Development of MR fluid clutch mechanism equipped with small-lightweight and flexibility, and application to electric elbow prosthesis

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ヒトの肘関節は，上肢の体幹と手先との有効長を調節する器官であり，上腕切断者はこの機能を失う．この上肢機能を再現するために，国内では義肢装具士により義手が処方されるが，ヒトのような連続的な柔軟性をもつものは見当たらない．肘関節の柔らかさが再現できる電動肘継手が実現化すれば，義手の機能の向上が一層進むと考えられる．また，電動義手のように直接ヒトと接触しながら使用するメカトロニクス機器のアクチュエータには安全性が要求される．この安全性の定量的な確保のために，アクチュエータ出力にクラッチ機構を付けることで，出力軸の最大出力を機構的に制限し，ヒトが出力軸を駆動する際には速度制限を受けずに低慣性で動かすことができる．本研究は，機能性流体のレオロジー特性に着目し，MR流体を伝達媒体としたクラッチ機構付き小型アクチュエータの開発および電動肘継手への応用を目的とする．提案する小型アクチュエータ本体は，MR流体をクラッチ機構の伝達部に用いたもので，超音波モータ1の回転入力を，ハーモニックギアを通じて伝達することでシステム出力を取り出す．また，別の超音波モータ2による駆動で永久磁石を動かして，MR流体に印加する磁場を連続的に変化させる磁場印加機構を含む．クラッチ機構内部のMR流体の降伏せん断応力は印加する磁場により変化できるため，MR流体を通じた出力軸の制動トルク制御がハードウェア上で可能となる．ここまでの研究実績としては，MR流体を封入したクラッチ機構と，永久磁石と超音波モータを用いて磁場を励磁する磁場印加機構を試作した．さらに超音波モータ等を組み合わせて小型アクチュエータの試作を行い，試作機の制動トルクについて特性試験を実施した．また簡易的な上腕筋電義手の設計・試作を行い，既に構築されている筋電制御システムを適用した検証実験を被験者3名のご協力により実施した．