JP5436532B2 - 相互作用タスク及び高速動作に適する二重差動型セミアクティブアクチュエータ - Google Patents
相互作用タスク及び高速動作に適する二重差動型セミアクティブアクチュエータ Download PDFInfo
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Description
第1セミアクティブ・サブアクチュエータと,
第2セミアクティブ・サブアクチュエータと,
速度発生源と,
前記速度発生源に連結された第1相互作用ポート,第2相互作用ポート,及び前記第1セミアクティブ・サブアクチュエータに連結された第3相互作用ポートを含む3つの相互作用ポートを有する第1機械式差動装置と,
前記速度発生源に連結された第1相互作用ポート,第2相互作用ポート,及び前記第2セミアクティブ・サブアクチュエータに連結された第3相互作用ポートを含む3つの相互作用ポートを有する第2機械式差動装置とを備え,
前記第1機械式差動装置の第2相互作用ポートと,前記第2機械式差動装置の第2相互作用ポートとは,互いに連結されることにより,負荷に連結されるよう構成された出力を形成する機械式差動型アクチュエータが提供される。
アクチュエータは,特定の形態(熱的,電気的,化学的,流体的,機械的等)のエネルギーを機械的な動力に,及びその逆に制御可能な方法で変換する機構である。本明細書での開示において,アクチュエータは,特に,しかし非排他的に,例えば:
・制御電子機器
・電源電子機器
・エネルギー変換器
・状態センサ;及び
・トランスミッション機構
を含むいくつかのサブシステムに集約することができる。
で表される,測定された速度
の関数である所望の出力される力(F)を特定する所望のポートインピーダンス(Zref)として表される。次に,成立し得る動的関係を特定し,その極限値を速度及び力の発生源とすれば良い。
その相互作用を安全に且つ多用途な方法で制御することができる機械は,この目的のため特別に構成された,比較的最近研究のトレンドとなっているアクチュエータの使用により,初めて実現される。入手可能な刊行物によれば,それらは実現することが困難である。相互作用タスクのため構成された既存のアクチュエータは,以下のとおり分類することができる。
セミアクティブ・サブアクチュエータは,機械的エネルギーを消散させることしかできないデバイスである。同様の力を発生させるアクティブアクチュエータと比較すると,多くはより小さく,より軽く,またより低い出力慣性を有する。例えば,しかしこれに限定されない,電気粘性流体又は磁気粘性(MR)流体ブレーキ,乾燥摩擦ブレーキ,磁性粒子ブレーキ,電磁ヒステリシスブレーキ,ロータリーダンパのような異なるセミアクティブアクチュエータを用いて本発明を実施しても良い。単純化のため,以下MRブレーキに限定して説明するが,他の種類のセミアクティブアクチュエータを用いても良いことを理解されたい。
を線形の速度とし,Cを粘性摩擦のための線形係数とした,式1と等価の線形方程式(トルクTを線形の力Fに代替)である。
本発明に従う対向式セミアクティブ・サブアクチュエータは,外部の速度発生源[1],[2],[3],[4]及び[5]によって,同一速度だが反対方向に駆動される2つの類似するセミアクティブクラッチを用いる。図4を参照すると,2つのセミアクティブアクチュエータ(SAA)42,44の出力は,連結され協働して対向式セミアクティブ・サブアクチュエータシステム40の出力メンバ47を形成する。MRクラッチ等の第1SAA42の入力メンバは,第1の方向43,例えば時計回り(CW)の方向に回転する一方,MRクラッチ等の第2SAA44の入力メンバは,第2の対向する方向45,例えば反時計回り(CCW)の方向に回転する。出力メンバ46がSAA42,44の入力メンバ,すなわちSAA42及び44のフレームよりも速く回転していない限り,第1SAA42はCW出力トルクを制御し,その一方で,第2SAA44はCCW出力トルクを制御する。
機械式差動装置は,力が既知の関係に従って分配される3つのポートを処理する機構である。とりわけ標準的な変速機,ハーモニックドライブ(登録商標),サイクロイド減速機,バー機構,リード又はボールスクリューとこれに対応するナット機構及びケーブル機構を含む任意の減速機を機械式差動装置として用いることができる。てこへの近似を用いて差動装置の作動原理を説明することができる。図5a及び5bに,そのようなてこへの近似を,図5aでは慣性効果を考慮せずに,図5bでは慣性効果を考慮して示す。慣性効果を考慮しない場合(図5a),ポートO1,O2及びO3,速度
,
,及び
並びに力F1,F2及びF3は,式3及び式4によって記述される。慣性効果を考慮する場合(図5b),集中質量m1,m2及びm3の付加によって図示されるように,力の関係はむしろ式5によって表現されるようなものとなる。
MRクラッチには,1つの入力回転メンバと,1つの出力回転メンバとが存在する。磁場を,スリップリングを介して連結された回転コイル,又は固定された磁束ガイドで包囲された固定コイルのいずれか一方によって発生させる。従って,MRクラッチは比較的複雑である。これに対し,MRブレーキは,出力側が回転メンバのみであるため,より小型で単純である。
で移動させる。支点O2及びO5は,式2で表現されるブレーキ力F(H1)及びF(H2)を発生させる図示しない機械的に接地されたブレーキに結合されている。支点O3及びO6は,互いに連結され,システムの出力を形成する。慣性効果を考慮するため,集中質量を付加している。集中質量m1は速度発生源の慣性と差動機構の慣性のごく一部とに対応し,集中質量moutは出力リンクの慣性と機械式差動装置52,54の慣性のごく一部とに対応し,集中質量m3はブレーキの慣性と差動機構の慣性のごく一部とに対応している。双方の入力速度,双方の差動機構,及び双方のブレーキを類似するものとみなすことで,差動原理の説明と得られる利点の明示とが容易になる。入力速度が十分大きいことにより,確実に,出力における運動状況に関らず,双方のブレーキ出力メンバが対向する方向に運動している場合,発生力Foutは,式6及び式7で表現することができる。これは,2つの制御可能なブレーキ力と実部出力インピーダンスZout(s)である項との線形結合であり,sはラプラス複素周波数である。
次に,本発明の説明を簡単にするため,採り得る複数の構造のうち3つの例示的な構造を,図7〜9を参照して説明する。
(第1の例示的な実施形態)
第1の例示的な実施形態では,図10〜15を参照すると,図7に示したものと等価である二重差動型構造に2つの遊星歯車変速段が用いられている。概略的に言えば,この第1の例示的な実施形態は,詳細は後述する以下のものを含む。すなわち,
・電磁(EM)モータと速度減速・反転段とを含み,この速度発生源の出力を形成する,互いに対向する方向の速度で運動する2つのメンバを有する入力速度発生源;
・入力速度発生源,2つのMRブレーキ及びシステムの出力に連結された2つの遊星歯車変速段に基づく二重差動機構;及び
・アクチュエータの体積の大部分中に随意に含まれる制御及び駆動用電子機器である。
第2の例示的な実施形態では図16〜18を参照すると共に,図8に示したものと等価の二重差動装置の構造中に2つのハーモニックドライブ変速段を用いる。概略的に言えば,この第2の例示的な実施形態は,詳細は後述する以下のものを含む。すなわち,
・電磁(EM)モータが形成する入力速度発生源;
・入力速度発生源,2つのMRブレーキ及びシステムの出力に連結された2つのハーモニックドライブ(HD)変速段に基づく二重差動機構;及び
・制御及び駆動用電子機器である。
第3の例示的な実施形態では,図22を参照すると共に,図9に示したものと等価の二重差動装置の構造内で2つの遊星歯車変速段を用いる。
第4の例示的な実施形態では,図23a又は23bを参照すると共に,図8に示したものと等価の二重差動装置の構造内で遊星歯車変速トレインを用いる。図23a及び23bに,高い減速比と二重差動装置とを組込むことができる2つの変形例を示す。図8のR1及びR2は,式8及び式9によって記述されるとおりの変速素子の歯の相対数の関数であり,niはギアiの歯の数である。
本発明に従う二重差動型セミアクティブアクチュエータに共通する利点には以下のものが含まれる。
本発明の前述した例示的な実施形態は,特に,しかし非排他的に,ロボットのシステム及び機構への統合に適した高性能なアクチュエータを構成するのに適している。環境との安全,高速,精密又は多用途な相互作用制御を必要とする多くのロボットタスクは,このようなアクチュエータの構成による利益を享受することができる。適用分野は数多く,とりわけ以下の用途を含む。
[1] エム・サカグチ,ジェイ・フルショウ,「ERアクチュエータの開発及びその力表示システムへの適用」アイイーイーイー・ヴァーチャル・リアリティ・アニュアル・インターナショナル・シンポジウム,1998,p66-70.
[2] エス・ビー・チョイ,エス・エス・ハン,エイチ・ケー・キム,シー・シー・チョン,「高性能アクチュエータを用いた柔軟なガントリーロボットアームのH無限制御」,メカトロニクス9(3):271-86,1999.
[3] エイチ・ハコギ,エム・オオハラ,エヌ・クラモチ,エイチ・ヤノ,「磁気粘性流体クラッチを用いたリハビリテーション教示ロボットのトルク制御」,ジェイエスエムイー・イント・ジェイ・シリーズ・B48(3):501-7,2006.
[4] エー・アール・ジョンソン,ダブリュー・エー・バロー,ジェイ・マキン,「電気粘性流体クラッチをベースとする往復機構の動的シミュレーション及び実施」,スマート・マテリアルズ・アンド・ストラクチャーズ,v 8, n 5, 10月,1999,p591-600.
[5] 2008年3月時点でのペルコ・ラボラトリーのウェブサイト:
www.percro.org/index.php?pageld=MRClutch
www.percro.org/index.php?pageld=AdvancedActuationConcepts
[6] エム・ロウリア,エム・エー・レガルト,ピー・ギゲーレ,エフ,ガグノン,エフ・ミショー,エム・ラヴィー,ロボット相互作用タスクのための高性能差動型アクチュエータ,米国特許出願公開第2007/0241696号明細書,2007.
[7] ビー・エス・キム,ジェイ・ジェイ・パク,ジェイ・ビー・ソン,「安全なマニュピレータのための遊星歯車トレインを備えた二重アクチュエータユニット」,会議記録 - アイイーイーイー・ロボティクス及びオートメーションに関する国際会議2007,p1146-1151.
[8] ディー・シャピュイ,エックス・ミッチェル,アール・ガサート,シー・エム・チュウ,イー・バーデット,エイチ・ブルーラー,「超音波モータと粉体クラッチのハイブリッドアクチュエータを備えた触覚ノブ」,会議記録 - 仮想環境及び遠隔操縦システムのための触覚インターフェースに関する第2回共同ユーロハプティクス会議及びシンポジウム,ワールドハプティクス2007,p200-205.
[9] http://www.harmonicdrive.net
[10] http://www.lord.com/mr
Claims (20)
- 機械的負荷と相互作用する機械式差動型アクチュエータであって,
第1セミアクティブ・サブアクチュエータと,
第2セミアクティブ・サブアクチュエータと,
速度発生源と,
前記速度発生源に連結された第1相互作用ポート,第2相互作用ポート,及び前記第1セミアクティブ・サブアクチュエータに連結された第3相互作用ポートを含む3つの相互作用ポートを有する第1機械式差動装置と,
前記速度発生源に連結された第1相互作用ポート,第2相互作用ポート,及び前記第2セミアクティブ・サブアクチュエータに連結された第3相互作用ポートを含む3つの相互作用ポートを有する第2機械式差動装置とを備え,
前記第1機械式差動装置の第2相互作用ポートと,前記第2機械式差動装置の第2相互作用ポートとは,互いに連結されることにより,負荷に連結されるよう構成された出力を形成する機械式差動型アクチュエータ。 - 請求項1に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記速度発生源は,電動ギア付電磁モータ,直接駆動式電磁モータ,圧電モータ,油圧モータ,空気モータ,空気アクチュエータ,内燃機関及びタービンからなる群から選択されたものである機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項1に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1セミアクティブ・サブアクチュエータと前記第2セミアクティブ・サブアクチュエータとは同一物である機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項1に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1セミアクティブ・サブアクチュエータ及び前記第2セミアクティブ・サブアクチュエータは,電気粘性流体ブレーキ,磁気粘性流体ブレーキ,乾燥摩擦ブレーキ,磁性粒子ブレーキ,電磁ヒステリシスブレーキ及び油圧ロータリーブレーキからなる群から選択されたものである機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項4に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1セミアクティブ・サブアクチュエータ及び前記第2セミアクティブ・サブアクチュエータが磁気粘性流体ブレーキである機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項5に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1セミアクティブ・サブアクチュエータ及び前記第2セミアクティブ・サブアクチュエータを,前記磁気粘性流体ブレーキへ供給する電気エネルギーを調整することによって制御すると共に前記速度発生源を制御する制御器をさらに備える機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項6に記載の機械式差動型アクチュエータであって,出力の運動を検出し,運動に関する情報を前記制御器に与える運動センサをさらに備える機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項7に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記制御器は,電圧フィードフォワードトルク制御スキームと電流フィードフォワードトルク制御スキームとからなる群から選択した制御スキームを用いる機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項6に記載の機械式差動型アクチュエータであって,負荷に付与する力又はトルクを検出し,力又はトルクに関する情報を前記制御器に与える力センサ及びトルクセンサからなる群から選択したセンサを用いる機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項9に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記制御器がトルクフィードバック制御スキームを用いる機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項1に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1機械式差動装置の第1相互作用ポートは,第1の方向に運動するよう前記速度発生源に連結され,前記第2機械式差動装置の第1相互作用ポートは,前記第1の方向に対向する第2の方向に運動するよう前記速度発生源に連結された機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項11に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1及び第2機械式差動装置のポートは,対応する機能を有する機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項1に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1機械式差動装置の第1相互作用ポートは,さらに前記第2機械式差動装置の第1相互作用ポートに,共通の方向へ運動するよう連結された機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項13に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1及び第2機械式差動装置の第1相互作用ポートは対応する機能を有し,前記第1及び第2機械式差動装置の第2及び第3相互作用ポートは互い違いの機能を有する機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項13に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1機械式差動装置の第2相互作用ポートと,前記第2機械式差動装置の第2相互作用ポートとは,前記第1及び第2セミアクティブ・サブアクチュエータのブレーキトルクが,方向が対向する出力トルクを生じるように外部機構を介し互いに連結された機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項1に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1及び第2機械式差動装置は,それぞれ,機械式差動機能を実行する第1及び第2減速機構を含み,前記速度発生源は前記第1及び第2減速機構に連結された機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項16に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1及び第2減速機構は,ケーブル機構,リード又はボールスクリューとこれに対応するナット機構,バー機構,サイクロイド減速機,遊星歯車変速機,標準的な変速機及びハーモニックドライブからなる群から選択されたものである機械式差動型アクチュエータ。
- 請求項1に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1及び第2機械式差動装置は,それぞれ,第1及び第2の波動歯車変速段を含み,
前記第1の波動歯車変速段は,前記第1機械式差動装置の第1ポートに結合されたウェーブ・ジェネレータと,前記第1機械式差動装置の第2ポートに結合されたサーキュラ・スプラインと,前記第1機械式差動装置の第3ポートに結合されたフレクスプラインとを有し,
前記第2の波動歯車変速段は,前記第2機械式差動装置の第1ポートに結合されたウェーブ・ジェネレータと,前記第2機械式差動装置の第2ポートに結合されたサーキュラ・スプラインと,前記第2機械式差動装置の第3ポートに結合されたフレクスプラインとを有する機械式差動型アクチュエータ。 - 請求項18に記載の機械式差動型アクチュエータであって,
前記第1の波動歯車変速段は,さらに,前記第1機械式差動装置の第3ポートに結合されたダイナミックスプラインを有し,
前記第2の波動歯車変速段は,さらに,前記第2機械式差動装置の第3ポートに結合されたダイナミックスプラインを有する機械式差動型アクチュエータ。 - 請求項1に記載の機械式差動型アクチュエータであって,前記第1及び第2機械式差動装置は,それぞれ,第1及び第2の遊星歯車変速段を含み,
前記第1の遊星歯車変速段は,前記第1機械式差動装置の第1ポートに結合されたサンギアと,前記第1機械式差動装置の第2ポートに結合された少なくとも1つの遊星ギアと,前記第1機械式差動装置の第3ポートに結合されたリングギアとを有し,
前記第2の遊星歯車変速段は,前記第2機械式差動装置の第1ポートに結合されたサンギアと,前記第2機械式差動装置の第2ポートに結合された少なくとも1つの遊星ギアと,前記第2機械式差動装置の第3ポートに結合されたリングギアとを有する機械式差動型アクチュエータ。
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