脳外科手術のためのマイクロ多指ハンドの開発

开发用于脑外科手术的微型多指手

基本信息

批准号：
19J21092
负责人：
出原俊介
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Toyohashi University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究はマイクロ多指ハンドのアクチュエータとして，二種類のマイクロリニア超音波モータを開発し，その基本的な性能評価を行った．一つ目のリニアモータは，ステータが高さと幅が2.6mm，長さが2.2mmの直方体型リニア超音波モータである．ステータは，駆動原理である振動モードの振動振幅が大きくなるように電流値やQ値，k値を基に設計を行った．モータの性能はスライダ速度の過渡応答で評価し，印加電圧100Vppで推力約15mN，速度約70mm/sであることを確認した．また，このモータは優れた分解能を有しており，スライダを約1μmの微小変位で動かすことが可能である．二つ目のリニアモータは，ステータが高さと幅が4.5mm，厚さが0.9mmの薄型リニア超音波モータである．このモータは駆動原理に平板の固有振動モードを使用しており，従来のリニア超音波モータより駆動方向に薄く（短く）設計することができる．このモータの性能は電圧100Vppで約13mNの推力と約90mm/sの速度でスライダを動かすことができる．さらに，このモータに小型のレンズユニットを取り付けて，イメージセンサの前に設置し，オートフォーカスをさせるデモンストレーションも実施している．マイクロリニア超音波モータを制御するために，ハイスピードカメラを用いたビジュアルフィードバックシステムを構築した．超音波モータは印加する交流電圧の周波数，電圧振幅，位相差によって制御することができ，スライダを数マイクロメータ単位で任意の位置に移動させることができる．開発したマイクロリニア超音波モータは，マイクロ多指ロボットハンドのアクチュエータとして十分な性能を示しており，試作した全長約10mmのロボットフィンガを駆動させることに成功している．

在本研究中，我们开发了两种微型线性超声波电机作为微型多指手的执行器，并对它们进行了基本性能评估。第一线性电机是长方体线性超声波电机，定子高度和宽度为2.6mm，长度为2.2mm。根据电流值、Q值和k值设计定子，以增加作为驱动原理的振动模式的振动幅度。通过滑块速度的瞬态响应来评估电机的性能，并确认在施加电压为100 Vpp时推力约为15 mN，速度约为70 mm/s。此外，该电机具有出色的分辨率，可以以约 1 μm 的微小位移移动滑块。第二个线性电机是薄型线性超声波电机，定子高宽均为4.5毫米，厚度为0.9毫米。该电机利用平板的固有振动模式作为驱动原理，并且可以在驱动方向上设计得比传统的线性超声波电机更薄（更短）。该电机的性能是可以在100Vpp的电压、约13mN的推力、约90mm/s的速度下移动滑块。此外，我们正在通过将一个小型镜头单元安装到该电机并将其放置在图像传感器前面来进行自动对焦演示。我们构建了一个视觉反馈系统，使用高速摄像机来控制微线性超声波电机。超声波电机可以通过施加的交流电压的频率、电压幅度和相位差来控制，滑块可以以几微米为单位移动到任何所需的位置。所开发的微型线性超声波电机作为微型多指机器人手的执行器表现出了足够的性能，并成功驱动了总长度约为10毫米的原型机器人手指。