人間共存型ロボット用の鋼性を機械的に変化できる柔軟関節機構に関する研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12750115
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 関 啓明 金沢大学, 自然科学研究科, 講師 (20270887)
• キーワード: 柔軟関節 / 可変鋼性 / 人間共存型ロボット / 板ばね / アーム / 曲げ方向

研究概要

人間と共存するロボット用として、板ばねの曲げ方向による剛性の違いを利用し、作業に応じて柔らかさを調節できる機械的な柔軟関節の開発を試みた。モータを制御する方法よりも、衝撃等に対する応答性に優れ、安全で信頼性が高い。今年度は次項目について成果を得、提案する柔軟関節機構が有効であることを確認した。
1.柔軟関節の剛性の解析と設計方法の確立
柔軟関節の構造は、アームを回転させる関節のモータを直接アームに接続するのではなく、板ばねを挟んで接続し、その板ばねは曲げ方向を変化できるように、関節軸に垂直に回転できる仕組みにした。関節の剛性は板ばねの回転角によって変わるためその特性を解析した。両端をある角度に拘束された板ばねの曲げとしてモデル化し、関節変位は微小と仮定して計算した。板ばねの強度や板ばねを回転させるのに必要なトルク等に関する解析も行った。その結果、関節の回転軸の位置に板ばねの中心がくる構造が強度や特性が良いこと、板ばねは設計条件の範囲内で、幅が広く、薄く、長い程良いこと、板ばねを回転させるトルクは関節トルクの2乗に比例し、ある回転角でピークを持つこと等が明らかになった。
2.1自由度の柔軟関節機構の試作と特性測定
板ばねやモータを組みこんだ1自由度のコンパクトな関節を設計し、実際に試作して特性を評価した。非線形ではあるが、板ばねを回転させることで関節の剛性が変えられることが確認できた。その剛性と板バネの角度の関係は理論値とは少々ずれがあるものの、1つの式でほぼ近似できることも確認された。
3.1つのモータで関節駆動と剛性調節を切り替えて行う機構の開発
関節を駆動するモータ1個のみで、関節駆動と板ばねの回転を切り替えて行える機構を差動歯車を配して設計した。現在試作中である。

研究成果

• [文献書誌] H.Seki,A.Takada,Y.Kamiya,H.Hikizu,and H.Nomura: "Development of A Robot Joint Mechanism with Variable compliance by Rotating A Leaf Spring"Proceedings of the 2000 Japan-USA Flexible Automation Conference. (CDROM). 13019 (2000)
• [文献書誌] 新谷将一,関啓明,神谷好承,疋津正利,野村久直,高田敦: "板バネの回転により鋼性を変えられる柔軟関節の開発"第18回日本ロボット学会学術講演会予稿集. 697-698 (2000)
• [文献書誌] 新谷将一,関啓明,神谷好承,疋津正利: "伸縮により可動範囲を拡張できるホームロボット用アームの開発"2001年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. (発表予定). (2000)