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

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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。