TW202404756A - 機械手臂精密解除煞車的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係機械手臂精密解除煞車的方法。機械手臂因故障或斷電而煞車時，使機械手臂在煞車狀態下執行正向多次微轉測試步驟，如能完成正向多次微轉測試步驟，執行解除煞車步驟，如未能完成正向多次微轉測試步驟，另執行反向多次微轉測試步驟，並在反向多次微轉測試步驟中執行解除煞車步驟。正向多次微轉測試步驟係馬達以正轉方向多次轉動以轉動至預設正轉角度；每次轉動訊息迴授至編碼器判斷馬達是否轉動至預設正轉角度。解除煞車步驟係以電流驅動煞車機構之電磁閥作動，使煞車機構之鎖銷移動，以解除機械手臂的煞車狀態。反向多次微轉測試步驟係馬達以反轉方向進行多次轉動以轉動至預設反轉角度；每次轉動訊息迴授至編碼器判斷馬達是否轉動至預設反轉角度。
Description
本發明係關於一種機械手臂精密解除煞車的方法，特別是指機械手臂在煞車狀態下，控制馬達朝正轉方向或反轉方向的同一方向以小角度轉動多次來驗證機械手臂的負載力矩方向(煞車機構之鎖銷的鎖定方向)，藉以能夠使馬達之棘輪正確離開鎖銷，使鎖銷能夠被小電流驅動解除煞車，而減少系統發熱的發明。
在產品機構設計微小化時，產品的熱源管理變得非常重要，以避免產品升溫造成負面的效果，如變形、變位，降低組件零件壽命…等。
現行機械手臂電磁剎車系統例如有推拉式電磁閥或電磁剎車離合器，係利用電流產生磁力，將吸磁面或吸磁面及心軸推或拉，以解除煞車。為保持在故障或突然事故造成斷電時，機械手臂的運動部可以即時煞車，因此運動時皆採用正常供電至推拉電磁閥或電磁剎車離合器，當斷電時即時產生煞車作動將運動部固定，而不會產生後續失控下的作動。解除煞車時，由於吸磁面遠離磁力產生面，因此必須在大的電流下，才能將吸磁面吸住，並向磁力產生面移動，藉由此移動而造成解除煞車動作。
上述解除煞車方式例如有中國專利第CN108789486A號「機器手臂解除煞車的方法」，係由力矩感測器獲得機器手臂的負載力矩及負載方向，控制馬達以相反負載方向輸出負載力矩，控制馬達的電磁閥縮回擋銷進行解除煞車，以電磁閥狀態檢查解除煞車，解除煞車不成功則增加設定增量加大負載力矩，繼續控制馬達解除煞車，以確保成功解除煞車。
上述前案有以下缺失：
1.長時間對電磁閥施加固定電壓值容易造成過熱，施加過大電壓也容易造成電磁閥損壞。
2.需要額外設置力矩感測器，力矩控制無法精確控制速度及位置，容易造成機械手臂解除煞車時產生無法預期的的位移量甚至劇烈運動。
由於磁吸力與距離的三次方成正比，需要輸入大電流以產生足夠磁吸力，為了避免發熱的影響，當吸磁面與磁力產生面結合時，會迅速降低電流大小，但仍維持對吸磁面同樣的吸力，以降低電磁煞車系統熱源產生，而得以降低產品的溫升，同時也避免持續的大電壓造成電磁閥損壞。
非採用力矩感測器的機器手臂解除煞車機制不須額外設置力矩感測器，例如有中華民國發明專利第I684502號「機器手臂解除煞車的方法」，該案進行解除煞車時，預設馬達的轉動角度，以第一轉動方向及轉動角度轉動馬達，並將電磁閥的擋銷縮回，在解除煞車失敗時，再以反向的第二轉動方向及轉動角度轉動馬達，以確保成功解除煞車。藉此，該案採用位置控制的模式，在解除煞車動作時，辨別煞車機構之擋銷對應馬達之棘輪的鎖定方向，因而不需力矩感測器也能夠偵測機器手臂的負載力矩方向，並透過預設的轉動角度來解除煞車。
其中，該案說明書指出「…該轉動角度較小，即使在擋銷阻擋棘輪的錯誤轉動下，仍使擋銷與棘輪在安全的彈性變形內」，亦即，由於材料之彈性變形，若預設的轉動角度不足夠，即使棘輪的轉動方向錯誤，仍然可能藉由材料之彈性變形而轉動至預設轉動角度的位置，導致系統誤判擋銷之阻擋方向。因而雖然該案指出棘輪預設的轉動角度較小，實際上為了使棘輪在僅有一次的轉動下能夠偵測擋銷正確的阻擋方向而避免誤判，棘輪仍然需轉動足夠的轉動角度，但是每一次的煞車，由於慣性作用，棘輪與擋銷之間可能彼此接觸或存在不同的些微間距，棘輪僅有一次的轉動以及相同的轉動角度，可能造成棘輪與擋銷有程度不一的碰撞甚至過度碰撞擋銷，此種現象在微形機器手臂將特別容易產生。
為了能夠使馬達之棘輪正確離開煞車機構之鎖銷而能夠以小電流解除煞車，同時控制棘輪與鎖銷之間的碰撞，本發明提出一種機械手臂精密解除煞車的方法，係使一機械手臂在一煞車狀態下執行一正向多次微轉測試步驟，如能完成該正向多次微轉測試步驟，直接執行一解除煞車步驟，如未能完成該正向多次微轉測試步驟，另執行一反向多次微轉測試步驟，並在該反向多次微轉測試步驟中執行該解除煞車步驟。
該正向多次微轉測試步驟包含：一處理單元控制該機械手臂之一馬達以一正轉方向進行多次轉動，以轉動至一預設正轉角度；將該馬達的每次轉動訊息迴授至一編碼器，使該編碼器獲得多次正轉迴授訊號；該處理單元根據所述多次正轉迴授訊號，判斷該馬達是否轉動至該預設正轉角度。
該解除煞車步驟包含：該處理單元以一電流驅動一煞車機構之一電磁閥作動，使該煞車機構之一鎖銷移動，以解除該機械手臂的該煞車狀態。
該反向多次微轉測試步驟包含：該處理單元控制該機械手臂之該馬達以一反轉方向進行多次轉動，以轉動至一預設反轉角度；將該馬達的每次轉動訊息迴授至該編碼器，使該編碼器獲得多次反轉迴授訊號；該處理單元根據所述多次反轉迴授訊號，判斷該馬達是否轉動至該預設反轉角度。
進一步，上述多次轉動係指每一次轉動控制在0.1度至2.5度之間。更進一步，該馬達以該正轉方向進行多次轉動時，下一次的轉動角度值小於上一次的轉動角度值。
進一步，該反轉方向每一次的轉動角度值大於該正轉方向每一次的轉動角度值，具體的，例如該反轉方向每一次的轉動角度值2倍於該正轉方向每一次的轉動角度值。更進一步，該馬達以該反轉方向進行多次轉動時，下一次的轉動角度值小於上一次的轉動角度值。
進一步，上述預設正轉角度及上述預設反轉角度不超過5度，以達到最小解煞車轉動角度。
進一步，當該馬達未到達該預設正轉角度時，該處理單元控制該馬達復位至初始鎖定狀態才以該反轉方向轉動。
進一步，施加該電流使該煞車機構之鎖銷解除煞車時，該處理單元控制該馬達轉動一測試角度，該馬達的轉動訊息迴授至該編碼器，使該編碼器獲得一測試轉動迴授訊號，以確認該鎖銷是否解除煞車。較佳的是，該測試角度係該馬達上相鄰二棘輪之角度。
根據上述技術特徵可達成以下功效：
1.機械手臂在煞車狀態下，特別是微形機械手臂，控制馬達朝向正轉方向或反轉方向的同一方向以小角度(例如0.1度至2.5度)轉動多次來驗證機械手臂的負載力矩方向(煞車機構之鎖銷的鎖定方向)，能夠在不同煞車情況下(棘輪與鎖銷之間彼此接觸或存在不同的些微間距)控制棘輪與鎖銷之間的碰撞，使馬達之棘輪正確離開鎖銷，使鎖銷能夠在最小解煞車轉動角度下被小電流驅動而解除煞車，減少系統發熱。
2.不需要力矩感測器也能夠偵測機械手臂的負載力矩方向，並透過轉動小角度來解除煞車。
3.重複控制馬達以正轉方向或反轉方向進行多次轉動時，下一次的轉動角度值小於上一次的轉動角度值，降低馬達之棘輪與鎖銷過度碰撞變形的機率。
4.當馬達轉動無法到達預設正轉角度的位置而朝向反轉方向轉動時，控制反轉方向每一次的轉動角度值大於正轉方向每一次的轉動角度值，據以縮短偵測時間，提高解除煞車速度。
5.煞車機構之鎖銷解除煞車後，處理器控制馬達轉動較大的測試角度，確認鎖銷是否正確解除煞車。
下列所述的實施例，只是輔助說明本發明機械手臂精密解除煞車的方法，並非用以限制本發明。
參閱第一圖所示，本發明實施例係機械手臂因斷電而煞車，於電力回復時將機械手臂解除煞車。具體是，使機械手臂在煞車狀態下執行正向多次微轉測試步驟，如能完成正向多次微轉測試步驟，直接執行解除煞車步驟，如未能完成正向多次微轉測試步驟，另執行反向多次微轉測試步驟，並在反向多次微轉測試步驟中執行解除煞車步驟。若未能完成正向多次微轉測試步驟，也未能完成反向多次微轉測試步驟，可再次測試，或者發出警示訊號通知人員前來檢修。
本發明實施例第一實施型態請參閱第二圖所示，當機械手臂煞車，且煞車機構1的鎖銷11阻擋在機械手臂之馬達2的棘輪21的反轉方向。
參閱第一圖、第一A圖及第三圖所示，解除煞車時，於正向多次微轉測試步驟中，處理單元3會控制機械手臂之馬達2以正轉方向進行多次轉動(本實施例係轉動四次θ11+θ12+θ13+θ14)，並驗證馬達2是否轉動至預設正轉角度θ1，所述驗證係將馬達2的每次轉動訊息迴授至編碼器4，使編碼器4獲得多次正轉迴授訊號，處理單元3根據所述多次正轉迴授訊號，判斷馬達2是否轉動至預設正轉角度θ1(θ1=θ11+θ12+θ13+θ14)。此時，由於煞車機構1的鎖銷11阻擋在馬達2的棘輪21的反轉方向，因此於正向多次微轉測試步驟時，馬達2的棘輪21不受鎖銷11的阻擋，因而馬達2將可轉動至預設正轉角度θ1。當馬達2轉動至預設正轉角度θ1時，處理單元3控制煞車機構1執行解除煞車步驟，所述解除煞車步驟係處理單元3以一電流驅動煞車機構1之電磁閥12作動，使煞車機構1之鎖銷11移動縮回而解除機械手臂的煞車狀態。
本發明實施例第二實施型態請參閱第四圖所示，當機械手臂煞車，且煞車機構1的鎖銷11阻擋在機械手臂之馬達2的棘輪21的正轉方向。
參閱第一圖、第一A圖及第五圖、第六圖所示，解除煞車時，於正向多次微轉測試步驟中，處理單元3會控制機械手臂之馬達2以正轉方向進行多次轉動，並驗證馬達2是否轉動至預設正轉角度θ1，所述驗證係將馬達2的每次轉動訊息迴授至編碼器4，使編碼器4獲得多次正轉迴授訊號，處理單元3根據所述多次正轉迴授訊號，判斷馬達2是否轉動至預設正轉角度θ1。此時，由於煞車機構1的鎖銷11阻擋在馬達2的棘輪21的正轉方向，因此於正向多次微轉測試步驟時，馬達2的棘輪21將會受鎖銷11的阻擋而無法轉動至預設正轉角度θ1(例如馬達2在正轉方向多次轉動時，處理單元3根據編碼器4的正轉迴授訊號判斷馬達2僅能轉動角度θ3即受到鎖銷11擋止，θ3＜θ1，此時處理單元3將控制馬達2不再正轉)。
處理單元3進一步會控制馬達2執行反向多次微轉測試步驟，將馬達2以反轉方向進行多次轉動(本實施例係轉動四次θ21+θ22+θ23+θ24)，並驗證馬達2是否轉動至預設反轉角度θ2(θ2=θ21+θ22+θ23+θ24)，所述驗證係將馬達2的每次轉動訊息迴授至編碼器4，使編碼器4獲得多次反轉迴授訊號，處理單元3根據所述多次反轉迴授訊號，判斷馬達2是否轉動至預設反轉角度θ2。此時，由於煞車機構1的鎖銷11阻擋在馬達2的棘輪21的正轉方向，因此於反向多次微轉測試步驟時，馬達2的棘輪21不受鎖銷11的阻擋，因而馬達2將可轉動至預設反轉角度θ2，其中，當馬達2未到達預設正轉角度θ1時，處理單元3可控制馬達2先復位至初始鎖定狀態才以反轉方向轉動。當馬達2可轉動至預設反轉角度θ2時，處理單元3控制煞車機構1執行前述解除煞車步驟，以該電流驅動煞車機構1之電磁閥12作動，使煞車機構1之鎖銷11移動縮回而解除機械手臂的煞車狀態。
要再說明的是，上述各實施型態之多次轉動係指每一次轉動預設轉動角度(θ11、θ12、θ13、θ14、θ21、θ22、θ23、θ24)，預設轉動角度控制在0.1度至2.5度之間，且上述預設正轉角度θ1及上述預設反轉角度θ2不超過5度，以達到最小解煞車轉動角度。由於當轉動方向錯誤時，馬達2的棘輪21會碰撞煞車機構1的鎖銷11，因而當馬達2以正轉方向或反轉方向進行多次轉動時，下一次的預設轉動角度值可控制在小於上一次的預設轉動角度值。而當馬達2無法轉動至預設正轉角度θ1時，意謂著煞車機構1的鎖銷11阻擋在正轉方向的機會較高，因此馬達2朝向反轉方向轉動至預設反轉角度θ2的機會高，因此可控制馬達2在反轉方向每一次的預設轉動角度值大於正轉方向每一次的預設轉動角度值，例如控制反轉方向每一次的預設轉動角度值2倍於正轉方向每一次的預設轉動角度值，據以縮短偵測時間，提高解除煞車速度。
本發明實施例藉由控制馬達2朝向正轉方向或反轉方向的同一方向以小角度(例如0.1度至2.5度)轉動多次來驗證機械手臂的負載力矩方向(煞車機構1之鎖銷11的鎖定方向)，能夠在不同煞車情況下(棘輪21與鎖銷11之間彼此接觸或存在不同的些微間距)控制棘輪21與鎖銷11之間的碰撞，使馬達2之棘輪21正確離開鎖銷11，使鎖銷11能夠在最小解煞車轉動角度下被小電流驅動而解除煞車，減少系統發熱。
參閱第七圖所示，當煞車機構1之鎖銷11解除煞車時，處理單元3可控制馬達2轉動一測試角度θ4，且馬達2的轉動訊息迴授至編碼器4，使編碼器4獲得測試轉動迴授訊號，以確認鎖銷11是否解除煞車。藉由此驗證步驟來確認煞車機構1正確解除煞車，而所述測試角度θ4例如是馬達2上相鄰二棘輪21之角度。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
1:煞車機構
11:鎖銷
12:電磁閥
2:馬達
21:棘輪
3:處理單元
4:編碼器
θ1:預設正轉角度
θ2:預設反轉角度
θ3:轉動角度
θ4:測試角度
θ11:預設轉動角度
θ12:預設轉動角度
θ13:預設轉動角度
θ14:預設轉動角度
θ21:預設轉動角度
θ22:預設轉動角度
θ23:預設轉動角度
θ24:預設轉動角度
[第一圖]係為本發明實施例之流程圖。
[第一A圖]係為本發明實施例各機構之功能方塊圖。
[第二圖]係為本發明實施例第一實施型態中，機械手臂被煞車機構煞車的示意圖。
[第三圖]係為本發明實施例第一實施型態中，機械手臂解除煞車而進行正向多次微轉測試步驟時，馬達朝正轉方向多次(四次)轉動到達預設正轉角度的示意圖。
[第四圖]係為本發明實施例第二實施型態中，機械手臂被煞車機構煞車的示意圖。
[第五圖]係為本發明實施例第二實施型態中，機械手臂解除煞車而進行正向多次微轉測試步驟時，馬達朝正轉方向多次轉動但受鎖銷阻擋而無法到達預設正轉角度的示意圖。
[第六圖]係為本發明實施例第二實施型態中，機械手臂解除煞車而進行反向多次微轉測試步驟時，馬達朝反轉方向多次(四次)轉動到達預設反轉角度的示意圖。
[第七圖]係為本發明實施例中，機械手臂解除煞車後，馬達轉動測試角度確認煞車機構是否解除煞車的示意圖。
Claims (10)
- 一種機械手臂精密解除煞車的方法，係使一機械手臂在一煞車狀態下執行一正向多次微轉測試步驟，如能完成該正向多次微轉測試步驟，直接執行一解除煞車步驟，如未能完成該正向多次微轉測試步驟，另執行一反向多次微轉測試步驟，並在該反向多次微轉測試步驟中執行該解除煞車步驟；其中， 該正向多次微轉測試步驟包含：一處理單元控制該機械手臂之一馬達以一正轉方向進行多次轉動，以轉動至一預設正轉角度；將該馬達的每次轉動訊息迴授至一編碼器，使該編碼器獲得多次正轉迴授訊號；該處理單元根據所述多次正轉迴授訊號，判斷該馬達是否轉動至該預設正轉角度； 該解除煞車步驟包含：該處理單元以一電流驅動一煞車機構之一電磁閥作動，使該煞車機構之一鎖銷移動，以解除該機械手臂的該煞車狀態； 該反向多次微轉測試步驟包含：該處理單元控制該機械手臂之該馬達以一反轉方向進行多次轉動，以轉動至一預設反轉角度；將該馬達的每次轉動訊息迴授至該編碼器，使該編碼器獲得多次反轉迴授訊號；該處理單元根據所述多次反轉迴授訊號，判斷該馬達是否轉動至該預設反轉角度。
- 如請求項1所述之機械手臂精密解除煞車的方法，其中，上述多次轉動係指每一次轉動控制在0.1度到2.5度之間。
- 如請求項2所述之機械手臂精密解除煞車的方法，其中，上述預設正轉角度及上述預設反轉角度不超過5度。
- 如請求項2所述之機械手臂精密解除煞車的方法，其中，該馬達朝該正轉方向進行多次轉動時，下一次的轉動角度值小於上一次的轉動角度值。
- 如請求項1所述之機械手臂精密解除煞車的方法，其中，該反轉方向每一次的轉動角度值大於該正轉方向每一次的轉動角度值。
- 如請求項5所述之機械手臂精密解除煞車的方法，其中，該反轉方向每一次的轉動角度值2倍於該正轉方向每一次的轉動角度值。
- 如請求項5所述之機械手臂精密解除煞車的方法，其中，該馬達以該反轉方向進行多次轉動時，下一次的轉動角度值小於上一次的轉動角度值。
- 如請求項1所述之機械手臂精密解除煞車的方法，其中，當該馬達未到達該預設正轉角度時，該處理單元控制該馬達復位至初始鎖定狀態才以該反轉方向轉動。
- 如請求項1所述之機械手臂精密解除煞車的方法，其中，施加該電流使該煞車機構之鎖銷解除煞車時，該處理單元控制該馬達轉動一測試角度，該馬達的轉動訊息迴授至該編碼器，使該編碼器獲得一測試轉動迴授訊號，以確認該鎖銷是否解除煞車。
- 如請求項9所述之機械手臂精密解除煞車的方法，其中，該測試角度係該馬達上相鄰二棘輪之角度。
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