(検討中の)バネ機構について

頭痛に悩まされ、カミソリ負けしたrealteckです。

今回は書くべきか悩んだけど、トーションバネ(ねじりバネ)について書く書くと言ってなかなか書いてなかったので、そろそろ一度書こうかなと思った次第です。まだ調べが終わってないので微妙な感じですが。今回も間違っているかもしれないので、あくまで参考程度に(メモですからｗ)

まずトーションバネ選びの前に基本的な種類と特性、あと重要な欲しいトルクを把握しないといけません。

トーションバネは大きく分けて90°、135°、180°にアームが開いたものが主な種類です。

固定方法によって必要とするものも違うけど、自分は多分180°

そして許容変位量、これは結構種類があるのですが、平行リンクの関節に使いたいので90°を超えたものを考えてます。

トルクは計算式が出てるので引っ張ってくることにしました。ただトーションバネ(バネ全般)では応力(Paまたはkgf/mm^2)とトルク(kgf・mm)と間違えやすいので注意してください。あとバネなので基本mmで表記していきます。(あとでサーボモーターのトルク表記のkg・cmやcmにも置き換えます。)

トーションバネを探すと必ずバネ定数というのが出てきます。バネ定数は基本的にN・mm/deg(またはrad)で表されます。degなら素直に角度を、radはラジアンですから角度にπ/180°をかければ準備できます。

N・mmは定点、または中心から1mmで1Nの力を持つということです。

参考までにアーム長12mm(中心から10mm=1cmで固定)、バネ定数0.05N・mm/deg、許容変位量56°のバネを考えます。

バネを56°曲げた場合、0.05*56=2.8(N・mm)です。

1(kgf・mm)=9.8(N・mm)ですので2.8(N・mm)≒0.285(kgf・mm)となります。

サーボモーターのトルク単位がkgf・ｃm(kg・cm)ですので0.0285≒0.03(kg・cm)です。

中心からの長さは1cmなので数値はこれで決定です。1cmで30gですか(^_^;)

サーボはKRS-788HVが10kg・cmぐらいですからあと300倍ぐらい欲しいですね。となると15N・mm/degのバネ。

そこまでは無理できないけど平行リンク内に4つ入れられるから75倍ぐらいで3.75N・mm/degかな。

それもでかすぎるな。1N・mm/degがいっぱいいっぱいなのに・・・無茶しやがるぜ！！

ここまで計算してからでなんですが、トーションバネの特徴は変位量に比例して力が増すところだと思います。

たとえばロボットで直立ではパワーは要らないけど、屈伸から立ち上がるときパワーが欲しいとか、補助トルクが欲しいなんてときはうってつけのアイテムだと考えます。セールス臭いなｗｗ

現在使用検討中。重量と機構とトルクの兼ね合いがあるものの、入れる可能性は十分にありえるわけで。

計算式間違ってるよってところがあったらコメント残しておいてください。

あとトーションバネの使用は内側に曲げるのが正しいです。

トルクの足りないロボットは屈伸時の自重負担50%あたりからでも効果を望めるのではないでしょうか。

逆に屈伸時自重負担200%とかにすると屈伸できなくなりますから、そのへんはうまく考えていかないと大変なことになってしまう。

販売元はトーションバネでググれば出ると思うので気に入った所で。一袋で結構な値段するのでびっくり。

そんなこんな書いているうちに日付が変わってしまった。

ではこの辺で

-11/11/14　追記-

ばねマニアさんよりコメントを頂いたので、内容を修正させて頂きます。

表現内容が一部JIS規格の用語にそぐわない所がありましたので、こちらのほうに幾つか訂正文を書きます。

トーションバネにおいて、標準状態から力(外力)によってアームが曲がった際の、角度の変位量(変位角)を「ねじれ角」

また「トーションバネの使用は内側に曲げる」のが正しいというのは、正確には「巻き込む方向」に使用するとのことです。

対になる「巻き戻す方向」で使用することはふつうはないとのことでした。

またトーションバネを固定する際、案内棒というものを使用します。コイルの中心に位置固定用の棒(丸棒)を入れるのですが、巻き込む方向に捻ることによってコイルの直径が減少するので、直径に対し90%ぐらいの直径の案内棒を使用することが推奨されているとのことでした。

案内棒については、設計途中とバネの選定途中ということもあり後日また細かく触れることにします。

その他バネについて、コメント欄の方でばねマニアさんがリンク等も入れて細かく指摘して下さいましたので、ぜひそちらも参考にしていただきたいと思います。