ROBOMEC 2010 V U V Stator RM10-0877 Coil Development of a ...
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人工筋肉用リニア電磁アクチュエータで駆動する生体模倣型上肢ロボットの開発 Development of a Biomimetic Robotic Arm Driven by Electromagnetic Linear Actuators for Artificial Muscles ○仲田 佳弘（大阪大），大林 史尚（大阪大），平田 勝弘（大阪大），石黒 浩（大阪大） Yoshihiro NAKATA (Osaka Univ.), Fuminao OBAYASHI (Osaka Univ.), Katsuhiro HIRATA (Osaka Univ.), Hiroshi ISHIGURO (Osaka Univ.) RM10-0877 Abstract 背景 人工筋肉用リニア電磁アクチュエータ 可動子磁極ピッチの最適化 コンプライアンス制御 人の上肢構造と上肢ロボットの設計 生体模倣型上肢ロボット 結論 ROBOMEC 2010 June 14-16, 2010 Asahikawa 人間らしい機構と動作を持つアンドロイドの実現には，空気圧アクチュエータが用いられてきた．しかし， 空気圧アクチュエータは大型で強力なエアコンプレッサが必要であり，また制御が困難であった．そこで， 我々は磁石埋め込み型の可動子を持つアンドロイド用の新しいリニアアクチュエータについて研究して きた．このアクチュエータは電気で駆動し，コンプライアンスを制御することができる．開発の過程で，三 次元有限要素法による解析によって，本アクチュエータが従来よりも高推力，高応答性を有することを 明らかにした．さらに本アクチュエータの試作機と制御システムを開発した．本稿では，新しいリニアアク チュエータの構造，さまざまな解析と実験，また本アクチュエータを搭載した生体模倣型上肢ロボットの 開発について報告する． For realizing androids that have very humanlike mechanisms and movements, they have been developed by using pneumatic actuators. However, pneumatic actuators require a large and powerful air compressor and controlling them is difficult. Therefore, we have been studying a new linear actuator with an interior permanent magnet mover for androids. This actuator is driven by a battery and capable to perform controllable compliance. In the development, we have found a structure of the actuator that is more powerful and quick through iterative simulations based on the 3-D finite element method and developed the prototypes and control system for them. In this paper, we will show the structure, various simulations and experiments of the new linear actuator and development of the biomimetic robotic arm driven by our actuators. 人工筋肉用の新構造リニア電磁アクチュエータを提案 三次元有限要素法を用いた磁界解析により，本アクチュエータの 従来モデルに対する優位性を確認 トルク電流制御によりコンプライアンス制御を実現 本アクチュエータを複数搭載した生体模倣型上肢ロボットを開発し， 外力に柔軟に応答する動作を実現 Magnetic core Permanent magnet Coil Non-magnetic shaft Back yoke f Lorentz B i f R Stator Mover z axis 0 2 4 6 5 6 7 Analysis parameter a [mm] Thrust [N] New linear actuator Linear actuator with Halbach array 0 1 2 3 -10 0 10 =0 [N ・s/m] =0.53 [N ・s/m] =1.05 [N ・s/m] c c c Time [s] Position [mm] 4 11 12.6 19 20 8 96 U V W b a a/2 48 4 Magnetic core Non-magnetic shaft Coil Back yoke Magnetization 0 z axis Permanent magnet Ulna Humerus Radius Bearing Screw Magnetic body Yoke Permanent magnet 8 4 2 9.6 Magnetization (i) Hinge (ii) Spherical joint Humerus Ulna Radius 磁石埋め込み型の可動子構造 により高い磁束密度が発生 コイルに三相交流電流を励磁 コイルにローレンツ力が発生 コイル部分は固定子 可動子が反力を受け駆動 動作原理 基本構造 Halbach array ハルバッハ配列磁石の ラジアル方向着磁磁石を 軟磁性体リングで置換 ・組み立てが容易で 耐久性がある ・ラジアル方向に高密度の 磁束が発生し出力が向上 今後は，アクチュエータの粘弾性要素を生かしたタスクを設定し， 学習によって粘弾性を調整し，タスクを実現するロボットを開発する． Analyzed model z=8mmからz=32mm間の 静推力の平均値で比較 電流1A（実効値）励磁，コイル436turns 磁石埋め込み型（a=1.5，b=10.5） 6.92N ハルバッハ磁石配列型（a=6，b=6） 6.78N 提案モデルの静推力が約2.1% 大きい PI controller PI controller PWM converter Δi q * i q z i q i d i U i V i W ENC_A ENC_B V U V V V W Encoder Actuator Δi d * i d =0 θ d, q ↓ U, V, W U, V, W ↓ d, q Position detector + - - Current controller Frequency: 20kHz Current sensor A B C F E D G Position 3 / ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( t W t V t t U t i i i i i ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( sin cos cos sin t t t t t q t t t t t d i i i i i i t t t q t q ii t q t q ip t q t t t d ii t d ip t d i i K i i K i i K i K i 0 ) ( ) ( * ) ( ) ( * ) ( 0 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 / 3 ) sin cos ( 2 / ) cos sin ( cos sin ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( t V t U t W t t q t t d t t q t t d t V t t q t t d t U V V V i i i i V i i V 三次元有限要素法による解析結果 z x y Magnetic core Permanent magnet Back yoke Non-magnetic shaft Air gap Coil 3D FEM model d-q変換 d-q逆変換 Elbow 30°~130° Forearm Pronation: 0°~50° Supination: 0°~50° Wrist Flexion: 5°~10° (maximum) Extension: 30°~35° (maximum) (i) Without actuators (ii) With actuators Elbow -30°~135° 55°~103° Forearm Pronation: 0°~40° Supination: 0°~90° Pronation: - Supination: 16°~90° Wrist Flexion: 90° (maximum) Extension: 90° (maximum) Flexion: 60° (maximum) Extension: 22° (maximum) Range of joint angle (human) Range of joint angle (robotic arm) 粘弾性要素を一定として，肘関節を屈曲・伸展させる動作 動作中にロボット先端に触れた場合でも，弾性要素により柔軟に対応 上肢ロボット 質量：約760g リニアアクチュエータ 質量：約170g バネ定数，ダンパ定数は， 位置情報zを用いた位置制御の 比例ゲイン，微分ゲインに対応 ←バネ定数k=159[N/m]一定 可動子の位置の時間変化 関節の可動角を大きくし，また過負荷時には，人と同じように関節が外れる ことにより大きな力がかかることを防ぐ ・永久磁石は，Nd-Fe-B系（残留磁束密度1.4 T）の希土類磁石 ・関節の蝶番部と球面軸受部の吸引力はそれぞれ30.7N，19.6N Air actuator Rotary servo motor with reduction gear Muscle Electromagnetic linear actuator Response time △ ◎ ○ ◎ Flexibility against external force ○ × ○ ○ 人間酷似型ロボットである「アンドロイド」はロボットの中でもより 人間らしい動作が必要 人間らしい動作には，人間らしい構造を持つことが有効であると考えられ， その人工筋肉となるアクチュエータの開発が不可欠 •No necessity of the large air compressor •No gear noise •Long stroke •Higher response •Controllable compliance •磁石埋め込み型の新構造リニア電磁アクチュエータを提案 •コンプライアンス制御を実現 •本アクチュエータを複数搭載した生体模倣型上肢ロボットを開発 Actuators for robots
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人工筋肉用リニア電磁アクチュエータで駆動する生体模倣型上肢ロボットの開発Development of a Biomimetic Robotic Arm Driven by Electromagnetic Linear Actuators for Artificial Muscles
○仲田 佳弘（大阪大），大林 史尚（大阪大），平田 勝弘（大阪大），石黒 浩（大阪大）Yoshihiro NAKATA (Osaka Univ.), Fuminao OBAYASHI (Osaka Univ.), Katsuhiro HIRATA (Osaka Univ.), Hiroshi ISHIGURO (Osaka Univ.)
RM10-0877
Abstract
背景
人工筋肉用リニア電磁アクチュエータ
可動子磁極ピッチの最適化
コンプライアンス制御
人の上肢構造と上肢ロボットの設計
生体模倣型上肢ロボット
結論
ROBOMEC 2010
June 14-16, 2010
Asahikawa
人間らしい機構と動作を持つアンドロイドの実現には，空気圧アクチュエータが用いられてきた．しかし，空気圧アクチュエータは大型で強力なエアコンプレッサが必要であり，また制御が困難であった．そこで，我々は磁石埋め込み型の可動子を持つアンドロイド用の新しいリニアアクチュエータについて研究してきた．このアクチュエータは電気で駆動し，コンプライアンスを制御することができる．開発の過程で，三次元有限要素法による解析によって，本アクチュエータが従来よりも高推力，高応答性を有することを明らかにした．さらに本アクチュエータの試作機と制御システムを開発した．本稿では，新しいリニアアクチュエータの構造，さまざまな解析と実験，また本アクチュエータを搭載した生体模倣型上肢ロボットの開発について報告する．For realizing androids that have very humanlike mechanisms and movements, they have been
developed by using pneumatic actuators. However, pneumatic actuators require a large and
powerful air compressor and controlling them is difficult. Therefore, we have been studying a new
linear actuator with an interior permanent magnet mover for androids. This actuator is driven by a
battery and capable to perform controllable compliance. In the development, we have found a
structure of the actuator that is more powerful and quick through iterative simulations based on
the 3-D finite element method and developed the prototypes and control system for them. In this
paper, we will show the structure, various simulations and experiments of the new linear actuator
and development of the biomimetic robotic arm driven by our actuators.
人工筋肉用の新構造リニア電磁アクチュエータを提案
三次元有限要素法を用いた磁界解析により，本アクチュエータの従来モデルに対する優位性を確認
トルク電流制御によりコンプライアンス制御を実現
本アクチュエータを複数搭載した生体模倣型上肢ロボットを開発し，外力に柔軟に応答する動作を実現
Magnetic core
Permanent magnet
Coil
Non-magnetic shaft
Back yoke
fLorentz B i
fR
Stator
Mover
z axis
0 2 4 65
6
7
Analysis parameter a [mm]
Thru
st [
N]
New linear actuator Linear actuator
with Halbach array
0 1 2 3
-10
0
10
=0 [N・s/m] =0.53 [N・s/m] =1.05 [N・s/m]
ccc
Time [s]
Posi
tion [
mm
]
4
11
12.6
19
20
8
96
U V W
b a
a/2 484
Magnetic core
Non-magnetic shaft
Coil
Back yoke
Magnetization
0
z axis
Permanent magnet
Ulna
Humerus
Radius
Bearing
Screw
Magnetic body
Yoke
Permanent
magnet 8
42
9.6
Magnetization
(i) Hinge (ii) Spherical joint
Humerus
Ulna Radius
磁石埋め込み型の可動子構造により高い磁束密度が発生
コイルに三相交流電流を励磁
コイルにローレンツ力が発生
コイル部分は固定子可動子が反力を受け駆動
動作原理
基本構造
Halbach array
ハルバッハ配列磁石のラジアル方向着磁磁石を軟磁性体リングで置換
・組み立てが容易で耐久性がある・ラジアル方向に高密度の磁束が発生し出力が向上
今後は，アクチュエータの粘弾性要素を生かしたタスクを設定し，学習によって粘弾性を調整し，タスクを実現するロボットを開発する．
Analyzed model
z=8mmからz=32mm間の静推力の平均値で比較電流1A（実効値）励磁，コイル436turns
磁石埋め込み型（a=1.5，b=10.5）6.92N
ハルバッハ磁石配列型（a=6，b=6）6.78N
提案モデルの静推力が約2.1%大きい
PI
controller
PI
controller
PWM
converter
Δiq*iq
z
iq
id
iU
iV
iW
ENC_A
ENC_B
VU
VV
VW
Encoder
Actuator
Δid*id=0
θ
d, q
↓
U, V, W
U, V, W
↓
d, q
Position
detector
+
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Current controller
Frequency: 20kHz
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iiV
三次元有限要素法による解析結果
z
xyMagnetic core Permanent magnet
Back yoke
Non-magnetic shaft Air gap
Coil
3D FEM model
d-q変換
d-q逆変換
Elbow 30°~130°
Forearm Pronation: 0°~50°Supination: 0°~50°
Wrist Flexion: 5°~10° (maximum)
Extension: 30°~35°(maximum)
(i) Without actuators (ii) With actuators
Elbow -30°~135° 55°~103°
Forearm Pronation: 0°~40°Supination: 0°~90°
Pronation: -
Supination: 16°~90°
Wrist Flexion: 90° (maximum)
Extension: 90° (maximum)
Flexion: 60° (maximum)
Extension: 22° (maximum)
Range of joint angle (human)
Range of joint angle (robotic arm)
粘弾性要素を一定として，肘関節を屈曲・伸展させる動作動作中にロボット先端に触れた場合でも，弾性要素により柔軟に対応
上肢ロボット質量：約760g
リニアアクチュエータ質量：約170g
バネ定数，ダンパ定数は，位置情報zを用いた位置制御の比例ゲイン，微分ゲインに対応
←バネ定数k=159[N/m]一定可動子の位置の時間変化
関節の可動角を大きくし，また過負荷時には，人と同じように関節が外れることにより大きな力がかかることを防ぐ
・永久磁石は，Nd-Fe-B系（残留磁束密度1.4 T）の希土類磁石・関節の蝶番部と球面軸受部の吸引力はそれぞれ30.7N，19.6N
Air actuator Rotary servo motor
with reduction gear
Muscle Electromagnetic
linear actuator
Response time △ ◎ ○ ◎Flexibility
against
external force○ × ○ ○
人間酷似型ロボットである「アンドロイド」はロボットの中でもより人間らしい動作が必要人間らしい動作には，人間らしい構造を持つことが有効であると考えられ，その人工筋肉となるアクチュエータの開発が不可欠
•No necessity of the large air compressor
•No gear noise
•Long stroke
•Higher response
•Controllable compliance
•磁石埋め込み型の新構造リニア電磁アクチュエータを提案•コンプライアンス制御を実現•本アクチュエータを複数搭載した生体模倣型上肢ロボットを開発
Actuators for robots
