| 研究課題/領域番号 |
17K14641
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
上口 光 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (30536925)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 高耐圧回路 / 集積化技術 / パッケージ技術 |
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| 研究実績の概要 |
信州大学では人体の動作を補助するウェアラブルスーツの研究を行っている。その実用化に向けて、アクチュエータ駆動回路最適化による、省電力化、コンパク
ト化が最大の課題になっている。本研究課題では、アクチュエータ駆動回路とそのパッケージ、基板、更に制御コントローラ回路を含めたサーボアンプシステム
全体の最適化、小型化を目指している。
３年目にあたる２０１９年度は高耐圧回路のワンパッケージ化に関する更なる検討を行った。具体的には、平成３１年度までに実施した、高耐圧CMOS技術を用い
たアクチュエータドライバ回路と降圧電源回路設計を基にして、更なる評価を行った結果、負荷変動やノイズなどに対して最適化を行った。ゲートドライバにソフトスイッチングを適用し、且つ、タイミング制御を最適なものにすることにより、消費電力とノイズ双方が削減できることを示した。また、信頼性向上のため、温度管理のための温度センサ回路、センサ回路が安定動作するために必要な低ノイズ降圧電源回路の設計も行った。これらに加えて、前年度に引き続き、制御MCUボードの検討、開発も行った。前年度まで検討していた中国製のものが政情不安により入手困難、価格上昇となったためMCUボードは再検討を行った。その結果、MCUボードはコストと性能のバランスの観点から、Raspberry Pi4を採用することとした。回路を駆動するためのソフトウェア（ファームウェア）開発と通信ボードの再設計、試作も併せて行い、前年度までに得られたサーボアンプ回路との通信を安定化させるコードも組み込んだ。これらの成果でアクチュエータ制御回路をカスタムボード化し、高信頼性なシステムを小型に実現できることを実証した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
３年目である２０１９年度は、前年度まで設計した高耐圧回路の評価を行い、さらなる性能と信頼の向上を実現すること、また、MCUボードによるシステム全体の制御回路、アクチュエータ駆動回路の周辺回路として必要な各種センサ回路、電源回路を設計し、ウェアラブルスーツ制御システム全体としての完成度を高めることが当初の目標であった。
前年度の研究成果に基づき、評価を行った結果、負荷変動に対する安定性やノイズに対して課題が見つかったので、高耐圧駆動回路のゲートドライバの動的最適制御に関する検討を行い、ソフトスイッチングと最適タイミング制御を行うことで信頼性と性能の向上が実現できる見込みを得た。また各種センサ回路、電源回路の設計、試作を行い、ボードレベルで検証も行った。システム全体制御用のMCUボードの再検討と、通信回路の再開発を行うことによって、低コスト化を実現した。また、それに付随するソフトウェア開発も行い、システム全体としての完成度を高めることに成功した。これらの関連成果を国際会議にて発表を行った。
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| 今後の研究の推進方策 |
２０２０年度は研究最終年度に当たるため、これまでの年度の内容に加えて、以下の課題についても取り組む予定である。
● 高耐圧ドライバ回路のワンパッケージ技術とそのモデル化に関する研究
これまでに設計、試作した回路設計を、より詳細な調査と理論的な検討を行い、設計手法として確立を目指す。また、パッケージを含めた回路モデル化を進め、ドライバ回路のみでなく、システム全体として高信頼化、高性能化を実現する。
●各種フィードバック信号に基づいたPWM信号生成回路と制御プログラムの作成
サーボアンプ回路構成要素の内、制御回路や過電流検知/保護回路、各種センサ回路をこれまでに開発してきたが、最終年度にはこれらを超小型化して集積し、システム全体としてコンパクトなプロトタイプを実現する。MCU選定については2019年度に再検討を行い、このための通信ボードを用いて、実際にウェアラブルロボットに搭載してアクチュエータ制御プログラムの実証実験を行う。また、各種センサ回路や電源回路についても、これまで試作した回路を組み込み、高信頼なウェアラブルロボットシステムの完成に寄与していく予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
概ね順調に執行しているが、2019年度後半にCOVID-19により執行予定であった出張費がキャンセルとなったことと、2020年度に学会発表など必要経費の増額が予想されるため。
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