モータ・波動歯車一体型新構造アクチュエータによる脚支援機器の革新的軽量化

使用带有集成电机和波动齿轮的新型执行器，以创新方式减轻腿部支撑设备的重量

基本信息

批准号：
21K14101
负责人：
北山文矢
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Ibaraki University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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

本研究では軽量な脚支援機器用アクチュエータの実現を目的としている。実施計画では実機検証，駆動システム構築，特性測定，測定結果を解析結果との比較を予定していた。昨年度，磁気式波動歯車とブラシレスモータを組み合わせたアクチュエータを提案し，磁場解析と機構構造解析を組み合わせた磁気式波動歯車の解析手法を構築した。本年度は，最初に磁気式波動歯車の試作機を製作した。試作機は開き角約40degの4極磁石・ヨーク，機械式波動歯車部品(フレクススプライン,サーキュラスプライン)から成る。歯車の入力軸をモータ，出力軸をトルクメータおよびブレーキに接続し，入力回転数1rpm，負荷22Nmで最大伝達トルクをトルクメータで測定した結果，3.2Nmとなった。次に，磁気式波動歯車の解析手法を一部改良した。従来手法では，静磁場解析により入力変数をフレクススプラインの楕円傾き，磁石位置，出力変数を磁力分布としたデータテーブルを作成し，動的機構構造解析によりデータテーブルに基づいた磁力・弾性体変形・回転を計算する。改良手法では，データテーブルの入力変数に楕円率を追加し，楕円率に応じた磁力変化を考慮した。改良解析手法によって得られた試作機の最大伝達トルクは3.3Nmであり，高い解析精度を確認した。最後に，最大伝達トルク向上のために，開き角約80degの16極磁石を用いた磁気式波動歯車を設計した。上記と同様の方法で特性測定したところ，最大伝達トルクの実測値は4.7Nmとなった。最大伝達トルクの改善が見られたものの，脚支援機器用途では数10Nmのトルク伝達を要する。今後，さらなる伝達トルクの向上が必要である。

这项研究旨在实现轻巧的腿支架设备的执行器。实施计划是验证实际机器，构建驱动系统，衡量特征，并将测量结果与分析结果进行比较。去年，我们提出了一个将磁性波齿轮和无刷电动机结合在一起的执行器，并为磁性波齿轮构建了一种结合磁场分析和机械结构分析的分析方法。今年，我们首先制造了一个原型磁性波齿轮。该原型由一个四极磁铁和轭组成，开头的角度约为40维，并具有机械波齿轮零件（Flex花纹和圆形花纹）。齿轮的输入轴连接到电动机，输出轴连接到扭矩仪和制动器，并以1 rpm的输入速度和22 nm的输入速度测量最大变速箱扭矩，结果为3.2 nm。接下来，我们部分改进了磁性波齿轮的分析方法。在常规方法中，使用静态磁场分析创建数据表，以创建输入变量作为弹性样条的椭圆倾斜，磁铁位置和输出变量作为磁力分布以及动态机理结构分析计算基于数据表的磁力，弹性人体变形和旋转。在改进的方法中，将椭圆度添加到数据表中的输入变量中，并考虑了响应椭圆时的磁力变化。通过改进的分析方法获得的原型的最大传输扭矩为3.3nm，确认了高分析精度。最后，为了改善最大透射扭矩，使用16极磁铁设计的磁性波齿轮，开头大约为80度。当使用与上述相同的方法测量特性时，最大传输扭矩的实际测量值为4.7nm。尽管最大变速箱扭矩已得到改善，但腿支架设备应用需要几十nm的扭矩传输。将来，将需要进一步改善传输扭矩。