第4回 アクチュエータ

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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(RGB)で構成
    • 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 – 3D Holographic Effect Projectors
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とは?種類やメリット、注意点まで初心者向けに解説│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

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「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。

  • 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
  • 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

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、遠隔操作が可能
    • 振動が少ない
  • 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)
【貴重】日本で数台しかない杭打機の紹介と水害を救うプロの仕事が凄まじかった!!【GM2サイレントパイラー】

Atlas™ | Boston Dynamics

Atlas | Partners in Parkour

閑話

油圧Atlasを振り返る
Farewell to HD Atlas
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

  1. 自販機のフローチャート、 飲み物以外は
    • 機構は違えど、同じだと思う
  2. 自販機でニセ500円玉による詐欺。今の自販機なら センサーで見ているから 詐欺はできないのか。
  3. ロボットが人間のように動いている 動画 人間味が強くて怖い。不気味。
  4. 飛んだり バク転しているロボット 当店 もう人間と変わらないな。
    →しかも痛み感じない
  5. 冷蔵庫に店舗や AI の機能を入れると もっと便利になるのではないか。同様に 他の家電でも色々な機能を加えていくと もっと良いものが 開発できるのではないか 新しい発明が必要だ。
    • 肯。ただし 何でも加えれば機能が良くなるかといえばそうでもない。
    • 引き算の美学の方が個人的には好き。
    • あえて、煩わしさや面倒くささを残す
      • 正しいサービス→惚れるサービスや製品を開発
      • ファン(お客さん)を確保する上で重要
    • 参考:夢と金 (幻冬舎単行本)
  6. コントローラーは操作するものだと思っていた
    • 対象が異なるが、間違ってはない
  7. 人間の感覚の視力や 聴覚 などはロボットにも適用される
    • なぞらえただけで…
    • 人間が持っていない感覚で作った方が効率が良い?
  8. 普段使っているものの仕組みはわかると面白い
  9. 作ってみたり 試作してみたりする方が良いんじゃないか
    • その通り。今できる範囲でできそうなことを試していく。いきなり 莫大な費用とか大勢を巻き込むとかは要注意
  10. 車の発電モーター効果が実感できない放電が原因か?
    • かもしれない
    • 車種や状態によるかと
    • そも、一般の車用バッテリー(鉛蓄電池)は、パワー大きいがそこまで持たない
  11. ドライヤーはなぜ大きな音が出るのか?
    • モーターの仕様かな
    • 大きさと風量
  12. 光 ドライヤー しっかり乾かせるのか疑問
  13. エアコンは涼しい風があったかい風 の両方が出るが それはどういう仕組みなのか?
  14. お風呂のお湯をためるとき、ここまで食べると センサーが働いて溜まっているのか 当店 何 L 注ぐと設定されて止まっているのか気になった。
    • 両方ある
  15. テレビの綺麗さを4 K 。Kとは何のことか この先 その上 も出てくるのか。
  16. 戦隊ヒーローもののロボットは作ったらどれぐらいをお金がかかるのか?実現可能なのか?
    • chatGPTに聞いてみましょう
  17. 戦争でもロボットを活用できるか?
    • できるでしょうね
    • PTSD・兵士のメンタル維持・育成効率
  18. 自らの考え 学習指導するものは怖く、人が入力して動くものは安心すると思った。実際には、正しいプログラムをすれば映画やアニメのような放送は起きないと知った。
    • その人次第、あるいは想定外のバグはある
  19. wi-fi は 50m から 最大100 M までの距離で通信が可能。全部の wi-fi がそうではない。長さは何によって違いが出ているのか?
    • 遮蔽物、電波の出力、技術差
  20. なぜ wi-fi の範囲が限られるのか、また なぜ 料金が発生するのか知りたい。
    • 限界もあり、プライバシー事情や混線も
  21. ハイブリッド車 ブレーキで停車後、ブレーキを離すと止まったままだった。これもモーターが関係しているのか。
  22. 車の発電、アクセルを踏んでない時に発生されていることは知らなかった
    • 回生ブレーキなしの車もある(昔は基本なかった)
  23. 自分のスマホや車の機能をうまく扱うことができてないので できるようになればいいと思った
    • 最低限のことはその通り。自分に合ってないことを、無理にするのは おすすめしない。
  24. 人の代わりにロボットが人と関わる仕事をするのは、人同士への関わりがなくなるようで 少し寂しい。
    • 全部を代替させるのではなく、必要なところだけ。現状のロボットと人間の得意不得意があるはず。
  25. ガストで使われている猫型ロボットはこれから色々な店で活躍しそう。
    • 撫でると反応するの すごい
  26. 作業療法の授業でも患者さんに対してフィードバックすることを習った。機械に対しても フィードバックという言葉を使うことに違和感を感じた。
    • 確かに。電気屋 機械や 制御 屋 などは違和感を感じないかも。
  27. AI に将来仕事を奪われる 当店 OT は人とのコミュニケーションを取りながら 関節を動かしたり 検査したりするから、 AI にはできない仕事なので良かった。
  28. 作業療法士も、いつか AI に仕事を奪われそう。
    • 極論 作業療法が楽しい人になれば良いか。
    • AI にとって代わられる可能性もあるが、 AI は感情を持たない
      • 感情を持っているように見せかけることはできるが、あくまで プログラム
    • AI 作業療法ロボットが普及した時でも、ロボットが嫌いな人は絶対にいるはず
      • その時、高級志向の人道作業療法を行えばよいか
    • もっと怖いことを言えば
      • 神経や骨 人の体のほぼ全てが 代替物で置き換えられる
        • あるいは回復できるようになったらその時 OT はどうなるだろうか。
        • それでもやっぱり 人口骨格や神経などを鳴らすのに作業療法は必要な気もする
  29. チャット GPT のような AI が流行し 小中学校の読書感想文 や 大学のレポートなどで利用されているというニュース。文章を書く力の低下や 自分で考える能力が著しく低下してしまうんじゃないかと心配に。
    • その通り。ただ、ヒントをもらったり1事例を教えてもらうのはありかと
    • 読書感想文はともかく、欲しい答えを導き出すための質問を考える=質問力が養われるかも
  30. すでに AI ロボットが先生となって授業してる学校はあるのか?
  31. スマホなどの指紋認証はハプティクスによって行われているのか?
  32. 油圧の力が強いとあったが最大でどれくらいか?
  33. ネットで電波や 電磁波は体に害があるという発信をしている人たちがいる。 日常生活レベルのものなら そこまで 害はないと考えている。どれくらいの周波数の電磁波になってくると 実害が出るのか?
  34. ドラえもんが実際に誕生したら すごく便利になる反面 何でもありになってしまうため 怖い。
    • どうやってうちのドラえもんて 見分けるのでしょうね。
    • その時には、人間がやることは 遊びとか趣味になっているかもしれません。
  35. コメントカードが自分の体験談になって申し訳ない。
    • 体験談 OK。むしろ 配布資料に書いてあることをそのまま書くよりは断然嬉しい
    • ただし 関連性を持たせてくれるとありがたい
    • あるいは 関連性を見出してくれると嬉しい
      • 具体と抽象、 この構成ってあれに似てるなとか。
  36. 高校の物理の先生がスマホに入ってる バッテリーをとても小さくできたら億万長者になれる 本当ですか?
    • 20億人 x 1万円 x 0.3(特許使用料)= 60兆円?!
  37. ロボットとシルエットセンサーによって高齢者の見守りが行われているという実例。停電になった時でもセンサーは起動できるのか。
    • バックアップ電源は用意しているかと

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