KR20230116045A

KR20230116045A - 로봇, 로봇용 구동 유닛 및 포지셔닝 방법

Info

Publication number: KR20230116045A
Application number: KR1020237022980A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 기리하라
Original assignee: 섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-11-26
Publication date: 2023-08-03
Also published as: WO2022148507A1; US20240058949A1; JP2024503026A; DE102021100276A1; CN116685442A; EP4274711A1

Abstract

본 발명은 구동 샤프트(3), 구동 샤프트(3)를 구동하기 위한 구동 모터(4) 및 구동 샤프트(3)로부터 출력 샤프트(11)로의 동력 전달을 위한 변형파 기어 메커니즘(5)을 구비한 로봇(15)용 구동 유닛(1)에 관한 것이고, 변형파 기어 메커니즘(5)은 구동 샤프트(3)에 작동 가능하게 연결된 파 발생기(5a), 가요성 링(5c) 및 출력 샤프트(11)에 연결될 수 있는 치형 링(5d)을 구비하고, 구동 샤프트(3)의 각도 위치(Θ_i)를 검출하기 위한 제1 센서(6a) 및 출력 샤프트(11)의 각도 위치(Θ_o)를 검출하기 위한 제2 센서(6b)를 포함한다. 그러한 구동 유닛(1)에서 출력 샤프트(11)의 각도 위치를 각각의 설정지점 각도 위치로 정밀하게 조정할 수 있도록 하기 위해, 구동 유닛(1)이 가요성 링(5c)의 팽창(ω)을 검출하기 위한 제3 센서(6c)를 구비하는 것이 제안된다. 본 발명은 또한 그러한 구동 유닛(1)을 갖는 로봇(15) 및 포지셔닝 동안 출력 샤프트(11)의 각도 위치(Θ_o)를 정밀하게 조정하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

로봇, 로봇용 구동 유닛 및 포지셔닝 방법

본 발명은 구동 샤프트, 구동 샤프트를 구동하기 위한 구동 모터, 및 구동 샤프트에서 출력 샤프트으로 동력전달 위한 변형파 기어 메커니즘을 갖는 로봇용 구동 유닛에 관한 것이고, 변형파 기어 메커니즘은 구동 샤프트에 작동 가능하게 연결된 파 발생기, 가요성 링, 및 출력 샤프트에 연결될 수 있는 치형 링을 구비하고, 구동 샤프트의 각도 위치를 검출하기 위한 제1 센서 및 출력 샤프트의 각도 위치를 검출하기 위한 제2 센서를 포함한다. 또한, 본 발명은 그러한 구동 유닛을 구비한 로봇 및 그러한 구동 유닛에서 출력 샤프트의 각도 위치를 조정하기 위한 방법에 관한 것이다.

제네릭 구동 유닛은 선행 기술로부터 공지되어 있고 특히 로봇공학에서, 예를 들어, 산업, 실험실 기술 또는 의료 기술에서 사용되는 로봇 아암을 이동시키기 위해 사용된다. 본 목적을 위해, 구동 유닛에는 변형파 기어 메커니즘이 장착되어 구동 모터와 로봇의 부분 사이의 매우 높은 동력전달비를 가능하게 하여 로봇 아암의 정밀한 움직임을 위해 이동된다. 변형파 기어 메커니즘은 파 발생기 또는 조파기를 구비하고, 이는 비원형, 특히 타원형 횡단면을 갖고 플렉스플라인이라고도 불리는 가요성 링에서 작동하고, 여기서 가요성 링은 완전히 변형된다. 가요성 링은 변형의 두 개의 외부 지점에서만 외부 링으로서 설계된 치형 링의 내부 톱니에서 맞물리는 외부 톱니를 가지고 있다. 원주의 변형으로 인해, 맞물림 지점도 회전하고, 가요성 링의 톱니 개수와 치형 링의 톱니 개수가 다르므로 치형 링은 파 발생기의 회전 운동보다 현저하게 느린 회전 운동으로 설정된다.

구동 모터는 가능한 한 정확하게 출력 샤프트를 원하는 각도 위치로 이동하기 위해 조정 공정에 의해 조정된다. 제1 및 제2 센서는 실제 값 발생기 역할을 하며, 제1 센서는 대략적인 포지셔닝에 사용되고 제 2 센서는 미세 포지셔닝에 사용된다. 제1 센서는 하중이 출력 측에 가해질 때 진동과 힘 입력으로 인해 미세 포지셔닝을 위한 충분한 정밀도와 안정성을 제공하지 못한다. 전기 모터는 일반적으로 구동 모터로서 사용되며 로터리 인코더는 제1 및 제2 센서로서 사용된다. 그러한 상응하는 구동 유닛은 예를 들어, KR 102061693 B1로부터 알려져 있다. 또한, JP 6334317 B에는 출력 샤프트의 팽창을 검출하기 위한 센서를 구비하는 구동 유닛이 알려져 있다.

불리하게는, 출력 샤프트가 이동될 때, 특히 가속 중에 가요성 링이 비틀림 형태로 팽창되고, 여기서 팽창은 구동 샤프트로부터 출력 샤프트로 전달되는 각도 위치에 중첩된다. 이와 관련하여, 제2 센서는 가속이 발생하는 적어도 각거리 영역에서 출력 샤프트 위치를 충분히 정밀하게 조정하는 데 적합하지 않지만 팽창에 의해 중첩된 측정값을 표시하여 출력 샤프트의 각도 위치의 오버슈팅으로 유도한다. 이러한 각거리 밖에 있는 각도 범위에서, 가속을 따르는 일정한 속도에서 가요성 링의 연속 팽창이 알려지는 한에는, 제2 센서만이 출력 샤프트의 각도 위치를 정밀하게 조정하는 데 적합하다.

본 발명의 목적은 출력 샤프트의 각도 위치가 임의의 원하는 각도 위치로 정밀하게 조정될 수 있는 구동 유닛을 제안하는 것이다. 본 발명의 제1 측면에 따르면, 목적은 청구항 제1항에 따른 구동 유닛으로 달성된다. 목적은 또한 청구항 제4항에 따른 로봇으로 본 발명의 제2 측면에 따라 달성된다. 본 발명의 제3 측면에 따르면, 목적은 또한 청구항 제5항에 따른 방법에 의해 달성된다. 종속 청구항에는 유리한 개선점이 제시되어 있다.

가속은 구동 샤프트와 변형파 기어 메커니즘을 통해 출력 샤프트로 전달되는 구동 모터의 가속을 의미하는 것으로 이해된다. 관련된 모든 구성요소가 여기에서 가속되며 특히 가요성 링은 팽창된다. 다음에서, 속도는 또한 모든 구성요소의 각각의 속도를 의미하는 것으로 이해되며, 구동 샤프트 및 가요성 링은 변형파 기어 메커니즘의 동력전달비에 해당하는 출력 샤프트보다 더 높은 속도를 가진다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 구동 유닛은 가요성 링의 팽창을 검출하기 위한 제3 센서를 특징으로 한다. 출력 샤프트의 위치에 영향을 미치는 모든 변수는 제1, 제2, 제3 센서에 의해 알려지며 이를 기반으로 하는 조정 방법을 사용하여 출력 샤프트의 정확한 포지셔닝으로 유도할 수 있다. 그러한 방법은, 예를 들어, 실제값으로서 제2 센서에 의해 검출된 출력 샤프트의 위치에 더해서, 제3 센서에 의해 검출된 팽창이 바로 실제 값으로서 사용되는 조정 방법일 수 있다. 캘리브레이션 방법이 업스트림에 연결되고 그로부터 얻은 정보는 실제 값으로서 출력 샤프트의 실제 각도 위치만으로 조정을 위해 구동 유닛의 작동 중에 사용되는 조정 방법이 바람하다. 그러한 방법은 본 발명의 제2 측면에 따라 이하에서 제안된다.

제3 센서는 예를 들어, 고정 부품에 대한 위치를 검출하기 위한 센서 또는 스트레인 게이지일 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 가요성 링은 방사상으로 연장하는 칼라를 갖고 제3 센서는 칼라 상에 배열된다. 이러한 방식으로, 제3 센서는 가요성 링이 파 발생기와 작동 연결되거나 치형 링과 치형 맞물림에 있는 영역으로부터 떨어져 유리하게 배열된다. 또한, 가요성 링의 팽창은 칼라 상에 신뢰가능하게 측정될 수 있다.

또 다른 바람직한 구현예에서, 제2 센서는 치형 링 상에 배열된다. 그것은 출력 샤프트의 위치가 트랜스미션에서 직접 검출되는 방식으로 구동 유닛의 제1 출력측 요소 상에 유리하게 배열된다. 또한, 구동 유닛은 출력측 상에 다수의 다른 추가 부품이 있는 치형 링 상에 배열된 제2 센서와 함께 유리하게 사용될 수 있다.

또 다른 바람직한 구현예에서, 구동 모터, 변형파 기어 메커니즘, 및 제1 센서는 구동 샤프트와 동축이 되도록 배열된다. 컴팩트한 구동 유닛은 이러한 방식으로 생성된다.

본 발명의 제2 측면은 전술한 바와 같은 구동 유닛을 갖는 로봇에 관한 것이다. 특히, 로봇은 산업, 실험실 기술 또는 의료 기술에서 사용하기 위한 로봇 아암이다. 따라서 로봇은 위에서 설명한 장점을 가지고 있다.

본 발명의 제3 측면은 전술한 바와 같은 구동 유닛에서 구동 샤프트 및 변형파 기어 메커니즘을 통해 구동 모터에 의해 포지셔닝 동안 출력 샤프트의 각도 위치를 조정하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따라, 방법은, 구동 샤프트와 출력 샤프트의 각거리가 가요성 링의 연신으로 인해 구동 샤프트의 각도 위치와 출력 샤프트의 각도 위치 사이에 비선형 관계가 있는 가속 동안 제1, 제2 및 제3 센서에 의해 결정되는 캘리브레이션 방법을 포함한다. 이러한 방식으로 결정된 각거리로부터, 그때, 각도 위치가 정확하게 검출될 수 없는 가요성 링의 팽창에 의해 중첩되거나 변조되기 때문에 출력 샤프트의 실제 각도 위치는 가속 중에 제2 센서에 의해서 부정확하게만 검출될 수 있음이 알려진다. 그런 후에 출력 샤프트를 포지셔닝할 때 이러한 정보를 고려할 수 있다. 실제 각도 위치에서 시작하는 그러한 각거리 내에 있는 설정지점 각도 위치의 정확한 제어는 실제 값 발생기로서 제2 센서로는 가능하지 않고 수정된 조정 전략을 요구한다.

캘리브레이션 절차는 모든 중요한 값을 검출하기 위해 한 번만 수행된다. 캘리브레이션 방법은 출력 샤프트의 포지셔닝이 후속적으로 수행되어야만 하는 설치 상황, 즉, 작동 조건 하에 있는 구동 유닛에서 바람직하게 수행된다. 그런 후에 구동 유닛에 부착된 구성 요소 및 기타 환경 조건의 영향도 고려된다. 캘리브레이션 방법은 바람직하게 일정한 시간 간격에서 및/또는 규정된 수의 포지셔닝 공정 후에 다시 수행된다.

캘리브레이션 공정에서, 각거리가 한편으로는 구동 샤프트에 대해 다른 한편으로는 출력 샤프트에 대해 검출된다. 구동 샤프트의 각거리는 변형파 기어 메커니즘의 동력전달비와 가요성 링의 팽창을 통한 출력 샤프트의 각거리와 관련된다.

캘리브레이션 방법은 바람직하게 규정된 가속도로 수행되고, 이는 검출된 각거리가 그러한 가속도에 특정하기 때문에, 출력 샤프트의 포지셔닝을 위해 다음에서 배타적으로 사용된다. 대안적으로, 획득된 정보로부터 추가 가속 프로파일에 대한 추가 각거리를 보간 또는 외삽하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명에 따라, 방법은 실제 값 발생기로서 제2 센서를 사용하여 출력 샤프트의 각도 위치를 실제 각도 위치에서 목표 각도 위치로 조정하기 위한 포지셔닝 방법을 포함하고, 실제 각도 위치와 목표 각도 위치 사이에 출력 샤프트의 적어도 상기 결정된 각거리가 있는지 여부가 확인되고, 그러한 경우가 아니라면, 실제 각도 위치가 출력 샤프트의 적어도 결정된 각거리에 의해 목표 각도 위치로부터 이격될 때까지, 출력 샤프트는 회전되고, 그런 후에 실제 각도 위치는 제2 센서에 의해 목표 각도 위치로 조정된다. 이러한 방식으로, 어떤 시점에서도 정확한 조정이 불가능한 각도 범위 내에 있는 설정된 각도 위치에서 조정이 이루어지지 않아야 함이 보장된다. 유리하게는, 가요성 링의 팽창은 조정에서 연속적으로 검출되고 처리될 필요가 없다. 포지셔닝 공정은 구동 유닛의 연속 작동에서 출력 샤프트의 각각의 새로운 목표 각도 위치에 대해 수행된다.

일 구현예에서, 제2 센서에 더하여, 제1 센서는 또한 적어도 대안으로서 실제 값 발생기로서 사용된다. 특히, 제1 센서는 출력 샤프트를 제1 실제 각도 위치로부터 출력 샤프트의 적어도 결정된 각거리만큼 목표 각도 위치로부터 이격된 실제 각도 위치로 이동시키도록 사용된다. 이러한 방식으로, 본 업스트림 포지셔닝 공정은 그것이 출력 샤프트의 검출된 각거리보다 더 커야 한다는 제한에 영향을 받지 않는다.

방법의 바람직한 구현예에서, 0%의 가요성 링의 팽창이 캘리브레이션 방법에서 첫째로 설정되고, 제1 각도 위치로서, 구동 샤프트의 각도 위치가 제1 센서에 의해 검출되고 출력 샤프트의 각도 위치가 제2 센서에 의해 검출된다. 그런 후에, 출력 샤프트는 제1 속도로 제1 회전 방향에서 규정된 방식으로 가속되며, 제 3 센서가 가요성 링의 연속 팽창을 검출하자마자, 제2 각도 위치로서, 구동 샤프트의 각도 위치가 제1 센서에 의해 검출되고 출력 샤프트의 각도 위치는 제2 센서에 의해 검출된다. 그런 후에, 검출된 제1 각도 위치와 검출된 제2 각도 위치 사이의 거리는 동방향 각거리로서 규정된다. 용어 "동방향"은 이전 회전에 대한 회전을 말하며 회전과 이전 회전이 동일한 방향에 있음을 의미하는 것으로 이해된다. 동방향 각거리는 조정될 회전이 동일한 방향으로 회전에 의해 선행되었다면, 실제 값 발생기로서 제2 센서를 사용하여 정밀한 조정이 불가능한 각거리이다.

방법의 이러한 구현예의 추가 구현예에서, 출력 샤프트가 그때 정지되고 제3 각도 위치로서, 구동 샤프트의 각도 위치가 제1 센서에 의해 검출되고 출력 샤프트의 각도 위치가 제2 센서에 의해 검출된다. 그런 후에 출력 샤프트는 제2 회전 방향으로 회전되고 제3 센서가 0%의 가요성 링의 팽창을 검출하자마자 다시 정지되고, 정지 상태에서, 제4 각도 위치로서, 구동 샤프트의 각도 위치는 제1 센서에 의해 검출되고 출력 샤프트의 각도 위치는 제2 센서에 의해 검출된다. 그런 후에, 출력 샤프트는 제2 방향에서 규정된 방식으로 가속되며, 제 3 센서가 가요성 링의 변하지 않는 팽창을 검출하자마자, 제5 각도 위치로서, 구동 샤프트의 각도 위치가 제1 센서에 의해 검출되고 출력 샤프트의 각도 위치는 제2 센서에 의해 검출된다. 그런 후에, 검출된 제3 각도 위치와 검출된 제5 각도 위치 사이의 거리는 반대 각거리로서 규정된다. 용어 "반대"는 이전 회전에 대한 회전을 말하며 회전과 이전 회전이 반대 방향에 있음을 의미하는 것으로 이해된다. 역방향 각도 범위는 조정될 회전이 반대 방향으로 회전에 의해 선행되었다면, 실제 값 발생기로서 제2 센서를 사용하여 정밀한 조정이 불가능한 각도 범위이다.

동방향 및 반대 각도 섹션은 가요성 링의 일반적으로 매우 낮은 스프링 상수로 인해, 가속 후 연속 팽창이 가요성 링에서 발생하고, 이는 구동 샤프트가 다시 정지할 때 해소되지 않는다는 점에서 서로 다르다. 그러므로 이러한 연속 팽창은 잔여 팽창으로 불린다. 가요성 링이 제1 방향으로 먼저 가속된 다음 제2 방향으로 가속되면, 가요성 링이 제2 방향으로 가속에 의해 늘어나자마자 제1 회전으로부터 잔여 팽창이 먼저 트리거되어야 한다. 이러한 이유로, 가속 동안 상응하는 방향으로 잔여 팽창이 이미 존재하는 동방향 각거리는 이전 회전으로부터 잔여 팽창이 먼저 트리거되어야 하는 반대 각거리보다 짧다.

유리하게, 포지셔닝 방법에서 동방향 및 반대 방향의 각거리를 검출한 후, 출력 샤프트의 동방향 또는 반대 방향의 각거리는 출력 샤프트의 이전 회전 동안 회전 방향에 따라, 실제 각도 위치와 목표 각도 위치 사이의 거리를 확인할 때 기준으로서 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 가능한 가장 짧은 각거리는, 실제 각도 위치와 목표 각도 위치 사이의 불필요한 거리가 회피되도록 확인을 위한 기준으로서 항상 사용된다.

방법의 또 다른 바람직한 구현예에서, 동력전달비에 의해 정규화된, 구동 샤프트의 검출된 제3 각도 위치와 검출된 제4 각도 위치 사이의 거리와 출력 샤프트의 검출된 제3 각도 위치와 검출된 제4 각도 위치 사이의 거리 사이의 차는 잔여 팽창으로 규정된다. 그런 후에 규정된 가속도에서의 잔여 팽창이 유리하게 알려지고 제2 센서의 측정값을 수정하도록 사용될 수 있다.

바람직한 구현예에서, 포지셔닝 방법에서, 출력 샤프트는 실제 각도 위치를 목표 각도 위치로부터 적어도 결정된 각거리만큼 이격하도록 직전 회전과 동일한 회전 방향으로 회전된다. 따라서 추가 방향 변경이 회피된다. 특히, 여기에서는 대략적인 포지셔닝이 충분하기 때문에, 제1 센서는 설정지점 각도 위치로부터 실제 각도 위치를 이격시키기 위한 실제 값 발생기로 사용될 수 있고, 제1 센서의 측정값은 가요성 링의 임의의 팽창에 의해 중첩되지 않는다.

또 다른 바람직한 구현예에서, 포지셔닝 방법에서, 출력 샤프트의 이전 회전 동안 회전 방향에 따라 실제 각도 위치와 목표 각도 위치 사이의 거리를 확인할 때, 동방향 또는 반대 각도 거리가 기준으로서 취해진다. 위에 이미 설명된 바와 같이, 가능한 가장 짧은 각거리는, 실제 각도 위치와 목표 각도 위치 사이의 불필요한 거리가 회피되도록 확인을 위한 기준으로서 항상 사용된다.

본 발명을 개선하기 위한 추가 조치는 도면을 사용하여 본 발명의 바람직한 예시적인 구현예에 관한 설명과 함께 아래에 도시된다. 도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 구동 유닛의 개략적인 횡단면도이고;
도 2는 제1 y축 상의 출력 샤프트 각도 위치 대 x축 상의 구동 샤프트 각도 위치의 플롯 및 가속 하의 제2 y축 상의 가요성 링 팽창을 도시하고;
도 3은 제1 y축 상의 출력 샤프트 각도 위치 대 x축 상의 구동 샤프트 각도 위치의 플롯 및 가속 하의 제2 y축 상의 가요성 링에서 토크를 도시하고;
도 4는 동방향 회전으로 실제 각도 위치와 설정지점 각도 위치 사이에 충분한 거리를 갖는 출력 샤프트에 대해 본 발명에 따른 포지셔닝 방법의 개략적인 표현을 도시하고;
도 5는 실제 각도 위치와 원하는 각도 위치 사이에 거리가 반대 방향으로 회전으로 충분할 때 출력 샤프트에 대해 본 발명에 따른 포지셔닝 방법의 개략적인 표현을 도시하고;
도 6은 실제 각도 위치와 원하는 각도 위치 사이에 거리가 동방향 회전으로 불충분할 때 출력 샤프트에 대해 본 발명에 따른 포지셔닝 방법의 개략적인 표현을 도시하고;
도 7은 실제 각도 위치와 원하는 각도 위치 사이에 거리가 반대 방향으로 회전으로 불충분할 때 출력 샤프트에 대해 본 발명에 따른 포지셔닝 방법의 개략적인 표현을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 구동 유닛을 갖는 로봇의 매우 단순화된 표현을 도시한다.

도 1은 외부에서 획정하는 하우징(2)을 갖는 구동 유닛(1)을 도시한다. 하우징(2) 내에서, 구동 샤프트(3)는 고정자(4a) 및 회전자(4b)를 갖는 구동 모터(4)에 의해 구동될 수 있는 볼 베어링(10a, 10b)에 의해 장착된다. 또한, 변형파 기어 메커니즘(5)이 구동 샤프트(3) 상에 배열되어, 구동 샤프트(3)의 회전 운동을 출력의 더 느린 회전 운동으로 변환한다. 변형파 기어 메커니즘(5)은 높은 동력전달비 및 강성을 가진다. 제1 센서(6a)는 또한 구동 샤프트(3) 상에 배열되고 구동 샤프트(3)의 각도 위치(Θ_i)를 검출한다. 여기서 제1 센서(6a)는 로터리 인코더로서 설계된다. 브레이크(7)는 또한 구동 샤프트(3)에 작용하며, 이에 의해 구동 샤프트(3)가 제동될 수 있다.

변형파 기어 메커니즘(5)은 파 발생기(5a), 볼 베어링(5b)과 치형 링(5d)에 의해 파 발생기(5a)의 반대편에 장착된 가요성 링(5c)을 가진다. 파 발생기(5a)는 구동 샤프트(3)에 직접 형성되는 반면 치형 링(5d)은 변형파 기어 메커니즘(5)의 출력을 형성하고 출력 샤프트(11)에 연결되거나 연결될 수 있다. 제2 센서(6b)는 치형 링(5d) 상에 배열되고, 이 센서는 출력 샤프트(11)의 각도 위치인 치형 링(5d)의 각도 위치(Θ_o)를 동시에 검출한다. 이를 위해, 제2 센서(6b)는 하우징 측면 상에 고정 구성요소(8) 상의 상응하는 센서 부분(6d)에 대한 치형 링(5d)의 각도 위치(Θ_o)를 검출한다. 가요성 링(5c)은 칼라(5e)를 갖고 이에 의해 하우징(2)에 고정된다. 제3 센서(6c)는 칼라(5e) 상에 배열되며, 이에 의해 가요성 링(5c)의 비틀림의 의미에서 팽창(ω)이 검출된다. 이러한 목적을 위해, 하우징 측면 상의 고정 구성요소(9)에 대한 가요성 링(5c) 상의 측정 지점의 상대 변위가 검출된다.

도 2 및 도 3은 구동 샤프트(3)의 각도 위치(Θ_i) 및 출력 샤프트(11)(또는 치형 링(5d))의 각도 위치(Θ_o)의 과정뿐만 아니라 가속 동안 도 2에 가요성 링의 팽창(ω)의 과정 및 도 3에 가요성 링(5c)에서 토크(T)의 과정을 도시한다. 가요성 링(5c)에서 토크(T) 또는 팽창(ω)은 최대 팽창(ω _max) 및 최대 토크(T _max)까지 가속 동안 축적되며, 여기서 출력 샤프트(11)의 각도 위치(Θ_o)는 아직 변경되지 않거나 각도 위치(Θ_i)는 구동 샤프트(3)를 따른다. 가속이 일정한 목표 속도에 도달하면, 토크(T) 또는 결과 팽창(ω)은 연속 값(ω_k 또는 T_k)에 도달할 때까지 감소한다. 이러한 지점까지 구동 샤프트(3)의 각도위치(Θ_i)와 출력 샤프트(11)의 각도위치(Θ_o) 사이에 비선형 관계가 있고, 이는 실제 값 발생기로서 제2 센서(6b)의 값만을 사용하여 출력 샤프트(11)의 포지셔닝을 정밀하게 조정하는 것을 불가능하게 한다. 이러한 지점으로부터 다시 구동 샤프트(3)의 각도 위치(Θ_i)와 출력 샤프트(11)의 각도 위치(Θ_o) 사이에 선형 관계가 있다. 뒤에 있는 출력 샤프트(11)의 모든 각도 위치(Θ_o)는 실제 값 발생기로서 제2 센서(6b)에 의해 조정될 수 있다.

동방향 가속의 경우에, 영점과 ω_k 또는 T_k에 도달하는 지점 사이에 구동 샤프트(3)의 각거리(ΔΘ_i,gl)가 있고, 이에 걸쳐 가요성 링(5c)의 팽창으로 인해 구동 샤프트의 각도 위치(Θ_i) 및 출력 샤프트(11)의 각도 위치(Θ_o) 사이에 비선형 관계가 있다. 출력 샤프트(11)에 있어서, 영점과 ω_k 또는 T_k에 도달하는 지점 사이에 각거리(ΔΘ_o,gl)가 있고, 이에 걸쳐 가요성 링(5c)의 팽창으로 인해 구동 샤프트의 각도 위치 및 출력 샤프트(11)의 각도 위치 사이에 비선형 관계가 있다.

반대 가속의 경우에, 연속 팽창(ω_k)에 상응하는 잔여 팽창 역시 이전 회전으로부터 감소되어야만 한다. 그런 후에, 이는 잔여 연신에 상응하는 지점(Θ_iv)과 ω_k에 도달하는 지점 사이에 구동 샤프트(3)의 각거리(ΔΘ_i,ge)를 초래하고, 이에 걸쳐 가요성 링(5c)의 팽창으로 인해 구동 샤프트(3)의 각도 위치(Θ_i) 및 출력 샤프트(11)의 각도 위치(Θ_o) 사이에 비선형 관계가 있다. 출력 샤프트(11)에 있어서, 잔여 팽창에 상응하는 지점(Θ_ov)과 ω_k에 도달하는 지점 사이에 각거리(ΔΘ_o,ge)가 있고, 이에 걸쳐 가요성 링(5c)의 팽창으로 인해 구동 샤프트(3)의 각도 위치(Θ_i) 및 출력 샤프트(11)의 각도 위치(Θ_o) 사이에 비선형 관계가 있다.

도 4 내지 도 7은 출력 샤프트(11)의 적어도 각거리(ΔΘ_o,gl, ΔΘ_o,ge)가 실제 각도 위치와 목표 각도 위치 사이에 놓여 있는지(도 4 및 도 5) 또는 그렇지 않은지(도 6 및 도 7)에 따라 다른 경우에 대한 출력 샤프트(11)의 포지셔닝 방법을 도시한다. 또한, 목표 각도 위치가 실제 각도 위치에서 보여지는 바와 동일한 방향(도 4 및 도 6)에 위치되는지 반대 방향(도 5 및 도 7)에 위치되는지에 따라 경우를 고려한다. 실제 각도 위치는 둥근 점으로 도시되고 목표 각도 위치는 정사각형 점으로 도시된다.

목표 각도 위치가 실제 각도 위치로 보정되는 도 4에 따른 경우에, 실제 각도 위치와 목표 각도 위치가 출력 샤프트(11)의 적어도 보정된 각거리(ΔΘ_o,gl)만큼 이격되는지 여부가 확인된다. 이것이 그러한 경우라고 판단되었기 때문에 출력 샤프트(11)는 즉시 목표 각도 위치로 이동된다.

목표 각도 위치가 실제 각도 위치에 대해 반대 방향에 있는 도 5에 따른 경우에, 실제 각도 위치와 목표 각도 위치가 출력 샤프트(11)의 적어도 반대 각거리(ΔΘ_o,ge)만큼 서로 이격되는지 여부가 확인된다. 이것이 그러한 경우라고 판단되기 때문에 출력 샤프트(11)는 즉시 목표 각도 위치로 이동된다.

목표 각도 위치가 실제 각도 위치로 보정되는 도 6에 따른 경우에, 실제 각도 위치와 목표 각도 위치가 출력 샤프트(11)의 적어도 보정된 각거리(ΔΘ_o,gl)만큼 이격되는지 여부가 확인된다. 이것이 그러한 경우가 아니라는 것이 확립되기 때문에, 출력 샤프트(11)는 먼저 출력 샤프트(11)의 적어도 반대 각도 거리(ΔΘ_o,ge)만큼 설정지점 각도 위치로부터 이격된 새로운 실제 각도 위치로 동방향 회전 방향에서 이동된다. 그런 후에 출력 샤프트(11)는 원하는 각도 위치로 이동된다.

목표 각도 위치가 실제 각도 위치에 대해 반대 방향에 있는 도 7에 따른 경우에, 실제 각도 위치와 목표 각도 위치가 출력 샤프트(11)의 적어도 반대 각거리(ΔΘ_o,ge)만큼 서로 이격되는지 여부가 확인된다. 이것이 그러한 경우가 아니라는 것이 확립되기 때문에, 출력 샤프트(11)는 먼저 출력 샤프트(11)의 적어도 반대 각도 거리(ΔΘ_o,ge)만큼 설정지점 각도 위치로부터 이격된 새로운 실제 각도 위치로 동방향 회전 방향에서 이동된다. 그런 후에 출력 샤프트(11)는 원하는 각도 위치로 이동된다.

도 8은 출력 샤프트(11)를 구동하기 위한 구동 유닛(1)을 갖는 로봇 아암의 형태로 로봇(15)을 도시한다. 제1 추가 샤프트(13a) 및 제2 추가 샤프트(13b)는 제1 조인트(12a) 및 제2 조인트(12b)를 통해 구동 유닛(1)에 연결된다. 예로서, 파지 도구(14)가 제2 추가 샤프트(13b) 상에 배열된다. 본 발명에 따른 추가 구동 장치(1)는 각각의 경우에 추가 샤프트(12a, 12b)를 제어하기 위해 조인트(12a, 12b)에 배열될 수 있다.

1 : 구동 유닛
2 : 하우징
3 : 구동 샤프트
4 : 구동 모터
4a : 고정자
4a : 회전자
5: 변형파 기어 메커니즘
5a : 파 발생기
5b : 볼 베어링
5c : 가요성 링
5d : 기어 링
5e : 가요성 링 칼라
6a : 제1 센서
6b : 제2 센서
6c : 제3 센서
6d : 센서 부분
7 : 브레이크
8 : 고정 하우징측 구성요소
9 : 고정 하우징측 구성요소
10a : 볼 베어링
10b : 볼 베어링
11 : 출력 샤프트
12a : 제1 조인트
12b : 제2 조인트
13a : 제1 추가 샤프트
13b : 제2 추가 샤프트
14 : 파지 도구
15 : 로봇
Θ_i :구동 샤프트의 각도 위치
Θ_iv : 잔여 팽창에 상응하는 지점
ΔΘ_i,gl : 구동 샤프트의 동방향 각거리
ΔΘ_i,ge : 구동 샤프트의 반대 각거리
Θ_o : 출력 샤프트의 각도 위치
Θ_ov : 잔여 팽창에 상응하는 지점
ΔΘ_o,gl : 출력 샤프트의 동방향 각거리
ΔΘ_o,ge : 출력 샤프트의 반대 각거리
ω : 가요성 링의 팽창
ω_max : 가요성 링의 최대 팽창
ωk : 가요성 링의 연속 팽창
T : 가요성 링에서 토크
T_max : 가요성 링에서 최대 토크
Tk : 가요성 링에서 연속 토크

Claims

로봇(15)용 구동 유닛(1)으로서,
구동 샤프트(3), 상기 구동 샤프트(3)를 구동하기 위한 구동 모터(4), 및 상기 구동 샤프트(3)로부터 출력 샤프트(11)로의 동력 전달을 위한 변형파 기어 메커니즘(5)을 구비하고, 상기 변형파 기어 메커니즘(5)은 상기 구동 샤프트(3)에 작동 가능하게 연결된 파 발생기(5a), 가요성 링(5c) 및 상기 출력 샤프트(11)에 연결될 수 있는 치형 링(5d)을 구비하고, 상기 구동 샤프트(3)의 각도 위치(Θ_i)를 검출하기 위한 제1 센서(6a) 및 상기 출력 샤프트(11)의 각도 위치(Θ_o)를 검출하기 위한 제2 센서(6b)를 포함하고,
상기 가요성 링(5c)의 팽창(ω)을 검출하기 위한 제3 센서(6c)를 특징으로 하는, 구동 유닛(1).
제1항에 있어서,
상기 가요성 링(5c)은 방사상으로 연장하는 칼라(5e)를 구비하고, 상기 제3 센서(6c)는 상기 칼라(5e) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 구동 유닛(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 센서(6b)는 상기 치형 링(5d) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 구동 유닛(1).
전술한 항들 중 어느 한 항에 따라 적어도 하나의 구동 유닛(1)을 구비한 로봇(15).
청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따라 구동 유닛(1)에서 구동 샤프트(3) 및 변형파 기어 메커니즘(5)을 통해 구동 모터(4)에 의해 포지셔닝될 때 출력 샤프트(11)의 각도 위치(Θ_o)를 조절하기 위한 방법(1)으로서,
- 상기 구동 샤프트(3)와 상기 출력 샤프트(11)의 각거리(ΔΘ_i,gl, ΔΘ_i,ge, ΔΘ_o,gl, ΔΘ_o,ge)가 가요성 링(5c)의 팽창(ω)으로 인해 상기 구동 샤프트(3)의 각도 위치(Θ_i)와 상기 출력 샤프트(11)의 상기 각도 위치(Θ_o) 사이에 비선형 관계가 있는 가속도에서 제1, 제2, 및 제3 센서(6a, 6b, 6c)에 의해 결정되는 캘리브레이션 방법,
- 실제 값 발생기로서 상기 제2 센서(6b)로 상기 출력 샤프트(11)의 상기 각도 위치(Θ_o)를 실제 각도 위치에서 목표 각도 위치로 조정하기 위한 포지셔닝 방법을 포함하고, 상기 실제 각도 위치와 상기 목표 각도 위치 사이에 상기 출력 샤프트(11)의 적어도 상기 결정된 각거리(ΔΘ_o,gl, Δθ_o,ge)가 있는지 여부가 확인되고, 그러한 경우가 아니라면, 상기 실제 각도 위치가 상기 출력 샤프트(11)의 적어도 상기 결정된 각거리(ΔΘ_o,gl, Δθ_o,ge)에 의해 상기 목표 각도 위치로부터 이격될 때까지, 상기 출력 샤프트(11)는 회전되고, 그런 후에 상기 실제 각도 위치는 상기 제2 센서(6b)에 의해 상기 목표 각도 위치로 조정되는, 방법.
제5항에 있어서,
상기 캘리브레이션 공정에서,
- 첫째로, 0%의 상기 가요성 링(5c)의 팽창(ω)이 설정되고 제1 각도 위치(Θ_i, Θ_o)로서, 상기 구동 샤프트(3)의 상기 각도 위치(Θ_i)가 상기 제1 센서(6a)에 의해 검출되고 상기 출력 샤프트(11)의 상기 각도 위치(Θ_o)가 상기 제2 센서(6b)에 의해 검출되고,
- 그런 후에 상기 출력 샤프트(11)는 제1 속도로 제1 회전 방향에서 규정된 방식으로 가속되며, 상기 제 3 센서(6c)가 상기 가요성 링(5c)의 연속 팽창(ω)을 검출하자마자, 제2 각도 위치(Θ_i, Θ_o)로서, 상기 구동 샤프트(3)의 상기 각도 위치(Θ_i)가 상기 제1 센서(6a)에 의해 검출되고 상기 출력 샤프트(11)의 상기 각도 위치(Θ_o)는 상기 제2 센서(6b)에 의해 검출되고,
- 검출된 상기 제1 각도 위치(Θ_i, Θ_o)와 검출된 상기 제2 각도 위치(Θ_i, Θ_o) 사이의 거리는 동방향 각거리(ΔΘ_i,_gl, ΔΘ_o,_gl)로서 규정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서,
뒤이어,
- 상기 출력 샤프트(11)가 정지되고 제3 각도 위치(Θ_i, Θ_o)로서 상기 구동 샤프트(3)의 상기 각도 위치(Θ_i)는 상기 제1 센서(6a)에 의해 검출되고 상기 출력 샤프트(11)의 상기 각도 위치(Θ_o)는 상기 제2 센서(6b)에 의해 검출되고,
- 그런 후에 상기 출력 샤프트(11)는 제2 회전 방향으로 회전되고 상기 제3 센서(6c)가 0%의 상기 가요성 링(5c)의 팽창(ω)을 검출하자마자 다시 정지되고, 휴지 상태에서, 제4 각도 위치(Θ_i, Θ_o)로서, 상기 구동 샤프트(3)의 상기 각도 위치(Θ_i)는 상기 제1 센서(6a)에 의해 검출되고 상기 출력 샤프트(11)의 상기 각도 위치(Θ_o)는 상기 제2 센서(6b)에 의해 검출되고,
- 그런 후에 상기 출력 샤프트(11)는 상기 제2 방향에서 규정된 방식으로 가속되고, 상기 제 3 센서(6c)가 상기 가요성 링(5c)의 변하지 않는 팽창(ω)을 검출하자마자 제5 각도 위치(Θ_i, Θ_o)로서, 상기 구동 샤프트(3)의 상기 각도 위치(Θ_i)는 상기 제1 센서(6a)에 의해 검출되고 상기 출력 샤프트(11)의 상기 각도 위치(Θ_o)는 상기 제2 센서(6b)에 의해 검출되고,
- 검출된 상기 제3 각도 위치(Θ_i, Θ_o)와 검출된 상기 제5 각도 위치(Θ_i, Θ_o) 사이의 거리는 반대 각거리(ΔΘ_i,_ge, ΔΘ_o,ge)로서 규정될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
잔여 팽창(ω)은 상기 구동 샤프트(3)의 검출된 상기 제3 각도 위치(Θ_i)와 검출된 상기 제4 각도 위치(Θ_i) 사이의 거리와 상기 출력 샤프트(11)의 검출된 상기 제3 각도 위치(Θ_o)와 검출된 상기 제4 각도 위치(Θ_o) 사이의 거리 사이의 차인 것을 특징으로 하는 방법.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 포지셔닝 공정에서, 상기 출력 샤프트(11)는 직전의 회전과 동일한 회전 방향으로 회전되어 실제 각도 위치를 적어도 결정된 상기 각거리(ΔΘ_o,gl, Δθ_o,ge)에 의해 설정지점 각도 위치로부터 이격시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 포지셔닝 방법에서, 상기 출력 샤프트(11)의 이전 회전에서 상기 회전 방향에 따라 상기 실제 각도 위치와 상기 목표 각도 위치 사이의 거리를 확인할 때, 동방향 또는 반대 각거리 (ΔΘ_o,gl, ΔΘ_o,ge)가 기준으로서 취해지는 것을 특징으로 하는 방법.