2015 Fiscal Year Annual Research Report
完全脱力モードを有するロボット関節用高出力多次元アクチュエータの開発
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26289023
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
青柳 学 室蘭工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80231786)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
梶原 秀一 室蘭工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00280313)
田村 英樹 東北工業大学, 工学部, 准教授 (90396581)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 球状ステータ / 多自由度 / 積層圧電アクチュエータ / サンドウィッチ / トルクフリー / 球面アクチュエータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は小型ヒューマノイドの肩関節に用いる完全脱力モードを有する多自由度超音波アクチュエータ(MDOF-USM)を開発することである。実用化の課題の一つとしてトルクの増大があげられる。本年度は昨年度に有限要素法解析により設計した強力励振可能なステータ振動子の試作を行い評価した。次の2種類のMDOF-USMについて検討した。
１．サンドイッチ型MDOF-USM
2つの円環状ステータ振動子により球状ロータを挟み込む構成である。これらのステータはロータとの接触面に楕円変位を形成し，3軸方向の回転を生み出す。本構成はロータの保持機構が不要になり，また2つのステータの3軸方向の発生トルクが合成される特徴を有する。積層圧電素子(MPA)を励振源に用い，ステンレス製のステータに設けた角穴にMPAを埋め込む構成を試作した。設計通りの振動モードが得られ，低印加電圧で大振幅が得られた。1Ｎm程度の非常に大きな最大トルクが得られた。しかし，トルク重量比は従来と同程度であった。MPAを複数同時に使用するため数十kHzで20A以上の大きな電流が必要であり，駆動電源の出力電流の上限で電流が制限がされたため，出力トルクが制限されたためである。したがって，駆動方法の改善により最大トルクの向上が可能と考えられる。
２．球状ステータを用いたアウターロータ型MDOF-USM
球状ステータ振動子を2つのリング状ロータで挟み込む構成を検討した。これまでの研究により，３軸回転に適した楕円変位を形成できる振動モードが見出されている。球体表面にMPAを埋め込む構成を試作し，設計通りの振動モードが得られることを確認した。また，２つの振動モードに時間的に90度の位相差を与えて励振することでモード回転の発生が確認された。スプリアスモードが確認されたが，主モードの縮退分離モードであり，このモードで励振すると単一モードでもモード回転が生じることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
サンドウィッチ型球面超音波アクチュエータの高トルク化には成功したが，完全脱力モードを実現するのに必要な圧電クラッチの設計，実装および周期入力制御の応用が遅れている。また，球状ステータを用いたアウターロータ型球面アクチュエータにおいてはステータの試作・評価にとどまっており，アクチュエータとしての評価ができていない。以上のことから「やや遅れている。」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
サンドウィッチ型球面超音波アクチュエータについて，駆動電流を低減する駆動方法を考案し，適用する。最大トルクの増大が期待できる。また，圧電クラッチを実装し，完全脱力モードについて検討し，周期入力制御の適用実験を行う。また，進捗の遅れに備えて，モータに連結させた球体を２つのリング状ロータと圧電クラッチにより挟み込み，球面アクチュエータを模擬したモデルで脱力モードの周期入力制御への応用を行う。
球状ステータを用いた球面アクチュエータはロータを実装し，負荷特性を評価する。
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| Causes of Carryover |
球面アクチュエータの製作，評価の遅れに伴って，周期入力制御の応用研究が遅れている。必要な物品は年々低価格化と高性能化が進んでおり，適切な時期により良いものを購入することにしたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度予算で周期入力制御関係に必要な物品と合わせて使用する。
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