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みりああると
5 years ago
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1 多自由度駆動機構先行研究世界中の研究機関で球面アクチュエータの研究がおこなわれているメリット多自由度アクチュエータ小型化軽量化高効率化課題高トルク化広角化位置センシングジョージア工科大学従来複数のモータを用いていた多自由度駆動機構には大型化などの問題があったが多自由度アクチュエータを用いることで必要なアクチュエータの数を低減でき小型化軽量化などのメリットが期待できる南洋理工大学シェフィールド大学産総研東京農工大学電磁力超音波従来の機構を置換できる球面アクチュエータは未開発研究目的目標性能駆動電圧 V 駆動部重量 g 駆動部サイズ φ 9 駆動角 ± 最大トルク m 最大速度 rpm 角度分解能. 高トルク出力可能な三自由度球面電磁アクチュエータ及びその制御技術の開発球面アクチュエータ基本モデルアクチュエータの改良センシング技術の開発高トルク化広角化制御性の向上を目指したアクチュエータの構造改良広角化モデルアウターロータ制御性向上モデルアクチュエータのフィードバック制御を目的とし回転角検出法を開発イメージセンサアクチュエータ制御法の確立 DPを用いた複数コイルの制御センサ信号を用いた位置制御ホール素子との併用

Cil Bbbin pherical Bearing Case haft 断面図

.. Time [sec]....8. -. -.8..8. -. -.8.. Time [sec] 6 -.

-. -. - Trque[m]..8. -. -.8 v Trque[m] 電

2 Cil Bbbin pherical Bearing Case haft 断面図 Φ9 モデル Φ モデル外径 Φ 9 可動子 Φ 可動子 6 材質可動子磁性体ＳＵＹ永久磁石.Ｔ固定子磁性体ＳＵＹコイル巻き数 Φ 9 モデル Turns Φ モデル Turns エアギャップ長.7mm 同名のコイルは同じ励磁パターン回転方向着磁方向.. Time [sec}... Time [sec] Time [sec] Ⅹ軸回転.... Ｙ軸回転最大トルク.6[m] 平均トルク.6[m].[mm/A] Rtatin angle arund Y-axis (deg) ＸＹ平面の回転円型 Rtatin angle arund Xaxis (deg) - Ⅹ軸回転最大トルク.6[m] 平均トルク.[m].8[mm/A]. Rtatin angle arund Xaxis (deg) Trque[m] v Trque[m] 電 Ⅹ軸流励 u&v 磁方Ｙ軸法 u&v u&v 単軸駆Ｚ軸動 u コイル配置軸 Y軸 X軸Ｙ軸回転 Rtatin angle arund Y-axis (deg) ＸＹ平面の回転８型 Trque[m] Ｚ軸回転最大トルク.78[m] 平均トルク.6[m].[mm/A] 9 電磁場解析と運動方程式を連成することで各軸回転時の動作特性を求めた. Ｚ軸回転

3 基本モデルの課題三次元有限要素法を用いた電磁界解析によりアクチュエータのトルク特性静トルク特性動作特性を確認磁極と可動子の対向面積が小さい解析条件解析諸元約度回転すると対向しなくなるコイル巻数駆動可能角度が小さい基本モデル断面図静トルク特性解析 Turns.7 - [kg m].9 - [kg m] イナーシャ改良点 7, 6,68 固定子 (Turns) 6 [h] 磁極を斜めに配置し広角度でも磁極と可動子が対向するように変更コイル. [h] 動作特性解析外径 mm 高さ mm 7, 6,68 可動子断面図試作機 -D メッシュ図コイル空気領域を除く 8 8 [h] [h] W V U U V W W V U U Time[s] X軸 Y軸励磁電流 V W コイル配置電流励磁時の出力トルクが各軸とも全範囲で正の値.秒で過渡的な影響で大きな振幅が見られるがその後は安定して往復運動していることが確認できる広角駆動可能であることを示す Time[s] 軸 X軸回転動作特性基本モデルの課題 ① 静トルク特性解析ロボットの手首への適用を考慮すると外径が大きい Φmm 動特性解析チルト (軸) チルト (軸) 回転 (軸) 回転 (軸) 小型化 (Φmm ) トルク密度の向上 ② 三軸同時駆動回転傾きの同時駆動が難しい外観図コイルを除く軸まわり傾きと軸まわり回転の駆動機構を独立外径 mm 高さ mm A-O-A 断面図

4 インナーロータアウターロータ球面アクチュエータの課題高トルク化が困難広角化が困難可動子を外側に配置したアウターロータ型球面アクチュエータを提案配置可能な磁極数の増加作用点と回転中心の距離の増加原因配置可能な磁極数が制限高トルク化広角化が期待三自由度アクチュエータ二自由度アウターロータ三自由度の回転を考慮したモデルいずれのモデルにおいてもコイルに三相交流を励磁することで駆動二自由度の動きに特化させたモデル軸周りには回転できないが制御性は良好 Current(A). u v -. 度度 - Time(s) 三自由度アクチュエータ Trque (m). Trque(m). A. A A A A A -. Trque (m) 二自由度アウターロータ -. 87,6 8, 6 [h] X Y軸回り度から度の範囲で電流励磁時にトルクの値が正駆動可能 Trque (m) Rtatin angle(deg) Ｙ軸回転時の解析結果 Ⅹ軸回転の解析結果 X Y 軸回り A A 三自由度アクチュエータでも各軸周りの度から度の範囲で電流励磁時にトルクの値が正であることを確認Ｚ軸回転時の解析結果

イメージセンサホール素子とイメージセンサを併用イメージセンサで生じた累積誤差をホール素子で修正

温度依存性の存在メリットデメリット : : 必要センサ数が少ない検出される位置情報が相対的

image sensr Feed back by image sensr X 軸まわり Target

(s) Feed back by image sensr Target angle Y 軸まわり 6 8

イメージセンサのみで位置フィードバック制御指令値イメージセンサのみでは時間と共に指令値からずれていくが

イメージセンサとホール素子を併用することによってアクチュエータの連続駆動を実現可動子回転角度 PC DP

軸まわり時の回転速度制御 q つの交流制御から, つの直流制御への転換軸まわりの回転速度制御が可能 x

5 大阪大学大学院工学研究科知能機能創成工学専攻平田研究室イメージセンサ高速撮影した画像のずれにより移動量検出検出原理共通部分 Δy Δx 設置位置 6 イメージセンサホール素子とイメージセンサを併用イメージセンサで生じた累積誤差をホール素子で修正ホール素子ホール効果によって外部磁場を測定メリット : 検出される位置情報が絶対的デメリット : 温度依存性の存在メリットデメリット : : 必要センサ数が少ない検出される位置情報が相対的ゼロ点検出構造可動子床実験結果 Feed back by hle sensr and image sensr Feed back by image sensr X 軸まわり Target angle 6 8 Feed back by hle sensr and image sensr Time (s) Feed back by image sensr Target angle Y 軸まわり 6 8 Time (s) イメージセンサとホール素子を併用して位置フィードバック制御イメージセンサのみで位置フィードバック制御指令値イメージセンサのみでは時間と共に指令値からずれていくがゼロ点検出構造をつけることにより指令値に追従して動作していることが確認できるシールド ( 磁性体 ) 位置検出用磁石ゼロ点検出原理床ホール素子 : ホール素子つのホール素子によって検出される磁束密度の差がの時可動子回転角度を決定磁束密度を決定イメージセンサとホール素子を併用することによってアクチュエータの連続駆動を実現可動子回転角度 PC DP 目的利点 Matlab で構築した制御システム Micr Aut Bx 可動子の任意方向への回転軸まわり時の回転速度制御 q つの交流制御から, つの直流制御への転換軸まわりの回転速度制御が可能 x v Cntrl Desk Cntrl Unit. d x x u 6 d アクチュエータセンサ Per Unit x ( x x )cs. x ( x x )sin. xdq X 軸まわり j r x e x ( x x )cs. x ( x x )sin. xdq Y 軸まわり j r x e

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<4D F736F F F696E74202D E8EA58FEA82C982E682E997CD82C68EA590AB91CC> 第 25 章磁場による力と磁性体ローレンツ力磁界の強さ磁界と電界の違いは? 電界単位面積当たりの電気力線の本数に比例力 = 電荷電界の強さ F = qe 磁界単位面積当たりの磁力線の本数に比例力 = 磁荷? 磁界の強さ F = qvb ( 後述 ) 電界と力の関係から調べてみる磁界中のコイルと磁束 S B S B S: コイルの断面積 : コイルを貫く磁力線 ( 磁束 ) : コイル面と磁界のなす角