JP6970216B2 - 自動操作コンポーネントの駆動ユニット、特に、把持、クランプおよび交換または旋回ユニット - Google Patents

Description

本発明は、自動操作コンポーネントの駆動ユニット、特に、自動操作コンポーネントのベースハウジング内またはベースハウジング上に配置され、駆動装置および制御ユニットを備える、把持、クランプ、交換、直線動作または旋回ユニットに関する。制御ユニットは、特に、自動操作コンポーネントの可動部分の駆動を制御するために、例えば、把持ユニットにおいて、基部ジョーのための駆動を制御し、ピボットユニットにおいて、ピボットプレートのための駆動を制御するために使用される。

自動操作コンポーネントの駆動ユニット、特に、把持、クランプ、交換、直線動作または旋回ユニットは、ハンドリングおよびロボット工学において使用され、例えば、コンポーネントのハンドリングユニット、把持ユニット、および把持ユニットまたは把持された構成要素を旋回させるための旋回ユニットに役立つ。直線動作ユニットは、直線軸に沿ってワークピースを移動させるために使用される。交換ユニットは、工作物または工具を交換するために使用される。クランプユニットは、ワークピースまたはワークピースキャリアをクランプするために使用される。特に、クランプユニットは、繰り返される正確な位置のクランプのためのゼロ点クランプシステムであってもよい。

把持ユニットおよび旋回ユニットは、従来技術から知られており、制御ユニットと、制御ユニットとは別個に形成されたモータコントローラとを含む。

制御ユニットは、入力信号を処理し、入力信号に応じて制御信号を生成する。制御ユニットの制御信号は、例えば、モータコントローラを制御する上位制御のバスシステムを介して利用可能にされる。また、制御ユニットの出力信号は、適切なデータラインを介してモータコントローラに直接送信されることも考えられる。

モータコントローラは、制御信号に応じてモータ電流を電気駆動装置に供給するためのパワーエレクトロニクスを備える。従って、モータコントローラは、駆動装置を作動させるための、電流源によって供給される電流に直接作用する。

電気駆動装置、特に可動部分の位置および動作点が、モータコントローラを介在させる際の適切なプログラミングによって制御される制御ユニットは、最低のプログラミングレベルでプログラムされ、それらの設置後に再プログラムすることができないか、または非常に大きな労力で再プログラムできる。その結果、このような把持・旋回ユニットは、特に要求が変わると、これに対応して使用することができない。

米国特許出願公開第2003／0050735号明細書は、制御ユニット（モーションコントローラ）とモータコントローラ（サーボアンプ）とを有する運動制御システムのための安全回路を開示している。US 2014／0081461 A1からは、バスシステムを介してフィールド装置、例えばモータを駆動する重複ロボットマニピュレータが知られている。

さらに、人間−ロボット協調(MKR [HRC])において駆動ユニットを使用することができる必要がある。この目的のために、駆動ユニットのために特別な要求が使用される。既知の駆動ユニットは、このような人間−ロボット協調(MKR [HRC])で使用するのに適していないか、または条件付きでしか適していない。

本発明の目的は、上述の欠点を改善し、柔軟な方法で使用することができる自動操作コンポーネントの上述の駆動ユニットを提供することである。特に、駆動ユニットは、人間−ロボット協調(MKR [HRC])で使用することができる自動操作コンポーネントを提案する。

この目的は、請求項1の特徴を有する駆動ユニットによって達成される。特に、制御ユニットは、より高度なプログラミング言語で書かれたプログラム又はより高度なプログラミング言語から翻訳されたプログラムをコンピューティングデバイス上で実行することができるオペレーティングシステムを備えた、少なくとも1つのコンピューティングデバイスを含む。少なくとも1つのコンピューティングデバイスは、例えば、オペレーティングシステムが記憶されるメモリと、オペレーティングシステムの命令を実行するように設計されたプロセッサとを備える。例えば、より高度なプログラミング言語で書かれたプログラム、またはより高度なプログラミング言語から翻訳されたプログラムをメモリに記憶することもできる。プロセッサは、オペレーティングシステムの命令によって、コンピューティングデバイス上のメモリのそのようなプログラムを実行するように設計される。特に、Windows（登録商標）、Linux（登録商標）、またはApple（登録商標）による一般的なシステムは、オペレーティングシステムとして可能である。あるいは、例えば、Linux（登録商標）オペレーティングシステムなどの一般的システムに基づくが、製品特有の構成要素を含み、不正変更防止方式で形成することもできる、特別なオペレーティングシステムもある。より高度な言語は、Java（登録商標）、C＋＋、Python（登録商標）、PHP、またはRubyなどの一般的な言語とすることができる。これは、プログラミングが、一般的なプログラミング言語を用いて比較的容易に行われ得るという利点を有する。

本発明は、人間−ロボット協調(MKR [HRC])においても使用することができ、この場合、好ましくは、2つの別個の独立して動作するコンピューティングデバイスが、重複データ処理のために提供される。これは、MKR [HRC]に必要とされる安全レベルが達成されることを保証するために使用することができる。全ての入力信号及び出力信号は、2つのコンピューティングデバイスによって多様な方法で及び／又は重複的に処理することができ、2つのコンピューティングデバイスは互いに監視する。相互監視は、特に、2つのコンピューティングデバイスの動作状態が非常に高い確率で知られるように、または「機能安全性」のためのMKR [HRC]規格で必要とされる値に対応するように動作状態が知られ、したがって、所与の機能安全性を保証することができる。

2つのコンピューティングデバイスは、共通の評価論理を形成するか、または論理装置によって追従され、それによって、相互の監視および／または2つのコンピューティングデバイスの重複する出力信号の調整が行われる。

少なくとも1つのコンピューティングデバイスが、シングルボードコンピュータ(SBC:Single Board Computer)、特にミニPCとして設計される場合、特に有利である。シングルボードコンピュータは、動作に必要な全ての電子部品を1つの回路基板上で組み合わせたコンピュータシステムである。典型的には、電源のみが、単一の構成要素として別個に収容される。このようなシングルボードコンピュータは、非常に柔軟にプログラムすることができ、それによって駆動ユニットを柔軟に使用することができる。

既知の自動操作コンポーネント、特に既知の把持および旋回ユニットとは異なり、少なくとも1つのコンピューティングデバイスは、直接制御、すなわち、モータコントローラを介在させることなく駆動部への電力供給のためにプログラムされ、設定されることが可能である。次いで、コンピューティングデバイスは、モータコントローラの機能を引き継ぐか、またはモータコントローラを形成する。したがって、少なくとも1つのコンピューティングデバイス、好ましくは両方のコンピューティングデバイスが、電気駆動部のためのパワーエレクトロニクスを形成し、電流を電気駆動部に供給し、別個に設計されたモータコントローラを介在させることなく、駆動部を直接制御し、すなわち、コンピューティングデバイスは、駆動部にモータ電流を直接供給し、したがって、駆動部を作動するための、電流源によって提供される電流に直接作用する。特に、制御ユニットによって生成された制御信号は、例えば、モータ電流を制御するための対応する制御ラインまたは対応するバスシステムを介して、他の電力コンポーネントまたはより高レベルの制御システムに渡されない。モータコントローラをコンピューティングユニット内で実現することは、コンピューティングユニットが相応のオペレーティングシステムを備えて構成されているので、可能であるに過ぎない。

コンピューティングデバイスの比較的簡単なプログラミングの可能性により、駆動モータの制御および調整を簡単な方法で変更することができる。このような変更は、一方では制御ユニットおよび他方ではモータコントローラを低位のプログラミングレベルで再プログラミングしなければならないので、公知の従来技術では不可能であるか、または非常に困難である。

コンピューティングデバイスは、好ましくは、制御ループの一部であり、特に、可動部の位置および／または動作点、またはモータ電流の高さに応じてモータ電流を調整し、および／または、例えば、対応する入力信号に応じて、電気モータブレーキを制御する。また、モータコントローラを別途設ける必要がないので、構成を簡略化することができ、電子部品を削減することができる。

有利には、少なくとも1つのコンピューティングデバイスが、駆動部を制御するためだけでなく、メンテナンス、データ伝送、診断および／またはプログラミングのためにも設定される。その結果、メンテナンス間隔は、コンピューティングデバイスを用いて自動的に実行され得る。例えば、ネットワークにおけるデータ伝送およびより高レベルの制御も考えられる。さらに、診断機能を実行することができる。プログラミングにより、すべての機能をそれぞれの要求に柔軟に適合させることができる。

本発明によれば、少なくとも1つのコンピューティングデバイスは、ユーザインタフェースを有するか、またはユーザインタフェースに接続することができることをさらに提供する。ユーザインタフェースは、好ましくは、ディスプレイ、タブレット、またはスマートフォンによって形成することができる。タブレットコンピュータとの接続部は、特に診断評価またはプログラミングが現場で行われるときに提供されることになるので、有利である。

本発明のさらなる実施形態によれば、センサは、自動操作コンポーネント内または自動操作コンポーネント上に設けられ、センサによって生成されたセンサデータは、少なくとも1つのコンピューティングデバイスによって処理され、人間−ロボット協調の場合に2つのコンピューティングデバイスによって処理される。

センサは、変位センサ、力測定センサ、ロータリエンコーダセンサ、電流測定センサ、近接センサ、温度センサ、湿度センサ、および／またはカメラモジュールとして設計することができる。用途および決定すべき測定変数に応じて、それぞれ1つまたは複数の同様のセンサを使用することができる。もちろん、さらなるセンサが、本発明の範囲内で提供されてもよい。

少なくとも1つのコンピューティングデバイスは、ベースハウジング内に、またはベースハウジング上に取り付けられた取り付けハウジング内に収容することができる。取付けハウジングを設けることは、特に把持ユニット及びピボットユニットのような異なる自動操作コンポーネントのために、各々が同様の又は同一の取付けハウジングを使用することができるという利点を有する。

上述の目的は、自動操作コンポーネント、特に、本発明による駆動ユニットを提供する、把持、クランプ、交換、直線動作または旋回ユニットによっても達成される。したがって、自動操作コンポーネントは、コンピューティングデバイスが自動操作コンポーネントに統合される埋め込みシステムである。コンピューティングデバイスは、特に、監視、制御、または調整機能を引き受け、および／またはデータまたは信号処理の形成を担当する。

本発明のさらなる詳細および有利な実施形態は、以下の説明に表され、それに基づいて、本発明の1つの例示的な実施形態が説明され、より詳細に説明される。

人間−ロボット協調(MRK [HRC])で使用することができる、把持ユニット10の形態の本発明による自動操作コンポーネントの概略図を示す。

図1は、本発明に係る把持ユニット10を示し、前記把持ユニットが、ベースハウジング12と、ベースハウジング12に設けられた駆動ユニット14を備え、駆動ユニット14は電気モータの形で駆動部13を備える。駆動部13は、互いに向かって及び互いに離れるように配置された2つのジョー18に移動可能に連結された、概略的に示されたシャフト16を駆動する。

駆動部13を制御するために、シングルボードコンピュータ20、22の形態の2つの計算装置を備えた制御ユニット15がハウジング12内に設けられている。2つのシングルボードコンピュータ20、22に続いて、評価ユニット24があり、これは、シングルボードコンピュータ20、22の出力信号を、それらの重複性についてチェックする。さらに、2つのシングルボードコンピュータ20、22は、相互監視のためにライン26を介して互いに接続されている。評価ユニット24は、シングルボードコンピュータ20、22のうちの1つに実装することもできる。さらに、駆動部13にモータ電流を供給する電力線25が設けられている。

シングルボード・コンピュータ20、22は、例えばLinux（登録商標）に基づいており、改ざん防止用に設計された特別なオペレーティング・システムを備えている。さらに、シングルボードコンピュータ20、22は、それぞれの把持タスクに従って、C＋＋などのより高度なプログラミング言語で書かれたプログラムでプログラムされる。

既知の自動操作コンポーネントとは異なり、図1から分かるように、シングルボードコンピュータ20、22は、モータコントローラを介在させることなく、駆動部13を直接制御するようにプログラムされ、設定される。従って、シングルボードコンピュータ20、22は、駆動部13のためのパワーエレクトロニクスを形成し、駆動部13のためのモータ電流を直接制御し、すなわち、それらは、電流源（図示せず）によって供給される電流に直接作用して、駆動部13を作動し、駆動部13にそれぞれ必要な動作電流を供給する。従って、シングルボードコンピュータ20、22によって生成された制御信号は、例えば制御ラインまたはバスシステム46を介して他の電力コンポーネントまたはより高レベルの制御システムに転送されて、モータ電流を活性化し作用させることはしない。

把持ユニット10は、ジョー18に力測定センサ28を有し、前記力測定センサ28は、把持力を測定する。力測定センサ28は、データライン30を介して2つのシングルボードコンピュータ20、22に接続されている。したがって、力測定センサ28の測定信号は、両方のシングルボードコンピュータ20、22によって重複的に評価される。

駆動部13または軸16には、2つのエンコーダセンサ32が設けられており、その出力信号はデータ線34を介してシングルボードコンピュータ20、22に供給される。

2つのジョー18の間の領域には、カメラモジュール36の形態のセンサが設けられている。カメラモジュール36の出力信号は、データ線38を介して2つのシングルボードコンピュータ20、22に供給される。

シングルボードコンピュータ20、22によって供給されるモータ電流および駆動部13によって消費されるモータ電流を測定するために、電流測定センサ40が電力線25に設けられ、その出力信号はデータ線42を介して2つのシングルボードコンピュータ20、22に供給される。

把持ユニット10内の温度を測定するために、温度センサ（図示せず）を設けることもでき、この温度センサは、その出力信号を両方のシングルボードコンピュータ20、22に供給する。

さらに、別の環境センサ（図示せず）を設けてもよく、このセンサは、特に、把持装置への接近を検出し、それらの出力信号も2つのシングルボードコンピュータ20、22に供給する。

2つのシングルボードコンピュータ20、22は、供給されたセンサ信号を独立して評価する。適切なプログラミングから得られる制御信号が評価ユニット24に供給され、この評価ユニットは重複性チェックを行い、それに対応して駆動ユニット14またはシャフト16に設けられたブレーキ44を駆動する。

2つのシングルボードコンピュータ20、22、および任意選択で評価ユニット24は、イーサネット（登録商標）、WLAN、またはバスシステムとして設定することができる対応するネットワーク46を介して上位コントローラと通信する。

特に、2つのシングルボードコンピュータ20、22は、上位制御装置を介して、または外部タブレットを介してアクセスすることができる。

2つのシングルボードコンピュータ20、22によって、駆動部13の対応する通電、したがって2つのジョー18の作動を行うことができるだけでなく、保守機能、診断、分析、電力データ伝送などを行うこともできる。

Claims (11)

1. 自動操作コンポーネントの駆動ユニット（１４）、特に把持、クランプ、交換、直線動作または旋回ユニット（１０）は、
   前記自動操作コンポーネントの可動部分を駆動するための駆動部（１３）と、前記駆動部（１３）を制御する制御ユニット（１５）とを備え、
   前記制御ユニット（１５）は、重複するデータ処理のための２つの別個のコンピューティングデバイス（２０、２２）と、前記コンピューティングデバイス（２０、２２）の重複性を相互に監視及び／又はチェックするための評価ロジック（２４）とを備え、
   前記駆動ユニット（１４）は、前記駆動部（１３）、前記制御ユニット（１５）および前記コンピューティングデバイス（２０、２２）と共に、前記自動操作コンポーネントのベースハウジング（１２）内またはベースハウジング（１２）上に配置され、
   前記２つのコンピューティングデバイス（２０、２２）の各々には、オペレーティングシステムが設けられ、
   高度なプログラミング言語で書かれたプログラム又は高度なプログラミング言語から翻訳されたプログラムが、前記駆動ユニット（１４）の作動中に前記コンピューティングデバイス（２０、２２）で実行される、
   自動操作コンポーネントの駆動ユニット（１４）。
2. 前記駆動ユニット（１４）は、人間−ロボット協調で使用するように設定される、
   請求項１に記載の駆動ユニット（１４）。
3. 前記コンピューティングデバイス（２０、２２）は、シングルボードコンピュータ、特にミニＰＣとして設計されることを特徴とする、請求項１または２に記載の駆動ユニット（１４）。
4. 前記コンピューティングデバイス（２０、２２）は、別個に設計されたモータコントローラを介在させることなく、前記駆動部（１３）を直接制御するようにプログラムおよび設定されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動ユニット（１４）。
5. 前記コンピューティングデバイス（２０、２２）は、メンテナンス、データ送信、診断、モニタリング、サブ機能、および／またはプログラミングのために設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の駆動ユニット（１４）。
6. 前記コンピューティングデバイス（２０、２２）が、ユーザインターフェースを有するか、またはユーザインターフェースに接続され得ることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の駆動ユニット（１４）。
7. 前記オペレーティングシステムが一般的なオペレーティングシステム又一般的なオペレーティングシステムに基づく特別オペレーティングシステムであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の駆動ユニット（１４）。
8. 前記評価ロジック（２４）は、２つの別個のコンピューティングデバイス（２０、２２）それぞれの動作状態が相互監視によって十分な確率で知られるように設定されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の駆動ユニット（１４）。
9. センサ（２８、３２、３６、４０）が自動操作コンポーネント（１０）内または自動操作コンポーネント（１０）上に設けられ、前記センサ（２８、３２、３６、４０）によって生成されたセンサデータが、前記コンピューティングデバイス（２０、２２）によって処理されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の駆動ユニット（１４）。
10. 前記センサは、変位センサ、力測定センサ（２８）、ロータリエンコーダセンサ（３２）、電流測定センサ（４０）、近接センサ、温度センサ、湿度センサ、および／またはカメラモジュール（３６）として形成されることを特徴とする、請求項９に記載の駆動ユニット（１４）。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の駆動ユニット（１４）を有する、自動操作コンポーネント（１０）、特に、把持、クランプ、交換、直線動作または旋回ユニット。

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