(57)【要約】【課題】電源およびモータドライバを共通にする２つの直列接続されたモータのトルク比を自由に設定することができる、簡単な構成の制御装置を提供する。【解決手段】電源と、電源に接続されたモータドライバと、モータドライバに対し直列に接続された２つのモータと、少なくとも一方のモータに対し並列に接続される分流回路と、分流回路に設けられ、モータに流れる電流と分流回路を流れる電流との分流比を調節するための分流手段と、モータドライバの動作、および、分流手段における分流比を制御するコントローラとを備える。コントローラによって分流手段における分流比を制御することによって、２つのモータを流れる電流量を異ならせる。モータのトルクは、モータを流れる電流に比例するから、分流比によって、モータのトルクを制御することが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、
電源に接続されたモータドライバと、
モータドライバに対し直列に接続された２つのモータと、
少なくとも一方のモータに対し並列に接続される分流回路と、
分流回路に設けられ、モータに流れる電流と分流回路を流れる電流との分流比を調節するための分流手段と、
前記モータドライバの動作、および、前記分流手段における分流比を制御するコントローラとを備えることを特徴とする直列型モータを用いた制御装置。
【請求項２】
分流手段は、分流回路の抵抗値を変更するための可変抵抗を含み、コントローラが、可変抵抗の抵抗値を制御する請求項１に記載の直列型モータを用いた制御装置。
【請求項３】
分流手段は、分流回路を短絡状態と切断状態とに切り替えるスイッチ手段を含み、コントローラが、スイッチ手段の切替動作を制御して、分流回路が短絡状態になる時間を調節する請求項１に記載の直列型モータを用いた制御装置。
【請求項４】
２つのモータは、一方がマスターモータ、他方がスレーブモータに設定され、
分流手段を含む分流回路がマスターモータに並列に接続され、
マスターモータは、マスターモータの回転軸の回転動作に従ってマスター出力信号を出力する第１のエンコーダを含み、
スレーブモータは、スレーブモータの回転軸の回転動作に従ってスレーブ出力信号を出力する第２のエンコーダを含み、
コントローラが、分流手段を制御してマスターモータに流れる電流を調整するとともに、第１のエンコーダから出力されるマスター回転信号と、第２のエンコーダから出力されるスレーブ回転信号とに基づいて、スレーブモータの回転動作を制御する請求項１〜３のいずれか１つに記載の直列型モータを用いた制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの電源およびモータドライバで、２つの直列に接続したモータの出力を異なるように制御することが可能な制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、２つの直流モータを用いて義手の動作を制御する制御装置が記載されている。この制御装置は、肘や脚などの使用者の身体の可動部位に取り付けられる駆動部と、駆動部によって可動部位の動きが入力されるマスターモータ（駆動側ＤＣモータ）と、義手の把持部を動作させるスレーブモータ（従動側ＤＣモータ）と、マスターモータとスレーブモータとを電気的に接続する接続回路とを備え、使用者が可動部位を動かすことによって、駆動部を介してマスターモータを駆動し、このマスターモータの動きによって、接続回路を介してスレーブモータを駆動し、義手を動作させるというものである。
特許文献１の義手用の制御装置は、マスターモータで発生する電気的エネルギーによってスレーブモータを作動させるものであり、マスターモータとスレーブモータとが同じ接続回路の構成要素となっているので、２つのモータを流れる電流は共通である。モータトルクは電流に比例するので、特性が同じ２つのモータを用いた場合、把持部が物体を掴んだり操作したりする際の把持力に対応するスレーブモータのトルクは、マスターモータのトルクと一致し、可動部位を動かすトルクは、駆動側が直接感じる反力となる。このため、特別なセンサーを設けなくても、義手の把持部が物体を掴んだり操作したりする際の反力を、可動部位に加わるトルクとして使用者が知覚することができる。したがって、力覚を有する制御装置を、特別な電源やセンサーを用いずに構築することができ、装置を軽量かつ簡単な構造とできメンテナンスも容易である。
【０００３】
特許文献２に、センサを用いてスレーブの力を検出することにより、マスターに対してスレーブでの印加力を提示する方法が示されている。この装置は、スレーブに力を検出するセンサを装備し、センサからの信号を演算し、マスター側モータが発生するべき力に必要な電流に変換することにより、スレーブでの力をマスターで感じ取ることができるように構成されている。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−３７４９８号公報
【特許文献２】特開２０１１−５１７４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の制御装置は、２つのモータが電源およびモータドライバに対し直列に接続されているため、個々のモータに流れる電流は共通である。このため、同じ電気的特性および機械的特性を有する２つのモータを用いれば、流れる電流は一定であるので、両者のトルクは一致するから、機械的損失や慣性力を無視すれば、マスターモータでの駆動トルクとスレーブモータでの負荷トルクとが一致するシステムを、比較的簡単な構成で実現することができる。
【０００６】
ところで、マスターモータとスレーブモータとで出力を異ならせたい場合、たとえば、スレーブモータの出力トルクをマスターモータの駆動トルクと比べて大きくするためには、スレーブモータとして、マスターモータよりも大出力で定格トルクが大きいモータを選択することが考えられる。しかしながら、一般に、出力の大きいモータほどトルク定数が小さいという傾向があるから、電流が共通であれば、トルク比はトルク定数の比と一致するため、定格トルクが大きいスレーブモータの方が、トルクが小さくなってしまうという矛盾を生じさせる。このように、出力が異なる２つのモータを使用しても、実際には、定格トルクの比とトルク定数の比とが異なるため、予定どおりのトルク出力を得ることが難しいという問題が有る。
【０００７】
図５に示すように、２つのモータＭｍ，Ｍｓそれぞれに、個別の電源Ｐｍ，ＰｓおよびモータドライバＤｍ，Ｄｓを設け、２つのモータＭｍ，Ｍｓを独立に制御することも考えられる。しかし、この場合、必要となる構成要素が多くなり、装置が複雑化し、大型化するという問題がある。
さらに、一方または両方のモータに減速器を接続して、２つのモータ間の出力を変更することも考えられるが、減速器は摩擦などの機械的損失があり、また装置の構成が複雑になるという問題がある。
【０００８】
特許文献２の装置は数多くのセンサを必要としており、センサ信号を処理するための回路やソフトウエア等が必要なことから、装置が複雑になってしまう。また、センサを使用しているため、たとえば定期間隔ごとにセンサの校正作業が必要となり、メンテナンスを行うのか行わないのかが、実際の使用時に装置の性能を大きく左右してしまうという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、電源およびモータドライバを共通にする２つの直列接続されたモータのトルク比を自由に設定することができる、簡単な構成の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために本発明が採用した請求項１に係る直列型モータを用いた制御装置は、
電源と、
電源に接続されたモータドライバと、
モータドライバに対し直列に接続された２つのモータと、
少なくとも一方のモータに対し並列に接続される分流回路と、
分流回路に設けられ、モータに流れる電流と分流回路を流れる電流との分流比を調節するための分流手段と、
前記モータドライバの動作、および、前記分流手段における分流比を制御するコントローラとを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２に係る直列型モータを用いた制御装置は、分流手段が、分流回路の抵抗値を変更するための可変抵抗を含み、コントローラが、可変抵抗の抵抗値を制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３に係る直列型モータを用いた制御装置は、分流手段が、分流回路を短絡状態と切断状態とに切り替えるスイッチ手段を含み、コントローラが、スイッチ手段の切替動作を制御して、分流回路が短絡状態になる時間を調節することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項４に係る直列型モータを用いた制御装置は、２つのモータが、一方がマスターモータ、他方がスレーブモータに設定され、
分流手段を含む分流回路がマスターモータに並列に接続され、
マスターモータは、マスターモータの回転軸の回転動作に従ってマスター回転信号を出力する第１のエンコーダを含み、
スレーブモータは、スレーブモータの回転軸の回転動作に従ってスレーブ回転信号を出力する第２のエンコーダを含み、
コントローラが、分流手段を制御してマスターモータに流れる電流を調整するとともに、第１のエンコーダから出力されるマスター回転信号と、第２のエンコーダから出力されるスレーブ回転信号とに基づいて、スレーブモータの回転動作を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る本発明によれば、共通の電源およびモータドライバに対し直列に接続された２つのモータの少なくとも一方に対し、分流回路を並列に接続し、この分流回路に、モータに流れる電流と分流回路を流れる電流との分流比を調節するための分流手段を設けたので、コントローラによって分流手段における分流比を制御することによって、２つのモータを流れる電流量を異ならせることができる。モータのトルクは、モータを流れる電流に比例するから、分流比によって、モータのトルクを制御することが可能となる。
【００１５】
請求項２に係る本発明によれば、分流手段として、分流回路の抵抗値を変更するための可変抵抗を採用したので、可変抵抗の抵抗値を変化させることによって、電流の分流比を調節して、モータのトルクを制御することができる。分流手段に可変抵抗を用いるので、分流手段を簡単な構成とすることができる。
【００１６】
請求項３に係る本発明によれば、分流手段として、分流回路を短絡状態と切断状態とに切り替えるスイッチ手段を採用したので、スイッチ手段による分流回路の短絡時間を変化させることによって、電流の分流比を調節して、モータのトルクを制御することができる。分流手段にスイッチ手段を用いるので、分流回路を切断状態にすれば、モータと分流回路との電流分流比を１にすることができる。
【００１７】
請求項４に係る本発明によれば、それぞれエンコーダを備えるマスターモータおよびスレーブモータを含み、分流手段を含む分流回路をマスターモータに並列に接続し、コントローラが、分流手段を制御してマスターモータに流れる電流を調整するとともに、第１のエンコーダから出力されるマスター回転信号と、第２のエンコーダから出力されるスレーブ回転信号とに基づいて、スレーブモータの回転動作を制御する。したがって、直列に接続した２つのモータを用いて、マスターモータへの入力に基づいてスレーブモータを駆動することができ、かつ、マスターモータとスレーブモータとのトルク比を調節することが可能なバイラテラル制御装置を、簡単な構成で構築することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る直列型モータを用いた制御装置の第１の実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明に係る直列型モータを用いた制御装置の第２の実施形態を示す回路図である。
【図３】図２に示す本件制御装置におけるスイッチ手段による電流分流比の制御態様を示すタイムチャートである。
【図４】本発明に係る直列型モータを用いた制御装置における分流手段の第３の実施形態を示す回路図である。
【図５】従来の制御装置の一例を示す回路図である。
【図６】本発明を義足の駆動制御手段に応用した例を示すものである。
【図７】本発明を手術支援ロボットに応用した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る直列型モータを用いた制御装置（以下、「本件制御装置」と言う。）の概略構成を示す回路図である。図面において、電力系統の配線は実線で示し、制御系統の配線は破線で示す。
【００２０】
図１に示すように、本件制御装置は、電源Ｐと、電源Ｐに接続されたモータドライバＤと、モータドライバＤに対し直列に接続された２つのモータＭｍ，Ｍｓと、少なくとも一方のモータ（本例ではモータＭｍ）に対し並列に接続される分流回路ｂｃと、分流回路ｂｃに設けられ、モータＭｍに流れる電流と分流回路ｂｃを流れる電流との分流比を調節するための分流手段とを備える。電源Ｐは直流電源であり、２つのモータＭｍ，Ｍｓは直流モータである。
【００２１】
本例では、分流手段として、分流回路ｂｃの抵抗値を変更するための可変抵抗ＶＲを用いる。コントローラＣは、モータドライバＤの動作を制御するとともに、可変抵抗ＶＲの抵抗値を調節して、モータＭｍと分流回路ｂｃとに分岐して流れる電流の分流比を制御する。
【００２２】
さらに本例では、２つのモータのうち、一方がマスターモータＭｍ、他方がスレーブモータＭｓに設定され、可変抵抗ＶＲを含む分流回路ｂｃがマスターモータＭｍに並列に接続され、マスターモータＭｍは、マスターモータＭｍの回転軸の回転動作に従ってマスター回転信号を出力する第１のエンコーダｅｃ１を含み、スレーブモータＭｓは、スレーブモータＭｓの回転軸の回転動作に従ってスレーブ回転信号を出力する第２のエンコーダｅｃ２を含む。コントローラＣは、可変抵抗ＶＲを制御してマスターモータＭｍに流れる電流を調整するだけでなく、第１のエンコーダｅｃ１から出力されるマスター回転信号と、第２のエンコーダｅｃ２から出力されるスレーブ回転信号とに基づいて、スレーブモータＭｓの回転量を制御する。第１のエンコーダｅｃ１および第２のエンコーダｅｃ２はいずれも、モータの回転軸に連結されたロータリエンコーダである。
【００２３】
一般に直流モータは、回路に接続されて電流が流されたとき、抵抗、インダクタンスおよび逆起電力を生じさせる。しかし、モータの回転数が非常に遅い微速状態下では、インダクタンスと逆起電力とは無視することができる。また、微速状態下では、回転速度に依存する軸出力を発生させる抵抗の増加成分も無視することができる。そうすると、微速状態下では、モータの軸出力トルクは、モータごとに電気的および物理的に決定されるトルク定数と電流との積で表されるから、モータを流れる電流値に依存すると言うことができる。したがって、電流値を変更すれば、モータの軸出力トルクを変更できることが分かる。
【００２４】
本例の制御装置は、マスターモータＭｍに並列に接続した可変抵抗ＶＲの抵抗値を変更することによって、マスターモータＭｍに流れる電流を変化させ、これによって、マスターモータＭｍの軸出力トルクを変更するものである。回路を流れる電流をｉ、モータＭｍに流れる電流をｉ１  、モータＭｍの抵抗をＲａ、可変抵抗ＶＲの抵抗をＲｓ、分流比をｎとすれば、これらの関係から、下記式１−３が得られる。
１）ｉ＝ｎ・ｉ１  ＝ｉ１  ＋（ｎ−１）ｉ１ 
２）（ｎ−１）ｉ１  ／ｉ１  ＝Ｒａ／Ｒｓ
３）ｎ＝１＋（Ｒａ／Ｒｓ）
【００２５】
上記式３から、ｎ＞１であるから、マスターモータＭｍに並列に可変抵抗ＶＲを接続することによって、マスターモータＭｍに流れる電流ｉ１は回路電流ｉより小さくなり、可変抵抗ＶＲの抵抗値Ｒｓを小さくするほど、マスターモータＭｍに流れる電流ｉ１  を小さくできることが分かる。
【００２６】
なお、マスターモータＭｍに流れる電流ｉ１  は回路電流ｉの１／ｎであるが、スレーブモータＭｓには回路電流ｉが流れるので、スレーブモータＭｓが発生する軸出力トルクは、マスターモータＭｍの軸出力トルクのｎ倍となる。
【００２７】
このように構成される本件制御装置を、バイラテラル制御に適用する場合について説明する。図１において、マスターモータＭｍとスレーブモータＭｓとは、定格トルクおよびトルク定数が等しい、実質的に同一のモータとする。また、マスターモータＭｍへの入力は、微速状態で行われるものとする。
【００２８】
マスターモータＭｍの回転軸に外力を加えて回転させると、それにより発生する誘導起電力によって内部回路に誘導電流が流れる。この誘導電流に基づき、モータドライバＤが、スレーブモータＭｓを駆動する。このとき、マスターモータＭｍへの入力時に回転軸が反力を受けるから、使用者は力覚を持つことができる。
【００２９】
また、マスターモータＭｍの回転量を検出する第１のエンコーダｅｃ１から出力されるマスター回転信号と、スレーブモータＭｓの回転量を検出する第２のエンコーダｅｃ２から出力されるスレーブ回転信号とに基づき、コントローラＣがモータドライバＤを制御して、スレーブモータＭｓの回転量を正確に調節することができる。マスターモータＭｍの軸回転量に対するスレーブモータＭｓとの軸回転量の比率は、１：１でもよいが、実施の状況に応じ、上記比率を変更してもよい。
【００３０】
マスターモータＭｍに流れる電流量は、分流回路ｂｃに設けた可変抵抗ＶＲの抵抗値によって調節される。マスターモータＭｍに流れる電流の分流比をｎに設定すると、スレーブモータＭｓには回路電流ｉが流れるのに対し、マスターモータＭｍには回路電流ｉの１／ｎの電流が流れる。モータの軸出力トルクは電流に依存するから、マスターモータＭｍへの入力に対し、スレーブモータＭｓからｎ倍の大きさの出力を得ることができる。
【００３１】
以上を要するに、本件制御装置は、マスターモータＭｍの回転軸を回転駆動すると、その回転量および分流回路の分流比に応じた回転出力を、スレーブモータＭｓから得ることができ、かつ、入力時に力覚を有するものである。したがって、本件制御装置は、例えばリハビリ用の歩行訓練装置や、歩行補助装置などに適用するのが好適と考えられる。
【００３２】
［第２の実施形態］
図１に示す本件制御装置は、分流手段に可変抵抗ＶＲを用いているため、分流比を１にするためには、可変抵抗ＶＲの抵抗値を無限大にしなくてはならないから、実際には、分流比を１に設定するのは困難である。また、抵抗値が大きい可変抵抗ＶＲを用いれば分流比を１に近づけることができるが、そのためには定格電力が大きい可変抵抗ＶＲを用いなくてはならないという制限が生じる。
【００３３】
そこで図２に示すように、マスターモータＭｍに並列に接続する分流手段を、スイッチ手段ＳＣで構成することが考えられる。スイッチ手段ＳＣは、分流回路ｂｃを短絡状態と切断状態とに連続的に切り替える機能を有するものである。具体的には、トランジスタやＦＥＴを用いる半導体式のスイッチング装置を使用するのが好ましい。半導体式のスイッチング装置は、高速で回路をＯＮ−ＯＦＦ制御することができ、スイッチ接点の摩耗やノイズの発生の問題が少ないという利点を有している。
【００３４】
図２に示す本件制御装置において、スイッチ手段ＳＣにより、分流回路ｂｃを短絡状態と切断状態とに高速で連続的に切り替える。たとえば図３に示すような時間間隔でＯＮ−ＯＦＦ動作させる。図３に示すように、スイッチ手段ＳＣをＯＮ動作させて分流回路ｂｃを短絡させたときには、電流はほとんど全部が分流回路ｂｃに流れ、マスターモータＭｍには実質的には流れないから、回路電流値をｉとすると、分流回路ｂｃを流れる瞬時電流値（スイッチ電流）がｉとなり、モータ電流は０となる。反対に、スイッチ手段ＳＣをＯＦＦ動作させて分流回路ｂｃを切断状態にしたときは、回路電流はマスターモータＭｍのみに流れるから、モータ電流がｉ、スイッチ電流が０となる。
【００３５】
マスターモータＭｍに流れる電流値ｉｍは、断続的に流れる電流の平均値として表すことができる。すなわち、マスターモータＭｍには、スイッチ手段ＳＣがＯＦＦ状態のときに電流ｉｍが流れるから、回路電流をｉとすると、ｉｍは、下記式４で表すことができる。
４）  ｉｍ＝ｉ×ＯＦＦ時間／（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）
【００３６】
上記式４）から、マスターモータＭｍに流れる平均電流値は、スイッチ手段ＳＣのＯＮ−ＯＦＦ時間の比率を変えることによって、変更できることが分かる。そして、平均電流値を変化させることによって、マスターモータＭｍのトルク出力も比例して変化する。これに対し、スレーブモータＭｓには、回路電流ｉが流れる。したがって、スイッチ手段ＳＣのＯＮ時間とＯＦＦ時間との比率を調節することによって、スレーブモータＭｓに対するマスターモータＭｍの出力トルク比を制御することができる。
【００３７】
なお本例では、スイッチ手段ＳＣによって分流回路ｂｃを切断状態とし、マスターモータＭｍに流れる電流の分流比を１に設定できるという利点も有している。また、スイッチ手段ＳＣのＯＮ−ＯＦＦ時間の比率は容易に変更できるから、マスターモータＭｍとスレーブモータＭｓとのトルク比の変更が必要なときには、即座に対応できるという利点も有している。
【００３８】
また図２には、マスターモータＭｍおよびスレーブモータＭｓそれぞれの回転軸に減速器Ｒ１，Ｒ２を接続した構成を示しているが、スイッチ手段ＳＣを用いる分流手段を用いることにより、この減速器は不要にすることができる。減速器を省略することにより、機械的損失が低減し、力覚の伝達感度を低下させる要因の一部を排除できる利点がある。
【００３９】
［第３の実施形態］
図４に示すように、分流回路ｂｃに設ける分流手段として、スイッチ手段ＳＣに直列に抵抗を接続することが考えられる。抵抗を接続することによって、コントローラＣやスイッチ手段ＳＣの故障などによって、スイッチ手段ＳＣが常時ＯＮとなり、分流回路ｂｃが短絡状態に維持されたときに、マスターモータＭｍには、この抵抗とモータ抵抗との比率で決まる電流が流れるため、マスターモータＭｍの動作を保証できるという利点を有する。なお、抵抗は、固定抵抗でもよいが、図示のように可変抵抗ＶＲを用いることも可能である。
【００４０】
［その他の実施形態］
分流手段は、マスターモータＭｍではなく、スレーブモータＭｓに並列接続することも可能である。さらに、分流手段を、マスターモータＭｍおよびスレーブモータＭｓの両方に並列接続することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、使用者の身体の一部を入力手段とする歩行補助装置に適用することが考えられる。例えば図６に、左腕にマスター、右足の義足にスレーブ、腰にコントローラ・ドライバ・電源を装着した歩行支援装置を示す。この例では、入力に比べて大きい出力が必要とされるから、マスターモータＭｍへの入力を増幅してスレーブモータＭｓから大きいトルクを出力させることで、歩行を支援できる。反対に、義手などの繊細な出力が要求される用途にあっては、マスターモータＭｍの入力を縮小してスレーブモータＭｓから出力させるように構成すればよい。このように、マスターモータＭｍとスレーブモータＭｓとのトルク比は、適用対象に応じ、適宜設定することができる。
【００４２】
さらに図７に示すように、手術支援ロボットに本発明を適用すれば、センサの個数を少なくすることができるから、センサ信号を処理するための回路やソフトウエアについても削減できるので、装置の構成を簡単にできるという利点が得られる。さらに、センサの校正作業等のメンテナンスも軽減できるので、実際の使用時における装置性能が安定するという利点も得られる。
【符号の説明】
【００４３】
Ｐ  電源
Ｄ  モータドライバ
Ｃ  コントローラ
Ｍｍ  マスターモータ
Ｍｓ  スレーブモータ
ＶＲ  可変抵抗
ＳＣ  スイッチ手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017103989.tif 000008
【図７】
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