JP6527095B2 - ブレーキトルク増減機能を有するモータ及び機構部 - Google Patents

Description

本発明は、モータ及び機構部に関し、特に、ブレーキトルクを増減させる機能を有するモータ及び機構部に関する。

一般的に、非常停止時や停電時にモータの出力軸をロックするために、無励磁で動作する保持ブレーキがモータに組み込まれる（例えば、特許文献１）。その保持ブレーキには一定で大きなブレーキトルクが求められる。これにより、ブレーキに通電されない状態であっても、出力軸をロックするのに必要な保持トルクを与えることができる。例えば、ロボットの関節部の駆動用に上記モータが使用されるが、保持ブレーキにより、非常停止時や停電時においても、ロボットの自重を支えることができ、ロボットの姿勢を維持することができる。

図１にモータ内部に保持ブレーキが配置される従来のモータの構成図を示す。モータ１０００は、出力軸１００１と、保持ブレーキ（以下、単に「ブレーキ」ともいう。）１００２を備えている。ブレーキ１００２には、モータ１０００の外部に設けられた制御部１００４からブレーキ動作信号のみが入力される。このとき、ブレーキトルクは一定値である。

また、図２にモータ外部（減速機内部や、アームと減速機との間等）に保持ブレーキが配置される従来のロボットの機構部の構成図を示す。機構部２０００は、出力軸１００１Ａと、ブレーキ１００２Ａと、減速機１００６と、を備えている。モータ１０００Ａは、第１アーム１００７に設けられている。機構部２０００は、第１アーム１００７と第２アーム１００８との間に設けられている。ブレーキ１００２Ａには、機構部２０００の外部に設けられた制御部１００４Ａからブレーキ動作信号のみが入力される。このとき、ブレーキトルクは一定値である。

従来技術では、保持ブレーキのブレーキトルクは一定で大きい値であるため、ブレーキが作動している状態では、モータの出力軸に外部トルクを加えても簡単に回転させることはできない。当然、ロボットの場合も、モータの保持ブレーキが作動している状態では、人がロボットのアームを押しても、簡単に動かすことはできない（ロボットの姿勢を変えることができない）。そのため、ロボットが動作中に停止し、モータを駆動できない状況では、ロボット停止時の姿勢からロボットを動かすことができないなどの問題が生じる。

従来は、非常停止時や停電時などのモータが停止している状態ではブレーキを使用することで、モータの出力軸が回転しないようロックしている。このとき、モータの出力軸をロックするのに必要なトルクを「出力軸の保持トルクＴｈ」とすると、ブレーキが作動した状態では、以下の関係式が成り立つ。
ブレーキトルク（一定値）Ｔｂ ≫ 出力軸の保持トルクＴｈ

ブレーキトルクＴｂは十分に大きく、ブレーキが作動している状態では人が出力軸を回すことはできない。一般的に、ロボットの関節部には、駆動用に同構造のモータが使用されることが多く、モータが停止し、ブレーキが作動している状態では、人がロボットのアームを押しても、アームを動かすことは容易ではない。

特開２００５−５４８４３号公報

本発明は、非常停止時や停電時などでモータを駆動できない状態であっても、ロボットを任意の姿勢に動かすことが可能なモータ及び機構部を提供することを目的とする。

本発明の一実施例に係るモータは、出力軸と、出力軸を保持するブレーキと、出力軸に外部から与えられる外部トルクを検出するセンサと、ブレーキが作動している時に、センサが検出した外部トルクの増減に応じて、ブレーキのトルクを減増する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の一実施例に係る機構部は、駆動用モータを具備する機構部であって、機構部の出力軸と、出力軸を保持するブレーキと、出力軸に外部から与えられる外部トルクを検出するセンサと、ブレーキが作動している時に、センサが検出した外部トルクの増減に応じて、ブレーキのトルクを減増する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の一実施例に係るモータ及び機構部によれば、非常停止時や停電時などでモータを駆動できない状態であっても、ロボットを任意の姿勢に動かすことができる。

モータ内部に保持ブレーキが配置される従来のモータの構成図である。 モータ外部に保持ブレーキが配置される従来のロボットの機構部の構成図である。 本発明の実施例１に係るモータの構成図である。 モータトルク、負荷トルク、ブレーキトルク、及び外部トルクのそれぞれの時間的変化を示すグラフである。 本発明の実施例２に係るモータの構成図である。 本発明の実施例３に係るロボットのアーム部の構成図である。 本発明の実施例４に係る機構部の構成図である。 本発明の実施例４の変形例に係る機構部の構成図である。 本発明の実施例５に係る機構部の構成図である。 本発明の実施例５の変形例に係る機構部の構成図である。 本発明の実施例６に係るロボットのアーム部の構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るモータ及び機構部について説明する。

［実施例１］
まず、本発明の実施例１に係るモータについて説明する。図３に本発明の実施例１に係るモータの構成図を示す。本発明の実施例１に係るモータ１０１は、出力軸１と、ブレーキ２と、センサ３と、制御部４と、を有する。

ブレーキ２は、出力軸１を保持する。ブレーキ２には、パウダーブレーキ、電磁ブレーキ、磁気ヒステリシスブレーキ等を用いることができる。電磁ブレーキは、電流値でギャップを制御するものである。ただし、このような例には限られず、他のブレーキを用いることもできる。

センサ３は、出力軸１に外部から与えられる外部トルクを検出する。センサ３が検出した外部トルクのデータは制御部４に出力される。センサ３には、加速度センサ、ひずみセンサ等を用いることができる。ただし、このような例には限られず、他のセンサを用いることもできる。

制御部４は、ブレーキ２が作動している時に、センサ３が検出した外部トルクの増減に応じて、ブレーキ２のトルクを減増する。ブレーキ２のトルクを減増するために、制御部４は、ブレーキ２に対してブレーキトルク制御信号を出力する。

図３に示した実施例１に係るモータにおいては、ブレーキ２、センサ３、及び制御部４をモータ１０１の内部に設けた例を示したが、これらの一部または全部をモータ１０１の外部に設けてもよい。さらに、モータ１０１は、出力軸１を後付けするようにしてもよい。

次に、本発明の実施例１に係るモータにおける制御部４によるブレーキ２のトルクの制御方法について説明する。

モータ１０１が停止し、かつブレーキ２が作動している状態では、モータの出力軸１にかかるトルクであるモータトルクＴｏは、機械条件によって決まる負荷トルクＴｆと、外部トルクＴｍによって、下記の式（１）のように示せる。
Ｔｏ＝Ｔｆ＋Ｔｍ （１）

ここで、モータの出力軸１を保持するためのブレーキ２のトルクであるブレーキトルクをＴｂとすると、モータの出力軸１を回転させるには、下記の式（２）を満たす必要がある。
Ｔｏ＞Ｔｂ （２）

一方で、モータの出力軸１をロックさせるには、下記の式（３）を満たす必要がある。
Ｔｏ≦Ｔｂ （３）

一般的には、ブレーキ２が作動している状態では、確実にモータの出力軸１をロックするために、以下の関係がある。
Ｔｂ≫Ｔｆ
Ｔｂ−Ｔｆ≫０ （４）

式（１）、（２）、及び（４）より
Ｔｏ＝Ｔｆ＋Ｔｍ＞Ｔｂ
Ｔｍ＞Ｔｂ−Ｔｆ（≫０） （５）

即ち、ブレーキ２が作動している状態で、モータの出力軸１を回転させるためには、非常に大きな外部トルクＴｍが必要となる。

本発明では、ブレーキ２が作動している状態であっても、外部トルクＴｍによってモータの出力軸１を回転可能とする方法を提案する。

まず、外部トルクＴｍ以下のトルクで、モータの出力軸１を回転させる条件は、以下のように表せる。
Ｔｏ−Ｔｂ≦Ｔｍ （６）

式（１）及び（６）より、
Ｔｏ−Ｔｂ＝Ｔｆ＋Ｔｍ−Ｔｂ≦Ｔｍ
Ｔｆ≦Ｔｂ （７）

式（２）及び（７）より、外部トルクＴｍでモータの出力軸を回転させるには以下の条件が必要となる。
Ｔｆ≦Ｔｂ＜Ｔｏ （８）
または、
Ｔｆ≦Ｔｂ＜Ｔｆ＋Ｔｍ （９）

つまり、「負荷トルクＴｆの増減」や「外部トルクＴｍの減増」に応じて、「ブレーキトルクＴｂを増減」する。この点について、各トルクの時間的変化を示すグラフを用いて具体的に説明する。

図４に、モータトルクＴｏ、負荷トルクＴｆ、ブレーキトルクＴｂ、及び外部トルクＴｍのそれぞれの時間的変化を示す。図４において、時間０からｔ₁まではモータは通常の動作を行っているとする。この期間においては、モータトルクＴｏ及び負荷トルクＴｆがある大きさのトルク値を有し、ブレーキトルクＴｂはゼロである。

時間ｔ₁においてモータの非常停止が行われたものとする。そうすると非常停止が行われたｔ₁後においては、モータトルクＴｏはゼロになる。一方で、非常停止後はブレーキトルクＴｂは所定の大きさのトルク値を有する。

さらに、時間ｔ₂において外部トルクＴｍが与えられると、図４に示すように、制御部４は、負荷トルクＴｆと外部トルクＴｍに追従してブレーキトルクＴｂを制御する。このようにして、制御部４は、ブレーキ２が作動している時（時間ｔ₂以降）に、センサ３が検出した外部トルクＴｍの増減に応じて、ブレーキ２のブレーキトルクＴｂを減増する。

以上の動作を実現するために、本発明の実施例に係るモータは以下の点を特徴とする。
（ｉ）ブレーキ２のブレーキトルクＴｂを可変させる。
（ｉｉ）モータの出力軸１のモータトルクＴｏを測定するセンサ３を設ける。
（ｉｉｉ）負荷トルクＴｆは、外部トルクＴｍ（外力）の無い状態のモータトルク（出力軸のトルク）Ｔｏを測定することによって検出するか、あるいは制御部４においてトルク指令等から算出する（ロボットの場合は、ワーク重量やロボットの姿勢から算出する）。
（ｉｖ）停電時においても（ｉ）〜（ｉｉｉ）を実現するために、蓄電可能な電力供給部（後述）を設けることが好ましい。

本発明の実施例１に係るモータによれば、非常停止時や停電時などでモータを駆動できない状態であっても、ロボットを任意の姿勢に動かすことができる。

［実施例２］
次に、本発明の実施例２に係るモータについて説明する。図５に、本発明の実施例２に係るモータの構成図を示す。本発明の実施例２に係るモータ１０２が、実施例１に係るモータ１０１（図３）と異なっている点は、ブレーキ２、センサ３、及び制御部４に電力を供給する、蓄電可能な電力供給部５をさらに有する点である。実施例２に係るモータのその他の構成は、実施例１に係るモータにおける構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。

電力供給部５の例として、蓄電池や、電解コンデンサ等を用いることができる。ただし、このような例には限られず、他の電力供給部を用いることもできる。

図５に示した実施例２に係るモータにおいては、ブレーキ２、センサ３、制御部４、及び電力供給部５をモータ１０２の内部に設けた例を示したが、これらの一部または全部をモータ１０２の外部に設けてもよい。さらに、モータ１０２は、出力軸１を後付けするようにしてもよい。

本発明の実施例２に係るモータによれば、電力供給部を設けているので、停電時においてもブレーキ、センサ、及び制御部の各部に電力を供給することができる。

［実施例３］
次に、本発明の実施例３に係るロボットについて説明する。図６に、本発明の実施例３に係るロボットのアーム部の構成図を示す。本発明の実施例３に係るロボット３０１は、実施例１または２に係るモータを有している点を特徴としている。

ロボット３０１として、多関節ロボットを用いた場合を例にとって説明する。図６に示したロボット３０１のアーム部の構成図においては、実施例１に係るモータ１０１を複数（１０１−１、１０１−２）設けた例を示している。第１モータ１０１−１は第１アーム７に設けられ、第２モータ１０１−２は第２アーム８に設けられている。第１アーム７と第２アーム８との間には第１機構部２００−１が設けられ、第２アーム８と第３アーム９との間には第２機構部２００−２が設けられている。

図６に示したロボット３０１にはモータが２つ設けられた例を示したが、このような例には限られず、モータは１つでもよいし、３つ以上であってもよい。さらに、図６に示したロボット３０１には実施例１に係るモータ１０１が複数（１０１−１，１０１−２）設けられた例を示したが、実施例２に係るモータ１０２を１つまたは複数設けるようにしてもよい。

実施例３に係るロボット３０１においては、センサとして圧力センサや、圧電センサ等を用いることができる。ただし、このような例には限られず、他のセンサを用いることもできる。

本発明の実施例３に係るロボットによれば、非常停止時や停電時などでモータを駆動できない状態であっても、ロボットを任意の姿勢に動かすことができる。

［実施例４］
次に、本発明の実施例４に係る機構部について説明する。図７に本発明の実施例４に係る機構部の構成図を示す。本発明の実施例４に係る機構部２０１は、駆動用モータ１００を具備する機構部であって、出力軸１Ａと、ブレーキ２Ａと、センサ３Ａと、制御部４Ａと、を有する。機構部２０１は、第１アーム７と第２アーム８との間に減速機６を介して設けられている。

ブレーキ２Ａは、出力軸１Ａを保持する。ブレーキ２Ａには、パウダーブレーキ、電磁ブレーキ、磁気ヒステリシスブレーキ等を用いることができる。電磁ブレーキは、電流値でギャップを制御するものである。ただし、このような例には限られず、他のブレーキを用いることもできる。

ブレーキ２Ａは、［１］減速機６の内部、［２］アーム７または８と減速機６との間、［３］モータ１００と減速機６との間のいずれに設けてもよい。図７に示した例では、ブレーキ２は第２アーム８と減速機６との間に設けた例（上記［２］のケース）を示したが、このような例には限られず、上記［１］または［３］の位置に設けるようにしてもよい。

センサ３Ａは、出力軸１Ａに外部から与えられる外部トルクを検出する。センサ３Ａが検出した外部トルクのデータは制御部４Ａに出力される。センサ３Ａには、加速度センサ、ひずみセンサ等を用いることができる。ただし、このような例には限られず、他のセンサを用いることもできる。図７に示した例では、センサ３Ａを機構部２０１に設けた例を示したが、このような例には限られず、制御部４Ａに設けるようにしてもよい。

制御部４Ａは、ブレーキ２Ａが作動している時に、センサ３Ａが検出した外部トルクの増減に応じて、ブレーキ２Ａのトルクを減増する。ブレーキ２Ａのトルクを減増するために、制御部４Ａは、ブレーキ２Ａに対してブレーキトルク制御信号を出力する。

図７に示した実施例４に係る機構部においては、制御部４Ａを減速機６に内蔵するようにしてもよいし、第１アーム７または第２アーム８に内蔵するようにしてもよい。

次に、本発明の実施例４の変形例に係る機構部について説明する。図８に、本発明の実施例４の変形例に係る機構部の構成図を示す。実施例４の変形例に係る機構部２０１Ａが、実施例４に係る機構部２０１と異なっている点は、センサを機構部に設ける代わりに、センサをアームに設けている点である。図８に示した例では、センサ２Ａ（図７）の代わりに第１センサ３Ｂを第１アーム７に設け、第２センサ３Ｃを第２アーム８に設ける例を示している。第１センサ３Ｂ及び第２センサ３Ｃが検出した外部トルクのデータは制御部４Ａに出力される。

本発明の実施例４に係る機構部によれば、非常停止時や停電時などでモータを駆動できない状態であっても、ロボットを任意の姿勢に動かすことができる。

［実施例５］
次に、本発明の実施例５に係る機構部について説明する。図９に、本発明の実施例５に係る機構部の構成図を示す。本発明の実施例５に係る機構部２０２が実施例４に係る機構部２０１（図７）と異なっている点は、ブレーキ２Ａ、センサ３Ａ、及び制御部４Ａに電力を供給する、蓄電可能な電力供給部５Ａをさらに有する点である。実施例５に係る機構部のその他の構成は、実施例４に係る機構部における構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。

電力供給部５Ａの例として、蓄電池や、電解コンデンサ等を用いることができる。ただし、このような例には限られず、他の電力供給部を用いることもできる。

図９に示した実施例５に係る機構部２０２においては、電力供給部５Ａを制御部４Ａの内部に設けた例を示したが、電力供給部５Ａを減速機６に内蔵させてもよいし、第１アーム７または第２アーム８に内蔵させてもよい。

次に、本発明の実施例５の変形例に係る機構部について説明する。図１０に、本発明の実施例５の変形例に係る機構部の構成図を示す。実施例５の変形例に係る機構部２０２Ａが、実施例５に係る機構部２０２と異なっている点は、センサを機構部に設ける代わりに、アームに設けている点である。図１０に示した例では、センサ２Ａ（図９）の代わりに第１センサ３Ｂを第１アーム７に設け、第２センサ３Ｃを第２アーム８に設ける例を示している。電力供給部５Ａから第１センサ３Ｂ及び第２センサ３Ｃに電力が供給される。第１センサ３Ｂ及び第２センサ３Ｃが検出した外部トルクのデータは制御部４Ａに出力される。

本発明の実施例５に係る機構部によれば、電力供給部を設けているので、停電時においてもブレーキ、センサ、及び制御部の各部に電力供給することができる。

［実施例６］
次に、本発明の実施例６に係るロボットについて説明する。図１１に、本発明の実施例６に係るロボットのアーム部の構成図を示す。本発明の実施例６に係るロボット３０２は、実施例４または５に係る機構部を有している点を特徴としている。

ロボット３０２として、多関節ロボットを用いた場合を例にとって説明する。図１１に示したロボット３０２のアーム部の構成図においては、実施例４に係る機構部２０１を複数（２０１−１、２０１−２）設けた例を示している。第３機構部２０１−１は第１アーム７と第２アーム８との間に設けられ、第４機構部２０１−２は第２アーム８と第３アーム９との間に設けられている。第１アーム７には第３モータ１００−１が設けられ、第２アーム８には第４モータ１００−２が設けられている。

図１１に示したロボット３０２にはモータが２つ設けられた例を示したが、このような例には限られず、モータは１つでもよいし、３つ以上であってもよい。さらに、図１１に示したロボット３０２には実施例４に係る機構部２０１が複数（２０１−１，２０１−２）設けられた例を示したが、実施例５に係る機構部２０２を１つまたは複数設けるようにしてもよい。

実施例６に係るロボット３０２においては、センサとして圧力センサや、圧電センサ等を用いることができる。ただし、このような例には限られず、他のセンサを用いることもできる。

本発明の実施例６に係るロボットによれば、非常停止時や停電時などでモータを駆動できない状態であっても、ロボットを任意の姿勢に動かすことができる。

１、１Ａ 出力軸
２、２Ａ ブレーキ
３、３Ａ センサ
４、４Ａ 制御部
５、５Ａ 電力供給部
６ 減速機
７ 第１アーム
８ 第２アーム
９ 第３アーム
１００、１０１、１０２ モータ
２０１、２０１Ａ、２０２、２０２Ａ 機構部
３０１、３０２ ロボット

Claims (6)

1. モータの出力軸と、
   前記出力軸を保持するブレーキと、
   前記出力軸に前記モータの外部から与えられる外部トルクを検出するセンサと、
   モータを駆動できない状態で前記ブレーキが作動している時に、負荷トルクＴｆの増減及び前記センサが検出した外部トルクＴｍの増減に応じて、前記ブレーキのトルクＴｂを式：
   Ｔｆ≦Ｔｂ＜Ｔｆ＋Ｔｍ
   に従って減増する制御部と、
   を有し、
   前記負荷トルクＴｆは、前記外部トルクＴｍの無い状態の出力軸のトルクを測定することによって検出される、
   ことを特徴とするモータ。
2. 前記ブレーキ、前記センサ、及び前記制御部に電力を供給する、蓄電可能な電力供給部をさらに有する、請求項１に記載のモータ。
3. 請求項１または２に記載のモータを有するロボット。
4. 駆動用モータを具備する機構部であって、
   前記機構部の出力軸と、
   前記出力軸を保持するブレーキと、
   前記出力軸に前記機構部の外部から与えられる外部トルクを検出するセンサと、
   前記駆動用モータを駆動できない状態で前記ブレーキが作動している時に、負荷トルクＴｆの増減及び前記センサが検出した外部トルクＴｍの増減に応じて、前記ブレーキのトルクＴｂを式：
   Ｔｆ≦Ｔｂ＜Ｔｆ＋Ｔｍ
   に従って減増する制御部と、
   を有し、
   前記負荷トルクＴｆは、前記外部トルクＴｍの無い状態の出力軸のトルクを測定することによって検出される、
   ことを特徴とする機構部。
5. 前記ブレーキ、前記センサ、及び前記制御部に電力を供給する、蓄電可能な電力供給部をさらに有する、請求項４に記載の機構部。
6. 請求項４または５に記載の機構部を有するロボット。

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