成果報告書詳細
管理番号20100000001612
タイトル平成20年度-平成22年度成果報告書 SBIR技術革新事業/小型ロボットに有効な自動変速型電動アクチュエータの調査研究
公開日2010/9/9
報告書年度2008 - 2010
委託先名サイエンティフィックテクノロジーズ有限会社 特定非営利活動法人国際レスキューシステム研究機構 財団法人新産業創造研究機構
プロジェクト番号P08015
部署名技術開発推進部
和文要約本研究開発は、災害救助用ロボットや小型ロボットシステムの駆動部品に使用する小型・高推力電動アクチュエータを、負荷を検知して自動減速・増力するメカニカル駆動機構を応用した電動シリンダによって実現するためその有効性研究と開発を行った。これら研究をF/SフェーズとR/Dフェーズに分けて実施した。(F/Sフェーズ)現状市販機器、技術文献、市場の調査を行い、災害救助用ロボットや小型ロボット用アクチュエータとして小型・軽量、高負荷対応、耐環境性等性能を完全に満たすものはなく、本アクチュエータの特徴はこれらの要求に対応するものであることを確認した。また、各種ロボットの把持、装着型ロボットのアクチュエータ用にも広く使用される可能性が認められた。さらに、現有技術の駆動機構と50W定格モータを組み合わせたプロトタイプ機を試作して自動減速機能を持つ電動シリンダの有効性を確認した。これを災害救助用ロボットに搭載・実機検証して、1)操作力が3kN(50WDCモータ)であり実用性に優れている、2)小型軽量である、3)ペイロードが1.5kN以上でありきわめて高い、という適合性評価結果を得た。(R/Dフェーズ)目標仕様を定め、TR13×2/TR14×2特殊ねじ組合せにより最大推力3kN、TR16.5×3/TR18×2特殊ねじ組合せにより組合せにより最大推力6kN、TR20×4/TR22×4特殊ねじ組合せにより最大推力10kNのねじ機構を組み込んだシリンダとモータドライバを試作した。ねじ駆動機構は、CAE解析によりねじ接触部の応力集中を避け、偏心噛み合わせにより発生するフランク角横荷重に有利なねじ形状を開発し、耐摩耗性を向上させた。このように開発したねじ駆動機構は、目標とした自動減速機能と減速時最大推力10kN、6kN、3kNの能力を持つことが確認できた。さらに、開発したねじ駆動機構を組み込んだ電動シリンダの試作により次の評価結果を得た。1)試作シリンダは、同等推力を持つ従来品と比較して出力質量比(出力/質量)が30%以上向上している。2)試作シリンダは、-20℃-+40℃の温度範囲で運転可能であった(-20℃においてはドライバ駆動電流の上昇がみられたが、温度補償リングと駆動ドライバの電流余裕は有効に機能した)。3)耐久試験では、3kNシリンダ、10kNシリンダは100万回試験をクリアできたが、6kNシリンダについては28万回でねじ先端部に微細な欠けを生じ問題を残す結果となった。制御性向上研究においては次の確認ができた。1)6kNと3kNのアクチュエータによる2リンクアームの製作と位置協調制御システムの構築によって、自動変速機能を持つ本シリンダが制御できることを検証した。2)エンドエフェクタの傾斜状直線運動と階段状段差運動における位置制御を実施したが、制御中の高低負荷切り替えを含め、これらの運動がほぼ正確に実現された。3)各リンクのアクチュエータが2つの負荷特性を持ち、したがって本リンク機構では4つの特性モードが出現するため、それぞれのモードに対応した制御プログラムを必要とする。4)各アクチュエータの高低負荷切り替え時の特性が円滑であるため、特性切り替え時に対応するための制御系への配慮は殆ど必要ない。
英文要約This research and development is aiming to implement a feasibility study on automatically motion slowing and force increasing actuator available as driving devices of rescue robots and/or small robot systems and to develop an automatically motion slowing high-performance electrical cylinder. (F/S phase) Bibliographic study on effective devices for rescue robots and/or small robots confirms that there is no actuator which is completely available for such needs as lightweight, high payload and environmentally-resistant and that is available for these needs. And also, the study suggests that the actuator may be widely useful for robot grip mechanisms or wearable robots. Automatically Decelerative Actuator(ADA) prototype, in which current mechanisms combined with 50WDC motor, had been made. The results of compatibility assessment to rescue robots based on experiments of real robots say; 1) Control Force is excellent and 3kN(in 50WDC), 2) Downsizing and Weight Saving are good, 3) Payload is excellent and 1.5kN. (R/D phase) After setting the goal specification, following screw driving-mechanisms which have max. thrust forces of 3kN, 6kN and 10kN have been manufactured. And then, cylinders and motor drivers for these screw driving-mechanisms have also been manufactured. A screw shape for preventing concentration of stress at the contact region has been designed according to CAE analysis. And then, a screw driving mechanism, in which the abrasion quality is gone up, has been developed. We confirm that the manufactured driving mechanism has pre-specified performances on the automatically slowing feature and the MTF of 10kN, 6kN and 3kN in slowing down. Assessment of Prototyped ADAs were made and the evaluation results were as follows, 1) Prototyped ADAs improve the ratio of output thrust force to weight by more than 30% in comparison with conventional actuators having same thrust force, 2) Prototyped ADAs are available from -20 to +40 degree C; a temperature compensation ling and enough capacity in current of motor driver have adjusted its supposed bad influences, 3) Some problems have been cleared in durability test. A prototyped ADA of 3kN and 10kN has conquered the breakdown test of one million times. But the test of 6kN had been given up, because of damage at tip of the screw. Study on Improving Controllability say as follows, 1) We have manufactured a two links robot-arm mechanism including 6kN and 3kN actuators and a control system for its harmonic position control, and then examined the controllability of ADAs in the system, 2) Inclined translational motion and upstairs going motion of its end effecter have been almost exactly controlled under high and low load modes, 3) Two kinds of load characteristic exist in each actuator, so this robot arm has four characteristic mode sets, 4) No consideration to control system needs for the transient phenomena at mode change of actuators, while the mode change from low to high load performs very smoothly.
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