JP7594234B2 - Drive device, encoder unit, and robot device - Google Patents
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Description
本発明は、例えばエンコーダを備えた駆動装置及びその制御方法、エンコーダユニット及びその制御方法、並びに駆動装置を備えたロボット装置に関する。 The present invention relates to, for example, a drive device equipped with an encoder and a control method thereof, an encoder unit and a control method thereof, and a robot device equipped with a drive device.
産業用ロボット又は工作機械等の駆動部に用いられるモータの回転角の制御を高精度に行うために、モータの回転軸にはエンコーダ(例えばロータリーエンコーダ)が取り付けられ、エンコーダの検出結果などに基づいてモータの制御が行われている。また、モータの稼働時等に、モータの状態をモニタするためには、モータで回転駆動される軸(以下、出力軸という)に作用するモーメントを検出することが好ましい。従来技術として、軸受内部の出力軸の軸方向に作用するモーメントを検出する装置が知られている(例えば、引用文献1参照)。 To control the rotation angle of a motor used in the drive unit of an industrial robot or machine tool with high precision, an encoder (e.g., a rotary encoder) is attached to the rotating shaft of the motor, and the motor is controlled based on the detection results of the encoder. Also, to monitor the state of the motor while it is in operation, it is preferable to detect the moment acting on the shaft that is rotated by the motor (hereinafter referred to as the output shaft). As prior art, a device that detects the moment acting in the axial direction of the output shaft inside a bearing is known (see, for example, Reference 1).
最近では、エンコーダを取り付けたモータはより様々な用途で使用されており、モーメントも様々に変動することがある。そのため、モータの出力軸に作用するモーメントを簡単な構成で高精度に検出することを考慮することが求められている。 Recently, motors equipped with encoders have been used in a wider variety of applications, and the moment can fluctuate in various ways. For this reason, there is a need to consider how to detect the moment acting on the motor's output shaft with high accuracy using a simple configuration.
第1の態様によれば、モータと、そのモータの回転を伝達し、中空部を含む入力軸と、その入力軸から伝達されたそのモータの回転を変速する変速機と、その入力軸の中空部を通る出力軸を含み、その変速機を介して変速されたそのモータの回転をその出力軸の第1端から出力する出力部と、その出力軸のその第1端と反対側の第2端の、その出力軸の延伸方向に直交する面内における並進方向の変位に関連する変位情報を検出する変位検出部と、を備える駆動装置が提供される。 According to a first aspect, there is provided a drive device comprising: a motor; an input shaft that transmits rotation of the motor and includes a hollow portion; a transmission that changes the speed of the rotation of the motor transmitted from the input shaft; an output section that includes an output shaft that passes through the hollow portion of the input shaft and outputs the rotation of the motor changed in speed via the transmission from a first end of the output shaft; and a displacement detection section that detects displacement information related to a translational displacement of a second end of the output shaft opposite the first end in a plane perpendicular to the extension direction of the output shaft.
第2の態様によれば、モータの回転を伝達し、中空部を含む入力軸から伝達されたそのモータの回転を変速する変速機と、その入力軸の中空部を通る出力軸を含み、その変速機を介して変速されたそのモータの回転をその出力軸の第1端から出力する出力部と、その入力軸の第1回転情報を検出する第1回転検出部と、その出力軸の第2回転情報を検出する第2回転検出部と、を備え、その出力軸のその第1端と反対側の第2端の、その出力軸の延伸方向に直交する面内における並進方向の変位に関連する変位情報を検出する変位検出部と、その第1回転検出部が検出するその第1回転情報と、その第2回転検出部が検出するその第2回転情報とに基づいて、その入力軸とその出力軸それぞれの回転量を演算する第1演算部と、を備えるエンコーダユニットが提供される。 According to a second aspect, there is provided an encoder unit comprising: a transmission that transmits rotation of a motor and changes the speed of the rotation of the motor transmitted from an input shaft including a hollow portion; an output section that includes an output shaft passing through the hollow portion of the input shaft and outputs the rotation of the motor changed in speed via the transmission from a first end of the output shaft ; a first rotation detection section that detects first rotation information of the input shaft; a second rotation detection section that detects second rotation information of the output shaft; a displacement detection section that detects displacement information related to a translational displacement of a second end of the output shaft opposite the first end in a plane perpendicular to the extension direction of the output shaft; and a first calculation section that calculates the amount of rotation of each of the input shaft and the output shaft based on the first rotation information detected by the first rotation detection section and the second rotation information detected by the second rotation detection section.
第3の態様によれば、第1の態様の駆動装置と、その駆動装置によって駆動されるアームと、その駆動装置を制御するロボット制御部と、を備えるロボット装置が提供される。
第4の態様によれば、モータと、そのモータの回転を伝達し、中空部を含む入力軸と、その入力軸から伝達されたそのモータの回転を変速する変速機と、その変速機を介して変速されたそのモータの回転を出力し、その入力軸の中空部を通る出力軸を含む出力部と、を備える駆動装置の制御方法であって、その出力軸の延伸方向に直交する面内におけるその出力軸の変位情報を検出すること、を含む駆動装置の制御方法が提供される。
According to a third aspect, there is provided a robot device including the drive device of the first aspect, an arm driven by the drive device, and a robot control unit that controls the drive device.
According to a fourth aspect, there is provided a control method for a drive device including a motor, an input shaft that transmits rotation of the motor and includes a hollow portion, a transmission that changes the speed of the rotation of the motor transmitted from the input shaft, and an output portion that outputs the rotation of the motor changed in speed via the transmission and includes an output shaft that passes through the hollow portion of the input shaft , the control method for the drive device including detecting displacement information of the output shaft within a plane perpendicular to the extension direction of the output shaft .
第5の態様によれば、モータの回転を伝達し、中空部を含む入力軸から伝達されたそのモータの回転を変速する変速機と、その変速機を介して変速されたそのモータの回転を出力し、その入力軸の中空部を通る出力軸を含む出力部と、その入力軸の第1回転情報を検出する第1回転検出部と、その出力軸の第2回転情報を検出する第2回転検出部と、を備えるエンコーダユニットの制御方法であって、その出力軸の延伸方向に直交する面内におけるその出力軸の変位情報を検出することと、その第1回転検出部が検出するその第1回転情報と、その第2回転検出部が検出するその第2回転情報とに基づいて、その入力軸とその出力軸それぞれの回転量を演算することと、を含むエンコーダユニットの制御方法が提供される。 According to a fifth aspect, there is provided a control method for an encoder unit including a transmission that transmits the rotation of a motor and changes the speed of the rotation of the motor transmitted from an input shaft including a hollow portion , an output portion that outputs the rotation of the motor changed through the transmission and includes an output shaft that passes through the hollow portion of the input shaft , a first rotation detection portion that detects first rotation information of the input shaft , and a second rotation detection portion that detects second rotation information of the output shaft, the control method including detecting displacement information of the output shaft in a plane perpendicular to the extension direction of the output shaft , and calculating the amount of rotation of each of the input shaft and the output shaft based on the first rotation information detected by the first rotation detection portion and the second rotation information detected by the second rotation detection portion.
以下、第1の実施形態につき図1から図3を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る駆動装置10を示し、図2(A)は図1のA方向から見た矢視図、図2(B)は図1のBB線に沿う断面図である。図1において、駆動装置10は、例えばロボット装置が設置された工場の床面(不図示)に不図示の支持部材(例えばアームなど)を介して固定された広く深い皿状の蓋部材40(保持部材)と、蓋部材40の開口側に固定されたモータケース30を有するモータ部14とを備えている。モータ部14は、細長い円筒状の入力軸(第1回転軸又はモータ軸)18Aを回転駆動する。以下では、入力軸18Aの中心軸に沿ってZ軸を取り、Z軸に垂直な平面内で図1の紙面に垂直な方向にX軸を、図1の紙面に平行な方向にY軸を取って説明する。入力軸18Aはモータ部14によってZ軸の回りに回転駆動される。さらに、入力軸18Aの両端部は、それぞれモータケース30のZ方向の両側の端面の外側に突き出ている。
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows a
また、駆動装置10は、モータ部14のモータケース30の-Z方向の端面に固定された円筒状の支持部材32と、入力軸18Aの-Z方向の端部18Aaの外面に設けられた減速機34と、減速機34の外面に設けられた円筒状の連結部36Aと、連結部36Aに対して-Z方向側に固定された輪帯の平板状の連結板36Bと、連結板36Bの-Z方向側の面の3箇所にそれぞれZ方向に弾性変形可能な皿ばね38A,38B,38C(弾性部)(図2(A)参照)を介して連結された円板状の端部18Baと、端部18Baの+Z方向の面の中心に固定された円柱状の軸部18Bbと、支持部材32の内面に連結部36AをZ軸の回りに回転可能に支持する回転軸受28Cとを備えている。出力軸(出力部)18Bは、端部18Ba及び軸部18Bbから構成され、減速機34によって入力軸18Aに連動して減速されてZ軸の回りに回転駆動される。端部18Baには、例えばロボットアームやエンドエフェクタのような被駆動部(不図示)が連結される。減速機34による減速比は一例として1/100程度である。本実施形態では、入力軸18Aは中空の円筒状であり、出力軸18Bの軸部18Bbは、入力軸18Aの内部を通過するように配置されている。なお、一例として軸部18Bbは円柱状であるが、軸部18Bbも円筒状であってもよい。皿ばね38A,38B,38C、入力軸18A、出力軸18B、モータケース30、及び支持部材32等は例えば金属製である。
The
また、駆動装置10は、入力軸18A(ひいては出力軸18B)の回転角及び回転速度等の回転情報、並びに出力軸18Bの端部18Baの例えば-Z方向の面(以下、作用面とも称する)18Bcに加わるZ軸に垂直な平面内の任意の軸の回りのモーメントMの方向(作用方向)及び大きさ(長さ×力)を検出するエンコーダ部12と、エンコーダ部12で検出される回転情報を用いてモータ部14を駆動するモータ制御装置24とを備えている。なお、以下では端部18Ba(作用面18Bc)に作用するモーメントMを単に出力軸18Bに作用するモーメントMとも称する。
The
また、モータ部14のモータケース30は、円筒状の保持部材30Aと、保持部材30Aの+Z方向の側面を覆うように保持部材30Aに連結されたリング状の押さえ部材30Bとを有し、モータケース30の対向する2つの側面部の開口に1対の回転軸受28A及び28Bを介して回転可能に入力軸18Aが支持されている。蓋部材40は、モータケース30の+Z方向の端面を覆うように設けられている。また、モータ部14は、入力軸18Aの中央の軸部の外面に装着された複数のマグネット20と、マグネット20を囲むようにモータケース30の内面に配置された複数のコイル22とを有する。コイル22が複数の信号ライン26を介してモータ制御装置24に接続されている。一例として、モータ部14は3相交流モータであるが、モータ部14としては直流モータ等も使用できる。
The
また、連結板36Bと出力軸18Bの端部18Baとの間の皿ばね38Aは、連結板36B側に配置されたボルトB1及び端部18Ba側に配置されたナットN1によって、X方向及びY方向に移動しないように、かつZ方向に弾性変形で収縮及び伸張可能に支持されている。なお、ナットN1を使用してボルトB1を固定する代わりに、出力部18Baにタップ加工を施してボルトB1を固定してもよい。図2(A)に示すように、連結板36Bと出力軸18Bの端部18Baとの間に、Z軸(出力軸18B)の回りにほぼ等角度間隔で3箇所に皿ばね38A,38B,38Cが配置されている。皿ばね38B,38Cの支持方法は、皿ばね38Aの支持方法と同様である。皿ばね38A,38B,38Cの弾性変形によって、端部18Baは、連結板36Bに対してZ軸に垂直な平面内でZ軸を通る任意の軸の回りに回転(傾斜)可能である。なお、皿ばね38A~38Cの代わりに、圧縮コイルばね、板ばね、弾性ヒンジ機構、又はいわゆるフレクチャ構造等の任意の弾性部を使用できる。なお、皿ばねを用いる場合、3個以上を等角度間隔に配置してもよい。また、皿ばね38A,38B,38C等の弾性部は設けられていなくてもよい。
The
また、図1において、皿ばね38A~38CのZ方向の中央部を通る平面(以下、支持平面38Pと称する)とZ軸との交点を回転中心Cとする。出力軸18BにZ軸に垂直な面内の軸の回りのモーメントが作用すると、皿ばね38A~38Cの弾性変形によって、出力軸18B(軸部18Bb)はほぼ回転中心Cの回りに所定の狭い角度範囲内で回転(傾斜)する。すなわち、出力軸18Bには、ほぼZ軸に垂直な平面内で回転中心Cを通る任意の軸の回りのモーメントが作用するとみなすことができる。なお、弾性体として弾性変形する構成は皿ばねに限定されず、例えば、回転軸受28Cや減速機34等も弾性体として機能する。こられの構成すべてが弾性体として機能した場合、出力軸18Bの回転中心はZ軸上でモータ部14に近い所定の位置となる。
In addition, in FIG. 1, the intersection of the plane (hereinafter referred to as the
図2(D)は図1の入力軸18A、減速機34、及び出力軸18B等を示す。なお、本実施形態では、皿ばね38A~38Cが弾性体として支配的に機能すると仮定して、出力軸18Bの回転中心を図1及び図2(D)の皿ばね38A~38Cの支持平面38P上の回転中心Cとしている。図2(D)に示すように、出力軸18Bの軸部18Bbの-Z方向の端面(端部18Baに連結されている部分)と回転中心Cとの間隔をLa、回転中心Cと軸部18Bbの+Z方向の端面との間隔をLbとする。本実施形態では、間隔Lbは間隔Laよりも長くなるように、例えば間隔Lbは間隔Laの10倍以上に設定されている。このとき、出力軸18Bに作用する回転中心Cを通りX軸に平行な軸の回りのモーメントMによって、出力軸18Bが点線の位置18P1に回転するものとする。そして、軸部18Bbの-Z方向の端面が-Y方向(又は+Y方向)にδ1だけ変位するとき、軸部18Bbの+Z方向の端面の+Y方向(又は-Y方向)への変位δ2は、次のように変位δ1に対してLb/Laの比率で拡大される。
δ2=δ1(Lb/La) …(1)
FIG. 2(D) shows the
δ2=δ1(Lb/La)...(1)
例えば間隔Lbが間隔Laの少なくとも10倍に設定されている場合、変位δ2は変位δ1の少なくとも10倍に拡大される。このように、出力軸18Bの軸部18Bbは、モータ部14の一端側(減速機34の側)からモータ部14の他端側に延伸し、出力軸18Bの変位をモータ部14のその他端側において拡大する変位拡大部として作用する。
図1において、本実施形態では、エンコーダ部12によって出力軸18Bの軸部18Bbの+Z方向の端部のZ軸に垂直な平面内での(軸部18Bbの延伸方向に直交する面に沿った方向の)変位の方向及び大きさを検出し、その検出結果を用いて出力軸18Bに作用するモーメントの方向及び大きさを求めることができる。このため、一例として例えば実験的に、軸部18Bbの+Z方向の端部のY方向の変位の大きさと出力軸18BにX軸の回りに作用するモーメントの大きさ(モーメント荷重)との関係(以下、モーメントの換算係数Mkという)が求められており、その換算係数Mkがエンコーダ部12の記憶部に記憶されている。なお、モーメントの換算係数Mkは、変位の大きさに対して非線形の関数であってもよい。なお、モーメント換算係数Mkを記憶部に記憶することには、クラウドストレージ等を利用してモーメント換算係数Mkを記憶することも含む。
For example, when the interval Lb is set to be at least 10 times the interval La, the displacement δ2 is magnified to at least 10 times the displacement δ1. In this manner, the shaft portion 18Bb of the
In FIG. 1, in this embodiment, the
また、入力軸18Aの+Z方向の端部18Abはモータケース30の+Z方向の側面の外側に突き出ており、出力軸18Bの軸部18Bbの+Z方向の端部は端部18Abの外側に突き出ている。そして、入力軸18Aの端部18Abの+Z方向の端面に、回転方向の位置(回転角)を検出するための透過型のパターン(不図示。以下、回転型の検出パターンとも称する)が形成された輪帯状の回転板42Aが取り付けられている。出力軸18Bの軸部18Bbは、回転板42Aの中心の開口を通過している。蓋部材40の内面には、回転板42Aのパターンを検出する第1検出部44が設けられている。第1検出部(位置検出用センサ)44は、回転板42Aのパターンに検出光を照射する光源と、そのパターンからの光(例えば透過光)を受光する受光素子とを有する。回転板42Aのパターンは、例えばインクリメンタル式のパターン及びアブソリュート型のパターンを含む。なお、第1検出部44は透過型の光学センサであるが、回転板42Aのパターンを反射型のパターンとして、第1検出部44として反射型の光学センサを使用してもよい。
The +Z end 18Ab of the
エンコーダ部12は、回転板42Aと、第1検出部44と、第1検出部44の検出信号S1を処理してモータ部14に対する回転板42A(及び入力軸18A)及び出力軸18BのZ軸の回りの回転情報(回転角、角速度、及び/又は入力軸18Aが何回回転したかを示す多回転情報を含む変位情報)(以下、エンコーダ情報ともいう)を求める第1演算装置16とを有する。第1演算装置16は、検出信号S1から求められる入力軸18Aの回転情報及び減速機34の既知の減速比から出力軸18Bの回転情報を求めることができる。なお、入力軸18Aの端部18Abに回転板42Aを設ける代わりに、出力軸18Bの端部18Bbに回転板42Aを設けて、出力軸18Bの回転情報を直接検出してもよい。また、駆動装置10には、入力軸18A及び出力軸18Bの回転情報を検出するエンコーダ部12を設けずに、駆動装置10の外部に出力軸18B(端部18Ba及び/又は軸部18Bb)の回転情報を検出する検出器を設けてもよい。
The
第1演算装置16は、そのエンコーダ情報をモータ制御装置24に供給し、モータ制御装置24は、例えば出力軸18Bの検出された回転角等と目標回転角等との差分に応じてコイル26に供給する電流値を制御する。この動作によって出力軸18Bの回転角等が目標値に制御される。
また、蓋部材40の内面において、出力軸18Bの軸部18Bbの+Z方向の端面の近傍の3箇所に、それぞれ軸部18Bbの端部との間隔を非接触に検出する間隔センサ46A,46B,46Cが配置されている。図2(B)に示すように、間隔センサ46A,46B,46Cは、出力軸18Bの軸部18Bbの回りに等角度間隔で配置され、それぞれ軸部18Bbとの間隔gA,gB,gCに対応する検出信号S2A,S2B,S2Cを出力する。一例として、間隔センサ46Aは軸部18Bbに対して+Y方向に配置され、間隔センサ46B,46Cは軸部18BbをX方向に挟むように対称に配置されている。間隔センサ46A~46Cとしては、光学式のギャップセンサ、静電容量式のギャップセンサ、渦電流式のギャップセンサ、磁気式のギャップセンサ、又はエアー吹きつけ式のギャップセンサ等を使用できる。
The
Also, on the inner surface of the
図1において、エンコーダ部12は、間隔センサ46A~46Cと、間隔センサ46A~46Cの検出信号S2A,S2B,S2Cを処理して出力軸18Bに作用するモーメントの方向及び大きさ(モーメント情報)を求める第2演算装置48とを有する。また、駆動装置10は、第2演算装置48で求められたモーメント情報に応じた後述の処理を行う制御装置50を備えている。
In FIG. 1, the
第2演算装置48の記憶部には、端部18Baに負荷がかかっていない状態、すなわち出力軸18Bに実質的にモーメントが作用していない状態で間隔センサ46A~46Cによって検出される軸部18Bbとの間隔gA,gB,gCの値gA1,gB1,gC1、及び上述のモーメントの換算係数Mkが記憶されている。そして、駆動装置10の稼働中に、第2演算装置48の処理部(変位換算部)では、間隔センサ46A~46Cによって検出される軸部18Bbとの間隔gA,gB,gCを求める。そして、その処理部では、図2(D)に示されるように軸部18Bbが変位した場合について、一例として、次式から軸部18Bbの端部のX方向及びY方向への変位の大きさδx及びδyを算出する。
δy=gA1-gA …(2A)
δx=cos30°{(gB1-gB)-(gC1-gC)}/2 …(2B)
The storage unit of the
δy=gA1-gA...(2A)
δx=cos30° {(gB1-gB)-(gC1-gC)}/2...(2B)
さらに、その処理部では、一例として、次式から出力軸18Bに作用するモーメントの方向Φ(-Z方向に見た場合のZ軸を中心とする反時計回りの角度)及び大きさΕを求める。なお、簡単のため、軸部18Bbの端部の変位とモーメントの大きさとは比例するものとしている(以下同様)。
Φ(rad)=π+arctan(δy/δx) …(3A)
Ε=Mk・(δy2+δx2)1/2 …(3B)
Furthermore, the processing unit determines, as an example, the direction Φ (counterclockwise angle around the Z axis when viewed in the -Z direction) and magnitude E of the moment acting on the
Φ (rad) = π + arctan (δy/δx) … (3A)
E=Mk・(δy 2 + δx 2 ) 1/2 …(3B)
次に、本実施形態の駆動装置10の制御方法の一例につき図3のフローチャートを参照して説明する。まず、図3のステップ102において、モータ制御装置24内で被駆動部(不図示)及び出力軸18Bの目標回転角が入力される。次のステップ104において、モータ制御装置24はモータ部14による入力軸18Aの回転駆動を開始する。そして、ステップ106において、エンコーダ部12の第1検出部44が入力軸18Aの回転角を検出し、第1演算装置16では、その回転角及び減速機34の既知の減速比から出力軸18Bの回転角を求める。出力軸18Bの回転角の情報はモータ制御装置24に供給される。ステップ108において、モータ制御装置24は、出力軸18Bの回転角から目標回転角を減算して回転角の補正量を算出する。そして、ステップ110において、モータ制御装置24はその補正量を相殺するようにモータ部14を駆動する。その後、動作はステップ106に移行し、ステップ106,108,110の動作が繰り返される。
Next, an example of a control method of the
一方、ステップ104に続くステップ114においては、エンコーダ部12の間隔センサ46A~46Cが出力軸18Bの軸部18Bbとの間隔に対応する検出信号S2A~S2Cを出力し、この検出信号S2A~S2Cを用いて第2演算装置48が軸部18Bbの断面内のX方向及びY方向の変位を求める。さらに、ステップ116において、第2演算装置48は、軸部18Bbの断面内のX方向及びY方向の変位から出力軸18Bに作用するモーメントの方向及び大きさを算出し、算出結果を制御装置50に供給する。ステップ118において、一例として制御装置50は、モーメントの大きさが許容範囲内かどうかを判定する。そして、モーメントの大きさが許容範囲内である場合には、動作はステップ114に移行し、ステップ114,116,118の動作が繰り返される。なお、ステップ116において軸部18Bbの変位からモーメントを求める代わりに、軸部18Bbの変位の大きさ(及び方向)と、出力軸18Bに作用するモーメントの大きさ(及び方向)の関係をルックアップテーブル等に作成して予め記憶部等に記憶しておき、ステップ116では、ステップ114で求められた軸部18Bbの変位に応じたモーメントをルックアップテーブルから読み出してもよい。
On the other hand, in
また、ステップ118において、モーメントの大きさが許容範囲を超える場合には、制御装置50は、モーメントの大きさが許容範囲を超えたことを示すアラーム情報AR1を例えば不図示の駆動装置のオペレータ又は不図示の上位の制御部に出力する。これに応じて、一例として、そのオペレータが手動により又はその制御部が自動的に駆動装置10の動作を停止し、例えば被駆動部(不図示)の負荷が軽減された後、駆動装置10の駆動が開始される。なお、駆動装置10の動作を停止する代わりに、モータ部14の回転速度を低減させてもよい。本実施形態の制御方法によれば、駆動装置10の出力軸18Bの軸部18Bbの変位から出力軸18Bに作用するモーメントを求め、モーメントの大きさが許容範囲を超える場合には、アラーム情報を出力しているため、モーメントが大きくなり過ぎて駆動装置10が損傷を受けることを防止できる。さらに、軸部18Bbが長く、モーメントによる出力軸18Bの端部18Ba側の変位をLb/La倍(図2(D参照)に拡大した変位をエンコーダ部12で検出しているため、簡単な構成でモーメントを高精度に検出できる。
In addition, in
なお、ステップ118において、ステップ116における出力軸のモーメントのび大きさ(及び方向)の算出結果を用いずに、ステップ114における出力軸18Bbの変位の大きさ(及び方向)の検出結果を用いてもよい。この場合、ステップ118においては、変位の大きさが許容範囲を超えるときに、制御装置50は、変位の大きさが許容範囲を超えたことを示すアラーム情報AR1を出力してもよい。変位の大きさとモーメントの大きさが所定の対応関係を有していれば、モーメントを求めなくとも変位の大きさに基づいて端部18Baに作用するモーメントの大きさに応じた負荷の許容量を把握することができることから、モーメントの算出時間を削減することが可能となり、高速な制御を実現できる。
In
上述のように、本実施形態の駆動装置10は、モータ部14と、モータ部14の入力軸18A(回転軸)に沿った方向の一端側に配置されてモータ部14の回転を減速する減速機34と、減速機34を介してモータ部14の回転を出力する出力軸18B(出力部)と、を備える駆動装置であって、出力軸18Bは、モータ部14のその一端側(減速機34の側)からモータ部14の他端側に延伸し、出力軸18Bの変位をモータ部14のその他端側において拡大する軸部18Bb(変位拡大部)を有し、モータ部14のその他端側に配置されて、軸部18Bbに関する軸部18Bbの延伸方向に直交する面(断面)に沿った方向の出力軸18Bの変位情報を検出する間隔センサ46A~46C(変位検出部)を備えている。このため、拡大された軸部18Bbの変位を用いて、出力軸18Bに作用する負荷の大きさを高精度に把握することが可能となる。
As described above, the driving
また、駆動装置10の制御方法は、軸部18Bbによって、出力軸18Bの変位をモータ部14のその他端側において拡大し、その他端側において拡大した出力軸18Bの変位の情報を間隔センサ46A~46Cで検出するステップ114と、その変位の情報を用いて出力軸18Bに作用するモーメントの方向及び大きさを求めるステップ116とを有する。
本実施形態によれば、出力軸18Bに作用するモーメントによる出力軸18Bの一端側の変位を軸部18Bbで拡大し、この拡大した出力軸18Bの他端側の変位を間隔センサ46A~46Cで検出している。この際に、出力軸18Bの軸部18Bbが変位拡大部を兼用しているため、簡単な構成の駆動装置10を用いてモーメントによる出力軸18Bの変位を拡大して高精度に検出できる。このため、その検出した出力軸18Bの変位を用いて出力軸18Bに作用するモーメントを簡単な構成で高精度に検出できる。
In addition, the control method of the
According to this embodiment, the displacement of one end of the
また、本実施形態では、連結板36Bと端部18Baとの間に皿ばね38A~38C(弾性部)が介装されているため、出力軸18Bにモーメントが作用したときに、端部18Baに連結された軸部18Bbがこの断面に沿った方向に変位しやすくなり、モーメントによる軸部18Bbの変位をより拡大できる。このため、モーメントをより高精度に検出できる。
なお、上述の実施形態では、以下のような変形が可能である。
In addition, in this embodiment, since the disc springs 38A-38C (elastic portions) are interposed between the connecting
In the above-described embodiment, the following modifications are possible.
まず、上述の実施形態では、回転軸受28Cが減速機34とは独立に設けられている。これに対して、図4の変形例の駆動装置10Aで示すように、減速機34Aが減速機用の回転軸受34Acを内蔵していてもよい。図4において、入力軸18Aの外面に減速機34Aが設けられている。減速機34Aは、モータケース30の-Z方向側の側面に支持された円筒状の支持部34Aaと、入力軸18Aの端部18Aaの外面に固定された断面が楕円の円筒状の第1回転部34Abと、第1回転部34Abの外面に配置されて可撓性を有し断面が楕円の円筒状の第2回転部34Adと、第1回転部34Abと第2回転部34Adとの間に配置された回転軸受34Acとを有する。回転軸受34Acは例えば複数の球体状のベアリングを有する。第2回転部34Adの-Z方向の端部が円筒状の回転体36Cの内面に連結され、回転体36Cが連結板36Bに連結され、支持部34Aaと回転体36Cとの間に回転軸受28Dが配置されている。第2回転部34Adの外面及び支持部34Aaの内面には所定の歯数比でそれぞれ歯車が形成されており、第2回転部34Ad及び回転体36Cが、入力軸18A(第1回転部34Ab)に対して所定の減速比で回転する。減速機34は、例えば、波動歯車(ウェーブジェネレータ)である。この他の構成は上述の実施形態と同様である。なお、この変形例において、連結板36B及び皿ばね38A~38Cを省略し、回転体36Cに直に端部18Baを連結してもよい。
First, in the above-described embodiment, the rotary bearing 28C is provided independently of the
回転軸受34Acは、減速機34Aを構成する第2回転部34Adを支持するために減速機34Aの内部に組み込まれており、回転軸受28Dは、例えば転がり軸受やクロスローラ軸受である。本変形例の駆動装置10Aでは、減速機34Aの回転軸受34Acも弾性体として機能する。そして、例えば、連結板36B及び皿ばね38A~38Cを省略し、回転体36Cに直に端部18Baを連結した構成で、出力軸18Bにモーメントが作用した場合、出力軸18Bは、回転軸受28Dの支持平面28PとZ軸との交点の近傍の回転中心C1を中心に回転して軸部18Bbの変位が+Z方向の端部で拡大される。このため、軸部18Bbの変位を高精度に検出することが可能となる。なお、出力軸18Bは、回転軸受34Acの支持面とZ軸との交点を中心として回転するとみなすことも可能である。この例では、回転軸受34Acの支持面とZ軸との交点は、回転中心C1に近い位置にあるため、回転軸受34Acの支持面とZ軸との交点を回転中心とみなしても、軸部18Bbの変位拡大作用はほぼ同じである。
The rotary bearing 34Ac is incorporated inside the
また、上述の実施形態では、出力軸18Bの軸部18Bbの変位の方向及び大きさを検出しているため、出力軸18Bに作用するモーメントの方向及び大きさを検出できる。これに対して、出力軸18Bの軸部18Bbの変位の方向及び大きさの少なくとも1つを検出し、出力軸18Bに作用するモーメントの方向及び大きさの少なくとも1つを検出してもよい。この際に、簡単な構成で高精度にモーメントの方向及び大きさの少なくとも1つを検出できる。
In addition, in the above embodiment, the direction and magnitude of the displacement of the shaft portion 18Bb of the
また、上述の実施形態では、3個の間隔センサ46A~46Cを用いて軸部18Bbの断面方向の変位を検出しているが、図2(C)の変形例で示すように、回転軸18の軸部18Bbの断面方向のX方向及びY方向の変位を例えば90°間隔で配置された2つの間隔センサ46A,46Bを用いて検出してもよい。この変形例においても、軸部18BbのX方向及びY方向の変位から出力軸18Bに作用するモーメントの方向及び大きさを求めることができる。なお、軸部18Bbの回りに配置する2つの間隔センサ46A,46Bの間隔は180°以外の任意の角度でよい。また、3個の間隔センサ46A~46Cを用いる場合でも、軸部18Bbの回りに間隔センサを配置する際の配置角度は等角度に限られず、任意の角度でよい。
In the above embodiment, the displacement of the shaft portion 18Bb in the cross-sectional direction is detected using three
また、上述の実施形態では、出力軸18Bの軸部18Bbが変位拡大部を兼用しているが、軸部18Bbとは別体で変位拡大部を設けてもよい。例えば軸部18Bbを短く構成し、この軸部18Bbの+Z方向の端面にミラー面を設け、このミラー面に外部の光源から検出光を照射し、このミラー面からの反射光の位置を検出してもよい。この反射光の位置のずれの方向及び量を検出することで、軸部18Bbの変位を拡大して検出できる。
In addition, in the above embodiment, the shaft portion 18Bb of the
また、上述の実施形態では第1検出部44として反射型又は透過型の光学式の検出器が使用されている。その他に、第1検出部44として磁気方式又は静電容量方式等の検出器を使用してもよい。さらに、第1検出部44は、回転板42Aのパターンを検出しているが、入力軸18Aの端部18Aa,18Ab等を回転板として使用してもよい。すなわち、端部18Aa,18Abの表面に回転方向の位置を示す着磁パターン又は反射パターン等を形成しておき、その回転情報を光学式、磁気センサ又は静電容量式等の検出部で検出してもよい。
In the above embodiment, a reflective or transmissive optical detector is used as the
次に、第2の実施形態につき図5及び図6を参照して説明する。図5及び図6において図4及び図2(A)~(D)に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。また、以下では説明の便宜上、図4の減速機34Aの第1回転部34Ab、回転軸受34Ac、及び第2回転部34Adを1つの部材で表している。
図5は、本実施形態の駆動装置10Bを示し、図6(A)は図5の駆動装置10Bの要部を、図6(B)は図6(A)のBB線に沿う断面図を示す。図5において、駆動装置10Bはエンコーダ部12及びモータ部14を備えている。また、モータ部14で回転駆動される入力軸18Aの-Z方向の端部18Aaに減速機34Aが連結され、減速機34Aの支持部34Aaがモータケース30の-Z方向の側面に支持され、支持部34Aaの外面に回転軸受28Dを介して円筒状の回転体36Cが支持されている。そして、回転体36Cの-Z方向の端部に出力軸18Bの円板状の端部18Baが直に連結されている。さらに、端部18Baの+Z方向の面の中央に軸部18Bbが設けられ、軸部18Bbは、入力軸18Aの中空部を通過するように支持されている。端部18Ba及び軸部18Bbから出力軸(出力部)18Bが構成されている。
Next, a second embodiment will be described with reference to Figures 5 and 6. In Figures 5 and 6, parts corresponding to Figures 4 and 2 (A) to (D) are given the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In addition, for convenience of description, the first rotating portion 34Ab, the rotary bearing 34Ac, and the second rotating portion 34Ad of the
FIG. 5 shows a
この他の構成は第1の実施形態及び図5の変形例と同様である。すなわち、減速機34Aは回転軸受34Ac(図4参照。図5では不図示)を内蔵しており、入力軸18Aの回転角が第1検出部44によって検出され、出力軸18Bの軸部18Bbの+Z方向の端部のZ軸に垂直な面内での変位(間隔)が間隔センサ46A~46C(図6(B)参照)によって検出されている。
本実施形態においては、図1の連結板36B及び図2(B)の皿ばね38A~38C(弾性部)が省略されている。このため、本実施形態の駆動装置10Bにおいては、減速機34Aが弾性部を兼用している。減速機34Aは内蔵の回転軸受34Ac及び多数の歯車等を有するため、減速機34Aはある程度の弾性を持つ部材として使用されている。
Other configurations are similar to those of the first embodiment and the modified example shown in Fig. 5. That is, the
In this embodiment, the connecting
本実施形態において、図6(A)に示すように、出力軸18BにX軸に平行な軸の回りへのモーメントMが作用すると、減速機34Aがある程度弾性変形するため、出力軸18Bが、例えば回転軸受28Dの支持面28PとZ軸との交点の近傍の回転中心C1を中心として例えば点線の位置18P2まで回転する。この際に、軸部18Bbの-Z方向の端部と回転中心C1との間隔をLc、回転中心C1と軸部18Bbの+Z方向の端部との間隔をLdとすると、軸部18Bbの+Z方向の端部の+Y方向への変位δ3は、軸部18Bbの-Z方向の端部の変位δ1に対して比率(Ld/Lc)で拡大される。一例として、間隔Ldは間隔Lcの少なくとも2倍であるため、変位δ3は変位δ1に対して少なくとも2倍に拡大される。
そして、図6(B)に示すように、3個の間隔センサ46A~46Cによって軸部18Bbの変位δ3を検出することによって、第1の実施形態と同様に出力軸18Bに作用するモーメントを簡単な構成で高精度に検出できる。この際に、減速機34Aが弾性部を兼用しているため、駆動装置10Bの構成をより簡素化できる。
In this embodiment, as shown in FIG. 6A, when a moment M acts on the
6B, by detecting the displacement δ3 of the shaft portion 18Bb using the three
次に、第3の実施形態につき図7から図10を参照して説明する。図7及び図8(B)において図5及び図6に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。図7は、本実施形態の駆動装置10Cを示し、図8(A)は図7のA方向から見た矢視図、図8(B)は図7の状態から後述の出力軸18Cが傾斜した状態を示す図である。
Next, a third embodiment will be described with reference to Figs. 7 to 10. In Figs. 7 and 8(B), parts corresponding to Figs. 5 and 6 are given the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Fig. 7 shows the
図7において、駆動装置10Cはエンコーダ部12A及びモータ部14を備えている。また、モータ部14で回転駆動される入力軸18Aの-Z方向の端部18Aaに減速機34Aが連結され、減速機34Aに連結された回転体36Cの-Z方向の端部に出力軸18Cの円板状で中央に開口が形成された端部18Caが連結されている。本実施形態においても、回転軸受34Ac(図4参照。図7では不図示)を内蔵する減速機34Aが弾性体として作用する。さらに、端部18Caの+Z方向の面の中央に円筒状の軸部18Cbが設けられている。軸部18Cbは、入力軸18Aの中空部及び入力軸18Aの端面に取り付けられた第1の回転板42Aの中央の開口を通過するように支持されている。端部18Ca及び軸部18Cbから出力軸18Cが構成されている。第1の回転板42A(入力軸18A)の回転角が第1検出部44によって検出され、第1検出部44の検出信号S1が第1演算装置16Aに供給されている。
In FIG. 7, the driving
また、本実施形態のエンコーダ部12Aは、第1の回転板42A、第1検出部44、及び第1演算装置16Aの他に、出力軸18Cの軸部18Cbの+Z方向の端面に固定された円板状で、かつ透過型で回転型のパターン8(図8(A)参照)が形成された第2の回転板42Bと、第2の回転板42Bのパターンを検出する3個の第2の検出部52A,52B,52Cと、検出部52A,52B,52Cの検出信号S3A,S3B,S3Cを処理する第2演算装置48Aとを有する。
In addition to the first
図8(A)に示すように、第2の回転板42Bのパターン8は、この回転板42Bの円周方向の角度を検出するための例えばインクリメンタル式及び/又はアブソリュート型のパターンを含む。そして、一例として検出部52Aが回転板42Bに対して+X方向の端部に配置され、検出部52B及び52Cが、それぞれ回転板42Bに対して+Y方向及び-Y方向の端部に配置されている。すなわち、検出部52A,52B,52Cは、回転板42Bに対してZ軸の回りに90°間隔で配置されている。検出部52A~52Cはそれぞれ回転板42Bのパターン8に検出光を照射する光源と、パターン8からの光(例えば透過光)を受光する受光素子とを有する。なお、実際には検出部52A~52Cはそれぞれ例えば複数の受光素子を有し、検出部52A~52Cの検出信号S3A~S3Cはそれぞれ例えば位相の異なる複数の検出信号を含んでいる。同様に、検出信号S1も例えば位相の異なる複数の検出信号を含んでいる。なお、検出部52A~52Cは透過型の光学センサであるが、回転板42Bのパターン8を反射型のパターンとして、検出部52A~52Cとして反射型の光学センサを使用してもよい。
As shown in FIG. 8A, the
図7において、エンコーダ部12Aの第2演算装置48Aは、検出信号S3A,S3B,S3Cをそれぞれ増幅する増幅器54A,54B,54Cと、増幅器54A,54B,54Cの出力信号を順次処理する前処理部57、精度補正部59、及びモーメント換算部63を有する。前処理部57は、増幅された検出信号S3A,S3B,S3Cを内挿してそれぞれ回転板42Bの回転角を例えばパターン8の最小周期よりも微細な分解能で求める内挿部56A,56B,56Cを有する。精度補正部59は、内挿部56A,56B,56Cで求められた角度の補正テーブルを記憶している補正部58A,58B,58Cを有する。その補正テーブルは、例えば出力軸18Cの回転角の正確な計測値(例えば不図示の校正済みの基準となるロータリーエンコーダで計測される値)と、内挿部56A,56B,56Cで求められた角度との差分(角度補正値)を、所定の角度間隔で記録したものである。
7, the
補正部58A,58B,58Cは、それぞれ内挿部56A,56B,56Cで求められた角度に、対応する補正テーブルの対応する角度の角度補正値(又は補間した補正値)を加算して正確な角度を算出する。補正部58Aで補正された回転角CT1(検出部52Aで検出された回転角)は第1演算装置16Aに出力される。第1演算装置16Aは、一例として検出信号S1から求められる入力軸18Aの回転角に減速機34Aの既知の減速比を掛けて得られる出力軸18Cの第1回転角と、回転角CT1(出力軸18Cの第2回転角)との加重平均を出力軸18Cの回転角の検出値とし、この検出値をモータ制御装置24に出力する。
The
また、モーメント換算部63は、差分計算部60A,60B、方向換算部62A、及びモーメント荷重換算部62Bを有する。補正部58Aで補正された回転角CT1は差分計算部60A,60Bのそれぞれの第1入力部に供給され、補正部58B及び58Cで補正された回転角CT2,CT3(検出部52B及び52Cで検出された回転角)はそれぞれ差分計算部60A,60Bの第2入力部に供給される。差分計算部60Aは、2つの回転角CT1,CT2の差分を方向換算部62A及びモーメント荷重換算部62Bのそれぞれの第1入力部に供給し、差分計算部60Bは、2つの回転角CT1,CT3の差分を方向換算部62A及びモーメント荷重換算部62Bのそれぞれの第2入力部に供給する。
方向換算部62Aは、2つの差分から後述のように逆正接演算を行って出力軸18Cに作用するモーメントの方向Φを求め、モーメント荷重換算部62Bは、2つの差分から後述のように演算を行い、この演算結果に上述のモーメントの換算係数Mkを乗じてそのモーメントの大きさΕを求める。求められたモーメントの方向Φ及び大きさΕは制御装置50に供給される。これ以外の構成は図5の第2の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態においても、減速機34Aが弾性部を兼用しており、出力軸18Cは減速機34Aが内蔵する回転軸受28Dの支持面とZ軸との交点の近傍の回転中心C1の回りに回転する。
The
次に、本実施形態において、図8(B)に示すように、出力軸18Cに回転中心C1を通りX軸に平行な軸の回りにモーメントMが作用すると、減速機34Aの弾性変形によって、出力軸18Cの軸部18Cbが回転中心C1の回りに回転(傾斜)し、出力軸18Cは位置18C1まで傾斜する。この際に、図9(A)に示すように、検出部52A~52Cに対して出力軸18Cに設けられた回転板42Bは、モーメントが作用していない場合の位置42B1から+Y方向に例えばε1だけ変位する。回転板42Bのパターン8は円周方向に周期的に形成されているため、回転板42Bが+Y方向にε1だけ変位すると、検出部52Aで検出される回転板42B(出力軸18C)の回転角のみがε1に対応する角度だけ変化し、他の検出部52B,52Cで検出される出力軸18Cの回転角は変化しない。
Next, in this embodiment, as shown in FIG. 8(B), when a moment M acts on the
このようにY方向の検出部52B,52Cで検出される回転角が変化せず、検出部52Aで検出される回転角のみが変化する場合には、検出部52Aの検出結果から回転板42BのY方向への変位の大きさを検出できる。同様に、X方向の検出部52Aで検出される回転角が変化せず、検出部52B,52Cで検出される回転角のみが逆の符号で同じ値だけ変化する場合には、検出部52B,52Cの検出結果の差分から回転板42BのX方向への変位の大きさを検出できる。
In this way, when the rotation angle detected by Y-
一般に、出力軸18Cに任意の方向に作用するモーメントMによって、図9(B)に示すように、検出部52A~52Cに対して回転板42Bが任意の方向の位置42B2に変位した場合で、かつ出力軸18Cがモータ部14によって任意の角度だけ回転している場合には、検出部52A,52B,52Cで検出される回転角CT1,CT2,CT3(精度補正部59から出力される角度)をモーメント換算部63で処理することによって、次のようにそのモーメントMの方向Φ及び大きさΕを求めることができる。
In general, when a moment M acting in an arbitrary direction on the
図9(B)に示すように、出力軸18Cに作用するモーメントによる出力軸18Cの軸部18Cbの+Z方向の端部の変位の方向の角度をφ、その変位の大きさをεとして、回転板42Bの回転角をθとする。角度φ及び回転角θはX軸に対して反時計回りの角度である。なお、変位εは誇張して表されている。また、検出部52A,52B,52Cは90°間隔で配置されているものとする。
このとき、検出部52Aで検出される回転角CT1(rad)は次のようになる。
CT1=ε・sinφ+θ …(5)
As shown in Fig. 9B, the angle of the direction of displacement of the end of the shaft portion 18Cb of the
At this time, the rotation angle CT1 (rad) detected by the
CT1=ε・sinφ+θ...(5)
また、検出部52Bで検出される回転角CT2は、回転角CT1に対してπ/2だけ位相が進んでいるため次のようになる。
CT2=ε・sin(φ+π/2)+θ …(6)
その2つの回転角CT1及びCT2の差分δ12(差分計算部60Aの出力)は、次のようになる。
δ12=ε{sinφ-sin(φ+π/2)}=ε(sinφ+cosφ)
=21/2ε・sin(φ+π/4) …(7)
Furthermore, the rotation angle CT2 detected by the
CT2=ε・sin(φ+π/2)+θ...(6)
The difference δ12 between the two rotation angles CT1 and CT2 (output of the
δ12=ε{sinφ−sin(φ+π/2)}=ε(sinφ+cosφ)
=2 1/2 ε・sin(φ+π/4)…(7)
この式(7)と式(5)とを比較すると、差分を計算することによって、角度の大きさが21/2 倍に拡大されていることが分かる。
一方、検出部52Cで検出される回転角CT3は、回転角CT1に対してπ/2だけ位相が遅れているため次のようになる。
CT3=ε・sin(φ-π/2)+θ …(8)
回転角CT3と回転角CT1との差分δ13(差分計算部60Bの出力)は次のようになる。
δ13=ε{sin(φ-π/2)-sinφ}=-ε(sinφ-cosφ)
=-21/2ε・sin(φ-π/4)
=21/2ε・cos(φ+π/4) …(9)
Comparing equation (7) with equation (5), it can be seen that the magnitude of the angle is magnified by a factor of 2 1/2 by calculating the difference.
On the other hand, the rotation angle CT3 detected by the
CT3=ε・sin(φ−π/2)+θ…(8)
The difference δ13 between the rotation angles CT3 and CT1 (output of the
δ13=ε{sin(φ−π/2)−sinφ}=−ε(sinφ−cosφ)
=-2 1/2 ε・sin (φ-π/4)
=2 1/2 ε・cos(φ+π/4)…(9)
(7)式及び(9)式より、差分δ12の2乗と差分δ13の2乗との和δSは次のようになる。
δS=2ε2{ sin2(φ+π/4)+ cos2(φ+π/4)}=2ε2 …(10)
そこで、モーメント荷重換算部62Bは、式(10)のδSの平方根を計算することで、出力軸18Cの変位の大きさεの21/2 倍を求めることができ、この値を21/2 で除算することによってεを算出できる。
From equations (7) and (9), the sum δS of the square of the difference δ12 and the square of the difference δ13 is given as follows:
δS=2ε 2 {sin 2 (φ+π/4)+cos 2 (φ+π/4)}=2ε 2 …(10)
Therefore, the moment
この際に、モーメント荷重換算部62Bの記憶部には、変位の大きさεから出力軸18Cに作用するモーメントの大きさΕを求めるためのモーメントの換算係数Mkが記憶されている。そこで、モーメント荷重換算部62Bは、次のようにεに換算係数Mkを乗算してモーメントの大きさΕを求める。
Ε=ε・Mk …(11)
At this time, a moment conversion coefficient Mk for determining the magnitude E of the moment acting on the
E=ε・Mk…(11)
また、方向換算部62Aでは、次のように(7)式及び(9)式の逆正接を計算することによって変位の角度φを求めることができる。
φ=arctan{sin(φ+π/4)/cos(φ+π/4)}-π/4 …(12)
この角度φから出力軸18Cに作用するモーメントの方向Φは次のように計算できる。
Φ=φ+π …(13)
このように3個の検出部52A~52Cを用いることによって、出力軸18Cがモータ部14によって任意の角度だけ回転していても、出力軸18Cの軸部18Cbの変位の方向及び大きさ、ひいては出力軸18Cに作用するモーメントの方向Φ及び大きさΕを高精度に求めることができる。さらに、出力軸18Cの回転角(回転情報)も高精度に検出できる。
Moreover, the
φ=arctan {sin(φ+π/4)/cos(φ+π/4)}-π/4...(12)
The direction Φ of the moment acting on the
Φ=φ+π ... (13)
In this manner, by using the three
このように本実施形態の駆動装置10Cが備えるエンコーダユニット(エンコーダ部12A及び減速機34A)は、モータ部14の入力軸18A(回転軸)に沿った方向の一端側に配置されてモータ部14の回転を減速する減速機34Aと、減速機34Aを介してモータ部14の回転を出力する出力軸18C(出力部)と、モータ部14により駆動される入力軸18A(入力部)の第1回転情報を検出する第1検出部44(第1回転検出部)と、出力軸18Cの第2回転情報を検出する検出部52A(第2回転検出部)と、を備え、出力軸18Cは、モータ部14のその一端側から他端側に延伸し、出力軸18Cの変位をモータ部14の他端側において拡大する軸部18Cb(変位拡大部)を有する。
The encoder unit (
さらに、そのエンコーダユニットは、モータ部14のその他端側に配置されて、軸部18Cbに関するその延伸方向に直交する面に沿った方向の回転軸18Cの変位情報を検出する検出部52A,52B,52C(変位検出部)と、第1検出部44が検出するその第1回転情報と、検出部52Aが検出するその第2回転情報とに基づいて、入力軸18Aと出力軸18Cとのそれぞれの回転角(回転量)を演算する第1演算装置16A(第1演算部)と、を備えている。
また、本実施形態のエンコーダユニットの制御方法は、出力軸18Cの軸部18Cb(変位拡大部)を用いて、出力軸18Cの変位をモータ部14の他端側において拡大することと、モータ部14の他端側において、その軸部18Cbの延伸方向に直交する面に沿った方向の出力軸18Cの変位情報を検出することと、第1検出部44が検出する第1回転情報と、検出部52Aが検出する第2回転情報とに基づいて、入力軸18A及び回転軸18Cそれぞれの回転量を演算することとを含む。
Furthermore, the encoder unit is provided with
In addition, the control method of the encoder unit of this embodiment includes magnifying the displacement of the
本実施形態によれば、出力軸18Cに作用するモーメントによる出力軸18Cの軸部18Cbの一端側の変位を軸部18Cbで拡大し、この拡大した軸部18Cbの他端側の変位を検出部52A~52Cで検出している。この際に、出力軸18Cの軸部18Cbが変位拡大部を兼用しているため、簡単な構成のエンコーダユニットを用いてモーメントによる出力軸18Cの変位を拡大して高精度に検出できる。このため、その検出した出力軸18Cの変位を用いて出力軸18Cに作用するモーメントを簡単な構成で高精度に検出できる。なお、モータ部14の回転による入力軸18Aの回転量を検出する第1検出部44と、出力軸18Cの回転量を検出する検出部52A~52Cのいずれかの検出器との差分を用いて軸部18Cbの変位を検出する場合、モータ部14の回転の始めにおいてモータ部14の回転がリアルタイムに入力軸18Aに伝わらない不感帯の存在により、軸部18Cbの変位の検出において検出感度の低下が起こりえる。しかし、本実施形態では、検出部52A~52Cの検出結果の差分を用いて軸部18Cbの変位を計算することから、入力軸18Aの不感帯の影響を受けずに高感度な検出が可能になる。
According to this embodiment, the displacement of one end of shaft portion 18Cb of
また、本実施形態によれば、第1回転情報及び第2回転情報を検出しているため、出力軸18Cの回転角(回転情報)をより高精度に検出することができ、出力軸18Cの回転角等をより高精度に制御できる。
なお、本実施形態では以下のような変形が可能である。
まず、本実施形態では、回転板42Bの周囲に3個の検出部52A,52B,52Cを90°間隔で配置しているが、検出部52A,52B,52Cの配置(開き角等)は任意である。また、本実施形態のエンコーダ部12Aでは、出力軸18Cの軸部18Cbの変位の方向及び大きさを検出して、出力軸18Cに作用するモーメントの方向及び大きさを求めているが、軸部18Cbの変位の方向及び大きさの少なくとも一方を検出して、出力軸18Cに作用するモーメントの方向及び大きさの少なくとも一方を求めてもよい。
また、本実施形態では、検出部52A,52B,52Cのうち少なくともいずれか1個の検出部を用いて第2回転情報の検出を行うこともできる。
In addition, according to this embodiment, since the first rotation information and the second rotation information are detected, the rotation angle (rotation information) of the
In addition, the following modifications are possible in this embodiment.
First, in this embodiment, three
In this embodiment, the second rotation information can also be detected using at least one of the
また、本実施形態のエンコーダ部12Aでは、出力軸18Cの軸部18Cbの変位の方向及び大きさを検出するために3個の検出部52A,52B,52Cを有する。これに対して、図10の第1変形例に示すように、パターン8が形成された回転板42Bに沿って2個の検出部52A,52Bのみを配置することも可能である。検出部52A,52Bの開き角は180°以外の任意の角度に設定できる。この変形例では、検出部52A,52Bで検出される回転角にモータ部14の回転による出力軸18Cの回転角が混入している。この出力軸18Cの回転角の影響を除去するために、一例として検出部52A,52Bで検出される回転角から、図7の第1検出部44で検出できる入力軸18Aの回転角に減速機34Aの既知の減速比を掛けて算出される出力軸18Cの回転角を減算してもよい。このようにして求めた2つの回転角から出力軸18Cに作用するモーメントによる軸部18Cbの変位の方向及び大きさを求めることができる。また、モータ部14が回転していないとき(静止時)、すなわち、モータ部14によって出力軸18Cが回転せずに軸部18Cbの変位のみが生じているときの出力軸18Cに作用するモーメントを求める場合、出力軸18Cの回転角が混入しないことから、2個の検出部52A,52Bのみの配置でモーメントを検出することも可能である。
In addition, the
次に、本実施形態の第2変形例につき図11(A)を参照して説明する。この第2変形例においても、図8(A)の3個の検出部52A~52Cのうちの2個の検出部(例えば検出部52A,52B)を使用するが、2つの検出部52A,52Bは開き角180°で配置されている。
図11(A)のエンコーダ部12Bにおいて、出力軸18Cの回転板42Bのパターン8に対して検出部52A,52Bは+X方向及び-X方向の端部に配置されている。検出部52A,52Bの検出信号S3A及びS3Bは、それぞれ図7(B)の増幅部54A、内挿部56A及び補正部58Aを含む前処理部66A及び66Bに供給される。そして、前処理部66A及び66Bから出力される回転角CT1及びCT2がそれぞれ加算平均部68A及び差分計算部68Bに供給される。加算平均部68Aから出力される回転角CT1,CT2の平均値が第1演算装置16Aに供給され、差分計算部68Bから出力される回転角CT1,CT2の差分(=CT1-CT2)がモーメント換算部63Aに供給される。
Next, a second modification of this embodiment will be described with reference to Fig. 11A. In this second modification, two of the three
In the
この変形例において、回転軸18Cに作用するY方向のモーメントMによって回転軸18Cの先端部の回転板42Bが例えば-Y方向に位置42B1までε1だけ変位した場合、正確な回転角θに対して回転角CT1及びCT2の値はそれぞれ(θ-k1・ε1)及び(θ+k1・ε1)になる(k1は所定の係数)。言い替えると、検出部52A,52Bで検出される角度は互いに同じ大きさで異なる符号で変化する。このため、加算平均部68Aから出力される角度(出力軸18Cの第2回転情報)は、変位ε1の影響が相殺されて正確な値θとなり、第1演算装置16Aはその値θを用いて回転軸18Cの回転角を正確に求めることができる。一方、差分計算部68Bから出力される値は回転角θを含まないk1・ε1となり、モーメント換算部63Aはその値を用いてY方向のモーメントMを高精度に求めることができる。
In this modified example, when the
次に、図11(B)の第3変形例のエンコーダ部12Cは、図11(A)の第2変形例において、回転板42Bのパターン8に対して-Y方向及び+Y方向に検出部52C,52Dを180°の開き角で配置したものである。検出部52C,52Dの検出信号S3C及びS3Dは、それぞれ前処理部66Aと同様の前処理部66C及び66Dに供給される。そして、前処理部66C及び66Dから出力される回転角が差分計算部68Cに供給され、差分計算部68Cから出力される2つの回転角の差分がモーメント換算部63Bに供給される。モーメント換算部63Bには差分計算部68Bの出力も供給されている。
Next, the
この変形例において、回転軸18Cに作用する任意の方向のモーメントMによって回転軸18Cの先端部の回転板42Bが任意の角度φの方向に位置42B2までεだけ変位した場合、加算平均部68Aから出力される値からは出力軸18Cの変位の影響が除去されている。このため、第1演算装置16Aは高精度に出力軸18Cの回転角を求めることができる。一方、差分計算部68B及び68Cからそれぞれ回転軸18Cの先端部のY方向及びX方向の変位成分がモーメント換算部63Bに供給される。このため、モーメント換算部63Bは任意の方向のモーメントMを高精度に求めることができる。
In this modified example, when the
また、上述の各実施形態の駆動装置及びエンコーダユニットは各種工作機械又はロボット装置の駆動機構又はその一部として使用できる。
図12は、上記の実施形態の駆動装置10と同様の駆動装置10C及び10Dが使用されたロボット装置RBTを示す斜視図である。なお、図12において、上記した実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。
ロボット装置RBTは、第1の駆動装置10Cと、この駆動装置10Cの出力軸の端部18Daに連結された第1アーム82と、第1アーム82の先端部に設置された第2の駆動装置10Dと、この駆動装置10Dに連結された第2アーム84と、第2アーム84の先端部に上下動可能に装着されたハンドリング部86と、装置全体の動作を制御するロボット制御装置80とを備えている。この場合、駆動装置10Dの出力軸の端部18Eaが第1アーム82の先端に固定され、ハンドリング部86の下端に被駆動部としてのワーク88が着脱可能に保持される。
Furthermore, the drive device and encoder unit of each of the above-described embodiments can be used as a drive mechanism or part thereof for various machine tools or robot devices.
Fig. 12 is a perspective view showing a robot device RBT using
The robot device RBT includes a
本実施形態においては、駆動装置10Cの出力軸を回転軸AX1の回りに回転駆動することで、回転軸AX1の回りに第1アーム82が回転し、駆動装置10Dの出力軸を回転軸AX2の回りに回転駆動することで、回転軸AX2の回りに第2アーム84が回転するため、ワーク88を3次元的に位置決めすることができる。また、駆動装置10Cの制御装置50(図1参照)からロボット制御装置80に第1アーム82に作用するモーメントMCの方向及び大きさの情報が供給され、駆動装置10Dの制御装置50(図1参照)からロボット制御装置80に第2アーム84に作用するモーメントMDの方向及び大きさの情報が供給されている。
In this embodiment, the output shaft of the
そこで、一例としてモーメントMC又はMDの大きさが予め設定されている閾値を超えた場合に、ロボット制御装置80では、駆動装置10Cによる第1アーム82の回転速度及び駆動装置10Dによる第2アーム84の回転速度を低減させる。又はロボット制御装置80では、駆動装置10Cによる第1アーム82の回転及び駆動装置10Dによる第2アーム84の回転を停止させてもよい。又はロボット制御装置80では、ワーク88の荷重を軽減させるようにアラームを発してもよい。これによって、ロボット装置RBTの故障等を抑制できる。また、モーメントMCとモーメントMDが作用するときのハンドリング部86先端の位置ずれ量と方向、及び、モーメントMCとモーメントMDの大きさ及び方向との関係を予め記憶部等に記憶しておき、モーメントMCとモーメントMDが作用したときに、ロボット制御装置80が、そのモーメントMCとモーメントMDに対応するハンドリング部86先端の位置ずれ量と方向を記憶部等から読み出し、ハンドリング部86の位置ずれを補正する方向に第1アーム82及び第2アーム84を回転させてもよい。これによって、ワーク88の位置決めを高精度に行うことができる。なお、このとき、軸部18Bbの変位と方向、及びハンドリング部86の先端の位置ずれ量と方向との関係を予め記憶部等に記憶しておくことで、軸部18Bbの変位と方向から直接的に(モーメントを用いずに)ハンドリング部86の先端の位置ずれ量と方向を記憶部から読み出して、ハンドリング部86の先端の位置を補正してもよい。
Therefore, as an example, when the magnitude of moment MC or MD exceeds a preset threshold value,
なお、ロボット装置RBTは、上記の構成に限定されず、駆動装置10C,10Dは、関節を備える各種ロボット装置(例、組立ロボット、人間協調型ロボット等)に適用できる。
The robot device RBT is not limited to the above configuration, and the
10,10A~10D…駆動装置、12,12A…エンコーダ部、14…モータ部、16,16A…第1演算装置、24…モータ制御装置、18A…入力軸、18B,18C…出力軸、20…マグネット、22…コイル、30…モータケース、34…減速機、34A…回転軸受を内蔵する減速機、38A~38C…皿ばね、42A…第1の回転板、42B…第2の回転板、44…第1検出部、46A~46C…間隔センサ、52A~52C…第2の検出部、48,48A…第2演算装置、RBT…ロボット装置 10, 10A to 10D... Drive unit, 12, 12A... Encoder unit, 14... Motor unit, 16, 16A... First calculation unit, 24... Motor control unit, 18A... Input shaft, 18B, 18C... Output shaft, 20... Magnet, 22... Coil, 30... Motor case, 34... Reducer, 34A... Reducer with built-in rotary bearing, 38A to 38C... Disc spring, 42A... First rotating plate, 42B... Second rotating plate, 44... First detection unit, 46A to 46C... Distance sensor, 52A to 52C... Second detection unit, 48, 48A... Second calculation unit, RBT... Robot device
Claims (16)
前記モータの回転を伝達し、中空部を含む入力軸と、
前記入力軸から伝達された前記モータの回転を変速する変速機と、
前記入力軸の中空部を通る出力軸を含み、前記変速機を介して変速された前記モータの回転を前記出力軸の第1端から出力する出力部と、
前記出力軸の前記第1端と反対側の第2端の、前記出力軸の延伸方向に直交する面内における並進方向の変位に関連する変位情報を検出する変位検出部と、
を備える駆動装置。 A motor;
an input shaft that transmits rotation of the motor and includes a hollow portion;
a transmission that changes the speed of the rotation of the motor transmitted from the input shaft;
an output section including an output shaft passing through a hollow portion of the input shaft and outputting the rotation of the motor, the rotation being changed in speed via the transmission, from a first end of the output shaft ;
a displacement detection unit that detects displacement information related to a translational displacement of a second end of the output shaft opposite to the first end in a plane perpendicular to an extension direction of the output shaft;
A drive unit comprising:
前記出力軸に設けられてパターンが形成されたスケール体と、前記スケール体の前記パターンを検出可能な位置に配置されて、それぞれが前記パターンを検出する少なくとも2個のパターン検出器と、前記少なくとも2個のパターン検出器の検出結果に基づいて前記変位情報を求める変位換算部と、を備える請求項1から4のいずれか一項に記載の駆動装置。 The displacement detection unit
5. The drive device according to claim 1, further comprising: a scale body provided on the output shaft and having a pattern formed thereon; at least two pattern detectors arranged at positions where the pattern on the scale body can be detected, each of the pattern detectors detecting the pattern; and a displacement conversion unit that determines the displacement information based on detection results of the at least two pattern detectors.
前記変位換算部は、前記出力部の回転角の平均値を前記演算装置に供給し、
前記演算装置は、前記平均値に基づいて前記出力部の回転角を演算する
請求項7に記載の駆動装置。 A calculation device that calculates a rotation angle of the output unit is further provided,
the displacement conversion unit supplies an average value of the rotation angle of the output unit to the calculation device;
The drive device according to claim 7 , wherein the calculation device calculates a rotation angle of the output portion based on the average value.
前記出力軸に設けられてパターンが形成されたスケール体と、前記スケール体の前記パターンを検出可能な位置に配置されて、それぞれが前記パターンを検出する第1、第2、及び第3のパターン検出器と、前記第1、第2、及び第3のパターン検出器の検出結果に基づいて前記変位情報を求める変位換算部と、を備え、
前記変位換算部は、前記第1及び第2のパターン検出器の検出結果の差分、並びに前記第1及び第3のパターン検出器の検出結果の差分を用いて、前記出力軸の変位の方向及び大きさの少なくとも一方を求める、請求項1から4のいずれか一項に記載の駆動装置。 The displacement detection unit
a scale body provided on the output shaft and having a pattern formed thereon; first, second and third pattern detectors disposed at positions on the scale body where the pattern can be detected, each detecting the pattern; and a displacement conversion unit that determines the displacement information based on detection results of the first, second and third pattern detectors,
5. The drive device according to claim 1, wherein the displacement conversion unit determines at least one of a direction and a magnitude of a displacement of the output shaft by using a difference between detection results of the first and second pattern detectors and a difference between detection results of the first and third pattern detectors.
前記入力軸の中空部を通る出力軸を含み、前記変速機を介して変速された前記モータの回転を前記出力軸の第1端から出力する出力部と、
前記入力軸の第1回転情報を検出する第1回転検出部と、
前記出力軸の第2回転情報を検出する第2回転検出部と、を備え、
前記出力軸の前記第1端と反対側の第2端の、前記出力軸の延伸方向に直交する面内における並進方向の変位に関連する変位情報を検出する変位検出部と、
前記第1回転検出部が検出する前記第1回転情報と、前記第2回転検出部が検出する前記第2回転情報とに基づいて、前記入力軸と前記出力軸それぞれの回転量を演算する第1演算部と、を備えるエンコーダユニット。 a transmission that transmits rotation of a motor and changes the speed of the rotation of the motor transmitted from an input shaft including a hollow portion;
an output section including an output shaft passing through a hollow portion of the input shaft and outputting the rotation of the motor, the rotation being changed in speed via the transmission, from a first end of the output shaft ;
A first rotation detection unit that detects first rotation information of the input shaft;
a second rotation detection unit that detects second rotation information of the output shaft,
a displacement detection unit that detects displacement information related to a translational displacement of a second end of the output shaft opposite to the first end in a plane perpendicular to an extension direction of the output shaft;
an encoder unit comprising: a first calculation unit that calculates the amount of rotation of each of the input shaft and the output shaft based on the first rotation information detected by the first rotation detection unit and the second rotation information detected by the second rotation detection unit.
前記第2回転検出部は、前記少なくとも2個のパターン検出器のうちの少なくとも1個のパターン検出器を用いて前記第2回転情報を検出する、請求項12に記載のエンコーダユニット。 the displacement detection unit includes a scale body provided on the output shaft and having a pattern formed thereon, at least two pattern detectors disposed at positions capable of detecting the pattern on the scale body, each of which detects the pattern, and a displacement conversion unit which determines the displacement information based on detection results of the at least two pattern detectors,
The encoder unit according to claim 12 , wherein the second rotation detection section detects the second rotation information using at least one pattern detector of the at least two pattern detectors.
前記変位換算部は、前記出力部の回転角の平均値を前記演算装置に供給し、
前記演算装置は、前記平均値に基づいて前記出力部の回転角を演算する
請求項13に記載のエンコーダユニット。 A calculation device that calculates a rotation angle of the output unit is further provided,
the displacement conversion unit supplies an average value of the rotation angle of the output unit to the calculation device;
The encoder unit according to claim 13 , wherein the calculation device calculates a rotation angle of the output section based on the average value.
前記変位換算部は、前記第1及び第2のパターン検出器の検出結果の差分、並びに前記第1及び第3のパターン検出器の検出結果の差分を用いて、前記並進方向及び大きさの少なくとも一方を求め、
前記第2回転検出部は、前記第1、第2、及び第3のパターン検出器のうちの少なくとも1個のパターン検出器を用いて前記第2回転情報を検出する、請求項12に記載のエンコーダユニット。 the displacement detection unit comprises: a scale body provided on the output shaft and having a pattern formed thereon; first, second, and third pattern detectors disposed at positions on the scale body where the pattern can be detected, each detecting the pattern; and a displacement conversion unit that determines the displacement information based on detection results of the first, second, and third pattern detectors,
the displacement conversion unit determines at least one of the translation direction and the magnitude by using a difference between the detection results of the first and second pattern detectors and a difference between the detection results of the first and third pattern detectors;
The encoder unit according to claim 12 , wherein the second rotation detection section detects the second rotation information using at least one pattern detector among the first, second, and third pattern detectors.
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