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モータ・波動歯車一体型新構造アクチュエータによる脚支援機器の革新的軽量化

研究課題

研究課題/領域番号 21K14101
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分20010:機械力学およびメカトロニクス関連
研究機関茨城大学

研究代表者

北山 文矢  茨城大学, 理工学研究科(工学野), 講師 (50774197)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
キーワード磁気式波動歯車 / 変形形状測定 / 機構構造解析 / 磁場解析 / アクチュエータ / 機構・構造解析 / 波動歯車 / モータ / 脚支援機器
研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

本研究では軽量な脚支援機器の実現を目的とし,軽量な磁気式波動歯車とブラシレスモータを組み合わせたアクチュエータを開発している。磁気式波動歯車は,軽量な磁石,ヨークから成る磁気式ウェーブジェネレータ(磁気式W/G,入力軸),弾性体外歯車であるフレクススプライン(F/S,出力軸),剛体内歯車であるサーキュラスプライン(C/S,固定軸)から構成される。昨年度までに,4極磁石モデル,16極磁石モデルの2種の磁気式波動歯車を提案した。それから,F/Sの変形形状を考慮した磁気式波動歯車の解析法を構築した。4極磁石モデルの最大伝達トルクは解析で3.3Nm,実測で3.2Nmであり,16極磁石モデルの最大伝達トルクは解析で5.4Nm,実測で4.7Nmであった。これらの最大伝達トルクは脚支援機器用途としては不十分であると判断し,磁気式波動歯車の改良を今後の課題として挙げていた。
本年度は,F/Sの変形形状と最大伝達トルクの関係性を調査し,16極磁石幅拡大モデルを提案した。F/Sの周辺に5台のレーザ変形を配置し,F/Sの変形形状を測定した。F/Sは原則楕円状に変形していた。楕円変形形状の長軸の傾きと磁気式W/Gの回転角の角度差が大きくなるときに伝達トルクは上昇し,同時に変形形状は楕円から真円に近づいた。一定の角度差を超えると,伝達トルクが最大を迎え,その後急激に低下した。この際,F/Sと磁気式W/Gの磁気的結合が外れ,変形形状は真円となった。磁石幅40mmの16極磁石を有する磁気式波動歯車(16極磁石幅拡大モデル)を提案した。最大伝達トルクは解析では20Nm以上・実測では8Nmであった。このように,磁気式波動歯車のトルク伝達過程を解明し,最大伝達トルクを大幅に向上させた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

磁気式波動歯車の最大伝達トルクを実測上で8Nm,解析上で20Nm以上まで向上させた。解析上では脚支援機器に適用可能な伝達トルクが得られたものの,実測上の伝達トルクは未だ不十分である。このため,磁気式波動歯車は未だ脚支援機器に適用されていない。一方で,脚支援機器適用のための部品・モータの手配は完了している。
当初の計画では,2023年度の段階でアクチュエータを脚支援機器に適用するものとしていたため,計画よりやや遅れていると判断した。

今後の研究の推進方策

次年度は,磁気式波動歯車の最大伝達トルク向上のための磁石追加,磁気式波動歯車・モータの脚支援機器への実装を行う。
これまで開発してきた磁気式波動歯車では,F/Sの内側に磁石を配置する構成でF/Sの短軸側に磁力を発生させ,F/Sを変形させていた。次年度は,F/Sの外側等にも磁石を配置し,磁力発生範囲を拡大し,最大伝達トルク向上を図る。
磁気式波動歯車とモータを脚支援機器に組み込み,脚支援機器装着時の被験者の歩行挙動を実験にて評価する。磁気式波動歯車の伝達トルクが実測で十分に得られない場合には,Multi Body Dynamicasを用いて脚支援機器装着時の歩行挙動を解析上で評価する。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] 磁気式波動歯車装置の動作特性解析2023

    • 著者名/発表者名
      遠藤 理久,北山 文矢,近藤 良
    • 雑誌名

      日本AEM学会誌

      巻: 31 号: 2 ページ: 251-256

    • DOI

      10.14243/jsaem.31.251

    • ISSN
      0919-4452, 2187-9257
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Proposal of strain wave gear actuated by magnetic force2023

    • 著者名/発表者名
      Fumiya Kitayama, Ryou Kondo, Riku Endo
    • 雑誌名

      International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics

      巻: 71 号: 1_suppl ページ: S551-S560

    • DOI

      10.3233/jae-220213

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Multi Flexible Body Dynamics と変形変位測定による磁気式波動歯車の脱調現象の解明2023

    • 著者名/発表者名
      北山 文矢,遠藤 理久,近藤 良
    • 学会等名
      日本機械学会 Dynamics and Design Conference 2023(D&D2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Improvement of Transmission Torque Characteristics of Strain Wave Gear with Magnets2023

    • 著者名/発表者名
      Fumiya Kitayama, Ryou Kondo, Riku Endo
    • 学会等名
      IEEE International Magnetism Conference INTERMAG 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 磁気式波動装置の動作特性解析2022

    • 著者名/発表者名
      遠藤理久,北山文矢,近藤良
    • 学会等名
      第31回MAGDAコンファレンス in 鹿児島(MAGDA2022) ~電磁現象及び電磁力に関するコンファレンス~
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] フレクスプラインの形状特性を考慮した永久磁石内蔵型波動歯車装置の動作特性解析2022

    • 著者名/発表者名
      遠藤理久,近藤良,北山文矢
    • 学会等名
      日本機械学会2022年茨城講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 磁力で変形する波動歯車装置の提案2022

    • 著者名/発表者名
      北山文矢,近藤良
    • 学会等名
      令和4年電気学会全国大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] PROPOSAL OF STRAIN WAVE GEAR ACTUATED BY MAGNETIC FORCE2022

    • 著者名/発表者名
      Fumiya Kitayama, Ryou Kondo
    • 学会等名
      20th International Symposium on Applied Electromagnetics and Mechanics (ISEM) 2022
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 波動歯車装置を内蔵した小型モータに関する基礎検討2021

    • 著者名/発表者名
      北山文矢,近藤良
    • 学会等名
      第33回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム(SEAD33 in 伊香保温泉)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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