立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

柔軟超音波モータを用いた内視鏡ロボットの開発
Development of a Endoscope Robot using Flexible Ultrasonic Motor
2201024

研究代表者

豊橋技術科学大学

工学部准教授

真下智昭[研 究 の 目 的］
消化器系のがんなどの疾病を早期に発見するために，内視鏡検査が行われている。効率良く検査を行うため，または見落としを減らすために，内視鏡検査のロボット化が期待されている。
そのようなロボットでは，能動的に胃や腸の中を曲がりながら進み，がんを見つけることがで

図2

きるような動きを実現できることが期待される

柔軟超音波モータの試作機(図 1)。ソフトウェアでは，がんの発見・診断可欠である。これまでに著者らは，柔軟の高い技術は AI 化が急速にすすんでいるが，ロボッ「フレキシブル超音波モータ」の開発を行ってトのハードウェアの開発はまだ十分ではない。

きた (図 2)。このモータは，固体のステータ

特に湾曲の大きい大腸内を安全に移動する技術と，柔らかいコイルからなるシンプルなモータは難しい (まれに，穿孔事故などが起こることである。ステータの圧電素子に電圧を印加するも あ る)。本 研 究 で は，柔 軟 性 を 有 す る ア クと，超音波振動がコイルに伝わり，回転またはチュエータの技術を新しく提案し，内視鏡検査直動を選択的に発生できる。柔軟性はコイルのの自動化に貢献することが目的である。

設計で決められる。このモータの特長は，エネ

内視鏡検査の自動化には，体内に無理な力をルギー密度が高いことであり，小型化したときかけないように，やわらかくても十分な駆動力でも，ある程度の実用的な出力が見込める。
本研究の柔軟超音波モータは，申請者らが新を発生できるソフトアクチュエータの開発が不しく提案したモータであり，ソフトアクチュエータとしては，世界で初めて超音波振動を原理に用いたものである。ステータおよびコイルは，単純な構造で製作が簡単であり，回転と直動を生み出すことができ，サイズの割に大きなトルク・スラスト力を発揮することができる。
すなわち，小型化したとしても，ある程度の推図1

大腸内視鏡ロボットの応用例力を発生できることが見込める。原理的に，他― 1 ―立石科学技術振興財団の圧電アクチュエータと同様，優れた位置決め

2．抵抗式変位センサの開発
ツインコイル型フレキシブル超音波モータに精度を有することも特長である。

センシング機能を内在するのは容易ではない。
なぜなら，購入して取り付けられるようなもの[研究の内容，成果］が存在しないからである。そこで，フレキシブ
1．ツインコイル型フレキシブル超音波モータ

ル超音波モータのセンシング手法として，新たの開発に，コイル式変位センサを提案した。図 4 はそ

フレキシブル超音波モータは，図 2 のように，の概略図であり，フレキシブル超音波モータの四面に圧電素子を貼り付けたステータと，長くコイルスプリングとステータを可変抵抗とみな柔らかいコイルスプリングでできたスライダですことで位置を取得する。コイルスプリング両構成される超音波モータである。ステータの圧端に電圧を加えると，ステータとコイルスプリ

電素子に交流電圧を印加すると，コイルスプリングの一端の間には，電圧降下が生じる。コイングが直動方向に駆動する。回転も発生できる

ルが動くと，この電圧降下に変化が生じるため，が今回は使用していない。スライダの速度は，コイルの変位が推定できる。この手法の利点は，印加周波数や電圧などの値によって調整できる。

新たな機械部品をモータに追加することなくコ

本研究では，2 個のフレキシブル超音波モータ

イル位置をセンシング可能な点である。このセを並べて設置することで，隣り合う 2 本のコインサを用いてフレキシブル超音波モータのルスプリングが直進および屈曲可能なツインコフィードバック制御を行うため，このセンサのイル型フレキシブル超音波モータの開発を行っ特性調査を行った。

た。図 3 は，その試作機である。2 個のステー

その結果，計測される電圧と位置は線形性を

タはハウジング部に収められている。2 本のコ有しており，分解能は，0.13 mm の AD 変換

イルの先端は連結されており，この先端部をエ器を用いて電圧を検出した際の不偏標準偏差はンドエフェクタとする。この 2 本のコイルが同1.6 mm，信頼度 99% でサンプルサイズ 10 の時に同じ方向に同じ速度で動けば，先端部は直時の統計学的誤差は 1.6 mm であった。コイル

進し，2 本のコイルの動きに差があれば，コイスプリングの伸展，屈曲による有意な電圧変化

ルは屈曲する。コイルは，印加周波数を変数とは観察されることなく，外力に対して安定したすることで速度制御を行う。

特性を示した。圧縮のみ有意な電圧変化が見られたが，これはコイルスプリング同士が接触することにより電気抵抗値が大きく変化したことが理由である。

図3

ツインコイル型フレキ超音波モータ

図 4 ツインコイル型フレキ超音波モータ― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

試作したツインコイル型フレキシブル超音波

ルスプリング同士が接触することにより電気抵モータと，可変抵抗型コイル変位センサを用い抗値が大きく変化したからだと考えられる。位て，フィードバック制御を行う。実験では，目置の繰り返し精度は高いものの，エンドエフェ標軌道として，直径 25 mm の円を与える。エ

クタと地面との摩擦の影響が無視できない挙動

ンドエフェクタが，円軌道に沿って，1 周約を示した。

11.5 秒で 4 周動くように指令を与える。目標値
は，連続体ロボットのモデル化で最もよく使用

3．コイルのインダクタンスを用いた力覚センされる一定曲率モデルに従うと仮定して算出しサの開発た値を使用した。目標値への追従はコイル式変医療用として使用する場合，誤ってアクチュ位センサの平均値を利用して P 制御を行った。

エータが大きな力を発生しないように，その力実験中のフィードバック制御の様子を，カメの大きさをモニタリングできることが重要であラで撮影し，画像処理により位置を算出する。

る。そこで，フレキシブル超音波モータのコイ

図 5 は，エンドエフェクタの軌跡 (目標値へのルスプリングの電気的特性に注目し，力覚セン追従) の実験結果である。コイルの送り出し量サを新たに考案した。フレキシブル超音波モーは，別に測定しており，一定曲率モデルによれタのスライダとして用いているコイルスプリンば，円軌道を描くはずである。しかしながら，グは，コイルとしてのインダクタンスを有する。

結果はエンドエフェクタ位置が円軌道にならず，コイルの長さ方向からある力がかかる場合を考楕円軌道となっていることがわかる。これはエ

えると，コイルスプリングは弾性変形で伸縮す

ンドエフェクタと地面との摩擦によってスプリる。このときに，コイルのピッチに変化が生じ，ングが計算通りに変形をしなかったためと考えその結果，コイルのインダクタンスが変化する。

られる。エンドエフェクタ位置の繰り返し精度

このインダクタンスの変化を測定することでかは高いため，摩擦を考慮した目標位置を設定すかった力の推定できる。こちらの力センサも，ることにより高精度な制御が可能になると考え余分な機械部品を付け足すことなく，力の大きられる。

さをセンシングできるのが利点である。本提案

コイルスプリングの直進運動および屈曲運動による有意な電圧変化は見られなかったが，圧手法について，試作を行い，実験で，その手法の有効性を調査する。

縮のみ有意な電圧変化が見られた。これはコイ

図5

ツインコイル型超音波モータの FB 制御

測定方法の概要図を図 6 に示す。インダクタ

図6― 3 ―

インダクタンス式力覚センサの概略図

立石科学技術振興財団

この点は計算に適しているが，コイルの断面形状が，円ではなく長方形であることなどを考慮して，補正値として長岡係数を用い，インダクタンスの値を推定することとした。
図 7 下は，外力に対するインダクタンスの変化の，解析結果と実験結果である。実験では，ステータを固定する治具を用いて，コイルスプリングに 0.05 N ずつ外力を加え，コイルスプリングを圧縮・引張し，フォースゲージによって読み取った外力に対するインダクタンス値の変化を記録した。なお，コイルスプリングは0.3 N より大きな力で圧縮するとコイル線が接触し，インダクタンスの適切な測定ができないため，最大の外力を圧縮と引張それぞれ 0.3 N
図7とした。計算結果と実験結果には差があるもの

インダクタンス式力覚センサ実験結果の，解析と実験は類似の傾向を示していること

ンスの測定には，LDC 評価モジュール (LDCがわかる。外力に対するセンサの出力値は，反1614EVM，TEXAS INSTRUMENTS 社) を用

比 例 で あ り，95% 信 頼 区 間 に お け る 誤 差 はい た。LDC1614EVM は，モ ジ ュ ー ル 内 部 の±0.026 N であった。測定範囲に占める誤差のキャパシタと測定対象であるインダクタが成す割合は大きいと考えられるものの，外部に機械LC 並列回路の共振周波数を測定することがで部品を取り付けることなく，非常に簡単な構造きる。測定中におけるキャパシタンスの値を一で力を検出することは可能であることを実験で定とすれば，共振周波数の変化からインダクタ示した。

ンスを計算することが可能である。

次に，開発したインダクタンス式力覚センサ

図 7 上は，評価を行うための実験装置の様子を用いてフレキシブル超音波モータの Bang-である。フレキシブル超音波モータのステータ

Bang 制御を行った。このとき，インダクタンにコイルスプリングが挿入されており，コイルスの値をモータシステムにフィードバックしてスプリングの端部が，フォースゲージに取り付いる。図 8 は，目標値として，0.15 N を与えけられている。コイルスプリングが縮んだときたときの，フレキシブル超音波モータが発生すまたは伸びたときに，発生した力を測定できるる力の挙動である。コイルスプリングの柔軟性ようになっている。

によって挙動は振動的であるものの，力の目標

フレキシブル超音波モータのコイルスプリン
グを有限長ソレノイドとみなし，インダクタンスの近似値を見積もることができるか調査する。
有限長ソレノイドでは，両端の巻線の状態や，磁性体の両端の磁荷により，ソレノイドの長さ方向以外の成分が影響するため，計算が複雑になる。
本研究で扱うコイルスプリングでは，コイル半径よりも，ソレノイドの長さが十分に大きく，

図8― 4 ―

フレキシブル超音波モータが発生する力の過渡応答

Tateisi Science and Technology Foundationも影響するため，モータ性能と，力センサの性値に到達し，運動を静止できている。

能をあわせて最適設計する必要がある。制御の観点からは，いくつかの制御方法を実装し，そ[今後の研究の方向，課題］

れぞれの特性を調査することで，最適な制御方
本研究では，ツインコイル型フレキシブル超法を見つける。また，開発したセンシングを適音波モータを用いて，変位センサと力センサの宜搭載して，3 個以上のフレキシブル超音波開発を行った。いずれもフレキシブル超音波モータを用いた連続体ロボットの開発し，応用モータに機械部品を追加することなくセンシンを見据えた実験検証を行っていきたいと考えてグを可能にした。今後の課題は，センシングのいる。

精度と分解能をさらに上げることである。位置検出に関してはコイルの抵抗値に依存するため，コーティングなどでコイルの抵抗値を上げるこ[成果発表，論文など］[1]

佐藤悠之輔，金田礼人，真下智昭，セルフセンとにより，性能の向上に取り組む。力センサのシングフレキシブル超音波モータ，ロボティクス・

性能を上げるには，コイルのピッチなどを設計

メカトロニクス講演会，オンライン，2020 年．

する必要があるが，このことはモータの性能に― 5 ―