テクノフロンティア 2014・モーションエンジニアリング展

法政大学 高機能メカトロデザイン研究室
Laboratory for Advanced Mechatronics Design, Hosei University

法政大学大学院 先端モーションシミュレータ技術研究所
Hosei University Research Institute for Advanced Motion Simulators
研究所のミッション
広範な技術の横断･複合･高度化が求められる先端モーションシミュレータと動力伝達システムの技術分野の研究開発の進展に貢献し，関連技術者や研究者の情報交換や交流と育成およびモーションシミュレータと動力伝達システムという総合学際分野の教育研究に資することを目的として，法政大学大学院 先端モーションシミュレータ技術研究所（HAMS）が設置されている．本研究所は，学内におけるモーションシミュレータと動力伝達システムやアクチュエータに関する最新の学際的共同研究活動を広く学外にもアピールするとともに，関連する国内外の企業・研究者や研究機関と積極的に連携し,モーションシミュレータと動力伝達システムに関する研究を強力に推進している．

三脚パラレルメカニズム
HAMSで開発された三脚パラレルメカニズム（特許第4942046号，特許第5477737号）は，アクチュエータで支える従来のスチュアート形パラレルメカニズムに比べ，駆動用アクチュエータをすべて土台に配置するため，機敏な運動性能を実現できる．またこれをモーションシミュレータの運動機構に用いることにより，従来のス
チュアートプラットフォーム形と比べ，広い可動範囲と大きな可動角度を実現できるため，各方面で関心を呼んでいる．今後はシミュレータ分野だけでなく，印刷や研磨などの曲面用可動ヘッド機構，パーソナルモビリティーの運動機構などへの応用を考えている．

試作モデル1号機

試作モデル2号機

可動範囲・角度や設置面積の比較
Stewartplatform MBEP-6DOF/36/
8000KG

x=±0.83y±0.85m>±0.72

z±0.95m

>

±0.59



±89.9°>±22.0°

±0.83m

Area



Angle

Displacement

Planar type of
tripod parallelmechanism試作モデル3号機－89.9 ~
－25.2 ~>
+59.1°+27.9°±24.0°>±34.4°
5.6m×5.6m=30.25m2<5.8m×5.8m=33.64m2

姿勢運動解析のために開発したバーチャルフライトシミュレータ

平成23年度機械工業振興補助事業「ビークル用小形シミュレータ研究補助」（財団法人JKA 2011～2012年）
ふくしま医療福祉機器開発事業「パラレルメカニズムにおける姿勢解析」（株式会社菊池製作所 2013～2014年）
お問い合わせ先 法政大学デザイン工学部システムデザイン学科 教授 田中 豊

TEL 03-5228-1409

http://www.edn.hosei.ac.jp/sd/

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Laboratory for Advanced Mechatronics Design, Hosei University

パラレルメカニズムとその産業機械装置への応用
本研究プロジェクトでは，新たに提案したパラレルメカニズムの運動特性を様々な産業機械やシミュレータ，パーソナルモビリティーに応用し，巧みな運動や姿勢変化をともなう高機能な次世代機械システムを実現する．

プロジェクトでは，パラレルメカニズムを曲げ加工機に用い，プラットフォーム上のダイス姿勢を自由自在に変化させ，パイプを自由に曲げられる加工機を開発した．

平面・回転運動形三脚パラレルメカニズム
HAMSで開発された三脚パラレルメカニズム（特許第4942046号，特許第5477737号）は，アクチュエータで支える従来のスチュアート形パラレルメカニズムに比べ，駆動用アクチュエータをすべて土台に配置するため，機敏な運動性能を実現できる．またこれを運動機構に用いることにより，従来のスチュアートプラットフォーム形と比べ，広い可動範囲と大きな可動角度を実現できるため，各方面で関心を呼んでいる．

試作モデル1号機

平面運動形三脚パラレルメカニズム

試作モデル2号機

HAMSで開発された平面運動形三脚パラレルメカニズム（特許第4942046号）は，3本の足先に球面対偶を持つアクチュエータがそれぞれ独立にxy平面運動を行い，回転対偶で支えられたプラットフォーム姿勢が6自由度で変化する運動を行うメカニズムである．1号機は6本のリニアアクチュエータを2本づつ組み合わせ，2号機
はソーヤ型平面リニアモータを3つ組み合わせて独立した平面運動を実現している．

回転運動形三脚パラレルメカ
ニズム（ 特 許第5477737号）
は，3本の足先がそれぞれ独立に半径方向に直線運動をしながら回 転運動 を行 いプ
ラットフォーム姿勢が6自由度で変化する．3号機と4号機
は3本のリニアアクチュエータと3つのロータリーアクチュエータを組み合わせて独立した運動を実現している．

試作モデル4号機

平面運動形三脚パラレルメカニズム

平成23年度機械工業振興補助事業「ビークル用小形シミュレータ研究補助」（財団法人JKA 2011～2012年）
ふくしま医療福祉機器開発事業「パラレルメカニズムにおける姿勢解析」（株式会社菊池製作所 2013～2014年）
お問い合わせ先 法政大学デザイン工学部システムデザイン学科 教授 田中 豊

TEL 03-5228-1409

http://www.edn.hosei.ac.jp/sd/

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三脚パラレルメカニズムの特長と応用
HAMSで開発された三脚パラレルメカニズム（特許第4942046号，特許第5477737号）は，アクチュエータで支える従来のスチュアート形パラレルメカニズムに比べ，駆動用アクチュエータをすべて土台に配置するため，機敏な運動性能を実現できる．またこれを運動機構に用いることにより，従来のスチュアートプラットフォーム形と比べ，広い可動範囲と大きな可動角度を実現できるため，各方面で関心を呼んでいる．

三脚パラレルメカニズムの応用
回転運動形三脚パラレルメカニズムをフライト
シミュレータの運動機構に用いることで，従来より狭い設置スペースで，より大きな可動角度（可動作業領域）と高速な運動性能を実現できる．また三脚パラレルメカニズムは，従来のスチュアート形メカニズムに比べ，広い角度領域で大きな可動作業領域を確保できる．

X軸まわりの可動作業領域

三脚モデルと従来モデルの大きさ比較（イメージ）

Y軸まわりの可動作業領域

三脚パラレルメカニズムの運動機構を3つの全方向車輪を持つパーソナルビーク
ルに応用することで，乗降時や路面傾斜に応じて姿勢が変えられる．

三脚パラレルメカニズムを用いたパーソナルモビリティーのイメージ図

三脚パラレルメカニズムの運動機構を印刷や研磨加工用ヘッドに用いることで，滑らかな曲面形状に対応できる．

3Dプリンタヘッド駆動イメージ図
平成23年度機械工業振興補助事業「ビークル用小形シミュレータ研究補助」（財団法人JKA 2011～2012年）
ふくしま医療福祉機器開発事業「パラレルメカニズムにおける姿勢解析」（株式会社菊池製作所 2013～2014年）
お問い合わせ先 法政大学デザイン工学部システムデザイン学科 教授 田中 豊

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油中気泡の分離除去による油圧動力伝達システムの高性能・高強度化
油圧動力伝達システムの作動油中の気泡はシステムで発生する様々な問題（作動油の酸化劣化，剛性の低下，キャビテーションの発生，作動油の温度上昇，騒音や振動など）の原因となる．本研究では，作動油中の気泡を積極的に分離・除去する装置の開発とその効果を実験と数値解析の両面から検証している．
流入口

気泡除去装置の原理
集合気泡

流入口から気泡が混入した作動油が流入すると，装置内部で旋回流が生じる．この旋回流により密度の小さな気泡が放気口

流出口

装置の中央に集合し，この気泡を放気口から排出させることで，気泡を除去することができる．

除去された気泡
流入口

流れの可視化実験と数値解析
圧力計

圧力計
ポンプ

20mm

流量計

流量計

圧力計
M

エア・コンプレッサ

リターン
フィルタ

空気吸い込み15mm

目視監視窓
気泡除去装置
内部可視化
目視
監視窓
高速度カメラ

2.5 min

5 min

気泡除去装置ON

10mm

気泡除去装置
OFF

0 min

タンク
内部可視化

15mm

サクションフィルタ20mm

温度計

10mm

可視化用油槽

空気の体積分率[-]0.00

気泡除去装置を用いることで，タンク内の気泡を短時間で除去することができる．

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

気泡除去装置の形状パラメータを変更することで，気泡の分離除去性能が大きく向上する．

戦略的基盤技術高度化支援事業「油圧動力伝達システムに使用する油中気泡除去技術の開発」（経済産業省 2010～2013年）
科学研究費 基盤研究（C) 26420086 （日本学術振興会 2014～2016年），特別研究員奨励費 25・9669（日本学術振興会 2013～2015年）
私立大学戦略的研究基盤形成支援事業「グリーンテクノロジーを支える次世代エネルギー変換システム」（文部科学省 2013～2017年）
お問い合わせ先 法政大学デザイン工学部システムデザイン学科 教授 田中 豊

TEL 03-5228-1409

http://www.edn.hosei.ac.jp/sd/

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油圧動力伝達システムの高圧化と油中気泡の影響
高出力密度を有する油圧動力伝達システムのアクチュエータは，要素機器のさらなる小形化，高出力化が求められ，高圧化が進んでいる．高圧にともない，油中気泡によるキャビテーション壊食，体積弾性係数の低下，油温の上昇，油の酸化劣化の促進などの影響がより顕著に表れる．本研究では，作動油中の気泡を積極的に分離・除去する装置を用いることで，こうした影響を低減できることを実験的に明らかにしている．

キャビテーション壊食の低減実験
0.14

試験片表面

キャビテーションクラウド
試験片壊食量 [g]40 MPa

気泡除去
OFF

試験片

気泡除去
ON

円筒形絞り

気泡除去ON
気泡除去OFF

0.120.100.080.06
0.04
0.020.000体積弾性係数の実験結果

2468
実験時間 ［min］

1012

油の酸化劣化の実験結果

全酸価値 [mg KOH/g]

0.40

体積弾性係数 [MPa]

1000

500

気泡除去ON
気泡除去OFF

51

気泡除去ON
気泡除去OFF

0.300.250.200.150.100.05

1000.50.350.0050100

圧力 [MPa]

96192288384480

実験時間 [h]油温上昇の実験結果（フィールド試験）
35

上昇温度 [℃]

油圧ショベルに搭載した気泡除去装置

気泡除去OFF3025

気泡除去ON

2015105001020304050607080

実験時間 [min]

作動油中の気泡を除去することで，キャビテーションの発生量が低減し，機器部材の壊食量が低減した．
見かけの体積弾性係数が大きくなり，油の温度上昇や酸化劣化時間が抑制され，長寿命化が実現された．
戦略的基盤技術高度化支援事業「油圧動力伝達システムに使用する油中気泡除去技術の開発」（経済産業省 2010～2013年）
科学研究費 基盤研究（C) 26420086 （日本学術振興会 2014～2016年），特別研究員奨励費 25・9669（日本学術振興会 2013～2015年）
私立大学戦略的研究基盤形成支援事業「グリーンテクノロジーを支える次世代エネルギー変換システム」（文部科学省 2013～2017年）
お問い合わせ先 法政大学デザイン工学部システムデザイン学科 教授 田中 豊

TEL 03-5228-1409

http://www.edn.hosei.ac.jp/sd/

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アクチュエータの性能と動向の比較
フルードパワーアクチュエータは油圧や空気圧などの流体仕事から機械仕事への変換器である．シリンダを利用した直線運動やモータを利用した回転運動など機構的に両者を容易に実現できる．一方，電気アクチュ
エータは電気エネルギーから機械的運動エネルギーへの変換器であり，電気モータによる回転運動の実現が電気アクチュエータの代表である．近年，直線運動を実現できるリニアモータも製品化されるようになったが，種類はまだ少ない．本研究では，最新の回転形の油圧，空気圧アクチュエータをパワー密度やパワーレートの観点から整理調査して最新の電気モータの性能と比較することにより，現状のアクチュエータの特長と今後の動向について検討している．
質量：m

[kg]

パワー密度： Pd (= Pr／m)[W/kg]

定格出力： Pr[W]パワーレート： Q (= Tr2／Jm)[W/s]

慣性モーメント： Jm[kg m2]

パワーレート密度： Qd (= Q／m)

[W/(kg s)]

定格トルク

： Tr

[N･m]

定格トルク[N･m]1.0E+07
1.0E+06
1.0E+05
1.0E+04
1.0E+03
1.0E+02
1.0E+01

パワー密度[W/kg]

小形
中形
大形
質量
小 → 電気モータのみ（DC主流）
中 → ACと空気圧
大 → 油圧，電気混在
超大 → 油圧のみ
Tr∝m4/3

1.0E+05

超大形

1.0E+04

ラジアル
ピストン
モータ

1.0E+03

1.0E+02

1.0E+00
1.0E-01

小形ピストンモータ

Tr∝mダイレクトドライブACサーボ

1.0E-02
1.0E+01
1.0E-03
1.0E-04
1.0E-05
1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+00
1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+00

質量[kg]

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

質量[kg]

パワーレート[W/s]

パワーレート密度[W/(kg s)]
1.0E+04

1.0E+07
1.0E+06

1.0E+03

1.0E+05
1.0E+04

1.0E+02
1.0E+03
1.0E+02

1.0E+01

1.0E+01
1.0E+00

1.0E+00
1.0E-01

1.0E-01

1.0E-02
1.0E-03

1.0E-02

1.0E-04
1.0E-05
1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E-03
1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

質量[kg]
AC1‐∑‐ⅡAC2‐MR‐CAC5‐R2
Oil Swash plate piston‐2
Oil Swash plate piston‐7
Air Vane‐1
Air Radial piston‐2

AC1∑‐ⅤAC3‐MAMAAC5‐Q1
Oil Swash plate piston‐3
Oil Bent axis piston‐1
Air Vane‐2
Air Radial piston‐3

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

質量[kg]
AC1‐∑‐mini
AC3‐MHMA
DC1
Oil Swash plate piston‐4
Oil Bent axis piston‐3
Air Vane‐3
Air Turbine‐6

AC1‐DirectDriveAC4‐OMNUC‐W
DC2
Oil Swash plate piston‐5
Oil Radial piston‐1
Air Vane‐4

お問い合わせ先 法政大学デザイン工学部システムデザイン学科 教授 田中 豊

TEL 03-5228-1409

AC2‐MR‐J2
AC4‐OMNUC‐G
Oil Swash plate piston‐1
Oil Swash plate piston‐6
Oil Radial piston‐2
Air Vane‐5

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