JP2016037268A - 差動型多軸駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の駆動系を制御するシステムにおいて、少なくともひとつのバックアップ用駆動モータを複数の駆動系で共通して使用することにより、駆動用モータを必要最小限にする。【解決手段】車輪５には、モータ１と差動歯車装置８、車輪１５には、モータ１６と差動歯車装置１８から駆動系がそれぞれ連結されており、差動歯車装置８と差動歯車装置１８との間には、バックアップ用モータとして中央側モータ９を連結している。いずれかのモータが故障したとき、正常なモータが差動歯車装置８、１８を介して、両車輪５、１５の回転を維持する。【選択図】 図５

Description

本発明は、差動型多軸駆動機構に関し、例えば、倒立振り子式の車両や自立ロボットのように、複数の駆動系を相互連携させることで、自立バランスを制御するようなシステムにおいて、駆動系の一部に異常が発生したときも、自立バランスを維持できるようにした差動型多軸駆動機構に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００５−０９４８９８号公報にみられるように、２輪のそれぞれに駆動系を備えた平行２輪乗用台車が知られている。
また、特許文献２には、２つのモータを遊星歯車減速機構により連携させた巻上装置が記載されており、一方のモータが故障したとき、他方のモータで巻上装置の運転を継続することが示されている。

特開２００５−０９４８９８号公報 特開２００６−９６５００号公報

一般的な駆動系は、図１に示すように、モータ１の駆動トルクを、出力軸２、ギア３、駆動シャフト４を介して車輪５に伝達している。
平行２輪乗用台車にみられるような倒立振り子式の車両において、このような駆動系を左右の両輪に採用すると、一方のモータが故障等により停止すると、自律制御が不能となる。
すなわち、例えば、過剰な負荷によりコイルやベアリングが焼損したり、出力軸２に到るまでの減速機歯車が破損したり、異物のはまり込みなどにより、一方の車輪を駆動するモータ１が固着した場合、自立バランスがただちにくずれ、転倒事故等につながるケースが想定される。

そこで、図２のように、モータ１に加え、減速ギア３の反対側に出力軸７を介して、副モータ６を取り付け、モータ１の故障時、副モータ６に切り替え、自立バランスを維持することが考えられる。
しかし、モータ１の固着力が、副モータ６による駆動トルクを上回る場合には、出力軸７も固着したままとなり、副モータ６を駆動しても、車輪５に駆動トルクを伝達することができない。

そこで、図３に示すように、モータ１の出力軸２と副モータ６の出力軸７を差動歯車装置８を介して連結することが考えられる。このように構成することで、モータ１が固着した場合でも、副モータ６を適切に駆動することで、自立バランスを維持することが可能になる。
しかし、このような冗長系を倒立振り子式の両駆動系に適用すると、図４に示すように、車輪の駆動系毎に、駆動用のモータが少なくとも２基ずつ必要となり、倒立振り子式車両の重量増、コストアップを招く。このような課題は、複数の駆動系を連携させることで、自立制御、アーム、脚部の制御を行うロボットなどでも同様である。

そこで、本発明では、複数の駆動系を制御するシステムにおいて、少なくともひとつのバックアップ用駆動モータを複数の駆動系で共通して使用することにより、冗長系を構築するための駆動用モータを必要最小限にとどめることを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の差動型多軸駆動機構においては、複数の駆動系を制御するシステムに使用される差動型多軸駆動機構であって、駆動系のうち二つの駆動系に対し、一つの駆動モータをそれぞれ差動機構を介して連結し、二つの駆動系に対するバックアップ用モータとして共用させるようにした。

本発明によれば、複数の駆動系を制御するシステムにおいて、いずれかの駆動系で異常が発生した際、一つのモータで二つの駆動系をバックアップすることができるので、冗長系を構築するために必要な駆動モータを最小限にとどめることができる。

一般的な駆動系を例示する図である。 副モータを直接連結した冗長系を示す図である 主副モータを差動歯車装置で連結した冗長系を示す図である。 図３の冗長系を両輪に採用した状態を示す図である。 本発明の実施例を示す図である。 本発明を４輪駆動系に適用した図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例は、図５に示すように、倒立振り子式車両の両輪駆動系に本発明を適用したものである。
本実施例では、左右両輪の駆動系に対し、その中央側に差動機構としての差動歯車装置８、１８を介して、バックアップ用モータとしてのモータ９を接続する。これにより、いずれかのモータで固着が発生した場合にも、左右両輪の制御を維持できるようにする。
ここで例示している差動歯車装置は、図３に示しているように、自動車などでデファレンシャルギアとして採用されている、かさ歯車による差動歯車で、２つのサイドギアがピニオンギアによってコの字型またはロの字型に接続され、全体がサイドギアと同軸に回転する中空のフレームによって構成されている。フレームにはリングギアが一体化されており、一般にリングギアの回転数Ｄｖは両サイドギアの回転数Ｇｖの平均値と等しい。

図５において、左側のモータ駆動系においては、差動歯車装置８を貫通した出力軸２は、差動歯車装置８及びその出力軸７を介して、中央側のモータ９の左側出力軸に結合している。一方、右側のモータ駆動系においては、差動歯車装置１８を貫通した出力軸１２は、差動歯車装置１８及びその出力軸１７を介して、中央側のモータ９の右側出力軸に結合している。
なお、図５では、モータと出力軸間に配備される減速装置の図示を省略している。
この実施例では、差動機構として差動歯車装置８と１８を用いているが、遊星歯車を用いてもよい。差動歯車装置８、１８に代え、２基の遊星歯車機構を用い、例えば、モータ１，１６から各内歯歯車への減速比を１／６０とし、太陽歯車とリングギアの歯数の比λが０.５の遊星歯車を用い、両遊星歯車機構の太陽歯車を直結するシャフトを減速比１／６０で中央側モータ９により駆動するといった態様を採ってもよい。この場合、
車輪５の回転数=(中央側モータ９の回転数/90＋左側モータ１の回転数/45)/2
車輪１５の回転数＝(中央側モータ９の回転数/90＋右側モータ１６の回転数/45)/2
となる。

ここで、２つの差動歯車装置８、１８の出力段の平均回転数をＤｖＸ、同回転数の左右の差をＤｖＺ、差動歯車装置８、１８から車輪５、１５に対する出力をそれぞれ、Ｄｖ８，Ｄｖ１８と定義すると、
ＤｖＸ＝（Ｄｖ８＋Ｄｖ１８）／２・・・・・・（１）
ＤｖＺ＝Ｄｖ８−Ｄｖ１８・・・・・・・・・・（２）
倒立二輪車の場合、Ｄｖ８＝Ｄｖ１８が直進時、ＤｖＺ≠０が旋回時にそれぞれ相当する。

次に、差動歯車装置８、１８のサイドギアへの入力回転数をＧｖ１、Ｇｖ９、Ｇｖ１６とする。なお、Ｇｖ１，Ｇｖ９，Ｇｖ１６は、それぞれ、モータ１、９、１６の出力速度である。また、各車輪との間の減速装置については図示を省略している。

今、左右の車輪５、１５が同速度で回転し、倒立二輪車が直進しているとすると、それぞれのリングギアの回転数は、
Ｄｖ８＝（Ｇｖ１＋Ｇｖ９）／２・・・・・・（３）
Ｄｖ１８＝（Ｇｖ９＋Ｇｖ１６）／２・・・・（４）
となる。
式（３）、（４）を式（１）に代入すると、
ＤｖＸ＝（Ｇｖ１＋２Ｇｖ９＋Ｇｖ１６）／４となる。
また、式（２）に代入すると、
ＤｖＺ＝（Ｇｖ１−Ｇｖ１６）／２＝０となる。

旋回時は、旋回分ＤｖＺを加え、
Ｇｖ１＝４／３ＤｖＸ＋２ＤｖＺ・・・・・・（５）
Ｇｖ９＝２／３ＤｖＸ・・・・・・・・・・・（６）
Ｇｖ１６＝４／３ＤｖＸ−２ＤｖＺ・・・・・（７）
式（３）により、
Ｄｖ８＝ＤｖＸ＋ＤｖＺ
式（４）により、
Ｄｖ１８＝ＤｖＸ―ＤｖＺ
が得られることになる。

そして、ここでは、一例として、モータ１が固着した場合を想定する。
（１）固着時直進走行をしていた場合
直進走行時、モータ１が故障し固着すると、Ｇｖ１＝０となり、差動歯車装置８の内部歯車の回転により、Ｄｖ８＝１／２Ｇｖ９となる。
そこで、これを補填すべく、モータ９が差動歯車装置８を介して、車輪５の回転速度がモータ１固着直前の値を維持するように、モータ９、１６に対する速度指令を瞬時に変更することで、車輪５の回転数を維持することが可能となる。
一方、Ｄｖ１８については、モータ１の固着直前、Ｇｖ９：Ｇｖ１６＝１：２であることから、式（４）により、Ｇｖ１６＝０とすることで、車輪１５の回転数を維持することが可能となる。

（２）固着時旋回走行をしていた場合
式（５）〜（７）において、
Ｇｖ１＝０となり、式（５）から、
４／３ＤｖＸ＋２ＤｖＺ＝０
すなわち、ＤｖＸ＝−２×３／４ＤｖＺ・・・・（８）
車輪５の固着直前の速度Ｄｖ８＝（Ｇｖ１＋Ｇｖ９）／２に、式（５）、（６）を代入すると、Ｄｖ８＝ＤｖＸ＋ＤｖＺ、同様にＤｖ１８＝ＤｖＸ−ＤｖＺが満たされる。

モータ１が固着した場合、Ｄｖ８は、モータ９の回転速度Ｇｖ９の１／２になるので、ＤｖＺをＧｖ１６のみが分担するようにする。またＧｖ１６は、片側の車輪１５の駆動のみを分担することになるので、車体の直進成分であるＤｖＸに寄与することができない。
Ｇｖ９は、このＧｖ１６の制約を補償する形で決定される。
すなわち、モータ１が固着した場合、Ｇｖ１＝０から式（１）〜（４）は次のようになる。
Ｄｖ８＝Ｇｖ９／２・・・・・・・・・・・・（１０１）
Ｄｖ１８＝（Ｇｖ９＋Ｇｖ１６）／２・・・・（１０２）
ＤｖＸ＝（２Ｇｖ９＋Ｇｖ１６）／２・・・・（１０３）
ＤｖＺ＝（−Ｇｖ１６）／２・・・・・・・・（１０４）

そして、式（１０４）から、
Ｇｖ１６＝−２ＤｖＺ・・・・・・・・・・・（１０５）
式（１０５）、式（１０３）から、
Ｇｖ９＝２ＤｖＸ＋ＤｖＺ・・・・・・・・・（１０６）
このとき、式（１０１）、（１０２）より左右の車輪の回転は、
Ｄｖ８＝ＤｖＸ＋ＤｖＺ／２・・・・・・・・（１０７）
Ｄｖ１８＝ＤｖＸ−ＤｖＺ／２・・・・・・・（１０８）
となり、モータ１の固着直前の速度を維持することが可能となる。

このように、モータ１、モータ１６のどちらかが故障すると、上記のように、直進のための動力源はモータ９単一となる。一方、モータ９が故障した場合は、モータ１、モータ１６がそれぞれ分担することになる。このため、故障時を考慮すると、モータ９の出力容量（モータのワット数）を、モータ１、１６の２倍に設定しておけば、最高出力時でも、故障したモータ１ないしモータ１６の出力を補填することが可能となる。
なお、差動歯車装置の追加により、差動歯車装置自体が固着型の故障を引き起こす恐れが生じるが、モータと比較して差動歯車装置自体が固着を引き起こす可能性は低く、両サイドギアが同速度で回転しているかぎり、リングギアから車輪にトルクを伝達することができ、車輪の回転を継続することができる。

また、一方のモータが電源喪失した場合等では、正常なモータ側のサイドギアからの動力が故障したモータ側のサイドギアの空転に浪費され、リングギアに動力が伝達されなくなるおそれが生じる。これを防止するため、デフロック等、ＬＳＤと同様の機構を設けてもよいが、自動車と異なりサイドギア側が動力源であるため、無動力時のバックドライバビリティを抑制する動力機構を採用することが好ましい。
また、実施例では、差動歯車装置を用いているが、差動機構として機能するものであれば、遊星歯車やディファレンシャルハーモニックドライブ（登録商標）、さらにより簡素なものなど、様々なものを適用することができる。

モータ１、９、１６の制御については、倒立振り子式車両の駆動モータ制御システムにより行うが、直進、旋回、ブレーキなど操縦者の指令とともに、車輪５、１５の回転数Ｄｖ８、Ｄｖ１８、モータ１、９、１６の回転数、電流量をパラメータとして入力し、モータ１、９、１６の異常を判定した場合、上述の演算式に基づいて、故障したモータの出力を補償すべく、正常なモータへの回転する指令を行う。
なお、モータ９により、ＤｖＸ（Ｄｖ８とＤｖ１８の平均値）を直接制御し、モータ１、がＤＶ８を、モータ１６がＤＶ１８を制御するように制御系を構築すると、正常時とモータ故障時で制御則を変化させずに動作を維持することが可能となる。

以上の実施例では、左右車輪を駆動する場合のように、駆動系が２つの場合を前提にしたが、図６に示すように、駆動系が４つの場合でも、同様に、故障したモータの補償を行うことが可能である。
また、差動機構としては、２つのモータの回転数の平均値を出力する一般的な差動歯車装置を例示したが、これに限らず、入力となる各モータの回転数に対し、それらの平均とは異なる比率の回転数を出力する性質の差動機構を使用した場合でも、要は、故障直前の出力回転数を維持できるよう、正常なモータへの回転数指令を行うようにすればよい。

１、９、１６・・・モータ
５、１５・・・・・車輪
７、１７・・・・・出力軸
８、１８・・・・・差動歯車装置

Claims (2)

1. 複数の駆動系を制御するシステムに使用される差動型多軸駆動機構であって、
   前記駆動系に対し、一部の駆動モータをそれぞれ差動歯車装置を介して連結し、複数の駆動系に対するバックアップ用モータとして共用させたことを特徴とする差動型多軸駆動機構。
2. 前記駆動系の出力回転数と、前記駆動モータの回転数を入力し、駆動モータのいずれが故障したかを判定する判定手段と、該判定手段の判定結果に基づいて、正常な駆動モータ及びバックアップ用モータの出力回転数を制御することにより、故障前の駆動系の出力回転数を維持するようにした、請求項１に記載の差動型多軸駆動機構用制御システム。

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