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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
Department of Adaptive Machine Systems, Osaka University
課題 高トルク化 広角化 位置センシング
メリット 小型化 軽量化 高効率化
多自由度 アクチュエータ
・多自由度駆動機構
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.
・先行研究
産総研 シェフィールド大学 ジョージア工科大学 東京農工大学 南洋理工大学
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
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
<目標性能>
・駆動電圧:24V ・駆動部重量:300g ・駆動部サイズ:φ 90 ・駆動角:±45° ・最大トルク:2Nm ・最大速度:50rpm ・角度分解能:0.1°
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
・研究目的
球面アクチュエータ基本モデル
アクチュエータの改良
→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
センシング技術の開発
→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
アクチュエータ制御法の確立
→・DSP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
イメージセンサ ホール素子との併用
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Y軸
S N
N S
S
S
N
N
N N
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
Department of Adaptive Machine Systems, Osaka University
外径:Φ 90㎜(可動子:30㎜)、Φ 150㎜(可動子:60㎜) 材質:可動子(磁性体SUY、永久磁石1.4T)、固定子(磁性体SUY) コイル巻き数:Φ 90㎜モデル(150 Turns)、Φ 150㎜モデル(500 Turns) エアギャップ長:0.7mm
X軸
S
S
N
N
S
S N
N S S
着磁方向 回転方向
Z軸
S
S N
N
S
S
N
N
N N 同名のコイルは同じ
励磁パターン
-0.8-0.4
00.40.81.2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Cu
rre
nt
[A]
Time [sec}
w1
w2
u&v
-0.8-0.4
00.40.81.2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Cu
rre
nt
[A]
Time [sec]
u1&v1
u2&v2
w
-0.8-0.4
00.40.81.2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Cu
rre
nt
[A]
Time [sec]
w
u
v
電流励磁方法(単軸駆動)
Ⅹ軸
Y軸
Z軸
コイル配置
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
-10 -5 0 5 10
Torq
ue
[Nm
]
Angle[deg]
impressed
cogging
Ⅹ軸回転: 最大トルク:0.62[Nm] 平均トルク:0.35[Nm] 平均トルク定数: 0.38[mNm/A]
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
-10 -5 0 5 10
Torq
ue
[Nm
]
Angle[deg]
impressed
cogging
Y軸回転: 最大トルク:0.65[Nm] 平均トルク:0.62[Nm] 平均トルク定数: 0.34[mNm/A]
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
-10 -5 0 5 10
Torq
ue
[Nm
]
Angle[deg]
impressed
cogging
Z軸回転: 最大トルク:0.78[Nm] 平均トルク:0.56[Nm] 平均トルク定数: 0.31[mNm/A]
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
An
gle
(d
eg)
Time (sec)
Ⅹ軸回転
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
An
gle
(d
eg)
Time (sec)
Y軸回転
0
450
900
0 0.5 1
An
gle
(d
eg)
Time (sec)
Z軸回転
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Ro
tati
on
an
gle
a
rou
nd
X-
ax
is (
deg
)
Rotation angle around Y-axis (deg)
XY平面の回転(円型)
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Ro
tati
on
an
gle
aro
un
d X
-
ax
is (
deg
)
Rotation angle around Y-axis (deg)
XY平面の回転(8型)
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。
Spherical Bearing Shaft Case
Coil Bobbin
Φ90㎜モデル 断面図 Φ150㎜モデル
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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
Department of Adaptive Machine Systems, Osaka University
磁極と可動子の対向面積が小さい
基本モデル断面図
・基本モデルの課題
・改良点
試作機
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
断面図
コイル
(500Turns)
可動子
固定子 外径:100mm
高さ:100mm
約10度回転すると対向しなくなる
駆動可能角度が小さい
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
・解析条件 ・解析諸元
3-D メッシュ図 (コイル、空気領域を除く)
コイル巻数 500 Turns
イナーシャ
X,Y 1.47×10-4 [kg・m2]
Z 1.94×10-4 [kg・m2]
要素数 731,050
節点数 126,368
ステップ数 X,Y 400
Z 80
解析時間 X,Y 48 [h]
Z 20 [h]
要素数 731,050
節点数 126,368
ステップ数 X,Y 11
Z 16
解析時間 X,Y 1 [h]
Z 1.5 [h]
静トルク特性解析
動作特性解析
X軸 Y軸
Z軸
W1
W1
W2
W2
U2
U2
U1
U1
V2
V2
V1
V1
励磁電流
X軸回転動作特性
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
広角駆動可能であることを示す
0~0.5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.
三軸同時駆動(回転+傾き)の
同時駆動が難しい
X,Y軸まわり(傾き)と,Z軸まわり(回転)の駆動機構を独立 A-O-A’ 断面図
外観図(コイルを除く)
外径:100mm
高さ:100mm
ロボットの手首への適用を考慮
すると外径が大きい(Φ150mm)
• 小型化 (Φ100mm )
• トルク密度の向上
①
②
・基本モデルの課題 ・静トルク特性解析 ・動特性解析
Time[s]
Time[s]
チルト
(X,Y軸)
回転
(Z軸)
チルト
(X,Y軸)
回転
(Z軸)
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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
Department of Adaptive Machine Systems, Osaka University
アウターロータ インナーロータ
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Torq
ue
(N
m)
Rotation angle (deg)
0A
1A
Ⅹ軸回転の解析結果
-1
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Torq
ue
(N
m)
Rotation angle (deg)
0A
1A
Y軸回転時の解析結果
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Torq
ue
(N
m)
Rotation angle (deg)
0A
1A
Z軸回転時の解析結果
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Torq
ue(
Nm
)
Rotation angle(deg)
0A
1A
-1
-0.5
0
0.5
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Cu
rre
nt(
A)
Time(s)
u
v
w
二自由度アウターロータ
二自由度の動きに特化させたモデル。 Z軸周りには回転できないが、制御性
は良好。
二自由度アウターロータ
要素数 870,563
節点数 148,411
ステップ数 46
解析時間 5 [h]
0度から45度の範囲で電流励磁時に
トルクの値が正
駆動可能
0度 15度
三自由度アクチュエータ
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。
三自由度アクチュエータ
三自由度アクチュエータでも各軸周りの0度から45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
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
原因
• 配置可能な磁極数が制限
• 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
高トルク化・広角化が期待
X,Y軸回り X,Y,Z軸回り
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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
Department of Adaptive Machine Systems, Osaka University
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
イメージセンサ
60°
ホール素子とイメージセンサを併用
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
PC
Matlabで構築した 制御システム
Control Desk
DSP
Micro Auto Box
Control Unit
Power Unit
アクチュエータ
センサ
共通部分
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
デメリット
:
:
検出される位置情報が絶対的
温度依存性の存在
シールド(磁性体)
ホール素子 位置検出用磁石
床
可動子
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
床
2つのホール素子によって検出される磁束密度の 差が0の時可動子回転角度0°を決定
ゼロ点検出構造
ゼロ点検出原理
可動子回転角度
磁束密度
0°を決定
実験結果
-2
-1
0
1
2
3
0 2 4 6 8
Ro
tati
on
an
gle
(d
eg)
Time (s)
Feed back by hole sensor and image sensor
Feed back by image sensor
Target angle
-4
-2
0
2
4
0 2 4 6 8
Ro
tati
on
an
gle
(d
eg)
Time (s)
Feed back by hole sensor and image sensor
Feed back by image sensor
Target angle
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
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
X軸まわり
Y軸まわり
検出原理 設置位置
Δx
Δy
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。
• 可動子の任意方向への回転 • Z軸まわり時の回転速度制御
• 3つの交流制御から, 2つの直流制御への転換 • Z軸まわりの回転速度制御が可能
利点 目的
d
q
20.5o
1 2
1 2
( )cos 20.5
( )sin 20.5
o
o
w w
w w
x x x
x x x
rj
dqx x e
d21uv
x
21vx
21ux
60o
X軸まわり
11 12
11 12
( )cos 20.5
( )sin 20.5
o
o
uv uv
uv uv
x x x
x x x
rj
dqx x e
Y軸まわり