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日本バーチャルリアリティ学会誌第 13 巻 2 号 2008 年 6 月

特集 ■アクチュエータ・テクノロジー

特集

アクチュエータ・テクノロジー〜ヒトとの親和性を目指して〜

機能性流体アクチュエータの基礎と応用〜 ER 流体・MR 流体を用いたアクチュエータ・ブレーキの開発と力覚提示システム等への応用〜

菊池武士

大阪大学

KIKUCHI TAKEHITO

古荘純次

大阪大学

FURUSHO JUNJI

安全性が確保されていないと判断された場合は適切なリ

1．はじめに脳卒中患者は約 200 万人いると言われており，また高スク低減方策 ( 保護方策 ) を講じることによってリスク齢者の運動機能低下も深刻な問題となりつつある．そのを許容されるレベルまで低減させなければならない．

ような中，リハビリテーション分野へのロボット技術・

ISO12100 では設計者が行う保護方策として三つのスバーチャルリアリティ技術の導入が強く望まれている．

テップを規定している．すなわち，まず設計段階で極力現在，国内外のリハビリテーションロボティクス研究に安全性を向上させ ( ステップ 1：本質的安全設計方策 )，そよって多くの福祉機器が研究・開発されている．

れでも排除できなかった危険源に対しては防護柵等で人

筆者らはこれまで，機能性流体 ( 電場や磁場の印加にが近づけないようにし ( ステップ 2：安全防護 )，それでもより見かけの粘性が変化する流体 ) を用いたアクチュ

残った危険源に対しては警報装置や説明書によって使用

エータ・ブレーキの開発 [1-5]，及びそれらの応用であ者に危険情報を伝える ( ステップ 3：使用上の情報 )．

る上肢リハビリ支援システム等の研究開発を行ってきこのように，リスクアセスメントの目的は，安全であた [6-21]．リハビリ支援システムは，人間が接触しながることの証明ではなく，残存リスクやそれに対する使用ら使用するという意味で人間共存型システムの一種で上の注意を使用者に明らかにすることである [22]．

ある．人間共存型システムの設計開発において，一般人間共存型メカトロニクスの設計開発においては，上の機械システム以上に安全性が重要な課題となる．筆記の ISO12100 や ISO10218-1 が参考になるが，これらの者らは，人間共存型システムにおける安全確保のもっ汎用規格だけでは不十分であることが指摘されているとも基礎となる方策として，人に優しい (human-friendly[23]．例えば，リハビリロボットや手術支援ロボットのよな ) アクチュエータを使用することが重要と考えていうにこれまでの適用事例が少ない場合，情報不足のためる．その具体策の一つが本稿で紹介する機能性流体アにリスク評価が曖昧で主観的になりうる．そこで，具体クチュエータである．

的なシステムの設計・開発にあたって現状では，少なくとも下記の国際･国内安全規格を満たすことが望まれる．

本稿では，機能性流体アクチュエータ・ブレーキの基
本構造および力覚提示システム，上肢リハビリ支援シス

1. 暴走時の低運動エネルギ特性：ISO14121

テム，義足・下肢装具等への応用事例に関して述べる．

2. 機構的に安全を確保する必要性：ISO12100
3. アクチュエータの出力は 80[W] 以下：労働省告示 51号 ( 昭和 58 年 6 月 )2．人間共存型システムにおける安全性

4. 機械の手先速度は 25[cm/s] 以下：ISO10218

ISO12100 では，機械安全の基本として設計者にリスクアセスメントを要求する．リスクアセスメントとは，また，人間共存型メカトロニクスは人間と接して使用危険源の同定からリスクの見積もり，リスクの評価までするために，安全柵等の安全防護を設置することが出来のプロセスのことである．リスクの評価によって十分なない場合が多い．すなわち，一般的な機械に比べて本質32

特集3397JVRSJ Vol.13 No.2 June, 2008

アクチュエータ・テクノロジー

的安全設計方策の重要度が非常に高い．本質的安全設計

Cylinder

方策で重要な手法の一つがアクチュエータの出力制限でOutergap

MR fluid
Inner gap

あり，本稿で後に紹介する機能性流体クラッチ型アクチュ
エータは本質的安全設計で非常に大きな役割を果たす．

Coil

Magnetic flux

MR fluid

Magnetic flux
Flux guide
Cylinder Type3．機能性流体 (ER 流体・MR 流体 ) のメカトロニクス応用
外部の場の変化で特性が変化する流体を機能性流体とDiskGap

言う．機能性流体には，電場で見かけの粘性が変化する
Magneticflux guide

ER 流体 (Electro-Rheological Fluid)[24-26]，磁場で粘性がCoil

MR fluid
CoilGap
BypassPistonMR fluid valve

Piston TypeDisk Type変化する MR 流体 (Magneto-Rheological Fluid)[27] が存在する．機能性流体には他にもいくつかの種類が存在する

図1

機能性流体デバイス基本構造

が，本稿では ER 流体と MR 流体に関して述べる．
ER 流体には，粒子分散系，液晶系などいくつかの種類が存在する．粒子分散系 ER 流体はビンガム流動的で[27]．つまり，同一面積の伝達要素に対しては MR 流体

印加電場で降伏応力を制御可能であり，速度の依存性はの方が大きな伝達力を得ることができる．

低い．よって我々は，高精度にトルク制御可能なクラッどちらの流体も，流体自体の応答速度は数ミリ秒と非チ，ブレーキにこの種の流体を利用している [1][5]．液常に高速であるが，ER 流体が電場を利用していることに晶系 ER 流体はニュートン流動的でせん断応力−せん断よりデバイスとしての高速化も容易なのに対して，MR速度曲線の傾き ( 粘性係数 ) を制御できる．よって，制流体の場合は電磁石が発生する磁場の応答遅れのために御型ダンパへ応用可能である [26]．MR 流体は基本的に数十ミリ秒の遅れがあるのが普通である．この問題は，は粒子分散系であり，シリコンオイル等の溶媒に磁性体渦電流を考慮した設計をすれば改善できる [3][4] が，そ粒子が分散した系である．MR 流体の流動特性は粒子分の分，コストやサイズが大きくなる．

散系 ER 流体のそれと同様である [27]．

自動車産業において ER 流体ではなく MR 流体が実用

これら ER・MR 流体は，その粘性変化は高速でしか化された理由は耐熱性の差にある．現状では ER 流体がも可逆的であるため，各種メカトロニクスデバイス ( ク60°C 付近で粘性変化を消失するのに対し，MR 流体はラッチ，ブレーキ，ダンパ等 ) に応用できる．ER 流体

100°C を超えても使用可能である．

に関して，これまで多くの応用研究が報告されている

自動車のような過酷な環境を考えなければ，応答性[1][5][24-26]．MR 流体に関しては近年，ビルや橋梁の制の観点から ER 流体を使用するほうが望ましい場合もあ振ダンパ，自動車のサスペンション等においてすでにる．実際のデバイスの設計においては，ディスク ( もし実用化されている [29][30]．

くは円筒 ) の多層化の容易性，粒子の沈降や磨耗，デ以下では，粒子分散系 ER 流体と MR 流体の応用に関バイス全体のコスト，サイズ等も考慮する必要があり，して述べる．
デバイスの主な基本構造 (ピストンタイプ (直使用目的によって両流体の使い分けをしているのが現動 )，円筒タイプ ( 回転 )，ディスクタイプ ( 回転 )) を図 1 に状である．

ER・MR 流体の粘性変化を利用し，示す．いずれの方式も，伝達力 ( トルク ) もしくはブレーキ力 ( トルク ) を連続的

4．機能性流体クラッチ型アクチュエータと安全性の高かつ高精度に制御することが出来る．入力側を固定する

い人間共存型システムへの応用とブレーキ要素となり，入力側をモータ等で駆動するこ

上記の機能性流体クラッチを従来のアクチュエータとによりクラッチ要素となる．例えば，ER 流体クラッチと組み合わせることにより，機能性流体クラッチ型アクでは，入力側の電極と出力側の電極間にER 流体を充填し，チュエータを構築することができる [5]．
ER 流体クラッチ型アクチュエータ ( 以下，ER アクチュ両電極に電場を印加することによって電極間の流体のせエータ ) の概念図を図 2 に示す．ER 流体クラッチとクん断応力を制御する．
ER 流体は数 kV/mm の電場強度に対して数 kPa のせラッチ入力駆動部 ( モータと減速機 ) からなるシステム

ん断応力を発生する [24]．MR 流体は約 1T ( テスラ ) のである．モータは一定速度で駆動する．例えば，モータ

磁束密度に対して 10~100 kPa のせん断応力を発生するの速度を，アーム先端速度が 25cm/s 以下となるように333498

日本バーチャルリアリティ学会誌第 13 巻 2 号 2008 年 6 月

特集アクチュエータ・テクノロジー

ロータリーエンコーダ
回転角度情報アーム

印加電場を制御
制御器（コンピュータ）

ER流体

減速器

モータ

ER流体クラッチ（定速駆動）

図2

図 3 ER アクチュエータ・ブレーキを用いた 2 次元
ハプティックデバイス（左：アクティブ，右：パッシブ）

流体クラッチ型アクチュエータの構成

設定しておく (ISO10218 に準拠 )．このとき，制御用コンピュータの暴走やソフトウェアにバグがあっても，アクチュエータ側から人間を押す最大速度は 25cm/s 以下となり，衝突時の運動エネルギが制限され，退避時間や安全システムが動作する時間を確保できる．一方，人間側からリハビリ支援システムを動かす際は，駆動部の慣性を切り離すことにより高速に軽々とアームを動かすことができる．
以降で紹介する上肢リハビリ支援システム等において
図4

は，ER 流体・MR 流体を用いたクラッチシステムを採用しており，アクチュエータレベルでの本質的安全性をER アクチュエータ・ブレーキを用いた各種上肢リハビリ支援システム確保している．
クト開始 4 年目までに旭化成グループとともにシステム

5．上肢リハビリテーションシステムへの応用
ER アクチュエータを用いたアクティブ型 2 次元力覚を完成させた．最終年度に兵庫医科大学との共同研究

提示システム「仁王」[10][11] を図 3 の左に示す．また，で臨床評価を行い，脳卒中患者に対して訓練効果があER ブレーキを用いたパッシブ型 [12][13] を図 3 の右にることを確認した [31]．また，近年，森之宮病院と共同示す．これらのシステムは，トルク応答が高速な ER ア

で EMUL を用いた訓練を行いながら，その時の脳機能クチュエータ・ブレーキを使用しているため，剛性の高計測を行うことで，脳活動から見た効率の良いリハビリ

い壁の力覚やボールの打撃感など，良好な力覚を提示すテーションとは何かを解明しようとしている．

ることが出来た．ブレーキを用いたパッシブ型は，人かNEDO プロジェクト「次世代ロボット実用化プロジェらの運動に対して人に返す力を制御するものであり，極クト ( プロトタイプ開発支援事業 )」(2004 年度〜 2005 年

めて安全性が高い．このパッシブ型のシステムは，日本度 ) において，手首を含む上肢全体の協調動作のリハ訓バーチャルリアリティ学会論文賞を受賞している．これ

練が可能な 6 自由度上肢リハビリ支援システム「セラらの力覚制御機構は，以下の EMUL，セラフィ，PLEMO

フィ」( 図 4 左上 )[15][16] の研究開発を行なった．このにも引き継がれている．

ロボットは，愛知万博のプロトタイプロボット展で実5 ヵ年 NEDO プロジェクト「身体機能リハビリ支援シ演展示を行い，好評を博した．また，セラフィは Goodステム (1999 年度 ~2003 年度 )」において 3 次元上肢リハDesign 賞も受賞した．

ビリ支援システム「EMUL」( 図 4 左上 )[14] を研究開発し上記，EMUL，セラフィは 3 次元空間における自由なたのがリハビリ分野への本格的参入と言える．プロジェ

運動と力覚提示を実現するために機構的にも制御シス

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特集3599JVRSJ Vol.13 No.2 June, 2008

アクチュエータ・テクノロジー

テム的にも大きなものになっている．そこで，機構と制御システムの見直しを行い，システムの小型化，低コスト化を実現したのが PLEMO である．図 4 左下は完全パッシブ型 PLEMO-P1[17][18] である．トルク制御部に ER 流体ブレーキを用いており，機械システムからの能動的な動作がないために極めて安全である．制御
自由度は作業平面の 2 次元に限定しているが，この作業平面の傾斜角を調整することによって 3 次元的な訓練も可能となっている．このプロトタイプ機を基礎として，商品化一号機の開発も行った．この商品化一号

図5機は，兵庫医大に納品され，現在，リハビリ効果の評

MR 流体ブレーキを用いた制御型義足・下肢装具（左：制御型義足，右：制御型下肢装具）＊口絵にカラー版掲載

価を行っている．
図 4 右下はアクティブ・パッシブ兼用の Hybrid PLEMO

DD motorCouplingである．上記の PLEMO-P1 と同じ準 3 次元的な機構を採用して本体の小型化を図った．また，トルク制御部には，ブレーキモードとアクチュエータモードを切り替え可能

MR brake

Knee joint

な新しい機構を採用した．
Ankle joint

6．義足，下肢装具への応用

Foot link

大阪大学古荘研究室及び大阪電気通信大学森本，神図6

戸学院大学中川らは、義足分野では初めての制御型義足足部を開発した ( 図 5 左 )[19]．また，2005 年〜 2007 年のMR 流体アクチュエータを用いた足部痙性シミュレータ

NEDO プロジェクトにて制御型下肢装具 ( 図 5 右 )[20] の研究開発も行った．これら義足・下肢装具では足関節の体を用いたアクチュエータとブレーキの原理，構造，応トルク制御に MR ブレーキが用いられており，歩行実用用途に関して述べた．また，機能性流体クラッチ型ア験において足部の地面に対する一定のクリアランスが確クチュエータのアクチュエータレベルでの安全性に関し保され，大腿部を持ち上げない自然な歩行が実現できてて解説し，その応用例として各種のリハビリ支援システいることが確認できた．MR ブレーキは軽量・コンパク

ムに関して述べた．MR 流体に関してはすでに自動車産トで高速にブレーキ力を制御することができ，しかも機業等への応用が見られるが，ER 流体に関しても材料，械的な動作音がしない．

デバイスともに現在も研究開発が進められており，今後，実用化が期待できる．

7．足部痙性シミュレータへの応用
筆者らは MR 流体アクチュエータを用いて足部痙性

参考文献

シミュレータを開発し ( 図 6)[21]，脱力時の関節から痙性[1] 古荘，魏，古賀：ER 流体を用いた低慣性アクチュエータを有する関節まで，様々な関節の力覚を再現した．クローの開発とそのバーチャルリアリティへの応用，日本機械学

ヌス等の異常挙動をこのロボットで再現することによっ会第 72 期通常総会講演会論文集 ( Ⅳ )，pp.265-266 (1995)[2] 古荘 ( 解説 )：ER 流体を用いたメカトロニクスシスて，それらの神経生理学的，制御工学的なモデル構築をテム，

Vol.32, No.6,
フルイドパワーシステム ( 日本油空圧学会誌 )，目指している．また，このようなロボットは，理学療法pp.390-395 (2001)

士の教育現場において実際の異常関節を力覚的に再現で[3] 武居，古荘，清田：高速応答 MR 流体アクチュエータにきることから，理学療法士らの教育にも有効であると考関する研究，日本機械学会論文集 (C 編 )，Vol.69, No.681,えている．

pp.1342-1349 (2003)[4] 山口，古荘，菊池，木村：ケイ素鋼板を用いた高速応答・

8．おわりに高出力 MR アクチュエータの開発，日本機械学会論文集 (C本稿では，機能性流体の一種である ER 流体，MR 流編 )，Vol.70, No.698, pp.2886-2893 (2004)

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 13 巻 2 号 2008 年 6 月

特集アクチュエータ・テクノロジー[5] 古荘 ( 展望解説 )：ER 流体を用いたメカトロニクス機器

ンパクト MR ブレーキの開発と制御型短下肢装具への応の制御，計測と制御 ( 計測自動制御学会誌 )，Vol.34, No.9,用，日本ロボット学会誌，Vol.25, No.6, pp.867-873 (2007)

pp.687-691 (1995)[21] 菊池，山口，小田，古荘：MR クラッチを用いた足部痙性[6] 古荘，菊池 ( 総説 )：医工連携とフルードパワー，フルーシミュレータの開発，第 8 回計測自動制御学会システムイ

ドパワー ( 日本フルードパワー学会誌 )，Vol.37，No.5，

ンテグレーション部門講演会予稿集 , pp.1166-1167 (2007)

pp.272-276 (2006)[22] 杉本：展望グローバルな安全とリスクアセスメントの[7] 古荘，菊池 ( 解説 )：上・下肢リハビリテーション，福祉構造，日本ロボット学会誌，Vol.25, No.8, pp.1146-1150 (2007)

機器へのロボット技術の適用，総合リハビリテーション，[23] 木村 ( 解説 )：サービスロボットのリスクアセスメントとそ

Vol.35，No.5，pp.439-445 (2007)の課題，日本ロボット学会誌，Vol.25, No.8, pp.1151-1154 (2007)[8] 菊池，古荘 ( 解説 )：上肢・下肢リハビリテーションシス[24] 小山：ER 流体の開発と応用，シーエムシー (1995)

テムの研究開発および VR 技術の応用，日本シミュレー[25] 中野：機能性流体の現状と今後の展望，精密工学会誌，ション学会誌，Vol.26, No.3, pp.160-165 (2007)

Vol.72, No.7, pp.813-816 (2006)[9] J. Furusho, T. Kikuchi : A 3-D Rehabilitation System for[26] 井上：均一系電気粘性 (ER) 流体の紹介と応用事例，精Upper Limbs “EMUL”, and a 6-DOF Rehabilitation System

密工学会誌，Vol.72, No.7, pp.821-825 (2006)“Robotherapist”, and Other Rehabilitation System with High[27] J. David Carlson : MR fluid and devices in the real world,Safety, Rehabilitation Robotics (Edited by Sashi S Kommu),

Proceedings of the 9th International Conference on ER Fluids

Chapter 8, I-Tech Education and Publishing, pp.115-136 (2007)

and MR Suspensions, pp.531-538 (2004)[10] J. Furusho and M. Sakaguchi : New Actuators Using ER Fluid[28] 井上 ( 解説 )：福祉・健康機器への応用 , フルイドパワー

and Their Applications to Force Display Devices in Virtualシステム ( 日本油空圧学会誌 )，Vol.37, No.5, pp.15-19 (2006)

Reality and Medical Treatments, International Journal of Modern[29] J. David Carlson : MR fluid technology - commercial status

Physics B., Vol.13, No.14-16, pp.2151-2159 (1999)

in 2006, Proceedings of the 10th International Conference on ER[11] 小柳，古荘，小田：仮想迷路抜け課題を応用した上肢

Fluids and MR Suspensions, pp.389-395 (2006)

運動機能解析に関する考察，人間工学会誌，Vol.42, No.5,[30] 出頭 茂 ( 解説 )：MR 流体とその応用，フルイドパワー

pp.295-304 (2006)

システム ( 日本油空圧学会誌 )，Vol.38, No.2, pp.36-40 (2007)[12] J.Furusho, M.Sakaguchi, N.Takesue and K.Koyanagi :[31] 宮越，道免，小山，古荘，小柳：脳卒中片麻痺患者に対Development of ER Brake and its Application to Passive Forceする上肢機能訓練装置の使用経験，リハビリテーション医

Display, Journal of Intelligent Material Systems and Structures,

学，Vol.43, No.6, pp.347-352 (2006)

Vol.13, No.7/8, pp.425-429 (2002)[13] 古荘，小柳，董：機能性流体ブレーキを冗長個数用い【略歴】

た力覚提示システム，日本機械学会ロボティクス・メカト

菊池武士（KIKUCHI Takehito）

ロニクス講演会 2003 講演論文集，1P1-2F-E4 (2003)[14] 古荘ら：三次元上肢リハビリ訓練システムの開発 ( 第 1 報：

2003 年 大阪大学大学院工学研究科 修了．同年大阪府

ER アクチュエータを用いた機構およびシステム全体の開

立産業技術総合研究所に入所．2005 年 大阪大学大学院発 )，日本ロボット学会誌，Vol.23, No.5, pp.123-130 (2005)

工学研究科助手．現在，同大学助教．機能性流体を用い[15] 古荘，中山：手首を含む 6 自由度上肢リハビリ支援ロボッ

たブレーキ・アクチュエータの研究開発およびその応用ト「セラフィ」，
日本ロボット学会誌 , Vol.24, No.2, pp.186 (2006)の研究に従事．日本バーチャルリアリティ学会等の会員．

[16] J. Furusho, et al.: Development of 6 D.O.F Rehabilitation

博士 ( 工学 )．

Robot for Upper Limbs Including Wrists with High Safety, The
36th International Conference on Robotics, WE2C2 (2005)

古荘純次（FURUSHO Junji）[17] 菊池ら：準３次元リハビリテーション訓練支援システ
VR 医学 ( 日ム
「PLEMO ( プレモ )」の開発に関する基礎研究，

1970 年大阪大学工学部機械工学科卒業，1975 年同大学

本 VR 医学会誌 )，Vol.5, No.1, pp.24-31 (2007)

博士課程単位取得退学．大阪大学助手，岐阜大学助教[17] 菊池ら：準 3 次元上肢リハビリ支援システム「PLEMO ( プ授，電気通信大学教授を経て，1996 年より大阪大学教授．

レモ )」およびそのソフトウェアの研究開発 , 日本バーチャ

ロボティクス・メカトロニクス，上肢・下肢リハビリ訓

ルリアリティ学会論文誌 , Vol.13, No.1, pp.79-87 (2008)

練システム，バーチャルリアリティ，人間共存型メカト[19] 古荘 ら：インテリジェント義足足継手の研究開発 ( 第 1 報，ロ二クス，機能性流体を用いたメカトロニクス，手術支リニア型 MR 流体ブレーキの開発 )，日本機械学会論文集

援システム等の研究に従事．日本バーチャルリアリティ(C 編 ), Vol.70, No.695, pp.2163-2170 (2004)

学会等の会員．工学博士．

[20] 古荘ら：せん断型コンパクト MR ブレーキを用いたイ
ンテリジェント下肢装具の研究開発 ( 第 1 報 ) せん断型コ36