2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of high-sensitivity force measurement system using multi-degree-of-freedom zero-compliance mechanism
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17H03188
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
水野 毅 埼玉大学, 工学部, 教授 (20134645)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 力測定 / 力学量計測 / ゼロコンプライアンス / カンチレバー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
微小力の検出に適したカンチレバーを用いた多自由度ゼロコンプライアンス機構を備えた力測定機構を設計・製作して，測定原理の検証及び諸特性を把握する実験を行なった．
（１）カンチレバーを用いた力測定装置の設計・製作 カンチレバーの先端を作用点，他端を検出点として，３自由度の３角形ヒンジとリニアアクチュエータを組み合わせた機構（以下，３リンク駆動ユニットと呼ぶ）で検出点の位置及び姿勢を制御することによって，作用点を元の状態に保持する多自由度ゼロコンプライアンス機構を開発した．開発した機構では，三つのアクチュエータによって弾性ヒンジの三つのリンクの長さ，すなわち三角形の形状をある程度の範囲であれば自由に変えることができる．カンチレバー先端の変位は光学式変位センサを用いて検出した．
（２）解析モデルおよび解軌道の導出 開発した駆動ユニットの運動学モデル及びカンチレバーの運動方程式を導出し，この方程式を基に，駆動ユニットが取るべき解軌道を求めた．ゼロコンプライアンアス機構を用いない場合，下向きの力が作用すると，カンチレバー先端の位置および角度は変化してしまい，力が作用した瞬間の状態は維持されないが，ゼロコンプライアンアス機構を利用した測定では，力が作用したときの状態が維持されるので，より精密な力測定が行えるとの知見を得た．
（３）制御システムの構築 作用点に下向きの力が働いても，働く前の状態が保てるような制御系を構築した．
（４）測定性能の評価 各アクチュエータへの入力と変位及び作用点に発生する力との関係を測定することによって，各支持機構の基本的な特性について調べた．具体的には，作用点に作用する力をステップ状に増加させ，そのときの検出点の変位と角度あるいはリンク長から直接作用力を推定した．つぎに，作用力を減少させて同様な測定を行った．
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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
研究計画どおり，カンチレバーを用いた力測定装置の設計・製作を行い，その性能評価まで行うことができた．カンチレバー先端の位置及び角度の検出は，光てこ及び画像処理を利用する計画であったが，測定の安定性及び応答性から反射型光センサを複数用いるように変更した．
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| Strategy for Future Research Activity |
概ね当初の計画通り進める予定である．同時に，開発したゼロコンプライアンス機構は，かなり構造が複雑で，操作性が良くないので，より簡単な機構で同等の性能を持つ機構の開発を試みることにする．
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