KR20240089546A - 구동 유닛의 출력 샤프트 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동 유닛(100)에서 출력 샤프트의 각도 위치를 제어하는 방법(200)에 관한 것으로서, 구동 장치(5)의 방향 변화를 감지하는 단계, 제2 센서(12)를 통해 방향 변화가 감지되는 즉시 스트레인 웨이브 기어의 가요성 링(6.3)에 의해 전달되는 토크를 감지하는 단계, 제1 토크에 기초하여 가요성 링(6.3)의 전달 비틀림(14.1, 14.2)이 예상 수준에 도달할 때까지의 구동 장치(5)의 구동 기간을 결정하는 단계, 구동 기간에 걸쳐 구동 장치(5)를 통해 구동 샤프트(4)를 구동하는 단계, 구동 기간 종료 직후 제1 센서(11.1)를 통해 출력 샤프트의 각도 위치 변화를 감지하는 단계, 및 각도 위치의 변화가 감지되면 구동 기간 이후에 제1 센서(11.1)를 사용하여 구동 장치를 제어하는 단계를 포함한다.

Description

구동 유닛의 출력 샤프트 제어 방법

본 발명은 구동 샤프트, 구동 샤프트를 구동하기 위한 구동 장치, 및 구동 샤프트에서 출력 샤프트로의 전달을 위한 스트레인 웨이브 기어를 구비한 구동 유닛에서 출력 샤프트의 각도 위치를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 스트레인 웨이브 기어는 구동 샤프트에 작동 가능하게 연결된 파동 발생기, 가요성 링, 및 출력 샤프트에 연결된 톱니형 링을 갖고, 출력 샤프트의 각도 위치를 감지하기 위한 제1 센서 및 가요성 링에 의해 전달된 토크를 감지하기 위한 제2 센서를 포함한다. 본 발명은 또한, 방법을 수행하도록 설계된 구동 유닛, 및 그러한 구동 유닛을 구비한 로봇에 관한 것이다.

구동 유닛은 선행 기술로부터 알려져 있으며, 특히 로봇 공학에서, 예를 들어 산업, 랩 기술 또는 의료 기술에서 사용되는 로봇 팔을 이동시키는 데 사용된다. 이를 위해, 구동 유닛은 스트레인 웨이브 기어가 구비되어 있어 구동 장치와 이동되어야 하는 로봇의 부품 사이에 정밀 이동을 위해 매우 높은 전달 비율을 가능하게 한다. 스트레인 웨이브 기어는 비원형, 특히 타원형 단면이 있고 가요성 링(플렉스 스플라인이라고도 함)에서 작동하는 파동 발생기 또는 파동 제조기를 갖고, 여기서 가요성 링은 전체 방향으로 변형된다. 가요성 링은 변형의 두 외부 지점에서만 외부 링으로 설계된 톱니형 링의 내부 톱니에 맞물리는 외부 톱니를 갖는다. 원주 변형으로 인해 맞물림 지점도 또한 회전하며, 가요성 링의 톱니 개수와 톱니형 링의 톱니 개수가 다르기 때문에, 톱니형 링은 파동 발생기의 회전 운동보다 상당히 느린 회전 운동으로 설정된다.

이와 관련하여, 출력 샤프트를 목표 각도 위치로 최대한 정확하게 이동시키기 위해 제어 방법을 통해 구동 장치를 제어한다. 또한 이와 관련하여, 센서는 일반적으로 구동 샤프트와 출력 샤프트에 배치되고, 이들은 구동 장치를 제어하기 위한 실제 값 전송기 역할을 하되, 구동 샤프트의 센서는 대략적인 위치 결정에 사용되고 출력 샤프트의 센서는 정밀한 위치 결정에 사용된다. 특히 구동 유닛의 가속 동안 구동 샤프트 및 이에 따라 또한 출력 샤프트가 구동되는 경우에 가요성 링이 비틀림 형태로 신장되기 때문에 2개의 센서 제공이 특히 필요하며, 여기서 신장은 구동 샤프트의 각도 위치와 출력 샤프트의 각도 위치 사이의 상관관계에 중첩된다. 따라서 센서 중 하나만으로는 출력 샤프트를 충분히 정밀하게 제어할 수 없다. 전기 모터, 특히 축 방향 자속 모터가 일반적으로 구동 장치로 사용되고, 증분 로터리 인코더가 센서로 사용된다. 해당하는 구동 유닛이, 예를 들어 KR 102061693 B1로부터 공지되어 있다.

또한, 출력 샤프트의 신장을 감지하기 위한 센서를 갖는 구동 유닛은 JP 6334317 B에 공지되어 있다. 토크 제어가 가능한 서보모터가 또한 JP 2020 196091 A에 공지되어 있다. 센서의 결함을 감지하는 장치는 JP 5955447 B에 공지되어 있다. 마지막으로, 제어 매개변수를 자동으로 설정할 수 있는 모터 제어용 장치가 JP 2003 061377 A에 공지되어 있다.

단점은 출력 샤프트 및 구동 샤프트에 센서를 갖는 구동 유닛은 복잡하고 가격이 비싸고 설치 공간이 많이 필요하다는 점이다.

본 발명의 한 가지 목적은 설명된 단점이 존재하지 않는 구동 유닛을 제안하는 것이다. 이 목적은 청구범위 제1항에 따른 방법에 의해 달성된다. 또한, 목적은 청구범위 제6항의 요지와 청구범위 제10항의 요지에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속항에서 찾을 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 처음에 설명한 구동 유닛의 출력 샤프트의 각도 위치를 제어하기 위한 방법은 다음 단계를 갖는다:

- 이전 회전에 대한 구동 장치의 방향 변화를 감지하는 단계,

- 제2 센서를 통해 방향 변화가 감지되는 즉시 가요성 링에 의해 전달되는 토크를 감지하는 단계,

- 제1 토크에 기초하여 가요성 링의 전달 비틀림이 예상 수준에 도달할 때까지의 구동 장치의 구동 기간을 결정하는 단계,

- 구동 기간에 걸쳐 구동 장치를 통해 구동 샤프트를 구동하는 단계,

- 구동 기간 종료 직후 제1 센서를 통해 출력 샤프트의 각도 위치 변화를 감지하는 단계, 및

- 각도 위치의 변화가 감지되면 구동 기간 이후에 제1 센서를 사용하여 구동 장치를 제어하는 단계.

방향 변화는, 구동 장치가 방향 변화 이전에 구동 샤프트를 제1 방향으로 구동하거나 구동했고, 방향 변화 이후에 제1 방향과 반대쪽인 제2 방향으로 구동하는 것을 의미한다. 따라서 방향 변화에는 구동 유닛의 제동과 후속 가속이 수반된다. 이와 관련하여, 방향은 항상 회전 방향으로 이해되어야 한다. 구동 장치가 한 방향으로 회전하는 경우, 구동 샤프트, 스트레인 웨이브 기어 또는 스트레인 웨이브 기어의 모든 구성요소와 출력 샤프트도 또한 적어도 초기 단계 이후에 이 방향으로 회전한다. 이와 관련하여, 구동 장치의 이전 회전은 제1 방향의 출력 샤프트의 구동에 대해 방향 변화 직전까지 존재하거나 시간상 방향 변화보다 먼저 일어날 수 있다.

제1 방향으로 회전하는 경우, 가요성 링에 제1 방향으로 비틀림이 존재한다. 방향 변화 이후 제2 방향으로 회전하는 경우, 가요성 링의 제1 방향 비틀림은 감소하고 비틀림은 제2 방향으로 축적된다. 제1 방향의 회전과 제2 방향의 회전 사이에 시간 간격이 있고 그 동안 가요성 링에 토크가 인가되지 않는 경우, 비틀림은 잔여 값으로 감소하고 제2 방향의 회전 동안에 잔여 값에서 시작하여 제2 방향으로 축적된다. 비틀림의 감소 및/또는 축적 동안, 구동력은 아직 출력 샤프트로 전달되지 않거나 아주 약간만 전달된다. 그 대신, 설명된 비틀림을 축적하기 위해 구동 토크가 스트레인 에너지로 변환된다. 가요성 링에 전달 비틀림이 완전히 형성되자마자 출력 샤프트의 회전 운동은 선형 상관관계에서 구동 장치와 일치한다. 이와 관련하여, 전달 비틀림은 가요성 링의 비틀림인 것으로 이해되며, 가요성 링의 입력 토크는 출력 토크에 해당하고, 즉 더 이상 비틀림이 발생하지 않는다.

가요성 링에 가해지는 비틀림과 가요성 링에 의해 전달되는 토크 사이의 상관관계는, 제1 방향의 회전과 제2 방향의 회전 사이의 전이에서 히스테리시스를 나타낸다. 이는 두 변수 간의 상관관계가 두 회전 간의 변화가 발생하는 방향에 따라 달라짐을 의미한다. 제1 방향의 회전에서 시작하여 제2 방향의 회전까지, 코스는 제1 경로를 따르고, 제2 방향의 회전에서 시작하여 제1 방향의 회전까지, 코스는 제2 경로를 따른다. 방향 변화가 발생하면 상관관계가 제1 경로에서 제2 경로로 변경된다. 전달 비틀림이 형성될 때 경로가 일치하면, 경로 변경에도 불구하고 방향 변화 동안 언제든지 비틀림을 측정할 수 있다. 전달 비틀림과 별도로 경로가 변경되면 정의되지 않은 중간 경로 상에서 경로 간에 변경이 발생한다.

본 발명은 이제 방향 변화 직전에 가요성 링에 의해 전달되는 토크를 고려함으로써, 특히 가요성 링의 비틀림에 대한 알려진 히스테리시스 거동을 고려하여, 제2 방향의 전달 비틀림이 달성될 때까지 구동 장치가 얼마나 멀리 제2 방향으로 회전해야 하는지 예측하는 것이 가능하다는 것을 인식하였다. 구동 장치가 구동되어야 하는 대응 거리 또는 전달 비틀림이 달성될 때까지의 구동력을 알고 있는 대응 시간을 본원에서 구동 기간으로 지칭한다. 이 정보를 이용하면, 구동 장치와 출력 샤프트의 제1 센서 사이에 측정 가능한 상관관계가 없어도 구동 장치의 각도 위치와 출력 샤프트의 각도 위치 사이의 상관관계를 알 수 있다. 보다 정확하게는, 전달 비틀림이 달성될 때까지의 구동 장치에 대한 제어 변수, 즉 구동 기간이 존재한다. 따라서 제1 및 제2 센서를 사용하여 구동 장치와 출력 샤프트의 각도 위치 사이의 상관관계를 설정하는 것이 언제든지 가능하고, 즉 전술한 구동 기간 예측을 통해 전달 비틀림이 달성될 때까지 그리고 그 이후에 기존 선형 상관관계를 통해 가능하다. 이는 제1 및 제2 센서가 구동 장치를 제어하기에 충분하다는 것을 의미한다. 따라서 구동 샤프트의 각도 위치를 감지하기 위해 추가 센서가 필요하지 않다. 따라서 구동 유닛의 제어가 단순화되고, 구동 유닛을 더욱 컴팩트하게 구성할 수 있으며 제조 비용도 저렴해진다.

특히, 본 발명은 방향 변화 동안 가요성 링의 비틀림과 가요성 링에 의해 전달된 토크 사이의 상관관계가 적어도 경로 변경 후에 히스테리시스 곡선의 알려진 경로를 따라 있다는 지식을 활용한다. 특히, 전달 비틀림이 형성된 상태에서 제1 방향의 회전 직후에 방향 변화가 있는 경우, 상관관계는 감지 시점에 히스테리시스 곡선의 제2 경로에 있으며 따라서 토크를 감지하여 존재하는 비틀림을 측정할 수 있다. 이와 관련하여 방향 변화 이후의 상관관계는, 전달 비틀림이 제2 방향에서 달성될 때 히스테리시스 곡선의 제1 경로에 있음이 알려져 있고, 여기서 전달 비틀림과 전달될 토크가 알려져 있다. 따라서 전달 비틀림이 달성될 때까지 가요성 링을 비틀기 위해 구동 장치를 조정해야 하는 두 비틀림 상태 사이의 각도 섹션이 알려져 있다.

방향 변화 시점에 가요성 링의 비틀림이 이미 감소되었다면, 예를 들어 구동 없는 기간이 이를 선행했다면, 방향 변화 시점에 비틀림이 히스테리시스 곡선의 알려진 경로 중 하나에 놓인 것이 아니라 이들 알려진 경로 사이에 놓인 상태가 존재할 수 있다. 이와 관련하여, 가요성 링의 비틀림과 이 상태에서 가요성 링에 의해 전달되는 토크 사이의 정확한 상관관계는 정확하게 알려져 있지 않다. 본 발명은, 상관관계에 대한 히스테리시스 오차를 가정하고 이 히스테리시스 오차를 사용하여 방향 변화 시점에서 비틀림을 추정함으로써, 제1 및 제2 센서로부터의 정보를 사용하여 이 상태에서도 구동 장치의 충분히 정확한 제어를 달성할 수 있다. 이와 관련하여, 히스테리시스 곡선의 제1 경로와 제2 경로 사이에 상관관계가 있으므로 이러한 제한에 의해 히스테리시스 오차가 측정되거나 측정될 수 있다는 것이 알려져 있다. 가요성 링을 비틀어야 하는 전달 비틀림은 여전히 알려져 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 구동 장치는 구동 기간에 걸쳐 방향의 변화로부터 시작하여 구동되고, 이어서 전달 비틀림이 달성된다. 전달 비틀림이 달성되자마자, 구동 장치는 제2 센서를 사용하여 직접 제어될 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 구동 기간이 완료될 때까지 구동 유닛이 오차 모드에서 작동되도록 준비되며, 이는 구동 기간이 경과하고 말미에 제1 센서에 의해 출력 샤프트에서의 각도 위치 변화가 감지되지 않으면 구동 장치를 정지시키고 오차 메시지를 출력시킨다. 반면, 예상대로 구동 기간 말미에 각도 변화가 감지되면, 제어 시스템은, 회전이 제2 방향인 한, 제1 센서의 실제 값으로 구동 장치를 제어하는 것으로 전환된다.

더욱 바람직한 실시예에서, 구동 기간은, 제1 토크가 한계 범위를 벗어나는 경우에만 제1 토크에 기초하여 결정된다. 그 다음, 감지된 토크에 대해, 감지된 토크는 제2 경로에 있고 가요성 링의 비틀림이 충분한 방식으로 측정될 수 있다고 가정된다. 한계 범위는 특히, 제1 경로의 비틀림 제로 라인을 통과하는 통로와 제2 경로의 비틀림 제로 라인을 통과하는 통로 사이에서 정의되는 방식으로, 히스테리시스 곡선에 의해 결정된다.

더욱 바람직한 실시예에서, 구동 기간은 제1 토크에 기초하여 결정되고 제1 토크가 한계 범위 내에 있는 경우 가요성 링의 히스테리시스 오차에 기초하여 결정된다. 이와 관련하여, 한계 범위 내에서 가요성 링의 비틀림과 토크 사이의 상관관계가 알려지지 않았다는 사실은, 상관관계가 특정 범위, 즉 제1 경로와 제2 경로 사이에 있어야 한다고 알려져 있는 상황에 의해 회피된다. 히스테리시스 오차라고 알려진 이 범위는 한계 범위 내에서 감지된 각 토크에 대해 정의되므로, 알려진 히스테리시스 오차를 사용하여 비틀림과 토크 간의 상관관계를 추정할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 구동 기간은 구동 펄스의 수로서 결정된다. 이러한 구동 펄스는 특히 구동 장치의 제어 신호, 특히 바람직하게는 디지털 제어 신호에 대해 정의된다. 구동 펄스와 구동 펄스 동안 구동 장치가 회전하는 각도 거리 사이에는 선형 상관관계가 존재한다. 따라서 구동 펄스의 수는 구동 장치가 이동하는 정의된 각도 거리에 대응한다. 특히 유리하게는, 이러한 구동 펄스는 센서, 특히 제1 센서로부터의 신호 펄스와 직접적으로 대응할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 센서는 증분 로터리 인코더로 설계되는 것이 바람직하다. 구동 펄스의 수로서의 구동 기간은 감지된 토크로부터 특히 쉽게 도출될 수 있으며, 구동 기간에 걸쳐 구동 장치를 구동하는 동안 간단히 계수함으로써 모니터링할 수 있다.

본 발명의 추가 양태는, 구동 샤프트, 구동 샤프트를 구동하기 위한 구동 장치, 및 구동 샤프트에서 출력 샤프트로의 전달을 위한 스트레인 웨이브 기어를 구비한 로봇용 구동 유닛에 관한 것으로서, 스트레인 웨이브 기어는 구동 샤프트에 작동 가능하게 연결된 파동 발생기, 가요성 링, 및 출력 샤프트에 연결된 톱니형 링을 갖고, 출력 샤프트의 각도 위치를 감지하기 위한 제1 센서 및 가요성 링에 의해 전달된 토크를 감지하기 위한 제2 센서를 포함하되, 구동 유닛은 전술한 방법을 수행하도록 설계된다. 구동 유닛은, 방법과 관련하여 전술한 이점을 갖고 특히 구동 샤프트에 센서 없이 설계될 수 있으므로, 구동 유닛은 간단하고 저렴하고 설계가 컴팩트하다.

일 실시예에서, 제1 센서와 제2 센서는 신호 효과적인 방식으로 서로 연결된다. 이러한 방식으로 신호는 이미 센서에서 결합될 수 있으며, 그 다음 집합 신호는 단일 신호 연결을 통해 제어 장치로 전송된다. 특히, 제2 센서는, 제1 센서에 의해 감지된 신호와 제2 센서에 의해 감지된 신호를 수신하고 이를 특히 선호 제어 신호로 포맷한 후 제어 유닛으로 전송하기 위해, 예를 들어 인쇄 회로 기판에, 해당 데이터 처리 수단을 갖는다. 이러한 방식으로, 제1 센서와 제어 장치의 병렬 연결 및 제2 센서와 제어 장치의 병렬 연결도 생략될 수 있어 구동 유닛이 단순화된다. 이는, 제어 장치가 스트레인 웨이브 기어로부터 떨어진 구동 유닛, 예를 들어 반대쪽 말단에 배치되는 경우 특히 유리하다.

더욱 바람직한 실시예에서, 제1 센서는 증분 로터리 인코더로서 설계된다. 이를 통해 출력 샤프트의 각도 위치를 확실하게 감지할 수 있으며 센서는 설계가 컴팩트하다. 예를 들어 인코더의 해상도는 16 비트일 수 있다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 제2 센서는 가요성 링의 칼라 상에 배치된다. 가요성 링을 통해 전달되는 토크는 칼라에서 특히 유리한 방식으로 획득할 수 있으며, 여기서 제2 센서는 특히 칼라에 인쇄 회로 기판으로 배치되므로, 또한 설계가 컴팩트하다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 전술한 바와 같은 구동 유닛을 갖는 로봇에 관한 것이다. 로봇에서, 전술한 방법은 설명된 이점을 갖고 수행될 수 있으며, 로봇의 무빙 부품의 안전하고 정확한 위치 설정을 가능하게 하면서 로봇은 간단하고 저렴하고 설계가 컴팩트하다.

본 발명을 개선하기 위한 추가 조치는 도면을 사용하여 본 발명의 바람직한 구현 예시의 설명과 함께 아래에 나타나 있다.

도 1은 제1 실시예의 구동 유닛의 단면을 나타낸다.
도 2는 가요성 링의 비틀림과 가요성 링에 의해 전달되는 토크 사이의 상관관계를 나타낸다.
도 3은 여러 비틀림 상태에서 가요성 링을 매우 단순화하게 표현한 것을 나타낸다.
도 4는 구동 장치의 회전과 출력 샤프트의 회전 사이의 상관관계를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 양태에 따른 방법의 순서를 보여주는 다이어그램을 나타낸다.

도 1은 외부에 구동 유닛의 경계를 정하는 하우징(2)을 갖는 구동 유닛(100)의 단면도를 나타낸다. 모든 구성요소는 축 AX를 중심으로 회전 대칭 방식으로 형성된다. 특히, 하우징(2)은 원통형 슬리브로 설계된다. 전기 기계로 설계된 구동 장치(5)에 의해 구동될 수 있는 구동 샤프트(4)가 볼 베어링(3.1, 3.2)을 통해 하우징(2) 내부에 장착된다. 구동 장치(5)는 축방향 자속 모터로서 설계되고, 회전자(5.1)(상기 회전자는 축방향(A) 내측에 있고 구동 샤프트(4)에 가압됨), 및 2개의 고정자(5.2, 5.3)(상기 고정자는 축방향(A) 외측에 있으며 고정자(5.2, 5.3)는 모터 하우징(5.4) 내로 압입되고, 이는 결국 하우징(2) 내로 압입됨)로 형성된다. 따라서 회전자(5.1)는 회전 불가능한 방식으로 구동 샤프트(4)에 연결되고 고정자(5.2, 5.3)는 회전 불가능한 방식으로 하우징(2)에 연결된다.

또한, 구동 유닛(100)의 제1 측면(1.1)에는 스트레인 웨이브 기어(6)가 배치되어, 구동 샤프트(4)의 회전 운동을 출력 샤프트(미도시)의 더 느린 회전 운동으로 변환한다. 스트레인 웨이브 기어(6)는 파동 발생기(6.1), 볼 베어링(6.2)을 통해 파동 발생기(6.1) 반대쪽에 장착된 가요성 링(6.3)(플렉스 스플라인), 및 톱니형 링(6.4)(원형 스플라인)을 갖는다. 파동 발생기(6.1)는 구동 샤프트(4)에 직접 형성되는 반면, 톱니형 링(6.4)은 스트레인 웨이브 기어(6)의 출력부를 형성하고 출력 샤프트(미도시)에 연결되거나 연결될 수 있다. 톱니형 링(6.4)은, 개략적으로만 나타낸 롤링 베어링(6.6)을 통해 하우징에 고정된 제1 구성요소(2.1)에 대해 이동 가능하게 장착된다. 가요성 링(6.3)은 칼라(6.5)를 갖고, 이를 통해 하우징에 고정된 제1 구성요소(2.1)와 하우징에 고정된 제2 구성요소(2.2) 사이에 고정된다. 하우징에 고정된 제2 구성요소(2.2)는 또한 제1 볼 베어링(3.1)을 유지한다. 하우징에 고정된 제1 및 제2 구성요소(2.1, 2.2)는 스트레인 웨이브 기어(6)의 각 부품이며 하우징(2) 내로 압입된다.

구동 장치(5)에 인접한 축 방향(A)으로 스트레인 웨이브 기어(6) 반대쪽의 구동 유닛(100)의 제2 측면(1.2)에는 베어링 벽(8)이 하우징(2)에 유지되고, 이는 제2 볼 베어링(3.2)을 유지한다. 축 방향(A)으로 베어링 벽(8)에 인접하여 베어링 벽(8)에 제어 유닛(10)이 유지된다. 제어 유닛(10)은 외부에서 회전 대칭으로 설계되고 구동 샤프트(4)와 동축으로 배치된다.

스트레인 웨이브 기어(6)는, 하우징에 고정된 제1 구성요소(2.1)에 배치되고 톱니형 링(6.4)에 배치된 센서 타겟(11.2)과 상호 작용하는, 제1 센서(11.1)를 추가로 갖는다. 센서(11.1)는 증분 로터리 인코더로 설계되고 톱니형 링(6.4)의 각도 위치를 감지하고 따라서 또한 출력 샤프트의 각도 위치도 감지한다. 또한, 스트레인 웨이브 기어(6)는, 가요성 링(6.3)의 칼라(6.5)에 배치되고 칼라(6.5)와 하우징에 고정된 제2 구성요소(2.2) 사이에서 연장되는, 제2 센서(12)를 갖는다. 제2 센서(12)는 가요성 링(6.3)에 인가되는 토크를 감지한다. 제1 센서(11.1)는 제1 신호 라인(13.1)을 통해 제2 센서(12)에 연결되며, 제2 센서(12)는 하우징(2)을 통해 연장된 제2 신호 라인(13.2)을 통해 제어 유닛(10)에 차례로 연결되어, 센서(11.1, 12)에 의해 감지된 정보를 포함한 신호는 제1 신호 라인(13.1) 및 제2 신호 라인(13.2)을 통해 제어 유닛(10)으로 전송된다.

도 2는 가요성 링(6.3)의 비틀림과 가요성 링(6.3)에 의해 전달되는 토크 사이의 상관관계를 나타낸다. 여기서, X축의 음의 범위에서 인가되는 토크는 구동 유닛(100)의 제1 방향의 회전에 해당하고, X축의 양의 범위에서 인가되는 토크는 구동 유닛(100)의 제2 방향의 회전에 해당한다. 이러한 맥락에서, 특정 토크로부터 양방향으로 최대 비틀림이 발생하는데, 이를 제1전달 비틀림(14.1) 또는 제2전달 비틀림(14.2)이라고 지칭한다. 도 2에 나타낸 바와 같이 제1 방향과 제2 방향 사이에 방향이 변화되면 상관관계는 히스테리시스 곡선을 따른다. 따라서 상관관계는 제1 방향의 회전에서 시작하여 제1 경로(15.1)를 따르고, 제2 방향의 회전에서 시작하여 제2 경로(15.2)를 따른다.

방향 변화 시점에서, 예를 들어 제1 방향에서 제2 방향으로의 방향 변화 시점에서, 제1 전달 비틀림(14.1)이 완전히 형성되는 경우, 예를 들어 방향 변화 직전에 제1 방향으로의 구동이 발생한 경우, 상관관계는 제1 경로를 따르고 항상 정의된다. 제1 전달 비틀림(14.1)이 완전히 형성되지 않았지만 그럼에도 불구하고 제1 방향으로의 구동이 방향 변화 직전에 발생한 경우, 상관관계는 방향 변화의 시작과 끝에서 정의된다. 이러한 방향 변화 동안의 상관관계 추이는 제1 시작점(9.1)에서 시작하는 여러 개의 원으로 나타나 있다. 이와 관련하여, 제2 경로(15.2)에서 제1 경로(15.1)까지 도달하기 위해 상관관계는 정의되지 않은 범위를 통과한다. 토크가 인가되지 않으면, 예를 들어 방향 변화 전에 회전이 발생하지 않으면, 상관관계는 방향 변화 시작 시점에 정의되지 않는다. 그러면 상관관계는 한계 범위(16) 내에 있다. 그러나, 이 한계 범위(16) 내에서 실제 비틀림이 제1 경로(15.1)와 제2 경로(15.2) 사이에만 있다는 것이 알려져 있으며, 여기서 주어진 토크에 대한 이들 두 경로(15.1, 15.2) 사이의 거리는 히스테리시스 오차(17)로 정의되고 토크를 감지할 때 구동 기간을 정의하는 데 사용된다. 이러한 방향 변화 동안 상관관계 추이는 제2 시작점(9.2)에서 시작하는 여러 사각형으로 나타나 있다. 특히, 구동 기간의 한 부분은 최대 히스테리시스 오차를 극복하기 위해 계산되고, 한 부분은 히스테리시스 오차에서 전달 비틀림(14.2)까지 도달하기 위해 계산되며, 그 다음 상기 두 부분을 합산하여 실제 구동 기간을 형성한다.

도 3은 방향 변화 동안 매우 개략적인 방식으로 예시된 가요성 링(6.3)의 비틀림에 대한 여러 표현을 나타낸다. 제1 표현에서는 제1 전달 비틀림(14.1)이 형성된다. 방향 변화가 이 상황에서 시작하여, 비틀림은 먼저 제2 표현을 통해 제3 표현까지 감소한 다음, 제4 및 제5 표현에 나타낸 바와 같이 제2 전달 비틀림(14.2)까지 축적된다. 여기서는 가요성 링(6.3)의 입력 측(18.1)만 회전되고 출력 측(18.2)은 회전하지 않는다. 제5 표현에서 제2 전달 비틀림(14.2)이 달성된 경우에만, 제6 표현에 나타낸 바와 같이 입력 측(18.1)과 출력 측(18.2)이 다시 동기적으로 회전한다.

도 4는 제1 그래프(19.1)에서 구동 샤프트(4)의 각도 위치의 추이를 나타내고, 제2 그래프(19.2)에서 출력 샤프트의 각도 위치의 추이를 나타내며, 각각의 경우에 도 3에 나타낸 바와 같이 방향 변화 동안 시간에 걸쳐 나타낸다. 여기서, 구동 샤프트(4)의 각도 위치의 변화는 가요성 링(6.3)의 입력 측(18.1)의 회전에 대응하고, 출력 샤프트의 각도 위치는 가요성 링(6.3)의 출력 측(18.2)의 회전에 대응한다. 이와 관련하여, 제2 그래프(19.2)는 제1 그래프(19.1)보다 한 위상(20)만큼 뒤쳐진다.

도 5는 본 발명의 일 양태에 따른 방법(200)의 순서를 나타낸다. 제1 방법 단계(21.1)에서, 구동 장치(5)는 구동 샤프트(4)를 구동하기 위한 제어 신호를 수신한다. 이어서, 이 구동 방향이 이전 구동 또는 이전 회전과 다른지 여부가 제2 방법 단계(21.2)에서 확인된다. 만약 그러하면, 방향 변화가 있다. 제3 방법 단계(21.3)에서, 가요성 링(6.3)에 의해 전달된 토크는 그 다음 제2 센서(12)를 통해 감지된다. 제4 방법 단계(21.4)에서, 감지된 토크가 한계 범위(16) 내에 있는지 밖에 있는지 여부가 확인된다. 한계 범위(16) 내에 있는 경우, 제5 방법 단계(21.5)에서, 구동 장치(5)에 대한 구동 펄스의 수가 구동 기간으로 계산되며, 이는 히스테리시스 오차(17)를 극복하기 위한 구동 펄스의 수와 히스테리시스 오차(17)를 극복한 후 전달 비틀림(14.1, 14.2)을 달성하기 위한 구동 펄스의 수로부터 생성된다. 그 후, 제6 방법 단계(21.6)에서, 구동 기간에 걸쳐 구동 장치(5)의 구동이 시작된다. 제7 방법 단계(21.7)에서, 구동 기간이 아직 완료되지 않았음을 나타내는 구동 기간 신호가 생성된다. 구동 기간 신호는 구동 기간이 경과된 후 비활성화된다. 제8 단계(21.8)에서, 출력 샤프트의 각도 위치 변화가 제1 센서(11.1)를 통해 감지된다. 이러한 각도 변화가 존재하는 경우, 구동 기간 신호는 제9 단계(21.9)에서 종료되고, 그 후 제10 단계(21.10)에서 구동 장치(5)의 제어는 제1 센서(11.1)에 기초하여, 특히 제어 방법을 사용하여 시작되고, 제11 방법 단계(21.11)에서, 출력 샤프트는 이 제어에 기초하여 목표 위치로 이동한다. 제12 방법 단계(21.12)에서, 방법(200)이 종료된다.

제8 방법 단계(21.8)에서 각도 위치의 변화가 감지되지 않은 것으로 인식되면, 제13 방법 단계(22.1)는 구동 기간 신호가 여전히 존재하는지 여부를 확인한다. 만약 그러하면, 방법(200)은 제7 방법 단계(21.7)부터 계속된다. 만약 그러하지 않으면, 가요성 링(6.3)에 인가된 토크는 제14 방법 단계(22.2)에서 다시 감지된다. 방향 변화 동안 즉시 감지된 토크와 비교하여 여기서 중요한 변화가 감지되면, 방법(200)은 제7 방법 단계(21.7)부터 계속된다. 토크의 변화가 감지되지 않으면, 제15 방법 단계(22.3)에서 오차 신호가 생성되고, 이를 통해 구동 장치(5)가 제16 방법 단계(22.4)에서 멈추고 그 다음 방법(200)이 종료된다.

제4 방법 단계(21.4)에서 감지된 토크가 한계 범위(16) 밖에 있는 것으로 감지되면, 가요성 링(6.3)에 존재하는 비틀림은 도 2에 나타낸 상관관계에 기초하여 제17 방법 단계(23.1)에서 감지된 토크로부터 측정되고, 구동 기간은 제18 방법 단계(23.2)에서 이 비틀림으로부터 계산되며, 그 후 방법(200)은 제6 방법 단계(21.6)부터 계속된다. 또한, 이전 회전과 비교하여 제2 방법 단계(21.2)에서 일정한 구동 방향이 감지되면, 방법(200)은 제10 방법 단계(21.10)부터 계속된다.

1.1 제1 측면
1.2 제2 측면
2 하우징
2.1 하우징에 고정된 제1 구성요소
2.2 하우징에 고정된 제2 구성요소
3.1 제1 볼 베어링
3.2 제2 볼 베어링
4 구동 샤프트
5 구동 장치
5.1 회전자
5.2 제1 고정자
5.3 제2 고정자
5.4 모터 하우징
6 스트레인 웨이브 기어
6.1 파동 발생기
6.2 볼 베어링
6.3 가요성 링
6.4 톱니형 링
6.5 칼라
6.6 롤링 베어링
8 베어링 벽
9.1 제1 시작점
9.2 제2 시작점
10 제어 유닛
11.1 제1 센서
11.2 센서 타겟
12 제2 센서
13.1 제1 신호선
13.2 제2 신호선
14.1 제1 전달 비틀림
14.2 제2 전달 비틀림
15.1 제1 경로
15.2 제2 경로
16 한계 범위
17 히스테리시스 오차
18.1 가요성 링의 입력 측
18.2 가요성 링의 출력 측
19.1 제1 그래프
19.2 제2 그래프
20 위상
21.1 제1 방법 단계
21.2 제2 방법 단계
21.3 제3 방법 단계
21.4 제4 방법 단계
21.5 제5 방법 단계
21.6 제6 방법 단계
21.7 제7 방법 단계
21.8 제8 방법 단계
21.9 제9 방법 단계
21.10 제10 방법 단계
21.11 제11 방법 단계
21.12 제12 방법 단계
22.1 제13 방법 단계
22.2 제14 방법 단계
22.3 제15 방법 단계
22.4 제16 방법 단계
23.1 제17 방법 단계
23.2 제18 방법 단계
100 구동 유닛
200 방법
AX 축

Claims (10)

1. 구동 샤프트(4), 구동 샤프트(4)를 구동하기 위한 구동 장치(5), 및 구동 샤프트(4)에서 출력 샤프트로의 전달을 위한 스트레인 웨이브 기어(6)를 구비한 구동 유닛(100)에서 상기 출력 샤프트의 각도 위치를 제어하는 방법(200)으로서, 스트레인 웨이브 기어(6)는 구동 샤프트(4)에 작동 가능하게 연결된 파동 발생기(6.1), 가요성 링(6.3), 및 상기 출력 샤프트에 연결된 톱니형 링(6.4)을 갖고, 상기 출력 샤프트의 각도 위치를 감지하기 위한 제1 센서(11.1) 및 가요성 링(6.3)에 의해 전달된 토크를 감지하기 위한 제2 센서(12)를 포함하며, 방법(200)은,
   - 이전 회전에 대한 구동 장치(5)의 방향 변화를 감지하는 단계,
   - 제2 센서(12)를 통해 방향 변화가 감지되는 즉시 가요성 링(6.3)에 의해 전달되는 토크를 감지하는 단계,
   - 제1 토크에 기초하여 가요성 링(6.3)의 전달 비틀림(14.1, 14.2)이 예상 수준에 도달할 때까지의 구동 장치(5)의 구동 기간을 결정하는 단계,
   - 상기 구동 기간에 걸쳐 구동 장치(5)를 통해 구동 샤프트(4)를 구동하는 단계,
   - 상기 구동 기간 종료 직후 제1 센서(11.1)를 통해 상기 출력 샤프트의 각도 위치 변화를 감지하는 단계, 및
   - 각도 위치의 변화가 감지되면 상기 구동 기간 이후에 제1 센서(11.1)를 사용하여 상기 구동 장치를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 구동 기간이 종료된 후 각도 위치에 변화가 없으면 구동 장치(5)가 정지되는 것을 특징으로 하는 방법(200).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구동 기간은 상기 제1 토크가 한계 범위(16)를 벗어나는 경우에만 상기 제1 토크에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법(200).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 기간은 상기 제1 토크에 기초하여 결정되고 상기 제1 토크가 한계 범위(16) 내에 있는 경우 가요성 링(6.3)의 히스테리시스 오차(17)에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법(200).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 기간은 구동 펄스 수로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법(200).
6. 구동 샤프트(4), 구동 샤프트(4)를 구동하기 위한 구동 장치(5), 및 구동 샤프트(4)에서 출력 샤프트로의 전달을 위한 스트레인 웨이브 기어(6)를 구비한 로봇용 구동 유닛(100)으로서, 스트레인 웨이브 기어(6)는 구동 샤프트(4)에 작동 가능하게 연결된 파동 발생기(6.1), 가요성 링(6.3), 및 상기 출력 샤프트에 연결된 톱니형 링(6.4)을 갖고, 상기 출력 샤프트의 각도 위치를 감지하기 위한 제1 센서(11.1) 및 가요성 링(6.3)에 의해 전달된 토크를 감지하기 위한 제2 센서(12)를 포함하며, 구동 유닛(100)은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법(200)을 수행하도록 설계되는, 구동 유닛.
7. 제6항에 있어서, 제1 센서(11.1)와 제2 센서(12)는 신호 효과적인 방식으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 구동 유닛(100).
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 제1 센서(11.1)는 증분 로터리 인코더로 설계되는 것을 특징으로 하는 구동 유닛(100).
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 센서(12)는 가요성 링(6.3)의 칼라(6.5)에 배치되는 것을 특징으로 하는 구동 유닛(100).
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 구동 유닛(100)을 갖는 로봇.