計測自動制御学会東北支部 第 339 回研究集会 (2022.10.28)
資料番号 339-3

軸方向繊維強化型空気圧ゴム人工筋肉における空気漏れがリッ
プルに与える影響の調査
Investigation of the eﬀect of air leakage on ripple instraight-ﬁber-type pneumatic rubber artiﬁcial muscle○瀬野航生 ∗ ，戸森央貴 ∗∗○ Kosei Seno∗ , Hiroki Tomori∗∗
山形大学*Yamagata University
キーワード : 軸方向繊維強化型空気圧ゴム人工筋肉 (straight-ﬁber-type pneumatic rubber artiﬁcialmuscle)，圧力リップル (pressure ripple)，空気漏れ (air leakage)，空気圧 (pneumatic)，ソフトアクチュ
エータ (soft actuator)

連絡先 : 〒 992-8510 山形県米沢市城南 4-3-16 山形大学 工学部 機械システム工学科 戸森研究室
Tel.: (0238)26-3217，E-mail: taw82947@st.yamagata-u.ac.jp1.

諸言肉 (以下，SF-PAM) の研究を行っている．SF-

近年の日本において高齢者の人口が総人口に占める割合は年々増加しており，介護ロボットやアシストスーツのような人間の動作をサポートするロボットへの期待が高まっている．しかしモータや油圧シリンダのようなバックドライ
バビリティが低く高剛性なアクチュエータを使用したロボットが人と接触すると怪我に繋がる可能性が高いため，人と協働するのは困難である 1) ．そこでゴムやゲルなどのような粘弾性特性を有した素材をアクチュエータとしたソフトロボットであればアクチュエータそのものが柔らかく，動作にも柔らかさが現れる．よって人とロボットが接触した場合でも怪我のリスクが軽減されると考えられる．
本研究室ではソフトロボットのアクチュエータとして，軸方向繊維強化型空気圧ゴム人工筋

PAM はゴム製であることから，バックドライバビリティを容易に実現できる．また，空気圧駆動であるため SF-PAM に空気漏れや破裂が発生した場合でも人体や環境に悪影響を及ぼさないアクチュエータである．一方で，高精度な位置制御が困難であることや，応答速度が遅いなどの課題を抱えている．これに対し先行研究では数学モデルを用いたマニピュレータの位置決め制御の改善 2) や MR ブレーキを用いた振動抑制を図っている 3) ．さらに MR ブレーキを応用して人工筋肉の応答の遅さを補おうという試みが行われている 4) ．
しかし，これ以外にも SF-PAM の空気圧応答に脈動 (以下，圧力リップル) が現れる場合があり，位置制御や計測の妨げとなっていた．
そこで圧力リップルの原因解明と抑制を目指し，調査を行った．事前調査の結果，SF-PAM–1–

からの微小な空気漏れ (リーク) が圧力リップルに関係しているとの仮説を立てた．したがって
本稿では空気漏れの量と圧力リップルの振幅の関係性について述べる．

2.

SF-PAM

本実験で使用した SF-PAM を Fig.1 に，寸法Fig. 1を Table 1 に示す．ゴムチューブ部分に軸方向

SF-PAMと平行になるようにアラミド繊維を内包することにより，空気圧を印加すると径方向は膨張し軸方向は収縮するため Fig.2 のように変形する．
また，リングを設けることによって，膨張に伴うアルミ部分との接触による破裂の予防や収縮方向の拘束を行っている．

SF-PAM は軽量で出力密度が高く柔軟であるという特徴を持っている．また，最大収縮率はFig. 2

Contracting SF-PAM

30 ％を超えており，空気圧ゴム人工筋肉で最も一般的とされる Mckibben 型人工筋肉より優れと 2 次側圧力との間に差があるとそれに応じてている 5) ．さらにゴムの柔らかさにより，作動出力の調整を行う．使用している空気圧アクチュ中に荷重がかかった場合に特別な制御を必要とエータに空気漏れが発生している場合，2 次側せずに衝撃を吸収することが可能である．以上の圧力が不安定になり圧力リップルの発生に繋の理由により．SF-PAM はソフトロボットのアがると考えられる．

クチュエータに適していると考えられる．

3.2

3.1 節の仮説を検証するため，空気漏れがな

Table 1 Parameters of the artiﬁcial muscle
Name
Figure Unit
Full length
DiameterEﬀective part

32.2
23.4
16.0

検証

い SF-PAM と空気漏れがある SF-PAM を用い[mm][mm][mm]て対照実験を行った．空気漏れがない SF-PAM
はゴムチューブの両端にエアチューブを接続できる接手を使用し，SF-PAM を作製する．その後水に沈めて空気圧印加を行い，空気漏れがないことを確認する．空気漏れがある SF-PAM は
厚さ 0.85mm のビニールフィルムシートに穴を3.

圧力リップル

3.1

発生原因の仮説開け，一方の接手に挿入する．そしてビールフィ
ルムシートを挿入した方のエアチューブを大気開放することで空気漏れを発生させる．

本研究室で使用している電磁弁 (SMC 社製，本実験で使用した実験装置図を Fig.4 に示す．

ITV1050-211L) は内蔵されている圧力センサをパーソナルコンピュータ (以下，PC) に印加圧力利用した圧力補正機能を有しており，目標圧力を入力すると DSP(エムアイエス社製，sBOXII)–2–

を通じて D/A 変換を行い，電磁弁にステップ信号を送信する．SF-PAM に空気圧を印加後，圧力センサ (日本ピスコ社製，SEU11-6UA) で圧力応答を測定し DSP で A/D 変換して PC に記録する．

Fig. 5

Fig. 3

Output pressure without air leakage

Inserting ﬁlm to SF-PAM

Fig. 6

4.

Output pressure with air leakage

空気漏れ量と圧力リップルの関係性

Fig. 4

Experiment diagram

4.1

実験方法

前章では空気漏れが圧力リップルの発生に関3.3係していることが判明した．本章では空気漏れ検証結果の量の調整し，それに伴う圧力リップルの振幅
空気漏れがない場合の結果を Fig.5 に，空気の変化について調査を行った．

漏れがある場合の結果を Fig.6 に示す．Fig.6 では圧力リップルが発生しており，空気漏れが圧力リップルに繋がっていることが確認できた．

本実験で使用した実験装置を Fig.7 に示す．30

s の間ステップ入力を用いて SF-PAM に 0.05MPaを印加する．ペットボトル内の圧力上昇により噴出した水の重量を測定することで空気漏れの流量を算出する．また，圧力センサで測定した圧力から 10 周期分の圧力リップルの振幅を取得し，平均値を算出する．これを 30 回行ってグラフを作成する．
圧力応答の計測は 3.2 節と同様であり，空気–3–

漏れの調節はフィルムに針を刺す回数の変更により行っている．

Fig. 8 Relationship between air leakage andpressure ripple
Fig. 74.2

Experiment diagram

実験結果

Fig.8 に実験結果を示す．空気漏れがおよそ0.9L/min になるまでは線形的に振幅が増加し，それ以降は振幅が減少する傾向が確認できた．
また，空気漏れ量が 0.507L/min の時の圧力応答を Fig.9 に，1.027L/min の結果を Fig.10，1.507L/min の結果を Fig.11 に示す．これらの比較により，圧力リップルの振幅がピークに達するまでは一定の周期のまま振幅のみが増加しFig. 9leakage

Pressure ripple with 0.507L/min air

Fig. 10
leakage

Pressure ripple with 1.027L/min airている．また，ピークを過ぎた後は圧力リップルの周期の減少に伴い振幅が減少していることがわかる．しかし，1.507L/min では SF-PAMの収縮が起こっていないためアクチュエータとして使用できない．したがって SF-PAM の作製には空気漏れが発生しないように細心の注意を払うべきである．

–4–

Fig. 11
leakageFig. 13Pressure ripple with 1.507L/min air

5.
4.3

Output pressure with air tank

結言対策
本稿では電磁弁と SF-PAM を接続した際に発空気漏れが発生し穴を塞ぐのが困難な場合，生した圧力リップルの原因について調査を行っ空気圧システムの圧力リップルの抑制方法とした．空気漏れが発生していると電磁弁からの圧て電磁弁の 2 次側に圧力容器を設置することが力応答が不安定となり，SF-PAM の収縮に振動有効であると示されている 6) ．

が生じる．したがって空気圧アクチュエータのFig.12 に示すように，使用した実験系に容作製時は空気漏れがないように細心の注意を払積が 2.2L の圧力容器 (日建社製 CT-22) を設け，う必要がある．また，圧力リップルの低減方法

3.2 節と同様の実験条件における圧力応答の調として，応答速度の低下に繋がるものの，電磁査を行う．

弁と SF-PAM の間に圧力容器を設置することも実験結果を Fig.13 に示す．Fig.6 と比較する有効であることが分かった．と実験系全体の容積の増加に伴う応答速度の低SF-PAM をアクチュエータとして使用するた下が見られたが，圧力リップルの振幅の減少おめには 0.05MPa では不十分であるため，今後はよびオーバーシュートの改善が確認できた．よっ0.2MPa のような高圧力における変化についてて本手法は SF-PAM に対しても有効であり，ス調査を進める．

ピードよりも安全性を重視する介護ロボットに用いるのが適切であると考える．

参考文献
1) 辻 俊明, 原 正之:「人間環境と親和性の高いロボットのためのアクチュエータ」特集について, 日本ロボット学会誌, 31-6, 547 (2013)2) 戸森 央貴, 前田 浩之, 中村 太郎:動特性モデルを考慮に入れた 6 自由度ゴム人工筋肉マニピュ
レータの軌道追従制御, 日本機械学会論文集 C編, 77-779, 2742/2755(2011)

Fig. 123) T. Nakamura and Y. Midorikawa and H. tomori:Position and Vibration Control of Variable Rheological Joints Using Artiﬁcial Muscles and Magneto-Rheological Brake, International Journal of Humanoid Robotics, 8-1,205/222, (2011)

Experiment diagram with air tank–5–4) 戸森 央貴, 永井 豪, 間島 達雄, 中村 太郎: 可変
粘弾性関節マニピュレータを用いた粘弾性制御による瞬発力を伴う運動の制御, 計測自動制御
学会論文集, 51-6, 380/389(2015)5) 中村 太郎: 軸方向繊維強化型空気圧ゴム人工筋肉の開発, 日本機械学会誌, 110-1062, 407(2007)
6) 小山 紀, 片桐 一博, 川島 弘嗣, 香川 利春: 電
磁弁直接駆動空気圧レギュレータのリップル低減, 油圧と空気圧, 28-6, 637/678(1997)–6–