2014 Fiscal Year Annual Research Report
柔軟な体幹を有するリニア電磁アクチュエータ駆動人型上半身ロボットの身体協調運動
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26700026
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
仲田 佳弘 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (80720664)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | リニア電磁アクチュエータ / リニアバーニアモータ / ヒューマノイドロボット / 力制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，粘弾性を制御可能な小型・高出力の電磁アクチュエータであるリニアバーニアモータで駆動される，双腕と体幹部を有する人型上半身ロボットの開発と制御に関するものである．最終的に，開発したロボットを用い，体幹からエンドエフェクタにかけての各アクチュエータを順に連携して駆動させ，エンドエフェクタで大きな力を発生させる運動連鎖の効果により，効率的な身体協調動作を実現する．
今年度は，人型上半身ロボットの駆動に必要な小型のリニアバーニアモータを設計・作製した．有限要素法を用いた電磁気のシミュレーションにより，モータの磁気回路構造を最適化した．このとき，モータの発生力を高め，かつ，可動子と固定子間の磁気的な相互作用および可動子両端からの磁束の漏れの影響で発生する力（ディテント力）による動作時の推力脈動を低減するように，永久磁石と電磁軟鉄の寸法を調整した．本モータでは，可動子と固定子間に吸引力が発生するため，可動子を支持する軸と軸受けの材料と寸法の検討が小型化にとって重要である．この点については，実際に試作を行うことで強度に問題が無いことを確認し，得られた知見を最終的な設計に反映させた．この設計に基づいてモータを作製し，可動子と固定子間に大きな摩擦力が発生することなく動作することが確認できた．
開発する人型上半身ロボットの構造については，過去に開発した片腕のロボットを用い，可動範囲やモータの取り付け位置の検討を行った．また，ロボットの制御法として適用する予定のノンパラメトリックな手法を利用し，片腕ロボットと柔軟物を接触させたときの，エンドエフェクタの発生力を，姿勢やアクチュエータへの入力から推定する実験を行った．また，空圧ロボットを用い，関節の連動と運動連鎖について基礎的な検討を行った．
電磁アクチュエータの構造の改良にも取り組み，ディテント力を低減できるアクチュエータ構造を提案した．
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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
今年度の目標は，人型上半身ロボットに搭載可能な小型のリニアバーニアモータを設計し，複数作製することであった．設計にあたっては，磁気回路構造の最適化のため，有限要素法を用いたシミュレーションを行い，可動子の支持機構については試作を行って材料の強度を確認した．シミュレーションと試作で得た知見をもとにモータの設計を行い，複数のリニアバーニアモータを作製することができた．開発するロボットの構造については，過去に開発したリニア電磁アクチュエータ駆動の腕ロボットを用い，可動範囲やモータの取り付け位置に関する検討を始めている．以上のことから，順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度には，人型上半身ロボットを設計・開発し，今年度に作製したリニアバーニアモータを実装する．モータの駆動用として，モータドライバ，制御用マイコンと可動子位置計測センサの基板を一体化した小型の制御基板を開発する．また，多軸の制御に対応し，各制御基板に対して，発生力に対応する信号を送信するための制御用コンピュータを購入する．各関節には，磁気式の非接触回転センサを実装し，回転角度を計測できるようにする．
開発したロボットと制御システムを用い，オープンループの駆動による，体幹と双腕の動作確認を行う．リニアバーニアモータの取り付け位置によっては，駆動に際して大きな摩擦力が発生することが予想されることから，実機を動かしながら確認を行い，必要に応じて構造を修正する．
体幹からエンドエフェクタにかけての運動連鎖を利用するには，可能な限り各関節が滑らかに動く必要があるため，このことを考慮して動作の確認と構造の修正を行う．
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| Causes of Carryover |
開発する人型上半身ロボットの関節の駆動には，複数のリニアバーニアモータを用いる．モータの磁気回路構造については，シミュレーションによる検討が可能であるが，支持機構や材料強度は，計算による検討だけでは限界があるため，2度の試作を実施した．特に，可動子と固定子間の磁気的な吸引力から生じる摩擦力を低減する支持機構の設計に時間を要したこと，高度な加工技術を必要とする部品が多数必要になったことから，今年度中に必要数のリニアバーニアモータを揃えることができなかった．そのため，平成26年度の研究費に未使用額が生じたが，平成27年度にロボットの駆動に必要な数のリニアバーニアモータを購入し，当初の予定通りの計画で研究を進めていく．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度には，平成26年度に試作検討し，設計したロボット駆動用のリニアバーニアモータの内，年度内に購入できなかった分のモータを購入する．これらのリニアバーニアモータは，開発する人型上半身ロボットに搭載し，関節の駆動源として用いる．
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