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

小型、轻量、灵活的MR流体离合器机构的开发及在电动肘假肢上的应用

• 批准号: 21K12779
• 负责人: 矢野 順彦
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Nara National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K12779/
• 关键词: MR流体クラッチ機構; 電動肘継手

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．

人类的肘关节是一个器官，可调节上肢躯干的有效长度和手的尖端，并且截肢者失去了此功能。假肢在日本开具假体的矫正器处方，以复制这种上肢功能，但没有一个人具有人类的持续灵活性。人们认为，如果可以意识到电肘接头，肘关节的柔软度将进一步改善。此外，用于与人类直接接触的机电雄性设备中的执行器需要安全性。为了确保定量安全性，通过将离合器机制附加到执行器输出上，输出轴的最大输出在机械上受到限制，当一个人驱动输出轴时，它可以在低惯性下移动而不会受到速度限制。这项研究的重点是功能流体的流变特性，旨在以使用MR流体作为透射介质的离合器机制开发小型执行器，并将其应用于电肘接头。提出的小型执行器主体将MR流体用作离合器机构的传输部分，并且通过通过谐波齿轮传输超声电动机1的旋转输入来提取系统输出。它还包括一种磁场应用机制，该机制通过另一个超声电动机2驱动永久磁铁来连续更改应用于MR流体的磁场。可以根据施加的磁场更改离合器机构内MR流体的屈服剪切应力，从而可以通过硬件上的MR流体控制输出轴的制动扭矩。到目前为止的研究成就包括包含MR流体的离合器机制和一种磁场应用机制，该机制使用永久磁铁和超声电动机激发磁场。此外，将超声电动机组合在一起以产生一个小的执行器，并对原型的制动扭矩进行了特征性测试。此外，我们设计并原型制作了一个简单的肌电臂，并使用已经构建的肌电控制系统进行了验证实验，并与三个受试者进行了合作。