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成果報告書詳細
管理番号20170000000745
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 次世代ロボット中核技術開発 革新的ロボット要素技術分野 慣性質量を含むインピーダンス可変機構を有するスマートアクチュエータ
公開日2018/1/31
報告書年度2015 - 2016
委託先名学校法人早稲田大学
プロジェクト番号P15009
部署名ロボット・AI部
和文要約【27年度】
 スマートアクチュエータを構成する3つの特性可変機構(慣性質量可変機構、粘性可変機構、弾性可変機構)の要求仕様を決定し、試作を開始した。また、各特性可変機構の制御方式について仕様検討を行った。

1.インピーダンス可変機構の開発
1-1. 慣性質量可変機構の開発
試作:要求仕様の導出と製作: 機能性流体、特に磁気粘性流体(MR流体)の特性を応用した慣性質量可変機構の要求仕様を導出し、アクチュエータ本体も含めた試作を開始した。また同時に、試作するアクチュエータの出力トルク(あるいは並進力)や回転数を、負荷トルクを変化させつつ測定する出力試験装置の開発を行った。

1-2. 粘弾性可変機構の開発
試作:要求仕様の導出と製作: これまでに開発実績のある粘弾性調整関節機構を元に、より小型・軽量で調整範囲の広い粘弾性可変機構の仕様検討を行い、試作を開始した。柔らかい状態と硬い状態の極端な二値を実現する可変弾性機構を実装することを考える。粘性可変機構は、アクチュエータ内部の連通流路内に設けられたMRバルブ内の磁気粘性流体への磁界制御によって実現する。

2.知的制御システムの開発
2-1. システム単体
 各特性可変機構のために必要な制御システムの仕様検討を行い、2つの機構それぞれを制御するシステムの一部の開発を開始した。

【28年度】
 3つの特性可変機構(慣性、粘性、弾性可変機構)の試作を完成し、各機構単体で性能評価を行った。また、単体評価試験に合わせて、各特性可変機構の制御システムを開発するとともに、3つの可変機構を統合した際の知的制御に関しても仕様検討を進めた。

1.インピーダンス可変機構の開発
1-1. 慣性質量可変機構の開発
試作: MR流体の特性を応用した慣性質量可変機構の試作を完成した。

単体検証: 試作した慣性質量可変機構を備えたアクチュエータの性能評価を行った。

1-2. 粘弾性可変機構の開発
試作: 粘弾性可変機構の試作を完成した。粘性係数は、1.0 Nms/deg以上を任意に可変できるように、弾性係数は、0.1 Nm/degを最も柔らかい状態とし、剛性なしまでを可変できるように設計した。これらの値は、申請者らのこれまでの研究で得られた人間共存性能における要求値を目安とした。粘性可変機構を内蔵するMRアクチュエータとして、任意のロボットに導入できるように直動と回転型を開発した。直動型MRアクチュエータでは、MRピストンヘッド内にトロイダル型の形をしたMRバルブを配置しており、ピストンの力や速度は、MRバルブにおける磁場の大きさを制御することによって調節できる。回転型アクチュエータでは、ベーンモータの構造をベースに、ベーンホールタイプとシャフトホールタイプを開発した。異なる力のレンジに対応できる、2つの機械的構造を提案し、有用性を検証した。

単体検証: 粘弾性可変機構も慣性質量可変機構と同様に、上記インピーダンス評価用装置を用いて性能評価を行った。評価の結果、直動型は、従来の円筒型に比べて高い磁場効率・高トルク、高い機構的な設計自由度を実現できていることが分かった。また、回転型は、数値目標を実現できていることが分かった。磁場解析により、構造的最適化、材料配置の最適化を行う設計シミュレータを開発できた。慣性可変機構は、数値目標を超えた性能を、弾性可変機構は、数値目標を実現できていることが分かった。

2.知的制御システムの開発
2-1. 機構単体
 各特性可変機構のために必要な制御システムを開発・実装し、上記の各特性可変機構の単体検証と合わせて評価を行った。PID制御ロジックをベースとした力および速度のClosed-Loop Controllerを構築し、バックドライバビリティテストおよび力制御テストを行い、有効性を検証した。

2-2. アクチュエータ全体
 3つの特性可変機構を統合した際に必要となる、上位の知的制御に関しても仕様検討を進め、制御システムの構築を開始した。
英文要約[H27]
We determined required specifications of three variable characteristics mechanisms (variable inertia, elasticity, and viscosity mechanisms) for our smart actuator, and started to make their prototypes. In addition, we discussed specification of control methods for each variable characteristics mechanism.
1. Development of variable impedance mechanism
1-1. Variable inertia mechanism
Prototype (derivation of required specification): We derived required specification of variable inertia mechanism. We then started to make a prototype including an actuator body. In addition, we made an experimental setup which can measure the output torque (or force) and speed of actuator while changing load torque.
1-2. Variable visco-elastic mechanism
Prototype (derivation of required specification): We analyzed required specification of variable visco-elastic mechanism which has wide variable range, small size, and light weight, on the basis of our experiences of development of visco-elastic mechanisms. To alternatively change two values, i.e., soft and rigid states, the variable elasticity mechanism changes elasticity by current control. The variable viscosity mechanism has MR valves in the passage of actuator, and changes viscosity by magnetic-field control.
2. Development of intelligent controller
2-1. For each system
We considered required specification of control system for each variable characteristics mechanism, and developed their prototypes of control systems.
[H28]
We completed prototypes of three variable characteristics mechanism (variable inertia, elasticity, and viscosity mechanisms), and then evaluated performance of each mechanism. In addition, we developed control system for each variable mechanism and started to analyze an intelligent control system for an integrated variable impedance mechanism.
1. Development of variable impedance mechanism
1-1. Variable inertia mechanism
Prototype: We developed the prototype of variable inertia mechanism.
Evaluation: We evaluated performance of an actuator with developed variable inertia mechanism.
1-2. Variable visco-elastic mechanism
Prototype: We developed the prototype of variable visco-elastic mechanism. We specified the changeable coefficient of viscosity as from 1.0 Nms/deg to its above, and the changeable coefficient of elasticity as either 0.1 Nm/deg or rigid state (no-compliance). These values are based on those obtained from our previous studies on human symbiotic robot. We developed two types MR actuator with variable viscosity mechanism, such as linear and rotary types, so that they can be implemented to arbitrary robots. The linear MR actuator has the toroidal MR valve in the piston head and controls the speed and force by adjusting the magnetic field in the MR valve. For the rotary MR actuator, we developed two types, such as vane-hole and shaft-hole types, which has different feature in terms of variable viscosity range.
Evaluation: We conducted performance-evaluation test for variable visco-elastic mechanism by using experimental setup. The result of evaluation revealed that the linear type with the toroidal MR valve had more efficient magnetic field, higher output-torque, and higher degrees of freedom of design, compared with conventional annular types. In addition, the rotary type realized the numerical target. We also developed a design simulator for optimizing structure and material selection on the basis of magnetic field analysis. The variable inertia mechanism realized more than the numerical target and the variable elasticity mechanism realized the numerical target.
2. Development of intelligent controller
2-1. For each system
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