令和5年9月14日（木）無動力システムを用いた空気圧駆動義指

津山工業高等専門学校 総合理工学科
機械システム系 准教授
西川 弘太郎
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自己紹介
西川弘太郎

博士（工学）・技術士（機械部門）

専門分野： メカトロニクス・リアルタイム制御・機械設計
川崎重工業株式会社 研究設計職
津山工業高等専門学校 技術専門職員
同校
准教授
空気圧サーボを用いた人間支援型ロボットに関する研究
競争的研究費採択実績
2012年度科学研究費補助金（奨励研究）
2015年度科学研究費補助金（奨励研究）
2015年度油空圧機器技術振興財団研究助成金
2017年度科学研究費補助金（奨励研究）
2019-2022年度科学研究費補助金（若手研究）
産学連携研究実績
三菱ケミカル株式会社殿JA全農おかやま殿

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発明の背景・従来技術・問題点
日本において上肢切断者は約8.2万人
重い・高い

【義手】

軽量・安価な筋電義手を提供するための3Dプリンタを利用した義手開発プロジェクト

筋電義手

HACKBerryFinch

3Dプリンタ筋電義手の問題点

電動のため構造が複雑・重量がありコストが高い
電気エネルギーが不可欠（バッテリーが必要であり，使用時間は制限）
電動アクチュエータでは，対象物の柔軟把持が困難

電気エネルギーを使用しない（無動力システム）空気圧駆動義手の提案
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なぜ空気圧駆動なのか？
1. 出力/重量比が高い
DCサーボモータ: 83 [N/kg]【義手】

義手の軽量化
ベローズアクチュエータ
15700 [N/kg] at 100 [kPa]

2. シンプルな構造

義手の低コスト化

3. バックドライバビリティに優れる

空気の圧縮性を利用し，剛性の低い対象物の柔軟把持が可能

しかし，従来の空気圧システムでは・・・

多くの外部機器が必要（空気圧部品・電子部品・PC等）
外部機器を駆動するための，電気エネルギーが不可欠
外部機器の例（コンプレッサ）

重量増加・高コスト化の問題により空気圧駆動義手/義指の実用化はされていない
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無動力空気圧駆動義手
Finger･Drive part【義手】

HolderSocket part(b) 指部正面(a) 外観(c) 指部側面

空気圧駆動義手（プロトタイプ）の仕様
Weight574 [g](Finger part: 88 [g] Other part: 486 [g])Maximum pressure

Approx. 80 [kPa]

Maximum angle ofjoint

Approx. 0.9 [rad]Size

H 165.0 [mm] x W 100.5 [mm] x L 645.0 [mm]5

無動力空気圧駆動義手の構造・動作原理【義手】• 回外動作で圧縮空気を生成（電気エネルギー不要→無動力システム）• 駆動源からアクチュエータを義手に組込んでいる（外部機器不要）• 円筒リブカムがホルダーの回転運動を直線運動へ変換• 単純な空気圧回路で信頼性が高い

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ベローズを用いた指関節【義手】

ベローズは柔軟であり指の屈曲 / 伸展の適しているため，指関節に直接組込める
圧力印加時に長手方向のみ膨張するため，対象物との干渉がない
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無動力空気圧駆動義手の構造・動作原理

【義手】

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柔軟物を含む対象物の把持が可能 【義手】(a) 消しゴム(b) ゴムボール(c) 紙コップ(d) ペットボトル

9筋電義指（従来技術）【義指】

i-digits quantum

https://www.p-supply.co.jp/ossur/catalog/i-digits/i-digits-quantum.html
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無動力リンク義指1（従来技術） 【義指】

Knick-finger（3Dプリンタ義指）• MP関節の屈曲動作によりワイヤーを引き，リンク関節を駆動させる• 増速リンク機構により角速度が上昇する反面，トルクが低下する→把持力が小さい• ワイヤーの引張長さによって2関節を駆動する→把持力が生じないバッ
クドライブをするため，把持できず対象物を落とす• 柔軟な把持が困難
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無動力リンク義指2（従来技術） 【義指】

X-finger（金属義指）• MP関節の屈曲動作によりリンク関節を駆動させる• 増速リンク機構のため，把持力が小さい• 機構的なガタがリンク機構により増幅され，把持力が生じないバックドライブをする• 柔軟な把持が困難

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無動力空気圧駆動義指の構造・動作原理【義指】

MP関節の屈曲動作によって圧縮空気を生成

屈曲前

屈曲後空気圧の把持力が常時作用するため，対象物を落とさない空気圧のバックドライブにより，柔軟把持可能（幅広い対象物の把持も可能）

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無動力空気圧駆動義指の構造・動作原理

屈曲前

【義指】

屈曲後
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無動力空気圧駆動義指の制御性能 【義指】
※制御性能評価のため，センサを取付ている（義指の動作には不要）

サンプリングタイム：5 [ms]15

無動力空気圧駆動義指の制御性能 【義指】

𝑙1 = 79 mm ,𝑙2 = 20 mm ,𝑙3 = 27 mm

𝑥PIP = 𝑙1 cos 𝜃MP
PIP座標
𝑦PIP = 𝑙1 sin 𝜃MP
𝑥DIP = 𝑥PIP + 𝑙2 cos 𝜃PIP
DIP座標 𝑦DIP = 𝑦PIP + 𝑙2 sin 𝜃PIP
𝑥TIP = 𝑥DIP + 𝑙3 cos 𝜃DIP
指先座標 𝑦TIP = 𝑦DIP + 𝑙3 sin 𝜃DIP

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無動力空気圧駆動義指の制御性能 【義指】

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ペットボトルの把持実験

【義指】

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無動力空気圧駆動義指Type2

コンパクトなポンプ内蔵型も開発済【義指】
材質：PLA樹脂
総重量：49.0 [g]指部の重量：21 [g]Confidential

Confidential
屈曲前屈曲後19

想定される用途【義指】

従来の重量があり高価な義指にかわる軽量・安価な義指として期待される作動流体を変更することにより，把持性能の変更が可能
脳梗塞やリウマチ等の疾患により手指が不自由なユーザ向けのフィンガ
複数のTypeの義指 / 人体拡張デバイス（健常者の危険作業等）を開発済

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実用化に向けた課題【義指】

義指の基本的な制御性能や把持性能の実験結果から，従来技術のものよりも優れていることを確認済
実用化には，柔軟なベローズアクチュエータの開発，優れたデザイン性の検討が必要

ベローズアクチュエータ
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企業への期待【義指】

共同研究・ライセンス化を希望

ロボット（制御機器）を製造されている企業
医療・福祉分野への製品応用・事業展開を予定されている企業→共同開発・製品化
樹脂材料の開発経験（自動車部品・生活用品・玩具等）を有する企業→ベローズアクチュエー
タの共同開発射出成型金型の設計 / 製作経験を有する企業

自社ブランド製品を希望される企業
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本技術に関する知的財産【義指】

発明の名称 ：フルードパワー義指，フルードパ
ワー義指アセンブリ，フルードパワー義指用の指部，フルードパワー義手，及び，人体拡張デバイス

出願番号
出願人
発明者

：特願2022-197380：独立行政法人国立高等専門学校機構：西川 弘太郎

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お問い合わせ先
独立行政法人国立高等専門学校機構
本部事務局 研究推進課
KRA（国立高専リサーチ・アドミニストレータ）
泉 俊次郎 （いずみ しゅんじろう）
TEL: 042-668-5495
E-mail: KRA-contact@kosen-k.go.jp

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