Inception Drive: ロボット工学用のコンパクトな無段変速機

昨年、SRI のアレクサンダー・カーンバウム氏は、純粋な回転運動に基づく新しい種類の回転トランスミッションであるアバカス ドライブを紹介しました。これは、現在の (そして非常に高価な) 標準であるハーモニック ギアよりもはるかに安価でエネルギー効率がはるかに高いと期待されています。 今、カーンバウムは、別の独創的な、そして巧妙な名前の付いたトランスミッション設計を携えて戻ってきました。 これはインセプション ドライブと呼ばれ、彼はこれを「新しい入れ子のプーリー構成に基づいた超小型の無限可変トランスミッション」と説明しており、ロボットやその他あらゆる種類のものをより安全に、より手頃な価格で、はるかに効率的にするために設計されています。 。

無段変速機の一種である無限可変変速機（IVT）では、変速比にはプラス側またはマイナス側のどちらからでも近づくことができるゼロ点が存在する。 言い換えれば、同じ速度で同じ方向に回転する電気モーターのような一定の入力は、より速く回転する、より遅く回転する、逆方向に回転する、またはまったく回転しない出力に変換できます（この「ギア付き」では）。ニュートラル」モードでは、1 つの出力回転を引き起こすために無限の入力回転が必要になるため、「無限可変トランスミッション」という名前が付けられています。

IVT はすでに存在しており、その概念はまったく新しいものではありません。 SRI の真新しい点は、Inception Drive を既存の IVT よりも一桁小さく、軽量にする賢明なエンジニアリングです。 これは、以前は物理的に不可能だった方法で IVT をロボット アプリケーションに統合できることを意味するため、非常に重要です。

このようなトランスミッションがロボット工学にとって重要である理由は、主にそれによって可能になる効率のためです。カーンバウムは今年初めに ICRA で発表された論文で次のように説明しています。

ロボットトランスミッションの効率が 50% 未満であることは珍しくありません…。 出力速度が頻繁に変化する場合、サイズ、性能、効率に関してモーターと固定比率のトランスミッション システムを同時に最適化することは不可能です。トランスミッションの固定比率により、モーター内で大きな損失が発生します。 たとえば、高品質の電気モーターは、高速かつ低トルクで動作する場合、効率が 90% である可能性がありますが、ロボット用途では、システムは、可能な限り最小のパッケージで必要なピークトルクと速度を達成するように設計する必要があります。このシステムは、ピーク効率付近で動作することはほとんどありません。

可変比トランスミッションは、モーターの速度をそのピーク効率またはピーク出力に合わせるのに役立ちますが、そのサイズ、重量、複雑さにより、歴史的にほとんどのロボットおよび産業用途での使用が妨げられてきました。 ここで、SRI の超小型無限可変トランスミッション (IVT) が重要な役割を果たします。 その小型、シンプルさ、および可逆出力により、可変速トランスミッション用のいくつかの新しいアプリケーションが可能になります。 これは、ロボットの固定比率トランスミッションを置き換えるのに十分なほど小さいため、多くのロボット プラットフォームのエネルギー消費を半分に削減し、モバイル プラットフォームのバッテリー寿命を 2 倍にできると考えています。

ビデオからそれがどのように機能するかを完全に理解できない場合は (そして、Kernbaum さえ視覚化するのが難しいことを認めています)、以下で考え出した説明を読んでから、ビデオをもう一度見て、役立つかどうかを確認してください。

ここでは、ドライブ自体の内部で起こっているため、非常に見えにくい非常に重要なことがいくつか起こっています。 まず重要なのは、2 つのプーリーがどのように相互作用するかです。 もちろん、これは V ベルトによって行われますが、従来のトランスミッションのように、一方のプーリーが回転するとベルトが回転し、もう一方のプーリーも回転するというわけではありません。 むしろ、外側のプーリーは固定されておりまったく回転しませんが、ドライブ内に組み込まれた内側のプーリーは、入力シャフトの中心からずれて取り付けられているため、ぐらつきがあります。 (このデバイスの名前は映画「インセプション」から引用されていますが、夢の代わりに入れ子になった滑車が付いています。)

入力シャフトが内側のプーリーを円運動で揺動させると、外向きの揺動では V ベルトが外側のプーリーから外され、揺動が内側になれば V ベルトが再び下ろされます。 インナープーリーとアウタープーリーの有効径が同じであれば、Vベルトは2つのプーリー間を往復するだけであまり問題はありません。 しかし、インナープーリーとアウタープーリーの有効径が異なる場合、V ベルトは 2 つのプーリーの接続を維持しようとして、どちらかの方向に引っ張られます。 アウタープーリーは回転しないため、Vベルトの力でインナープーリーが回転し、これがトランスミッションの出力となります。

SRI の Inception Drive の断面模式図。 入力軸 (緑色) が内側プーリー (紫色) を円運動で揺動させると、V ベルト (赤色) が外側プーリー (オレンジ色) から外され続けます。 アウタープーリーは固定されており回転しないため、Vベルトの力でインナープーリーが回転し、これがトランスミッション（青）の出力となります。画像：SRI

2つ目は伝達比の変化です。 各プーリーは「プーリー ペア」に分割されており、それらの間に V ベルトが通っていることに注意してください。 伝達比を変更するには、一方のプーリー ペアが遠ざかり、V ベルトがプーリーの半分の間の溝に深く落ち込みます。一方、もう一方のプーリー ペアが互いに近づくと、V ベルトが溝のより高い位置に上がります。プーリーの半分の間。

これによりプーリーの有効径が変化します。V ベルトに関して言えば、最初のプーリーが小さくなり、2 番目のプーリーが大きくなり、伝達比が変わります。 一方のプーリーをもう一方のプーリーより効果的に大きくすると出力が一方向に駆動され、比率を切り替えると出力が反対方向に駆動され、プーリーの効果が同じであれば比率をゼロまで滑らかに変化させることができます。直径が大きくなり、出力はまったく動きません（ギア付きニュートラルモードになります）。

このアニメーションは、2 つの内側プーリー (紫色) をさらに離すことによって、インセプション ドライブが前進ドライブからギア付きニュートラル ドライブ、そして後進ドライブにどのように移行するかを示しています。画像: SRI

SRI は基本的にインセプション ドライブを発明したばかりなので、「このトランスミッションについては学ぶべきことがたくさんある」ことを最初に認めました。 たとえば、ギア比を即座に変更することはできませんが、ほとんどのロボット アプリケーションでは十分な速さで変更できると確信しています。 システム全体の効率や耐久性を調査するためにやるべきことはたくさんあり、次世代のプロトタイプはドライブの特性をより完全に定量化するのに役立ちます。 しかし、彼らが何かを解明する一方で、ロボット工学者が興味を持ちそうないくつかの制御戦略を著者が提案している: