JP7166930B2 - 電力網障害から保護されたコントローラを有するロボット - Google Patents

Description

本発明は、電力網障害（ロボットの動作に必要とされる電気エネルギーの障害）から保護されたコントローラを有するロボットに関する。このため、本ロボットは、好都合には、可動式のアクチュエータ駆動式要素を備える。

通常、ロボットの動作には電力が必要となる。この電力は、特に固定されたロボットの場合、通常は電力網である電力源へ入力側で接続されたロボットの電力供給ユニットを介して供給される。電力網または電力源は、さまざまな理由で障害に直面することがある。このような障害が起こったとき、機能的安全性の理由から、ロボット、すなわち特にその可動要素は確実に安全状態に入らなければならない。かかる状態は、ロボットが損傷を受けないこと、周辺領域に損害を与えないこと、および可能であれば問題もなく介入の必要もなく電力供給が回復したら直ちに動作可能となることを保証することを目的としている。

したがって、本発明の目的は、電力供給の障害が起こると安全状態に入り、ネットワーク電源が回復すればすぐに再動作できる、特に動作中の要素を有するロボットを提供することである。

本発明は、独立請求項の特徴により明らかとなるものである。好都合な改良例および実施形態は、従属請求項の主題である。本発明のその他の特徴、応用例、および利点は、以下の説明、および図に示す本発明の例示的実施形態についての説明により明らかとなるものである。

上記の目的は、アクチュエータ駆動式要素を有し、動作に所望の動作電圧Ｕ_Ｂおよび／または所望の動作電流Ｉ_Ｂを必要とするロボットによって実現される。本ロボットは、一次電圧Ｕ_Ｐおよび一次電流Ｉ_Ｐが印加される、通常動作中は一次電圧Ｕ_Ｐが（制御および雑音耐性の観点から）所望の一次電圧Ｕ_{Ｐ，ｄｅｓｉｒｅｄ}に等しく一次電流Ｉ_Ｐが（制御および雑音耐性の観点から）所望の一次電流Ｉ_{Ｐ，ｄｅｓｉｒｅｄ}に等しい入力インターフェースと、実電圧Ｕ_{ａｃｔｕａｌ}および実電流Ｉ_{ａｃｔｕａｌ}が印加される、通常動作中は（制御および雑音耐性の観点から）Ｕ_{ａｃｔｕａｌ}＝Ｕ_ＢおよびＩ_{ａｃｔｕａｌ}＝Ｉ_Ｂである出力インターフェースとを有する電圧電流源（すなわち電源ユニット）と、上記電圧電流源に一体化され、一次電圧／一次電流の停電または低下後のあらかじめ定義された期間Δｔの間、動作電圧Ｕ_Ｂおよび動作電流Ｉ_Ｂを維持するエネルギー貯蔵部と、上記入力インターフェースに印加される一次電圧Ｕ_Ｐをモニタするユニットであって、印加された一次電圧Ｕ_Ｐがあらかじめ定義された量ΔＵだけ所望の一次電圧Ｕ_{Ｐ，ｄｅｓｉｒｅｄ}から外れるとすぐに停止信号が生成されるよう構成されるユニットと、上記モニタユニットに接続され、上記ロボットおよび上記ロボットのアクチュエータ駆動式要素を制御するよう設計された制御部であって、停止信号を受信すると、ロボットの要素を有する上記ロボットをあらかじめ定義された安全状態へ制御するよう構成される制御部と、を備える。

本明細書において、「アクチュエータ駆動式要素」という語句は、広義に解釈される。これは、基本的に、例えばロボットマニピュレータの部材、人工手足、駆動輪その他など、ロボットのあらゆる可動式のアクチュエータ駆動式要素を含む。

好ましくは、上記電圧電流源は、ロボットの電源ユニットとして実現され、このロボットは上記電圧電流源の出力インターフェースに供給される所望の動作電圧Ｕ_Ｂおよび／または所望の動作電流Ｉ_Ｂで動作する。好都合には、上記電圧電流源の入力インターフェースは、通常は低電圧網（例えば、２３０～２４０Ｖの電力網または４００～４２０Ｖの三相交流電流網）である電力網に接続される。好都合には、上記電圧電流源は、入力側に印加される一次電圧Ｕ_Ｐを上記出力インターフェースに供給される実電圧Ｕ_{ａｃｔｕａｌ}に変換する。通常、Ｕ_{ａｃｔｕａｌ}＜Ｕ_Ｐである_。

通常のロボット動作中、上記出力インターフェースに供給される実電圧Ｕ_{ａｃｔｕａｌ}は、所望の動作電圧Ｕ_Ｂに等しい（Ｕ_{ａｃｔｕａｌ}＝Ｕ_Ｂ）。また、通常のロボット動作中、上記出力インターフェースに供給される実電流Ｉ_{ａｃｔｕａｌ}は、所望の動作電流Ｉ_Ｂに等しい（Ｉ_{ａｃｔｕａｌ}＝Ｉ_Ｂ）。

本発明によれば、上記電圧電流源は、さらに、上記電圧電流源に一体化され、上記入力インターフェースにおける一次電圧Ｕ_Ｐまたは一次電流Ｉ_Ｐの停電または低下後、あらかじめ定義された期間Δｔの間、上記出力インターフェースにおける動作電圧Ｕ_Ｂおよび動作電流Ｉ_Ｂが維持されるように設計され構成されるエネルギー貯蔵部を備える。好ましくは、上記エネルギー貯蔵部は、エネルギー貯蔵のための、一以上のキャパシタ、および／または一以上のインダクタ、および／または一以上のアキュムレータを有する。本明細書において、「インダクタ」という語句は、例えば、インダクタ、コイル、トランスフォーマ等を含む。好都合には、上記エネルギー貯蔵部の寸法は、上記ロボットを任意の動的状態（オペレータのあらゆる可能な動的状態）から安全状態にするために当該ロボットが必要とするエネルギー量に依存する。

本明細書において、「安全状態」という語句は、広義に解釈される。これは、基本的に、センサによって検出可能な上記ロボットの任意の状態を含む。特に、この語句は、上記ロボットの可動要素のあらかじめ定義された状態、特に、上記ロボットの全可動要素のあらかじめ定義された姿勢への減速、または上記ロボットの全可動要素の当該状態へのあらかじめ定義された姿勢のない減速を含む。また、「安全状態」は、例えば、上記ロボットの電気状態およびデータ関連の状態を含んでもよい。例えば、安全状態は、データバックアップ等を含んでもよい。

好都合には、いったん停止信号が受信されると、上記制御部は、安全状態の確立をほぼ瞬時に開始し、特に、上記ロボットのアクチュエータ駆動式可動要素の機械的安全状態への減速プロセスを開始する。好都合には、安全状態は、上記ロボットのタスクセットに応じてあらかじめ適切に定義され、好都合には、特に上記ロボットの可動要素を安全な機械的状態へ減速することにより、安全状態が確立されている間、上記ロボットがその環境または自身に対して脅威とならないという条件を満たす。

好都合には、上記エネルギー貯蔵部の寸法は、入力インターフェースに印加される一次電圧Ｕ_Ｐ／一次電流Ｉ_Ｐの全面的な停電時に、あらかじめ定義された期間Δｔの間、上記出力インターフェースにおける動作電圧Ｕ_Ｂおよび動作電流Ｉ_Ｂが確実に維持されるよう選択される。好都合には、期間Δｔは、上記ロボットがどのような状態からでも安全状態になれるようにするために必要な期間である。

よって、適切な寸法の上記エネルギー貯蔵部により、上記電圧電流源の入力側に供給される電圧または電流の全面的な停電の場合でも、常に上記ロボットが任意の状態から安全状態へと確実に移行することが保証される。「任意」の状態といわれる状態は、上記ロボットがとることのできる全ての状態のセットの任意の要素である。

提示されるロボットの好都合な一改良例は、駆動式要素のアクチュエータが電力を回復するよう設計され、一体化されたエネルギー貯蔵部に接続可能であることに特徴がある。よって、好都合には、減速プロセス中の上記ロボットの可動要素の運動エネルギーを電気エネルギーへと変換することができ、このエネルギーを用いて上記エネルギー貯蔵部に貯蔵されたエネルギーを増やすことができる。

提示されるロボットの好都合な一改良例は、上記ユニットが、上記ロボットのあらかじめ定義された安全状態への制御が駆動式要素の機械的減速を引き起こすことを含むよう設計されることに特徴がある。好都合には、機械的制動は、上記ロボットがアクチュエータによって、好ましくは上記ロボットの可動要素のいくつかまたは全ての運動エネルギーの合計によって特徴づけられる動的状態へ減速したときにだけ引き起こされ、この運動エネルギーはあらかじめ定義されたある境界運動エネルギーよりも小さい。これにより、機械的制動を行うことにより上記ロボットに機械的またはその他の損傷が起こらない場合にのみ、機械的制動による突然の干渉が起こることを保証することができる。好ましくは、この時点に先立って、上記ロボット、すなわち、そのアクチュエータ駆動式可動要素がアクチュエータによって減速される。この改良例は、機械的制動による固い反応およびこれに伴う機械的損傷のリスクがおおむね回避されるため、上記ロボットシステムの利用可能性を高めるものとなる。

提示されるロボットの好都合な一改良例によれば、停止信号は、対称的に構成されたデータリンクを介して上記ユニットから上記制御部へ、暗号化されたデータ信号として送信される。また、好都合には、停止信号は光信号であり、データリンクは光信号を送信するよう構成される。

原則として、この送信には、アナログ電圧、デジタル信号（直接または変調）、通信プロトコルなど、どのような有線または光ファイバによる伝送方法も適している。後ろ二つの群は光学的伝送が可能であり、これは、結果として同時に分離することが可能であるため、好都合である（すなわち、入力インターフェースにおける高電圧での検出、出力インターフェースにおける通常はより低い電圧での処理）。

好都合には、停止信号は、上記ロボットの制御部へ送られる、上記出力インターフェースでの停電が迫っていることを示す優先度の高い信号である。

好都合には、上記出力インターフェースで電圧低下が起こると、上記ロボットの可動要素がほぼ瞬時に減速できるよう速やかに機械的制動が行われる。よって、減速プロセスの安全な開始が常に保証される。この場合、機械的減速プロセスは、上記エネルギー貯蔵部で利用可能なエネルギーとは無関係に開始されるため、エネルギー貯蔵機能の確実な実施は必要ではない。

さらなる利点、特徴、および詳細は、以下の説明より明らかとなる。この説明においては、適切な場合には図を参照して、少なくとも一つの例示的実施形態が詳細に説明される。同様、類似、および／または機能的に等価の要素には同様の参照符号が与えられる。

図１は、提示されるロボットの一実施形態の模式図を示す。

図１は、アクチュエータ駆動式要素１０５を有し、動作に所望の動作電圧Ｕ_Ｂおよび／または所望の動作電流Ｉ_Ｂを必要とする提示されるロボットの一実施形態の模式図を示す。本ロボットは、一次電圧Ｕ_Ｐおよび一次電流Ｉ_Ｐが印加される、通常動作中は一次電圧Ｕ_Ｐが所望の一次電圧Ｕ_{Ｐ，ｄｅｓｉｒｅｄ}に等しく一次電流Ｉ_Ｐが所望の一次電流Ｉ_{Ｐ，ｄｅｓｉｒｅｄ}に等しい入力インターフェース１０７と、実電圧Ｕ_{ａｃｔｕａｌ}および実電流Ｉ_{ａｃｔｕａｌ}が印加される、通常動作中はＵ_{ａｃｔｕａｌ}＝Ｕ_ＢおよびＩ_{ａｃｔｕａｌ＝}Ｉ_Ｂである出力インターフェース１０８とを有する電圧電流源１０１を備える。

電圧電流源１０１はこれに一体化されたエネルギー貯蔵部１０２を有し、本例では、このエネルギー貯蔵部には、一次電圧／一次電流の停電または低下後のあらかじめ定義された期間Δｔの間、出力インターフェース１０８にて動作電圧Ｕ_Ｂおよび動作電流Ｉ_Ｂを維持する複数のキャパシタが設けられている。

また、電圧電流源１０１は、入力インターフェース１０７に供給される一次電圧Ｕ_Ｐを低電圧範囲に変換し、実電圧Ｕ_{ａｃｔｕａｌ}として出力インターフェース１０８に供給するトランスフォーマ１０６を有する。

本ロボットは、さらに、入力インターフェース１０７に印加される一次電圧Ｕ_Ｐをモニタするユニット１０３を備える。ユニット１０３は、印加された一次電圧Ｕ_Ｐが所定の量ΔＵだけ所望の一次電圧Ｕ_{Ｐ，ｄｅｓｉｒｅｄ}から外れるとすぐに停止信号が生成されるよう設計される。

また、本ロボットは、ユニット１０３に接続され、当該ロボットおよびそのアクチュエータ駆動式要素１０５を制御するよう設計された制御部１０４を備える。制御部１０４は、停止信号を受信すると、要素１０５を有するロボットをあらかじめ定義された安全状態へ制御するよう構成される。

図１に、太い矢印で負荷電流路を示す。ユニット１０３から制御部１０４、そして本ロボットのアクチュエータ駆動式要素へと進む細い矢印は、データ線である。好都合には、停止信号は光信号であり、このデータ線は光ファイバとして構成される。

以上、好適な例示的実施形態によって本発明を詳細に解説および説明したが、本発明は開示された例に限定されるものではなく、当業者によって、本発明の範囲を逸脱することなくこれらの例からそのほかの変形例を導き出すことができる。よって、複数の変形例の可能性が存在することが明らかである。また、前述の例示した実施形態が例を示すだけのものであることも明らかであり、これらの例は、いかなる場合にも、本発明の範囲、応用例、または構成などを限定するものとして解釈されるべきものではない。それどころか、上述した説明および図面の説明は、当業者が例示的実施形態を実施することを可能とするべきものであり、開示された発明概念の知識を有する当業者は、例えば例示的実施形態で触れた個々の要素の機能または配置に関して、請求項および本明細書における詳細な説明などのその法律上の等価物によって定義される範囲を逸脱することなく、さまざまな修正を行うことができる。

１０１ 電圧電流源／電源ユニット
１０２ 電圧電流源に一体化されたエネルギー貯蔵部
１０３ ユニット
１０４ 制御部
１０５ ロボットのアクチュエータ駆動式要素
１０６ トランスフォーマ
１０７ 入力インターフェース
１０８ 出力インターフェース

Claims (4)

1. アクチュエータ駆動式要素（１０５）を有し、動作に所望の動作電圧Ｕ_Ｂおよび／または所望の動作電流Ｉ_Ｂを必要とするロボットであって、
   ・一次電圧Ｕ_Ｐおよび一次電流Ｉ_Ｐが印加される、通常動作中は前記一次電圧Ｕ_Ｐが所望の一次電圧Ｕ_{Ｐ，ｄｅｓｉｒｅｄ}に等しく前記一次電流Ｉ_Ｐが所望の一次電流Ｉ_{Ｐ，ｄｅｓｉｒｅｄ}に等しい入力インターフェース（１０７）と、実電圧Ｕ_{ａｃｔｕａｌ}および実電流Ｉ_{ａｃｔｕａｌ}が供給される、通常動作中はＵ_{ａｃｔｕａｌ}＝Ｕ_ＢおよびＩ_{ａｃｔｕａｌ}＝Ｉ_Ｂである出力インターフェース（１０８）とを有する電圧電流源（１０１）と、
   ・前記電圧電流源（１０１）に一体化され、前記一次電圧／一次電流の停電または低下後のあらかじめ定義された期間Δｔの間、前記動作電圧Ｕ_Ｂおよび前記動作電流Ｉ_Ｂを維持するエネルギー貯蔵部（１０２）と、
   ・前記入力インターフェース（１０７）に印加される前記一次電圧Ｕ_Ｐをモニタするユニット（１０３）であって、前記印加された一次電圧Ｕ_Ｐがあらかじめ定義された量ΔＵだけ前記所望の一次電圧Ｕ_{Ｐ，ｄｅｓｉｒｅｄ}から外れるとすぐに停止信号が生成されるよう構成されるユニット（１０３）と、
   ・前記ユニット（１０３）に接続され、前記ロボットおよび前記ロボットのアクチュエータ駆動式要素（１０５）を制御するよう設計された制御部（１０４）であって、前記停止信号を受信すると、前記ロボットの前記アクチュエータ駆動式要素（１０５）を有する前記ロボットをあらかじめ定義された安全状態へ制御するよう構成される制御部（１０４）と、
   を備え、
   前記アクチュエータ駆動式要素（１０５）のアクチュエータは、電気エネルギーの回復のために前記一体化されたエネルギー貯蔵部（１０２）に接続され、
   前記制御部（１０４）は、前記ロボットの前記あらかじめ定義された安全状態への制御が前記アクチュエータ駆動式要素（１０５）の機械的制動を引き起こすことを含むよう設計され、
   前記機械的制動は、前記ロボットが前記アクチュエータによって、前記ロボットの可動要素の全ての実際の運動エネルギーの合計によって特徴づけられる動的状態へ減速したときにだけ引き起こされ、この運動エネルギーはあらかじめ定義されたある境界運動エネルギーよりも小さい、ロボット。
2. 前記エネルギー貯蔵部（１０２）は、一以上のキャパシタ、および／または一以上のインダクタ、および／または一以上のアキュムレータを有する、請求項１に記載のロボット。
3. 前記停止信号は、データリンクを介して前記ユニット（１０３）から前記制御部（１０４）へ、対称かつ暗号化されたデータ信号として送信される、請求項１または２のいずれか一項に記載のロボット。
4. 前記停止信号は光信号であり、前記データリンクは光信号の送信を行うよう構成される、請求項３に記載のロボット。

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