KR20230054875A

KR20230054875A - 전류 제한 장치, 로봇 시스템 및 전류 제한 방법

Info

Publication number: KR20230054875A
Application number: KR1020237010118A
Authority: KR
Inventors: 마사타카 다나베; 신지 가지하라; 겐타 나카무라
Original assignee: 가와사끼 쥬고교 가부시끼 가이샤
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2023-04-25
Also published as: EP4201605A1; CN116323104A; JP2022036526A; US20230405814A1; WO2022044990A1

Abstract

이 전류 제한 장치 (21) 는, 구동부 (14) 에 통전되는 전류를 제한치의 범위 내로 제한하는 전류 제한부 (23) 를 구비한다. 제한치는, 구동부 (14) 의 속도에 따라서 변화되도록 설정되어 있다.

Description

전류 제한 장치, 로봇 시스템 및 전류 제한 방법

이 개시는 전류 제한 장치, 로봇 시스템 및 전류 제한 방법에 관한 것으로서, 특히, 모터에 통전되는 전류를 제한하는 전류 제한 장치, 로봇 시스템 및 전류 제한 방법에 관한 것이다.

종래, 모터에 통전되는 전류의 상한치가 설정된 로봇이 알려져 있다. 이와 같은 로봇은, 예를 들어, 일본 공개특허공보 2008-73790호에 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 2008-73790호에는, 복수의 링크가 관절을 개재하여 접속되어 있는 로봇 본체와, 로봇 본체의 관절에 설치되는 모터와, 모터의 회전을 감속하는 감속부를 구비하는 로봇이 개시되어 있다. 이 로봇에는, 모터에 통전되어 있는 전류를 계측하는 전류 계측 수단이 설치되어 있다. 그리고, 로봇 본체의 정지시에, 전류 계측 수단에 의해서 계측된 전류치에 기초하여, 모터에 통전되는 전류의 상한치가 설정된다. 구체적으로는, 로봇의 정지시에, 소정의 자세를 유지하기 위해서 필요한 모터의 토크에 따라서, 전류의 일정한 상한치가 설정된다. 이로써, 로봇의 자세에 따라서 관절에 부여되는 구동 토크를 적절히 제한할 수 있다.

일본 공개특허공보 2008-73790호

일본 공개특허공보 2008-73790호에 기재된 바와 같은, 모터의 회전을 감속하는 감속부가 설치되어 있는 종래의 로봇에서는, 감속부의 회전수가 커짐에 따라서 감속부의 손실 토크가 커진다. 또, 일반적으로, 모터는, 모터의 회전수가 커짐에 따라서 모터가 발생시키는 토크가 작아진다. 이러한 것들때문에, 일본 공개특허공보 2008-73790호에 기재된 바와 같이, 모터에 통전되는 전류에 대해서 일정한 상한치를 설정했을 경우, 모터의 회전수가 커짐에 따라서 감속부의 손실 토크가 커지는 것, 및, 모터 (구동부) 의 발생 토크가 저하되는 것에 기인하여, 감속부로부터 원하는 토크를 출력할 수 없게 된다는 문제점이 있다.

이 개시는 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 이 개시의 하나의 목적은, 구동부에 통전되는 전류의 상한치가 설정되어 있는 구성에 있어서, 구동부의 속도가 커진 경우여도, 구동력 전달부로부터 원하는 힘 또는 모멘트를 출력하는 것이 가능한 전류 제한 장치 및 전류 제한 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 이 개시의 제 1 국면에 의한 전류 제한 장치는, 전류가 흐름으로써 힘 또는 모멘트를 발생시키고, 구동력 전달부를 개재하여 구동력을 전달하는 구동부에 통전되는 전류를 제한하는 전류 제한 장치로서, 구동부에 통전되는 전류를 제한치의 범위 내로 제한하는 전류 제한부를 구비하고, 제한치는, 구동부의 속도에 따라서 변화되도록 설정되어 있다.

이 개시의 제 1 국면에 의한 전류 제한 장치에서는, 상기와 같이, 구동부에 통전되는 전류의 제한치는, 구동부의 속도에 따라서 변화되도록 설정되어 있다. 이로써, 구동부의 속도에 따라서 변화되는 구동력 전달부의 손실, 및, 구동부가 발생시키는 힘 또는 모멘트의 저하에 따라서, 제한치를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 구동부에 통전되는 전류의 상한치가 설정되어 있는 구성에 있어서, 구동부의 속도가 커진 경우여도, 구동력 전달부로부터 원하는 힘 또는 모멘트를 출력할 수 있다.

이 개시의 제 2 국면에 의한 로봇 시스템은, 로봇과, 로봇을 제어하는 로봇 제어부를 구비하고, 로봇은, 관절과, 관절에 설치되는 모터와, 모터의 회전을 감속시키는 감속부를 포함하며, 로봇 제어부는, 모터에 통전되는 전류를 제한치의 범위 내로 제한하는 전류 제한부를 포함하고, 제한치는, 모터의 속도에 따라서 변화되도록 설정되어 있다.

이 개시의 제 2 국면에 의한 로봇 시스템에서는, 상기와 같이, 모터에 통전되는 전류의 제한치는, 모터의 속도에 따라서 변화되도록 설정되어 있다. 이로써, 모터의 속도에 따라서 변화되는 구동력 전달부의 손실, 및, 모터가 발생시키는 힘 또는 모멘트의 저하에 따라서, 제한치를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 모터에 통전되는 전류의 상한치가 설정되어 있는 구성에 있어서, 모터의 속도가 커진 경우여도, 구동력 전달부로부터 원하는 힘 또는 모멘트를 출력하는 것이 가능한 로봇 시스템을 제공할 수 있다.

이 개시의 제 3 국면에 의한 전류 제한 방법은, 전류가 흐름으로써 힘 또는 모멘트를 발생시키고, 구동력 전달부를 개재하여 구동력을 전달하는 구동부에 통전되는 전류를 제한하는 전류 제한 방법으로서, 구동부의 속도를 취득하는 스텝과, 취득된 구동부의 속도에 기초하여, 구동부에 통전되는 전류의 제한치를 설정하는 스텝과, 설정된 제한치의 범위 내에 있어서, 구동부에 통전하는 스텝을 구비한다.

이 개시의 제 3 국면에 의한 전류 제한 방법에서는, 상기와 같이, 취득된 구동부의 속도에 기초하여, 구동부에 통전되는 전류의 제한치를 설정하는 스텝을 구비한다. 이로써, 구동부의 속도에 따라서 변화되는 구동력 전달부의 손실, 및, 구동부가 발생시키는 힘 또는 모멘트의 저하에 따라서, 제한치를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 구동부에 통전되는 전류의 상한치가 설정되어 있는 구성에 있어서, 구동부의 속도가 커진 경우여도, 구동력 전달부로부터 원하는 힘 또는 모멘트를 출력하는 것이 가능한 전류 제한 방법을 제공할 수 있다.

본 개시에 의하면, 상기와 같이, 구동부에 통전되는 전류의 상한치가 설정되어 있는 구성에 있어서, 구동부의 속도가 커진 경우여도, 구동력 전달부로부터 원하는 힘 또는 모멘트를 출력할 수 있다.

도 1 은, 본 개시의 일 실시형태에 의한 로봇 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는, 본 개시의 일 실시형태에 의한 로봇 제어부의 블록도이다.
도 3 은, 본 개시의 일 실시형태에 의한 로봇 제어부의 제어 블록도이다.
도 4 는, 모터의 회전수와 감속부의 손실 토크의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5 는, 모터의 회전수와 모터로부터 발생되는 토크의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 모터의 회전수에 의하지 않고 일정한 제한치를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 모터의 회전수에 의하지 않고 일정한 순효율시의 제한치 및 역효율시의 제한치를 나타내는 도면이다.
도 8 은, 모터의 회전수에 따라서 변화되는 순효율시의 제한치 및 역효율시의 제한치를 나타내는 도면이다.
도 9 는, 모터가 정방향으로 회전하는 경우의 순효율시의 제한치 및 역효율시의 제한치를 나타내는 도면이다.
도 10 은, 모터가 부방향으로 회전하는 경우의 순효율시의 제한치 및 역효율시의 제한치를 나타내는 도면이다.
도 11 은, 본 개시의 일 실시형태에 의한 전류 제한 방법을 설명하기 위한 플로도이다.
도 12 는, 변형예에 의한 의료용의 로봇의 구성을 나타내는 도면이다.
도 13 은, 변형예에 의한 로봇 제어부의 구성을 나타내는 블록도 (1) 이다.
도 14 는, 변형예에 의한 로봇 제어부의 구성을 나타내는 블록도 (2) 이다.

이하, 본 개시를 구체화한 본 개시의 일 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.

도 1 ∼ 도 11 을 참조하여, 본 실시형태에 의한 로봇 시스템 (100) 의 구성에 대해서 설명한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 로봇 시스템 (100) 은, 로봇 (10) 과, 로봇 (10) 을 제어하는 로봇 제어부 (20) 를 구비하고 있다. 로봇 (10) 은, 예를 들어 6 축 로봇이다. 또, 로봇 (10) 은, 예를 들어 산업용의 로봇이다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 로봇 (10) 은, 아암부 (11) 을 포함한다. 아암부 (11) 는, 관절 (12) 을 갖는다. 관절 (12) 은, 복수 설치되어 있다. 예를 들어, 관절 (12) (관절 (12a ∼ 12f)) 은, 6 개 설치되어 있다. 또, 아암부 (11) 는, 기대 (13) 에 장착되어 있다. 관절 (12a) 은, 연직 방향으로 연장되는 축선 L1 둘레로 회동 (回動) 가능하게 구성되어 있다. 관절 (12b) 은, 수평 방향으로 연장되는 축선 L2 둘레로 회동 가능하게 구성되어 있다. 관절 (12c) 은, 축선 L2 에 대해서 평행하게 연장되는 축선 L3 둘레로 회동 가능하게 구성되어 있다.

관절 (12d) 은, 축선 L3 과 직교하는 축선 L4 둘레로 회동 가능하게 구성되어 있다. 관절 (12e) 은, 축선 L4 와 직교하는 축선 L5 둘레로 회동 가능하게 구성되어 있다. 관절 (12f) 은, 축선 L5 와 직교하는 축선 L6 둘레로 회동 가능하게 구성되어 있다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 복수의 관절 (12a ∼ 12f) 의 각각에는, 모터 (14a ∼ 14f) 가 설치되어 있다. 또, 모터 (14a ∼ 14f) 의 각각에는, 모터 (14a ∼ 14f) 의 각각의 구동력을 전달하는 감속부 (15a ∼ 15f) 가 설치되어 있다. 모터 (14a ∼ 14f) 는, 각각, 전류가 흐름으로써 힘 또는 모멘트 (본 실시형태에서는, 토크) 를 발생시키고, 감속부 (15a ∼ 15f) 를 개재하여 구동력을 전달한다. 또, 감속부 (15a ∼ 15f) 는, 각각, 모터 (14a ∼ 14f) 의 회전을 감속하여 전달한다. 이로써, 관절 (12a ∼ 12f) 이 회동한다. 이하에서는, 모터 (14a ∼ 14f) 를 일괄하여 모터 (14) 로 기재하는 경우가 있다. 또, 감속부 (15a ∼ 15f) 를 일괄하여, 감속부 (15) 로 기재하는 경우가 있다. 또한, 모터 (14) (14a ∼ 14f)) 는, 구동부의 일례이다. 또, 감속부 (15) (15a ∼ 15f) 는, 구동력 전달부의 일례이다.

모터 (14a ∼ 14f) 의 각각에는, 인코더 (16a ∼ 16f) 가 설치되어 있다. 인코더 (16a ∼ 16f) 는, 모터 (14a ∼ 14f) 의 각각의 출력축 (17a ∼ 17f) 의 각도 위치를 검출한다. 검출된 출력축 (17a ∼ 17f) 의 각도 위치는, 후술하는 위치/속도 제어부 (22) 에 송신된다. 이하에서는, 인코더 (16a ∼ 16f) 를 일괄하여 인코더 (16) 로 기재하는 경우가 있다. 또, 출력축 (17a ∼ 17f) 을 일괄하여, 출력축 (17) 으로 기재하는 경우가 있다.

또, 로봇 제어부 (20) 에는, 감속부 (15) 를 개재하여 구동력을 전달하는 모터 (14) 에 통전되는 전류를 제한하는 전류 제한 장치 (21) 가 설치되어 있다. 전류 제한 장치 (21) 는, 위치/속도 제어부 (22) 와, 모터 (14) 에 통전되는 전류를 제한치의 범위 내로 제한하는 전류 제한부 (23) 를 포함한다.

위치/속도 제어부 (22) 는, 모터 (14a ∼ 14f) 의 각각에, 전기적으로 접속되어 있고, 모터 (14a ∼ 14f) 의 각각에 전류를 흘려, 모터 (14a ∼ 14f) 의 각각으로부터 출력되는 토크를 제어한다. 또, 위치/속도 제어부 (22) 는, 위치 제어부 (22a) (도 3 참조) 와 속도 제어부 (22b) (도 3 참조) 를 포함한다. 또, 위치/속도 제어부 (22) 에는, 기억부 (24) 가 접속되어 있다. 기억부 (24) 에는, 모터 (14a ∼ 14f) 의 각각을 구동시키기 위한 프로그램이 기억되어 있다.

또, 전류 제한부 (23) 는, 복수의 모터 (14a ∼ 14f) 의 각각에 설치되어 있는 전류 제한부 (23a ∼ 23f) 를 포함한다. 또, 전류 제한부 (23a ∼ 23f) 의 각각과, 모터 (14a ∼ 14f) 사이에는, 앰프 (25a ∼ 25f) 가 설치되어 있다. 이하에서는, 앰프 (25a ∼ 25f) 를 일괄하여 앰프 (25) 로 기재하는 경우가 있다.

다음으로, 도 3 을 참조하여, 모터 (14) 의 토크 제어에 대해서 설명한다.

위치/속도 제어부 (22) 는, 기억부 (24) (상위 명령 장치) 로부터 관절 (12) 의 위치 지령치 (시각력 (時刻歷) 지령 위치) 를 취득한다. 그리고, 위치 제어부 (22a) 는, 취득된 위치 지령치와, 관절 (12) 의 인코더 (16) 로부터 소득 (所得) 된 각도 위치 (실각도 위치) 의 편차를 산출한다. 그리고, 위치 제어부 (22a) 는, 산출된 편차에 위치 게인을 곱한다. 또, 위치 제어부 (22a) 는, 위치 지령치를 미분하여 관절 (12) 이 목표로 하는 속도인 속도 지령치를 산출한다.

다음으로, 속도 제어부 (22b) 는, 상기한 위치 게인이 곱해진 편차와, 생성된 속도 지령치를 가산함과 함께, 이 가산치로부터, 실각도 위치를 미분하여 얻어지는 실각속도를 빼어 속도 편차를 산출한다. 그리고, 속도 제어부 (22b) 는, 산출된 속도 편차에 속도 게인을 곱한다. 이로써, 속도 제어부 (22b) 는, 모터 (14) 로부터 출력되는 목표 토크에 따른 목표 전류치를 생성한다.

그리고, 속도 제어부 (22b) 는, 생성된 목표 전류치를, 전류 제한부 (23) 에 송신한다. 전류 제한부 (23) 는, 송신된 목표 전류치가 전류의 제한치의 범위 내인 경우, 목표 전류치를 그대로 앰프 (25) 에 송신한다. 한편, 전류 제한부 (23) 는, 송신된 목표 전류치가 전류의 제한치의 범위 외인 경우, 목표 전류치를 전류의 제한치의 범위 내의 값으로 제한하여, 앰프 (25) 에 송신한다.

여기에서, 본 실시형태에서는, 모터 (14) 에 통전되는 전류의 제한치는, 모터 (14) 의 속도에 따라서 변화되도록 설정되어 있다 (도 8 참조). 전류의 제한치를 형성하는 이유의 하나는, 모터 (14) 가 출력하는 토크를, 구동계의 허용 토크 (예를 들어, 감속부 (15) 가 손상되는 것을 억제하는 토크 등) 이하로 하는 것이다.

한편, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 감속부 (15) 의 회전수 (가로축) 가 증가함에 따라서, 감속부 (15) 의 손실 토크 (세로축) 가 상승한다. 구체적으로는, 감속부 (15) 에는, 쿨롱 마찰과 점성 마찰이 포함된다. 쿨롱 마찰은, 감속부 (15) 에 걸리는 힘에 비례한다. 또, 점성 마찰은, 감속부 (15) 에 포함되는 그리스나 오일의 점성에서 기인하는 마찰로서, 감속부 (15) 의 회전수의 증가와 함께 증가한다.

또, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 모터 (14) 가 발생시키는 토크 (세로축) 는, 모터 (14) 의 회전수 (가로축) 의 증가와 함께 감소한다. 모터 (14) 의 회전수 (회전 속도) 가 커짐에 따라서, 모터 (14) 에 발생되는 역기전력이 커지고, 모터 (14) 에 전류가 잘 흐르지 않게 되기 때문이다.

여기에서, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 모터 (14) 의 회전수에 의하지 않고, 전류의 제한치가 일정한 경우, 모터 (14) 의 회전수가 비교적 큰 영역에서는, 감속부 (15) 의 손실 토크가 커짐과 함께 모터 (14) 가 발생시키는 토크는 작아지기 때문에, 감속부 (15) 로부터 원하는 토크를 발생시킬 수 없게 된다.

그래서, 본 실시형태에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 속도 (회전수) 가 커짐에 따라서 커지거나 (후술하는 순효율의 경우), 또는, 작아지도록 (후술하는 역효율의 경우) 설정되어 있다. 또, 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 서서히 커지거나, 또는, 서서히 작아지도록 설정되어 있다. 또한, 감속부 (15) 의 손실 토크가 마찰에서만 기인하는 경우, 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 서서히 커지거나, 또는, 서서히 작아진다. 그러나, 모터 (14) 의 제어에 의해서는, 모터 (14) 에 회전수에 따라서 제한치의 절대치를 작게 해 가고, 어느 회전수 이후, 절대치를 크게 하도록 변화시키는 경우도 있다.

또, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 감속부 (15) 의 손실 토크의 증가율은, 감속부 (15) 의 회전수가 커짐에 따라서 커진다. 또, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 모터 (14) 가 발생시키는 토크의 감소율은, 감속부 (15) 의 회전수가 커짐에 따라서 커진다. 그래서, 본 실시형태에서는, 제한치의 변화율은, 모터 (14) 의 속도 (회전수) 가 커짐에 따라서 커지도록 설정되어 있다. 또한, 도 8 의 제한치의 변화율은 일례로서, 제한치의 변화율은, 모터 (14) 의 속도 (회전수) 가 커짐에 따라서 커지지 않는 경우도 있다. 요컨대, 감속부 (15) 의 손실 토크의 변화를 따르도록 제한치의 변화율이 설정된다.

또, 모터 (14) 의 구동 방향 (회전 방향) 과 모터 (14) 로부터 출력되는 힘 또는 모멘트 (본 실시형태에서는, 토크) 의 방향이 동일한 경우를 순효율이라고 한다. 바꾸어 말하면, 순효율의 경우, 모터 (14) 및 감속부 (15) 에 있어서, 모터 (14) 측으로부터 감속부 (15) 측으로 토크가 전달된다. 순효율은, 예를 들어, 모터 (14) 에 의해서 관절 (12) 의 회동을 가속하는 경우에 상당한다. 순효율시에서는, 감속부 (15) 의 손실 토크는, 모터 (14) 가 발생시키는 토크에 대해서 마이너스로 기여한다.

또, 모터 (14) 의 구동 방향 (회전 방향) 과 모터 (14) 로부터 출력되는 힘 또는 모멘트 (본 실시형태에서는, 토크) 의 방향이 역인 경우를 역효율이라고 한다. 바꾸어 말하면, 역효율의 경우, 감속부 (15) 의 출력측으로부터 모터 (14) 측으로 토크가 전달된다. 역효율은, 예를 들어, 모터 (14) 의 감속도가 큰 경우에 상당한다. 역효율시에서는, 감속부 (15) 의 손실 토크는, 모터 (14) 가 발생시키는 토크에 대해서 플러스로 기여한다. 이와 같이, 순효율시와 역효율시에서, 모터 (14) 가 발생시키는 토크에 대한 감속부 (15) 의 손실 토크의 기여가 상이하다.

그래서, 본 실시형태에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 전류의 제한치는, 모터 (14) 의 구동 방향 (회전 방향) 과 모터 (14) 로부터 출력되는 힘 또는 모멘트 (본 실시형태에서는, 토크) 의 방향이 동일한 경우의 순효율시의 제한치와, 순효율시의 제한치와 상이한 값을 갖고, 모터 (14) 의 구동 방향 (회전 방향) 과 모터 (14) 로부터 출력되는 힘 또는 모멘트 (본 실시형태에서는, 토크) 의 방향이 역인 경우의 역효율시의 제한치를 포함한다. 그리고, 순효율시의 제한치 및 역효율시의 제한치는, 모터 (14) 의 속도 (회전수) 에 따라서 변화되도록 설정되어 있다. 또한, 순효율시의 제한치의 절대치는, 역효율시의 제한치의 절대치보다 큰 값을 갖는다.

도 7 에 나타내는 바와 같이, 순효율시의 제한치가 모터 (14) 의 회전수에 의하지 않고 일정한 경우, 모터 (14) 의 회전수의 증가에 수반하여, 마이너스로 기여하는 감속부 (15) 의 손실 토크가 커져, 감속부 (15) 의 출력측의 토크가 저하되어 버린다. 또, 역효율시의 제한치가 모터 (14) 의 회전수에 의하지 않고 일정한 경우, 모터 (14) 의 회전수의 증가에 수반하여, 플러스로 기여하는 감속부 (15) 의 손실 토크가 커져, 감속부 (15) 에 비교적 큰 토크가 걸려 버린다. 이 때문에, 감속부 (15) 가 파손되거나, 감속부 (15) 의 볼트의 이완 등이 발생되거나, 또 감속시의 아암에의 부담 (응력) 이 증대하는 경우 등이 있다.

그래서, 본 실시형태에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 순효율시의 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지도록 설정되고, 역효율시의 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 작아지도록 설정되어 있다.

또, 상기와 같이, 감속부 (15) 의 손실 토크의 증가율은, 감속부 (15) 의 회전수가 커짐에 따라서 커진다 (도 4 참조). 또, 모터 (14) 가 발생시키는 토크의 감소율은, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커진다 (도 5 참조). 그래서, 본 실시형태에서는, 순효율시의 제한치의 증가율 및 역효율시의 제한치의 감소율은, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지도록 설정되어 있다.

상세하게는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 모터 (14) 에 정방향으로 전류가 흐르며 (전류 지령치가 정), 또한, 모터 (14) 의 회전이 정방향인 경우 (순효율), 순효율시의 제한치는, 정의 값임과 함께, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커진다. 또, 모터 (14) 에 정방향으로 전류가 흐르며 (전류 지령치가 정), 또한, 모터 (14) 의 회전이 부방향인 경우 (역효율), 역효율시의 제한치는, 정의 값임과 함께, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 작아진다.

또, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 모터 (14) 에 부방향으로 전류가 흐르며 (전류 지령치가 부), 또한, 모터 (14) 의 회전이 부방향인 경우 (순효율), 순효율시의 제한치는, 부의 값임과 함께, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 작아진다 (절대치는 커진다). 또, 모터 (14) 에 부방향으로 전류가 흐르며 (전류 지령치가 부), 또한, 모터 (14) 의 회전이 정방향인 경우 (역효율), 역효율시의 제한치는, 부의 값임과 함께, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커진다 (절대치는 작아진다).

또, 본 실시형태에서는, 제한치는, 모터 (14) 가 발생시키는 힘 또는 모멘트 (본 실시형태에서는, 토크) 에 의해서 감속부 (15) 가 손상되는 것을 억제하도록, 또한, 감속부 (15) 의 출력측의 힘 또는 모멘트 (본 실시형태에서는, 토크) 를 일정한 값으로 유지하도록 설정되어 있다. 구체적으로는, 순효율시의 제한치는, 모터 (14) 의 회전수가 증가한 경우여도, 감속부 (15) 의 출력측의 토크가 일정하게 유지되도록 설정된다. 요컨대, 순효율시의 제한치는, 감속부 (15) 의 손실 토크와 모터 (14) 가 발생시키는 토크의 감소분을 보충하는 것이 가능하도록 (또한, 감속부 (15) 가 손상되는 것을 억제하도록) 설정된다. 또, 역효율시의 제한치는, 모터 (14) 의 회전수가 증가한 경우여도, 감속부 (15) 의 손실 토크의 증가에서 기인하는 감속부 (15) 의 손상이 억제되도록 설정된다. 순효율시의 제한치 및 역효율시의 제한치는, 실제로 모터 (14) 를 구동시켜, 감속부 (15) 의 손실 토크 및 모터 (14) 의 토크의 저하를 측정하고, 이 측정 결과에 기초하여 취득된다.

다음으로, 도 11 을 참조하여, 감속부 (15) 를 개재하여 구동력을 전달하는 모터 (14) 에 통전되는 전류를 제한하는 전류 제한 방법에 대해서 설명한다.

스텝 S1 에 있어서, 전류 제한 장치 (21) 는, 모터 (14) 의 속도 (회전수) 를 취득한다. 구체적으로는, 상위 명령 장치로부터의 시각력 지령 위치를 미분하여 속도 (지령 속도) 를 취득한다. 또한, 인코더 (16) 로부터 취득되는 모터 (14) 의 출력축 (17) 의 각도 위치에 기초하여, 모터 (14) 의 회전수를 취득해도 된다.

스텝 S2 에 있어서, 전류 제한부 (23) 는, 취득된 모터 (14) 의 속도 (회전수) 에 기초하여, 모터 (14) 에 통전되는 전류의 제한치를 설정한다.

스텝 S3 에 있어서, 전류 제한부 (23) 는, 설정된 제한치의 범위 내에 있어서, 모터 (14) 에 통전한다. 상기한 스텝 S1 ∼ S3 의 동작은, 모터 (14) 의 동작 중에 반복하여 행해지고 있다.

[본 실시형태의 효과]

본 실시형태에서는, 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 실시형태에서는, 상기와 같이, 모터 (14) 에 통전되는 전류의 제한치는, 모터 (14) 의 회전수에 따라서 변화되도록 설정되어 있다. 이로써, 모터 (14) 의 회전수 (속도) 에 따라서 변화되는 감속부 (15) 의 손실, 및, 모터 (14) 가 발생시키는 토크의 저하에 따라서, 제한치를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 모터 (14) 에 통전되는 전류의 상한치가 설정되어 있는 구성에 있어서, 모터 (14) 의 회전수가 커진 경우여도, 감속부 (15) 로부터 원하는 토크를 출력할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지거나 또는 작아지도록 설정되어 있다. 여기에서, 감속부 (15) 의 손실은, 모터 (14) 가 발생시키는 토크에 플러스로 기여하는 경우 (역효율의 경우) 와, 마이너스로 기여하는 경우 (순효율의 경우) 가 있다. 그래서, 감속부 (15) 의 손실이, 모터 (14) 가 발생시키는 힘에 마이너스로 기여하는 경우에, 순효율의 제한치를 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 크게 함으로써, 모터 (14) 가 발생시키는 토크의 저하와 감속부 (15) 의 손실을 보충하도록 모터 (14) 에 통전되는 전류를 조정할 수 있다. 또, 감속부 (15) 의 손실이, 모터 (14) 가 발생시키는 힘에 플러스로 기여하는 경우에, 역효율의 제한치를 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 작게 함으로써, 감속부 (15) 의 손실이 플러스가 되는 만큼을 제거하도록 모터 (14) 에 통전되는 전류를 조정할 수 있다. 이 결과들로부터, 감속부 (15) 의 손실이 플러스로 기여하는 경우와 마이너스로 기여하는 경우의 양방에 있어서, 모터 (14) 에 통전되는 전류를 적절히 조정할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 제한치의 변화율은, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지도록 설정되어 있다. 이로써, 감속부 (15) 의 손실의 변화율, 및, 모터 (14) 가 발생시키는 토크의 저하의 변화율은, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지기 때문에, 제한치의 변화율을 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지도록 설정함으로써, 모터 (14) 에 통전되는 전류를 보다 적절히 조정할 수 있다. 그 결과, 모터 (14) 의 토크를 적절히 조정할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 전류의 제한치는, 모터 (14) 의 구동 방향 (회전 방향) 과 모터 (14) 로부터 출력되는 힘 또는 모멘트 (본 실시형태에서는, 토크) 의 방향이 동일한 경우의 순효율시의 제한치와, 순효율시의 제한치와 상이한 값을 갖고, 모터 (14) 의 구동 방향 (회전 방향) 과 모터 (14) 로부터 출력되는 힘 또는 모멘트 (본 실시형태에서는, 토크) 의 방향이 역인 경우의 역효율시의 제한치를 포함하고, 순효율시의 제한치 및 역효율시의 제한치는, 모터 (14) 의 회전수에 따라서 변화되도록 설정되어 있다. 여기에서, 순효율의 경우, 감속부 (15) 의 손실은, 모터 (14) 가 발생시키는 힘에 마이너스로 기여하고, 역효율의 경우, 감속부 (15) 의 손실은, 모터 (14) 가 발생시키는 힘에 플러스로 기여한다. 그래서, 상기와 같이, 제한치가, 순효율시의 제한치와, 순효율시의 제한치와 상이한 값을 갖는 역효율시의 제한치를 포함함으로써, 순효율 및 역효율의 어느 경우에 있어서도, 모터 (14) 에 통전되는 전류를 적절히 조정할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 순효율시의 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지도록 설정되고, 역효율시의 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 작아지도록 설정되어 있다. 이로써, 순효율의 경우에는, 감속부 (15) 의 손실은, 모터 (14) 가 발생시키는 토크에 마이너스로 기여하기 때문에, 순효율시의 제한치의 절대치를 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지도록 설정함으로써, 모터 (14) 가 발생시키는 토크의 저하와 감속부 (15) 에 의한 손실을 보충하도록 모터 (14) 에 통전되는 전류를 적절히 조정할 수 있다. 또, 역효율의 경우에는, 감속부 (15) 의 손실은, 모터 (14) 가 발생시키는 토크에 플러스로 기여하기 때문에, 역효율시의 제한치의 절대치를 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 작아지도록 설정함으로써, 감속부 (15) 에 과대한 토크가 걸리는 것에서 기인하여 감속부 (15) 가 손상되는 것을 억제할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 순효율시의 제한치의 증가율 및 역효율시의 제한치의 감소율은, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지도록 설정되어 있다. 이로써, 감속부 (15) 의 손실의 증가율, 및, 모터 (14) 가 발생시키는 토크의 저하의 감소율은, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지기 때문에, 순효율시의 제한치의 증가율 및 역효율시의 제한치의 감소율을 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 커지도록 설정함으로써, 모터 (14) 에 통전되는 전류를 보다 적절히 조정할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 제한치는, 모터 (14) 의 회전수에 따라서 변화되도록 설정되어 있다. 이로써, 모터 (14) 의 회전수에 따라서 변화되는 감속부 (15) 의 손실 토크, 및, 모터 (14) 가 발생시키는 토크의 저하에 따라서, 제한치를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 모터 (14) 의 회전수가 커졌을 경우에, 감속부 (15) 의 손실, 및, 모터 (14) 가 발생시키는 토크의 저하를 고려하여, 모터 (14) 에 통전되는 전류를 조정할 수 있기 때문에, 모터 (14) 의 회전수가 커진 경우여도, 감속부 (15) 로부터 원하는 토크를 출력할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 제한치는, 모터 (14) 가 발생시키는 토크에 의해서 감속부 (15) 가 손상되는 것을 억제하도록, 또한, 감속부 (15) 의 출력측의 토크를 일정한 값으로 유지하도록 설정되어 있다. 이로써, 감속부 (15) 가 손상되는 것을 억제하면서, 감속부 (15) 로부터 원하는 토크를 출력할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 모터 (14) 는 로봇 (10) 의 관절 (12) 에 설치되어 있다. 이로써, 로봇 (10) 의 관절 (12) 에 설치되는 모터 (14) 에 있어서, 모터 (14) 의 회전수가 커진 경우여도, 감속부 (15) 로부터 원하는 토크를 출력할 수 있다.

[변형예]

또한, 금회 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이고, 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 개시의 범위는, 상기한 실시형태의 설명이 아니고, 청구범위에 의해서 나타내어지고, 또한 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경 (변형예) 이 포함된다.

예를 들어, 상기 실시형태에서는, 산업용의 로봇 (10) 에 본 개시를 적용하는 예를 나타냈지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 의료용의 로봇 (30) 에 본 개시를 적용해도 된다. 로봇 (30) 은, 포지셔너 (31) (다관절 로봇) 와, 아암 베이스 (32) 와, 복수의 아암 (33) 을 구비하고 있다. 복수의 아암 (33) 의 각각의 선단에는, 의료 기구 (34) 가 장착되어 있다. 본 개시의 전류 제한 장치는, 예를 들어, 포지셔너 (31) (다관절 로봇) 나 아암 (33) 의 관절의 모터에 흐르는 전류를 제한한다. 이로써, 의료용의 로봇 (30) 에 있어서, 모터 (14) 의 속도 (회전수) 가 커진 경우여도, 감속부 (15) 로부터 원하는 토크를 출력할 수 있다.

특히 의료용의 로봇 (30) 에서는, 의료용의 로봇 (30) 을 배치하기 위한 스페이스가 한정되어 있고, 관절이 많으며, 충돌시의 충격의 저감을 위해서 구동 전압을 낮출 필요가 있는 등의 이유로부터, 저출력의 모터 (14) 를 고감속비로 사용하는 경우가 있다. 이 경우, 구동계의 마찰에 의한 영향이 커지기 때문에, 본 개시와 같이 전류의 제한치를 모터 (14) 의 회전수에 따라서 변화시키는 것은 특히 유효하다.

또, 상기 실시형태에서는, 본 개시의「구동부」로서 모터 (14) 가 적용되는 예를 나타냈지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 개시의「구동부」로서 비례 솔레노이드, 리니어 모터, 보이스 코일 및 구면 액추에이터 등의 액추에이터를 적용해도 된다. 또, 본 개시의「구동부」로서 파우더 클러치·브레이크, 히스테리시스 클러치·브레이크를 적용해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 본 개시의「구동력 전달부」로서 감속부 (15) 가 적용되는 예를 나타냈지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 모터가 직선 운동하는 리니어 모터인 경우, 구동력 전달부는, 리니어 모터의 직선 운동의 힘을 전달한다. 또, 제한치는, 리니어 모터의 직선 이동의 속도에 따라서 변화되도록 설정된다.

또, 상기 실시형태에서는, 순효율시의 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 회전이 커짐에 따라서 서서히 커지고, 역효율시의 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 회전이 커짐에 따라서 서서히 작아지도록 설정되어 있는 예를 나타냈지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 순효율시의 제한치의 절대치가, 모터 (14) 의 회전이 커짐에 따라서 단계적으로 커지고, 역효율시의 제한치의 절대치가, 모터 (14) 의 회전이 커짐에 따라서 단계적으로 작아지도록 설정되어 있어도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 제한치의 변화율은, 모터의 속도가 커짐에 따라서 커지도록 설정되어 있는 예를 나타냈지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 감속부 (15) 의 손실 토크나 모터 (14) 의 회전수의 증가에 수반하는 모터 (14) 가 발생시키는 토크 저하의 변화율이 작은 경우 (선형에 가까운 경우) 등, 제한치의 변화율이 일정해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 순효율시의 제한치와 역효율시의 제한치가 형성되어 있는 예를 나타냈지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 순효율시의 제한치와 역효율시의 제한치의 차이가 작은 경우 등에서는, 순효율과 역효율에 있어서 공통의 제한치가 형성되어 있어도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 역효율시의 제한치의 절대치는, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 작아지도록 설정되어 있는 예를 나타냈지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 모터 (14) 의 제어에 의해서는, 모터 (14) 의 회전수의 고속역에 있어서, 역효율시의 제한치의 절대치를, 모터 (14) 의 회전수가 커짐에 따라서 작아지도록 설정해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 위치/속도 제어부 (22) 가, 모터 (14a) ∼ 14f) 에 대해서 공통적으로 (1 개) 설치되어 있는 예를 나타냈지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 위치/속도 제어부 (122a ∼ 122f) 가, 모터 (14a ∼ 14f) 에 대해서 개별적으로 설치되어 있어도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 위치/속도 제어부 (22) 와, 전류 제한부 (23a ∼ 23f) 가 개별적으로 설치되어 있는 예를 나타냈지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 위치/속도 제어부 및 전류 제한부를 포함하는 1 개의 제어부 (26) 가 설치되어 있어도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 전류 제한부 (23) 가, 앰프 (25) 의 상류측에 설치되어 있는 예를 나타냈지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 본 개시에서는, 전류 제한부 (23) 는, 위치/속도 제어부 (22) 와 모터 (14) 가 접속되는 라인의 어느 곳 (앰프 (25) 의 출력측, 인코더 (16) 로부터 피드백되는 라인 등) 에 설치되어 있으면 된다.

10 : 로봇
12, 12a ∼ 12f : 관절
14, 14a ∼ 14f : 모터 (구동부)
15, 15a ∼ 15f : 감속부 (구동력 전달부)
20 : 로봇 제어부
21 : 전류 제한 장치
23, 23a ∼ 23f : 전류 제한부
30 : 로봇 (의료용의 로봇)
100 : 로봇 시스템

Claims

전류가 흐름으로써 힘 또는 모멘트를 발생시키고, 구동력 전달부를 개재하여 구동력을 전달하는 구동부에 통전되는 전류를 제한하는 전류 제한 장치로서,
상기 구동부에 통전되는 전류를 제한치의 범위 내로 제한하는 전류 제한부를 구비하고,
상기 제한치는, 상기 구동부의 속도에 따라서 변화되도록 설정되어 있는, 전류 제한 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제한치의 절대치는, 상기 구동부의 속도가 커짐에 따라서 커지거나 또는 작아지도록 설정되어 있는, 전류 제한 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제한치의 변화율은, 상기 구동부의 속도가 커짐에 따라서 커지도록 설정되어 있는, 전류 제한 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제한치는, 상기 구동부의 구동 방향과 상기 구동부로부터 출력되는 힘 또는 모멘트의 방향이 동일한 경우의 순효율시의 제한치와, 상기 순효율시의 제한치와 상이한 값을 갖고, 상기 구동부의 구동 방향과 상기 구동부로부터 출력되는 힘 또는 모멘트의 방향이 역인 경우의 역효율시의 제한치를 포함하며,
상기 순효율시의 제한치 및 상기 역효율시의 제한치는, 상기 구동부의 속도에 따라서 변화되도록 설정되어 있는, 전류 제한 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 순효율시의 제한치의 절대치는, 상기 구동부의 속도가 커짐에 따라서 커지도록 설정되고,
상기 역효율시의 제한치의 절대치는, 상기 구동부의 속도가 커짐에 따라서 작아지도록 설정되어 있는, 전류 제한 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 순효율시의 제한치의 증가율 및 상기 역효율시의 제한치의 감소율은, 상기 구동부의 속도가 커짐에 따라서 커지도록 설정되어 있는, 전류 제한 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동부는, 모터를 포함하고,
상기 구동력 전달부는, 상기 모터의 회전을 감속하여 전달하는 감속부를 포함하며,
상기 제한치는, 상기 모터의 회전수에 따라서 변화되도록 설정되어 있는, 전류 제한 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제한치는, 상기 구동부가 발생시키는 힘 또는 모멘트에 의해서 상기 구동력 전달부가 손상되는 것을 억제하도록, 또한, 상기 구동력 전달부의 출력측의 힘 또는 모멘트를 일정한 값으로 유지하도록 설정되어 있는, 전류 제한 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동부는, 로봇의 관절에 설치되는 모터를 포함하는, 전류 제한 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 로봇은, 의료용의 로봇을 포함하는, 전류 제한 장치.
로봇과,
상기 로봇을 제어하는 로봇 제어부를 구비하고,
상기 로봇은,
관절과,
상기 관절에 설치되는 모터와,
상기 모터의 회전을 감속시키는 감속부를 포함하고,
상기 로봇 제어부는, 상기 모터에 통전되는 전류를 제한치의 범위 내로 제한하는 전류 제한부를 포함하며,
상기 제한치는, 상기 모터의 속도에 따라서 변화되도록 설정되어 있는, 로봇 시스템.
전류가 흐름으로써 힘 또는 모멘트를 발생시키고, 구동력 전달부를 개재하여 구동력을 전달하는 구동부에 통전되는 전류를 제한하는 전류 제한 방법으로서,
상기 구동부의 속도를 취득하는 스텝과,
취득된 상기 구동부의 속도에 기초하여, 상기 구동부에 통전되는 전류의 제한치를 설정하는 스텝과,
상기 설정된 제한치의 범위 내에 있어서, 상기 구동부에 통전하는 스텝을 구비하는, 전류 제한 방법.