2023 Fiscal Year Annual Research Report
1メートルストローク、1ナノメートル微動を実現するワイヤレス多自由度小型自走機械
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21K03972
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| Research Institution | Aichi Institute of Technology |
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Principal Investigator |
鳥井 昭宏 愛知工業大学, 工学部, 教授 (70267889)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
道木 加絵 愛知工業大学, 工学部, 教授 (00350942)
元谷 卓 愛知工業大学, 工学部, 准教授 (80733443)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 小型自走機械 / インチワーム / 電磁石 / 圧電素子 / 位置決め / 位置計測 / エネルギーマネジメント / 通信システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
小形自走機械にふさわしい移動方法、位置計測方法、エネルギー供給システム、通信システムを明らかにした。小形自走機械は自律移動ロボットの一種であり、案内機構（ガイド，軸受）を用いずに平面内を移動する。位置を保持する機構（電磁石）と変位を発生する機構（圧電素子）を組み合わせた構造である。圧電素子の変形は数マイクロメートルと小さいこと、電磁石の時定数が数十ミリ秒と大きいこと、電磁石の電磁力が小さいことに起因する様々な課題がある。
圧電素子のバタフライ特性を生かした制御法を提案し、移動速度を向上した。圧電素子に抗電界と呼ばれる一定の電界を超える正負の電圧を交互に印加すると、圧電素子は1周期に2回の収縮を生じる。そのため、駆動周波数が等価的に2倍になり移動速度が向上した。摩擦を考慮した圧電素子と電磁石への制御波形を実験によって明らかにした。摩擦の影響を最小限にする圧電素子の制御信号を実測し、移動速度が向上した。
小形自走機械にふさわしいエネルギー供給システムを明らかにした。小型自走機械はワイヤレス給電が望ましい。PT対称性を適用したワイヤレス給電を実装し、電力を供給した。乾電池・マイコン・昇圧回路を搭載し、昇圧比の大きい電圧変換回路を用いることによって、乾電池の9Vを用いて圧電素子を駆動した。
小型自走機械の自己位置や搭載センサの情報を外部に提示する方法を提案した。小型LCDを搭載して情報を表示することによって、自己位置等を外部に通信した。外部カメラと搭載カメラの協調による位置計測法を実現した。
摩擦は小型自走機械の動作の外乱となる。そこで、圧電素子を鉛直方向に振動させ、スクイーズ膜効果を用いて浮上させた。圧電素子の電圧電流信号及びそれらから得られる電力や電圧電流の位相差から浮上量を推定した。
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