中央大学博士論文

中央大学博士論文

可変粘弾性関節を有するマニピュレータの 運動制御

戸森 央貴

博士（工学）

中 央 大 学 大 学 院 理 工 学 研 究 科 精 密 工 学 専 攻

平成

27

2016

3

博士論文

可変粘弾性関節を有するマニピュレータの 運動制御

中央大学大学院 理工学研究科 精密工学専攻 戸森 央貴

Hiroki TOMORI

目次

1.

1

1.1.

1

1.2.

3

1.3.

4

1.4.

5

参考文献

6

2.

9

2.1.

9

2.2.

11

2.2.1. McKibben

11

2.2.2.

12

2.2.3. McKibben

13

2.3.

15

2.3.1.

16

2.3.2.

17

2.3.3.

19

2.4.

21

2.4.1.

21

2.4.2.

25

2.4.2.1.

25

2.4.2.2.

26

2.5.

28

2.5.1. l

/d

28

2.5.2.

29

2.6.

30

2.6.1.

30

2.6.1.1.

30

2.6.1.2.

31

2.6.2.

34

2.6.3.

36

2.7.

38

参考文献

39

3.

MR

41

3.1.

41

3.2.

41

3.2.1.

41

3.2.2. MR

42

3.2.3. MR

43

3.3. MR

44

3.3.1. MR

44

3.3.2.

46

3.4.

47

3.4.1. MR

47

3.4.2.

49

3.5.

53

参考文献

53

4.

54

4.1.

54

4.2.

54

4.2.1.

54

4.2.2.

56

4.2.2.1.

56

4.2.2.2.

58

4.2.3.

61

4.2.3.1.

62

4.2.3.2.

64

4.2.3.3.

64

4.2.3.4.

65

4.2.3.5.

65

4.2.4.

67

4.3.

69

4.3.1.

69

4.3.2.

74

4.3.3.

76

4.4.

MR

78

4.4.1. MR

78

4.4.2. MR

79

4.5.

81

参考文献

81

5. 1

82

5.1.

82

5.2.

82

5.3. PI

84

5.3.1.

84

5.3.1.1. PI

84

5.3.1.1.1.

84

5.3.1.1.2.

84

5.3.1.2. MR

85

5.3.1.2.1. MR

85

5.3.1.2.2. MR

85

5.3.2.

86

5.3.2.1.

86

5.3.2.2.

86

5.3.3.

87

5.3.3.1.

87

5.3.3.2.

87

5.4.

IMC

88

5.4.1. IMC

88

5.4.2. IMC

MR

89

5.4.3. IMC

90

5.5.

92

参考文献

92

6.

93

6.1.

93

6.2.

93

6.3.

94

6.3.1.

95

6.3.2.

96

6.3.3.

97

6.4.

100

6.4.1.

101

6.4.2.

102

6.5.

104

6.5.1.

MR

104

6.5.2.

105

6.5.3.

MR

106

6.6.

108

参考文献

108

7. 2

110

7.1.

110

7.2.

111

7.3.

112

7.3.1.

112

7.3.2.

113

7.3.2.1.

113

7.3.2.2.

115

7.4.

2

117

7.4.1. 2

118

7.4.2.

119

7.5. 2

120

7.5.1.

120

7.5.2.

122

7.6.

123

参考文献

124

8. 2

125

8.1.

125

8.2.

125

8.3. 2

126 8.4. 2

127

8.4.1.

127

8.4.2.

128

8.5. PSO

129

8.5.1. PSO

129

8.5.2. PSO

129

8.6. PSO

131

8.6.1.

131

8.6.2.

131

8.6.3.

133

8.7.

135

8.7.1.

135

8.7.2.

135

8.8.

136

参考文献

137

9.

138

9.1.

138

9.2.

140

謝辞

142

研究業績

143

第 1 章 序論

1.1

マニピュレータはエンドエフェクタを有し，目的の作業を遂行する装置である．その利用分野 は多岐にわたり，工業，福祉，宇宙開発，レスキューの場において人の代替として作業すること が求められている^(1)-(3)．これは人の負担を軽減するだけでなく，人の代わりに危険な場所で作業 する役割もあり，マニピュレータの需要は今後も増えていくと予想する．

また，マニピュレータに関する研究例も多く，ここ数年での研究例は増加傾向にあり，国内外 に関わらずマニピュレータの研究が活発であることがわかる⁽⁴⁾．これは，マニピュレーション研 究がロボット工学の基礎的な課題であり，移動ロボットやヒューマノイドとの親和性も高いこと が要因であると考える．これらの研究にはモータや油圧シリンダをアクチュエータとして用いて いることが大多数であり，マニピュレーション計画や把持計画についての研究が多く存在する

(5),(6)．

しかしながら，マニピュレータが多様な領域，特に人間の近くで使用されるようになった現在 では，モータや油圧シリンダのような高剛性アクチュエータだけでは要求に応えられない場面が ある．例えば，介護におけるマニピュレーションは介護対象者の近くでおこなわれ，予測不可能 な人の動きによってロボットとの接触が起こることが予想できる．このとき，バックドライバビ リティの低い高剛性なアクチュエータでは十分な安全性を確保できないと考える．これに対し，

センサによる衝撃力の検出をおこない，衝撃力を低減する手法が提案されている^(7),(8)が，センサ によるフィードバックのために応答速度には限界がある．また，人間と協調作業をおこなう場合 には，人間に合わせたインピーダンス調整をすることで協調作業性を向上させることができる．

このとき，モータや油圧シリンダではセンシングと制御ループが必要となり，即応性や操作性の 向上に限界がある．このような理由から，ロボットに構造的かつ可変な柔軟性を持たせることで 衝突安全性や協調作業性を向上させることは非常に有効である⁽⁹⁾．

そこで著者らはロボットとしてマニピュレータを選択し，関節の駆動にソフトアクチュエータ を用いることで，前述の課題を達成させる．ソフトアクチュエータは構造的な柔軟性を有してお り，人間親和性の高さが長所である．また，駆動原理，材質，出力の大きさや特性が異なる多種 多様なアクチュエータが存在し，用途に応じて選択されている^(10)-(12)．ここで著者らは，マニピ ュレータのアクチュエータとして空気圧により駆動するゴム人工筋肉アクチュエータを選択し た．本アクチュエータは主にゴムチューブと繊維で構成され，空気圧を印加した際のチューブの 膨張を繊維によって拘束することで特定の方向に変形を生じさせる．また空気圧の印加によって 変位だけでなく剛性変化を生じる可変剛性アクチュエータでもある (13),(14)．本アクチュエータは ソフトアクチュエータの中でも比較的高出力であり，特殊な作動流体を必要とせず，安価に製造

できる．さらに軽量であるため，マニピュレータの多自由度化の際に障害になりにくい．しかし，

高コンプライアンス性を有する空気圧ゴム人工筋肉は振動を生じやすいという課題を抱えてい る．また，空気圧応答の遅れは制御において無視することのできない要素である．そのため，特 に高負荷時の作業で振動が生じたり，瞬間的な出力に限界が存在していた．

そこで，本研究ではゴム人工筋肉アクチュエータを関節駆動の主役とし，制御だけでは解決で きない本人工筋肉の課題を別の要素によって補う．ここで，著者らは

MR(Magneto-Rheological)

空気圧ゴム人工筋肉に比べ十分に高い応答性を有している^(15),(16)．そのため，前述した空気圧ゴ ム人工筋肉を高ゲインで制御したり外乱を受けたりした際の振動を抑制できると考える．本論文 では本流体を封入した

MR

さらに可変粘弾性特性を効果的に使用することで生物が行うようなダイナミックな運動も可 能になると考えている．生物は筋肉や腱に弾性エネルギを蓄積し，運動エネルギとして利用する ことで通常の運動よりも高い出力を得ることができる．加えて，筋肉の可変粘性特性は運動の制 御に寄与している．高コンプライアンス性を有する筋肉が激しい運動をおこなったり撃力を受け たりしながらも，大きな振動を生じずに作業できるのは筋肉の可変粘性によるダンピングのため である．本人工筋肉も同様にエネルギの蓄積が可能であり，

MR

アクチュエータの定格出力を増加させる必要があり，結果としてアクチュエータの重厚長大化に つながってしまう．このようにアクチュエータの構造的な弾性特性を利用し，エネルギの蓄積と 解放をおこなうことで定常出力以上を発揮する手法は本人工筋肉独特の利点である．このような 瞬間的な高出力は瞬発力として人の基本的な運動に不可欠であり，人の代替としてのロボットに も重要な要素であると考える．実際に移動ロボットやマニピュレーションの研究において跳躍運 動や投擲運動が扱われており，移動ロボットでは機動力の向上，マニピュレーションでは遠隔地 への物体搬送が期待されている^(18)-(21)．そこで，人工筋肉と

MR

しかしながら，空気圧ゴム人工筋肉は印加する空気圧と発揮される収縮力，収縮量の間に強い 非線形特性を有しており制御が困難である^(22),(23)．また，MR ブレーキについては，古荘らがモ ータと

MR

これは，両者の併用には各要素についての知識を要するという困難さによると考える．著者らが

開発する可変粘弾性関節を制御するには，空気圧ゴム人工筋肉と

MR

1.2

人間とロボットの共存を目指すために，ロボットに柔軟性を与える試みは多くなされている．

モータを使った例では，周辺環境や人間との接触に対してインピーダンス制御を用いたり⁽²⁵⁾， バックドライバビリティを与えたりしている⁽²⁶⁾．しかし制御によってバックドライバビリティ を高めた場合，制御帯域を超える突発的な接触には対応できず本来の剛性の高さが出てしまう．

また，フェイルセーフの点からも機構的に高剛性なアクチュエータを使用することは不安がある．

これに対し，古荘らはモータと出力リンクの間に

MR

一方，空気圧ゴム人工筋肉を用いたマニピュレータとしては

McKibben

径方向に膨張し，軸方向に駆動力として収縮力を発生させる．しかし，スリーブ状の繊維を用い るため径方向の膨張を抑制し軸方向の繊維拘束が不十分であり，結果として空気圧による膨張を 効率よく収縮に変換できない．また本アクチュエータも非線形性を有するため，岡崎ら⁽²⁸⁾や則 次ら⁽²⁹⁾のようにマニピュレータの制御には位置フィードバックや力フィードバックを用いてお り，人工筋肉の特性を十分に把握した制御系の構築には至っていない．岡崎らは人工筋肉を含め たマニピュレータの逆モデルを求めたが，実測に基づいて構築されたモデルである．これらの課 題に対し，著者らはまず

McKibben

また，著者らはマニピュレータの関節に人工筋肉と

MR

MR

例えば清田ら⁽³⁰⁾は人工筋肉によるアーム駆動を

MR

ER(Electrorheological)ダンパを使用している．ただし，清田らは MR

御に前述同様位置フィードバックを使用している．これらの研究例を踏まえ，著者らは人工筋肉 を理論的にモデル化し制御系に適用すること，

MR

そして，構築した可変粘弾性関節の応用例として，弾性特性を利用したダイナミックな運動に 注目した．運動としては投擲や跳躍が相当し，研究例としては妹尾ら⁽¹⁹⁾が投球マニピュレータ を開発しているが，アクチュエータにモータを使用している．他には本堂ら⁽³²⁾がモータとバネ の直列結合によるシステムを用いて投擲を行っているが，投擲のためにアームを揺動させる必要 がある．また，市川ら⁽¹⁸⁾はねじりばねの直列構造を用い，ワタリ⁽²¹⁾らは空圧シリンダと磁性ブ レーキを用いた投擲を実現しているが，マニピュレータと異なり投擲運動に特化したデザインと なっている．著者らは開発したマニピュレータ汎用性を維持しつつ，粘弾性特性を制御すること で投擲運動の実現を目指すものとする．

1.3

前述した研究背景を鑑み，本論文では構造的に柔軟で可変粘弾性を有するマニピュレータの開 発と制御をおこなう．本研究では可変粘弾性の要素として空気圧ゴム人工筋肉と

MR

MR

そのためには開発した可変粘弾性関節の特性を調査し，制御系を構築する必要がある．そこで，

はじめに本関節の構成要素である空気圧ゴム人工筋肉と

MR

数式モデルを導出する．特に人工筋肉は入出力間の非線形性が強いため，これをモデルによって 表す．そして，基礎的な位置制御や剛性制御を行うための制御系を構築する．制御系には先に調 査した空気圧ゴム人工筋肉のモデルを組み込むことで入出力の線形化を図る．さらにマニピュレ ータの動特性モデルを構築し，制御系と組み合わせて制御モデルとする．これにより本マニピュ レータの動特性を理論的に把握し，制御系の検討も可能になる．

次に，実機によるさらに，

MR

MR

両者の特性を考慮に入れた制御系の構築をおこなう．

その後，可変粘弾性関節の応用的な利用として，ダイナミックな運動の実現と制御を目指す．

ここでは人工筋肉の可変弾性特性を利用することでエネルギの蓄積をおこない，これを短時間で 運動エネルギに変換することで高出力を得る．しかし，この目的のために本マニピュレータの汎 用性を損なうことは望ましくないため，著者らは瞬間的な高出力を発生させる専用のシステムを 構築せずに，これまでに開発した可変粘弾性関節による手法を提案する．

最後に，可変粘弾性関節マニピュレータによるダイナミックな運動の応用例として，投擲運動 の制御を目指す．投擲を目標運動とすることで，物体の投擲距離を評価の一つとすることが可能

となり，これはアームの速さだけでなく位置制御も重要な要素となる．そのため，空気圧ゴム人 工筋肉と

MR

2

さらにシミュレーションによる投擲運動の設計をおこない，実機によって検証実験をおこなう．

1.4

次に，本論文の構成について述べる．本論文は全

9

2

3

4

5

5

6

6

7

8

7

8

9

第

2

そして，第

3

MR

MR

MR

MR

2

3

第

4

1

MR

1

MR

第

5

2

3

MR

1

本章ではマニピュレータの基礎的な制御として，

PI

MR

MR

法として内部モデル制御（IMC）を提案する．

第

6

MR

MR

第

7

6

しかしながら，第

4

2

2

2

そして第

8

7

2

6

7

参考文献

（1）

5

（2）

（3） KELKAR A. G. and JOSHI S. M., Capture and Control of Unknown Space Objects with Flexible Multi-Link Manipulators, Proc Am Control Conf, Vol. 2014, Vol. 3, pp. 1605-1606, 2014.

（4）

（5）

（6）

Vol. 32， Page.

ROMBUNNO.3N1-03，2014．

（7） Seong-Hee Jeong，高橋隆行，庄司道彦，中野栄二，緩衝機能を有する衝突検知システム

を用いたマニピュレータの危害力の低減，日本ロボット学会誌，Vol. 23， No. 8，pp.

949-956，2005．

（8）

（9）

（10） CHOI H. R., Soft Actuator Based on Dielectric Elastomer,

21-26, 2015.

（11）

PVC

pp. 727-730，2014．

（12）

精密工学会誌，Vol. 80，No. 8，pp. 718-721，2014．

（13） T. Nakamura, N. Saga, and K. Yaegashi, Development of Pneumatic Artificial Muscle based on Biomechanical Characteristics, in Proc. IEEE Int. Conf. Industrial Technology (ICIT 2003), pp.

729-734, 2003.

（14） G. K. Klute, J. M. Czernieki, and B. Hannaford, McKibben Artificial Muscles: Pneumatic Actuators with Biomechanical Intelligence, Proc. IEEE/ASME Int. Conf. Advanced Intelligent Mechatronics 1999, pp. 221-226, 1999.

（15） B. J. Park, C. W. Park, S. W. Yang, H. M. Kim, and H. J. Choi, Core-Shell Typed Polymer Coated-Carbonyl Iron Suspension and Their Magnetorheology, ERMR08, p. 102, 2008.

（16）

103-110，2007．

（17）

（18）

（19） T. Senoo, A. Namiki and M. Ishikawa, High-speed Throwing Motion Based on Kinetic Chain Approach, Proc. of the 2008 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems(IROS08), pp. 3206-3211, 2008.

（20） H. Arisumi, K. Yokoi, T. Kotoku and K. Komoriya, Casting Manipulation (Experiments of Swing and Gripper Throwing Control), JSME International Journal of Mechanical Systems, Machine elements and Manufacturing, Vol. 45, No. 1, pp. 267-274, 2002.

（21） E. Watari, H. Tsukagoshi, Y. Kitagawa and A. Kitagawa, MAGNETIC BRAKE CYLINDER TO ENHANCE TRAVERSE ABILITY AND ITS APPLICATION TO RESCUE ROBOTS, Proc. of the 7th JFPS International Symposium on Fluid Power, pp. 533-538, 2008.

（22） T. Nakamura and H. Shinohara, Position and Force Control Based on Mathematical Models of

Pneumatic Artificial Muscles Reinforced by Straight Glass Fibers, in Proc. IEEE Int. Conf.

Robotics and Automation (ICRA 2007), pp. 4361-4366, 2007.

（23）

（24）

MR

Vol. 2009， No. Vol. 7，

pp. 245-246，2009．

（25） S. Tungpataratanawong, K. Ohishi and T. Miyazaki, Force Sensor-less Workspace Impedance Control Considering Resonant Vibration of Industrial Robot, 31st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2005), Vol. 31st, Vol. 3, pp. 1878-1883, 2005.

（26） HIRZINGER G., BUTTERFASS J., FISCHER M., GREBENSTEIN M., HAEHNLE M., LIU H., SCHAEFER I. and SPORER N., A Mechatronics Approach to the design of light-weight arms and multifingered hands., Proc. IEEE Int. Conf. Rob Autom, Vol. 2000, No. Vol. 1, pp.

46-54, 2000.

（27）

Vol. 26， No. 4， pp. 381-388，

2008．

（28）

（29）

2483-2488，1995．

（30） T. KIYOTA, Y. MINAMIYAMA, Y. FUJITA and N. SUGIMOTO, Two-Link Pneumatic Artificial Muscle Manipulator Based on Passive Dynamic Control, Annu. Conf. IEEE Ind.

Electron. Soc., Vol. 39th, Vol. 6, pp. 4294-4299, 2013.

（31） T. NORITSUGU, Y. TSUJI and K. ITO, Improvement of Control Performance of Pneumatic Rubber Artificial Muscle Manipulator by Using Electroreological Fluid Damper., Proc. IEEE Int.

Conf. Syst. Man Cybern., Vol. 1999, No. Vol. 4, pp. IV.788-IV.793, 1999.

（32）

第 2 章 軸方向繊維強化型人工筋肉

2.1

本論文で扱う可変粘弾性関節では，可変弾性要素と可変粘性要素を組み合わせることで実現し ている．本関節を制御するためには各要素の特性を明らかにし，これを基に制御する必要がある．

そこで，第

2

本アクチュエータは，ゴムのような弾性体のチューブに空気を流入させることで駆動するアク チュエータである．同じく空気圧駆動のアクチュエータとしてシリンダがあるが，ピストン部以 外の受圧面は仕事をしない．これに対して空気圧ゴム人工筋肉はチューブの壁面全てが有効な受 圧面となり，径の膨張と引き換えに高出力を発揮できる．

通常，弾性体内の空気はパスカルの原理に基づき圧力を及ぼすため，風船のように全方向に膨 張する．しかし，弾性体の膨張を拘束することで弾性体の変形に異方性が生じる．特に本章で扱 う空気圧ゴム人工筋肉は主にゴムチューブと繊維素材から構成されており，チューブに印加した 空気圧により径方向の膨張を生じ，これを繊維拘束によって長さ方向の収縮に変換する^(1),(2)．特 徴としては，他のアクチュエータに比べて軽量で出力密度が高く(Fig.2.1参照)，柔軟であるとい う特性をもつ．

このような特徴から，リハビリテーションロボット⁽³⁾やパワーアシスト^(4),(5)等，人間に直接接 触する機会の多い機械システムに適したアクチュエータとして注目されている．また，

Hill

McKibben

そのために，まずは軸方向繊維強化型ゴム人工筋肉の基礎的な特性を実験的に調査する．その 後，力学的平衡モデルを提案し，本人工筋肉の設計パラメータと出力特性の力学的関係を明らか にする．また，提案された力学的平衡モデルに基づいてフィードフォワード制御器を構成し，本 人工筋肉に適用することで，入出力の線形化を試みる．さらに，コンプライアンス制御器を構成 し，本人工筋肉に適用することで，人工筋肉の剛性制御を試みる．

Fig. 2.1 Comparison of Output/weight（1990）

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

HUMAN 0.09MPA 0.13MPA

Force Dimensinless[F/Fm]

C ont ra ct in V el oc ity D im ens ionl es s[ V /V m ]

Fig. 2.2 Relationship between Dimensionless Contraction Velocity and Dimensionless Force

Fig. 2.3 Relationship between Dimensionless Length and Dimensionless Contraction Power

2.2

2.2.1 McKibben

McKibben

図を

Fig.2.4

Table 2.1

スリーブ状に編みこんだ繊維コードで覆った構造になっている．そのため，McKibben型人工筋 肉に空気圧を印加すると，繊維の角度が変化することによって，軸方向に収縮量が得られる

(Fig.2.5

維コードの間に摩擦が生じ，ゴムチューブを傷める問題が生じている．

Terminal l ₀

Fiber d ₀

Terminal

Terminal l ₀

Fiber d ₀

Terminal

Fig. 2.4 Photograph of the McKibben type artificial muscle 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1

Length-dimensionless[L/L0]

Artificial Muscle Human Muscle

C o n tr ac tio n Po wer -d im en sio n less [F/ F0 ]

θ θ

Fig. 2.5 Angular variation of fiber on McKibben type artificial muscle

Table 2.1 Specification of the McKibben type artificial muscle Outer Diameter of the tube [mm] 11

Inner Diameter of the tube [mm] 8

Axial Length of the tube [mm] 80

2.2.2

軸方向繊維強化型人工筋肉の概要図を

Fig.2.6

Table 2.2

空気圧を印加させると，繊維の影響で半径方向のみに膨張するため，軸方向に収縮量が得られる

(Fig.2.7

/d

比)を変化させることが出来る．また，繊維をゴムチューブに内包しているので，McKibben型人 工筋肉のような繊維とゴムによる摩擦がないと考えられる．

d ₀

Terminal

Ring Terminal

l ₀

Rubber tube (Natural latex rubber)

Fiber (Glass Fiber) d ₀

Terminal

Ring Terminal

l ₀

Rubber tube (Natural latex rubber)

Fiber (Glass Fiber)

Fig. 2.6 Photograph of the straight fibers type artificial muscle

Fig. 2.7 Contraction of straight fiber type artificial muscle

Table 2.2 Specification of the straight fibers type artificial muscle Outer Diameter of the tube [mm] 11 Inner Diameter of the tube [mm] 8

Axial Length of the tube [mm] 80

Number of Rings 0 ， 1 ， 2

2.2.3 McKibben

本項では，McKibben 型人工筋肉と軸方向繊維強化型人工筋肉の特性について比較を行った．

ここで，比較に用いる人工筋肉はいずれも全長・厚さが等しいものを使用して実験を行った．

Fig.2.8

り，同じ圧力下において軸方向繊維強化型人工筋肉と

McKibben

これは

McKibben

張を制限しているためと考える．空気圧ゴム人工筋肉は径方向の膨張を軸方向の収縮に変換する ため，径方向の膨張が制限されると収縮率の低減につながる．一方，軸方向繊維強化型人工筋肉 は径方向の繊維拘束が

McKibben

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

presuure [MPa]

cont ra ct ion r at e[ % ]

Mckibben type Straight fibers type

Pressure [Mpa]

Contra cti on rat e [%]

Fig. 2.8 Relationship between pressure and contraction rate

0 50 100 150 200 250

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Pressure [MPa]

C ont ra cti on forc e[N]

Mckibben Type Straight Fibers Type

Mckibben type Straight fibers type

Fig. 2.9 Relationship between pressure and contraction force

2.3

軸方向繊維強化型人工筋肉は

2.2.2

Fig2.11

Fig.2.11

l

d

d

l

Fig. 2.10 Difference of number of fibers and rings

Fig. 2.11 Contraction ratio and expansion ratio

l

d m

l 0

d 0

2.3.1

本実験で用いた実験装置を

Fig.2.12

Table 2.3

まず，人工筋肉へ印加する空気圧の値を入力値とし，パーソナル・コンピュータ（以下

PC

D/A

A/D

PC

Electro-Pneumatic Proportional Valve

Pressure sensor Compressor

Laser sensor Slider

Artificial muscle Pulley

Load (Variable) PC

D/A A/D

Electro-Pneumatic Proportional Valve

Pressure sensor Compressor

Laser sensor Slider

Artificial muscle Pulley

Load (Variable) PC

D/A A/D

Fig. 2.12 Configuration of the experimental setup

Table 2.3 Peripheral device of the experimental setup

Peripheral device Maker: Equipment

Laser sensor OPTEX: CD3-100 (100±40 [mm])

KEYENCE: Analog controler ・ RD-50E

Pressure sensor NEC Sanei: 9E02-P11-1MPA

Load sensor KYOWA: LUR-A-200NSA1

Electro-pneumatic proportional valve SMC: VER4000

Compressor JUN-AIR: OF302-15B

Analog-to-digital converter ADTEK: AB98-05B Digital-to-analog converter ADTEK: AB98-06B

2.3.2.

本実験では人工筋肉に内包された繊維の本数による特性の違いについて検討する．使用する人 工筋肉のゴムの厚さ，全長は等しく，繊維の本数のみが違う条件下で実験を行った．ここでは，

繊維の数を

4,8,16

3

4,8

ここで，Fig.2.13 に圧力―収縮率の関係，Fig.2.14 に圧力―最大膨張率の関係の実験結果を示

す．

Fig.2.13

より繊維の本数が増えるほど最大膨張率も大きくなることが分かる．本人工筋肉内では，空気圧 によって繊維が径方向に力を受け，これを繊維の張力として収縮力に変換している．そして，外 力による軸方向の引張り力や，軸方向にかかる圧力と平衡状態を保つ．そのため，繊維の本数が 少ないと収縮させる力が減少すると考える．このことから，繊維の拘束数が増加するほど，人工 筋肉は高い収縮率・最大膨張率を示すということが言える．また，繊維の無い部分に圧力がかか ることにより，過膨張と破裂の恐れもある．以上より，繊維数は多く外周を覆うようにするのが 望ましいと考える．

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 0.02 0.04 0.06 0.08

Pressure[MPa]

Fiber4 Fiber8 Fiber16

Contr ac ti on Rat e[% ]

Fig. 2.13 Relationship between pressure and contraction rate in respective number of fibers

100 150 200 250 300 350 400

0 0.02 0.04 0.06 0.08

Pressure [MPa]

Fiber4 Fiber8 Fiber16

T he M ax imum E xp ans ion Rat e [% ]

Fig. 2.14 Relationship between pressure and the maximum expansion rate in respective number of fibers

2.3.3.

本項では，リング数による違いについて検討する．人工筋肉は，繊維数

16

全長は等しい．また，リングの数を

0,1,2

3

0

1

1

2

2

3

リング数を変化させることによって，人工筋肉の全長と半径の比を変化させることが出来る．こ こで，リングの数に対応する実際の

l

/d

Table 2.4

そして，Fig.2.15 に圧力―収縮率の関係，Fig.2.16 に圧力―最大膨張率の関係の実験結果を示

す．

Fig.2.15

Fig.2.16

径方向の変形をリングによって制限された結果であると考える．このことから，リングを増やす ほど，最大膨張率を抑えることが出来るが，収縮率が小さくなり，また，同じ収縮を得るために は高い圧力が必要になるということが分かる．径の膨張は本人工筋肉をアクチュエータとして機 構に組み込む際に考慮しなければならない要素である．

以上より，収縮率，膨張率，圧力のいずれに重点を置くかでリング数を決められると考える．

しかしながら，リングを使用せずに大きな径の膨張と軸方向の収縮を得る場合，ゴムの大きな変 形が人工筋肉の破損につながる可能性もあることに注意しなければならない．

Table 2.4 Relationship between number of rings and l

/d

ratio

Ring0 Ring1 Ring2

l₀:φ₀ 5.71：1 2.92：1 1.86：1

0 5 10 15 20 25 30

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Pressure[MPa]

ring0 ring1 ring2

Contr ac ti on Rat e[% ]

Fig. 2.15 Relationship between pressure and contraction rate in respective number of rings

100 120 140 160 180 200 220 240 260

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Pressure [MPa]

ring0 ring1 ring2

T he M ax imum E xp ans ion Rat e [% ]

Fig. 2.16 Relationship between pressure and the maximum expansion rate in respective number of rings

2.4

本人工筋肉は既に述べたとおり，印加圧力，収縮力，収縮量の間に強い非線形特性を有してい る．そのため，目標の収縮力，収縮量から必要な空気圧を求める事が困難である．また，圧力に 対する不感帯やヒステリシスもあり，制御の不便さにつながっている．清戸ら⁽¹⁴⁾は人工筋肉の 有するヒステリシスに着目し補償器を設計したが，著者らは制御の際の印加圧力，収縮力，収縮 量の関係を求める事が重要であると考えた．そこで，本節では軸方向繊維強化型人工筋肉につい て数式モデルを導出し，前述の

3

本モデルの導出にあたり，始めに人工筋肉の形状モデルを定める．そして，その形状モデルを もとに力学的な平衡関係から静的モデルを導出する．

2.4.1

力学的平衡モデルを構成するにあたり，まず，人工筋肉に内圧が生じた場合の形状変化を決定 する．まずパスカルの原理により，人工筋肉に印加される圧力はどの壁面にも等しくかつ直角に 印加されるもの仮定すると，収縮時における軸方向の断面図は

Fig.2.17

l

l， d

r， 2 φ

x

l ₀

　 d ₀

l

　

　 2  _{ 　 d m}

r x

x l ₀

　 d ₀

l

　

　 2  _{ 　 d m}

r x

x

Fig. 2.17 Shape model of the artificial muscle from view of the Z-axis