スパイラルモータを用いた人に優しい運動支援システムの基盤技術開発

• 研究課題/領域番号: 24246047
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電力工学・電力変換・電気機器
• 研究機関: 横浜国立大学
• 研究代表者: 藤本 康孝 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60313475)
• 研究分担者: 河村 篤男 横浜国立大学, 工学研究院, 教授 (80186139) ; 下野 誠通 横浜国立大学, 工学研究院, 准教授 (90513292)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 46,280千円 (直接経費: 35,600千円、間接経費: 10,680千円); 2015年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2014年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円); 2013年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円); 2012年度: 15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円)
• キーワード: アクチュエータ / 電気機器 / モーションコントロール / スパイラルモータ / 運動支援システム

研究成果の概要

本研究では、人との接触動作において高速応答性と安全性を実現するため、小型スパイラルモータによるコンプライアンス制御と衝突力制御を提案した。ロボットの手先が環境に接触した際に発生する衝撃力に対して、ギャップ仕事率を用いた衝突検知法および衝突時の運動量からブレーキ時間を算出する衝突力緩和法を提案し、高い安定性と衝突力の低減を実現した。また、モータの加工精度に起因するギャップ変動の問題に対してゼロパワー制御を提案し、200Nのセンサレス力制御およびフルストロークの位置制御に成功した。この制御により極めて小さい電流で制御帯域以下の負荷力に拮抗させることができ、高精度かつ省エネルギーな制御が実現できた。

研究成果

• [雑誌論文] Zero Power Control Based on External Force Feedback for Helical Motor (2016)
  • 著者名/発表者名: Masato Koyama and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: IEEJ Journal of Industry Applications 巻: 5
  • NAID: 130005161879
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Verification of Estimation of Gap Displacement for Helical Motor (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryoji Arai and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: IEEJ Journal of Industry Applications 巻: 5 号: 2 ページ: 148-153
  • DOI: 10.1541/ieejjia.5.148
  • NAID: 130005133144
  • ISSN: 2187-1094, 2187-1108
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact Force Control by Helical Motor (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Sasaki and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: Proceedings of IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization 巻: 1 ページ: 1-6
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Inherent Back-EMF Measurement of a Novel Radial-Gap Helical ROTLIN Machine (2016)
  • 著者名/発表者名: CYUSA S. Christophe and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: Proceedings of IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization 巻: 1 ページ: 1-6
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Modeling of Claw Pole Helical Motor (2015)
  • 著者名/発表者名: Huy Nhien Nguyen and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: Proceedings of IEEE Industrial Electronics Society Annual Conference 巻: 1 ページ: 4358-4363
  • DOI: 10.1109/iecon.2015.7392777
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Modeling and Implementation based Control of a Novel Radial-Gap Helical ROTLIN Machine (2015)
  • 著者名/発表者名: CYUSA S. Christophe and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: Proceedings of IEEE Energy Conversion Congress and Exposition 巻: 1 ページ: 1803-1809
  • DOI: 10.1109/ecce.2015.7309914
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] External Force Feedback with Velocity Reference Zero Power Controller for Helical Motor (2015)
  • 著者名/発表者名: Masato Koyama and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: proc. IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, and Motion Control 巻: 1 ページ: 1-6
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of a High Thrust Force Helical Motor for Prosthetic Knee Joint (2015)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Furuya and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: proc. IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, and Motion Control 巻: 1 ページ: 1-6
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Design and Analysis of New Structure of Helical Motor - Claw Pole Helical Motor (2015)
  • 著者名/発表者名: Huy Nhien Nguyen and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: proc. IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, and Motion Control 巻: 1 ページ: 1-4
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of Two-Link Manipulator Using Helical Motors (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Sasaki and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: proc. IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, and Motion Control 巻: 1 ページ: 1-6
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Verification of Estimation of Gap Displacement for Helical Motor (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryoji Arai and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: proc. IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, and Motion Control 巻: 1 ページ: 1-6
  • NAID: 130005133144
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of an Interior Permanent Magnets Screw Motor with Power-saving Axial-gap Displacement Adjustment (2014)
  • 著者名/発表者名: Yasutaka Fujimoto, Tsubasa Suenaga, and Masato Koyama
  • 雑誌名: IEEE Trans. on Industrial Electronics 巻: 61 号: 7 ページ: 3610-3619
  • DOI: 10.1109/tie.2013.2270215
  • NAID: 120005322476
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Evaluation of a Surface Permanent Magnet Helical Motor With High Precision Teeth (2014)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Sasaki, Kengo Sawai, and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: proc. IEEE Industrial Electronics Society Annual Conference 巻: 1 ページ: 575-580
  • DOI: 10.1109/iecon.2014.7048558
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] スパイラルモータにおける力制御応答を用いたパラメータ同定法 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小山昌人, 三上貴弘, 藤本康孝
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌） 巻: 134 号: 3 ページ: 325-331
  • DOI: 10.1541/ieejias.134.325
  • NAID: 130003391812
  • ISSN: 0913-6339, 1348-8163
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Drive Position Control of a Spiral Motor as a Monoarticular Actuator (2014)
  • 著者名/発表者名: Ahmad Zaki Bin Hj Shukor and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: IEEE Trans. on Industrial Electronics 巻: 61 号: 2 ページ: 1063-1071
  • DOI: 10.1109/tie.2013.2262757
  • NAID: 120005322477
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proposal of Current Integral Zero Power Control with Force Feedforward for Helical Motor (2014)
  • 著者名/発表者名: Masato Koyama and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: proc. IEEE Int. Workshop on Advanced Motion Control 巻: 1 ページ: 663-668
  • 査読あり
• [雑誌論文] Force Control of Musculoskeletal Manipulator Driven By Spiral Motors (2013)
  • 著者名/発表者名: Ahmad Zaki Bin Hj Shukor and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: Automatika - Journal for Control, Measurement, Electronics, Computing and Communications 巻: 54 号: 1 ページ: 74-88
  • DOI: 10.7305/automatika.54-1.307
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparison between Zero power Control Methods of Spiral Motor (2013)
  • 著者名/発表者名: Masato Koyama and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: proc. IEEE Industrial Electronics Society Annual Conference 巻: 1 ページ: 5876-5881
  • DOI: 10.1109/iecon.2013.6700098
  • 査読あり
• [雑誌論文] On an Active Prosthetic Knee Joint Driven by a High Thrust Force Helical Motor (2013)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Furuya, Takahiro Mikami, Tatsuya Suzuki, and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: proc. IEEE Industrial Electronics Society Annual Conference 巻: 1 ページ: 5894-5899
  • DOI: 10.1109/iecon.2013.6700101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Position and Force Control of SPM-type High-thrust-force Linear Motor for Assistive Devices (2013)
  • 著者名/発表者名: Yasutaka Fujimoto, Takahiro Mikami, and Tatsuya Suzuki
  • 雑誌名: proc. IEEE Region10 Humanitarian Technology Conference 巻: 123-28 ページ: 23-28
  • DOI: 10.1109/r10-htc.2013.6669008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Validation of Spiral Motor Parameters by FEA and Experimental Identification (2013)
  • 著者名/発表者名: Masato Koyama, Takahiro Mikami, and Yasutaka Fujimoto
  • 雑誌名: proc. IEEE International Symposium on Industrial Electronics 巻: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/isie.2013.6563856
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Drive Position Control of a Spiral Motor as a Monoarticular Actuator (2013)
  • 著者名/発表者名: Ahmad Zaki bin Hj Shukor
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Industrial Electronics 巻: 60
  • 査読あり
• [雑誌論文] Validation of Spiral Motor Parameters by FEA and Experimental Identification (2013)
  • 著者名/発表者名: Masato Koyama
  • 雑誌名: Proceedings of IEEE International Symposium on Industrial Electronics 巻: 1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Load Disturbance and Environment Effect on Biarticular Manipulator driven by Spiral Motors (2013)
  • 著者名/発表者名: Ahmad Zaki bin Hj Shukor
  • 雑誌名: Proceedings of IEEE International Conference on Mechatronics 巻: 1 ページ: 1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long Stroke Continuous-path Position Control of SPM-type Helical Motor (2013)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Suzuki
  • 雑誌名: Proceedings of IEEE International Conference on Mechatronics 巻: 1 ページ: 1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Planar Task Space Control of a Biarticular Manipulator Driven by Spiral Motors (2012)
  • 著者名/発表者名: Ahmad Zaki bin Hj Shukor
  • 雑誌名: International Journal of Advanced Robotic Systems 巻: 9 号: 4 ページ: 1-14
  • DOI: 10.5772/51742
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design of a High-thrust Density Spiral Motor using Finite Element Analysis (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Mikami
  • 雑誌名: Proceedings of IEEE Industrial Electronics Society Annual Conference 巻: 1 ページ: 5416-5421
  • DOI: 10.1109/iecon.2012.6388956
• [学会発表] Challenges in Human-friendly Mechatronics (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasutaka Fujimoto
  • 学会等名: International Conference on Engineering and ICT
  • 発表場所: Meleka, Malaysia
  • 年月日: 2016-04-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スパイラルモータによるコンプライアンス制御 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小山昌人, 藤本康孝
  • 学会等名: 日本ロボット学会学術講演会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2015-09-03
• [学会発表] SPMスパイラルモータによる衝突力緩和制御の基礎検討 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐々木駿輔, 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会産業応用部門大会
  • 発表場所: 大分
  • 年月日: 2015-09-02
• [学会発表] 能動膝継手のための高推力スパイラルモータの設計および制御シミュレーションの検討 (2014)
  • 著者名/発表者名: 古谷裕介, 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会メカトロニクス制御研究会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-10-11
• [学会発表] スパイラルモータのセンサレス化に向けたインダクタンス推定法の検証 (2014)
  • 著者名/発表者名: 新井涼司, 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会メカトロニクス制御研究会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-10-11
• [学会発表] スパイラルモータにおける磁気吸引力係数マップを用いた反力推定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小山昌人, 藤本康孝
  • 学会等名: 日本ロボット学会学術講演会
  • 発表場所: 福岡
  • 年月日: 2014-09-05
• [学会発表] 筋骨格運動制御のためのスパイラルモータの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会産業応用部門大会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-08-28
  • 招待講演
• [学会発表] SPM 型スパイラルモータを用いたマニピュレータ制御の基礎実験 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐々木駿輔, 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会産業応用部門大会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-08-26
• [学会発表] スパイラルモータのセンサレス力制御応答に関する検討 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小山昌人, 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会メカトロニクス制御研究会
  • 発表場所: 長岡
  • 年月日: 2014-07-26
• [学会発表] 能動膝継手のための新型スパイラルモータの製作および応力解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 古谷裕介, 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会産業計測制御/メカトロニクス制御研究会
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] SPM型スパイラルモータの精密モデルと制振制御 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐々木駿輔, 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会産業計測制御/メカトロニクス制御研究会
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] 高精度ティースを用いたSPM型スパイラルモータの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 澤井健吾, 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会産業計測制御研究会
  • 発表場所: 横浜
• [学会発表] スパイラルモータにおける限定極配置を用いたゼロパワー制御系設計 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小山昌人, 藤本康孝
  • 学会等名: 日本ロボット学会学術講演会
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] SPM 型スパイラルモータにおけるティース切削による影響 (2013)
  • 著者名/発表者名: 澤井健吾, 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会産業応用部門大会
  • 発表場所: 山口
• [学会発表] 能動膝継手のための高推力リニアアクチュエータの研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 古谷裕介, 三上貴弘, 藤本康孝
  • 学会等名: 電気学会産業応用部門大会
  • 発表場所: 山口
• [学会発表] スパイラルモータにおけるパラメータ同定法の検証 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小山昌人
  • 学会等名: 電気学会産業計測制御/メカトロニクス制御研究会
  • 発表場所: 千葉
• [学会発表] スパイラルモータの小型化の検討 (2012)
  • 著者名/発表者名: 藤本康孝
  • 学会等名: 日本ロボット学会学術講演会
  • 発表場所: 札幌
• [学会発表] SPM型スパイラルモータにおける離散時間外乱オブザーバの設計 (2012)
  • 著者名/発表者名: 鈴木達也
  • 学会等名: 電気学会産業応用部門大会
  • 発表場所: 千葉
• [学会発表] スパイラルモータを利用した能動型義足膝継手の研究
  • 著者名/発表者名: 古谷裕介
  • 学会等名: 電気学会産業計測制御/メカトロニクス制御研究会
  • 発表場所: 千葉
• [学会発表] 可動子位置の影響を考慮したスパイラルモータの有限要素解析
  • 著者名/発表者名: 三上貴弘
  • 学会等名: 電気学会産業計測制御/メカトロニクス制御研究会
  • 発表場所: 千葉
• [備考] Direct-Drive High Thrust Spiral (Helical) Motor
  • URL: http://www.fujilab.dnj.ynu.ac.jp/spiral/spiral-e.html
• [備考] 小型高推力スパイラルモータの研究
  • URL: http://www.fujilab.dnj.ynu.ac.jp/spiral/spiral.html
• [備考] 小型高推力スパイラルモータの研究
  • URL: http://www.fujilab.dnj.ynu.ac.jp/spiral/spiral.html
• [備考] Direct-Drive High Thrust Spiral (Helical) Motor
  • URL: http://www.fujilab.dnj.ynu.ac.jp/spiral/spiral-e.html
• [備考] 小型高推力スパイラルモータの研究
  • URL: http://www.fujilab.dnj.ynu.ac.jp/spiral/spiral.html
• [備考] Direct-Drive High Thrust Spiral (Helical) Motor
  • URL: http://www.fujilab.dnj.ynu.ac.jp/spiral/spiral-e.html
• [産業財産権] 磁気ねじアクチュエータ (2014)
  • 発明者名: 藤本康孝
  • 権利者名: 横浜国立大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2014-07-17