2022 Fiscal Year Research-status Report
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
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21K14101
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
北山 文矢 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 助教 (50774197)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 磁気式波動歯車 / 機構構造解析 / 磁場解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では軽量な脚支援機器用アクチュエータの実現を目的としている。実施計画では実機検証，駆動システム構築，特性測定，測定結果を解析結果との比較を予定していた。昨年度，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提案し，磁場解析と機構構造解析を組み合わせた磁気式波動歯車の解析手法を構築した。
本年度は，最初に磁気式波動歯車の試作機を製作した。試作機は開き角約40degの4極磁石・ヨーク，機械式波動歯車部品(フレクススプライン,サーキュラスプライン)から成る。歯車の入力軸をモータ，出力軸をトルクメータおよびブレーキに接続し，入力回転数1rpm，負荷22Nmで最大伝達トルクをトルクメータで測定した結果，3.2Nmとなった。
次に，磁気式波動歯車の解析手法を一部改良した。従来手法では，静磁場解析により入力変数をフレクススプラインの楕円傾き，磁石位置，出力変数を磁力分布としたデータテーブルを作成し，動的機構構造解析によりデータテーブルに基づいた磁力・弾性体変形・回転を計算する。改良手法では，データテーブルの入力変数に楕円率を追加し，楕円率に応じた磁力変化を考慮した。改良解析手法によって得られた試作機の最大伝達トルクは3.3Nmであり，高い解析精度を確認した。
最後に，最大伝達トルク向上のために，開き角約80degの16極磁石を用いた磁気式波動歯車を設計した。上記と同様の方法で特性測定したところ，最大伝達トルクの実測値は4.7Nmとなった。最大伝達トルクの改善が見られたものの，脚支援機器用途では数10Nmのトルク伝達を要する。今後，さらなる伝達トルクの向上が必要である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
実測値と解析値が一致することを確認し，磁気式波動歯車の有用な解析手法を確立できた。また，試作機の特性測定結果から磁気式波動歯車のトルク伝達機能も検証した。一方で，磁力で伝達可能なトルクが当初の予想よりも小さく，最大伝達トルクは未だ十分なものとは言えない。当初の計画では，2022年度の段階で目標値を達成するものとしていたため，計画より遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，最大伝達トルク向上のために脱調現象の解明，径の大きなフレクススプラインを用いた磁気式波動歯車の開発，平歯車と磁気式波動歯車の併用を進める。十分な最大伝達トルクが得られた段階で，モータと磁気式波動歯車を組み合わせてアクチュエータを製作する。
当初計画では2023年度にアクチュエータと脚支援機器用部品を組み合わせて構造の単純な下肢麻痺者用単関節脚支援機器を開発する予定であった。しかし，アクチュエータ開発に遅れが生じたために2023年度末に単関節脚支援機器の設計開発を進めることとする。
磁気式波動歯車は脱調により伝達トルクが制限される。最大伝達トルク向上の設計法を検討するために，脱調のメカニズムを解明する。解析上では，楕円変形形状のフレクススプラインの短軸と永久磁石が非対向状態となり，磁力低下により楕円形状を保てなくなり脱調することが示されている。試作機の周辺に4つの変位センサを配置して，脱調時の変形形状の推移を測定し，解析上の脱調メカニズムと比較する。
径の大きなフレクススプラインを用いることで磁力が発生する面積が増え，モーメントアームも増加する。径の大きなフレクススプラインを用いた磁気式波動歯車を設計し，特性解析する。解析結果において著しい伝達トルク向上がみられた場合に試作機を製作して最大伝達トルクを測定する。
次に低減速比の平歯車と高減速比の磁気式波動歯車を直列に連結して最大伝達トルクの向上を図る。特性解析・試作機製作・特性測定を通じて平歯車追加の効果を明らかにする。
磁気式波動歯車とアウターロータ型モータを組み合わせて，小形・軽量なアクチュエータを設計・製作する。アクチュエータの最大伝達トルクおよび重量を測定する。
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| Causes of Carryover |
磁気式波動歯車を利用する構成としたため，既製品のドライバでアクチュエータが駆動可能になった。そのため，制御構成構築のための費用が大幅に減った。また，トルク計，ブレーキ等の計測機器は連携研究先から借りることができたため，実験システムの構築の費用も抑えられた。これらの要因により，次年度使用額が生じた。
一方で，次年度に本来計画になかった最大伝達トルク向上のための試作機製作等が必要となる。次年度使用額から製作費を計上する。翌年度分請求額からモータと磁気式波動歯車を一体化するための治具製作費用，脚支援機器構築費用を計上する。
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