KR20150013057A - 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

적어도 하나의 출력 부재 (1) 를 갖는 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 본 발명에 따른 방법은 단계들을 포함한다:
브레이크 (5.1 ~ 5.4) 를 통해 상기 출력 부재에 제동력을 가하는 단계; 그리고 이때
상기 제동력에 의해 좌우되는 상기 출력 부재의 동적 변수를 기반으로 하여, 상기 출력 부재에 작용하는 드라이브 (4.1 ~ 4.4) 의 구동력, 및/또는 상기 제동력을 제어하는 단계.

Description

로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR BRAKING A ROBOT AXIS ARRANGEMENT}

본 발명은 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법, 로봇축 배열체, 이러한 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.

로봇은 하나 또는 다수의 로봇(운동)축을 갖는 로봇축 배열체를 구비한다. 로봇을 움직이기 위해 그리고 예컨대 TCP (“Tool Center Point”) 와 같은 로봇에 고정된 기준점과 함께, 미리 정해져 있는 경로를 따라가기 위해, 로봇축들은 드라이브 (drive) 에 의해 작동된다. 축을 제동시키기 위해, 정상 작동시 상기 드라이브는 역방향의 구동 모멘트를 가한다.

추가적으로, 에너지가 없는 드라이브에 있어서 정지하고 있는 축을 고정하기 위해 로봇축은 브레이크 (brake) 를 구비할 수 있다.

작동 예외에 있어서, 예컨대 비상정지 (emergency stop) 시, 기업 내부적 실무에 따르면 상기 드라이브는 에너지 공급으로부터 분리되고, 동시에 이 추가적인 브레이크는 축을 빨리 그리고 신뢰성 있게 정지시키기 위해 재빨리 폐쇄된다. 이때, 로봇의 구조, 및/또는 일반적으로 상기 정지하고 있는 축을 고정하기 위해서만 설계된 브레이크는 동력학적으로 부하를 많이 받을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제동 작용이, 특히 제조 허용오차 및/또는 조립 허용오차를 근거로, 분산될 수 있고, 이렇게 높은 부하를 초래할 수 있다.

본 발명의 목적은 로봇축 배열체의 제동을, 특히 정지까지, 개선시키는 것이다.

이 목적은 청구항 1 의 특징들을 갖는 방법을 통해 달성된다. 청구항 9 는 상응하는 로봇축 배열체를 보호하에 두고, 청구항 14 는 이러한 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램 제품, 특히 기계에 의해 읽어내질 수 있는 데이터 캐리어 (data carrier) 를 보호하에 둔다. 종속항들은 바람직한 개선들에 관한 것이다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 로봇축 배열체는 하나 또는 다수의 로봇, 특히 적어도 하나의 6축 또는 다축 산업용 로봇 또는 경량 로봇의 하나의 유일한 또는 다수의, 특히 모든 로봇축을 포함한다.

로봇축은 출력 부재를 구비하며, 상기 출력 부재는 일 실시에 있어서 회전 불가능하게 및/또는 축방향으로 고정되어 한 로봇 부재와 지속적으로 또는 탈착 가능하게 연결된다. 특히, 상기 한 로봇 부재는 상기 출력 부재를 이용해 회전 가능하게 및/또는 이동 가능하게 그 밖의 로봇 부재에 지지될 수 있고 및/또는 그에 대해 움직일 수 있다.

상기 로봇축은 상기 출력 부재에 구동력을 가하기 위한 드라이브를 구비한다. 상기 드라이브는 특히 하나 또는 다수의, 특히 기계적으로 병렬로 또는 직렬로 커플링된, 전기모터를 구비할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 드라이브는 기어, 특히 스퍼 기어, 바람직하게는 유성 기어, 및/또는 탄성적 전달요소를 갖는 파동 기어 또는 스트레인 웨이브 기어 (“Strain Wave Gear”SWG), 특히 이른바 하모닉 드라이브 기어를 구비할 수 있다. 상기 출력 부재는 특히 상기 드라이브의 전기모터의 회전자 또는 고정자, 또는 상기 드라이브의 기어의 출력 샤프트, 특히 외부링을 포함할 수 있고, 특히 그일 수 있다.

상기 로봇축은 상기 출력 부재에 제동력을 가하기 위한 추가적인 브레이크를 구비한다. 상기 브레이크는 특히 상기 출력 부재를 고정하기 위한 정지 유지 브레이크 (holding brake) 일 수 있다. 일 실시에 있어서, 상기 브레이크는 에너지 없이 폐쇄되는 브레이크이며, 상기 브레이크는 정상 작동시에는 적어도 하나의 전자석의 능동적 작동, 예컨대 에너지 공급을 통해 개방 또는 해제되거나 또는 개방 또는 해제되어 있다. 상기 브레이크는 특히 (전기)기계식, 유압식 또는 공압식 브레이크를 구비할 수 있고, 특히 그일 수 있다. 일 실시에 있어서, 상기 브레이크는 2개의 브레이크 부재를 서로 조이기 위한 스프링 수단, 및 상기 브레이크 부재들을 서로 이격시키기 위한 또는 상기 브레이크의 능동적 해제를 위한 특히 전자기식 및/또는 전동식 액추에이터를 구비한다. 일 실시에 있어서 상기 브레이크는 구동모터와 구동기어 사이에 배치되고, 다른 실시에 있어서는 구동모터의, 기어로부터 멀리 향하는 측에 또는 구동기어의, 모터로부터 멀리 향하는 측에 배치된다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 로봇축 배열체는 상기 로봇축 배열체의 하나의 유일한 또는 다수의, 특히 모든 축의 구동력 및/또는 제동력을 제어하기 위한 제어수단을 구비한다.

본 발명의 의미에서의 수단은 하드웨어 및/또는 소프트웨어 기술적으로 형성될 수 있고, 특히, 바람직하게는 메모리 시스템 및/또는 버스 시스템과 데이터 연결된 및/또는 신호 연결된, 특히 디지털식의 처리유닛, 특히 마이크로프로세서유닛 (CPU) 및/또는 하나 또는 다수의 프로그램 또는 프로그램 모듈을 구비할 수 있다. 상기 CPU 는 메모리 시스템 안에 저장된 프로그램으로서 구현된 명령들을 처리하기 위해, 데이터 버스로부터의 입력신호들을 검출하기 위해 및/또는 출력신호들을 데이터 버스에 넘겨주기 위해 형성될 수 있다. 메모리 시스템은 하나 또는 다수의, 특히 여러 가지의 저장매체, 특히 광학적, 자기적, 고체 매체 및/또는 다른 비휘발성 매체를 구비할 수 있다. 상기 프로그램은 여기에 기술된 방법을 구현하거나 또는 실행할 수 있도록 성질을 가질 수 있고, 따라서 상기 CPU 는 이러한 방법들의 단계들을 실행할 수 있고, 이로써 특히 축 드라이브(들) 및/또는 브레이크(들) 을 제어할 수 있다.

상기 제어수단은 특히 상기 로봇축 배열체의 축들을 갖는 로봇의 로봇 제어기일 수 있다. 마찬가지로, 상기 제어수단은 단지 하나의 유일한 축의 구동력 및/또는 제동력을 제어하기 위해 형성되고, 로봇 부재 안에 배치되고, 상기 로봇 부재 안에 상기 드라이브 및/또는 상기 브레이크가 배치될 수 있다. 이를 통해, 긴 통신경로들이 저지되고, 높은 부하를 저지 또는 감소시키기 위한 제어가 축별로 그리고 바로 수행될 수 있다.

제어란 본 발명의 의미에서 특히 오로지 미리 정해져 있는 일차원 또는 다차원 변수만을 기반으로 한 명령 또는 작동 ("feedforward control") 을 말한다. 바람직한 실시에 있어서, 제어란 본 발명의 의미에서 특히 조절일 수도 있고, 즉 미리 정해져 있는 일차원 또는 다차원 변수와 검출된 현재 변수와의 비교를 기반으로 한 명령 또는 작동 ("feedback control") 일 수도 있다. 둘 다 본 경우 설명을 간단히 하기 위해 일반적으로 제어라고 불리운다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 로봇축 배열체를 제동시키기 위해, 특히 상기 제어수단을 통해, 하나 또는 다수의 출력 부재에, 이 출력 부재(들) 에 작용하는 브레이크(들) 을 통해 각각 제동력이 가해진다. 상기 제동력은 특히 움직여진 출력 부재에 가해질 수 있는데, 왜냐하면 그를 제동시키기 위해서이고, 특히 정지시키기 위해서이다. 일 실시에 있어서, 제동력은 작동 예외를 기반으로 하여 가해진다. 본 발명의 의미에서의 작동 예외란 특히 정상 작동에서 벗어나는, 특히 미리 정해져 있는 작업경로의 주행에서 벗어나는 상태일 수 있고, 특히 안전 감시의 또는 그와 같은 것의, 예컨대 비상정지로 인한, 계획에 없는 정지일 수 있다.

그러므로, 일 실시에 있어서, 추가적인 브레이크, 특히 정지 유지 브레이크는 예컨대 비상정지로 인해 로봇의 적어도 하나의 축을 제동시키기 위해, 특히 정지시키기 위해 폐쇄된다.

특히 이러한 상황에서, 로봇의 구조 및/또는 브레이크(들)의 구조, 특히 지지 및/또는 고정은 종래에는 동력학적으로 부하를 많이 받을 수 있고: 브레이크가 걸리면, 상기 출력 부재는 축의, 특히 높은 속도로 움직이는 육중한 로봇 부재의, 또는 그와 연결된 그 밖의 로봇 부재들의 완전한 관성에 의해 단기적으로 부하를 받는다. 이때, 특히 제조 허용오차 및/또는 조립 허용오차를 근거로, 제동 작용은 비교적 큰 범위에 있어서 분산될 수 있고, 따라서 개별적인 브레이크들에 있어서 매우 높은 부하가 발생할 수 있다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 폐쇄된 브레이크에 있어서 또는 각각의 추가적인 브레이크에 의한 하나 또는 다수의 축 또는 출력 부재의 제동시, 특히 상기 축의 정지까지 전체 제동 동안, 또는 제동 동안의 적어도 일부 섹션들에서, 상기 출력 부재에 작용하는 각각의 드라이브의 구동력은 제동력에 의해 좌우되는 상기 출력 부재의 동적 변수 (dynamic variable) 를 기반으로 하여 제어된다. 개선에 있어서, 구동력은 추가적으로 각각의 추가적인 브레이크에 의한 축(들) 또는 출력 부재들의 제동 전에 및/또는 후에도, 또는 추가적으로, 특히 관성에 의해 또는 오류에 의해, 아직 개방되지 않은 또는 이미 다시 개방된 브레이크에 있어서도, 제동력에 의해 좌우되는 상기 출력 부재의 동적 변수를 기반으로 하여 제어된다.

일 실시에 있어서, 감속 그리고 이로써 구조의 부하 및/또는 브레이크의 부하를 감소시키기 위해, 즉 제동 작용을 저지하기 위해, 상기 드라이브는, 제동 동안의 적어도 일부 섹션들에서, 상기 브레이크에 대해 역방향으로 또는 축을 가속화하면서 제어된다. 상기 출력 부재 안에서 구동력과 제동력이 합산되기 때문에, 전체 부하가 이로 인해 상응하여 감소될 수 있다. 다른 실시에 있어서, 마찬가지로 제동 작용을 가하기 위해 그리고 이로써 브레이크의 부하를 감소시키기 위해, 상기 드라이브는, 제동 동안의 적어도 일부 섹션들에서, 상기 브레이크에 대해 동일한 방향으로 또는 축을 감속시키면서 제어된다. 개선에 있어서, 이 두 실시는 조합될 수 있고 또는 상기 드라이브는 제동의 적어도 하나의 섹션 동안에는 상기 브레이크에 대해 역방향으로 제어될 수 있고, 이와 다른 또는 시간적으로 간격을 둔 제동의 적어도 한 섹션에서는 상기 브레이크에 대해 동일한 방향으로 제어될 수 있다. 이를 통해, 일 실시에 있어서, 특히 상기 브레이크가 예컨대 가열로 인해 높은 제동력을 가하고, 이렇게 특히 로봇에 부하를 주는 섹션에서는 그의 제동 작용 그리고 이로써 부하가 감소될 수 있고, 예컨대 아직 차가운 브레이크가 적은 제동력을 가하고, 이렇게 특히 제동거리를 길게 하는 다른 섹션에서는 그의 제동 작용이 증폭되고, 이렇게 제동거리가 짧아질 수 있다. 마찬가지로, 다른 실시에 있어서, 역방향으로 작용하는 드라이브에 의한 증가된 마모 및/또는 제동거리를 길게 함을 저지하기 위해, 상기 브레이크에 대한 상기 드라이브의 동일한 방향으로의 작용만 또는 제동력 증폭만 제공될 수 있다.

상기 브레이크가 개방된 상태와 폐쇄된 상태 사이에서만 전환될 수 있는 (그의 제동력을 그 사이에 정해줄 수 없고) 바이너리 (binary) 브레이크이면 구동력의 제어는 특히 바람직할 수 있다.

구동력의 제어에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일 실시에 있어서 특히 축의 정지까지의 전체 제동 동안, 또는 제동 동안의 적어도 일부 섹션들에서, 상기 출력 부재에 작용하는 각각의 브레이크의 제동력은 상기 제동력에 의해 좌우되는 상기 출력 부재의 동적 변수를 기반으로 하여 제어되고, 특히 구동력을 제어하는 데에도 기반이 되는 동적 변수를 기반으로 하여 제어된다. 즉, 일 실시에 있어서, 구조의 부하 및/또는 브레이크의 부하를 감소시키기 위해, 제동력은 제한될 수 있거나 또는, 적어도 일부 단계들에서, 감소될 수 있다.

구동력 및/또는 제동력의 상응하는 제어를 통해, 일 실시에 있어서 로봇축의, 특히 최대의, 감속이 감소될 수 있다. 이는 특히 빨리 움직여진 축들의 정지시 구조의 부하 및/또는 브레이크의 부하를 감소시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제동 작용은 드라이브와 브레이크에 분배될 수 있고, 이렇게 브레이크 자체에 부하가 줄어들 수 있다.

일 실시에 있어서, 상기 일차원 또는 다차원 동적 변수는, 상기 출력 부재에 작용하는 또는 그 안에서 작용하는 또는 그에 의해 가해지는 힘을 포함할 수 있고, 특히 그일 수 있다. 본 발명의 의미에서의 힘은 일 실시에 있어서 우력, 즉 토크를 포함할 수 있고, 특히 그일 수 있으며, 설명을 간단히 하기 위해 토크는 본 경우 일반적으로 힘이라고 불리운다.

구동력 및/또는 제동력이 상기 출력 부재의 힘을 기반으로 하여 제어됨으로써, 이 힘 그리고 이로써 로봇의 구조의 부하 및/또는 브레이크의 부하도 감소될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 상기 동적 변수는 상기 출력 부재의 일차원 또는 다차원 운동변수를 포함할 수 있고, 특히 그일 수 있으며, 특히 속도 ω(t), 가속도 dω/dt, 저크 d²ω/dt² 및/또는 보다 높은 시간도함수일 수 있다. 브레이크에 의한 제동시의 부하는 감속에 의해 좌우되고, 특히 속도 진행에 의해, 또는 이때 발생하는 갑작스런 움직임 또는 가속도 변화에 의해 좌우된다. 그러므로, 특히 모델을 기반으로 하여, 운동변수의 검출을 통해서도 부하가 추정될 수 있고 또는 운동변수를 기반으로 한 제어를 통해 부하가 감소될 수 있다.

일 실시에 있어서, 구동력 및/또는 제동력은 상기 동적 변수와 미리 정해져 있는 한계값 사이의 차이를 기반으로 하여 제어되고, 특히 상기 한계값의 양적 초과가 저지되도록, 짧아지도록 및/또는 감소되도록 제어된다. 개선에 있어서, 상기 일차원 또는 다차원 한계값은 상기 출력 부재의 미리 정해져 있는 최대 부하, 특히 최대 힘, 특히 최대 토크를 포함할 수 있고, 특히 그일 수 있다. 그러면, 일 실시에 있어서 상기 드라이브 및/또는 상기 브레이크는, 실제 또는 현재 부하가 이 최대 부하를 제동 동안 초과하지 않도록, 단기적으로만 초과하도록 또는 가능한 한 조금 초과하도록 제어될 수 있다. 최대 토크는 일 실시에 있어서 경량 로봇에 있어서는 최대한 1000 Nm, 특히 600 Nm, 바람직하게는 최대한 100 Nm 일 수 있다. 특히 산업용 로봇에 있어서는, 최대 토크는 일 실시에 있어서 최대한 50,000 Nm, 특히 최대한 10,000 Nm 일 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 상기 한계값은 상기 출력 부재의 미리 정해져 있는 일차원 또는 다차원 최대 운동변수, 특히 가속도를 포함할 수 있고, 특히 그일 수 있다. 그러면, 일 실시에 있어서, 상기 드라이브 및/또는 상기 브레이크는, 실제 또는 현재 운동변수가 이 최대값을 제동 동안 양적으로 초과하지 않도록, 단기적으로만 초과하도록 또는 가능한 한 조금 초과하도록 제어될 수 있다.

상기 한계값은 고정적으로 미리 정해질 수 있고, 조절 가능하고 또는 가변적일 수도 있다. 일 실시에 있어서, 상기 한계값은, 상기 출력 부재에 작용하는 또는 상기 출력 부재 안에서 작용하는 또는 그에 의해 가해져야 하는 힘, 특히 목표 제동모멘트를 포함할 수 있다. 그러므로, 설명을 간단히 하기 위해, 달성되어야 하는 목표값도 일반적으로 한계값이라고 불리운다.

개선에 있어서, 상기 한계값은 상기 출력 부재의 운동변수를 기반으로 하여, 특히 상기 출력 부재의 목표 운동변수와 현재 운동변수 사이의 차이를 기반으로 하여 미리 정해진다. 특히, 목표 회전수를 달성하기 위해, 특히 회전수를 영으로 감소시키기 위해, 바람직하게는 제동 경사면을 따라가기 위해, 회전수 조절기는 목표 제동모멘트를 정해줄 수 있다. 그러면, 상기 한계값, 특히 이 목표 제동모멘트와 상기 출력 부재에 작용하는 또는 그 안에서 작용하는 또는 그에 의해 가해진 힘 사이의 차이를 기반으로 하여 구동력 및/또는 제동력이 제어된다.

일 실시에 있어서, 구동력 및/또는 제동력은 상기 동적 변수와 미리 정해져 있는 한계값 사이의 차이에 비례하여 및/또는 이 차이의 시간도함수 및/또는 시간 적분에 비례하여 제어될 수 있고, 즉 특히 비례, 적분 및/또는 미분 조절을 통해 제어될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 구동력 및/또는 제동력은 상기 로봇축 배열체의 모델을 기반으로 하여 제어될 수 있다. 이를 통해, 일 실시에 있어서 상기 로봇축 배열체의 동역학, 특히 그의 관성이 고려될 수 있다.

일 실시에 있어서, 상기 동적 변수는 안전한 기술로 검출되고, 특히 리던던트하게 (redundantly), 바람직하게는 다양하게 (diversely) 검출된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 구동력 및/또는 제동력은 안전한 기술로 제어될 수 있고, 또는 적어도 구동력 및/또는 제동력을 제어하기 위한 제어변수들, 특히 목표값 및/또는 조절값은 안전한 기술로 검출될 수 있다. 구동력 및/또는 제동력을 안전한 기술로 제어하는 동안 안전한 드라이브들 또는 브레이크들이 전제된다면, 안전한 기술로 검출된 제어변수들을 근거로 바람직하게는 보다 적은 비용을 들여 확실한 감시가 이미 실현될 수 있다. 바람직하게는, 구조의 부하 및/또는 브레이크(들) 의 부하를 조기에 조절하기 위해, 구동력 및/또는 제동력은 적어도 100 Hz, 특히 적어도 1 kHz, 바람직하게는 적어도 10 kHz 의 주파수를 써서 제어된다.

특히, 제동력과 구동력은 병렬 분기들 (branches) 에 있어서 또는 병렬 채널들을 통해 제어될 수 있고, 따라서 한 분기 또는 채널의 고장시 다른 분기 또는 채널이 계속해서 로봇축(들) 을 제동시킬 수 있다. 예컨대 브레이크가 고장나면, 드라이브가 홀로 로봇축(들) 을 제동시킬 수 있고, 특히 정지시킬 수 있다. 반대로, 드라이브가 고장나거나 또는 오류를 갖게 될 경우에는, 브레이크가 홀로 로봇축(들) 을 제동시킬 수 있다.

상기 드라이브 및/또는 상기 브레이크는 일 실시에 있어서 안전한 기술로 감시될 수 있고, 특히 상기 드라이브에 의해 및/또는 상기 브레이크에 의해 가해진 힘 및/또는 상기 출력 부재의 운동변수, 특히 속도가 감시될 수 있다. 이 감시는 특히 상기 드라이브에 의해 또는 상기 브레이크에 의해 가해진 힘 및/또는 상기 출력 부재의 운동변수와 예상값, 특히 미리 정해져 있는 한계값 사이의 차이값의 형성, 및 이 차이값과 역치와의 비교를 포함할 수 있다. 이 역치를 초과할시, 일 실시에 있어서 병렬하는 두 액추에이터 중 하나는 축을 정지시키기 위해 힘이 없이 스위칭된다. 이는 특히 상기 브레이크의 해제를 통해 또는 상기 드라이브의 에너지 공급의 분리를 통해 수행될 수 있다.

일 실시에 있어서, 상기 로봇축 배열체는 하나 또는 다수의 출력 부재의 동적 변수를 검출하기 위한 검출수단을 구비한다. 상기 검출수단은 특히 일 실시에 있어서 상기 출력 부재와 작용적으로 연결된, 특히 그에 고정된 힘센서, 바람직하게는 토크센서를 구비할 수 있고, 특히 그일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 검출수단은 특히 일 실시에 있어서 상기 출력 부재와 작용적으로 연결된, 특히 그에 고정된 관절 위치 센서 및/또는 속도 센서 및/또는 가속도 센서, 바람직하게는 회전각 센서를 구비할 수 있고, 특히 그일 수 있다.

일 실시에 있어서, 상기 검출수단은 출력측에, 특히 상기 드라이브의 기어의, 모터로부터 멀리 향하는 측에 및/또는 상기 브레이크의, 모터 및/또는 기어로부터 멀리 향하는 측에 배치되고, 특히 상기 출력 부재와, 그에 의해 움직여지는 로봇 부재, 예컨대 로봇 로커암 또는 핸드 사이에 배치된다.

그 밖의 장점들과 특징들은 종속항들 및 실시예들에 나타나 있다.

도 1 은 본 발명의 실시에 따른 로봇축 배열체의 부분의 부분 도식도이다.
도 2 는 본 발명의 실시에 따른 도 1 의 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법의 부분 도식도이다.
도 3 은 본 발명의 그 밖의 실시에 따른 도 1 의 로봇축 배열체의 제어수단의 부분의 부분 도식도이다.
도 4 는 도 1 의 로봇축 배열체 안에서의 토크의 진행들의 부분 도식도이다.

도 1 은 본 발명의 실시에 따른 로봇축 배열체의 축 (A) 을 나타낸다. 상기 축은 예컨대 6축 또는 다축 산업용 로봇 또는 경량 로봇의 기본축 또는 암축 (arm axis) 일 수 있다. 그 밖에 도시되지 않은 로봇의 그 밖의 축들은 동일한 방식으로 구성되고, 도시된 축 (A) 과 관련하여 하기에서 설명하는 바와 같이 제동될 수 있거나 또는 제동되어 있을 수 있다.

상기 로봇축은 축 드라이브의 기어 (4.3, 4.4) 의 출력 샤프트 (1) 형태의 출력 부재를 구비하고, 상기 출력 샤프트는 회전 불가능하게 그리고 축방향으로 고정되어 로봇 부재 (2.1) 와 연결되고, 상기 로봇 부재는 상기 출력 샤프트를 이용해 베어링 (3) 을 통하여 회전 가능하게 그 밖의 로봇 부재 (2.2) 에 지지된다.

상기 출력 샤프트에 구동력을 가하기 위해, 고정자 (4.1) 와 회전자 (4.2) 를 갖는 전기모터가 제공되고, 상기 전기모터는 기어의 톱니바퀴들 (4.3, 4.4) 을 통해 출력 샤프트 (1) 와 커플링된다.

상기 출력 샤프트에 제동력을 가하기 위해, 브레이크 디스크 (5.2) 형태의, 회전자에 고정된 브레이크 부재와 브레이크 패드 (5.3) 들 형태의 다수의 부분으로 이루어진 브레이크 부재를 서로 조이기 위한 스프링 수단 (5.1), 및 브레이크 부재들 (5,2, 5.3) 을 서로 이격시키기 위한 또는 브레이크의 능동적인 조절된 해제를 위한 전자기식 액추에이터 (5.4) 를 갖는 추가적인 브레이크가 구동모터 (3.1, 3.2) 의 기어로부터 멀리 향하는 측 (도 1 에서 오른쪽) 에 배치된다.

도시되지 않은 변경에 있어서, 상기 브레이크는 구동모터와 기어 사이에 배치되거나 또는 구동기어의, 모터로부터 멀리 향하는 측에 (도 1 에서 왼쪽) 배치될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 기어는 하모닉 드라이브 기어로서 형성될 수 있다.

상기 브레이크는 에너지 없이 폐쇄되는 브레이크로서 출력 샤프트 (1) 를 고정하기 위한 정지 유지 브레이크로서 형성되고, 상기 브레이크는 정상 작동시에는 전자석 (5.4) 의 에너지 공급을 통해 개방되거나 또는 해제된다.

상기 로봇의 축 (A) 의 구동력 및/또는 제동력을 제어하기 위한 제어수단은 축 제어기 (6) 안에 구현되고, 상기 축 제어기는 그 밖의 로봇 부재 (2.2) 안에 배치되고, 상기 그 밖의 로봇 부재 안에 상기 드라이브와 상기 브레이크가 배치된다.

토크 (T) 형태의 동적 변수를 검출하기 위한 토크센서 (7) 형태의 검출수단은 로봇 부재 (2.1) 와 출력 샤프트 (1) 사이에 배치되고, 상기 출력 샤프트에 고정되고, 축 제어기 (6) 와 신호 연결된다. 토크 검출 뿐만 아니라 상기 축 제어기에 의한 상기 드라이브 및 상기 브레이크의 제어도 안전한 기술로 형성되고, 특히 리던던트하게, 바람직하게는 다양하게 형성된다.

도 2 는 본 발명의 실시에 따른 도 1 의 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법을 나타내며, 어떻게 상기 방법이 축 제어기 (6) 형태의 제어수단을 통해 실행되는가를 나타낸다.

단계 (S10) 에서, 제동 모멘트 T_B,s 를 가하기 위해, 축 제어기 (6) 는 작동 예외, 예컨대 비상정지 (N) 를 기반으로 하여 상기 브레이크의 액추에이터 (5.4) 를 작동시킨다. 이로써, 추가적인 상기 정지 유지 브레이크는 비상정지 (S10: "예") 로 인해 축 (A) 을 정지시키기 위해 폐쇄된다.

특히 이러한 상황에서 상기 로봇의 구조 및/또는 상기 브레이크의 구조는 동력학적으로 부하를 많이 받을 수 있고: 상기 브레이크가 폐쇄되자마자, 출력 샤프트 (1) 는 축 (A) 의, 특히 높은 속도로 움직이는 로봇 부재 (2.1) 의 완전한 관성에 의해 단기적으로 부하를 받는다.

그러므로, 단계 (S20) 에서는, 폐쇄된 브레이크에 있어서, 특히 축 (A) 의 정지까지의 전체 제동 동안, 전기모터 (4.1, 4.2) 의 목표 구동모멘트 T_M,s 는, 출력 샤프트 (1) 안에서 작용하는, 토크센서 (7) 에 의해 검출된 토크 T 를 기반으로 하여 미리 정해지고, 상기 토크는 그의 편에서 실제의 현재 제동력 T_B,i 에 의해 좌우된다.

일 실시에 있어서, 목표 구동모멘트 T_M,s 는 예컨대 토크 T 와 미리 정해진 한계값 T_max 사이의 차이 Δ = T_max - ｜T｜ 에 비례하여 미리 정해진다:

T_M,s = Ψ_M(T_M,i, Δ)

여기에서, 실제의 현재 구동모멘트 T_M,i 를 갖고, 그리고 한계값 T_max 을 초과할 시, 즉 Δ < 0, 브레이크에 대해 역방향인, 축 (A) 의 감속을 저지하는 구동 모멘트를 가하는, 축 제어기 (6) 안에 저장된 함수 Ψ_M 를 갖는다.

이로 인해 제동이 지연되고, 이렇게 부하가 감소된다. 다른 말로 하자만, 전기모터 (4.1, 4.2) 는 폐쇄된 브레이크 (5.1 ~ 5.4) 의 제동 모멘트의 일부를 보상하고, 이렇게 축 (A) 의 감속 그리고 이로써 특히 출력 샤프트 (1) 의 부하를 감소시킨다. 이는 특히 브레이크가 오로지 완전히 개방 가능 및 폐쇄 가능하면 (제동력을 그 사이에 정해줄 수 없고) 바람직할 수 있다.

다른 한편으로는 제동력이 제어 가능하면, 추가적으로 또는 대안적으로 축 제어기 (6) 는 브레이크도 상응하여 조절할 수 있고, 예컨대 축 제어기 (6) 안에 저장된 함수 Ψ_B 에 따라 조절할 수 있고, 상기 함수는 한계값 T_max 을 초과할시, 즉 Δ < 0, 제동 모멘트를 감소시킨다. 이로 인해, 제동은 마찬가지로 지연되고, 이렇게 부하가 감소된다:

T_B,s = Ψ_B(T_B,i, Δ)

로봇축 배열체의 동역학, 특히 그의 관성을 고려하기 위해, 함수들 Ψ_M, Ψ_B 은 상기 로봇축 배열체의, 특히 동적인, 모델을 포함할 수 있다. 현재 구동모멘트 T_M,i 또는 현재 제동모멘트 T_B,i 는 예컨대 측정되거나 또는 관찰자에 의해 추정될 수 있다. 다른 실시에 있어서는, 고려되지 않을 수도 있고, 즉 T_M,s = Ψ_M(Δ) 또는 T_B,s = Ψ_B(Δ).

출력 샤프트 (1) 안에서 제동 모멘트 T_B,i 와 구동 모멘트 T_M,i 가 합산된다. 제동 모멘트가 상응하는 목표값들 T_B,s 에 의해 적어도 단계별로 하향 조절되고 및/또는 상응하는, 역방향의 목표값 사전설정 T_M,s 을 통해 드라이브를 위해 부분적으로 보상됨으로써, 출력 샤프트 (1), 베어링 (3) 들 등등의 부하가 감소된다:

T = T_B,i + T_M,i

T_B,s + T_M,s

매우 간단한 함수 Ψ_B 가 예컨대 비례 조절을 구현할 수 있다:

여기에서, 비례 게인 K_p 를 갖고, 그리고 토크센서 (7) 에 의해 검출된, 출력 샤프트 (1) 안의 토크 T 가 한계값 T_max 을 초과하지 않는 동안은 가해지는 최대 제동모멘트 T_B,max 를 갖는다.

출력 샤프트 (1) 안의 전체 토크 T 를 감소시키기 위해, 매우 간단한 함수 Ψ_M 가 동일한 방식으로 형성될 수 있다.

도 3 은 상기 설명된 실시의 변경에 따른 도 1 의 로봇축 배열체의 제어수단의 부분을 나타낸다.

이 변경에 있어서, 제어수단 (6) 은 회전수 조절기 (6.1) 를 구비하고, 상기 회전수 조절기는 비상정지 (N) 에 있어서 출력 샤프트 (1) 의 목표 회전수와 현재 회전수 n_i 사이의 차이로부터 목표 제동모멘트 T_s 를 결정하고 (예컨대 감소되어야 하는 현재 회전수 (T_s = - K_p n_i) 에 비례하여, 그리고 최대량 (T_s < T_s,max) 으로 제한하여), 모멘트 조절기 (6.2) 에 공급한다. 모멘트 조절기 (6.2) 는 토크센서 (7) 에 의해 검출된, 상기 출력 샤프트 안의 현재 토크 T 를 이 목표 제동모멘트 T_s 와 비교하고, 최대값으로 제한한 후 상응하는 목표 전류값을 전류 조절기 (6.3) 에 제공하고, 상기 전류 조절기는 그의 편에서 전기모터의 고정자 (4.1) 에 제공한다.

이 분기에 병렬로 제어수단 (6) 은 브레이크 제어기 (6.4) 를 구비하고, 상기 브레이크 제어기는 비상정지 (N) 가 검출된 경우에는 브레이크 (5.1 ~ 5.4) 를 폐쇄시킨다.

도 4a ~ 4c 는 도 1 의 로봇축 배열체의 전기모터 또는 브레이크의 토크 T (도 4 에 일점쇄선으로 도시됨) 의 시간적 진행, 및 현재 토크들 T_M,i (도 4 에 실선으로 도시됨) 와 T_B,i (도 4 에 파선으로 도시됨) 의 시간적 진행들을 나타내며, 상기 시간적 진행들이 어떻게 도 3 의 제어수단 (6) 을 통해 실현되는가를 나타낸다. 이때, 시점 t = 0 에서 각각 비상정지 (N) 가 시작된다.

그로 인하여, 도 4a 의 예에서 회전수 조절기 (6.1) 는 현재 회전수와 목표 회전수 0 사이의 차이를 근거로 최대 목표 제동모멘트 T_s,max 를 명령하고, 모멘트 조절기 (6.2) 는 상기 전기모터의 상응하는, 제동시키는 제어를 통해 상기 최대 목표 제동모멘트를 초래하려고 한다. 상응하여, 상기 전기모터의 현재 토크 T_M,i 가 우선 많이 올라간다.

관성으로 인한 지연과 함께 브레이크 제어기 (6.4) 도 브레이크 (5.1 ~ 5,4) 를 폐쇄시키고, 따라서 브레이크의 현재 토크 T_B,i 는 시간적으로 지연되어 마찬가지로 올라간다. 두 현재 토크 T_M,i 와 T_B,i 의 합산을 통해, 출력 샤프트 (1) 안의 토크 T 의 단기적인 과진동이 발생한다. 이를 토크센서 (7) 가 검출한다. 상응하여, 모멘트 조절기 (6.2) 는 전기모터에 의해 가해질 수 있는 제동 모멘트를 감소시키고, 그 후 브레이크가 본질적으로 상기 출력 샤프트의 제동을 떠맡고, 이때 역방향으로 작용하는 드라이브에 의해 도움을 받는다.

도 4b 의 예에서, 걸리는 브레이크는 보다 강한 제동 모멘트를 가하고, 이는 출력 샤프트 (1) 안에서의 허용 제동모멘트의 지속적인 초과를 초래할 것이다. 상응하여, 이 경우 모멘트 조절기 (6.2) 는 전기모터를 통해, 브레이크의 토크에 대해 역방향인 토크를 가한다.

도 4c 의 예에서, 드라이브의 동일한 방향으로의 작용만 허용된다. 상응하여, 모멘트 조절기 (6.2) 는 전기모터에 의해 가해질 수 있는 제동 모멘트를 영으로 감소시킨다.

A : 로봇축
N : 비상정지 (작동 예외)
1 : 출력 샤프트 (출력 부재)
2.1, 2.2 : 로봇 부재
3 : 베어링
4.1 : 고정자
4.2 : 회전자
4.3, 4.4 : 톱니바퀴 (기어)
5.1 : 스프링
5.2 : 브레이크 디스크 (브레이크 부재)
5.3 : 브레이크 패드 (브레이크 부재)
5.4 : 전자석 (액추에이터)
6 : 축 제어기 (제어 수단)
6.1 : 회전수 조절기
6.2 : 모멘트 조절기
6.3 : 전류 조절기
6.4 : 브레이크 제어기
7 : 토크센서 (검출 수단)

Claims (14)

1. 적어도 하나의 출력 부재 (1) 를 갖는 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법으로서,
   브레이크 (5.1 ~ 5.4) 를 통해 상기 출력 부재에 제동력을 가하는 단계, 그리고 이때
   상기 제동력에 의해 좌우되는 상기 출력 부재의 동적 변수 (T) 를 기반으로 하여, 상기 출력 부재에 작용하는 드라이브 (4.1 ~ 4.4) 의 구동력 (T_M) 및/또는 상기 제동력 (T_B) 을 제어하는 단계를 포함하는, 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 동적 변수는 상기 출력 부재의 힘, 특히 토크 (T), 및/또는 운동변수, 특히 가속도를 포함하는 것을 특징으로 하는, 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 구동력 및/또는 상기 제동력은 상기 동적 변수와 미리 정해져 있는 한계값 사이의 차이를 기반으로 하여 제어되는 것을 특징으로 하는, 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 구동력 및/또는 상기 제동력은 상기 로봇축 배열체의 모델을 기반으로 하여 제어되는 것을 특징으로 하는, 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제동력은 작동 예외 (N) 를 기반으로 하여 가해지는 것을 특징으로 하는, 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 브레이크는 상기 출력 부재를 고정하기 위한 특히 기계식, 유압식 또는 공압식 정지 유지 브레이크 (5.1 ~ 5.4) 를 구비하는 것을 특징으로 하는, 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 드라이브 및/또는 상기 브레이크는 안전한 기술로 감시되는 것을 특징으로 하는, 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 동적 변수, 및/또는 상기 구동력 및/또는 상기 제동력을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어변수는 안전한 기술로 검출되고 및/또는 상기 구동력 및/또는 상기 제동력은 안전한 기술로 제어되는 것을 특징으로 하는, 로봇축 배열체를 제동시키기 위한 방법.
9. 적어도 하나의 출력 부재 (1),
   상기 출력 부재에 제동력을 가하기 위한 브레이크 (5.1 ~ 5.4),
   상기 출력 부재에 구동력을 가하기 위한 드라이브 (4.1 ~ 4.4), 및
   상기 제동력에 의해 좌우되는 상기 출력 부재의 동적 변수를 기반으로 하여 상기 구동력 및/또는 상기 제동력을 제어하기 위한 제어수단 (6) 을 갖는 로봇축 배열체로서,
   상기 제어수단은 상기 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하도록 셋업되는, 로봇축 배열체.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 동적 변수, 특히 힘 (T) 및/또는 운동변수를 검출하기 위한 검출수단 (7) 을 갖는, 로봇축 배열체.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브레이크는 상기 출력 부재를 고정하기 위한 특히 기계식, 유압식 또는 공압식 정지 유지 브레이크 (5.1 ~ 5.4) 를 구비하는 것을 특징으로 하는, 로봇축 배열체.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단 및/또는 검출 수단은 안전한 기술로 형성되는 것을 특징으로 하는, 로봇축 배열체.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 유일한 축 (A) 의 구동력 및/또는 제동력을 제어하기 위한 제어수단이 형성되고 그리고 로봇 부재 (2.2) 안에 배치되고, 상기 로봇 부재 안에 상기 드라이브 및/또는 상기 브레이크가 배치되는 것을 특징으로 하는, 로봇축 배열체.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한, 컴퓨터에 의해 읽어내질 수 있는 매체에 저장된 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램 제품.

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