1A1-N08

アンテザードな誘電エラストマアクチュエータ制御の研究
An untethered control system for Dielectric Elastomer Actuators○学 南之園 彩斗（芝浦工大）
正 重宗 宏毅 （芝浦工大）

学 村上 泰智（芝浦工大）
正 前田 真吾（芝浦工大）

Ayato MINAMINOSONO, Shibaura Institute of Technology, md18069@shibaura-it.ac.jp
Taichi MURAKAMI, Shibaura Institute of Technology, ab16118@shibaura-it.ac.jp
Hiroki SHIGEMUNE, Shibaura Institute of Technology, hshige@shibaura-it.ac.jp
Shingo MAEDA, Shibaura Institute of Technology, maeshin@shibaura-it.ac.jp
Soft robots have a potential to build human-machine coexistence. It is important for autonomous robots to adapt
external force and locomote without external controllers. Since the electrical performance of Dielectric Elastomer
Actuator (DEA) is similar to a capacitor, its power consumption is small. In addition, DEA is light in weight and thinin thickness. In this research, we developed an untethered control system for DEAs. From our experiments, we foundthat our controller can drive four DEAs and confirm that the power consumption of the DEA is low. Our research would
contribute to develop untethered soft robots and open up the society of the human-machine coexistence.
Key Words: Dielectric Elastomer Actuator, Untethered system, Soft robot
DEA を用いてロボット開発をすることによって，そのロボットは軽量かつ長時間駆動し，外的負荷を許容できる可能性
自然環境の中で活動するロボットにとって，自律して長時を持つ．DEA は駆動に高電圧を要するため，駆動システムの間移動でき，外的な負荷に耐えうる機能は非常に重要である．
アンテザード化が１つの課題とされていた．従来研究では自律機能を付与するためにはシステムをアンテザード化する
DEA が用いられた高電圧を制御するアンテザードシステムが必要がある．先行研究では BigDog [1]のようなアンテザード提案されている[4][5]．しかし，先行研究が提案しているアンロボットが開発されており，その実働性の高さが示されていテザードシステムでは，高電圧用の電子素子の制約により，る．外的な負荷に耐えうる機能の形成のために我々はソフト駆動できる DEA の数が少ない．また近年の研究では，低電圧ロボットに着目した．多くのソフトロボットは柔らかい材料で動作する DEA を 3 つ以上駆動可能なアンテザードシステムを利用し，外的負荷に順応できる機能を有する．誘電エラスも提案されたが，人工的な薄膜の形成とその薄膜の積層技術
トマアクチュエータ(Dielectric Elastomer Actuator : DEA) [2]は，が必要であるため，製作は容易ではない[6]．我々は以前の研ソフトロボットに適合できる電気駆動型の人工筋肉の一つで究で，既に容易に製作可能な高電圧駆動型の DEA を 4 つ駆動ある．DEA は単位密度あたりのエネルギー密度が高く，消費できる回路の開発に成功している[7]．しかし，DEA デバイス電力が小さい特長を持つ．図 1 は DEA の駆動メカニズムを示の外部にバッテリーや回路を設置していたため，アンテザーす．式(1)は DEA の駆動力となる静電気力がエラストマに付ドなシステムには成り得ていなかった．
与する圧力 P[N/m2]を示す[3]．

1. 緒 言2. 研究目的
本研究では容易に製作可能な高電圧駆動型の DEA を複数制御できるアンテザードなシステムを開発する．DEA の長所を保持するため，コンパクトで軽量なシステム構築する．

3. 製作方法
3.1 DEA の製作 我々はこれまで報告してきた DEA の製作方法でアンテザードシステムを評価した[7][8]．エラストマはアクリルゴム (VHB4905-J)，電極は多層カーボンナノチュー
ブ (MWCNT)を用いた．図 2 は製作した DEA を示す．実験では異なる面積を有した DEA でシステムの比較を行うため，φ20mm，φ50mm，φ90mm の DEA モデルを製作した．複数のDEA 制御の実験のため φ50mm のモデルは 4 つ製作した．

Fig.1 Structure of DEA
𝑃 = 𝜀! 𝜀" 𝐸# = 𝜀! 𝜀"
𝜀!
𝜀"
EVd:
::
::𝑉𝑑

(1)

エラストマの比誘電率
自由空間の誘電率 (8.854×10-12 F/m)
電界強度 [V/m]印加電圧 [V]
電極間距離 [m]Fig.2 Model of the DEAs for an experimentNo. 20-2 Proceedings of the 2020 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Kanazawa, Japan, May 27-29, 2020
1A1-N08(1)3.2 回路設計 我々は過去の研究で，外部電源を用いた高電圧制御法を確立した[7]．DC/DC コンバータと MOSFET を使用した高電圧制御方法を本研究でも用いた．本研究で用いた
DC/DC コ ン バ ー タ は EMCO AG20P-5 ， MOSFET はIXGT2N250 で あ る ． バ ッ テ リ ー は 電 圧 が 3.7V ， 容 量 が110mAh のものを使用した．レギュレータ 1 (TPS1200)はバッテリーの電圧を 5V に昇圧する．その 5V は DC/DC コンバー
タとレギュレータ 2 へ入力される．この時，DC/DC コンバー
タに入力される 5V は Cont. resistor によって降圧される．Cont.
resistor の大きさを調節する事で DC/DC コンバータの出力電圧が変化する．レギュレータ 2 (NJM2845DL1-33)は 5V を 3.3Vに降圧し，マイコン に電力を供給する．DC/DC コンバータが出力した高電圧は Power MOSFET によってスイッチングされる．スイッチングの命令はマイコン(LPC1114FN28)の出力信号がフォトカプラ(TLP172A)を介して Power MOSFET に入力されたものである．図 3 は Untethered controller を示す．大きさは直径 80mm，厚み 10mm，重量は 63g である．

制御する DEA の数とシステム駆動時間の関係性は，φ50mm の DEA を１つ駆動させる時は 763 秒，2 つでは 750秒，3 つでは 726 秒，4 つでは 695 秒であった．1-4 つの DEAの実験結果より，それぞれの消費電力は．1.92W，1.95W，2.08W, 2.11W であるので，DEA の個数と消費電力の関係性は48.3mW/個数(1 つの DEA あたり 19.6cm2)になる．
これらの結果より，DEA の消費電力は極めて小さいことが分かる．また，DEA の消費電力から逆算すると，Untetheredcontroller の消費電力は 1.85W である．この数値は DEA の消費電力に比べてかなり大きい．原因は DEA に蓄積した電荷を取り除くために挿入した，HV resistor で常に電力が消費されているためである．HV resistor の抵抗値を下げることで消費電力の改善が見込まれるが，同時に DEA の電荷の除去時間が増えるため，応答性が低下する可能性が考えられる．

Fig.5 Performance of the untethered system with DEA
Fig.3 Untethered controller

5. 結 論4. 実験

本研究はアンテザードシステムによる複数の DEA の駆動を目的としていた．我々が開発した Untethered controller は最大4 つの DEA を駆動させられる．しかし，消費電力の面で DEAに対しかなり劣勢であるので，今後の改良の余地が必要である．本研究の内容は DEA デバイスの実用性を高める技術であり，今後の独立型ソフトロボットを発展させる可能性がある．

4.1 実験条件 Untethered controller の性能を調べるため，DEA の面積とシステムの消費電力，DEA の個数とシステムの消費電力の関係を明らかにする．DEA の面積が大きくなるにつれて，理論的にはシステムの消費電力は大きくなることが推測できる．制御するDEA の数が増加した場合も同様に，システムの消費電力が大きくなる．図 4 は Untethered controller が出力する波形を示す．電圧は1.6kV，駆動周波数は1Hz に設定した．使用するDEA は図2 で示した φ20mm, φ50mm, φ90mm のモデルである．制御する DEA の個数[1]と消費電力の関係を求めるため，複数の φ50mm モデルを使用した．

[2]
[3]
[4]
[5]

Fig.4 Output waveform from the untethered controller
4.2 実験結果・考察 図 5 は DEA の条件とシステム駆動時間の関係を示す．電極の面積とシステムの駆動時間の関係性は，φ20mm の DEA のシステムは 786 秒，φ50mm は 763 秒，φ90mm は670 秒駆動した．φ20mm，φ50mm，φ90mm の実験結果より，それぞれの消費電力は．1.86W，1.92W，2.18W であるので，DEA の消費電力は 4.93mW/cm2 であることが求まる．

[6]
[7]
[8]

参考文献
M. Raibert et al., “Big dog, the rough-terrain quadruped robot,”
Proceedings of the 17th World Congress the International Federationof Automatic Control, vol. 41, no. 2, pp. 10822-10825, 2008.
M. Duduta et al., “Realizing the potaential of dielectric elastomer
artificial muscles,” PNAS, vol. 116, no. 7, pp. 2476-2481, 2019.
R. Pelrine et al., “High-speed electrically actuated elastomers withstrain greater than 100%,” Science, vol. 287, no. 5454, pp. 836-839,
2000.
J. Cao et al., “Untethered soft robot capable of stable locomotion using
soft electrostatic actuators,” Extreme Mechanics Letters, vol. 21, pp.
9-16, 2018.
F. Berlinger et al., “A Modular Dielectric Elastomer Actuator to Drive
Miniature Autonomous Underwater Vehicles,” in Robotics andAutomation (ICRA), 2018 IEEE International Conference on, pp.
3429-3435, 2018.
X. Ji et al., “An autonomous untethered fast soft robotic insect driven
by low-voltage dielectric elastomer actuators,” Science Robotics, vol.
4, no.37, pp. 1-11, 2019.
A. Minaminosono et al., “A deformable motor driven by dielectric
elastomer actuators and flexible mechanisms,” Front. Robot. AI, vol.
6, no. 1, 2019.
H. Shigemune et al., “Dielectric elastomer actuators with carbon
nanotube electrodes painted with a soft brush,” Actuators, vol.7, no. 3,
2018.

No. 20-2 Proceedings of the 2020 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Kanazawa, Japan, May 27-29, 2020
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