2016 Fiscal Year Annual Research Report
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16H06075
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
真下 智昭 豊橋技術科学大学, エレクトロニクス先端融合研究所, 准教授 (20600654)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | マイクロモータ / 超音波モータ / 圧電アクチュエータ / マイクロロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，マイクロ超音波モータを用いて，超小型のパンチルトカメラとロボットアームを有する生検鉗子型のロボットを開発することが目的である．これらの機構を駆動するために重要なことは，マイクロ超音波モータの研究である．これまでの取り組みで，マイクロ超音波モータは10μNm以上のトルクを発生できていたが，モータはユニット化されておらず，装置に実装することはできなかった．そこで，マイクロコイルを用いて予圧方法を工夫することでモータユニット全体として小型化に取り組み，装置に実装可能なマイクロ超音波モータユニットを試作した．ロータの軸方向と半径方向の二種類の予圧機構を試作し，実験で評価を行い，両方の予圧機構で，10μNm以上のトルクを発生できることを明らかにした．
ロボットを小型化するには，小型化したときに性能はどのように変化するかを明らかにする必要がある．そこで，超音波モータのスケールに関するモデルを立て，サイズに関する性能の変化を予想できるようにした．実験では，2mm角，1mm角，0.5mm角のマイクロ超音波モータを試作して実験を行い，提案するモデルが正しいことを明らかにした．小型化に伴って，マイクロ超音波モータのトルクは，代表寸法に対して3乗則で減少することがわかった．4乗則となる電磁モータと比べ，小型化を進めるには有利であるということを意味する．
マイクロパンチルトカメラと，マイクロロボットアームの開発するために，ワイヤ放電などの微細加工技術を調査し，マイクロ部品の試作を行い，それらの部品を組み立てるマイクロマニピュレータを開発した．カメラは，1mm角の画像センサを用いたもので世界最小のパンチルトカメラである．ロボットアームでは，リンク機構を駆動する扁平型マイクロ超音波モータと，ハンドを駆動するリニア型マイクロリニア型超音波モータの開発を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在のモータ効率は約1%と低く，これを改善するため，まず入出力をより正確に解析した．エネルギー保存則に基づいて，電気的入力，機械的出力，エネルギー損失（スリップや発熱など）を表したモデルを作り，低効率の理由を調査を行った．一般の超音波モータでは，ステータとロータの接触状態を改善するためにライニング材やマイクロ粒子が採用されており，これらをマイクロ超音波モータにも適用し評価することを考えていたが，ステータやロータのサイズは極小であり，取扱いや評価が困難なため，調査に当初の予定以上に時間がかかっている．
その他は，順調，または当初の計画以上に進んでいる．0.5mm角の極小モータを作ってマイクロ超音波モータのスケール法則を明らかにする研究は，二年目（29年度）に計画していた内容であったが，計画以上にすすめることができた．ステータの加工にワイヤ放電加工を採用したことで，ある程度の加工精度を確保でき，十分な研究結果が得られることになった．またこの研究で，圧電素子のスケール効果など，小型化および高効率化などに関する重要な知見も得られた．研究結果は，既に論文として投稿し採択されるに至っている．
また，マイクロロボットアームの開発も，二年目以降で計画していた内容であったが，既に着手しており，試作品の駆動に成功している．当初想定していた出力はまだ得られていないが，これは，微小部品の試作精度が主な理由である．試作精度を高める方法など，今後も研究を継続し改善に取り組む．
またモータからトルクを得られない場合の方法として，減速機を取り付けることを計画していたが，これも着手している．メーカーの協力を得て開発したマイクロギアードモータを開発し，駆動実験に成功している．減速機がある分大きくなるが，より確実に力を発生することができている．
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| Strategy for Future Research Activity |
マイクロ超音波モータで駆動するアームの制御を実現する．アームの制御のために動力学モデルを作るが，リンクジョイントは表面張力が影響すると考えられる．そこで表面張力の影響を計算と実験で明らかにしてモデルに取り込む．アームの運動計測には1000fps以上のハイスピードカメラを用いる．高速撮影で，リンクの位置と姿勢の変化を画像処理的に追跡することで実験データを得て，モデルを実験で検証する．エンドエフェクタには，閉ループリンク機構を用いる．静的に力を10倍以上増倍できるように設計する．機構は全体で約2-3mmのサイズになるよう設計し，発生力や伝達効率を解析して実験で評価する．さらにマクロモデルと比較して，サブミリモデルの特徴（試作性や表面張力が出力に与える影響など）を明らかにする．
マイクロパンチルトカメラでは，初年度の研究により，マイクロ加工から仕上げ加工，マイクロマニピュレータを用いた組立技術，などを確立したことで設計および試作が可能になった．カメラの方向を任意に操作するため，試作機に基づいたロボットカメラの力学モデルを作り，その方向を制御する．制御には，マイクロカメラから取り込んだ画像に基づいてヴィジュアルフィードバック制御を実施する．カメラとモータおよびドライバなどで同期システムを組み，高速高精度の駆動をするのに最適なアルゴリズムを構築する．
マイクロ超音波モータは，ユニット化されるなど実装化を目指した段階では進んだが，効率改善などの点で目立った成果が得られておらず研究を継続する．一般の超音波モータでは，ステータとロータの接触状態を改善するために，メッキや，ライニング材，マイクロ粒子をステータとロータの間に適用されている．マイクロ超音波モータは微小であるため，これらの改善案を適用するための手法の研究を行う．実験的評価を行って，モータ効率の改善を図る．
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