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ロボットの要素部品が目白押し! |
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● ACサーボモータを利用した各種ロボットや搬送システムのデモ 幕張メッセにおいて4月18日から4月20日までの3日間、エレクトロニクス・メカトロニクスの要素技術が一堂に集まった「TECHO-FRONTIER 2007」が開催された。このイベントでは、モータ、ボードコンピュータ、電源、熱対策、ノイズ対策などエレクトロニクス・メカトロニクスに関連する11個の展示会やシンポジウムが同時に開催され、合計781社の企業が参加した。本レポートでは、ロボットに関わりのある「第25回モータ技術展」「第16回モーション・エンジニアリング展」「リニアモーションと応用技術」など、主に7・8ホールでの展示会を中心に紹介する【写真1】【写真2】。
ロボット要素技術としては、センサ、モータ・ドライバ・コントローラなどの駆動制御系、ギヤ・ボールネジ・ベアリングなどの機械要素部品が数多く展示されていた。モータ・ドライバ関連のメーカーでは、安川電機、日本サーボ、山洋電気、マクソンジャパン、三菱電機、富士電機、日機電装、オリエンタルモーター、マブチモーター、多摩川精機など、国内の代表的な産業用サーボモータメーカーが集結していた。 安川電機の目玉製品は、ACサーボドライブ・Σ‐VシリーズとACサーボモータをパックにした製品群【写真3】。Σ‐Vシリーズは、高応答のアンプによって、整定時間を4ms以下に短縮できる性能を備えている。またACサーボモータには約100万pprの分解能を持つエンコーダを標準装備。稼働までの時間が掛からない点も本製品のウリだ。取り付け・配線から、基本パラメータの設定、試運転までのセットアップにおいて、一度に配線を確認できる機能や、ウィザード形式の「かんたんパラメータ設定機能」が用意されている。また、サーボモータの調整で要となるゲインやフィルタの調整も整定時間のレベルに合わせて自動チューニングが可能。簡単に実運転できる工夫がなされている。 同社のブースでは、話題の双腕ロボット「MOTOMAN-DA20」のデモンストレーションを実演【写真4】【動画1】。こちらは人の上半身をイメージして開発されたもので、本体の回転機構を備え、各腕は6つの関節がある。それぞれで20kg(両腕で40kg)の重量物を持ち上げられる。 また、同社のACサーボモータの安定性と制御性を実証するデモもあった。こちらは、ACサーボモータに取り付けたエンコーダのパルスの揺らぎから振動を検出して、安定制御させるしくみ。同社のモータと従来のモータで駆動させたテーブルにカメラを設置して、文字を読み取る実験だ【写真5】。同社のACサーボモータではカメラの振動が少なく、安定した制御が行なわれてることがよく分かるものだった【動画2】。 これ以外にも、2つのリニアスライダーを対向させ、同期を取りながらモータを回転させるデモも面白かった。それぞれのモータに付いているフランジ部にシャープペンシルの芯をつけて連結させ、モータを回転させながらXY方向に移動を繰り返しても、同期が取れているため芯が折れることはなかった【動画3】。
マクソンジャパンでは、同社のブラシレスDCサーボモータやコアレスモータのほか、PLC(Programmable Logic Controller)機能を追加した新製品の位置決めドライバ「EPOS P」などを出展【写真6】。同社のモータ/ドライバ類は、千葉工業大学、東京大学、東北大学、JAXAなど、研究開発機関で多くの実績がある。実際に、床下点検ロボット【写真7】や、火星探索ロボットの模型もブースで展示されていた。また日立プラントテクノロジーのパワーアシスト型チェーンブロック(吊搬装置)で実装されているモータの紹介もあった【写真8】。こちらの装置は1.5tまで吊搬できる仕様になっている。
ダナハーモーションジャパンのブースでは「セグウェイ」が展示されていた【写真9】。同社はセグウェイの駆動系を提供している企業だという。セグウェイに組み込まれた実際の製品は展示されていなかったが、カスタムメイドのダイレクトドライブや、多軸サーボアンプなどを出展【写真10】【写真11】。後者のサーボアンプは、小型ながら最大8軸まで接続でき、1軸あたり20kWまでのモータに対応できるという。
このほか、目についた製品としては、サーボモータとドライバ、コントローラが一体となった「スマートモータ」(多摩川精機)や超小型超音波モータ(テクノハンズ)などもあった。 ダイナックスは、ロボットアームやスカラーロボットのデモを行なっていた。スカラーロボットは主に組み立て作業によく用いられる。同社のロボットはACサーボモータとハーモニックドライブを採用しているが、ローコストであることが特徴だという【写真12】【動画4】。
● 最小のハーモニックドライブや、ギヤ、ボールネジ、リニアガイドなどが目白押し ギヤ、ボールネジ、ベアリング、リニアガイドなどの機械部品関係では、ハーモニック・ドライブ・システムズ、ツバキエマソン、NSK(日本精工)、NTN、THKなどの大手メーカーが製品を出展していた。ハーモニック・ドライブ・システムズのブースでは、外形角13mmの最小ハーモニックドライブをACサーボモータに組み込んだアクチュエータ「RSF-3A」が目をひいた【写真13】【写真14】。ハーモニックドライブは、いわゆるノンバックラッシュ(少バックラッシュ)でガタがない機構が大きな特徴だが、複雑な構造をこのサイズまで小さくできる技術に驚いた。このアクチュエータには専用ACサーボモータドライバも用意されている。 また、ハーモニックドライブを2段構成にした超高減速比(1/38560)の参考出品も行なわれていた【写真15】【動画5】。さらにハーモニックドライブを利用したロボットハンドの動態展示もされていた【動画6】。こちらも同社のギアや専用ドライバが利用されている。
NSKでは、高速かつ低騒音のボールネネジを従来品と比較してデモ展示していた【写真16】。許容回転数は5,000rpmで、騒音は6dBも低減できるという。また同社の主力製品のひとつ、リニアガイドも多数紹介されていた【写真17】。同社ではダイレクトドライブ(DD)モータも初期の頃から開発している。メガトルクモータ「PSシリーズ」は、微小な角度を最短時間で位置決めできるDDモータ【写真18】。負荷イナーシャ(慣性)が小さく、位置偏差が少ない高追従制御や、整定時間を短縮させる摩擦抑制制御を実現している。デモでは、定まった角度での繰り返し位置決め動作をさせていた【動画7】。 ギヤ、ベアリングなどの機械要素は縁の下の力持ち的な存在であるため、どうしても地味になりがちだが、NSKのブースではアート的な要素を盛り込み、ビジュアル的にも面白い展示をしていた。たとえば、ボールベアリングとサーボモータを利用して水流を拡げ、クラゲのようなオブジェのウォータアート(杉原有紀氏作)は眺めているだけで楽しいものだった【動画8】。また、本物のベアリング製品はもちろん、米粒で作ったベアリングも展示されていた【写真19】【写真20】。こちらはボールが摺動するものではないが、ベアリングが「機械産業の米」のような役割を果たすことをモチーフとしているアイデアはユニークだと感じた。
ツバキエマソンでは、サーボモータのシャフトをクランプする機構を標準装備した各種ギアヘッドや、小型ギヤドモータ、ウォームギアモータ、遊星ギヤ、ヘリカル・ベベルギアボックス、リニアアクチュエータ、カップリング、パワーロック(締結器)など、さまざまな機械要素部品を出展していた【写真21】【写真22】。こちらのデモも面白かった。2つのリフトテーブルの昇降を同期させたり、回転寿司のベルトコンベアなどのデモを実施しており、かなり目をひいた【写真23】【写真24】。
リニアガイドで有名なTHKは、ボールリテーナ入りのLMガイドを中心に展示。ボールリテーナの効果により、グリースの保持力が向上し、長寿命・長期メンテナンスフリーを実現。高速なサーボモータにも対応できる。これ以外にも、高精度θテーブルや高加速・低発塵・低騒音のリニアモータアクチュエータなども紹介していた【写真25】【写真26】【動画9】。
変わりどころとしては、共栄通信工業が形状記憶合金のような「バイオメタル」を利用したアクチュエータでロボットのデモを行なっていた【写真27】【動画10】。バイオメタルは、電流を流すと生物のようにしなやかに動く、細い金属繊維状のアクチュエータ。電流を流すとピアノ線のように強靱になり、強い力で収縮するが、電流を止めると再び柔らかくなり、元の長さに戻る【写真28】。100gぐらいまでの重量を引っ張ることができるそうだ。現在、ホビー用など応用範囲を模索しているという。こういった素材でマリオネットを作れば面白いと感じた。
計測機関連では、小野測器がモータシャフトの回転ぶれや振動などを解析するための2ch・FFTアナライザーを参考展示【写真29】。回転信号をピックアップして、回転を上げたときの変動や周波数成分を表示する。入力が2chぶん用意されているので、2軸間の相関分析も可能だ。また、一方向に負荷をかけてモータのトルクを計測するメータや、微小なコギングトルクを測定するメータなども展示していた【写真30】。
横河電機は、モータやインバータの評価に欠かせないプレシジョンパワーメータを出展。このほかにも多くのメーカーで、モータの性能を計測・解析する測定器が紹介されていた。センサ系では、やはりエンコーダやポテンショメータなど、角度や位置を検出するための製品が多かった。エンコーダはパルスを分割し、100万ppr以上の高分解能を備えるタイプや、周波数応答性に優れたシリアル通信タイプも見られた。 ● ユニークな次世代アクチュエータ研究で新技術の萌芽も モーション・エンジニアリング展の一角では、「ブレイクスルーを生み出す次世代アクチュエータ研究」と題された展示ブースが設けられていた。ここでは、文部科学省の科学研究費補助金特定領域に選ばれ、各大学や公的機関で進めらている研究が紹介されていた。研究対象は、ナノメートルレベルで移動できる「超精密アクチュエータ」、マイクロメートルオーダの構造を持つ「小型アクチュエータ」、高度な情報通信機能をベースにした知的な「スマートアクチュエータ」、力を要する分野に用いられる「パワーアクチュエータ」、極低音・高温・真空・強磁場などの環境下でも使用できる「特殊環境アクチュエータ」の5つ。いずれもユニークな研究で、新技術の萌芽として注目されるものが多かった。 岡山大学では、空気圧ゴムの人工筋肉を利用したパワーアシストウェア【写真31】や、センサ・CPU・通信機能などを備えた電磁インテリジェントアクチュエータ/シリンダ、直径1.8mmの円筒型マイクロ超音波モータ、マイクロポンプなどを紹介していた【写真32】【写真33】【写真34】。岡山大学の円筒型超音波モータは、電極を4分割し、90度の位相差を持った交流電圧を加えている。すると、その方向に円筒が屈曲し、上部で接触しているロータとの摩擦によって回転運動をする仕組み。 超音波モータは、低速・高トルク、高保持トルク、低騒音といった特徴がある。慶応大学では、小形化の方向ではなく、ロボットのパワーアクチュエータとして、応用製品を研究。市販の超音波モータを20個ほど装備した5指ロボットハンドを展示していた【写真35】。
東北大学は、繊毛を全身に備えた「能動スコープカメラ」のデモを実施。一見するとヘビのようなロボットだが、全身が繊毛で覆われており、30～40cm間隔で取り付けらた振動機構によって、繊毛が振動して推力を発生する仕組み【写真36】【動画11】。床面で角度のついた繊毛がたわんだり、元に戻ったりしながら、上下に振動して進んでいく。最大進行速度は46mm/secとかなり速い。災害現場や入り組んだ狭路などで活用が期待される。 ユニークなロボットとしては、空気圧によって駆動するフレキシブルマイクロアクチュエータ(FMA)を利用したマンタ型遊泳ロボットもあった【写真37】【動画12】。こちらは有限要素法によって応力などを解析して形状を決めたという。
山形大学・東北工大・室蘭工大では「ジャイロモーメント・モータ」と呼ばれるモータを研究【写真38】。互いに直交する3軸のうち2軸にモーメントを与えると、もう1軸にジャイロモーメントが発生する現象を応用したものだ。 たとえば、電気的にパルスを印加し、X-Y軸を交互に傾ければ、Z軸が回転しだす。プロトタイプのジャイロモーメント・モータは4極・2相励磁方式を採用し、円板を揺動させる。円板の中心にはピボットベアリングがあり、そこにシャフトを立てZ軸を回転させる仕組み【動画13】。同様の原理で、内部に水を充填したパイプ形状のスクリューモータもあった。こちらはマイクロポンプなどに応用ができるという。このほか、同極・電磁石を対向に配置して磁束密度を高め、従来より約4倍の効果を発揮できる携帯電磁発電方式も紹介されていた【写真39】
豊田工業大学では、アザラシ型の精密位置決め機構を開発中だという【写真40】。従来のインチワーム機構による位置決めでは、両側をオンオフさせて移動させるが、このアザラシ型機構では片側をオンオフ制御させ、もう片側は摩擦機構によって地面を擦るかたちで移動する。制御するアクチュエータが少なくシンプルな構造ながら、高分解で広範囲での移動が可能になる。動きがアザラシの移動形態に似ているため、アザラシ型機構と呼んでいるそうだ。 展示では、XYθの3自由度を持つ機構が紹介されていた。この機構とパラレル機構による微動ステージを組み合わせ、走査型プローブ顕微鏡などにおいてナノメートルオーダーからの移動が可能になるという。 東京工業大学は、弾性表面波モータ【写真41】【写真42】やECFモータ【写真43】などを出展していた。弾性表面波モータは、弾性体の表面だけにエネルギーが集中して伝搬する振動(レイリー波)を駆動源とするもの。最大推力10N、移動速度1m/secと高速で、サブナノオーダーの分解能で制御できる見通しだという。
一方、ECFモータは、機能性流体として、不均一な電界を発生させるとジェット流を生じるECF(電界共役流体)を利用したもの。直径数mm以下のマイクロモータやマイクロポンプを展示していた。 名古屋大学では、人の触覚の知見から、触覚センサやディスプレイに応用するさまざまな研究を進めている。触覚部で圧力とすべりを検出できるポイントを開発し、それをアレイ状に多数配置した触覚センサやディスプレイの研究を紹介。たとえば、41個の3軸触覚センサを搭載したロボットフィンガーでは、【写真44】のように、柔らかい紙製の箱をつぶさずにハンドリングすることができるという。 高温・強磁場などの特殊環境下で利用できる静電・磁気・熱駆動型のアクチュエータを研究しているのは東京大学の研究室。静電フィルムアクチュエータは、薄型軽量の非磁性材で構成されるリニアモータとして機能する【写真45】。
一般的な電磁モータでは永久磁石が用いられるが、高温では磁化が失われてしまう。一方、強磁場では周囲の磁場にって、モータ性能が発揮できなくなる。逆にモータから磁場を発生すると、MRIなどの医療機器では利用できない。この静電フィルムアクチュエータは、駆動に磁場を必要とせず、なおかつ高電圧・小電流で駆動するためモータ自体から磁場の発生が少ないという特徴がある。 また、熱駆動型のアクチュエータとして、バイメタルを用いて推進力を発生させる研究のデモも行なわれていた【写真46】。高温(60度以上)のアルミ平板の上に、丸めたバイメタルを置くと、温度差によってバイメタルが湾曲し、非対称な曲げ変形が起こる。そこで推進力が発生するので、一方向に移動させたり、円板の中に重りを置いて振り子運動をさせることが可能になる【動画14】。構造がシンプルで安価、高温で使用できるというメリットがあるという。このほかに、磁歪・圧電材料を複合させて、消費電力ゼロで磁気力を保持できるアクチュエータや、250度で利用できる高温用磁気センサも紹介されていた。
このように現在、各大学や研究機関ではロボット要素技術の研究開発を推進している。ロボットというと、どうしても完成された機能に目が向きがちだが、これらを支える基礎的な研究はとても重要なものばかり。基礎研究の中からブレークスルーとなる次世代アクチュエータが生まれてくることを期待したい。 ■URL TECHNO-FRONTIER http://www.jma.or.jp/TF/
（ 井上猛雄 ）
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