JP2015177835A - トルク混合装置及びトルク混合装置の駆動方法 - Google Patents

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

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。

特開２０１２−０６６３７５号公報 特許第３５５５３１１号

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。

第１の実施形態に係るパワーアシスト装置の外観を示す側面図。 図１に示したII-II'線に沿ったパワーアシスト装置の断面図。 第１の実施形態に係るパワーアシスト装置の制御系を示すブロック図。 第１の実施形態に係るトルク制御を実行した場合におけるリングギアの角速度とキャリアの角速度の関係を示す図。 第１の実施形態に係るトルク制御を実行した場合におけるリングギアに与えられるトルクとキャリアに与えられるトルクの関係を示す図。 第２の実施形態に係るパワーアシスト装置を示す部分切り欠き図。

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ω_ｃ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ω_ｓ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ω_ｃ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ω_ｓが検出される。キャリア１２の角速度ω_ｃ及びサンギア１３の角速度ω_ｓ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ω_ｃ及びサンギア１３の角速度ω_ｓに基づいてリングギア１４の角速度ω_ｒ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ω_ｒを算出する。

（１）式において、係数ｃ_ｒ及びｃ_ｃ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、ｃ_ｒ＝−１０、ｃ_ｃ＝１１である。（１）式の処理は、増幅率１／Ｃ_ｒを有する信号増幅部３１、増幅率Ｃ_ｃ／Ｃ_ｒ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ω_ｃを増幅し、信号増幅部３２はキャリア１２の角速度ω_ｃ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ω_ｒを増幅した信号とキャリア１２の角速度ω_ｃ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ω_ｒ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ω_ｒ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τ_ｃとして与える。トルク指令値τ_ｃ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ω_ｒを増幅した信号ｋω_ｒからキャリア１２の角速度ω_ｃ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ω_ｃがリングギア１４の角速度ω_ｒを増幅した信号ｋω_ｒ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ω_ｒを増幅した信号ｋω_ｒとキャリア１２の角速度ω_ｃ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ω_ｃとリングギア１４の角速度ω_ｒ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ω_ｃはリングギア１４の角速度ω_ｒ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ω_ｓを増幅して増幅信号−ｆω_ｓを生成し、この増幅信号−ｆω_ｓをトルク指令値τ_ｓとして原動機２３に与える。トルク指令値τ_ｓ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ω_ｓ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。

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。

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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
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。