扭矩混合装置和用于驱动该扭矩混合装置的方法
【专利说明】
[0001] 关联申请的交叉引用
[0002] 本申请基于2014年3月18日提交的No. 2014-055558日本专利申请，并要求其优 先权的权益，该申请的全部内容通过引用被并入本文中。
技术领域
[0003] 本文中说明的实施例通常设及包括扭矩混合装置的动力辅助设备。
【背景技术】
[0004] 存在一种动力辅助设备，其通过使用马达支撑人类使用者的运动。该种动力辅助 设备包括扭矩混合装置，其使得由使用者产生的扭矩和由马达产生的辅助扭矩混合。在传 统的扭矩混合装置中，辅助扭矩具有对于使用者产生的扭矩的低的随行能力。因此，传统的 扭矩混合装置不具有动力辅助设备是使用者的身体的一部分的自然操作感。
【附图说明】
[0005] 图1是侧视图，示出了根据第一实施例的动力辅助设备的外型。
[0006] 图2是沿着图1所示的线Ii-ir截取的动力辅助设备的截面图。
[0007]图3是结构图，示出了根据第一实施例的动力辅助设备的控制系统。
[000引图4示出了在其中进行根据第一实施例的扭矩控制的情况下，环形齿轮的角速度 和载架的角速度之间的关系。
[0009] 图5示出了在其中进行根据第一实施例的扭矩控制的情况下，在环形齿轮上施加 的扭矩和在载架上施加的扭矩之间的关系。
[0010] 图6是局部剖开视图，示出了根据第二实施例的动力辅助设备。
【具体实施方式】
[0011] 通常，根据一个实施例，扭矩混合装置包括行星齿轮单元、第一马达和控制器。行 星齿轮单元包括；围绕第一轴线可旋转的环形齿轮，该环形齿轮被从外部施加的扭矩旋转； 配置在该环形齿轮内部的太阳齿轮，该太阳齿轮围绕第二轴线可旋转；配置在所述环形齿 轮和所述太阳齿轮之间并且与所述环形齿轮和所述太阳齿轮晒合的行星齿轮；和，支撑所 述行星齿轮的载架，使得所述行星齿轮围绕第=轴线可旋转，并且围绕太阳齿轮能转动，所 述载架围绕第四轴线可旋转，所述第一轴线、第二轴线、第=轴线和第四轴线互相平行，所 述第一轴线、第二轴线和第四轴线共轴。第一马达连接到载架上，并且可旋转地驱动所述载 架。控制器被构造成用于控制第一马达，W根据通过放大环形齿轮的角速度和载架的角速 度获得的信号之间的差动信号产生扭矩。
[001引下文中，将参照【附图说明】实施例。在下面的实施例中，同样的元件被分配了同样的 参考标记，并且多余的说明W合适的方式会被省略。
[001引（第一实施例）
[0014] 图1是侧视图，示意性示出了根据第一实施例的动力辅助设备的外型，并且图2是 沿着图1所示的线11-11'截取的动力辅助设备的截面图。图1示出的动力辅助设备包括 基座1。滑轨2被固定到基座1上。负载3被安装到滑轨2上。皮带4连接到负载3上，并 且围绕滑轮6和滑轮8缠绕。滑轮6由固定到基座1上的支架5可旋转地支撑，滑轮8由 固定到基座1上的支架7可旋转地支撑。滑轮6和滑轮8中的每个包括在其外周上形成的 齿。滑轮6和滑轮8接合皮带4。当使用者在沿着滑轨2的方向上（例如由图1中的箭头 所示的方向）施加力时，负载3沿着滑轨2运动，并且滑轮6和滑轮8被通过皮带4传输的 力旋转。
[0015] 如图2所示，齿也形成在滑轮6的内周上。形成在滑轮6的内周上的齿对应于行 星齿轮单元10的环形齿轮14。太阳齿轮13配置在环形齿轮14的内部。太阳齿轮13包 括在其外周上形成的齿。太阳齿轮13由支架5可旋转地支撑，并且被连接到马达23上，马 达23附接到固定到基座1上的支撑腿24上。更具体地，支架5可旋转地支撑太阳齿轮13 的中屯、轴15,并且马达23联接太阳齿轮13的中屯、轴15。太阳齿轮13能随着中屯、轴15旋 转。由马达23产生的扭矩被施加到太阳齿轮13上。
[0016] 多个行星齿轮11配置在环形齿轮14和太阳齿轮13之间。每个行星齿轮11包括 在其外周上形成的齿，并且晒合环形齿轮14和太阳齿轮13。行星齿轮11被载架12W该样 的方式支撑；使得行星齿轮11能围绕太阳齿轮13转动。载架12由支架5可旋转地支撑， 并且连接到马达21上，马达21附接到固定到基座1上的支撑腿22上。例如，载架12包括 圆盘16、在垂直于圆盘16的方向上从圆盘16的主表面延伸的多个支撑轴17、和在垂直于 圆盘16的方向上从圆盘16的另一主表面延伸的中屯、轴18。支撑轴17被附接到行星齿轮 11上，使其分别穿过行星齿轮11的中心并且，中屯、轴18联接马达21。载架12能围绕中 屯、轴18旋转。每个行星齿轮11能围绕对应的支撑轴17旋转，并且能围绕太阳齿轮13转 动。由马达21产生的扭矩被施加到载架12上。在图1中，马达21和支撑腿22被省略。
[0017] 在行星齿轮单元10中，载架12、太阳齿轮13、环形齿轮14和行星齿轮11的旋转 轴线互相平行，并且载架12、太阳齿轮13和环形齿轮14的旋转轴线共轴。太阳齿轮13的 旋转轴线对应于中屯、轴15。载架12的旋转轴线对应于中屯、轴18。行星齿轮11的旋转轴 线分别对应于支撑轴17。
[0018] 图3示意性示出了根据本实施例的动力辅助设备的控制系统。如图3所示，马达 21设置有角速度检测器25,其检测载架12的旋转的角速度《并且马达23设置有角速度 检测器26,其检测太阳齿轮13的旋转的角速度《 例如，可W使用旋转编码器或者测速传 感器作为角速度检测器。当使用者将力施加到图1中的负载3上时，力通过皮带4被传送 到滑轮6上，由此使得滑轮6旋转。目P，扭矩被使用者施加到滑轮6的环形齿轮14上。随 着环形齿轮14的旋转，载架12和太阳齿轮13旋转。此时，角速度检测器25检测载架12 的角速度并且角速度检测器26检测太阳齿轮13的角速度载架12的角速度 和太阳齿轮13的角速度被提供给控制器30。控制器30例如W微处理器单元的方式实 现。
[0019] 控制器30进行可旋转地驱动载架12的马达21和可旋转地驱动太阳齿轮13的马 达23的扭矩控制.
[0020] 首先，将说明马达21的扭矩控制。控制器30根据载架12的角速度和太阳齿 轮13的角速度计算环形齿轮14的角速度《t。更具体地，控制器30根据下列方程（1) 计算环形齿轮14的角速度用于确定包含在行星齿轮单元10中的环形齿轮14、载架12 和太阳齿轮13的角速度比。
[0021] 扣r=^ 仍5-^ 仿0 〇r 〇r (1)
[0022] 在方程（1)中，系数Cf和c。是根据环形齿轮14的齿数和太阳齿轮13的齿数之间 的比率确定的常数。例如，当环形齿轮14的齿数是120,并且太阳齿轮13的齿数是12时， Cf=- 10,并且Cc= 11。由增益为1/Cf的信号放大器31、增益为Cc/Cf的信号放大器32和 加法器-减法器33执行方程（1)的处理。信号放大器31放大太阳齿轮13的角速度 信号放大器32放大载架12的角速度《加法器-减法器33从信号放大器31的输出信 号减去信号放大器32的输出信号。
[0023]根据下列方程（2)的表达，控制器30计算通过放大环形齿轮14的角速度Of和 载架12的角速度获得的信号之间的差动信号do。
[0024]d? =k?r_?e(2)
[0025] 在方程（2)中，k可W是常数，或者由转换函数表达。由增益为k的信号放大器34 和加法器-减法器35执行方程（2)的处理。信号放大器34放大环形齿轮14的角速度Of。 加法器-减法器35从信号放大器34的输出信号减去载架12的角速度《
[0026]然后，控制器30放大差动信号do，W产生放大的差动信号gd?，如下列方程（3) 所表达，并且将该放大的差动信号gd?作为扭矩命令值T。提供给马达21。扭矩命令值 T。被信号放大器41放大，并作为电流被提供给马达21。
[0027] Tc=gd? (3)
[002引在方程（3)中，g可W是常数，或者可由转换函数表达。由增益为g的信号放大器 36执行方程（3)的处理。
[0029]W该样的方式，控制器30控制马达21，W根据差动信号产生扭矩，该差动信号是 通过从信号减去载架12的角速度《。获得的，信号k?t是通过放大由使用者施加的 扭矩旋转的环形齿