编码器系统、马达系统以及机器人的制作方法

1.本发明涉及一种在由马达驱动的机器人等中包含位置的检测中所使用的编码器的编码器系统、包含编码器系统的马达系统以及机器人。


背景技术：

2.包括机械手(manipulator)与控制器(controller)的机器人通过针对机械手的每一轴而设置的马达而驱动，各轴的马达被控制器基于所述轴的位置而控制。为了检测各轴的位置而使用编码器。若编码器不正常运行，则无法使设置有所述编码器的机械手正常运行。编码器针对机械手的每一轴而连接于所述轴的马达的旋转轴，检测所述马达的旋转位置。编码器在其内部包含电子电路等，被供给电源电压而对机器人的控制装置等输出表示轴位置等的信号。因此，在编码器处连接有电源供给用的配线即电源配线及用于传递信号的信号配线。在机械手中，通常设置多个轴并设置多个编码器，但一般而言对多个编码器以自共用的配线分支的形态供给电源电压。再者，作为设置于机械手的编码器，一般而言使用绝对值编码器。在停止供给来自外部的电源电压时，绝对值编码器需要转移至备用模态(backup mode)等而保持数据，且进行将停止期间的旋转位置的变化等予以存储等最小限度的运行。
3.在搬送制造液晶显示面板中所使用的玻璃基板的机器人等近年来的机器人中，有机械手部分大、而轴的移动距离长的机器人。随着机械手运行而编码器在三维空间内位置也变化即编码器也移动，故设置于机械手内且连接于编码器的配线用缆线也移动会被弯折或扭转。将配线被弯折或扭转称为配线变形。配线变形的结果为，在缆线内的配线中有可能产生短路或接地。当连接于编码器的配线中在信号配线发生故障的情形下，原本信号配线是针对每一轴而设置而发送位置数据，故即便发生故障，所述故障也会作为针对每一轴而言的通讯异常被检测出，而可容易地确定具有不良状况的轴。相对于此，当在电源配线发生故障的情形下，由于是共用配线，故全部编码器的电源同时变为异常，从而难以基于发生有电源异常的轴的信息而确定是哪一轴的电源配线发生了故障。因此，需要通过目视而调查机械手内所设置的全部电源配线，在大型机械手的情形下确定故障部位需要大量时间。确定此种故障部位需要大量时间的课题并非是机器人固有的课题，在具有多个编码器的编码器系统、包括多个马达且针对每一马达而设置有编码器的马达系统中也为共同的课题。
4.作为用于确定与编码器相关联的故障原因的技术的一例，专利文献1公开一种编码器，包括：异常检测部，基于与编码器或马达的状态相关的状态信息而检测异常；原因分析部，在检测出异常的情形下基于状态信息分析异常的发生原因；以及非挥发性存储器控制部，将由原因分析部分析的分析结果储存于非挥发性存储器。作为应对自控制器侧对编码器的电力供给不足的技术，专利文献2公开：针对每一编码器设置辅助电源，且设置电源电压检测电路，所述电源电压检测电路在自控制器侧被供给的电源电压的值为阈值以下时，将来自辅助电源的电力供给至编码器。然而，专利文献1、专利文献2所公开的技术，无法使用在进行连接于编码器的电源配线的故障部位的确定。虽然并不与编码器相关联，但作
为检测电源电压的降低并确定故障部位的技术，专利文献3公开：在自共用电源对多个外部设备供给电源电压的情形下，对自共用电源针对每一外部设备而分支的各条电源线设置连接/断开电路，在检测出共用电源的电压降低时，针对每一电源线依序将所述电源线自共用电源断开，由此检测在与哪一外部设备对应的电源线中产生了故障。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本专利特开2015-90307号公报
8.专利文献2：日本专利特开平8-251817号公报
9.专利文献3：日本专利特开平10-203740号公报


技术实现要素：

10.发明所要解决的问题
11.专利文献3所公开的技术中，若故障为完全接地或短路则可检测出在与哪一外部设备对应的电源线中产生了故障，但在应用于检测编码器的电源配线的故障的情形下，对于进行电源配线的故障与信号配线的故障的区分或发现故障来临前的预兆而言不充分。
12.本发明的目的在于提供一种可容易地确定与编码器对应的电源配线的故障部位的编码器系统、包括此种编码器系统的马达系统以及机器人。
13.解决问题的技术手段
14.本发明的编码器系统具有：多个编码器；编码器电源电路，产生电源电压；个别电源配线，为了供给电源电压而针对每一编码器而设置，且一端连接于所述编码器；开关，针对每一个别电源配线而设置于所述个别电源配线的另一端侧，切换与编码器电源电路的连接与断开；以及第一电压检测电路，针对每一个别电源配线而在所述个别电源配线的另一端侧设置于较开关更靠编码器侧。
15.在本发明的编码器系统中，可通过开关而将个别电源配线逐条独立地与编码器电源电路连接或断开，且可针对每一个别电源配线而测定电压，故在个别电源配线中产生接地或短路等故障时，可迅速地判定是哪一个别电源配线的故障，且可自信号配线等的故障区分而判定，从而可在短时间内进行不良部位的确定。
16.在本发明的编码器系统中，优选的是使第一电压检测电路输出电压值，且使编码器具备检测所述被供给的电源电压并作为电压值而输出的第二电压检测电路。根据所述结构，可根据由第一电压检测电路检测出的电压值与由第二电压检测电路检测出的电压值的差，来算出个别电源配线中的电压降或配线阻抗(impedance)，而容易地发现个别电源配线中的异常或异常前的征兆。在编码器具备通过检测电压降而转移至备用模态的功能的情形下，可容易地进行异常时向备用模态的转移。
17.当在编码器设置第二电压检测电路的情形下，进而，可设置运算机构，所述运算机构运算由第一电压检测电路检测出的电压值与由第二电压检测电路检测出的电压值的差。通过在运算机构中运算差，而可自动算出电压降或配线阻抗，而更容易发现异常或异常前的征兆。运算机构也可将与差相应的电源控制信号输出至编码器电源电路。通过将电源控制信号发送至编码器电源电路，即便在电压降或配线阻抗发生变化，也可将供给至编码器的电源电压维持为适当值。
18.在本发明中，也可根据个别电源配线的长度而将多个编码器分类为多个系统，针对每一系统而设置编码器电源电路。若个别电源配线的长度不同则电压降量也不同，故基于个别电源配线的长度而分类为多个系统，针对每一系统设置编码器电源电路，由此可预见电压降量而设定编码器电源电路的输出电压，从而能够使实际供给至各编码器的电源电压的值更接近适当值。
19.本发明的马达系统包括多个马达，且所述马达系统包括本发明的编码器系统，针对每一马达而设置有编码器系统的编码器。根据本发明的马达系统，通过包括本发明的编码器系统，在针对每一编码器而设置的个别电源配线中产生接地或短路等故障时，可迅速地判定是哪一个别电源配线的故障，从而可在短时间内进行不良部位的确定。
20.本发明的机器人具有：机械手，包括多个马达；以及控制器，控制机械手，且所述机器人包括本发明的编码器系统，针对每一马达而设置有编码器系统的编码器。根据本发明的机器人，在针对每一编码器而设置的个别电源配线中产生接地或短路等故障时，可迅速地判定是哪一个别电源配线的故障，从而可在短时间内进行不良部位的确定。
21.特别是，在本发明的机器人中，优选的是在每一个别电源配线的第一电压检测电路与编码器之间的区间，包含有所述个别电源配线伴随着机械手的移动而变形的区间。一般而言，在机器人中一部分配线伴随着机械手的移动而变形，在此种变形的区间中容易发生配线的短路或接地、断线等故障。因此，在个别电源配线中，在因机械手的移动而伴随的变形的区间包含于设置在另一端侧的开关及第一电压检测电路与一端侧的编码器之间的区间，由此可对于预想为发生频度为高的不良状况，在短时间内进行所述不良状况的发生部位的确定，从而能够大幅度削减机器人的停机时间(downtime)。
22.在本发明的机器人中，开关及第一电压检测电路可配置于控制器。通过配置于控制器，可无需对机械手侧进行改造而将本发明应用于现有的机器人。或者是，在本发明的机器人中，开关及第一电压检测电路可配置于机械手。若配置于机械手，则在控制器与机械手之间仅准备一条与编码器相关的电源配线即可，故可简单地进行配线的引绕等。
23.发明的效果
24.根据本发明，在自共用的电源电路对多个编码器供给电源电压的情形下，可容易地确定电源配线的故障部位。
附图说明
25.图1是表示实施本发明的一实施例的机器人的框图。
26.图2是表示对编码器供给电力的现有形态的框图。
27.图3是表示另一实施方式的机器人的框图。
28.图4是表示又一实施方式的机器人的框图。
具体实施方式
29.接着，参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。图1表示实施本发明的一实施例的机器人。所述机器人包含控制器10以及机械手50，机械手50包括多个轴。在机械手50中，针对每一轴设置有马达51及与所述轴的马达51机械性连接的编码器52。在图示中将轴的数目设为四个且绘制四组马达51与编码器52的组合，但机械手50中的轴的数目也可为五
个以上。
30.控制器10包括：驱动器电路11，驱动机械手50内的各轴的马达51；编码器电源电路12，产生供给至各轴的编码器52的电源电压；编码器接收电路13，自各轴的编码器52接收表示马达位置等的信号；以及控制部14，通过微处理器(microprocessor)等而构成，执行用于进行机器人整体的控制所需的运算等。附图中为了便于说明，而以虚线表示与控制部14相关的配线。各轴的马达51通过针对每一马达51而设置的马达配线53与驱动器电路11连接，由驱动器电路11针对每一轴而独立地驱动。为了对各轴的编码器52供给电源电压，至少在机械手50内针对每一编码器52而设置个别电源配线54。个别电源配线54也延伸至控制器10内。另一方面，自编码器电源电路12经由共用电源配线21而输出电源电压。在控制器10内，对于共用电源配线21经由每一轴的开关22而连接有每一轴的个别电源配线54。而且，在控制器10，针对每一个别电源配线54，设置有与所述对应的个别电源配线54连接而检测电压的电压检测电路23。在个别电源配线54中供设置电压检测电路23的位置虽然接近开关22，但较开关22更靠编码器52侧。因此，个别电源配线54的一端与编码器52连接，且在另一端侧设置有开关22及电压检测电路23。在所述机器人中，针对各轴的编码器52的电源电压自以共用的方式设置于编码器52的共用电源配线21，经由针对每一编码器52而设置的开关22及个别电源配线54而供给。开关22针对每一编码器52而实现与编码器电源电路12的连接及断开。
31.来自各轴的编码器52的信号经由针对每一编码器52设置的信号配线55输入至编码器接收电路13。在控制器10，也设置断线检测电路15，所述设置断线检测电路15通过检测各信号配线55的信号电压等而检测信号配线55的断线。控制部14例如执行以下控制，即：基于自外部输入的位置指令与自各编码器52输入的位置数据，以机械手50的位置成为通过位置指令而指定的位置的方式经由驱动器电路11驱动各轴的马达51，进而，控制各开关22的导通(on)/关断(off)或编码器电源电路12，基于来自断线检测电路15的输入或各电压检测电路23的检测值进行有无发生故障或故障部位的确定。为了能够进行来自控制部14的控制，开关22例如包括机械式继电器(mechanical relay)或半导体开关。
32.本实施方式的机器人例如为用以搬送制造液晶显示面板中所使用的玻璃基板等的机器人，包括大型机械手50，且机械手50的移动距离也长。因此，机械手50内的马达配线53、个别电源配线54及信号配线55的长度例如也长达数十米(m)。通过机械手50运行并移动，马达配线53、个别电源配线54及信号配线55也与机械手50一起移动，其结果为，被弯折或被扭转即变形而承受各种应力(stress)。此种应力也可能成为配线接地、短路、或断线的原因。
33.如图2所示那样，在现有的机器人中，来自编码器电源电路12的共用电源配线21自控制器10延伸至机械手50，且对于共用电源配线21的末端而直接连接有来自各编码器52的个别电源配线54。其结果为，当在任一轴的个别电源配线54中发生接地等故障时，编码器电源电路12的输出因过电流而遮断或输出电压降低，而停止对全部编码器52的电源供给。即便在各编码器52具备检测电源电压中的异常的功能的情况下，也无法根据来自编码器52的信号而确定在与哪一编码器52连接的个别电源配线54中发生了故障。为了确定故障部位，而不得不通过目视而检查机械手50内的全部个别电源配线54。在为搬送液晶显示面板用的玻璃基板的机器人的情形下，机械手50大型化且机械手50本身配置于无尘室(clean room)
或减压环境下，故检查机械手50内的全部个别电源配线54并使机器人自故障修复需要大量的时间。
34.相对于此，在图1所示的本实施方式的机器人中，在与各个编码器52连接的个别电源配线54上，在自与连接于编码器电源电路12的共用电源配线21连接的位置稍许偏靠编码器52的位置设置开关22。所述开关22可通过控制部14针对每一个别电源配线54即每一编码器52个别地进行导通/关断控制。因此，在刚接通控制器10的电源之后等的时间点，对各编码器52依次执行将每一编码器52的开关22个别地导通然后关断。此时，若在编码器接收电路13中可准确地接收来自与被导通的开关22对应的编码器52的信号，则可判断为与所述编码器52对应的个别电源配线54及信号配线55均为正常。相对于此，在无法准确地接收来自与被导通的开关22对应的编码器52的信号的情形下，可判定为在与所述编码器52对应的个别电源配线54及信号配线55的至少一者发生接地等故障。此时，若在与对应的个别电源配线54连接的电压检测电路23中可准确地检测电源电压，则可判断为在来自对应的编码器52的信号配线55产生故障。反之，若仅将一个开关22导通，且在与所述开关相邻而设置的电压检测电路23中无法检测出电源电压，则可判断为在与所述开关22连接的个别电源配线54中发生了接地或短路。
35.在本实施方式中，通过控制部14逐一将开关22依次导通，而可容易地确定在与哪一编码器52连接的配线中发生了故障，或所述发生故障的配线是个别电源配线54还是信号配线55，即便必须通过目视等检查配线也可限定检查部位，而能够大幅度缩短故障部位的确定或自故障修复所需的时间。
36.在本实施方式中，电压检测电路23可包含仅判别输入电压是正常还是非正常的电压比较器电路。然而，关于电压检测电路23，与输出表示好坏的二值信号的情况相比，优选为将所测定的电压作为电压值而输出。此处所言的电压值既可为模拟值，也可为通过模拟/数字(analog/digital，a/d)转换功能等而表示为多值数据的数字值。电压检测电路23为检测模拟值或作为多值数据的电压值的电路，若在编码器52也设置有检测所述被供给的电源电压的电路，则可根据由电压检测电路23检测出的电压值与在编码器52中检测出的电压值，求得个别电源配线54中的电压降量。若为大型机械手50，则个别电源配线54也长，而无法忽略通过个别电源配线54而供给的电源电压的电压降。由于编码器52中的消耗电流为已知且不会大幅度变动，故可根据个别电源配线54的电压降量与编码器52的消耗电流而算出个别电源配线54的配线阻抗，从而容易地进行保养或设计余裕(margin)的确认。通过追踪电压降量或配线阻抗的变化，可容易地发现配线中发生异常或异常前的征兆。将在编码器52中实际测定的电源电压回馈(feedback)给控制部14，而控制部14控制编码器电源电路12，由此可不依赖于个别电源配线54的电压降量而将实际供给至编码器52的电源电压值设为适当值。例如控制部14求得由电压检测电路23检测出的电压值与在编码器52中检测出的电压值的差，将与所述差相应的电压控制信号输出至编码器电源电路12。
37.在为大型机械手50的情形下，有时根据马达51或编码器52为机械手50的哪一轴的马达或编码器，而马达配线53、个别电源配线54及信号配线55的长度大不相同。若个别电源配线54的长度不同，则个别电源配线54中的电压降量也不同，而对编码器52实际供给的电源电压也不同。在个别电源配线54的电压降量不同的情形下，在自同一个编码器电源电路12对多个编码器52供给电源电压的情形下对每一编码器52实际供给的电源电压不同，即便
如上文所述那样回馈电源电压的测定值而控制编码器电源电路12，也难以在全部编码器52中进行如将实际的电源电压设为适当值那样的控制。另一方面，对应于编码器52的数目来准备编码器电源电路12且自编码器电源电路12一对一地对编码器52供给电源电压，会使控制器10超出所需地为大规模。
38.图3所示的本发明的另一实施方式的机器人为与图1所示的机器人同样的机器人，但为了减轻根据个别电源配线54的长度而实际供给至编码器52的电源电压不一致，而根据个别电源配线54的长度将多个编码器52分类为几个系统，针对每一系统而设置编码器电源电路12、编码器电源电路16。在图示中设置有两个编码器电源电路12、16，对四个编码器52中的、个别电源配线54的长度相对较短的两个编码器52，自编码器电源电路12供给电源电压，对于个别电源配线54的长度相对较长的两个编码器52自编码器电源电路16供给电源电压。编码器电源电路12、编码器电源电路16分别可通过来自控制部14的控制而调整输出电压，但基本上所述编码器电源电路的输出电压已加上个别电源配线54的电压降量。由此，无关于个别电源配线54的长度的不同，而可将各编码器52以更接近适当值的电源电压而驱动。下述情形与图1所示的内容相同，即：针对每一编码器电源电路12、编码器电源电路16而设置有共用电源配线21；自各共用电源配线21分支有多个个别电源配线54；针对每一个别电源配线54设置有开关22与电压检测电路23。
39.在图3所示的机器人中，可基于实际供给至各个编码器52的电源电压独立地进行编码器电源电路12、编码器电源电路16的输出电压的回馈控制。尽管电压降量不同，但在四个编码器52中实际供给至各个编码器52的电压的不一致变小，而可使实际供给至所述编码器52的电源电压更接近适当值。
40.在图1所示的机器人中是将开关22及电压检测电路23设置于控制器10内，但也可将开关22及电压检测电路23设置于机械手50内。图4所示的又一实施方式的机器人是在图1所示的机器人中，将共用电源配线21延伸至机械手50，且将来自共用电源配线21的朝个别电源配线54的分支点与开关22及电压检测电路23设置于机械手50内，进而，设置控制开关22且自电压检测电路23接收检测结果的控制部60。控制部60与设置于控制器10内的控制部14协作来进行机器人的控制。考虑到在所述配线变形的部位特别容易发生配线的故障，故为了可更确实地检测故障，优选的是将开关22及电压检测电路23在个别电源配线54上设置于较伴随着机械手50的移动而移动的部分更接近控制器10的一侧。具体而言，优选的是在机械手50内在与控制器10进行连接的部位的附近，使个别电源配线54自共用电源配线21分支且设置开关22及电压检测电路23。
41.以上，对基于本发明的机器人进行了说明，但并不限于机器人来应用本发明。若为具有多个编码器的编码器系统，则无论为何者均可应用本发明。又，也可对具有多个马达的马达系统且针对每一马达而设置有编码器的马达系统应用本发明。
42.符号的说明
43.10：控制器
44.11：驱动器电路
45.12、16：编码器电源电路
46.13：编码器接收电路
47.14、60：控制部
48.15：断线检测电路
49.21：共用电源配线
50.22：开关
51.23：电压检测电路
52.50：机械手
53.51：马达
54.52：编码器
55.53：马达配线
56.54：个别电源配线
57.55：信号配线