第5回 アクチュエータ

  • アフィリエイト広告を利用しています
アクチュエータとは|ASPINA

ロボットの定義(おさらい)

要素技術系分類制御回路
・情報を感知し(センサー 系)入力    
・判断し   (知能・制御系)処理(制御)
・動作する  (駆動   系)出力    

アクチュエータ

ロボットアクチュエータ

アクチュエータの定義

「アクチュエーター」とは、“エネルギー”を、直進移動や回転・曲げなど、何らかの“動作”に変換する装置のことです。

エネルギーを動きに変える装置 ~アクチュエーターとは~ : オリンパス技術紹介 : オリンパス

広い括りでは
外界に何らかの影響を与えるもの
と言える。

五感イメージ
「五感を研ぎ澄ますとは! – 七田式板橋教室」

()内は人間の感覚に対応。

  1. 音出力(聴覚)
  2. 電磁波出力
    • 光(視覚)/電波
  3. 触覚出力(触・圧覚)
  4. 温度出力(温冷覚)
  5. 運動出力
    • 回転/直線
    • 振動出力(振動覚)
    • 平衡出力(平衡感覚)

1. 聴覚出力

スピーカー

スピーカーとイヤホンどっちがいい? | milky way ~星屑のブログ~

構造と原理

スピーカーユニットの断面図

スピーカーユニットから音が出る原理

  • ボイスコイルに、音波に対応した電流が流れる
  • 周囲のマグネットと反応して、コイルに振動が発生
  • コーン紙が振動して空気に振動が伝わり、音が出る
    • 流れる電流の大きさによりコーン紙の振動の幅は変わる

スピーカーの種類

3Wayスピーカー
バスレフ型
  • スピーカーユニット数の違い
    • フルレンジ
      • すべての音域を1つのスピーカーユニットで再現
    • 2Way
      • 低音用と高音用のスピーカーユニット
    • 3Way
      • 低音用、中音用、高音用、のスピーカーユニット
  • 構造の違い
    • 密閉型
    • バスレフ型:低音が補強される

参考

オーディオシステムの中でもスピーカーは、オーディオにおける音の出口。収録された音楽の信号がアンプを通り、最終的に耳で聴くことができるように空気の振動にする大切な役割を果たす装置。 実際のところスピーカーはどういう仕組みか、どんな種類があるのか、そして繋ぎ方やセッティングなど、スピーカーについて基本の基本からご説明しまし...
スピーカー音の改善
林 正儀のオーディオ講座 – PHILE WEB

スピーカーユニット単体だと、前後の音波が打ち消しあって、響かない。

バッフル板で前後を仕切ると、よく聞こえるようになる。

2. 電磁波出力

  • 電磁波
    • 電波
「電波」と「電磁波」のちがい|くらしの中の電波

2-1. 光(ディスプレイ、ライト)

液晶ディスプレイの原理

  • 液晶ディスプレイは多数の画素から構成
    • スマートフォン、ノートパソコンなど
  • カラー表示のために、1つの画素は3つのサブ画素で構成
    • サブ画素:RGB(赤緑青)
    • スマートフォンで使われている画素数
      • Full HD(フルハイビジョン規格)解像度では、
        サブ画素は約622万(1080 x 1920 x 3= 6,220,800)
  • サブ画素毎に一つのTFTが必要
    • 多数のサブ画素の液晶を正確に動かすため
    • TFTはThin Film Transistor(薄膜トランジスタ)の略
      • 各サブ画素の液晶に適切な電圧をかけるためのスイッチ
      • TFT液晶ディスプレイの仕組み
        • 液晶にかける電圧を変化
        • させて、偏光板2枚を含めた透過率が変化
        • バックライトからディスプレイ表面に通過する光の量が変化

参考

次世代ディスプレイ「マイクロLED」
液晶や有機ELに代わる未来のディスプレイ「マイクロLED」とは? |パーソルテクノロジースタッフのエンジニア派遣

関連

3Dホログラムディスプレイ「HYPERVSN(ハイパービジョン)」
Hypervsn Wall – Projects 3D Holographic Effect
最先端3Dホログラムディスプレイは店頭で抜群の集客力!裸眼で認識できる「HYPERVSN(ハイパービジョン)」特設サイトオープン – ロボスタ
  • 裸眼でも知覚できる美しい3D映像を表示
  • 「3D映像の作成・投影管理」までを⼀括で行うことが出来る
  • 3Dホログラム
    • 写真などの映像データを、特殊なディスプレイやレンズ、プロジェクター等を用いる事で、あたかも実物が目の前にあるかのような立体映像を映し出す技術
    • 同ディスプレイで投影される映像は、まるで空中に浮かんでいるような錯覚を引き起こし、より強い印象を視聴者に与える

2-2. 電波(Wi-Fi)

Wi-Fi(ワイファイ)とは?│UQ WiMAX(wifi/ルーター)【公式】
  • Wi-FiはWireless Fidelity(ワイヤレス・フィディリティ)の略
    • 日本語では「高品質な無線通信」というニュアンス
  • Wi-Fiは無線LAN規格の1つ
    • 正確には無線LANとも異なる
    • 似たような通信規格としてBluetoothがあるが、別の通信規格
  • 50mから最大約100mまでの距離で通信が可能

歴史

  • 1990年代前半に無線LANが登場、まだWi-Fiは存在してない
  • 無線LANでデータをやりとり
    • 各メーカーがそれぞれ違うプロトコルを使っていた
    • 異なるメーカーの機器同士で通信不具合が多く発生
  • 国際標準規格IEEE802.11
    • 問題無く無線LAN通信できるかテスト
    • クリアした製品にWi-Fiというブランド名をつける許可

電波の種類を選ぶ(途切れる・不安定編) | ひまわりネットワーク株式会社

関連

Wi-FiルーターのDIYブースターは役に立つのか

DIY Router Booster, Dose It Even Help? Aluminum foil + Soda Can

3. 触覚出力

ハプティクス

ハプティクスがコミュニケーションの未来を変えていく【Media Innovation Labレポート.11】 | “生活者データ・ドリブン”マーケティング通信

ハプティクスとは

  • 触覚技術のこと
    • 力や振動、何らかの動きなどを、デバイスを通じて伝える技術
      • 携帯電話のバイブレーション機能
      • ゲームコントローラーなどはすでにある
    • 最先端のハプティクス
      • 力や振動によって体験を再現
      • メディアやコンテンツ体験を補う
      • 遠隔で何か操作をする際に、実際にモノに触れたような
        フィードバックを返す
ハプティクスがコミュニケーションの未来を変えていく【Media Innovation Labレポート.11】 | “生活者データ・ドリブン”マーケティング通信

関連

「脳で書く」「皮膚で聴く」
4月19日にサンノゼで行われたフェイスブックの年次開発者イベントF8の基調講演から、前編に続き、後編の内容をレポートしていきます。 イベントの2日目に行われた基調講演では、サービスの発表が行われた1日目の基調講演と異なり

4. 加熱・冷却出力

4-1. ヘアドライヤー

ヘアドライヤー | つもりTech

ヘアドライヤーは、熱々の熱源(主に電熱器)にファンの風をあてることで、
温風を生み出す装置です。

  • ファンは電気モーター駆動
  • 電熱器は、電気を通すことで熱を生じさせる抵抗加熱式

コンセントを差して電源を確保したら、スイッチON。

  • モーターによりファンが回転
  • 電熱器が加熱
  • 電熱器にファンの冷風が送られる
  • 冷風が電熱器の熱を奪って、出口へ
  • 温風が出る

4-2. クーラー

エアコンの仕組みと内部構造!冷房・暖房や室外機の故障トラブルについても解説 | 電気工事なら電気の110番

エアコンの構成

  • 室内機
    • 熱交換機(蒸発)
    • 部屋内への
      送風ファン
  • 室外機
    • 熱交換器(凝縮)
    • 冷却用ファン
    • 圧縮機
      (コンプレッサ)
    • 減圧機
  • 内外に2系統のパイプ
    • 「冷媒」が充満

冷房の仕組み

  1. 室内の熱が熱交換機で冷媒に伝わる
    • 冷媒の気化熱を利用
    • 低温の空気がファンで室内へ
  2. 熱を含んだ冷媒はパイプを通じて外へ
    • 冷媒がコンプレッサで圧縮
    • 高温高圧の液体になり室外機へ
  3. 熱交換機で冷媒を冷却
    • 放熱フィンとファンによる
  4. 減圧機で冷えた液体へ変化
    • 小さな穴から広い空間へ
      一気に放出されることで膨張
    • 膨張の過程で起こる
      「断熱冷却」によって
      低温低圧の液体に変わる
  5. 再び室内機側に送られて室内の熱を吸収

5. 運動出力

5-1. 回転(モーター)

構造と原理

実例

モーターを使用している製品 | 東芝デバイス&ストレージ株式会社 | 日本

参考

回生ブレーキ
第22回 モーターと回生ブレーキ 時速270kmの新幹線は、発電しながら止まる! | 電気工学を知る | パワーアカデミー

閑話

二足歩行とホイール走行のハイブリッド
  • 二足歩行
    • 不整地(デコボコの地面)でひっかかりにくい
    • バランス取るの難しい、複雑
  • ホイール(タイヤ)走行
    • 整地では走りやすい、安定
    • 不整地では、スタックする
    • 不整地でも、姿勢の安定はそこまで難しくない?
  • 両方を兼ねて、いいとこ取り

5-2. 直線(シリンダ)

構造と原理

油圧シリンダ| よくわかる油圧講座 | 油圧機器 | ダイキン工業株式会社 油機事業部

油圧シリンダーの特徴

  • メリット
    • 少ない力での操作が可能
    • 振動が少ない
    • 遠隔操作が可能
  • デメリット
    • 高圧になると油漏れが発生しやすい
    • 温度によって効率が変化する

実例

油圧や空圧、「フルードパワー」がロボットを動かす 課題は売り方? IFPEX2021レポート – ロボスタ

参考

サイレントパイラー(油圧式 杭圧入引抜機)
YouTube でお気に入りの動画や音楽を楽しみ、オリジナルのコンテンツをアップロードして友だちや家族、世界中の人たちと共有しましょう。

Atlas™ | Boston Dynamics

Atlas | Partners in Parkour

閑話

BigDog | Boston Dynamics(本物)
BigDog Overview (Updated March 2010)
ビッグドッグ – Wikipedia
BigDog Beta | seedwellcomedy(ニセモノ)
BigDog Beta (High Quality) – early Big Dog quadruped robot testing

5-3. 振動(バイブレーター)

スマホやゲームコントローラーなどの振動を発生。

振動モーターの内部構造 | Brusher

原理

でんじろう先生のはぴエネ!:中京テレビ
  • 回転軸から離して、重りをつける
  • 回転させると、軸がブレて振れる

閑話

The soothing, relaxing and vibrating home, huh?

Seven (1995 film)

5-4. 平衡(トルク反動)

超小型三軸姿勢制御モジュール

1点でバランスを保つ謎の立方体!JAXA開発『超小型三軸姿勢制御モジュール』
  • 回転する円盤を止める反動で動く
  • 逆回転の反動をつくり、バランスを取る
1点でバランスを保つ謎の立方体!JAXA開発『超小型三軸姿勢制御モジュール』

閑話

宇宙空間での姿勢制御アクチュエーター
映画「閃光のハサウェイ」より

【劇場版】閃光のハサウェイの疑問点を解説・考察します | ななゆープラモデリング!
  • ネタバレ注意
  • 宇宙空間で◯◯◯◯を受け取るシーン
  • 姿勢制御にガスを使用
    • カーゴ(輸送船)と速度を合わせ、掴むため

参考

『閃光のハサウェイ』の宇宙作戦シーンはエヴァを超えるか?|ツヤマ ユウスケ
1/15から4週に渡って放送の『機動戦士ガンダム閃光のハサウェイ」テレビエディション(MBS/TBS系・日5枠)。2021年公開の大ヒットガンダムが地上波初登場ということで、作中の細かい描写をじっくり観るチャンスが到来! 是非注目してほしい後半の宇宙作戦シーンについて考察します。 ...
創作物で宇宙空間で姿勢制御や移動のために空気をノズルで噴出していますが、あれはどれくらいの強さで吹いているのでしょうか? – Quora
ガンダムらしさの継承と、”動く美術”を体現。映画『機動戦士ガンダム 閃光のハサウェイ』
公開延期の逆風を物ともせず、6/11(金)の公開から4週目で興行収入15億円を突破する快挙を成...

コメント返し

気づき

スピーカー機能が、複数の患者さん達に指示を出せる

いいですね!指示を出すスタッフがひとりでも、それぞれの患者さんにしか聞こえないスピーカー(例えば指向性スピーカーなど)で活用できるかも。

ちょっと、スタッフがマルチタスクでしんどそう。ある程度はセンサーで危険な動きなど検知でき、自動で注意喚起できると、なおいいでしょうか。

AIと人間

自分が患者の立場なら、コミュニケーションを取りながらリハビリしたい。

ですよね。

しかし、ひょっとすると、今後は流暢に会話できるAIも出てくるかも。ついでに個性も持たせたAI(例えば、論理的/感情的/楽観的/悲観的😂)がいれば、コミュニケーション欲は満たせるでしょうか?

こうなってくると、もはや人間とは何か?みたいな深い話になってきますね^^;

AIだろうが人間だろうが「周りの人が認めるか否か」が大事でしょうか。
例えば、愛着もてるか否か、気に入られるか否か。

業界・業種によっては、人間がいなくなるかも。人間には何ができるのか?

極論を言えば「あなたという人間が幸せを感じること、生きがいを感じること」は、あなたにしかできないこと。あなたが生きていくことは、他の人間にもAIにも真似できない。人間は、あなたらしく生きること、ができる。

あなたらしく生きるとは、どういうことか?

  • 周りの評価を伺いながら生きていると、その素晴らしい個性が見えにくい
  • 自身の在り方・生きがいをハッキリ持てる人ほど、AIに勝るとも劣らない存在になる
    • むしろAIをうまく活用できるのでは
      (例えば、自身の考え方に寄せたAIの意見を引き出す→ファンを増やせる?)

クーラーはコンプレッサが圧縮され…

おしい!コンプレッサ=圧縮機ですね。圧縮されるのは冷媒です。聞き慣れない単語だらけなので、眠くもなるし興味持てない人もいるかと。

(私も学生のときは最前列でやらかしたもので)

車のACボタン、ACの意味。車エアコンの暖房は?|チューリッヒ

車のA/Cボタン、ACの意味についてご説明。A/Cボタンはカーエアコンのスイッチです。車のエアコンは、冷たい空気を作るクーラー機能しか搭載されていません。暖房の温かい風は、エンジンの熱を利用して作られています。

ハプティクス

四肢が欠損した人も手足の触覚を感じられるのでは

確かに!

失われた箇所で触覚を得るのは難しそうですが。代わりに、義手義足につけたセンサーから、別の皮膚へ刺激を送るというのは、代替手段になりそうですね。

関連して、前回の授業で割愛したこのサイトが面白い!

「脳で書く」「皮膚で聴く」フェイスブックが考えるコンピューティングの未来【後編】 – Mogura VR News
4月19日にサンノゼで行われたフェイスブックの年次開発者イベントF8の基調講演から、前編に続き、後編の内容をレポートしていきます。 イベントの2日目に行われた基調講演では、サービスの発表が行われた1日目の基調講演と異なり

作業療法に導入できないか

面白いですね!おそらく皆さんより知らないので教わりたいくらいですが。

ハプティクス単体では、筋力部分の訓練にはならない?何か、刺激にたいして反応して筋肉を動かす、といったときの、刺激を感じる部分で活用できるか?

例えば、広い場所でないとできないボールを投げるような動きを、狭い場所で実現できる??


ロボット技術活用論QRコード