[發明專利]用于機械臂的電子緊急-停止制動電路

有效

• 申請號: 201380019810.5
• 申請日: 2013-04-09
• 公開（公告）號: CN104245251A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 邁克爾·薩斯曼
• 申請（專利權）人: 睿信科機器人有限公司;邁克爾·薩斯曼
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00;B25J19/06
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇;王博

相關申請

本申請要求2012年4月13日提交的美國專利申請No.13/446,650的權益和優先權，其全部公開通過引用包含于此。

技術領域

在各個實施例中，本發明總地涉及在自動化工業系統中用于產生緊急-停止制動的電子電路。

背景技術

已經在許多工業和制造業環境中配置了自動裝置以提高可靠性并節約成本。用于在不同位置之間移動工具的機械臂通常被旋轉電機經由低摩擦變速箱驅動。低摩擦變速箱以高輸出效率轉換旋轉運動，但是一般允許電機在緊急停止之后或者電力中斷時繼續運動足夠的時間。此外，低摩擦變速箱可導致如下情況：在緊急停止或電力故障時處于靜態位置的上升的機械臂在重力的作用下下降，并可能引起設備損壞或者傷害人類。因此，用于機械臂的電機可以裝配有緊急-停止制動器以避免這些危害。

通常，一種類型的緊急-停止制動器使用具有彈簧負載的機電摩擦裝置；通過螺線管控制摩擦裝置的位置。在緊急停止或者電力損失時，電流停止流過螺線管，引起制動器的嚙合并因此使電機停止。然而，這些機電制動器一般在很短的時間內“鎖定”電機并且會使位于鄰近空間的人類操作者受困。雖然可以使用二次安全電路釋放制動器，但是也有可能在釋放發生之前傷害操作者。此外，因為二次安全釋放電路通常是電池供電的，所以其可靠性降低。另外，機電電機制動器和/或二次安全電路增加了機械系統的重量和成本。

另一制動方法是在緊急情況或電力故障時使電機短路；短路的電機在有限的機械磨損下逐漸變慢。這種方法可以減少使人類操作者受困的風險，并因此避免使用二次安全電路以釋放制動器。然而，在緊急停止或電力損失時，通常需要額外的獨立的電源(例如，電池)給用于控制和支持制動電路的控制邏輯電路供電(或者直接使電機短路)。額外電源的維護和附加成本體現了使用這種方法的缺點。

因此，需要一種不需要額外的獨立的電源就能在緊急停止或電力故障時逐漸降低電機的速度從而防止人類受困的電機制動器。

發明內容

本發明的實施例利用當緊急停止或電力故障時轉換為輸出電壓的存儲電荷引起電機制動；輸出電壓使一個或多個電機繞組短路，從而使電機的速度逐漸降低。這允許電機驅動的機械臂緩慢地返回至重力中間位置和/或允許電機通過對機械臂施加外力而旋轉(即，電機的反向驅動)，而不會使人類操作者受困。在一些實施例中，電壓致動電路通過電荷存儲電路中的存儲電荷啟動。在電力故障時，電荷存儲電路提供電力以使制動電路運行，而無需額外的電源來支持電壓驅動電路的啟動。此外，通過在電壓致動電路和電荷存儲電路中使用緊湊且廉價的電子元件，大大降低了系統的重量和成本，同時在緊急情況或者電力故障時電機制動器保持可靠。

因此，在一個方面，本發明涉及一種用于在電力故障時制動周期性旋轉的電機的無動力制動系統。在各個實施例中，系統包括電荷存儲電路，其用于存儲電荷并且在電力故障時將所存儲的電荷轉換為輸出電壓；一個或多個無源電氣元件，其用于傳導電機旋轉所感應的電流；以及電壓致動電路，其連接至無源電氣元件和電荷存儲電路，用于制動電機。電壓致動電路是待用的，直到在電力故障時被電荷存儲電路致動。在一個實施方式中，電壓致動電路通過使電流流過電機繞組來使電機繞組短路，從而制動電機。電壓致動電路可以每隔電機旋轉的半周期或者在電機旋轉的整個工作周期被啟動。電荷存儲電路可以包括電容器；無源電氣元件可以包括二極管；以及電壓致動電路可以包括晶體管。在一些實施例中，電荷存儲電路包括具有擊穿電壓閾值的齊納二極管和一個或多個晶體管，晶體管是待用的，直到被高于齊納擊穿閾值電壓的足夠的電壓致動。

在一些實施例中，系統還包括具有多個晶體管的橋式逆變器，晶體管在電力故障時停用。系統還可以包括邏輯門，其通過控制器和/或指示電力狀態的信號來調節，以控制電壓致動電路的啟動和停用。當邏輯門的輸出低于預定的最小電壓閾值時，電壓致動電路可以被啟動，而當邏輯門的輸出高于預定的最大電壓閾值時，電壓致動電路可以停用。

在第二方面，本發明涉及一種在電力故障時產生電機制動的方法。該方法包括將電荷存儲在電荷存儲元件中，在電力故障時將所存儲的電荷轉換為輸出電壓，以及施加電壓以通過使電流流過電機繞組來使電機繞組短路，從而制動電機。電機繞組可以每隔電機旋轉的半周期或在電機旋轉的整個工作周期被短路。在一個實施例中，當電機旋轉的速度高于閾值時，電機繞組被短路。