システムとなっている。

図２は第１実施例に係る減速機一体形力制御アクチュエータを含む力制御アクチュエータシステムの全体構成図である。
図において、１００は減速機一体型アクチュエータ、２８はシリアル変換器、３１はシリアル通信ケーブル、３２はエンコーダケーブル、３３はモータケーブル、３４はトルクセンサケーブル、３５は出力軸エンコーダケーブル、４１は駆動ドライバである。
図から判るように、減速機一体型アクチュエータシステムは、減速機一体型アクチュエータ１００とシリアル変換器２８と駆動ドライバ４１とを備えており、検出器コネクタＡ１５とシリアル変換器２８の間を出力軸エンコーダケーブル３５で結び、減速機出力軸エンコーダ（２４〜２６）およびトルクセンサ３からの２つの検出信号をシリアル変換器２８に伝送している。シリアル変換器２８ではこれらの２つの信号をシリアル信号に変換し、これを１本のシリアル通信ケーブル３１にて駆動ドライバ４１のフルクローズド信号用Ｉ／Ｆに伝送している。このようにすることで２種のデータをケーブル１本にて通信できることとなる。
また、検出器コネクタＢ１７と駆動ドライバ４１のエンコーダ信号用別Ｉ／Ｆの間をエンコーダケーブル３２で結び、検出器コネクタＢ１７からの検出信号を駆動ドライバ４１に伝送している。
一方、モータコネクタ１６と駆動ドライバ４１の間をモータケーブル３３で結び、駆動ドライバ４１からのモータ制御電流をモータコネクタ１６を介してモータ電機子２２（図１）に与えている。

図３はこのアクチュエータシステムの制御ブロック図を示している。
図において、モータＭには減速機Ｇが一体結合され、モータ出力軸には磁極検出器ＰＳとモータ制御用エンコーダＥｍが設けられ、減速機出力軸には本発明によりトルクセンサＴＳと出力軸エンコーダＥｇが設けられている。
いま、トルク指令とポジション（位置）指令が与えられると、ポジション指令は本発明により設けられた出力軸エンコーダからのポジションフィードバック信号との差（誤差）がポジションループゲインＫｐに与えられる。ポジションループゲインＫｐの出力はモータ制御用のエンコーダからの速度フィードバック信号との差（誤差）が速度ループゲインＫｖに与えられる。
一方、トルク指令は本発明により設けられたトルクセンサからのトルクフィードバック信号との差（誤差）が積分された後、前記速度ループゲインＫｖの出力との差を出し、その後、これと、磁極検出器とモータ電流との差とであるトルクフィードバック信号との差が電流ループゲインＫｔへ送られる。これによってモータに所定の電流が供給される。
本発明が特許文献１と異なる部分は、出力軸には出力軸エンコーダとトルクセンサが設けられ、これらの各出力軸エンコーダとトルクセンサからの信号により、それぞれポジションフィードバックのループとトルクフィードバックのループの２つのフルクローズドループを備えている点である。

図４は、本発明の第１実施例に係るシリアル変換器の動作を示す図である。
図において、２８はシリアル変換器、２９はシリアル変換器２８内のシリアル変換回路、３０はメモリＩＣ、３１はシリアル通信ケーブルである。
図に示すように、各エンコーダ信号は、シリアル変換器２８にてシリアル信号に変換され、駆動ドライバ側にデータ送信されることで、位置ループとトルクループの２つのフルクローズ制御することができる。
また、シリアル変換器２８内部のメモリＩＣ３０に、モータパラメータを記憶させ、これも各エンコーダ信号とともに駆動ドライバ４１側にデータ伝送させる仕組みとなっている。

図５は、本発明の第２実施例に係る減速機一体形力制御アクチュエータの側断面図である。
図において、第２の実施例が第１の実勢例と異なる点は、モータの回転情報を検出するのに磁極検出器（３６〜３９）と出力軸エンコーダ（２４〜２６）で行う点である。その他は第１実施例と同じである。
この場合、図６に示すように、磁極検出信号をシリアル信号に変換するシリアル変換器２８Ｂを必要とし、これには、出力軸エンコーダ信号も入力して、同時にデータ化される。そしてもう一つシリアル変換器２８Ａには、トルクセンサ信号のみ入力されシリアルデータ化される。
このように、モータ用センサが、磁極検出器のみとなるような構成をしているので、モータ制御用エンコーダの部分を簡素化することができる。
図７はこのアクチュエータシステムの制御ブロック図を示している。
図において、モータＭには減速機Ｇが一体結合され、本発明により、モータ出力軸には磁極検出器ＰＳが設けられ、減速機出力軸にはトルクセンサＴＳと出力軸エンコーダＥｇが設けられている。
いま、トルク指令とポジション（位置）指令が与えられると、ポジション指令は本発明により設けられた出力軸エンコーダからのポジションフィードバック信号との差（誤差）がポジションループゲインＫｐに与えられる。ポジションループゲインＫｐの出力は出力軸エンコーダＥｇからのポジションフィードバック信号を乗算器を介して、その差（誤差）が速度ループゲインＫｖに与えられる。
一方、トルク指令は本発明により設けられたトルクセンサＴＳからのトルクフィードバック信号との差（誤差）が積分された後、前記速度ループゲインＫｖの出力との差を出し、その後、これと、磁極検出器ＰＳとモータ電流との差とであるトルクフィードバック信号との差が電流ループゲインＫｔへ送られる。これによってモータに所定の電流が供給される。

以上、本発明によれば、減速機の出力軸の回転角とトルク信号にて、位置ループとトルクループの２つのフルクローズドループを備えた力制御アクチュエータシステムにすることによって、図９に示す減速機のガタ、ヒステリシスを制御補正することができるので、小型軽量・高トルクが必要とされるヒュ−マノイドロボット駆動用という用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す減速機一体形力制御アクチュエータの側断面図である。本発明の第１実施例を示す減速機一体形力制御アクチュエータのシステム構成図である。本発明の第１実施例を示す減速機一体形力制御アクチュエータの制御ブロック図である。本発明のシリアル変換器の動作を示す断面図である。第２実施例を示す減速機一体形力制御アクチュエータの側断面図である。第２実施例を示す減速機一体形力制御アクチュエータのシステム構成図である。第２実施例を示す減速機一体形力制御アクチュエータの制御ブロック図である。従来の減速機一体形アクチュエータの側断面図である。減速機のヒステリシス特性である。

符号の説明

１：減速機出力軸
２：Ｌ側ブラケット
３：トルクセンサ
４：トルクセンサリード
５：Ｌ側ベアリング
６：保持ベアリング
７：フレクスプライン
８：サーキュラスプライン
９：モータ出力軸
１０：モータロータ
１１：マグネット
１２：ウェイブジェネレータ（減速機入力軸）
１３：反Ｌ側ベアリング
１４：フレーム
１５：検出器コネクタＡ
１６：モータコネクタ
１７：検出器コネクタＢ
１８：反Ｌブラケット
１９：モータ制御用エンコーダ
２０：モータ制御用エンコーダカバー
２１：モータ制御用エンコーダリード
２２：モータ電機子
２３：モータリード
２４：出力軸エンコーダヘッド
２５：出力軸エンコーダスケール
２６：出力軸エンコーダリード
２７：トルクセンサ膜
２８：シリアル変換器
２９：シリアル変換回路
３０：メモリＩＣ
３１：シリアル通信ケーブル
３２：エンコーダケーブル
３３：モータケーブル
３４：トルクセンサケーブル
３５：出力軸エンコーダケーブル
３６：磁極検出器ヘッド
３７：磁極検出器マグネット
３８：磁極検出器カバー
３９：磁極検出器リード
４０：磁極検出ケーブル
４１：駆動ドライバ

Claims

モータと、減速機と、前記モータ出力軸と前記減速機入力軸とを結合させて前記モータ出力を前記減速機側に伝達し、前記モータ出力軸にモータ制御用検出器を備え、かつ前記減速機出力軸に出力軸エンコーダとトルクセンサとを備えてなる減速機一体型アクチュエータにおいて、
前記モータ制御用検出器は前記モータを制御するための情報を検出し、
前記出力軸エンコーダは前記減速機出力軸の回転角を検出し、
前記トルクセンサは、前記減速機の減速比を１/Ｒとした場合、減速機構により出力軸で速度は１/Ｒ、トルクはＲ倍にされ、前記減速機出力軸のトルクが負荷につながれた際その反力により生じるねじれトルクを検出し、
前記減速機は、薄肉カップ状に形成されてカップ部外周に多数の歯を備えてなるフレクスプラインと、内側に多数の歯が形成されたリング状をして反負荷ブラケット側に締結固定されたサーキュラスプラインと、前記モータ出力軸と結合されて楕円状のカムの外周に薄肉のボールベアリングを嵌め、前記ボールベアリングの内輪をカムに固定し、外輪はボールを介して弾性変形するウェイブジェネレータと、から成るハーモニック減速機であり、かつ、前記フレクスプラインの前記カップ部を前記モータの電機子とロータの間のギャップ部に配置し、
これらの前記モータ制御用検出器、前記減速機出力軸エンコーダ、および前記トルクセンサの検出した各検出信号を前記モータを駆動制御する駆動ドライバ側にフィードバックすることにより、前記減速機の出力軸制御を行うことを特徴とする減速機一体型アクチュエータ。
前記モータ制御用検出器はモータ制御用エンコーダまたはモータの磁極を検出する磁極検出器のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の減速機一体型アクチュエータ。
請求項２記載の減速機一体型アクチュエータとシリアル変換器と駆動ドライバとを備えてなる減速機一体型アクチュエータシステムにおいて、
前記減速機出力軸エンコーダおよび前記トルクセンサからの２つの検出信号を前記シリアル変換器に入れてシリアル信号に変換し、１本のケーブルにて該シリアル変換器と前記駆動ドライバのフルクローズド信号用Ｉ／Ｆに接続することで２種のデータを前記ケーブル１本にて通信し、かつ前記モータ制御用エンコーダ信号は、前記駆動ドライバのエンコーダ信号用別Ｉ／Ｆに伝送することを特徴とする減速機一体型アクチュエータシステム。
請求項２記載の減速機一体型アクチュエータとシリアル変換器と駆動ドライバとを備えてなる減速機一体型アクチュエータシステムにおいて、
前記モータ制御用エンコーダの代わりに前記磁極検出器を配備し、前記減速機出力軸エンコーダおよび前記磁極検出器からの２つの検出信号を前記シリアル変換器に入れてシリアル信号に変換し、１本のケーブルにて前記駆動ドライバのエンコーダ信号用別Ｉ／Ｆに接続することで２種のデータをケーブル１本にて通信し、かつ前記トルクセンサからの信号を、これも２つめのシリアル変換器に入れシリアル信号に変換し、前記駆動ドライバのフルクローズド信号用Ｉ／Ｆに伝送することを特徴とする減速機一体型アクチュエータシステム。
モータ定数およびモータ温度性能の少なくともいずれかの情報を、前記モータ制御用エンコーダ内部メモリかまたは前記シリアル変換機内部メモリに記録させ、前記駆動ドライバに接続した際、この間もシリアルデータとしてドライバ側へ伝送することを特徴とする請求項３又は４記載の減速機一体型アクチュエータシステム。