JP2001263444A

JP2001263444A - フリクションフリー・ドライブシステム

Info

Publication number: JP2001263444A
Application number: JP2000075609A
Authority: JP
Inventors: Kohei Onishi; 公平大西; Yuichiro Anzai; 祐一郎安西; Takahiro Yamukai; 高弘矢向; Nobuhiro Hayashida; 宣宏林田; Mitsuyasu Morisawa; 光靖森澤; Tamio Nakajima; 民雄中島
Original assignee: Japan Society for Promotion of Science; Keio University; Japan Society For Promotion of Machine Industry
Current assignee: Japan Society for Promotion of Science; Keio University; Japan Society For Promotion of Machine Industry
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】静止摩擦、動摩擦の影響を除去することがで
きるフリクションフリードライブシステムを提供するこ
と。【解決手段】差動機構１０の出力軸は逆方向に回転す
るモータ１ａ，１ｂの回転速度差に相当した回転速度で
回転する。モータ１ａ，１ｂの回転速度の和は仮想和モ
ータ制御系２０ａにフィードバックされ、仮想和モータ
制御系２０ａは上記回転速度の和が和速度指令値Ｖ_+cmd
に一致するような制御出力を発生する。また、上記回転
速度の差が仮想和モータ制御系２０ｂにフィードバック
され、仮想差モータ制御系２０ｂは上記回転速度の差が
差速度指令値Ｖ_-cmdに一致するような制御出力を発生す
る。これらの出力は変換部２３においてモータ１ａ，１
ｂの駆動信号に変換され、それぞれのモータ１ａ，１ｂ
に与えられる。同様にして差動機構１０の出力軸の回転
角度、トルクを制御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動力伝達における
静止摩擦、動摩擦をなくすことが可能でより精密な位置
制御および力制御が実現できるフリクションフリー・ド
ライブシステムに関する。本発明によれば、特殊な装置
を必要とせずに静止摩擦、動摩擦をなくすことが可能で
あり、幅広い分野へ適用することができる。

【０００２】

【従来の技術】産業界において、高精度な位置制御およ
び力制御の実現にあたり、動力伝達機構における静止摩
擦や動摩擦が問題となっている。例えば、アクチュエー
タは出力が０の時はアクチュエータは当然停止しなくて
はならない。しかしアクチュエータの始動時や停止時と
いった低速域においては摩擦の影響が大きい。これがア
クチュエータの性能を劣化させる要因の一つになってい
た。例えば、アクチュエータにより被駆動体を微速で移
動させようとすると、静止摩擦や動摩擦のため被駆動体
はなめらかに動かず、いわゆるスティック・スリップ動
作をする。すなわち、摩擦のため、ある程度以上の力が
作用するまで被駆動体は動かず、被駆動体に作用する力
がある閾値を越えると急に動きだす。つまり、被駆動体
をゆっくり移動させるため被駆動体に小さな力を作用さ
せても、被駆動体は移動停止を繰り返し滑らかに移動し
ない。摩擦の少ないアクチュエータとして磁気浮上シス
テムや磁気ベアリング等が提案されているが、磁気浮上
システムは特殊な装置を必要とし利用環境に制限を受け
る。このため、幅広い分野への応用が進んでいない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
アクチュエータにより被駆動体を微速で移動させようと
すると、摩擦の影響により被駆動体は滑らかに移動せ
ず、いわゆるスティック・スリップ動作をする。また、
マスタースレーブ・サーボ系においては、アクチュエー
タに摩擦があると、スレーブ系に加わる力がマスター系
に正確に反映されず、微細な操作が困難となると言った
問題も生ずる。一方、摩擦の影響を小さくしたアクチュ
エータとしては前記したように磁気浮上システム等が知
られているが、磁気浮上システムは特殊な装置を必要と
し比較的高価である。このため、従来から、比較的構成
が簡単で安価な摩擦の少ないアクチュエータが要望され
ていた。本発明は上記事情に鑑みなされたものであっ
て、本発明の目的は、静止摩擦、動摩擦の影響を除去す
ることができる比較的構成が簡単で安価なフリクション
フリードライブシステムを提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明ではアクチュエー
タの出力が０であるときも個々のアクチュエータが停止
する必要のないシステムを構築した。本発明は、２つの
アクチュエータと１つの差動機構で構成されるドライブ
機構（以下ではフリクションフリードライブ機構と呼
ぶ）と、第１、第２のアクチュエータの回転速度和を制
御する第１のアクチュエータ制御系（仮想和アクチュエ
ータ制御系）と、第１、第２のアクチュエータの回転速
度差、回転角度差、もしくはトルク差を制御する第２の
アクチュエータ制御系（仮想差アクチュエータ制御系）
を用いて、フリクションフリードライブシステムを構築
したものであり、以下のようにして前記課題を解決す
る。（１）フリクションフリー・ドライブシステムを、同様
の特性を備えた第１、第２のアクチュエータと、上記第
１、第２のアクチュエータの回転軸に連結された第１、
第２の入力軸と、互いに逆方向に回転する上記第１、第
２の入力軸の回転速度の差に相当した回転速度で回転す
る出力軸を備えた差動機構と、上記第１、第２のアクチ
ュエータを制御するコントローラから構成する。そし
て、上記コントローラを、上記第１、第２のアクチュエ
ータの回転速度和が、速度和指令値に一致するように制
御する第１のアクチュエータ制御系と、上記第１、第２
のアクチュエータの回転速度差、回転角度差、もしくは
トルク差を制御して、前記差動機構の出力軸の速度、回
転角度、もしくはトルクが、速度指令値、回転角度指令
値もしくはトルク指令値に一致するように制御する第２
のアクチュエータ制御系とから構成し、上記第１のアク
チュエータ制御系と第２のアクチュエータ制御系の出力
を第１、第２のアクチュエータの駆動信号に変換して、
上記第１、第２のアクチュエータを同時に制御すること
により、第１、第２のアクチュエータを常時回転させな
がら、上記差動機構の出力軸の速度、回転角度、もしく
はトルクを制御する。（２）上記差動機構としてフリクションドライブ型差動
機構を用いる。上記フリクションドライブ型差動機構
は、出力軸となる略円筒形の回転体と、該回転体の内部
に放射状に配置された回転可能なローラと、第１、第２
のアクチュエータの回転軸に連結された第１、第２の回
転板とから構成される。そして、上記ローラに、上記回
転体の両側から上記第１、第２の回転板を所定の力で押
し付けて、上記ローラと第１、第２の回転板を接触さ
せ、第１、第２のアクチュエータの回転速度差に相当し
た回転速度で出力軸となる回転体を回転させる。（３）上記差動機構としてディファレンシャルギヤを用
いる。

【０００５】本発明のシステムでは、上記のようにアク
チュエータを連続駆動させているため、静止摩擦は存在
しない。また上記のように制御系を、第１のアクチュエ
ータ制御系（仮想和アクチュエータ制御系）と、第２の
アクチュエータ制御系（仮想差アクチュエータ制御系）
から構成したので、摩擦補償とフリクションフリードラ
イブシステムの出力応答を独立に設計することができ
る。また、本発明においては、上記のように同様な特性
を持つ２つのアクチュエータを常時回転させ、差動機構
によりその差を出力しているので、アクチュエータに影
響を与えるクーロン力、粘性摩擦力の影響を相殺するこ
とができ、動力伝達で生じる動摩擦の大部分が、補償さ
れる。このため、摩擦による応答の劣化が極めて少ない
アクチュエータを実現することができる。また、従来の
アクチュエータをそのまま適用することができ、特殊な
アクチュエータおよび装置を必要としない。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明のフリクションフリードライブ機構
は１つの差動機構と２つのアクチュエータにより構成さ
れる。図１、図２は本発明のフリクションフリードライ
ブ機構の構成例を示す図である。図１、図２はフリクシ
ョンドライブ型差動機構を用いた構成例を示す図であ
り、図１（ａ）に斜視図、図１（ｂ）に分解斜視図（フ
リクションホイール２ａ，２ｂを両側に外した状態を示
している）、図２に図１（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。

【０００７】図１（ａ）（ｂ）において、１ａ，１ｂは
アクチュエータであり、ここではアクチュエータとして
モータを用いた場合を示している。モータ１ａ，１ｂの
軸には、フリクションホイール２ａ，２ｂが取り付けら
れており、モータ１ａ，１ｂが回転すると、フリクショ
ンホイール２ａ，２ｂは回転する。一方、プーリー３の
内部には、フリクションローラ４ａ，４ｂ（以下、ロー
ラという）が設けられ、ローラ４ａ，４ｂの軸の一方端
は、プーリー３の内周面に、軸の他方端は固定板５に取
り付けられ、ローラ４ａ，４ｂはベアリング等を介して
該軸に回転可能に取り付けられている。

【０００８】図２に示すように、フリクションホイール
２ａ，２ｂは上記ローラ４ａ，４ｂの両側に所定の圧力
で接しており、フリクションホイール２ａまたは２ｂが
回転すると、摩擦力によりローラ４ａ，４ｂも回転す
る。したがって、例えばプーリー３を固定した状態で、
フリクションホイール２ａを回転させると、フリクショ
ンホイール２ｂは反対方向に回転する。すなわち、上記
フリクションホイール２ａ，２ｂ、プーリー３、ローラ
４ａ，４ｂで差動機構１０を構成しており、モータ１
ａ，１ｂを等速で反対方向に回転させた場合にはプーリ
ー３は回転せず、モータ１ａ，１ｂを異なった速度で反
対方向に回転させると、プーリー３はフリクションホイ
ール２ａ，２ｂの回転速度の差の速度で回転する。プー
リー３にはワイヤ６が巻き付けられており、該ワイヤ６
を介して、上記差動機構の出力が取り出される。なお、
図１、図２では２個のローラをプーリー内に設ける場合
について示したが、プーリー３内に複数のローラを放射
状に配置し、フリクションホイール２ａ，２ｂと接触さ
せるようにしてもよい。

【０００９】本発明のフリクションフリードライブ機構
は上記のように、差動機構の両端にアクチュエータを設
置し、その２つのアクチュエータの差分をフリクション
フリードライブシステムの出力として取り出すものであ
る。２つのアクチュエータの差分が出力に相当するので
各アクチュエータは連続駆動が可能である。そこで、本
発明においては、各アクチュエータの連続駆動をおこな
い、静止摩擦が存在しないようにしている。図１、図２
に示した例では、フリクションホイールとローラを用い
て差動機構を構成しているので、バックラッシュの影響
のない差動機構を実現することができる。

【００１０】なお、回転速度に対する摩擦力は一般に図
３に示す特性で表される。すなわち、回転速度が小さい
ときは摩擦力は大きく、回転速度が増加するに応じて摩
擦力は低下する。そして、回転速度がさらに増加するに
従って摩擦力が大きくなる。前記図１〜図２に示した差
動機構では、フリクションホイール２ａ，２ｂとローラ
４ａ，４ｂの間の摩擦力により２つのモータ１ａ，１ｂ
の出力の差分を取り出しているので、フリクションホイ
ール２ａとローラ４ａの間の摩擦力ｆ１と、フリクショ
ンホイール２ｂとローラ４ｂの間の摩擦力ｆ２がバラン
スしている必要がある。そこで、２つのモータ１ａ，１
ｂの回転速度としては、速度が変わっても摩擦力が大き
く変わらない領域、例えば図３に示す速度の近傍に選定
するのが望ましい。

【００１１】図１、図２では、差動機構１０としてフリ
クションドライブ型差動機構を示しが、差動機構として
は、例えばデファレンシャルギヤを用いた差動機構を用
いることもできる。図４にデファレンシャルギヤとモー
タを用いたフリクションフリードライブ機構の構成例を
示す。図４において、１ａ，１ｂはモータであり、モー
タ１ａ，１ｂの軸にはギヤ１１ａ，１１ｂが取り付けら
れ、該ギヤ１１ａ，１１ｂはフリーギヤ１２に係合して
いる。該フリーギヤ１２はフレーム１３に回転可能に取
り付けられており、上記フレーム１２にはプーリー１４
が取り付けられている。

【００１２】したがって、前記図１，図２に示したもの
と同様、モータ１ａ，１ｂを等速で反対方向に回転させ
た場合にはプーリー１４（フレーム１２）は回転せず、
モータ１ａ，１ｂを異なった速度で反対方向に回転させ
ると、プーリー１４はモータ１ａ，１ｂ回転速度の差の
速度で回転する。プーリー３にはワイヤ６が巻き付けら
れており、該ワイヤ６を介して、上記差動機構１０の出
力が取り出される。なお、図４に示すデファレンシャル
ギヤを用いたフリクションフリードライブ機構は、ギヤ
を用いているためバックラッシュが生じる。したがっ
て、バックラッシュが生じても問題がない用途に用いる
のが望ましい。

【００１３】以下ではアクチュエータの例としてモータ
を用いた場合の本発明のフリクションフリードライブシ
ステムについて説明する。一般に、下記の式（１）で表
現されるように各モータにはクーロン力、粘性摩擦力が
影響し、各モータの性能を低下させる。なお、以下の式
において、θ１，θ２の上に１ドットを付したものはそ
れぞれモータ１ａ，１ｂの回転速度を表し、２ドットを
付したものはそれぞれモータ１ａ，１ｂの加速度を表
す。また、添え字に”１’を付けたものはモータ１ａ、
添え字に”２”を付けたものはモータ２ａのパラメータ
である。

【００１４】

【数１】

【００１５】本発明のフリクションフリードライブシス
テムでは、２つのモータ１ａ，１ｂを常時回転させ、前
記差動機構によりその差を出力しているので、上記クー
ロン力、粘性摩擦力の影響をなくすことができる。な
お、ここでは、フリクションフリードライブシステムの
構成するアクチュエータはまったく同じ性能、特性であ
ると仮定する。図１，図４に示したフリクションフリー
ドライブ機構を制御するには、差動機構の両端に設置し
た２つのモータ１ａ，１ｂを同時に制御する必要があ
る。しかし、個々のモータ１ａ，１ｂを独立に制御する
と高精度な制御系を組むのは困難になる。そこで、本発
明においては、高精度な制御系を実現するために、作業
空間に基づいた仮想的なモータを用いる。すなわち、上
記フリクションフリードライブ機構は差動機構を用いて
いるため２つのアクチュエータの出力の差分が出力とし
て得られる。そのため下記の式（２）で示される仮想的
なモータを定義する。この仮想的なモータを“差の仮想
モータ”と呼ぶ。なお、以下の式において、”−”の添
え字を付けたものは、前記式（１）の差を表し、添え字
に”＋”を付けたものは和を表す。

【００１６】

【数２】

【００１７】差の仮想モータの出力はフリクションフリ
ードライブシステムの出力に相当する。すなわちフリク
ションフリードライブシステムの運動方程式は式（２）
と式（３）で表される。式（３）に示されるようにフリ
クションフリードライブシステムの外乱は２つのアクチ
ュエータの差分になっている。また、アクチュエータが
常に回転しているため静止摩擦の影響も無い。これより
静止摩擦の影響が無く、動摩擦の影響も非常に小さいフ
リクションフリーである理想的なアクチュエータを実現
できる。

【００１８】フリクションフリードライブシステムにお
いては差動機構の両端に設置したモータを常に回転させ
続ける必要がある。そこで、モータを常に回転させるた
めに下記式（４）で示す仮想的なモータを用いる。この
仮想的なモータを“和の仮想モータ”と呼ぶ。和の仮想
モータはフリクションフリードライブシステムの出力に
影響しないものである。また、下記式（５）よりわかる
ように和のモータに対しては２つのアクチュエータの外
乱の和が加わる。すなわち和の仮想モータにおいては個
々のアクチュエータを常に回転させ、アクチュエータ２
個分の摩擦補償をおこなう。以上の仮想モータを用いる
ことにより作業空間に応じたコントローラを構成するこ
とができる。

【００１９】

【数３】

【００２０】しかし、仮想モータに対する指令値を実際
のモータに対する指令値に変換する必要がある。この変
換は仮想モータの定義より下記式（６）で与えられる。
また、仮想モータの応答値は下記式（７）で与えられ
る。差の仮想モータの応答値に関してはロボット等に取
りつけたエンコーダ等のセンサから取りこむことも可能
である。

【００２１】

【数４】

【００２２】以上により、フリクションフリードライブ
システムのコントローラは、上記”和の仮想モータ”
と”差の仮想モータ”それぞれのコントローラを構成す
ることにより実現することができる。以上のように、フ
リクションフリードライブシステムは１つの差動機構と
２つのアクチュエータを用いる機構的特色と、作業空間
に応じた仮想的なモータを定義しコントローラを設計し
やすくするという特色を持つものであり、この２つの特
色を用いることにより、フリクションフリードライブシ
ステムを実現することが可能となる。

【００２３】以下、本発明のフリクションフリードライ
ブシステムの構成例について説明する。なお、以下で
は、モータ１ａ，１ｂの回転角度をθ１，θ２、差動機
構の出力軸の回転角度をθ、モータ１ａ，１ｂの回転速
度をＶ１，Ｖ２、モータ１ａ，１ｂの駆動電流をＩ１，
Ｉ２、差動機構の出力軸の回転速度をＶ、モータ１ａ，
１ｂのトルクをτ１，τ２、差動機構の出力軸のトルク
をτで表す。図５は、本発明のフリクションフリードラ
イブシステムにより、出力軸を速度制御する場合の第１
の実施例を示す図である。図５において、１ａ，１ｂは
前記したモータ、１０は差動機構であり、差動機構１０
から前記したようにモータ１ａ，１ｂの回転速度Ｖ１，
Ｖ２の差Ｖ１−Ｖ２が出力される。一方、モータ１ａ，
１ｂの速度Ｖ１，Ｖ２は速度検出器３１ａ，３１ｂによ
り検出され、減算器２５ｂにより減算されて差速度Ｖ１
−Ｖ２が求められる。また、モータ１ａ，１ｂの速度Ｖ
１，Ｖ２は加算器２５ａにより加算されて和速度Ｖ１＋
Ｖ２が求められる。差速度Ｖ１−Ｖ２は仮想差モータ制
御系２０ｂにフィードバックされ、また、和速度Ｖ１＋
Ｖ２は仮想和モータ制御系２０ａにフィードバックされ
る。

【００２４】仮想差モータ制御系２０ｂのコントローラ
２１ｂには外部から差速度指令値Ｖ _-cmdが入力され、コ
ントローラ２１ｂはモータ１ａ，１ｂの差速度Ｖ１−Ｖ
２と上記指令値Ｖ_-cmdとの偏差を求め、その偏差に応じ
た電流指令値Ｉ_-refを出力する。また、モータ１ａ，１
ｂの駆動電流１１，Ｉ２が電流検出器３２ａ，３２ｂで
検出され、その差（Ｉ１−Ｉ２）／２が減算器２６ｂか
ら出力され、減算器２７ｂで上記電流指令値Ｉ_-refとの
差が求められる。減算器２７ｂが出力する電流指令値Ｉ
_-refと差電流（Ｉ１−Ｉ２）／２との偏差は電流コント
ローラ２２ｂに入力し、電流コントローラ２２ｂは上記
偏差を演算して変換部２３に出力する。

【００２５】一方、仮想和モータ制御系２０ａのコント
ローラ２１ａには外部から和速度指令値Ｖ_+cmdが入力さ
れ、コントローラ２１ａはモータ１ａ，１ｂの和速度Ｖ
１＋Ｖ２と上記指令値Ｖ_+cmdとの偏差を求め、その偏差
に応じた電流指令値Ｉ_+refを出力する。また、モータ１
ａ，１ｂの駆動電流１１，Ｉ２の和（Ｉ１＋Ｉ２）／２
が減算器２６ａから出力され、減算器２７ａで上記電流
指令値Ｉ_+refとの差が求められる。減算器２７ａが出力
する電流指令値Ｉ_+refと和電流（Ｉ１＋Ｉ２）／２との
偏差は電流コントローラ２２ａに入力し、電流コントロ
ーラ２２ａは上記偏差を演算して変換部２３に出力す
る。変換部２３は前記式（６）によりモータ１ａ，１ｂ
の駆動電流を求め駆動部２４ａ，２４ｂに出力する。駆
動部２４ａ，２４ｂの出力はそれぞれモータ１ａ，１ｂ
に与えられ、モータ１ａ，１ｂは和電流（Ｉ１＋Ｉ２）
／２が前記電流指令値Ｉ_+refに一致するように、また、
差電流（Ｉ１−Ｉ２）／２が前記電流指令値Ｉ_-refに一
致するように制御される。

【００２６】本実施例のフリクションフリードライブシ
ステムは上記のように構成されているので、差速度指令
値Ｖ_-cmdを外部から与えることにより、モータ１ａ，１
ｂの速度差Ｖ１−Ｖ２が上記指令値Ｖ_-cmdに一致するよ
うに制御することができる。すなわち、差動機構１０の
出力Ｖ１−Ｖ２を、上記差速度指令値Ｖ_-cmdに一致する
ように制御することができる。また、２つのモータ１
ａ，１ｂの和速度Ｖ１＋Ｖ２を、上記和速度指令値Ｖ_+c
_mdに一致させることができる。したがって、上記和速度
指令値Ｖ_+cmdを適切な値に設定することにより、２つの
モータ１ａ，１ｂを常時回転させ、前記したように摩擦
の影響を除去することができる。以上のように本実施例
においては、仮想和モータ制御系と仮想差モータ制御系
を設けてフリクションフリードライブ機構を制御してい
るので、差動機構１０の両端に設置した２つのモータ１
ａ，１ｂを同時に高精度に制御することが可能となる。

【００２７】図６は本発明のフリクションフリードライ
ブシステムにより、出力軸の回転角度を制御する場合の
第２の実施例を示す図である。本実施例の構成は、前記
図５の実施例と基本的には同じであり、同一のものには
同一の符号が付されている。本実施例においては、回転
速度Ｖ１，Ｖ２を検出し、その和Ｖ１＋Ｖ２を仮想和モ
ータ制御系２０ａにフィードバックするとともに、回転
角度検出器３３により差動機構１０の出力軸の回転角度
θを検出し、仮想差モータ制御系２０ｂにフィードバッ
クする。また、仮想和モータ制御系２０ａに速度和指令
値Ｖ_+cmdを与え、仮想差モータ制御系２０ｂに角度指令
値θ_cmdを与える。

【００２８】仮想和モータ制御系２０ａは、前記第１の
実施例と同様、上記速度の和Ｖ１＋Ｖ２が上記速度和指
令値Ｖ_+cmdに一致するように制御する。また、仮想差モ
ータ制御系２０ｂは、差動機構１０の出力軸の回転角度
θが角度指令値θ_cmdに一致するように制御する。本実
施例のフリクションフリードライブシステムは上記のよ
うに構成されているので、差動機構１０の出力軸の回転
角度θと上記回転角度指令値θ_cmdとが一致するように
制御することができる。また、第１の実施例と同様、２
つのモータ１ａ，１ｂの和速度Ｖ１＋Ｖ２を、上記和速
度指令値Ｖ_+cmdに一致させることができ、前記したよう
に摩擦の影響を除去することができる。

【００２９】図７は本発明のフリクションフリードライ
ブシステムにより、出力軸のトルクを制御する場合の第
３の実施例を示す図である。本実施例の構成は、前記図
５の実施例と基本的には同じであり、同一のものには同
一の符号が付されている。本実施例においては、回転速
度Ｖ１，Ｖ２を検出し、その和Ｖ１＋Ｖ２を仮想和モー
タ制御系２０ａにフィードバックするとともに、トルク
検出器３４により差動機構１０の出力軸のトルクを検出
し、仮想差モータ制御系２０ｂにフィードバックする。
また、仮想和モータ制御系２０ａに速度和指令値Ｖ_+cmd
を与え、仮想差モータ制御系２０ｂにトルク指令値τ
_cmdを与える。

【００３０】仮想和モータ制御系２０ａは、前記第１の
実施例と同様、上記速度の和Ｖ１＋Ｖ２が上記速度和指
令値Ｖ_+cmdに一致するように制御する。また、仮想差モ
ータ制御系２０ｂは、差動機構１０の出力軸のトルクτ
がトルク指令値τ_cmdに一致するように制御する。本実
施例のフリクションフリードライブシステムは上記のよ
うに構成されているので、差動機構１０の出力軸のトル
クτを、上記トルク指令値τ_cmdに一致するように制御
することができ、また、第１の実施例と同様、２つのモ
ータ１ａ，１ｂの和速度Ｖ１＋Ｖ２を、上記和速度指令
値Ｖ_+cmdに一致させることができる。

【００３１】上記第３の実施例では差動機構１０の出力
軸にトルク検出器を設けた例を示したが、モータの出力
トルクはモータ電流に比例するので、電流制御系により
出力トルクを制御することも可能である。図８は、上記
トルク制御の他の構成例を示す図であり、本実施例の構
成は、前記図７の実施例と基本的には同じであるが、本
実施例は、前記図７に示したものからトルク検出器３２
とトルクフィードバックループを除去したものである。
本実施例においては、回転速度Ｖ１，Ｖ２を検出し、そ
の和Ｖ１＋Ｖ２を仮想和モータ制御系２０ａにフィード
バックするとともに、トルク指令値τ_cmdをコントロー
ラ２１ｂに入力して、電流指令値Ｉ_-refに変換する。該
電流指令値Ｉ_-r _efは、減算器２７ｂにおいて電流検出器
３２ａ，３２ｂにより検出されたモータ１ａ，１ｂの駆
動電流の差（Ｉ１−Ｉ２）／２と比較され、その偏差が
電流コントローラ２２ｂに入力される。電流コントロー
ラ２２ｂはモータ１ａ，１ｂの駆動電流の差（Ｉ１−Ｉ
２）／２が上記電流指令値Ｉ_-refに一致するように制御
する。

【００３２】モータ１ａ，１ｂの駆動電流Ｉ１，Ｉ２は
それぞれのモータ１ａ，１ｂの出力軸のトルクに対応し
ているので、駆動電流Ｉ１，Ｉ２の差は差動機構１０の
出力軸のトルクに比例する。したがって、トルク指令値
τ_cmdを電流指令値Ｉ_-refに変換し、該電流指令値Ｉ
_-refに一致するようにモータ１ａ，１ｂの駆動電流の差
を制御することにより差動機構１０の出力軸のトルクτ
を上記トルク指令値τ_cm _dに一致するように制御するこ
とができる。

【００３３】本発明の本発明のフリクションフリードラ
イブシステムは、以上説明したように摩擦の影響を極力
小さくすることができる。したがって、本システムをマ
スタースレーブサーボ系に適用することにより、スレー
ブ系に加わる力をマスター系に正確に反映させることが
でき、微妙な操作が可能なマスタースレーブサーボ系を
構成することができる。図９に本発明のフリクションフ
リードライブシステムをマスタースレーブサーボ系に適
用した場合の構成例を示す。

【００３４】図９において、４１ａはマスター・フリク
ションフリードライブ機構（以下マスター・ドライブ機
構と略記する）、４１ｂはスレーブ・フリクションフリ
ードライブ機構（以下スレーブ・ドライブ機構と略記す
る）であり、前記図１、図２に示したように差動機構と
第１、第２モータ（図示せず）から構成される。マスタ
ー・ドライブ機構４１ａ、スレーブ・ドライブ機構４１
ｂの出力軸（前記差動機構１０の出力軸）には操作桿４
２ａ，４２ｂが設けられ、また、該出力軸の回転角度を
検出する回転角度検出器４４ａ，４４ｂ、該出力軸に作
用する力を検出する力検出器４５ａ，４５ｂが設けられ
ている。

【００３５】４３ａ，４３ｂは回転角度制御系を構成す
る回転角度コントローラであり、例えば前記図６に示し
た第２の実施例に示したものと同様に、仮想和モータ制
御系と仮想差モータ制御系を備え、それぞれマスター・
ドライブ機構４１ａ，スレーブ・ドライブ機構４１ｂの
出力軸の回転角度を制御する。４７ａ，４７ｂは力制御
系を構成する力コントローラであり、例えば前記図７に
示した第３の実施例に示したものと同様に、仮想和モー
タ制御系と仮想差モータ制御系を備え、それぞれマスタ
ー・ドライブ機構４１ａ，スレーブ・ドライブ機構４１
ｂの出力軸に作用する力を制御する。なお、図示してい
ないが、上記回転角度コントローラ４３ａ，４３ｂ、力
コントローラ４７ａ，４８ｂには、前述したように和速
度指令値Ｖ_+cmdが入力され、マスター・ドライブ機構４
１ａ、スレーブ・ドライブ機構４１ｂに設けられた２つ
のモータは、前記したようにその回転速度の和が上記和
速度指令値Ｖ_+cmdに一致するような速度で常時回転して
いる。なお、上記回転角度コントローラ４３ａと力コン
トローラ４７ａのそれぞれに仮想和モータ制御系を設け
ず、両者の仮想和モータ制御系を共用するようにしても
よい。同様に、上記回転角度コントローラ４３ｂと力コ
ントローラ４７ｂの仮想和モータ制御系を共用すること
もできる。

【００３６】図９に示すマスタースレーブサーボ系は次
のように動作する。マスター・ドライブ機構４１ａの操
作桿４２ａを回転させると、回転角度検出器４４ａの出
力が変化し、この回転角度検出器４４ａの出力は、回転
角度指令値θ_cmdとしてスレーブサーボ系に送られる。
スレーブサーボ系においては、上記回転角度検出器４４
ａの出力と回転角度検出器４４ｂの出力の偏差を減算器
４６ｂにより求め、回転角度コントローラ４３ｂに出力
する。回転角度コントローラ４３ｂは上記偏差を０にす
るような操作出力を発生する。一方、マスター・ドライ
ブ機構４１ａの出力軸に作用する力が力検出器４５ａに
より検出され、力指令値τ_cmdとしてスレーブ系に送ら
れる。スレーブ系においては、上記力検出器４５ａの出
力と力検出器４５ｂの出力の偏差を減算器４８ｂにより
求め、力コントローラ４７ｂに出力する。力コントロー
ラ４７ｂは上記偏差を０にするような操作出力を発生す
る。上記回転角度コントローラ４３ｂの出力と力コント
ローラ４７ｂの出力は加算器４９ｂで加算され、スレー
ブ・ドライブ機構４１ｂに与えられる。これにより、ス
レーブ・ドライブ機構４１ｂの出力軸には、マスター・
ドライブ機構の出力軸に作用した力と同じ力が作用する
とともに、その回転角度がマスター・ドライブ機構４１
ａの回転角度に一致するように回転する。

【００３７】ここで、スレーブ・ドライブ機構４１ｂの
出力軸に負荷が取り付けられており、スレーブ・ドライ
ブ機構４１ｂの出力軸に上記負荷による力が作用する
と、この力は力検出器４５ｂにより検出され、力指令値
τ_cmdとしてマスタ系に送られる。マスター系において
は、上記力検出器４５ｂの出力と力検出器４５ａの出力
の偏差を減算器４８ａにより求め、力コントローラ４７
ａに出力する。力コントローラ４７ａは上記偏差を０に
するような操作出力を発生する。このため、マスター・
ドライブ機構４１ａの出力軸には上記力指令値τ_cmdに
対応した力が作用する。したがって、マスター系の操作
桿４２ａを手で回転させたとき、スレーブ系の出力軸に
作用する力を手で感じ取ることができる。以上の説明で
は、マスター・ドライブ機構４１ａを操作した場合につ
いて説明したが、スレーブ・ドライブ機構４１ｂを操作
した場合にも上記と同様に、マスター・ドライブ機構４
１ａが制御される。

【００３８】なお、図９において、回転角度フィードバ
ック、力フィードバック経路中に増幅器もしくは減衰器
を設け、回転角度フィードバック、力フィードバック信
号をｎ倍、もしくは１／ｎ倍にすることにより、操作桿
４２ａの回転量に対して操作桿４２ｂの回転量をｎ倍あ
るいは１／ｎにしたり、また、操作桿４２ａに作用する
力に対して操作桿４２ｂに作用する力をｎ倍あるいは１
／ｎにすることもできる。上記マスタースレーブサーボ
系においては、マスター・ドライブ機構４１ａ、スレー
ブ・ドライブ機構４１ｂとして、前記したフリクション
フリードライブシステムを用いているので、アクチュエ
ータには基本的に摩擦がない。このため、スレーブ系に
加わる力をマスター系に正確に反映させることができ
る。したがって、本発明のフリクションフリードライブ
システムを用いれば、マスタースレーブサーボ系を、例
えば微細加工、外科手術、微妙な操作が必要な物品のハ
ンドリング等に適用することが可能となる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
以下の効果を得ることができる。（１）アクチュエータを連続駆動させているため、静止
摩擦は存在せず、また、同様な特性を持つ２つのアクチ
ュエータを常時回転させ、差動機構によりその差を出力
しているので、アクチュエータに影響を与えるクーロン
力、粘性摩擦力の影響を相殺することができる。このた
め、動力伝達で生じる動摩擦の大部分を補償することが
でき、従来アクチュエータに必ず存在した静止摩擦、動
摩擦の影響を取り除くことが可能となり、摩擦による応
答の劣化が極めて少ないアクチュエータを実現すること
ができる。（２）制御系を、第１のアクチュエータ制御系（仮想和
アクチュエータ制御系）と、第２のアクチュエータ制御
系（仮想差アクチュエータ制御系）から構成したので、
摩擦補償とフリクションフリードライブシステムの出力
応答を独立に設計することができる。（３）従来のアクチュエータをそのまま適用することが
でき、特殊なアクチュエータおよび装置を必要としな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフリクションフリードライブ機構の構
成例を示す図である。

【図２】図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図３】回転速度に対する摩擦力を示す図である。

【図４】デファレンシャルギヤを用いたフリクションフ
リードライブ機構の構成例を示す図である。

【図５】本発明の実施例の速度制御システムの構成を示
す図である。

【図６】本発明の実施例の回転角度制御システムの構成
を示す図である。

【図７】本発明の実施例のトルク制御システム（１）の
構成を示す図である。

【図８】本発明の実施例のトルク制御システム（２）の
構成を示す図である。

【図９】本発明をマスタースレーブサーボ系に適用した
場合のシステム構成を示す図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂアクチュエータ（モータ）２ａ，２ｂフリクションホイール３プーリー４ａ，４ｂローラ１０差動機構１１ａ，１１ｂギヤ１２フリーギヤ１３フレーム１４プーリー２０ａ仮想和モータ制御系２０ｂ仮想差モータ制御系２１ａ，２１ｂコントローラ２２ａ，２２ｂ電流コントローラ２３変換部４１ａマスター・ドライブ機構４１ｂスレーブ・ドライブ機構４３ａ，４３ｂ回転角度コントローラ４７ａ，４７ｂ力コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者矢向高弘東京都杉並区上井草３−12−７ (72)発明者林田宣宏神奈川県川崎市中原区木月３−1132 サンコーポ日吉Ａ−103 (72)発明者森澤光靖東京都世田谷区下馬６−47−18 (72)発明者中島民雄神奈川県高座郡寒川町岡田８−26−７Ｆターム(参考） 3J028 EA09 EB10 EB35 EB43 EB48 EB63 FB06 FB13 FC07 FC23 FC63 3J051 AA03 BA03 BB05 BD05 BE02 BE03 CA03 CB04 EB01 EB03 ED02 ED18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同様の特性を備えた第１、第２のアクチ
ュエータと、上記第１、第２のアクチュエータの回転軸に連結された
第１、第２の入力軸と、互いに逆方向に回転する上記第
１、第２の入力軸の回転速度の差に相当した回転速度で
回転する出力軸を備えた差動機構と、上記第１、第２のアクチュエータを制御するコントロー
ラから構成されるフリクションフリー・ドライブシステ
ムであって、上記コントローラは、上記第１、第２のアクチュエータの回転速度和が、速度
和指令値に一致するように制御する第１のアクチュエー
タ制御系と、上記第１、第２のアクチュエータの回転速度差、回転角
度差、もしくはトルク差を制御して、前記差動機構の出
力軸の速度、回転角度、もしくはトルクが、速度指令
値、回転角度指令値もしくはトルク指令値に一致するよ
うに制御する第２のアクチュエータ制御系を備え、上記第１のアクチュエータ制御系と第２のアクチュエー
タ制御系の出力を第１、第２のアクチュエータの駆動信
号に変換して、上記第１、第２のアクチュエータを同時
に制御することにより、第１、第２のアクチュエータを
常時回転させながら、上記差動機構の出力軸の速度、回
転角度、もしくはトルクを制御することを特徴とするフ
リクションフリー・ドライブシステム。
【請求項２】上記差動機構は、フリクションドライブ
型差動機構であり、上記フリクションドライブ型差動機構は、出力軸となる
略円筒形の回転体と、該回転体の内部に放射状に配置さ
れた回転可能なローラと、第１、第２のアクチュエータ
の回転軸に連結された第１、第２の回転板とを備え、上記ローラに、上記回転体の両側から上記第１、第２の
回転板を所定の力で押し付けて、上記ローラと第１、第
２の回転板を接触させ、第１、第２のアクチュエータの
回転速度差に相当した回転速度で出力軸となる回転体を
回転させるようにしたことを特徴とする請求項１のフリ
クションフリー・ドライブシステム。
【請求項３】上記差動機構がディファレンシャルギヤ
であることを特徴とする請求項１のフリクションフリー
・ドライブシステム。