B08 シリンダに対するピストンのブレーキ
機構を有する流体圧アクチュエータ
Hydro-Actuator with the Braking
Function of Piston against Cylinder
東京工業大学
機械宇宙システム専攻
広瀬茂男
研究背景
自動車の溶接,塗装工
程は産業用ロボットによ
る自動化が進んでいる
自動車工場の組み立て工程では
作業の多くを人間が行っている
→負担の低減,効率化が必要
助力装置
助力装置の要求
現在の助力装置の課題
・操作性が悪い
・邪魔になる
・装置や部品を取りに行く必要がある
Float Arm
Float Arm:
4節リンク機構と自重補償機構を
組み合わせた多関節アーム
Float Arm Prototype
助力装置として用いる際
の問題点
・耐久性
・出力が小さい
・先端荷重の変化に対応不可
Float Arm VI
空圧シリンダ
Float Arm Pneumatic model
自重補償機構に空圧シリンダを使用
高出力
圧力を制御することで出力を変化させることが
可能
Float Arm Pneumatic modelの
4節リンクユニット基本構成
機構の特徴
シリンダをフレームとして利用
→曲げ,ねじりに対する剛性を向上,小型化
ピストンロッド端にガイドローラを取り付ける
ガイドローラの効果
→ピストンロッドにモーメントを負荷することな
く出力を伝える
Float Arm P1・P2の構成
Float Arm P1
部品搭載支援用で先端重量が変化
各シリンダ個別に角度,先端重量に応じて圧力
制御を行う
4節リンク断面
W115×H107.5mm
総重量
32kg
シリンダ直径
63mm
Float Arm P2
共通仕様
水平リーチ
2000mm
工具支援用で先端重量が一定
制御を行わず,全てのシリンダに常に同一の
一定圧力を与える
4節リンク断面
W59×H73mm
総重量
14.4kg
シリンダ直径
40mm
Float Arm P1の動作
Float Arm P2 のリンクパラメータの最適化
Pressure [M Pa]
制御なしに入力圧力一定で,可動範
囲全域でバランスするよう,必要出力
Fの変化が平滑化するようにリンクパ
ラメータを最適化
F=
WL + Wa Lg
a sin y + b cos y
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
cos q cos f
æ a 2 + b 2 sin ( a + q ) - s ö
f = Sin -1 ç
ç
l
è
ø
0
20
40
Angle(θ) [deg]
最適化された2ユニット目の必要圧力
必要圧力の最大値と最小値の差 は
0.009 [MPa]
空気圧揺動型アクチュエータ
アームヨー軸の駆動:圧縮空気が得やすい,動力源の統一 → 空圧駆動
ラックアンドピニオン
ベーン
スクリュー
軸方向断面積
×
○
○
シール性
○
×
×
出力トルク
○
○
×
説明図
シール性は向上
したが
出力トルクは×
スクリュー型ロータリアクチュエータ(SMC)
Double Screw(DS)型空圧回転駆動機構
シリンダ形状が円形で大きなトルクを得られ
る
ピストンが直動運動しか行わないためシー
ル性がよい
スクリューを対向するよう配置しており,可
動範囲を大きくとることが可能
Height
338 mm
Diameter
125 mm
Mass
8.0 kg
Diameter of Cylinder
90 mm
Range of Rotation
146 °
トルク測定・駆動実験
25
Measured
Value
Theory
torque
Torque [Nm]
20
15
10
5
0
0
0.1
Input Pressure [MPa]
0.2
出力トルクの理論値と測定結果
mc &&
x = PS - Fc cos b - Fo cos b
I c q&&c = Fc r sin b - Fo r sin b
I c q&&c = Fc r sin b - T
1
T0 = PSr tan b
2
ブレーキ内蔵DS型空圧回転駆動機構
一般的な空気圧制御の位置決め
→圧縮性流体なので位置決めが難しく,応答
が高速なサーボ弁が必要
今回の用途では求められる位置決め精度がさほど高くない
ブレーキを併用した機構
ポートA,Bへの入力切替による4状態の切替
A
B
State
解放
解放
フリー
供給
解放
右方へ運動
解放
供給
左方へ運動
供給
供給
ロック
サーボ弁なしでも入力状態を切り変えることで4状態を実現し,位置決め可能に
ブレーキ内蔵DS型空圧回転駆動機構
Height
336 mm
Diameter
136 mm
Mass
5.7kg
Diameter of
Cylinder
63 mm
Range of
Rotation
270 °
基本性能確認実験
14
40
Direction 1
30
Direction 2
20
10
Direction 1
Direction 2
Theory torque
12
Torque [Nm]
Torque [Nm]
50
10
8
6
4
2
0
0
0
0.2
0.4
Input Pressure [MPa]
静止時ブレーキトルク測定
Direction 1
Direction 2
0
0.1
0.2
0.3
Input Pressure [MPa]
0.4
出力トルク測定
動作時ブレーキ試験
想定される用途
回転あるいは直動移動の任意の位置で静止
する動作が必要とされる空圧駆動型サーボ系
を必要とするマシンの駆動系
バランサーのアシスト装置
動作シーケンスを切り替える必要のあるオート
メーション装置
想定される業界
利用者・対象
自動車業界
製造業一般
食品業
市場規模
実用化に向けた課題
ブレーキシューの耐久性の向上
負荷荷重、運転速度を入力すると最適
なブレーキ作動タイミングを生成する制
御系の確立
企業への期待
実用機への適用
実際の運用を共同で進めることによ
る周辺技術の解明
本技術に関する知的財産権
発明の名称
出願番号
出願人
発明者
:流体圧アクチュエータ
:特願2009-040726
:東京工業大学
:広瀬茂男 山口剛
お問い合わせ先
東京工業大学
産学連携コーディネーター
鷹巣征行
〒152-8550 目黒区大岡山2-12-1-E3-11
tel:03-5734-7634
fax:03-5734-7694
mail:[email protected]
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