立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020

[ 研究助成 (A) ]日常生活でのパワーアシストのための皮革を利用した空気圧人工皮膚筋肉の開発
Development of Pneumatic Artificial Skin Muscle Using Leather for Power Assist in Daily Life2181035

研究代表者

法政大学 デザイン工学部
システムデザイン学科准教授

山田泰之[研 究 の 目 的]
年齢，性別等の身体的能力差によって発生する仕事や体験の機会は平等とは言えない。近年，
この身体能力差をウェアラブルパワーアシスト
デバイスでの解決が期待されている。これらはモータ等の機械的な外観・アシスト動作である

図1

Anisotropy of whole hide leather

図2

Results of the tensile test of leather

ため，日常生活，例えば，散歩や家事，カフェに行くための利用には適していない場合がある。
そこで著者らは，皮革や布のような生活になじみのある素材を用いた，衣服のように装着 (着用) して使用するパワーアシストデバイスの開発を目指している。ファッション性を両立できる概観と装着時に身体的なストレスを感じない質感や肌触り，そして人間の柔軟な動きに沿った柔らかなアシストを実現できれば，日常生活での活用が期待できる。本研究では，それらのアシストデバイスを実現するために，身体に柔軟にフィットする面状や複雑形状の柔軟なアクチュエータについて研究開発した。
[研究の内容，成果]
図31．面形状の空気圧人工筋肉

Transmission of the assist force by each contact point

身体の曲面形状に対応するシート型人工筋肉のように，手足方向に強い繊維構造をもつ皮革を開発した。身体とのインタラクションを考えの異方性材料の特性 (図 2) に着目した。図 3て，吸水性や保温性，肌触り等の質感とアクのように，2 枚の薄い皮革を縫い合わせる等でチュエータとしての性能を両立するため，図 1

袋形状を作り，そこに薄肉チャンバを並べて配― 1 ―立石科学技術振興財団

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置した構造である。この面状の空気圧人工筋肉

袋構造に図 5 の空気袋ユニットを挿入する。空は，アクチュエータの伸縮方向に皮革の伸びに気袋の長さは 250 mm である。今回は 8 袋を用くい繊維方向を用いることで，アクチュエータいて，革を含めて約 220 g である。CO 2タンクの発揮力を確保しつつ，伸縮方向と直行する方をパワーユニットとしており，バルブを含めて向の伸縮性を確保して身体にフィットする。動

計 450 g である。革ジャンが 1〜2 kg 程度ある

作原理は以下である。内部の空気袋は，空気圧ことと比較すると，衣服とし許容範囲内の質量印加時に弾性変形して膨張する。一方で，接続と想定される。

された 2 枚のシートは伸びにくいため断面形状が円形になり，両端間に伸縮力を発生する。身2．面人工筋肉を用いたアシストジャケット

体にフィットできるため，アクチュエータと身日常生活に利用可能なパワーアシストデバイ

体との各接点における摩擦によってもアシスト

スの一例として，身近な上着であるジャケット

力を伝達可能であり，アクチュエータ端部のみの腰部に面状人工筋肉を利用した腰部アシストでの力伝達に頼らない。この形状で発揮できるデバイスを試作した。日常生活に利用可能とす

最大変位量は，シートの伸びを無視すると，るために，着座等の日常的な他の動作を阻害せシートの縫幅を l，袋構造の数を n およびシーず，洋服のシルエットを崩さず，アシスト効果

ト厚を t とすると，最大変量 x MAXは式(1) となを得られることを目指した。
試作したアシストジャケットの外観を図 6，る。

l(π−2)−2tx MAX=nπ

75 に示す。図 6 のような身体への固定ハーネ(1)

スをジャケット内部に配置して，ジャケット背面に空気圧人工皮膚を配置することで，体幹前山羊革を用いて，図 8 の面状空気圧人工筋肉を屈運動のアシストを行う。アシストジャケット製作した。これを空気圧人工皮膚筋肉と呼称すの構造について図 6 を用いて説明する。空気圧る。今回は，基本的特性を把握するため，空気

人工皮膚筋肉はジャケットの背中面を構成して経路を平行かつ等長・等幅としたが，装着するおり，その上下には図中に赤色で示したベルト

身体箇所に合わせて，空気袋の大きさやシートが左右 2 本ずつ接続されている。

を立体的に構成すれば，立体構造も製作できる。

これらは，上端はインナーハーネス，下端は本アクチュエータは，2 枚の山羊革をポリエスズボンのポケットの中に接続される。なお，イテル製の糸で縫い合わせた袋構造である。このンナーハーネスは，ジャケットと一体化しており，図 6 は説明上分離した。インナーハーネスは，肋骨を摩擦の高い素材を添付した帯で拘束することで身体に固定している。またアシスト
力をズボンのポケット内部に伝達することで，(a) De-pressurization

図4(b) Pressurization

Pneumatic artificial skin muscle(a) Wearing method

図5Air bag units and air supply system(b) Power assist図 6 Design of the power-assist jacket― 2 ―立石科学技術振興財団助成研究成果集(第29号) 2020

アシスト力発生時に，大腿部のズボンの面全体で力を受けることができる。さらに，空気圧人工皮膚筋肉の発揮力は，図 6(b) のように，アクチュエータ自体の柔軟性を生かして，腰部にフィットすることで，腰部表面の皮膚全体でも反力を受けることができる。そのため，イン(a) Office activities(b) Riding a motorcycle(c) Lifting(e) Sitting in a Café

ナーハーネスとズボンの固定は位置決めと予備的なものである。次に，アシストジャケットの調整方法について説明する。図 6(a) のように2 か所の調整機能を設けてある。1 つは，背中の長さの差を埋める調整機能である。もう一つが，胸囲の長さに対する調整機能である。なお，
これらは，一度着用時に調整すれば，着用毎に図8調整する必要はない。

Applications of the assist jacket.

製作したアシストジャケットの動作外観を図活用できる。継続的に前かがみになる例として，

7 に示す。ジャケット背面に空気圧人工皮膚を

図 8(b) などの，バイクや自転車の乗車姿勢の配置することで，体幹前屈運動のアシストを行アシストにも利用可能である。また，腰部アシう。図 7(a) のように，空気圧印可していないストデバイスの主な目的とされる図 8(c) 荷物

場合は，通常のジャケットのシルエットと変わの持ち上げ動作に対しても，アシスト力を発揮らない。外骨格を有しない構造であるため，椅する。ただし，より重いものを持てるというこ子や自動車の利用の妨げとならず通常の生活をとではなく，あくまで，少し楽になる程度を目過ごせる。図 7(b) のように空気圧を印加する指している。また，従来のジャケット形式であと，背中部の空気圧人工皮膚筋肉が背中全体のるため，図 8(d) のように，アシストを利用し表面を引っ張るようにアシスト力を発生する。

ない場合も，そのまま装着したままお茶を嗜む

次に，アシストジャケットの利用シーンにつことも可能である。

いて，図 8 を用いて説明する。図 8(a) のように，主に前かがみ姿勢の軽微な作業への補助に

3．アシストデバイスと洋服の融合について
本研究では，皮革や布などを利用した洋服のような身近な形式でのアシストデバイスの提案をおこなっている。重労働や，同じ作業の繰り返しを想定した産業用のアシストデバイスとは異なり，あくまで日常的な軽微な作業のアシストを目指している。上記のようなコンセプトについて，成人男性 10 名を対象として，本コンセプトが日常生活に対して有効である可能性を検討した。
アンケート調査の被験者には，前提条件として，A) 各関節をモータでアシストする外骨格(a) De-pressurization

図7(b) Pressurization

Power-assist jacket型アシストデバイスと，B) 革やジーンズを用いたアシストデバイス，であること，被験者が― 3 ―立石科学技術振興財団

仮に，歩けるが，筋力の衰えており長距離歩行

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4．柔軟軽量構造アクチュエータ洋服のような着用可能なアシストデバイスのは困難であり，日常生活での利用する場合につ検討を進める中で，外骨格式のアシストデバイいての質問であると説明した。評価の指標は，1 (まったくそう思わない)，2 そうスと同様の課題が発見された。アシスト力を効思わない，3，4 そう思う，5 (とてもそう思

率的に身体に伝達するために，柔軟な身体構造う) とした。質問は全部で 4 個である。に適切にアシストデバイスの力を伝える身体固質問 1定部である。現在の装具やアシストデバイスでA) を利用すれば，全く苦なく長距離歩けます，町に出かけますか？

は，身体形状に広い面で接する特注の固定具を質問 2B) を利用すれば，いつもよりは楽，用いる方法や，スポンジなどのクッション材をシンドイですが長距離歩けます，町に出かけま挟むタイプが工夫されている。著者は，これらすか？の固定部で力を分散するために利用される，発質問 3A) を利用すれば，全く苦なくずっと泡体それ自体をアクチュエーションすることで，歩けます，家の中で家族や恋人と過ごすとき利身体への適切な固定とアクチュエーションを両用しますか？

立できると新たな課題も見出した。そこで，こ質問 4B) を利用すれば，いつもよりは楽，のような発泡体アクチュエータと，面上状アクシンドイですが家の中ならどこでも歩けます，チュエータをハイブリッドで利用することで，家の中で家族や恋人と過ごすとき利用します

衣服のように装着可能なアシストデバイスの性か？

能を向上させられると考えた。

アンケートの結果を表 1 と，図 9 のグラフに示した。質問 1 と 4 に対して，3 以上の好意的

5．発泡体積層アクチュエータな結果となったことから，アシスト性能よりも発泡体には気泡の分布状態の違いで，気泡間日常生活の状況に合致することも必要であるこの独立している独立気泡体と連続している連続とが示唆され，本アシストデバイスのコンセプ気泡体がある。この特性の異なる発泡体を，図トが有効であると期待できる。

10 のようにそれぞれ袋に内包させて減圧する。
連続気泡体のみが発泡体内部気泡の空気も吸引

表1Q1Q2Q3Q4

図9135252321132424

Questionnaire results.
Subject number
4 5 6 74 2 3 55 4 4 42 2 2 25 2 5 58231394324102413Avg
3.0
3.8
1.7
3.7

図 10 Structure of foam.

Mean and standard deviation of the questionnaire
responses.

図 11― 4 ―Dynamic bending motion of the actuator.

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されて体積が減少する。この特性を利用して，

第 18 回 計測自動制御学会システムインテグレー

図 11 のように独立気泡体(黒スポンジ)と連続ション部門講演会，2A1-04，(2017. 12)

気泡体 (黄スポンジ) を積層して袋に内包させて減圧することで，曲げや伸縮を発生させるアクチュエータを構成できる。このクッション性の高い軽量かつ形状を自由に設計できるソフトアクチュエータを用いて，身体にフィットするアクチュエーションする固定部の実現が期待で

2)

山 田 泰 之，中 村 太 郎，
“LayerCAKE：発 泡 体 積層構造を用いたソフトアクチュエータ 〜Kawaii と優しいを備えたアクチュエータの提案〜”，第 36 回
日本ロボット学会学術講演会，1P1-05, (2018. 9)

3)

山田泰之，中村太郎，発泡体積層構造を用いたソフトアクチュエータの開発 〜曲げ運動の過渡特性の検討〜，第 37 回日本ロボット学会学術講演会，
ROMBUNNO. 3D3-04，2019. 3．

4)

きる。

山田泰之，中村太郎，柔軟構造体を駆動可能とする発泡体積層構造を用いたソフトアクチュエータの開発，ロボティクス・メカトロニクス講演会 2019，[今後の研究の方向，課題]

2P1-C13 (2019. 6)

本研究で提案した，皮革等を用いた面状ソフ
トアクチュエータや，その過程で開発した発泡体積層アクチュエータなど，柔軟で軽量なおアクチュエータをハイブリッドに組み合わせることで，身体にフィットしつつアシスト力を出す
身近なアシストデバイスの実現に向けて研究開

国際会議論文 (査読付)1 ) Yasuyuki Yamada, Taro Nakamura, Proposed
Pneumatic Artificial Skin Muscle That Provides
Assistance in Daily Activities, International Symposium on System Integration, (2019. 1)2 ) Yasuyuki Yamada, Taro Nakamura, Laminatedfoam-based soft actuator for actuatable lightweightflexible structure, Proc. of the 2019 IEEE/RSJ Inter-

発を続ける。特に，エネルギ消費と利用回数，national Conference on Intelligent Robots and Sys-

装置総重量について検討していく予定である。

tems (IROS2019), China, Macau, (2019. 11)3 ) Yasuyuki Yamada, Taro Nakamura, “ActuatableFlexible Large Structure Using a Laminated Foam-[成果の発表，論文等]

based Soft Actuator”, Proc. of The 2020 IEEE/SICE
International Symposium on System Integration

国内口頭発表1)

山田泰之，小島明寛，中村太郎，常生活でのパワーアシストのための空気圧人工皮膚筋肉の提案，― 5 ―(SII2020), Mo1C. 2, USA, (2020. 1)