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機械工学において、コンプライアント機構とは、弾性体の変形を通じて力や運動の伝達を実現する柔軟な機構である。コンプライアント機構は、剛体のジョイントだけではなく、部材の相対的な柔軟性から一部またはすべての運動を得る。これらは、モノリシック（単一ピース）構造またはジョイントレス構造である。コンプライアント機構を使用する一般的な装置としては、バックパックのラッチやペーパークリップなどがある。コンプライアント構造を使用する最も古い例の1つは、弓矢である。[1]平面内で製造され、その平面から運動が出現するコンプライアント機構は、ラミナ出現機構（LEM）として知られている。
設計方法
コンプライアントメカニズム設計は、2020年代半ばでも引き続き活発な研究分野です。[2]コンプライアントメカニズム設計には多くの手法が開発されており、大きく2つのカテゴリーに分かれています。[3]
運動学アプローチ
運動学的統合では、コンプライアント機構を剛性要素とコンプライアント要素の個別の組み合わせと見なします。
擬似剛体モデル
最も初期の運動学的アプローチは、機構の疑似剛体モデルに依存しています。 [1]このモデルでは、柔軟なセグメントは、ねじりバネを備えた回転ジョイントに接続された剛性リンクとしてモデル化されます。他の構造は、剛性リンク、バネ、ダンパーの組み合わせとしてモデル化できます。[3] [4]
制約ベースの設計
自由と制約のトポロジー (FACT)とねじ理論に基づく合成では、基本的なコンプライアント要素が最初に定義され、制約の度合いによって分析されてから、複雑なコンプライアント メカニズムの構築に使用されます。
構造最適化アプローチ
これらのアプローチは、機構の構造全体を 1 つの柔軟な物体として扱います。構造のトポロジー最適化には計算手法が使用されます。予想される荷重と目的の動作および力の伝達が入力され、重量、精度、最小応力に対してシステムが最適化されます。より高度な方法では、まず基礎となるリンク構成を最適化し、次にその構成の周囲のトポロジーを最適化します。[要出典]他の最適化手法では、剛性機構を入力としてすべての剛性ジョイントを最適化された屈曲ジョイントに置き換えることにより、屈曲ジョイントのトポロジー最適化に焦点を当てています。[4]構造の動作を予測するために、有限要素応力解析を実行して、構造全体の変形と応力を見つけます。
利点
コンプライアント構造は、複数の部品を使用する同様のメカニズムの代替として作成されることがよくあります。コンプライアント メカニズムを使用する主な利点は 2 つあります。
- 低コスト:コンプライアント機構は通常、単一の構造に製造できるため、必要な部品の数が大幅に削減されます。[要出典]一体型のコンプライアント構造は、射出成形、押し出し成形、3Dプリントなどの方法で製造できます。これにより、製造が比較的安価でアクセスしやすくなります。[1]
- 効率性の向上:コンプライアント機構は、バックラッシュや表面摩耗など、多体機構に影響を及ぼすいくつかの問題に悩まされることはありません。柔軟な要素を使用しているため、コンプライアント機構はエネルギーを簡単に蓄えることができ、後で放出したり、他の形態のエネルギーに変換したりできます。[1]
デメリット
メカニズムの全範囲は、構造の材質と形状に依存します。屈曲ジョイントの性質上、純粋に柔軟なメカニズムでは、通常のジョイントに見られるような連続的な動きを実現することはできません。また、メカニズムによって適用される力は、構造要素が破損することなく耐えることができる負荷に制限されます。屈曲ジョイントの形状により、それらは応力集中の場所になる傾向があります。これは、メカニズムが周期的または周期的な動きを実行する傾向があるという事実と相まって、疲労を引き起こし、最終的には構造が破損する可能性があります。また、入力エネルギーの一部またはすべてがしばらくの間構造に蓄積されるため、このエネルギーのすべてが期待どおりに放出されるわけではありません。ただし、これはシステムに減衰を追加するのに望ましい特性である可能性があります。[1]
アプリケーション
コンプライアント構造の最も古い用途のいくつかは、数千年前に遡ります。最も古い例の1つは弓と矢です。カタパルトの設計の中には、アームの柔軟性を利用してエネルギーを蓄積および放出し、発射体を遠くに打ち出すものもありました。[1]コンプライアントメカニズムは、適応構造や生体医療機器など、さまざまな分野で使用されています。コンプライアントメカニズムは、ロボット工学での把持によく使用される自己適応メカニズムの作成に使用できます。[5] [6]ロボットは高い精度が求められ、範囲が限られているため、コンプライアントロボットメカニズムの研究が広範に行われてきました。マイクロエレクトロメカニカルシステムは、コンプライアントメカニズムの主な用途の1つです。これらのシステムは、組み立てが不要で、構造が単純な平面形状であるため、フォトリソグラフィーを使用して簡単に製造できるという利点があります。[7]
フレキシブル ドライブまたは弾性ドライブは、電気モーターを機械(ポンプなど)に連結するためによく使用されますが、その一例です。このドライブは、2 つの金属ドッグに挟まれたゴム製の「スパイダー」で構成されています。1 つのドッグはモーターシャフトに固定され、もう 1 つはポンプ シャフトに固定されます。ゴム部品の柔軟性により、モーターとポンプのわずかなずれが補正されます。ラグ ジョイントとgiuboを参照してください。[引用が必要]
画像ギャラリー
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レーザー溶接ロボットは、テーブルと固定具の間の適合機構によってワークピースを配置します。 -
適合アイリス機構 – 閉じた状態 -
適合アイリス機構 – オープン -
適合クリップ -
双安定コンプライアントスイッチ機構
参照
参考文献
- ^ abcdefハウエル、 ラリー（2013）。ハウエル、ラリーL; マグレビー、スペンサーP; オルセン、ブライアンM（編）。コンプライアントメカニズムハンドブック。チチェスター、ウェストサセックス、イギリス。p. 300。doi ：10.1002 / 9781118516485。ISBN 9781119953456。
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所が見つかりません 発行者 (リンク) - ^ Li, Chenglin; Chen, Shih-Chi (2023年5月1日). 「コンプライアントな建築要素に基づくコンプライアントなメカニズムの設計。パートI：原則」。精密工学。81 ：207–220。doi ：10.1016 /j.precisioneng.2023.01.006。
- ^ ab アルバネシ、アレハンドロ E.;ファキノッティ、ビクター D.プチェタ、マルティン A. (2010 年 11 月)。 「準拠メカニズムの設計手法に関するレビュー」。Mecánica Computacional。29：59～72。
- ^ ab Megaro, Vittorio; Zehnder, Jonas; Bächer, Moritz; Coros, Stelian; Gross, Markus; Thomaszewski, Bernhard (2017). 「コンプライアントメカニズムの計算設計ツール」. ACM Transactions on Graphics . 36 (4): 1–12. doi :10.1145/3072959.3073636. S2CID 3361104.
- ^ Doria, Mario; Birglen, Lionel (2009-03-17). 「ニチノールを使用した手術用アンダーアクチュエーションコンプライアントグリッパーの設計」(PDF) . Journal of Medical Devices . 3 (1): 011007–011007–7. doi :10.1115/1.3089249. ISSN 1932-6181.
- ^ Hartisch, Richard Matthias; Haninger, Kevin (2023-01-20). 「電気部品の高速ロボット組立て用コンプライアントフィンレイ効果グリッパー」. arXiv : 2301.08431 [cs.RO].
- ^ ハウエル、ラリー L. (2001)。コンプライアントメカニズム（第 1 版）。米国: John Wiley & Sons。pp. 15–18。ISBN 047138478X。
外部リンク
- 曲げ加工機が優れている理由 – VeritasiumのYouTube動画
- [1] - YouTubeビデオ - ディズニーリサーチハブによるコンプライアントメカニズムの計算設計ツール
- [2] - BYU準拠メカニズム研究
- 高速ロボット電気プラグアセンブリ用の準拠 Finray グリッパー – YouTubeビデオ