JP7176863B2 - 電力線制御電気駆動インバータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば産業用ロボットに使用されるモータ制御システムの改良を提供する。特に、本発明は、可変周波数駆動装置などのドライバによって制御されるモータのネットワークの効率的な確立及び動作を可能にする。

電動式ロボットは、産業において広い用途がある。可変周波数駆動又は変速駆動技術は、多くの自由度を提供し、且つコンピュータ化されたシステムによって簡単に制御されることが可能な電気モータを用いてロボットが作られることを可能にする。このような各モータは、現在、電力源と、駆動電子機器を動作させることができる制御装置への接続とを必要とする。電力供給は、多くの場合、動作に必要な電流を搬送するために太いケーブルを必要とし、制御装置の接続は、別の１つ又は複数のケーブルを必要とする。

電源及び制御ケーブルに接続された電気モータが移動可能である場合、ケーブルは、モータと共に移動しなければならない。ロボットアームの場合、複数のモータの各々がケーブルを取り付けられてもよく、全てのケーブルがアームと共に移動しなければならない。

これらのロボットシステムにおいて、電気モータ及びそれらに関連するインバータの動作によって引き起こされる電力供給に対する干渉が生じ得る。ロボット工学においてよく使用される高電流高出力モータの場合、かなりの「ノイズ」又は電源接続に対する干渉が存在し得る。より少ない改良ロボットシステムに対する必要性も存在する。

より信頼性、機敏さ、及び柔軟性のあるシステムに対する必要性が存在する。

電力スイッチと、電力線上で、無線で、又は別の共用通信チャネル上で通信を行う通信電子機器とを組み込んだドライバを含むロボットシステムが提案される。このようなドライバを含むロボットシステムでは、１つ又は複数の中央制御装置が、通信チャネル上で、少なくとも１つのアクチュエータドライバと通信し、通信チャネルは、アクチュエータによって引き起こされる干渉を受け、並びに通信及びアクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正される。

モータ及びドライバを備えたロボットシステムの一実施形態を示す。 集積ドライバの一実施形態を示す。 ドライバ及び中央制御装置における機能の詳細を提供する。 直流配電のロボットシステムの一実施形態を示す。 三相交流配電のロボットシステムの一実施形態を示す。 通信用のフレームの構造を示す。 理想的なキャリア周波数を示す。 現実的なキャリア周波数を示す。 信号及び電力変調を示す。 信号及び電力変調を示す。 データグラムを示す。 無線通信を用いるロボットシステムの一実施形態を示す。

電動式ロボットは、産業において広い用途がある。可変周波数駆動又は変速駆動技術は、多くの自由度を提供し、且つコンピュータ化されたシステムによって簡単に制御されることが可能な電気モータを用いてロボットが作られることを可能にする。このような各モータは、現在、電力源と、駆動電子機器を動作させることができる制御装置への接続とを必要とする。電力供給は、多くの場合、動作に必要な電流を搬送するために太いケーブルを必要とし、制御装置の接続は、別の１つ又は複数のケーブルを必要とする。

電源及び制御ケーブルに接続された電気モータが移動可能である場合、ケーブルは、モータと共に移動しなければならない。ロボットアームの場合、複数のモータの各々は、電源及び制御ケーブルが取り付けられてもよく、全てのケーブルは、アームと共に移動しなければならない。

電気モータ制御の改良の可能性の１つは、ドライバ又は「インバータ」又は「周波数変換器」を電気モータとコロケートすること、及び電力線通信（ＰＬＣ）を用いて中央制御装置コンピュータシステムからドライバへ制御情報を伝達することである。電力線又はケーブルは、各ドライバ及びモータに電気エネルギーを供給するために必要とされ、これらの電力線は、モータ用のコロケートドライバに制御情報を搬送するためにも使用することができる。

コロケートドライバは、制御、通信、及び電力スイッチを単一モジュール、ボード、あるいは単一ＩＣデバイスに集積することによって実現することができる。ドライバ又はインバータは、例えば、直流電源（２本のケーブルを使用）を、電気モータを動作させるために使用される三相交流電源に変換することができる。

コロケートドライバは、中央制御装置への通信の量及び／又は周波数を減少させるという利点を有する。ドライバとモータとの間に、即時又はサイクル毎の通信又は電流の供給が必要とされ、中央制御装置とドライバとの間の通信は、完全な動作、あるいは命令（例えば、「アームを９０°回転させる」）に基づいてもよい。

追加のモータ及びドライバ、あるいは追加の中央制御装置も使用して簡単な拡張を可能にすることが望ましい場合もある。これは、複数のドライバが、電源及び例えばバス構成における中央制御装置への接続又は通信チャネルを共用することが可能である場合に実現することができる。従って、モータ及び他のアクチュエータを用いて簡単に構成及び再構成されることが可能なモジュラーロボットシステムを可能にできる。

しかしながら、上記の有利なシステムを用いた場合、電気モータ及びそれらに関連するインバータの動作によって引き起こされる電力供給に対する干渉が生じ得る。ロボット工学においてよく使用される高電流高出力モータの場合、かなりの「ノイズ」又は電源接続に対する干渉が存在し得る。電力線通信の場合、通信のインテグリティは、この干渉の存在下でさえ、保証されなければならない。ロボット工学の場合のように、動作の安全性が考慮すべき事項である場合に、通信のインテグリティは、さらにより重要である。安全性を保証するやり方で、中央制御装置が全ての動作を停止させることができるように、中央制御装置からドライバへの高信頼通信が保証されなければならない。そして、ドライバ又はセンサが、異常動作又は危険状態を中央制御装置に報知し得る場合には、ドライバ又はセンサから中央制御装置への高信頼通信が保証されなければならない。

図１に示されるように、ロボットシステムは、電気モータ及び対応するドライバ又は「インバータ」を備えた複数のアクチュエータを含んでもよい。ドライバは、「周波数インバータ」、「周波数変換器」、変速駆動装置、又は可変周波数駆動装置とも呼ばれる。各アクチュエータ１０２は、ドライバ１０１を含んでもよい。単一のドライバ１０１内には、ドライバ１１０の詳細図に示される素子、つまり、直流－交流変換器１１１、マイクロコントローラ又は他のプログラム可能制御デバイス「μＣ」１１２、及び通信用トランシーバ又は変調器／復調器「Ｍｏｄ／Ｄｅｍｏｄ」１１３がある。直流－交流変換器は、モータの交流電流が所望の動作にとって適切な周波数及び位相を有するように、周波数変換又は「反転」も行う。電源接続「ＤＣｂｕｓ」１２０は、電力を各ドライバ１０１に提供する。中央電源１４０は、電源接続１２０を介して全てのアクチュエータに電力を供給する。中央制御装置１３０は、個々のドライバ１０１、１１０と通信して、モータを動作させる。

動作時には、アクチュエータの電気モータは、モータを動かすために必要な電界、例えば回転電界を提供する、いわゆるドライバ又は駆動インバータによって制御される。速度、トルク、方向などの観点からモータを動作させるためには、駆動インバータは、専用低電圧信号線を用いてやり取りされ得る特別な制御及びステータス信号情報を使用してもよい。専用信号線が使用される場合、これらの線は、動作に必要とされる電力をモータに供給する必要な電力配線に加えて、モータにルーティングされる必要がある。直流電源又は単相交流電源電圧の場合、基本的な電力配線自体は、２本の線から成る。三相交流電源電圧の場合、少なくとも３本の線が電力供給に必要とされる。電力が単相又は三相交流として供給される場合、追加の整流器段がインバータの前に必要とされる。駆動インバータとの制御及びステータス通信が、別の低電圧線の組を追加する。

電気モータ自体は、変速モータ若しくはサーボモータ、又は必要に応じて他の電気モータでもよい。電気モータは、モータの所望の動作の設定に役立つパラメータに従って電気を供給する各ドライバに関連付けられる。例えば、変速ＢＬＤＣ（ブラシレス直流）モータの動作は、ある特定の周波数及び継続期間又は「幅」のパルスを用いて制御されてもよい。モータの制御に使用される他のパラメータは、電圧又は電流でもよい。これらのパラメータは、一般的に、所与の速度に対して、又は所与の加速度又はトルクに対して、又は電力効率に対して最適化される。

図１に示されるような構成は、例えば、アプリケーション及びモータ制御装置が空間的に分散されるとともに、ポジショニング及びアクチュエータのハンドリングのための複数の（一般的に、５つ又は６つを超える）個々のモータが、接続される必要があるロボット工学応用に存在し得る。例えばアームの端部にあるアクチュエータが、モータ以外の何かを含んでもよく、又はモータ及び別の電動式素子、例えば、モータの同等物であると見なされる、はんだ付け若しくは溶接ヘッド、又は加熱若しくは照明素子を包含してもよい。どのような種類のアクチュエータが本開示に使用されてもよいが、本明細書は、アクチュエータの一例としてモータを用いる。一番上は、異なる種類のセンサによって提供されるステータス情報のやり取りのための信号配線である。モータ制御装置と、アプリケーション制御装置との間の通信は、一方向又は双方向性、及び半二重又は全二重（全ての通信パートナーが同時に送信できる）でもよい。

中央制御装置とドライバとの間の通信は、異なる通信チャネルの導入により生じてもよい。例えば、通信は、別の通信バス（不図示）などの通信チャネル上で、又は無線で、又は電源接続１２０に重畳される通信信号によって生じてもよい。後者の場合、通信は、電力線通信として生じ、及び通信チャネルは、電力線又は電源接続である。帯域幅の増加、信頼性の向上、又は通信のインテグリティの向上という利点を有することができる通信チャネルの組み合わせを使用することもできる。特に動作の安全性が考慮すべき事項である場合、１つのチャネルが、別のチャネルのバックアップとして機能することが可能であってもよく、又は冗長チャネルでもよく、又は別のチャネルの一時的又は固定障害の場合に通信を提供することができる複数の並列通信チャネルを有することが有利となり得る。電力線通信は、電力を供給する同じ物理接続上で動作するので、このような通信のインテグリティは、モータが動作中の時はいつでも、複数のアクチュエータにわたる制御を保証するのに必要且つ十分なものと考えることができる。電力線（例えば、電力ケーブル）が断線した場合、モータが動作することも、中央制御装置がドライバと通信することもできない。

図２は、図１の素子１１０などの集積ドライバ構成要素を示す。集積ドライバ構成要素２１０は、マイクロコントローラ２１２、トランシーバ２１３、及び直流－交流変換器又は「インバータ」２１１を含む。ドライバは、電力線とモータとの間に接続される。トランシーバは、情報の送信及び受信を行うために電力線に結合され、直流－交流変換器は、電力を受け取るために電力線に結合される。次に、直流－交流変換器は、所望の動作を行わせるために、電力をモータに提供する。インバータは、モータの故障の場合に、機械エネルギーを電気エネルギーとして回復させるように構成されてもよい。交流モータ用の可変周波数駆動装置の場合、ドライバは、モータへの電源電圧及び周波数を調整して、それの速度及びトルクを制御する。

図３は、ロボットアームを中心とした、あるワークセルに対応する異なる機能性のより詳細な実施形態を示す。このシステムは、ロボットアームセンサ３１６又はワークセルセンサ３１６などのセンサも含む。アームセンサ３１６は、次に中央制御装置３３０と通信するモータ駆動装置３１０と通信することができる。ワークセルセンサ３５０は、中央制御装置３３０と通信する。従って、アームセンサ３１６は、ドライバと中央制御装置との間の通信チャネルとは無関係に通信する。ワークセルセンサは、電力線通信などの、中央制御装置と通信するためにドライバが使用するのと同じチャネルを使用してもよい。代替実施形態では、センサは、中央制御装置への独立通信チャネルを有してもよい。

電力は、電源バス３２０を介して中央制御装置３３０及びドライバ３１０に供給される。この電源バスは、直流バス又は交流バスでもよい。このバスは、モータを動作させるためにドライバ又はインバータによって変換される電力をアクチュエータに供給する。バスは、電力線通信用の通信チャネルとしても使用することができる供給線を含む。このようにして、各アクチュエータへの電力及び各アクチュエータとの通信は、単一バスへの接続を用いて保証することができる。ケーブル又は線を追加することなく、さらなるアクチュエータを追加することができる。

エフェクタモータ３６１及び軸モータ３６２などの異なるサイズの各種モータが、異なる特性への電気的干渉の様々な発生源をもたらし得る。干渉の各発生源は、中央制御装置と、個々のドライバ又は「インバータ」との間の通信のインテグリティに影響を及ぼし得る。特にドライバは、一般的に非線形負荷を表し得るので、各ドライバは、電力供給にひずみを導入し得る。使用される変調方式に応じて、ドライバ／「インバータ」からモータへの供給によって引き起こされる、又は生み出される干渉が存在し得る。例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ）は、干渉を生じさせ得る一連のパルスを使用し、同じことが、逆起電力などの影響にも当てはまり得る。加えて、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴが、モータに供給される電力を切り替える電力スイッチとして使用される場合に、それらの高スイッチング速度が、供給線に対する高調波電圧及び電流外乱を誘導し得る。ＩＧＢＴを用いて生成されたパルスのエッジは、特に「鋭く」、又は非常に高速の遷移時間を有し得る。ドライバとモータとの間にインピーダンス不整合が存在する場合、さらなる電気的干渉を引き起こし得る反射電圧波も存在し得る。干渉自体は、電源ケーブルにおける伝導電磁障害（ＥＭＩ）又は放射ＥＭＩの形を取り得る。

モータは、５ｋＶ／μｓ以上のスルーレートを有し、及び１０ｋＨｚ未満の周波数、２０ｋＨｚの範囲内の周波数、又は２０ｋＨｚを超える周波数を有するパルスによって駆動されてもよい。照明制御装置又はセンサ、ヒータ、溶接機器などのための電源などの、同じ電源を共用する他の干渉発生源も存在し得る。無線通信の場合、他の干渉発生源は、同じ電源を共用するのではなく、物理的に近接する場合があり、あるいは、別の方法で干渉を引き起こし得る。以下では、これらは、アクチュエータとしても見なされる。

アクチュエータ、又はモータ／ドライバの組み合わせによって引き起こされる、又は生み出される干渉は、モータの動作に依存し得る。モータの速度又はモータのトルクの変化は、干渉の一時的増加を引き起こし得る。具体的には、モータの始動又は停止は、伝導及び放射両方の干渉を引き起こし得る。電気モータ自体は、それらがブラシ付きである、すなわち、モータの巻線を通る電気フローを方向付ける整流子に接触するブラシを有する場合、ＥＭＩを生じさせる場合があり、接触が行われる、又は接触が絶たれる度に、ＥＭＩ事象が存在し得る。ステップモータも、かなりのＥＭＩを生じさせる場合があり、これは、ロータの位置の変化と相関し得る。アーク溶接ステーションなどの他の機器も、動作中にＥＭＩを引き起こし得る。

中央制御装置及び／又はドライバが、干渉の発生源に影響力を持ち、又は少なくともこれから先に生じる干渉事象に関する情報を取得することができ、従って干渉が通信に影響を及ぼし得る前に生じる干渉を予測することができることが想定される。一例として、モータの始動又は停止が干渉を引き起こす場合、中央制御装置は、モータの始動又は停止を命令する前に、通信の終了、通信の中断、又は使用される周波数、コード体系、又は使用されるタイムスロットなどの通信チャネルの特性の変更を行うことができる。通信チャネルは、予測される干渉を回避するために、例えば、電力線通信から無線通信に、又はその逆にシフトされてもよい。中央制御装置が、モータ（又は他のアクチュエータ）の始動又は停止を遅延させてもよい。遅延は、所定の継続期間中、例えば、通信が終了する、又は一時停止されるまででもよい。この通信及び／又はアクチュエータの動作の修正は、より信頼性のある通信を保証する。

ドライバは、これから先に生じる干渉に関する情報を用いて、通信、例えば通信パターンを修正し、これから先に生じる干渉を他のドライバ及び／又は中央制御装置に報知することができる。有利には、近接したアーク溶接装置が、これから先に生じる溶接事象を報知してもよい。建設作業員が、ジャックハンマーの使用前又は後には話し、ジャックハンマーの動作中は、ハンドサインを用いる場合があるのとほぼ同様に、ロボットシステムのアクタ（中央制御装置、ドライバ）は、これから先に生じる又は進行中の干渉前後に、彼らのコミュニケーションに倣うことができる。同様に、ジャックハンマーの使用中に、コミュニケーションが必要であることが建設作業員に明らかとなった場合、ハンドシグナルを用いて、ジャックハンマーが停止、又は一時停止されることを報知することができ、同様に、ロボットシステムにおけるアクタは、干渉の発生源の停止又は修正を達成するために、ある特定の干渉が与えられた場合に可能なものよりも高い帯域幅を持つ通信が必要とされることを報知することができる。

干渉を見越して、モータ又は他のアクチュエータの動作パラメータを変更することによって、アクチュエータの動作を修正することが可能である。例えば、ドライバは、生じる干渉を低減させるために、モータに供給される駆動電流又は周波数などのパラメータを修正してもよい。これは、ドライバによって自律的に、又は中央制御装置の指揮下で行われてもよい。これは、通常の通信中に、又は異常若しくは緊急通信の場合に行われてもよい。モータへの供給の変化は、モータの動作が実質的に影響を受けない、又は修正されないように、例えば、通信が生じている間、モータが僅かに低下した効率で動作するように行われてもよい。

図４は、直流電源バスが、アクチュエータ４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃへの電源として使用される実施形態の一例を示す。アクチュエータ４０１ａは、直流電源をモータ用の多相交流に変換するインバータ４１１ａ、マイクロコントローラ４１２ａ、及びモータ４１４ａを含む。電源ライン４２０は、直流電力をアクチュエータ４０１ａ、ｂ、ｃに提供する直流バスでもよい。通信チャネル４２５は、必ずしも別個の物理エンティティではなく、従って、点線として示される。それは、電源ライン４２０上で電力線通信を用いて、無線接続として、又はこれら若しくは他の方法の組み合わせとして実施されてもよい。中央制御装置４３０は、共用通信チャネル４２５を用いて、各アクチュエータ４０１ａ、ｂ、ｃの制御装置と通信する。この同じ共用チャネルが、中央制御装置４３０への戻り通信を搬送する。三相交流４４５が、次に直流電力をバスに供給する電源４４０に供給される。

記載の実施形態は、電力線通信を用いる（不可避）電力線の上に、アプリケーション制御装置とモータ制御装置との間の通信を一体化及び積層することによって、電気モータの動作を絶対最小値に制御するために必要とされる配線努力を低減させることができる。電力配線の域を越えて、通信のための追加の線は必要とされず、従って、通信を搬送するための追加のシールド及び追加の可撓ケーブルに対する必要性が排除される。この実施形態は、配線用ハーネスの製造努力及びコストも低下させることができる。マスタ－スレーブ又はマルチマスタ構成を用いたバス又はバス状双方向通信リンクの形成により、多数の個々のモータ又はアクチュエータを接続することができる。これは、システムの拡張性を維持し、且つセーフティクリティカルアプリケーションのシステムのロバスト性を向上させる：モータの動作のための電源接続が存在する限り、全ての接続されたモータは、互いに、及び中央アプリケーション制御装置と常に通信することができる。この実施形態は、モータ及び他のアクチュエータを用いて簡単に構成及び再構成されることが可能なモジュラーロボットシステムを可能にできる。

記載の実施形態は、各モータが、中央アプリケーション制御装置による往復通信の必要性なしに、それの隣接モータと緊急情報を直接共有することができるので、システム待ち時間を改善することもできる。

アプリケーション制御装置とモータ制御装置との間の通信は、電力線上で通信するための既存の送信原理（例えば、ＡＶ ＩＥＥＥ１９０１「ＨｏｍｅＰｌｕｇ」、又はＧ．ｈｎ「ＨｏｍｅＧｒｉｄ」）に基づいてもよいが、拡張されてもよい。例えば、それは、安全なモータ動作を常に保証するために、潜在的に３８０Ｖを超える動作電圧と、はるかに高いフォールトロバスト性及び実時間処理能力とを有する電力線への変調を検討することに関連し得る。必要なトランシーバ機能が、完全な駆動インバータの機能性を提供する（スマート）集積電力モジュール（ＩＰＭ）内に組み込まれてもよく、又はそれと組み合わせられてもよい。トランシーバ自体は、必要とされるモータ電力によって決定される電気的環境に対処可能でなければならず、及び数桁の開きで（モータの種類及び電力クラスに応じて）３８０Ｖを超える動作電圧を包含する可能性がある。交流又は直流モータ電源に対処可能な別のトランシーバの選択肢が存在してもよい。

同一線上で電力供給及び通信を統合することによって、駆動インバータのインタフェースは、合計５つのコネクタ（電源側からの直流入力が２つ、及び電気モータに直の交流出力が３つ）に減らすことができる。ドライバがモータ駆動回路の整流器部分も具現化し、且つ電力グリッドから給電される場合に、代替の具現化が存在する。この場合、通信は、ドライバに供給するグリッドライン上で変調されてもよい。いずれの場合でも、別個の通信線に必要とされ得る配線オーバヘッドは、この実施形態では必要とされない。従って、駆動ベースのモータアプリケーションは、電源ラインを用いて直接制御することができる。以前は電力供給のみに使用された直流リンク又はグリッドラインは、産業用ロボットなどのアプリケーションシステム内の異なるモータと、それらの駆動装置との間の電源及び通信のバックボーンとなる。

図５は、電力線として交流バスを備えた以外は図４に類似した実施形態を示す。交流バスは、三相交流電力を供給するための３本の電力ケーブル、又は単相交流電流を供給するための２本の電力ケーブルを含んでもよい。電力線通信の場合、単相交流の２本のケーブルは、直流電力用の構成と同等である。三相又は多相電源の場合、電力線通信は、共通の位相上にあるか、又は位相間の結合器を介するべきである。

電源ライン５２０、５２１、５２５は、アクチュエータに供給される三相交流であり、直流電力をアクチュエータ５０１ａ、ｂ、ｃに提供する直流バスでもよい。通信チャネル５２５は、適切なトランシーバ５４０を用いて電源上で電力線通信を使用して実施され得る交流電源ラインの１つである。中央制御装置５３０は、共用通信チャネル５２５を用いて各アクチュエータ５０１ａ、ｂ、ｃの制御装置と通信する。

例えば干渉によって引き起こされる、モータ制御にとって困難な電気的環境により、安定した通信リンクを確実にするためには、高度誤り検出及び回復、並びにデータ冗長アルゴリズムが使用されてもよい。これは、アプリケーション及びモータ制御装置の２つの通信制御装置エンティティ間でロバストなデータグラムベースのプロトコルを実施することによって達成されてもよい。図６は、中央制御装置とアクチュエータとの間の情報の送信に使用することができる通信メッセージ又はデータグラム６００を示す。アプリケーション制御装置とモータ制御装置との間の論理通信リンクは、変調直流バス上で伝達されているデータグラムから成る。ロバスト性は、各データグラムにおけるモータ制御関連のペイロードを守るために送信された情報の大部分を割り当てることによって達成されてもよい。モータを動作させるためには、たった数バイトの制御データが必要とされ、これは、データのインテグリティ及び誤り検出／訂正を保証するための追加の対策に帯域幅を利用可能とすることができる（より高いデータスループットが、埋込制御装置の再プログラミング中にのみ必要とされる可能性があり、この状況では、モータは、動作中ではない場合があり、これは、システムが、データのインテグリティを保護するために使用される帯域幅を低下させること、及びその結果、必要に応じてスループットを増加させることを可能にする）。

その結果得られるシステムは、よりロバストになる。線の数が少なければ、線の破断のリスクも低下し得る。ＥＭＩに関連する追加のシールド努力及び機械的ロバスト性は、電源ラインにのみ適用し、これは次に、重量の減少、より少ない消費電力、及びその結果、より少ない熱応力につながる。より少数の線は、線又はケーブルがアクチュエータと共に移動する場合、より低い「剛性」にもつながり、又はより少ない変位重量につながり、より良い運動ダイナミクスをもたらすことができる。運動の軌跡又は自由度の範囲も、配線が少ないほど向上させることができる。加えて、配線が少ないほど、運動による摩耗を防ぐために必要とされる機械的シールドをより少なくすることができる。要するに、これらの効果は、大幅に低い製造努力及びシステムコストを生み出すことができる。加えて、その結果得られるモータ制御セットアップは、追加の配線努力なしに、追加のモータ駆動装置構成要素を直流バス又は電源ラインバックボーンに追加することができるので、より大きなシステムコンテキスト内での拡張可能な電気駆動装置トポロジーに適している。

図６に示されるようなフレーム又はデータグラムの使用は、顕著なシステム柔軟性を生じさせるのに役立ち得る。専用二地点間電気接続が用いられる場合、アクチュエータの数は、モータドライバが接続される物理的プログラム可能論理制御装置（ＰＬＣ）ポートの数に限定される。パケットベースのデータグラムによるモータドライバのアドレッシングは、人が、ＰＬＣを変更することなく（ＰＬＣは、データグラム（必要とされるプロトコル層）を用いて動作可能でなければならない）既存の構成にモータを追加することを可能にする。各アクチュエータがアドレスを有することのみを条件として、ほぼ無限の数のモータ又は他のアクチュエータが可能である。中央制御装置で動作中のアプリケーションと、モータドライバとの間の通信プロトコルは、ロバスト性及び実時間処理に関して最適化されなければならない。制御情報は、モータの動作及び両方向に移動し得るステータス情報（例えば、モータセンサによって提供される）を誘導するために、アプリケーションドライバからモータドライバへと双方向に伝達される。

様々なデータグラムの具現化が、サイズ、フォーマット及び目的の観点からユーザ定義される。図６は、マルチマスタバス構成で使用されるような一般的なデータグラム構造を示す。モータ制御又はステータス情報は、データグラムのペイロード部分、又は制御及びペイロード部分の組み合わせに通される。通信チャネル上で送られているユーザ固有のメッセージ及び制御プロトコルが、ソフトウェアで独立して実施されてもよい。

通信は、おそらく直交振幅変調（ＱＡＭ）と組み合わせて、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を用いるチャネル上で生じてもよい。ＯＦＤＭでは、利用可能な周波数範囲又は帯域が、互いに直交するサブキャリアに分割される。サブキャリアは、多くの場合サブキャリア毎に異なり得る干渉又は減衰を受け得る。図７ａ及び７ｂには、サブキャリア７８１、７８２及び７８３が情報を搬送するＯＦＤＭチャネルの２つの変形形態が示される。図７ａでは、チャネルは、異なるサブキャリアの容量にばらつきがない（これは、サブキャリアを表す矢印７８１の均一な高さによって示される）理論上のチャネルである。図７ｂでは、チャネルは、異なる高さの矢印によって示される減衰及び干渉を受ける。サブキャリア７８２は、異なる減衰を受け、サブキャリア７８３は、異なる減衰及び干渉の両方を受ける。通信帯域幅を保証する目的で、減衰及び干渉は、同等物であると見なされてもよい。別の実施形態では、中央制御装置及びドライバが協働して、高信頼通信を実現できるように、利用可能なサブキャリアを使用する。

電源に情報を変調するために、異なる周波数又は「トーン」が用いられてもよい。情報は、ＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）又はＱＰＳＫ（四相位相シフトキーイング）、又はより一般的に周波数変調、位相シフトキーイング、又は他の変調などの、１つ又は複数のキャリアに情報を変調するスキームを用いて送信されてもよい。

通信のインテグリティを向上させるために、コーディングが用いられてもよい。コーディングは、コーディングのオーバヘッドによるチャネルの情報搬送容量の低下と引き換えに、向上したフォールトトレランス又は一時的誤りへの耐性を提供することができる。通信の信頼性を向上させるために、異なるコーディングの形式が使用されてもよい。例えば、前方誤り訂正（ＦＥＣ）を用いて、干渉によって引き起こされた誤りを訂正することができ、その結果、高信頼通信が可能となる。

ある実施形態では、通信チャネルは、電源ラインに変調を行う。図８ａには、電気モータへの電力が存在しない一時停止中に生じる変調が示される。モータを駆動する電力が、８３２にＰＷＭバーストとして示される。変調における一時停止８３３中、８３１のように、電力線通信を用いて、メッセージ又はデータグラムを送ることができる。

図８ｂは、通信チャネルが、ＰＷＭパルス８５２と同時にメッセージ８５１を搬送する一実施形態を示す。これは、ＰＷＭパルスによって引き起こされる潜在的干渉と無関係に動作可能な電力線通信スキームを示唆する。

複数のドライバは、１つ又は複数の中央制御装置と通信することができ、及び通信に使用される１つ又は複数のチャネルの帯域幅を共用することができる。ドライバにとってチャネルを共用することは、物理チャネルの数を減らすため、且つ追加の物理通信チャネルの必要性なしに、さらなるドライバを追加することができるモジュール方式を可能にするために、有利となり得る。チャネルは、周波数分割多重化、時分割多重化、スペクトラム拡散などのコーディング、又はこれらの任意の組み合わせを用いて共用されてもよい。共用の周知の方法には、時分割多重アクセス（ＴＭＤＡ）及び符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）が含まれる。チャネルは、異なる通信が異なるタイムスロットに割り当てられる（例えば、第１のタイムスロットが、第１の中央制御装置からのブロードキャスト通信用のものでもよく、第２のタイムスロットが、中央制御装置と第１のアクチュエータとの間の通信用のものでもよい）、時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）などの時間的多重を用いてもよい。干渉が限られた継続期間を有する場合、タイムスロットは、その干渉中の通信を回避するために使用されてもよい。例えば、モータが始動する際に、電気ノイズのバーストが生じる場合があり、従って、その干渉のバースト中は、１つ又は複数のタイムスロットが、意図的に使用されなくてもよい。

図８ｃは、様々な長さ又は継続期間のデータグラムが送られる、経時的な通信チャネル中の伝送を示す。ある実施形態では、中央制御装置が、より長いメッセージ又はデータグラム８７１を送る場合があり、及び異なるドライバが、より短いデータグラム８７２、８７３、８７４で応答する場合がある。通信チャネルが使用されない一時停止８７０も存在し得る。データグラムの継続期間は、一定（不図示）でもよく、又は多数の一定継続期間でもよい。通信は、タイムスロットを用いて編成されてもよく、通信を行う異なるアクタが、通信チャネル上で送信するための特定の時間を割り当てられる。

ある実施形態では、タイムスロットは、可変又は移動可能でもよい。例えば、モータが始動又は停止予定であることから干渉が予測される場合、干渉の継続期間中、一時停止が計画されてもよい。別の実施形態では、干渉又は減衰により、チャネルがより少ない容量を有する場合に、より小さい帯域幅を必要とすることができるように、通信が予定されてもよい。

複数の実施形態では、インバータライゼーション（ｉｎｖｅｒｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）又はインバータ内の駆動アルゴリズムを、埋込マイクロコントローラによって完全に制御することができるので、インバータによってＰＷＭに変換されるパルス電流をプルすることによって、アクチュエータの電源側で生じたノイズパターンに特別な注意を払うことができる。電源ライン上で通信の質を向上させるために、ＰＷＭアルゴリズムは、電源ライン上の誘導外乱を最小限に抑えること、及び必要とされる通信チャネルの特定のサイドバンドを遮断することを試みることができる。これは、最適化ＰＷＭ変調スキームによって、又はＰＷＭが中断され、及び中央制御装置のアプリケーションと異なるドライバとの間の、又はドライバ間のノード間通信に低減されたノイズ環境を与えることができる特定のタイムスロットを用意しておくことによって、実現することができる。ＰＷＭ変調は、モータ側の異なる負荷状況に応じて、ノイズ全体が減少する（及びその結果、非常に広い周波数範囲に対してデータ送信が可能である）、又は専用周波数領域／帯域のノイズが大幅に減少されることによって、厳密にこれらの保護帯域におけるデータ送信が非常に低い外乱を有して生じ得るように、電源に対する誘導ノイズの制御が行われる方法で最適化されてもよい。このようにして、高信頼通信を保証することができる。

図９は、２つの物理チャネルが通信に利用可能である一実施形態を示す。一方のチャネルは、電源ライン９２０上の電力線通信であり、他方は、アンテナ９１６及び９３６を用いた無線通信である。この実施形態では、中央制御装置９３０及び９１０などのドライバが、通信にどのチャネルが使用されるかに関して同意しなければならない。通信アクタは、どのチャネルを使用するかの決まった選択肢を有してもよいし、あるいは、一方のチャネルから他方のチャネルへと動的に切り替えてもよい。アクタ間の通信は、常に共用チャネルにわたってもよいし、又は１つのチャネルを使用する特定のドライバ及び別のチャネルを使用するその他のドライバが存在してもよい。例として、無線通信チャネルが使用中であり、且つすぐ近くのアーク溶接から干渉が生じる場合、アクティブなドライバは、電力線通信に切り替えてもよく、又は全てのアクタが、電力線通信に切り替えてもよい。

暗号化は、一部又は全通信の一部でもよい。暗号化は、悪意のあるアクタを前にして、通信及び制御のインテグリティをさらに良く保証するために、望ましい、又は必要とされる場合がある。

ある実施形態では、暗号化は、対称暗号を用いてもよい。ＡＥＳ又はトリプルＤＥＳなどの暗号化が使用されてもよい。非対称暗号を用いて、通信セッションが開始されてもよく、又は既知の秘密鍵を用いて、通信が開始されてもよい。暗号化は、ロボットシステムの全体に共通鍵を使用してもよいし、又は別のドライバ及び中央制御装置に対して別のセッションが存在してもよい。

上記の実施形態に記載された拡張可能ロボットシステムは、構成可能ロボットシステムの基礎として機能することができる。ある実施形態では、製造拠点／工場が、従来の製造ラインを、行われるべきタスクに応じて構成することができる単一の製造デバイスに置き換える。この実施形態におけるモジュラーロボットアプローチは、このような構成可能な製造アプローチの基礎となる。

ある実施形態では、構成可能又はモジュラーロボットシステムが、それ自体を構成してもよく、又は２つの隣接するシステムが、互いを構成してもよい。これは、ロボットシステムが行う必要があるタスクに応じて行うことができる。この実施形態は、「ホットプラグ」可能なアクチュエータを含んでもよい。このような実施形態は、共通の直流バスを使用してもよく、及び制御装置の柔軟な構成から恩恵を受けることができる。ある実施形態は、代替的に交流バスを使用してもよく、これは、アクチュエータが電源に接続された際に、アークの発生が少ない、又は全くないという「ホットプラグ」アクチュエータの利点をもたらすことができる。

ある実施形態では、図９に示されるような無線機能を用いて、アクチュエータを識別することができる。このような実施形態では、アクチュエータの選択が、ロボットシステムの交換可能構成要素として利用可能であってもよい。中央制御装置は、シェルフ（現在使用されていないアクチュエータが保管される場所）からマシンの適切な部品を選択することが可能であってもよい。この実施形態では、無線接続性が、適切な部品の識別を可能にすることができ、及び中央制御装置が、アクチュエータが使用可能であるかどうか（既知の損傷／必要とされるメンテナンスがあるか－例えば、ドリルビットが古く、取り換えが必要であるなど）をチェックすること、並びにロボットシステム内でそれの適切な設置及び調整を行うことを可能にすることができる。電力線通信を用いる一実施形態では、部品は、電源バス上の通信によって識別することができる。

無線通信を用いたある実施形態では、ロボットシステムの電源がアクチュエータに接続される前に、モータの組み合わせにおける新しい部品又は機能を登録する可能性が存在し得る。この実施形態では、「シェルフ上」又は保管中のアクチュエータは、それがロボットシステムに電気的に接続されることなく無線で通信することを可能にするために、代替の電源接続を有していてもよい。

ある実施形態では、製作されるべき部品の設計者が、２つのデータセットを生成してもよい。第１のセットは、製作されるべき部品の製造を成し遂げるためのロボットシステムの構成（例えば、材料金属、全体のサイズｘｙｚ、ＣＮＣアプローチ、ドリルで開ける穴、３Ｄプリントアプローチによって塗布される追加のプラスチック）、及びマシンがそれ自体をどのように構成しなければならないかに関する情報でもよい。第２のデータセットは、部品を製作するためにマシンが使用する生設計データ（正確な寸法及び座標、ステップの順序など）でもよい。

このような実施形態では、両データセットを工場に転送することができる。工場を運営する第三者による設計データの誤用が不可能であることを保証するために、このデータは、例えば、別個の鍵を使用して、マシン構成データとは別に、且つ異なるように暗号化されてもよい。マシン構成データは、例えば、問題が生じた際に、そこで働く整備士がデバッギングを行うことができるように、ワークセルの外でも、広く利用可能でなければならない場合がある。一方、生設計データは、分散がはるかに限られる場合があり、例えば、それは、ワークセルを離れることがない場合があり、又は中央制御装置を離れることがない場合があり、又はドライバを離れることがない場合がある。

上記の説明から、本出願に記載された概念の範囲から逸脱することなく、それらの概念を実施するために様々な技術を使用することが可能であることが明示される。さらに、これらの概念は、特定の実施態様を具体的に参照して説明されているが、当業者は、それらの概念の範囲から逸脱することなく、形式及び詳細における変更が可能であることを認識するだろう。従って、記載の実施態様は、あらゆる局面で、限定的ではなく、例示的なものと見なされるものである。また、本出願は、本明細書に記載の特定の実施態様に限定されず、本開示の範囲から逸脱することなく、多くの再配置形態、変更形態、及び置換形態が可能であることが理解されるものとする。

「下に（ｕｎｄｅｒ）」、「下方に（ｂｅｌｏｗ）」、「下部の（ｌｏｗｅｒ）」、「上に（ｏｖｅｒ）」、「上部の（ｕｐｐｅｒ）」などといった空間的な相対語は、ある要素の第２の要素に対するポジショニングを説明するための記載を簡単にするために使用される。これらの用語は、図に描かれたものとは異なる配向に加えて、デバイスの異なる配向を網羅することが意図される。さらに、「第１の」、「第２の」などといった用語も、様々な要素、領域、部分などを説明するために使用され、同様に限定的であることが意図されない。明細書全体を通して、同様の用語が、同様の要素を指す。

本明細書では、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「包含する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの用語は、記載された要素又は特徴の存在を示すが、追加の要素又は特徴を除外しないオープンエンドの用語である。冠詞「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上明らかにそうではない場合を除き、単数だけでなく複数を包含することが意図される。

例示的実施形態を参照して本発明を説明したが、この説明は、限定的な意味で解釈されることは意図されない。例示的実施形態の様々な変更形態及び組み合わせ、並びに本発明の他の実施形態が、本明細書を参照すれば、当業者には明らかとなるだろう。従って、添付の特許請求の範囲が、このような変更形態又は実施形態を網羅することが意図される。

１０１、１１０、２１０、３１０、９１０ ドライバ
１０２、４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ アクチュエータ
１１１ 直流－交流変換器
１２０ 電源接続
１３０、３３０、４３０、５３０、９３０ 中央制御装置
１４０、４４０ 電源
２１２、４１２ａ マイクロコントローラ
２１３、５４０ トランシーバ
３１６ アームセンサ
３２０ 電源バス
３５０ ワークセルセンサ
３６１ エフェクタモータ
３６２ 軸モータ
４１１ａ インバータ
４１４ａ モータ
４２０、５２０、５２１、９２０ 電源ライン
４２５、５２５ 通信チャネル
６００ 通信メッセージ又はデータグラム
７８１、７８２、７８３ サブキャリア
８３３、８７０ 一時停止
８５１ メッセージ
８５２ ＰＷＭパルス
８７１ メッセージ又はデータグラム
８７２、８７３、８７４ データグラム
９１６、９３６ アンテナ

Claims (16)

1. １つ又は複数の中央制御装置が、通信チャネル上で、少なくとも１つのアクチュエータドライバと通信し、前記通信チャネルが、アクチュエータによって引き起こされる干渉に曝され、前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正される、ロボットシステムであって、
   前記少なくとも１つのアクチュエータの次の動作に基づいて、前記通信が修正される、ロボットシステム。
2. １つ又は複数の中央制御装置が、通信チャネル上で、少なくとも１つのアクチュエータドライバと通信し、前記通信チャネルが、アクチュエータによって引き起こされる干渉に曝され、前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正される、ロボットシステムであって、
   モータ又は他のアクチュエータの始動又は停止を遅延させることによって、前記動作が修正される、ロボットシステム。
3. 前記遅延が、所定の継続期間を有する、請求項２に記載のロボットシステム。
4. １つ又は複数の中央制御装置が、通信チャネル上で、少なくとも１つのアクチュエータドライバと通信し、前記通信チャネルが、アクチュエータによって引き起こされる干渉に曝され、前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正される、ロボットシステムであって、
   モータ又は他のアクチュエータの動作パラメータを変更することによって、前記動作が修正される、ロボットシステム。
5. １つ又は複数の中央制御装置が、通信チャネル上で、少なくとも１つのアクチュエータドライバと通信し、前記通信チャネルが、アクチュエータによって引き起こされる干渉に曝され、前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正される、ロボットシステムであって、
   選択された周波数又は周波数範囲の少なくとも１つを用いて前記通信が修正される、ロボットシステム。
6. １つ又は複数の中央制御装置が、通信チャネル上で、少なくとも１つのアクチュエータドライバと通信し、前記通信チャネルが、アクチュエータによって引き起こされる干渉に曝され、前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正される、ロボットシステムであって、
   前記修正の期間が予め決定されている、ロボットシステム。
7. 前記通信チャネル及び電源が、少なくとも１つの共通の線を使用する、請求項１から６の何れか一項に記載のロボットシステム。
8. １つ又は複数の前記通信チャネルが、暗号化を使用する、請求項１から７の何れか一項に記載のロボットシステム。
9. 請求項１から８の何れか一項に記載のロボットシステムの何れかで使用するために構成されたドライバであって、１つ又は複数の中央制御装置が、通信チャネル上で、少なくとも１つのアクチュエータドライバと通信し、前記通信チャネルが、アクチュエータによって引き起こされる干渉が存在し得、並びに前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正されるシステムで使用するために構成されたドライバ。
10. 請求項１から８の何れか一項に記載のロボットシステムの何れかで使用するために構成された制御装置であって、１つ又は複数の中央制御装置が、通信チャネル上で、少なくとも１つのアクチュエータドライバと通信し、前記通信チャネルが、アクチュエータによって引き起こされる干渉が存在し得、並びに前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正されるシステムで使用するために構成された制御装置。
11. １つ又は複数の中央制御装置が、通信チャネル上で、少なくとも１つのアクチュエータドライバと通信し、前記通信チャネルが、アクチュエータによって引き起こされる干渉が存在し得、並びに前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正されるシステムで使用するために構成されたドライバであって、
    前記ドライバが、モータ又は他のアクチュエータを起動させる前に、中央制御装置にこれから先に生じる干渉を報知する、ドライバ。
12. 前記ドライバが、共用通信チャネルを使用して別のドライバと通信する、請求項９又は１１に記載のドライバ。
13. 少なくとも１つのアクチュエータによって引き起こされる干渉を、１つ又は複数の通信チャネル上で受けるロボットシステムにおける通信の方法であって、前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正され、
    前記通信が、所定の継続期間の一時停止により修正される、方法。
14. 少なくとも１つのアクチュエータによって引き起こされる干渉を、１つ又は複数の通信チャネル上で受けるロボットシステムにおける通信の方法であって、前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正され、
    選択された周波数又は周波数範囲の少なくとも１つを用いて前記通信が修正される、方法。
15. 少なくとも１つのアクチュエータによって引き起こされる干渉を、１つ又は複数の通信チャネル上で受けるロボットシステムにおける通信の方法であって、前記通信及び前記アクチュエータの動作の少なくとも一方が、生じる干渉を見越して、高信頼通信を保証することができるように修正され、
    モータ又は他のアクチュエータの始動又は停止を遅延させることによって、前記アクチュエータの前記動作が修正される、方法。
16. 前記遅延が、所定の継続期間を有する、請求項１５に記載の方法。

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