JP2015177835A - トルク混合装置及びトルク混合装置の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 自然な操作感を実現するトルク混合装置を提供する。
【解決手段】 実施形態に係るトルク混合装置は、遊星ギアユニット、第1原動機、及び制御部を備える。遊星ギアユニットは、第1軸の周りを回転可能であって外部から加わるトルクによって回転するリングギアと、前記リングギアの内側に配置され第2軸の周りを回転可能なサンギアと、前記リングギアと前記サンギアの間に配置され前記リングギア及び前記サンギアと噛み合うプラネタリギアと、第3軸の周りを回転可能に且つ前記サンギアの周りを公転可能に前記プラネタリギアを支持し、第4軸の周りを回転可能なキャリアと、を備える。第1原動機は、前記キャリアに連結され、前記キャリアを回転駆動する。制御部は、前記リングギアの角速度を増幅した信号と前記キャリアの角速度との間の差分信号に応じたトルクを発生するように、前記第1原動機を制御する。
【選択図】図3
【解決手段】 実施形態に係るトルク混合装置は、遊星ギアユニット、第1原動機、及び制御部を備える。遊星ギアユニットは、第1軸の周りを回転可能であって外部から加わるトルクによって回転するリングギアと、前記リングギアの内側に配置され第2軸の周りを回転可能なサンギアと、前記リングギアと前記サンギアの間に配置され前記リングギア及び前記サンギアと噛み合うプラネタリギアと、第3軸の周りを回転可能に且つ前記サンギアの周りを公転可能に前記プラネタリギアを支持し、第4軸の周りを回転可能なキャリアと、を備える。第1原動機は、前記キャリアに連結され、前記キャリアを回転駆動する。制御部は、前記リングギアの角速度を増幅した信号と前記キャリアの角速度との間の差分信号に応じたトルクを発生するように、前記第1原動機を制御する。
【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、トルク混合装置を備えるパワーアシスト装置に関する。
原動機を用いて人間(使用者)の動作を補助するパワーアシスト装置がある。このようなパワーアシスト装置は、使用者が発生したトルクと原動機が発生したアシストトルクを混合するトルク混合装置を備えている。従来のトルク混合装置においては、使用者が発生したトルクに対するアシストトルクの追従性が低い。そのため、パワーアシスト装置が体の一部になったような自然な操作感がない。
本発明が解決しようとする課題は、自然な操作感を実現するトルク混合装置及び方法を提供することである。
実施形態に係るトルク混合装置は、遊星ギアユニット、第1原動機、及び制御部を備える。遊星ギアユニットは、第1軸の周りを回転可能であって外部から加わるトルクによって回転するリングギアと、前記リングギアの内側に配置され第2軸の周りを回転可能なサンギアと、前記リングギアと前記サンギアの間に配置され前記リングギア及び前記サンギアと噛み合うプラネタリギアと、第3軸の周りを回転可能に且つ前記サンギアの周りを公転可能に前記プラネタリギアを支持し、第4軸の周りを回転可能なキャリアと、を備える。前記第1軸、前記第2軸、前記第3軸、及び前記第4軸は平行であり、前記第1軸、前記第2軸、及び前記第4軸は同軸である。第1原動機は、前記キャリアに連結され、前記キャリアを回転駆動する。制御部は、前記リングギアの角速度を増幅した信号と前記キャリアの角速度との間の差分信号に応じたトルクを発生するように、前記第1原動機を制御する。
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。以下の実施形態では、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るパワーアシスト装置の外観を概略的に示す側面図であり、図2は、図1に示されるII-II'線に沿ったパワーアシスト装置の断面図である。図1に示されるパワーアシスト装置は、基台1を備え、この基台1には、スライドレール2が固定されている。スライドレール2上には、負荷3が装着されている。負荷3には、ベルト4が連結され、ベルト4は、プーリー6及びプーリー8に巻き掛けられている。プーリー6は基台1に固定された支持部5によって回転可能に支持され、プーリー8は基台1に固定された支持部7によって回転可能に支持されている。プーリー6及びプーリー8は、それぞれの外周に歯が形成されていて、ベルト4と噛み合う。使用者がスライドレール2に沿う方向(例えば図1において矢印で示される方向)に力を加えると、負荷3はスライドレール2に沿って動き、ベルト4を介して伝達される力によってプーリー6及びプーリー8は回転する。
図1は、第1の実施形態に係るパワーアシスト装置の外観を概略的に示す側面図であり、図2は、図1に示されるII-II'線に沿ったパワーアシスト装置の断面図である。図1に示されるパワーアシスト装置は、基台1を備え、この基台1には、スライドレール2が固定されている。スライドレール2上には、負荷3が装着されている。負荷3には、ベルト4が連結され、ベルト4は、プーリー6及びプーリー8に巻き掛けられている。プーリー6は基台1に固定された支持部5によって回転可能に支持され、プーリー8は基台1に固定された支持部7によって回転可能に支持されている。プーリー6及びプーリー8は、それぞれの外周に歯が形成されていて、ベルト4と噛み合う。使用者がスライドレール2に沿う方向(例えば図1において矢印で示される方向)に力を加えると、負荷3はスライドレール2に沿って動き、ベルト4を介して伝達される力によってプーリー6及びプーリー8は回転する。
図2に示されるように、プーリー6の内周にも歯が形成されている。プーリー6の内周に形成された歯は遊星ギアユニット10のリングギア14に相当する。リングギア14の内側には、サンギア13が配置されている。サンギア13はその外周に形成された歯を備える。サンギア13は、支持部5によって回転可能に支持され、さらに、基台1に固定された支持脚24に取り付けられた原動機23に連結されている。具体的には、支持部5は、サンギア13の中心軸15を回転可能に支持し、原動機23は、サンギア13の中心軸15に結合されている。サンギア13は、中心軸15周りを回転することができる。原動機23が発生するトルクはサンギア13に加わる。
リングギア14及びサンギア13の間には複数のプラネタリギア11が配置されている。プラネタリギア11は、その外周に形成された歯を備え、リングギア14及びサンギア13と噛み合う。プラネタリギア11は、サンギア13の周りを公転可能にキャリア12によって支持されている。キャリア12は、支持部5によって回転可能に支持され、さらに、基台1に固定された支持脚22に取り付けられた原動機21に連結されている。例えば、キャリア12は、円板16と、円板16の一方の主面から円板16に垂直な方向に延びる複数の支持軸17と、円板16の他方の主面から円板16に垂直な方向に延びる中心軸18と、を備える。複数の支持軸17それぞれは複数のプラネタリギア11それぞれの中心を通るように複数のプラネタリギア11それぞれに取り付けられ、中心軸18は原動機21に結合されている。キャリア12は、中心軸18周りを回転することができる。各プラネタリギア11は、対応する支持軸17周りを回転(自転)することができ、サンギア13の周りを公転することができる。原動機21が発生するトルクはキャリア12に加わる。なお、図1では、原動機21及び支持脚22は省略されている。
遊星ギアユニット10においては、キャリア12、サンギア13、リングギア14、及びプラネタリギア11の回転軸は平行であり、キャリア12、サンギア13、及びリングギア14の回転軸は同軸である。サンギア13の回転軸は中心軸15によって規定される。キャリア12の回転軸は中心軸18によって規定される。プラネタリギア11の回転軸は支持軸17によって規定される。
図3は、本実施形態に係るパワーアシスト装置の制御系を概略的に示している。図3に示されるように、原動機21には、キャリア12の回転角速度ωcを検出する角速度検出器25が設けられ、原動機23には、サンギア13の回転角速度ωsを検出する角速度検出器26が設けられている。角速度検出器として、例えば、ロータリーエンコーダやタコジェネレータを利用することができる。使用者が図1の負荷3に力を加えると、その力はベルト4を介してプーリー6に伝達され、それによりプーリー6が回転する。すなわち、使用者がプーリー6のリングギア14にトルクを与えたことになる。リングギア14が回転すると、キャリア12及びサンギア13も回転する。このとき、角速度検出器25によってキャリア12の角速度ωcが検出され、角速度検出器26によってサンギア13の角速度ωsが検出される。キャリア12の角速度ωc及びサンギア13の角速度ωsは、コントローラ(制御部とも称する。)30に与えられる。コントローラ30は、マイクロプロセッサユニットなどにより構築することができる。
コントローラ30は、キャリア12を回転駆動する原動機21及びサンギア13を回転駆動する原動機23のトルク制御を行う。まず、原動機21のトルク制御について説明する。
コントローラ30は、キャリア12の角速度ωc及びサンギア13の角速度ωsに基づいてリングギア14の角速度ωrを算出する。具体的には、コントローラ30は、遊星ギアユニット10を構成するリングギア14、キャリア12及びサンギア13の角速度比を決定する下記(1)式に従って、リングギア14の角速度ωrを算出する。
コントローラ30は、キャリア12の角速度ωc及びサンギア13の角速度ωsに基づいてリングギア14の角速度ωrを算出する。具体的には、コントローラ30は、遊星ギアユニット10を構成するリングギア14、キャリア12及びサンギア13の角速度比を決定する下記(1)式に従って、リングギア14の角速度ωrを算出する。
(1)式において、係数cr及びccはリングギア14の歯数とサンギア13の歯数との比から決まる定数である。例えば、リングギア14の歯数が120、サンギア13の歯数が12である場合、cr=−10、cc=11である。(1)式の処理は、増幅率1/Crを有する信号増幅部31、増幅率Cc/Crを有する信号増幅部32、及び加減算器33によって実行される。信号増幅部31はサンギア13の角速度ωcを増幅し、信号増幅部32はキャリア12の角速度ωcを増幅し、加減算器33は信号増幅部31の出力信号から信号増幅部32の出力信号を減じる。
コントローラ30は、下記(2)式に示すように、リングギア14の角速度ωrを増幅した信号とキャリア12の角速度ωcとの差分信号dωを算出する。
(2)式において、kは、定数であってもよく、伝達関数で表されてもよい。(2)式の処理は、増幅率kを有する信号増幅部34及び加減算器35によって実行される。信号増幅部34はリングギア14の角速度ωrを増幅し、加減算器35は信号増幅部34の出力信号からリングギア14の角速度ωrを減じる。
続いて、コントローラ30は、下記(3)式に示すように、差分信号dωを増幅して増幅差分信号gdωを生成し、この増幅差分信号gdωを原動機21にトルク指令値τcとして与える。トルク指令値τcは、信号増幅部41によって増幅されて原動機21に電流として与えられる。
(3)式において、gは、定数であってもよく、伝達関数で表されてもよい。(3)式の処理は、増幅率gを有する信号増幅部36によって実行される。
このようにして、コントローラ30は、使用者が与えたトルクによって回転したリングギア14の角速度ωrを増幅した信号kωrからキャリア12の角速度ωcを減じた差分信号に応じたトルクを発生するように原動機21を制御する。すなわち、コントローラ30は、キャリア12の角速度ωcがリングギア14の角速度ωrを増幅した信号kωrに追従するように、原動機21にトルクを発生させる。コントローラ30によるトルク制御下では、原動機21は、リングギア14の角速度ωrを増幅した信号kωrとキャリア12の角速度ωcとの間の差分信号が小さくなる(ゼロになる)ようにトルクを発生する。この結果、図4に示すように、キャリア12の角速度ωcとリングギア14の角速度ωrは、時間軸波形で実質的な比例関係になる。すなわち、キャリア12の角速度ωcはリングギア14の角速度ωrとともに変化する。従って、リングギア14及びキャリア12がともに慣性体であることを考慮すれば、それぞれに加わるトルク、すなわち、キャリア12に原動機21が与えるアシストトルクと使用者がリングギア14に与えるトルクもまた、図5に示すように、時間軸波形で実質的な比例関係になる。すなわち、使用者が発生したトルクに対するアシストトルクの追従性が高い。
キャリア12に与えられた原動機21からのトルクは、遊星ギアユニット10の特性であるトルク分配機能により、リングギア14及びサンギア13に分配される。このうち、リングギア14に分配された原動機21のトルクが、リングギア14に使用者が与えたトルクと混合され負荷3の運動に使われる。原動機21のトルク制御を使用者からみると、使用者自身がリングギア14に与えたトルクと時間軸波形で実質的な比例関係にあるアシストトルクが原動機21から与えられるため、使用者自身の意思に沿った自然な感覚で補助されるように感じることができる。
次に、原動機23のトルク制御方法について説明する。コントローラ30は、例えば下記(4)式に従って、サンギア13の角速度ωsを増幅して増幅信号−fωsを生成し、この増幅信号−fωsをトルク指令値τsとして原動機23に与える。トルク指令値τsは、信号増幅部42によって増幅されて電流として原動機23に与えられる。
(4)式において、fは、定数であってもよく、伝達関数で表されてもよい。(4)式の処理は、増幅率−fを有する信号増幅部37によって実行される。
このようにして、コントローラ30は、サンギア13が回転する方向と逆の方向のトルクを発生するように原動機23を制御する。すなわち、コントローラ30は、原動機23が発生するトルクが、サンギア13に分配された原動機21からのトルクの反力として作用するように、原動機23にトルクを発生させる。反力として作用することを表すために、信号増幅部37の増幅率を−fと表記している。原動機23が発生するトルクによって、原動機21が発生するトルクがリングギア14に効率的に伝達される。さらに、サンギア13の角速度ωsに応じたトルクを発生するように原動機23を制御することにより、負荷3の動かし始めに大きな力を加える必要がなく、使用者は負荷3をスムーズに動かし始めることができる。
遊星ギアユニット10、原動機21及び23、角速度検出器25及び26、コントローラ30、並びに、信号増幅部41及び42を含む部分がトルク混合装置に相当する。
なお、2つの角速度検出器25及び26を用いてキャリア12及びサンギア13の角速度をそれぞれ検出し、これらの角速度からリングギア14の角速度を算出する例を説明したが、本実施形態はこの例に限定されない。キャリア12、サンギア13、及びリングギア14の角速度は上記(1)式を満たすので、キャリア12、サンギア13、及びリングギア14の2つの角速度を検出すれば、残り1つの角速度は自動的に定まる。従って、キャリア12、サンギア13、及びリングギア14のいずれか2つの角速度を検出するために2つの角速度検出器が設けられればよい。
以上のように、第1の実施形態によれば、リングギアの角速度を増幅した信号とキャリアの角速度との間の差分信号に応じたトルクを発生するように原動機を制御することにより、使用者が加えるトルクに対するアシストトルクの追従性を向上することができる。その結果、自然な操作感を実現することができる。
(第2の実施形態)
図6は、第2の実施形態に係るパワーアシスト装置としての車椅子を概略的に示している。図6に示される車椅子は、車椅子本体51によって回転可能に支持される1対の車輪56L及び56Rを備える。車輪56L及び56Rの各々には、第1の実施形態で説明したトルク混合装置と同様の機構が設けられている。図6では、内部構造を示すために、使用者50の右手側に位置する部分を切り欠いた状態で車椅子が示されている。
図6は、第2の実施形態に係るパワーアシスト装置としての車椅子を概略的に示している。図6に示される車椅子は、車椅子本体51によって回転可能に支持される1対の車輪56L及び56Rを備える。車輪56L及び56Rの各々には、第1の実施形態で説明したトルク混合装置と同様の機構が設けられている。図6では、内部構造を示すために、使用者50の右手側に位置する部分を切り欠いた状態で車椅子が示されている。
使用者50の右手側の車輪56Rに係る構造について簡単に説明する。車輪56Lに係る構造は車輪56Rに係る構造と同様であるので説明を省略する。
車輪56Rの内周にリングギア64が固定されている。リングギア64はプラネタリギア61と噛み合う。プラネタリギア61は、サンギア63と噛み合い、サンギア63の周りを公転可能にキャリア62によって支持されている。サンギア63は、車椅子本体51に固定された原動機73に連結されている。キャリア62は、車椅子本体51に固定された原動機71に歯車65及び66を介して接続されている。原動機71及び原動機73においては、コントローラ(図示せず)によって第1の実施形態と同様のトルク制御が行われる。原動機71が第1の実施形態で説明した原動機21に対応し、原動機73が第1の実施形態で説明した原動機23に対応する。
車輪56Rの内周にリングギア64が固定されている。リングギア64はプラネタリギア61と噛み合う。プラネタリギア61は、サンギア63と噛み合い、サンギア63の周りを公転可能にキャリア62によって支持されている。サンギア63は、車椅子本体51に固定された原動機73に連結されている。キャリア62は、車椅子本体51に固定された原動機71に歯車65及び66を介して接続されている。原動機71及び原動機73においては、コントローラ(図示せず)によって第1の実施形態と同様のトルク制御が行われる。原動機71が第1の実施形態で説明した原動機21に対応し、原動機73が第1の実施形態で説明した原動機23に対応する。
本実施形態では、車椅子本体51に座乗した使用者50が、車椅子の前進又は後退のために車輪56L及び56Rに手でトルクを与える。使用者50からのトルクによって車輪56L及び56Rが回転すると、使用者50に対して原動機71からアシストトルクが供与される。
第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…基台、2…スライドレール、3…負荷、4…ベルト、5…支持部、6…プーリー、7…支持部、8…プーリー、10…遊星ギアユニット、11…プラネタリギア、12…キャリア、13…サンギア、14…リングギア、21…原動機、22…支持脚、23…原動機、24…支持脚、25…角速度検出器、26…角速度検出器、30…コントローラ、31,32,34,36,37,41,42…信号増幅部、33,35…加減算器、51…車椅子本体、56L,56R…車輪、61…プラネタリギア、62…キャリア、63…サンギア、64…リングギア、65,66…歯車、71,73…原動機。
Claims (4)
- 第1軸の周りを回転可能であって外部から加わるトルクによって回転するリングギアと、前記リングギアの内側に配置され第2軸の周りを回転可能なサンギアと、前記リングギアと前記サンギアの間に配置され前記リングギア及び前記サンギアと噛み合うプラネタリギアと、第3軸の周りを回転可能に且つ前記サンギアの周りを公転可能に前記プラネタリギアを支持し、第4軸の周りを回転可能なキャリアと、を備え、前記第1軸、前記第2軸、前記第3軸、及び前記第4軸は平行であり、前記第1軸、前記第2軸、及び前記第4軸は同軸である、遊星ギアユニットと、
前記キャリアに連結され、前記キャリアを回転駆動する第1原動機と、
前記リングギアの角速度を増幅した信号と前記キャリアの角速度との間の差分信号に応じたトルクを発生するように、前記第1原動機を制御する制御部と、
を具備することを特徴とするトルク混合装置。 - 前記サンギアに連結され、前記サンギアを回転駆動する第2原動機をさらに具備し、
前記制御部は、前記サンギアが回転する方向と逆の方向のトルクを発生するように前記第2原動機を制御する、請求項1に記載のトルク混合装置。 - 前記サンギア、前記リングギア、及び前記キャリアのいずれか2つの角速度を検出するために2つの角速度検出器をさらに具備する、請求項1に記載のトルク混合装置。
- 第1軸の周りを回転可能であって外部から加わるトルクによって回転するリングギアと、前記リングギアの内側に配置され第2軸の周りを回転可能なサンギアと、前記リングギアと前記サンギアの間に配置され前記リングギア及び前記サンギアと噛み合うプラネタリギアと、第3軸の周りを回転可能に且つ前記サンギアの周りを公転可能に前記プラネタリギアを支持し、第4軸の周りを回転可能なキャリアと、を備え、前記第1軸、前記第2軸、前記第3軸、及び前記第4軸は平行であり、前記第1軸、前記第2軸、及び前記第4軸は同軸である、遊星ギアユニットと、前記キャリアに連結され、前記キャリアを回転駆動する原動機と、を具備するトルク混合装置の駆動方法であって、
前記リングギアの角速度を増幅した信号と前記キャリアの角速度との間の差分信号に応じたトルクを発生するように、前記原動機を制御することを特徴とするトルク混合装置の駆動方法。
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CN104864057A (zh) * | 2015-04-17 | 2015-08-26 | 燕山大学 | 一种相位双向无级精确可调控制机构 |
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