| Project/Area Number |
21K14101
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
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| Keywords | 磁気式波動歯車 / 伝達トルク / 軽量化 / 脚支援機器 / 最大伝達トルク / 機構構造解析 / 磁場解析 / 変形形状測定 / アクチュエータ / 機構・構造解析 / 波動歯車 / モータ |
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| Outline of Research at the Start |
下肢障碍者への支援技術として、アクチュエータによって姿勢維持や歩行補助を行う脚支援機器の開発が進んでいる。しかし、着脱や装着維持の際に生じる重量の大きな機器の取り扱いが患者と介助者にとって負担になる。麻痺脚の補助には大きなトルクを必要とするため、アクチュエータとしてモータと波動歯車の組み合わせが広く利用されているが、部品点数が多いため重量は大きい。申請者は波動歯車とモータの一体化によるアクチュエータおよび脚支援機器全体の重量減を目指す。
本研究では、電磁場・構造解析による特性評価・実機検証を実施する。それから、提案技術を用いた脚支援機器を開発し、ユーザビリティ改善効果を明らかにする。
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| Outline of Final Research Achievements |
We have developed a lightweight magnetic strain wave gear for lower-limb exoskeletons, utilizing permanent magnets in place of the mechanical cam. In this gear, the distribution of magnetic forces deforms the flexible outer gear, allowing the gear teeth to engage with the rigid inner gear. The flexible outer gear rotates with deceleration, operating on the principle of differential gears. We analyzed the operation through magnetic and multi-flexible body dynamic analyses, and we measured the transmission torque and deformed shape using a torque sensor and laser displacement sensors. The weight of the primary components ranges from 250 to 400 g. The analyzed and measured maximum transmission torques were 12.5 Nm and 10.0 Nm, respectively. Based on these findings, we anticipate a weight reduction of about 40% in the lower limb exoskeleton (Manipuleg, Ibaraki University).
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
本研究で開発した磁気式波動歯車は変形と磁場の両方を利用する特異な構造・動作原理を有しており、機械式波動歯車と比べると軽量であり、磁気歯車と比べて高い減速比を実現できる。
磁気式波動歯車を搭載した脚支援機器は軽量となるため、介護者や下肢麻痺者の負担軽減に寄与できる。さらに、人協調ロボットや上肢装着型支援装置などの軽量化を要する幅広い分野での応用も期待される。
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