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, 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

従来複数のモータを用いていた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．

・先行研究

産総研 シェフィールド大学 ジョージア工科大学 東京農工大学 南洋理工大学

世界中の研究機関で球面アクチュエータの研究がおこなわれている

電磁力 超音波

従来の機構を置換できる球面アクチュエータは未開発

＜目標性能＞

・駆動電圧：24V ・駆動部重量：300g ・駆動部サイズ：φ 90 ・駆動角：±45° ・最大トルク：2Nm ・最大速度：50rpm ・角度分解能：0.1°

高トルク出力可能な三自由度球面電磁 アクチュエータ及びその制御技術の開発

・研究目的

球面アクチュエータ基本モデル

アクチュエータの改良

→高トルク化 広角化 制御性の向上を 目指したアクチュエータの構造改良

広角化モデル アウターロータ 制御性向上モデル

センシング技術の開発

→アクチュエータのフィードバック制御 を目的とし、回転角検出法を開発

アクチュエータ制御法の確立

→・DSPを用いた複数コイルの制御 ・センサ信号を用いた位置制御

イメージセンサ ホール素子との併用

Y軸

S N

N S

S

S

N

N

N N

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, Osaka University

外径：Φ 90㎜（可動子：30㎜）、Φ 150㎜（可動子：60㎜） 材質：可動子（磁性体ＳＵＹ、永久磁石1.4Ｔ）、固定子（磁性体ＳＵＹ） コイル巻き数：Φ 90㎜モデル（150 Turns）、Φ 150㎜モデル（500 Turns） エアギャップ長：0.7mm

X軸

S

S

N

N

S

S N

N S S

着磁方向 回転方向

Z軸

S

S N

N

S

S

N

N

N N 同名のコイルは同じ

励磁パターン

-0.8-0.4

00.40.81.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Cu

rre

nt

[A]

Time [sec}

w1

w2

u&v

-0.8-0.4

00.40.81.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Cu

rre

nt

[A]

Time [sec]

u1&v1

u2&v2

w

-0.8-0.4

00.40.81.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Cu

rre

nt

[A]

Time [sec]

w

u

v

電流励磁方法（単軸駆動）

Ⅹ軸

Ｙ軸

Ｚ軸

コイル配置

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

-10 -5 0 5 10

Torq

ue

[Nm

]

Angle[deg]

impressed

cogging

Ⅹ軸回転： 最大トルク：0.62[Nm] 平均トルク：0.35[Nm] 平均トルク定数： 0.38[mNm/A]

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

-10 -5 0 5 10

Torq

ue

[Nm

]

Angle[deg]

impressed

cogging

Ｙ軸回転： 最大トルク：0.65[Nm] 平均トルク：0.62[Nm] 平均トルク定数： 0.34[mNm/A]

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-10 -5 0 5 10

Torq

ue

[Nm

]

Angle[deg]

impressed

cogging

Ｚ軸回転： 最大トルク：0.78[Nm] 平均トルク：0.56[Nm] 平均トルク定数： 0.31[mNm/A]

-6

-4

-2

0

2

4

6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

An

gle

(d

eg)

Time (sec)

Ⅹ軸回転

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

An

gle

(d

eg)

Time (sec)

Ｙ軸回転

0

450

900

0 0.5 1

An

gle

(d

eg)

Time (sec)

Ｚ軸回転

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Ro

tati

on

an

gle

a

rou

nd

X-

ax

is (

deg

)

Rotation angle around Y-axis (deg)

ＸＹ平面の回転（円型）

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Ro

tati

on

an

gle

aro

un

d X

-

ax

is (

deg

)

Rotation angle around Y-axis (deg)

ＸＹ平面の回転（８型）

電磁場解析と運動方程式を連成することで、各軸回転時の動作特性を求めた。

Spherical Bearing Shaft Case

Coil Bobbin

Φ90㎜モデル 断面図 Φ150㎜モデル

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, Osaka University

磁極と可動子の対向面積が小さい

基本モデル断面図

・基本モデルの課題

・改良点

試作機

磁極を斜めに配置し、広角度でも磁極と可動子が対向するように変更

断面図

コイル

(500Turns)

可動子

固定子 外径：100mm

高さ：100mm

約10度回転すると対向しなくなる

駆動可能角度が小さい

三次元有限要素法を用いた電磁界解析によりアクチュエータの

トルク特性（静トルク特性、動作特性）を確認

・解析条件 ・解析諸元

3-D メッシュ図 （コイル、空気領域を除く）

コイル巻数 500 Turns

イナーシャ

X,Y 1.47×10-4 [kg・m2]

Z 1.94×10-4 [kg・m2]

要素数 731,050

節点数 126,368

ステップ数 X,Y 400

Z 80

解析時間 X,Y 48 [h]

Z 20 [h]

要素数 731,050

節点数 126,368

ステップ数 X,Y 11

Z 16

解析時間 X,Y 1 [h]

Z 1.5 [h]

静トルク特性解析

動作特性解析

X軸 Y軸

Z軸

W1

W1

W2

W2

U2

U2

U1

U1

V2

V2

V1

V1

励磁電流

X軸回転動作特性

コイル配置

電流励磁時の出力トルクが各軸とも全範囲で正の値

広角駆動可能であることを示す

0～0.5秒で過渡的な影響で大きな振幅が見られるが，その後は安定して往復運動していることが確認できる．

三軸同時駆動（回転＋傾き）の

同時駆動が難しい

X,Y軸まわり（傾き）と，Z軸まわり（回転）の駆動機構を独立 A-O-A’ 断面図

外観図（コイルを除く）

外径：100mm

高さ：100mm

ロボットの手首への適用を考慮

すると外径が大きい（Φ150mm）

• 小型化 (Φ100mm )

• トルク密度の向上

①

②

・基本モデルの課題 ・静トルク特性解析 ・動特性解析

Time[s]

Time[s]

チルト

(X,Y軸)

回転

(Z軸)

チルト

(X,Y軸)

回転

(Z軸)

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, Osaka University

アウターロータ インナーロータ

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Torq

ue

(N

m)

Rotation angle (deg)

0A

1A

Ⅹ軸回転の解析結果

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Torq

ue

(N

m)

Rotation angle (deg)

0A

1A

Ｙ軸回転時の解析結果

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Torq

ue

(N

m)

Rotation angle (deg)

0A

1A

Ｚ軸回転時の解析結果

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Torq

ue(

Nm

)

Rotation angle(deg)

0A

1A

-1

-0.5

0

0.5

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Cu

rre

nt(

A)

Time(s)

u

v

w

二自由度アウターロータ

二自由度の動きに特化させたモデル。 Z軸周りには回転できないが、制御性

は良好。

二自由度アウターロータ

要素数 870,563

節点数 148,411

ステップ数 46

解析時間 5 [h]

0度から45度の範囲で電流励磁時に

トルクの値が正

駆動可能

0度 15度

三自由度アクチュエータ

三自由度の回転を考慮したモデル。 いずれのモデルにおいてもコイルに三相交流を励磁することで駆動。

三自由度アクチュエータ

三自由度アクチュエータでも各軸周りの0度から45度の範囲で電流励磁時にトルクの値が正であることを確認

球面アクチュエータの課題

• 高トルク化が困難 • 広角化が困難

可動子を外側に配置したアウターロータ型球面アクチュエータを提案

原因

• 配置可能な磁極数が制限

• 配置可能な磁極数の増加 • 作用点と回転中心の距離の増加

高トルク化・広角化が期待

X，Y軸回り X，Y，Z軸回り

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, Osaka University

イメージセンサ

高速撮影した画像のずれにより移動量検出

イメージセンサ

60°

ホール素子とイメージセンサを併用

メリット

デメリット

:

:

必要センサ数が少ない

検出される位置情報が相対的

PC

Matlabで構築した 制御システム

Control Desk

DSP

Micro Auto Box

Control Unit

Power Unit

アクチュエータ

センサ

共通部分

ホール素子

ホール効果によって外部磁場を測定

メリット

デメリット

:

:

検出される位置情報が絶対的

温度依存性の存在

シールド(磁性体)

ホール素子 位置検出用磁石

床

可動子

イメージセンサで生じた累積誤差をホール素子で修正

: ホール素子

床

2つのホール素子によって検出される磁束密度の 差が0の時可動子回転角度0°を決定

ゼロ点検出構造

ゼロ点検出原理

可動子回転角度

磁束密度

0°を決定

実験結果

-2

-1

0

1

2

3

0 2 4 6 8

Ro

tati

on

an

gle

(d

eg)

Time (s)

Feed back by hole sensor and image sensor

Feed back by image sensor

Target angle

-4

-2

0

2

4

0 2 4 6 8

Ro

tati

on

an

gle

(d

eg)

Time (s)

Feed back by hole sensor and image sensor

Feed back by image sensor

Target angle

イメージセンサとホール素子を併用することによって アクチュエータの連続駆動を実現

イメージセンサとホール素子を併用して位置フィードバック制御

イメージセンサのみで 位置フィードバック制御

指令値

X軸まわり

Y軸まわり

検出原理 設置位置

Δx

Δy

イメージセンサのみでは時間と 共に指令値からずれていくが、

ゼロ点検出構造をつけることにより 指令値に追従して

動作していることが確認できる。

• 可動子の任意方向への回転 • Z軸まわり時の回転速度制御

• 3つの交流制御から， 2つの直流制御への転換 • Z軸まわりの回転速度制御が可能

利点 目的

d

q

20.5o

1 2

1 2

( )cos 20.5

( )sin 20.5

o

o

w w

w w

x x x

x x x

rj

dqx x e

d21uv

x

21vx

21ux

60o

X軸まわり

11 12

11 12

( )cos 20.5

( )sin 20.5

o

o

uv uv

uv uv

x x x

x x x

rj

dqx x e

Y軸まわり