Establishment of design theory for tendon-driven mechanism using synthetic fiber ropes, and its application to ultra light weight arm with gravity compensation by propellers

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04044
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 遠藤 玄 東京工業大学, 工学院, 准教授 (70395135)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 高強度化学繊維 / 腱駆動 / 摩擦熱 / 耐久性 / 製紐法

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，高強度化学繊維ワイヤの（１）摩擦熱に対する耐久性，（２）繊維原糸とその編み方による出力最大化，（３）ロープ径のスケーラビリティの３点を検討する．以下，本年度の進捗を各項目ごとに記す．
（１）繰り返し曲げ耐久性試験機の試験プーリを，ベアリングで保持したものと，固定したものの２種類を設置することができるように改良した．ベアリングで保持した従来の試験機では，化学繊維ワイヤを少ない抵抗で曲げることができるが，固定したプーリの場合，摺動摩擦があるため摩擦熱による発熱が起きる．実際，ベアリング保持の場合問題なく10万回以上の繰り返し曲げが実現できた場合でも，固定プーリの場合に摩擦熱により，ポリアセタール製のプーリが溶融しロープが破断する場合があることを確認した．特に熱に弱い高密度ポリエチレン繊維では破断が起きることを実験により確かめた．比較的熱に強いPBO繊維，ポリアリレート繊維の場合，破断には至らないものの，摩擦力が大きくなり，繰り返し曲げ試験機が過負荷になることが明らかになった．また，実験中のロープの温度を非接触で測る実験法も確立した．
（２）ポリアリレート繊維原糸に対して，原糸直径の影響，潤滑のための油剤の影響を調査するため，５種類の化学繊維ワイヤに対して繰り返し曲げ耐久性試験を行い，試験後の破断張力を比較した．
（３）様々なロープ径の破断張力を計測するためには，引張試験機に対してロープを強固に締結する必要がある．このとき，締結部で強度低下が起きないように細心の注意を払う必要がある．本年度は締結部の治具の設計を行った．
また，プロペラ自重補償型超軽量アームについては，構造材のねじれをプロペラ推力により保障する新たなプロペラ推力制御法について定式化を行い，動力学シミュレーションにより有効性を確かめた．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

初年度は系統的な試験を行う前段階として，条件出しのあたりをつける実験を中心に行い，実験装置や方法の準備が確実に進展した．プロペラ自重補償型超軽量アームについても，新たなプロペラ推力制御法を導出し，有効であることをシミュレーションにより検証することができており，今後の試作機開発に重要な知見を得ることが出来ている．

Strategy for Future Research Activity

引き続き化学繊維ロープの基礎特性試験を実施する．現在までに，繰り返し曲げ試験機については摩擦力により過負荷が生じており，実験が中断されてしまうケースがあることが分かっており，試験機のロープ駆動用アクチュエータを改良することを検討している．また，プロペラ自重補償型超軽量アームについては，4節，10mの試作機を現有しているが，実機での動作は実現できていない．本年度は，この現有の試作機を実際に動作させることにより，次期試作機の基礎設計資料とする予定である．

Causes of Carryover

本研究では，様々な編み方やロープ径を変えた化学繊維ロープに対し，繰り返し曲げ耐久性試験時に発生する熱を非接触で測定するとともに，耐久試験後の張力を計測することで評価を行う．当初計画では試験ロープは購入する予定で，そのための予算を計上していたが，原糸メーカより無償提供されたサンプルについて，まず評価を行い特性を把握することとした．このためロープ試作費用分が繰り越されることとなった．またプロペラ自重補償型超軽量アームについては，当初は試作を行う予定であったが，現有の試作機の評価・改修を十分に行った上で次の試作を行った方が良いと判断したため，この分の費用も繰り越されることとなった．
今後はロープ径を変更した場合の特性について様々なロープを試作し，検討を進める．また，プロペラ自重補償型超軽量アームの新たな施策を行い，全長20mの超長尺アームの実現を目指す．