★機械システム設計 ★機械設計では，常に「兼ね合い」が重要！ ★機械を「システム」として組み立てる重要性 ★機械を作り上げるための作図の技術 ●機械システム設計とは ★システム設計はとても広範囲！ ★機械全体を適切なバランス（兼ね合い）に保つことが重要！ ●システム設計に必要な知識 ★材料力学 ★熱力学 ★流体力学 ★機械力学（振動） ★機構学 ★計測・制御工学 ★機械材料学 ★機械加工学・・・【例１】人力水中翼船の設計人力水中翼船 ★船体と水との間の摩擦抵抗が大幅に低減できる！ (1) 人力水中翼船の構造翼翼人力水中翼船の構造 ★翼について ★揚力を利用する！ (2) 人力水中翼船の設計と性能 MOVIE 課題① 水中翼船が高性能となる理由を考えなさい。船体が浮いている状態？ ★水中翼の効果？ 200 mの直線距離を水中翼なし 55秒水中翼あり 1分14秒水中翼なし水中翼あり (3) まとめ失敗の原因 ★船体が重く，大きい翼を必要としたこと ★翼の抗力が人間の脚力と比べて大きかったこと ★適切な加速ができるプロペラが開発できなかったこと ★各要素の個別の設計だけでは総合的な性能向上は難しい！【例２】旋回性能実験用魚ロボットの設計高速遊泳優れた旋回性能優れた加速性能機敏な動き力強さ器用さ ★魚ロボットの旋回性能を調べる！ (1) 魚ロボットの旋回方法 ★実際の魚は様々なひれを利用して，推進・旋回をしている。実際の魚のひれ課題② 魚ロボットの旋回方法を考えなさい。その際，できるだけシンプルな方法を考えること。 ★尾ひれを利用した旋回方法の例 (2) 実験用魚ロボットの設計例 (a) 設計コンセプト ★体高が高い体形（側扁形）→タイをモデルとする。 ★魚ロボットの小型化を目指す。 (b) 基本構造 ★2つの関節 ★サーボモータによる駆動 ★簡単な設計計算トルクの計算結果 ★どの程度の周波数で運転できるのか？ (c) 形式の検討 ★適切な形式はどれか？サーボモータとバッテリの配置 (d) 詳細構造実験用魚ロボットの構造 ★魚ロボットの外観 MOVIE (3) 実験用魚ロボットの旋回性能 (a) 旋回モードA 旋回モードAの実験結果 MOVIE ★振幅の影響実験結果 (b) 旋回モードB 旋回モードBの実験結果 MOVIE (c) 旋回モードC 旋回モードCの実験結果 MOVIE (4) まとめ ★機械システム設計では，問題に対する解決手段を考えることが重要である。本魚ロボットの設計例で言えば， ★魚ロボットの旋回方法を考えたこと ★サーボモータやバッテリの配置を考えたこと ★基本構造を決定する際にも，工学的に説明できるような考えを持つことが重要である。【例３】高速化を目指した魚ロボットの設計高速遊泳優れた旋回性能優れた加速性能機敏な動き力強さ器用さ魚ロボットを高速化するには？課題③ 魚ロボットを高速化する方法を考えなさい。高速遊泳優れた旋回性能優れた加速性能機敏な動き力強さ器用さ (1) 魚ロボットを高速化する方法の例周波数up 今までに開発した魚ロボット ★手持ちのデータを有効に利用する！高速化 ★魚ロボットの基本構造 •直流モータによる高周波数運転 •旋回用と推進用の2つの関節 •細長い形状細長い形状高速化 (2) 実験用魚ロボットの設計尾部の最高速度尾部の最大荷重関節の最大トルクモータの最大出力簡易設計計算モデル魚ロボットの寸法関節位置減速比 ★計算結果の一例 (3) 実験用魚ロボットの構造実験用ロボットの構造 ★実験用魚ロボットの外観 MOVIE ★胴体内部の部品 ★尾ひれの駆動機構 (4) 実験用魚ロボットの性能 (a) 遊泳速度周波数と速度の関係 (b) 消費電力周波数と消費電力，平均出力の関係 (5) まとめ ★機械システム設計では，問題に対する解決手段を考えることが重要である。本魚ロボットの設計例で言えば， ★魚ロボットを高速化する方法について検討している。 ★簡易的な計算であっても機械設計に役立つ。 ★システム設計においては，必要に応じた計算を行いたい。 ★ただし，実機における魚ロボット周りの水の流れと計算における仮定とは大きく異なっているのは明らか！ ★魚ロボットの詳細な特性を見積もるためには，水の流れを考慮した解析が必要！【例４】風力エネルギー利用船の概念設計エネルギー問題や環境問題を考える！ (1) 風力エネルギーの利用方法 ①船上に風車を利用した発電システムを搭載する。 ★風力とエンジンを利用した帆船 ②風力エネルギーを直接推進力として利用する。課題④ 風車（発電機）を利用した船と帆を利用した船の利点・問題点を考えなさい。 (2) 風力エネルギー利用船の性能試算北太平洋の風向・風速 ★北大西洋を航行する！ ★想定する帆船 ★計算結果 ★速度が高いほど「得」をする？ (3) まとめ ★このような大規模な機械を作り上げるためには・・・より詳細な性能試算多くの実験的検討装置のメンテナンス装置を動かすためのエネルギー試算船の操作性や安全性など・・・多くの総合的な設計を進める必要がある。 ★自然エネルギーを有効に利用したい！課題⑤ これからの時代は，地球環境保全とエネルギーの有効利用が重要となる。そのような観点から，新しい機械システムを考え，その具体的な構造を図面に表しなさい。また，使用方法並びに効果について，文章で説明しなさい。