計踊醐耶鍼恨粕17醐相集丑（1998．11．20）
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阿久沢 尾久＝ト

11．1代 文夫∃∴ 坂野 進＝■r

Akihisa Akuzawa→i，Fumiu Tashiro＝ド，Susu皿u Sa止ano ＝■＊日本大学工学部＊C【〕11ege□f 7てngimeering，Nihon University

キ㌦・−ワード

コン1ライ7ンス棚（comp】iance cロntrOl），ゴム人工茄■〔rubber artificialmscles），ロボIl／ト（rqbot〕†空気圧銅（pnetimatic control〕

連絡先〒963−8642削細脚接近手相帽1乱柏苧工鞘舶工学酎カトロニクス研究室Tel∴ 024−956−8774．Fax∴ 024−956−8860
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位置と力の苗り毒封J
阿久沢 施久声坂野 進坤

任＝モ 丈夫1こ笥：Compliance Controlロf Pneumatic Robot using Ar，tificialMuscles

AkiIlisa ＾k u z aw a Susumu SAKANO

Takeo T a sir o罵ey Tords： Pneumatic robot，Compliance control，Artificialmuscle

ColIisioEIforce．Rubbertuator

1．はじめに空気圧を駆動源とするラバーチュエータが開発され，それを人二l二筋とするロボットの構成と制御の研究が報告されている．空気圧駆動アクチュエータは電気醒勤アクチュエータなどに比べて高遠移動や位置決め精度の点では劣るが．空気の圧縮性によるコンプライアンスを利用した力制御には優れた特性巷有Lている．したがって，空気の圧縮性によるコンプライアンスを有効利用したコンプライアンス制御の報告も多々行われている．多自由度の空気圧ロボットのコンプライアンス制御法として，位置ベース型，カベース型および付置と力のハイブリッド型の制御法が検討され，接触倣い動作などに応用されている．これらの研究において，ロボットは2本の人工前による駆動システムの組み合わせで構成され，関節部に設けられたエンコーダにより位■置を検出し，腕の先端部に設置されたカセンサーにより力を検出している．カセンサーにより力を検出L，制御するということは一般的な方法であるが，先端部と対象物あるいは障害物との接触という限定された範囲の情報に限定される．ゴム人工筋の圧縮性を考えると，工夫次第では先端部のみでなく先端部に隣接Lた部分の接触の有無の情報を得ることも可能となる．
そこで本研兜では，従来のゴム人工筋のシステリシス特性などの非線形要素を改善し，ばね復帰力を有する新Lいゴム人工筋を試作し，1本のゴム人⊥筋による駆動システムを実現するとともに，ロボットが他物体に接触した場合の情報を①人工茄内部の空気圧の変軌 ②エンコーダの出丸 から待てコンプライアンス制御する方法について検討した．
ゴム人工筋を用いた2自由度関節塑ロボットを用いて上記の方法の実験を行い，力情報の検出に専用のカセンサーを用いることなくコンプライアンス制御が可能なことを示す．
また、ロボットの先端部における他物体との接触、衝突のみでなく，ロボットの醜の他の部分が接触，衝突してもエンコーダの位置情報を利用することにより力制御が可能であることを示す．

2． ばね性を付加L．た人工筋

2．］ 人工筋の構造
これまで用いられて来ている人工筋はゴムチューブの上に繊維コ膚ドを編み上げ，チューブの両端に口金巻取り付けた構造となっている．繊維コードの装着により，チューブを径方向に艦脹させ，人工前に変位を生じさせている．この様な構造であるので，変位竜が／小さく、また，ゴムチューブのみの変位で力を生じるので非線形性の強い特性を示す．そこで，非線形件の改善のために，スプリングカを付加することとした．図1に構造を示す．
ゴムチューブの周辺に繊維コhドの代わりにスプリングを装着することによりゴム人工箭のカー変位特性に線形性を持たせている．また，スプリングにより復帰力が与えられるので一本の人工筋のめで駆動システムを構成することが可能となる．

2，2 人工筋の圧力一変位特性
図2に示すような実験構成により人工筋の圧力一変位特性を測定した。結果を図3に示す．圧力の低い部分では井裸形特牲を示Lているが．圧力が高くなると線形性を示Lている．次に，筒・空レギュレータへの入力信号を周波数とした，周波数特性を図4に示す．

閲中の王里論値は次の式により表示されるゴム人工筋の伝達関数より求めた曲線である．

25．2

28．8
一叫

F（s）＝＋ 剛→（・・1）〔s2 −5．呂s十9〕

3，

70．4

〔sコト11．6s十3G〕〔s＝ −15．5＋ 64）

位置と力の制御3．1 任力情報による位置と力の制御
電・空レギュレータにより圧力調薬された圧縮空気を人工筋に供給することで人工筋に所定の変位を与えている．圧力変動の調整は電・空レギュレータに設けられた圧力センサーの出力をフィードバックすることにより行われている．ロボットが何かに接触した場合に生ずる人工筋内の圧力変化巻このセンサーで検知可能であれば，ロボットの手先にセンサーを設けることが不必要となる．そこで，囲5に示すゴム人工筋内部の圧力情報を利用Lノた位置と力の制御の可能牲を検討する．パソコンなどからによる人力信号により電・空レギュレータで圧力調蕃された圧縮空気をゴム人丁筋に供給し，ゴム人工筋に変位を与える．ゴム人工筋内の圧力情報は圧力センサ【により常時監視され．電・空レギュレータへの入力信号にフィードバックされている．ロボットの手先またはアームが障害物などに接触いた場合には，圧力センサーが人工観内部の急激な圧力変動を検出することにより障害物との接触を検知することが可能と考えられる．問題は接触あるいは衝突による圧力変動がどの杜となるかである．このために人工筋の先端部に重りを落下させることによる人工筋内の圧力変動の測定実験を行った．閏6に実験装置を示す．ゴム人工筋に予め変位を与えておき，その状態で重りを落下させることにより人工筋内部の圧力変動を測定した．園7に結果を示す．なお、圧力の変動はセンサーの電圧の変動として表示している．衝突による圧力の上昇時間は0．06妙所後で．圧力変動は衝突エネルギーにほぼ比例している．
さて，ゴム人工筋でロボット巷構成した壌創こおけるアームの移動速度は数cm 〜 数十cTnのオーダである．衝突エネルギ膚は実験の1．／10ロ0 〜l／10000程度となる．したがって，この程度の圧力変動では電・空レギュレータによる設定圧力に対する圧力変動と判別は難Lい．また，衝突エネルギーを増大きせるためにロボットのアーームの慣性を大にすることは好まLく屯い．上記のような実験結果から圧力情報を利用する力制御を実現することは困難であると判断した．

3．2 位置情報による力制御（1） 制御の方法：図8に示すようにポテンショメータの位置情報を用いて力制御を行う．人工筋の変位によるロボットのア］ムの変位をポテンショメータで検出Lている．
電・空レギュレータへの人力信号に対するロボットのア皿ムの変位が常に一定であれば，人力信号の人力回数に対するアームの変位は決まった値となる．ロボットの手先あるいはアームが障害物などに衝突あるいは接触した場合にはポテンショメータの出力信号の変化がなくなるか，または，あったとしても僅かな出力信号の変化となると考えられる。人力
信号1匝lあたりのポテンショメータにおける出力信号に対する，衝突時における出力信号の変化の大きさを確認L，これを利用することにより陣営物との衝突あるいは接触の認識が￣可能となる．

〔2〕 ロボットの構成：
ゴム人工筋巷用いた貝体的なロボットを構成し，そのロボットにおける人力信号と出力とLてのアームの変位から上記の制御法の可能性を検討する．ロボットの構成を園9に示
す．ロボットはアーム1とアーム2からなる2自由度のロボットで，それぞれのアームを各1庫のゴム人工筋で駆動する．アー・ムの恒1転軸にはポテンショメ・−−・−・タが装着されている．

力制御はアー¶ム1のポテンショメータの出力信弓・を用いて行う．また，アーム1が障害物などへの接触を検知Lた場合には，アーム2を駆動して障害物などからの回避動作巷行わせる．電■空レギュレータヘの入力電圧虻Ⅷ．1V単位で加減した場合のアームの出力変位を園10に示す．負荷と人工筋に付加Lたばね力との関係でアームニ】とア¶ム2で異なった出力となっている．アーム2の特性では，ゴム人工筋の伸張方向とアームの駆動方向の組み合わせがアーム1とは逆の状態で，人工筋の収縮時に負荷が加わるが，ばねの復元力と相殺している．このようにアーム1でもこのような力の関係となるよううに構成す
れば制御L易い構成となるが，ここでは取り扱わない．図11にアーム2を固定L，アームユ、の先端に荷重を加えた場合の実験結果を示す、電・空レギュレータへの人力電圧0．

】＿Ⅴあたり約 Nの力である．以上のような実験結果をもとに以下に示すような具体的な制御系と制御アルゴリズムを構成し．障害物回避実験を行う．

4． 障害物回避実験
4．1 障胃物回避動作法
2本のゴム人工筋で構成した2日由度ロボットにおける障苦物回避動作の概念を園12に示す．ア皿ムlが障害物の接触あるいは衝突した場合に，障害物である認識処理を行う

アーム1のゴム人丁筋の内部圧力が増圧され，アーム1に設けられたポテンショメータの出力信号が増加Lないことにより障害物である認識が行われる．次に，アーム1の人工筋が減圧されアームーム1．は動作を停止し，障害物回避動作とLてアーム2が駆動きれる．アーム2の動作後に，アーム1が再び上昇動作を行い，障笥物に再び接触すれば，上記の動作を繰り返す．
アーームlのポテンショメータの出力信号がア皿ム1．の動作に対して所定の出力であれば，障害物の回避動作が完了したこととなる．障害物回避動作のブローを園13に示す．

4．2 障害物回避実験結果
障賽物回避実験は円筒状障害物および板状障害物に対Lて行った．図14にアーム1のアームの部分が小さな円筒状障害物に接触し，回避動作を行った結果を，図15にはそれよりも大きな円筒状物体に最初は腕の部分が、次にアーム先端部分が接触し，回避動作を行った結果を示す．図16には水平に置かれた板状物体の，幽17には垂直に磨かれた板状物体に接触し，回避する実験結果を示す、園17に示すように仮の表面をなぞりながら回避動作へと進んでいる．図18には，斜めに置かれた板状物体への回避動作を示す．
以上の実験結果が示すように．ゴム人工茄ロボットは定められたプログラムに泊って力制御を行い，障害物回避動作を行っている．

4， まとめ
ゴム人工筋を用いたマニピュレータによるコンプライアンス制御法を示した．障害物にマニピュレータが接触した壌台にゴム人⊥筋の柔軟性を利用し．エンコーダからの信号を用いてコンプライアンス制御を行う方法を提案した．ゴム人工筋をアクチュエータとする2
日由度関節型ロボットにより各種の障害物回避動作実験を行い．提案Lた方法の有効件を確認した．

行った実験の障害物の表面は平滑で，かっ障害物は剛体であるという条件である，より複雑な惟，辟性休あるいは粘性体の障害物に対する検討は行っていない．今後の検討課題である．

参考文献
1．軋軋 他， ゴム人． ⊥筋与用いたロボットマニビュレuタの位置と力のハイブリッ

ド制御，日機論，61C−586，（1995），p．309．
2．武富，他，

ゴム製空気圧アクチュエータによる力と位置のハイプりッド制御，

SIC fて東北支部第138回研究集会，NO．13日−5．（1995）．

ゴムチューブ

通常時加圧時閲］．． ゴム人］二筋概略図

ミストセパレータ t・空レギュレータ

ゴム人工筋

図2■ ゴム人」二筋特性測定来観装置︵∈呈堂儲
園3． ゴム人二1潤の変位斡件

10D

101
入力周波数（Hz）

園4． ゴム人工肪の周波数特性

閲5． 圧力情報による力制御

ミストセパレータ 電・空しギュレ一夕

図6． ゴム人t筋衝撃実額方法

言出脚尺玉−争∧中耳出
囲7・衝撃によるゴム人工筋の圧力変化（初期圧力0．25MPa）

囲8． 位置情報による力制御

囲9． ゴム人工肪を用いた2自由度ロボット

訂言出押賃玉阜−下mホ∴小策
電・空レギュレータ入力電圧（V）

図10． ア■ムの駆動特性（アーム］＿ ）言出脚尺玉仇−下mふヽ∵牛昔
2

電・空レギュレータ入力電圧（V）
図11． 7・−ムの駆動輪牲〔アーム2〕

三，二≡園1．2． 障害物回避動作

園丁 3． 障苫物回避動作フローー

200
X座標（mm）

園14． 障害物回避実験結果（1）

観15． 障害物回避実験結果〔2）

岡1＿6． 障害物回避実験結果〔3）010D

200300

X座標（mm）

園17． 障帯物回避実験結果〔4）ヰ0020ロX座樺（mm）

園18． 障害物回避実験結果（5）