大阪大学大学院工学研究科 知能・機能創成工学専攻 平田研究室

Department of Adaptive Machine Systems, Graduate School of Engineering, Osaka University

課題 高トルク化 広角化 位置センシング

メリット 小型化 軽量化 高効率化

多自由度 アクチュエータ

・多自由度駆動機構

複数のモータを用いる従来の多自由度駆動機構には大型化などの問題があったが、多自由度アクチュエータを用いることで必要なアクチュエータの数を低減でき、小型化、軽量化などのメリットが期待できる．

＜目標性能＞

ロボットの手首関節を想定

・駆動電圧：24V ・駆動部サイズ：φ90 ・駆動角：±45° ・最大トルク：2Nm ・最大速度：50rpm ・角度分解能：0.1°

高トルク三自由度球面電磁アクチュエータ及びその制御技術の開発

球面アクチュエータ基本モデル

・研究目的

一台で三軸の回転が可能なモータ

アクチュエータの駆動を制御するためには回転角度の検出が必要

アクチュエータ開発

センシング技術の開発 アクチュエータ制御法の確立

センサにより検出した回転角度を用いてアクチュエータの任意の駆動を可能にする

・DSP (Digital Signal Processor) を用いた複数コイル制御

・開発アクチュエータの種類

・開発の流れ

試作・実機検証 特性解析

構造改良

電磁界解析により，アクチュエータの各特性をシミュレーション

トルク特性

実機を製作せずに特性の確認，構造の改良が可能になる

使用センサ例

・イメージセンサ ・ホール素子

撮影面の二次元変位量を検出 磁束密度を検出

・カラーセンサ

撮影面の色（RGB）を検出

課題の抽出

モータ

・トルクモデル制御

-0.3

0.2

0.7

1.2

-38 -19 0 19 38

Torq

ue[

Nm

]

Rotation angle[deg]

𝑇𝑥

𝑇𝑦

𝑇𝑧

= 𝑲

𝐼1

𝐼2

⋮𝐼16

+

𝑇𝑐𝑜𝑔_𝑥

𝑇𝑐𝑜𝑔_𝑦

𝑇𝑐𝑜𝑔_𝑧

𝑇𝑥, 𝑇𝑦, 𝑇𝑧：目標出力トルク

𝐼1, 𝐼2 , ⋯ , 𝐼16 :制御電流

𝑇𝑐𝑜𝑔_𝑥, 𝑇𝑐𝑜𝑔_𝑦, 𝑇𝑐𝑜𝑔_𝑧:コギングトルク

𝑲：現在位置でのトルク定数

トルク発生式

アウター型 インナー型

三自由度モデル

三自由度 独立モデル

三自由度モデル

二自由度モデル

二自由度ガイドモデル

アクチュエータ構造の提案

大阪大学大学院工学研究科 知能・機能創成工学専攻 平田研究室

Department of Adaptive Machine Systems, Graduate School of Engieering, Osaka University

三自由度モデル 二自由度モデル 二自由度独立モデル

特徴 ・アウターロータ型三自由度

・高トルク密度 ・アウターロータ型二自由度

・高トルク密度 ・可動子が二つに分離 ・二軸独立制御可能

アクチュエータサイズ φ97×100mm （支持機構含）

φ90×100mm （磁気回路部）

90×90×100mm （支持機構含）

可動角度 −38～38 deg （X, Y軸）

360 deg （Z軸） −35～35 deg （X, Y軸） −35～35 deg （X, Y軸）

最大トルク 1.69Nm（X,Y軸）

1.20Nm（Z軸） 1.66Nm（X軸） 1.46Nm（Y軸）

0.71Nm（X, Y軸）

制御相数 16相 12相 6相

センシング機器 ロータリーエンコーダ（外部に設置）

カラーセンサ（設置予定） ロータリーエンコーダ リニアエンコーダ

Target position

𝜃𝑡(𝑡) =

𝜃𝑡𝑥(𝑡)𝜃𝑡𝑦(𝑡)

𝜃𝑡𝑧(𝑡)

Sensed position

Target torque

𝑇𝑡(𝑡) =

𝑇𝑡𝑥(𝑡)𝑇𝑡𝑦(𝑡)

𝑇𝑡𝑧(𝑡)

PID

𝑃𝑖(𝑡) =

𝑃𝑖𝑥(𝑡)𝑃𝑖𝑦(𝑡)

𝑃𝑖𝑧(𝑡)

(𝑖 = 1~16)

Positions of EM poles

Torque constant

𝜃𝑠(𝑡) =

𝜃𝑠𝑥(𝑡)𝜃𝑠𝑦(𝑡)

𝜃𝑠𝑧(𝑡)

𝑲𝑖(𝑡)

Transformation of pseudo-inverse matrix

𝑲𝑖− (𝑡)

Actuator

𝐼(𝑡) =

𝐼1(𝑡)𝐼2(𝑡)

⋮𝐼16(𝑡)

＋

-

・可動子の位置に依存して、トルク定数が変化 ・一般（擬似）逆行列を利用して、電流値を算出

大阪大学大学院工学研究科 知能・機能創成工学専攻 平田研究室

Department of Adaptive Machine Systems, Graduate School of Engineering, Osaka University

ステップ応答 多軸同時駆動

3D-FEMモデル

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

Torq

ue[

Nm

]

Rotation angle[deg.]

Cogging torque x Output torque x

X，Y軸周り Z軸周り

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 10 20 30 40

Torq

ue[

Nm

]

Rotation angle[deg.]

Cogging torque z Output torque z

出力トルクが全範囲でコギングトルクを 上回っており回転可能

良好に指令値に追従

静特性

動作特性

ステップ応答 多軸同時駆動

・三自由度の駆動を確認 ・シミュレーションの結果と 良好に一致

LED 1

カラーセンサ 1

LED 2

カラーセンサ 2

アクチュエータ可動子

RGB情報

光ファイバー

事前に取得したマッピングデータ

一致探索 センサ１の測定位置

センサ２の測定位置

角度変換

X Y Z

センシングシステム概要

可動子の色付け

使用センサ

・イメージセンサ ・ホール素子

撮影面の二次元変位量を検出 磁束密度を検出

・カラーセンサ

撮影面の色（RGB）を検出

色勾配による一致探索 二次元カラーエンコーダ