衝突安全性と機敏な接触安定性を兼ね備えたロボットアーム用関節機構

兼具碰撞安全性和敏捷接触稳定性的机械臂关节机构

基本信息

批准号：
21K03961
负责人：
相山康道
金额：
$ 2.58万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は，(1)圧縮空気による可変剛性機構の改良，(2)非ニュートン流体を用いたダンパーによる制振性の確認，(3)脆性を有するリンク部の検討，の3つについて研究を進めた．まず(1)の圧縮空気による可変剛性機構の改良については，前年度に検討した，可動範囲を狭めることによる剛性の強化，ならびに，耐圧性に優れたホースを使うことによる使用空気圧力の上昇，の2つの改良を行い，良好な結果を得た．以前試作していたものでは，空気圧が0MPa～0.3MPaで，剛性は0.05Nm/deg～0.1Nm/deg程度であった．これに対し，本年度のものは，0MPa～0.5MPaで，剛性は0.23Nm/deg～1.3Nm/deg程度と，最大の剛性で10倍以上の結果が得られた．(2)の非ニュートン流体を用いたダンパーについては，ビンガム流体という，せん断力が小さいときには粘性が高く，せん断力が大きくなると粘性が低くなる性質を持つ流体を利用し，負荷トルクが小さいときにはほぼロック状態となり，大きな負荷トルクがかかるとダンパーとして働く性質を持つ機構の開発を行った．実際にはロック状態となる負荷トルクの範囲は狭く，完全なロックとして使用することは困難だが，粘性については内部構造の工夫で大きく取れることが判明した．(3)は，関節構造での安全性確保という観点から拡大し，リンク部に脆性を加えることで，過大な負荷が加わった際に，人間でいう「骨折」のようにリンク部が折れる構造を開発した．セラミックのような脆性材料を用いる方法も考えられるが，今回はクラッチのように，ばねで抑えられているロックが過大な負荷で外れるという機構を作成した．概ね想定通りの挙動を得ることはできたが，負荷の力で考えると当たる場所により骨折する荷重が異なる，ロックが外れるまである程度の弾性を示す，などの性質も明らかになった．

今年，我们正在三个领域进行研究：（1）使用压缩空气改进可变刚度机构，（2）确认使用非牛顿流体的阻尼器的阻尼性能，以及（3）检查脆性连杆部件。首先，关于去年研究的利用压缩空气的可变刚性机构(1)的改进，我们将通过缩小可动范围来增强刚性，并使用耐压性优异的软管来增加使用的气压，我们做了两项改进，取得了良好的效果。在之前的原型中，气压在0MPa到0.3MPa之间，刚度在0.05Nm/deg到0.1Nm/deg之间。另一方面，今年的型号在0MPa至0.5MPa下的刚度约为0.23Nm/deg至1.3Nm/deg，是最大刚度的10倍以上。使用非牛顿流体的阻尼器（2）使用宾汉流体，其具有当剪切力小时粘度高、当剪切力变大时粘度变低的特性，我们开发了一种在锁定时起到阻尼器作用的机构。并且施加大的负载扭矩。实际上，导致锁定状态的负载扭矩范围很窄，很难将其用作完整的锁定，但已经发现通过改进内部结构可以大大降低粘度。 (3)从确保关节结构的安全性的角度进行了扩展，通过在连接部分增加脆性，当施加过大的载荷时，连接部分会断裂，类似于人类所说的“骨折”。发达。尽管可以使用陶瓷等脆性材料，但我们创建了一种机制，其中由弹簧固定到位的锁在过度负载下会脱落，类似于离合器。尽管我们能够获得大致预期的行为，但我们还发现了一些特性，例如断裂载荷根据载荷位置的不同而不同，并且断裂在锁定释放之前表现出一定程度的弹性。