空電ハイブリッド多自由度アクチュエータによる高出力柔軟マニピュレータの実現

利用气动混合多自由度执行器实现高输出柔性机械手

基本信息

批准号：
22K14223
负责人：
部矢明
金额：
$ 3万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本年度は，空圧力と電磁力の2駆動源によって2自由度回転を実現する2自由度空電ハイブリッドアクチュエータの構造および動作原理を提案した。空圧力は120度間隔で配置した空圧蛇腹の伸縮量を圧力制御弁により調整することで生成する。2自由度回転支持された可動子にこれらの蛇腹を取り付けることで，空圧力による2自由度回転を可能とする。また，電磁力は可動子に永久磁石を120度間隔で取り付け，その外側に配置したコイルをすることで生み出す。この構造により，3コイルに印可する電流の大きさと方向を調整することで磁気吸引・反発力とローレンツ力による2自由度回転が可能となる。本アクチュエータではこれらの空圧力・電磁力発生機構を一体化し，可動子に対して両者が働くよう構成したものである。提案した2自由度空電ハイブリッドアクチュエータのトルク特性を解析から算出した。空圧力によって得られる静トルクは蛇腹の受圧面積と内圧から求めた。電磁力によって得られる静トルクは3次元有限要素法を用いた磁場解析から求めた。そして，運動方程式を導出し，回路方程式，トルク発生式から電磁力により生まれるダイナミクスを計算可能な動的モデルを作成した。この動的モデルに空圧系を追加し，電流制御器と圧力制御器を用いることで，ハイブリッド駆動系を構築した。加えて，閉ループの姿勢制御系を設計し，単軸まわりおよび複数軸まわりへの目標軌道追従から，姿勢制御が可能であることを確認した。また，従来の球面電磁アクチュエータと比較して，提案アクチュエータのトルク密度は約7倍程度であった。

今年，我们提出了一种二自由度气动混合执行器的结构和工作原理，该执行器利用气动力和电磁力两种驱动源实现二自由度旋转。通过使用压力控制阀调节以 120 度间隔排列的气动波纹管的膨胀和收缩量来产生气动压力。通过将这些波纹管安装到以两个自由度可旋转地支撑的可移动元件上，可以利用气压以两个自由度旋转。另外，通过在动子上以120度间隔安装永磁体，并在永磁体的外侧放置线圈来产生电磁力。该结构通过调节施加到三个线圈的电流的大小和方向，能够利用磁引力/斥力和洛伦兹力实现两个自由度的旋转。该致动器将这些气压和电磁力产生机构一体化，并构成为使两者作用于动子。通过分析计算了所提出的二自由度气动混合执行器的扭矩特性。由气压获得的静扭矩由波纹管的受压面积和内部压力确定。通过电磁力获得的静扭矩是使用三维有限元法通过磁场分析确定的。然后，他们推导出运动方程并创建了一个动态模型，可以根据电路方程和扭矩生成方程计算电磁力产生的动力学。通过在该动态模型中添加气动系统并使用电流控制器和压力控制器，构建了混合驱动系统。此外，我们设计了闭环姿态控制系统，并证实可以通过绕单轴或多轴跟踪目标轨迹进行姿态控制。此外，与传统的球形电磁执行器相比，所提出的执行器的扭矩密度大约高七倍。