スマートアクチュエータの制御とロボットへの適用
研究代表者 中村 太郎 研究員
ゴム素材：低アンモニアラテックスゴム 繊維：カーボンロービング
軸方向に繊維を配置
↓ 半径方向に膨張し
軸方向に収縮
◎軟らかい ◎出力・重量比が大きい
◎人間の特性に近い ◎発熱しない
Decompression
Compression
180[mm] 14[mm]
10[mm]
Ring Wire
Wire connection terminal Fixing terminal Pressure supply
Amount of contraction
Carbon fiber sheet
はじめに
軸方向繊維人工筋肉の概要
☆目的
☆ロボットが人間と近い環境で動作することが増えている 安全性の確保・人間との協調作業を実現できる性能
◎アクチュエータとして人工筋肉を採用
◎差動歯車機構を肘関節に採用
◎肘の屈曲，内外転の２自由度マニピュレータ
◎動きの自由度を落さずに使用する人工筋肉の 本数を従来機の６本から４本に削減
◎関節剛性の出力は，左右のプーリでの出力の 合計となり従来機同等の出力を実現
差動歯車型マニピュレータ
差動歯車機構
差動歯車型人工筋肉マニピュレータ
x x
z z
関節角度制御実験
ステップ入力により関節の屈曲，内外転それぞれの 動きの方向に様々な角度指令を与え，その応答を検討
◎肘の屈曲方向，内外転方向の様々な指令値に対して関節角度を実現
◎立ち上がり時に屈曲，内外転のそれぞれの動きに干渉が発生
今後は，プーリ径の縮小，人工筋肉の延長を行い，更なる稼動範囲を確保
関節剛性制御実験
◎屈曲，内外転それぞれの目標関節角度，剛性から左右の傘歯車 それぞれの目標回転角度，剛性を計算し駆動
◎左右の傘歯車の角度フィードバックの値から関節角度をＰＩ制御
◎人工筋肉間の拮抗トルクのフィードバックの値から関節剛性を トルクフィードバック制御
アクチュエータとして人工筋肉，関節の機構として差動歯車 機構を採用し、安全かつ高性能なマニピュレータを開発する
左右の傘歯車Ａ,Ｂを逆方向に回転→傘歯車Ｃはｚ軸周りにその場で回転 左右の傘歯車Ａ,Ｂを同方向に回転→傘歯車ＣはＡ,Ｂと共にｘ軸周りに回転
今後は，人工筋肉の動特性モデルを制御に導入し，人工筋肉の収縮速度，
歯車の回転速度を制御し，干渉を排除
qm-qmmin
[deg]
qn
[deg]
0 0
30 42～-32
60 52～-60
90 42～-27
115 0
} ,
min{
min maxmin
max n m m m m
n
q q q q q
q
◎屈曲方向の稼動範囲はqmmax=80[deg],qmmin=-35[deg]
◎内外転方向の稼動範囲は，上式の関係性より，
屈曲方向の稼動範囲とその時の屈曲角度に依存
制御システム
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 5 10 15 20 25 30 35
Value of the angle change in the bending direction Dqm[deg]
Value of applied torque Dt[Nm]
Kjdw=0.2[Nm/deg] experimental Kjdw=0.2[Nm/deg] theoretical Kjdw=0.25[Nm/deg] experimental Kjdw=0.25[Nm/deg] theoretical Kjdw=0.3[Nm/deg] experimental Kjdw=0.3[Nm/deg] theoretical
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 5 10 15 20 25 30 35
Value of the angle change in the torsion direction Dqn[deg]
Value of applied torque Dt[Nm]
Kjdw=0.2[Nm/deg] experimental Kjdw=0.2[Nm/deg] theoretical Kjdw=0.25[Nm/deg] experimental Kjdw=0.25[Nm/deg] theoretical Kjdw=0.3[Nm/deg] experimental Kjdw=0.3[Nm/deg] theoretical -40
-20 0 20 40 60 80
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Desirable joint angle of bending qdm[deg]
Joint angle of bending qm[deg]
experimental data θm=θdm
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Desirable joint angle of torsion qdn[deg]
Joint angle of torsion qn[deg]
experimental data θn=θdn
-10 0 10 20 30 40 50 60 70
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Time t[s]
Angle
q[deg]
joint angle of torsion joint angle of bending desirable joint angle of torsion desirable joint angle of bending
-10 0 10 20 30 40 50 60 70
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Time t[s]
Angleq[deg]
joint angle of torsion joint angle of bending desirable joint angle of torsion desirable joint angle of bending
Relationship between experimental and desirable
joint angle for bending motion(qdn= 0[deg]) Relationship between experimental and desirable joint angle for torsional motion(qdm= 0[deg])
Step response of joint angle control for bending motion
(qdm= 60[deg], qdn= 0[deg]) Step response of joint angle control for torsional motion (qdm= 0[deg], qdn= 20[deg])
Operation range of manipulator
Experimental results of joint stiffness
control for bending motion Experimental results of joint stiffness control for torsional motion
特徴 特徴
0 2 1 2 0 1 0
2 1 2 0 1 0
0 0 1 1
0 0 1 1
jdw dn dm
jdB jdA dB dA
K K
K
q q q
q
関節の屈曲，内外転のそれぞれの動きの方向に 負荷トルク
Dt
を与え，その時の角度変化Dq
を検討q t D
D K
j関節剛性
◎空気圧人工筋肉 → 軽量かつ柔軟で高出力
◎差動歯車機構 → 動きの自由度，剛性の出力を落とさず 人工筋肉の使用数を削減
◎多尐の誤差はあるが，様々な負荷トルクに対し，屈曲および内外転の両方の 運動方向で，様々な関節剛性を指令値通りに出力
