昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可

平成24年５月15日発行（奇数月）

ISSN 1346−7719

フルードパワーシステム

ISSN 1880−3121

日本フルードパワーシステム学会論文集

日本フルードパワーシステム学会誌

フルードパワーシステム

May.2012 Vol.

43 No.3

日本フルードパワーシステム学会論文集
TRANSACTIONS OF THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY

特集「フルードパワーシステムと地震対策」

一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会

http://www.jfps.jp

ISSN 1346―7719

日本フルードパワーシステム学会誌

第43巻 第 3 号
2 0 1 2 年５月

フルードパワーシステム―目次―

特集「フルードパワーシステムと地震対策」【巻頭言】「フルードパワーシステムと地震対策」発行にあたって【総論】
フルードパワー技術を用いた免震・制震について【解説】
高層ビル用制震オイルダンパ
阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の開発と建設―
鉄道車両用地震時脱線防止対策左右動ダンパ
遠隔操作建設ロボット
危険建物内への迅速・安全なアクセスを目指した流体ロープウェイ
塚越

金

俊完

141

露木

保男

142

栗野 治彦
高橋
治
鈴木
貢
山田 宏尚
秀行，北川
能

146
149
156
159
162

嚴
祥仁
香川 利春

165
168

【教室】
おもしろ油圧機構 第６回 方向制御弁
おもしろ空気圧「高分子膜式エアドライヤ 」

大橋
彰
桑名 伸好

171
174

【トピックス】
産業オートメーション技術における国際標準化―CADデータ交換の諸問題とISO 10303（STEP）規格―
アメリカ駐在日記
TCP/IPを用いたネットワーク通信の基礎学生によるフルードパワー企業見学記

五嶋 裕之
山田真の介
内堀 晃彦
阿部 利章

176
179
182
185

【FPIC会議報告】
ICMT2011におけるフルードパワー技術関連の研究
FLUCOME2011におけるフルードパワー技術研究動向
FLUCOME2011 in TAIWAN【会告】平成24年春季フルードパワーシステム講演会のお知らせ
平成24年春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」
第31期通常総会・技術懇談会 開催のお知らせ
若手育成フルードパワー道場７ 「フルードパワーに生かせる電子回路技術」開催のお知らせ
触れて学べる！ 入門者向き実習講座「油空圧技術」
共催・協賛行事のお知らせ
各委員会名簿第２回フルードパワーに関する日中国際共同ワークショップ
その他■表紙デザイン：山本

博勝

134
135
136
136
137
139
140
145
133, 137, 170, 188㈱豊島

一般社団法人日本フルードパワーシステム学会〒 105―0011 東京都港区芝公園３―５―22 機械振興会別館102
TEL：03―3433―8441

FAX：03―3433―8442

E-Mail：info@jfps.jp

ISSN 1346 7719

JOURNAL OF
THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY

FLUID POWER SYSTEM
Vol．43，No. 3

May 2012―――Contents―――
Special Issue “Fluid Power Systems as Earthquake Countermeasures”【Preface】
At the Special Issue of “Fluid Power Systems as Earthquake Countermeasures”
Joon-wan KIM

141

Yasuo TSUYUKI【Explanation】
Structural Control Oil Damper for High-rise Buildings
Haruhiko KURINO
Asagaya Project―Development and Construction of Three-dimensional Seismic Isolation Building―
Osamu TAKAHASHI
A Lateral Damper to Improve the Running Safety of Railway Vehicles during an Earthquake
Mitsugi SUZUKI
Tele-operation of the Construction Robot
Hironao YAMADA
Fluid Powered Ropeway Aiming Rapid and Safe Access into Dangerous Buildings
Hideyuki TSUKAGOSHI, Ato KITAGAWA

142【Survey】
Seismic Isolation and Passive Vibration Control Using Fluid Power Technology

146

149
156
159
162

【FPIC Report】
Researches on Fluid Power Technologies in ICMT 2011
Introduction of Fluid Power Technology FLUCOME2011 in TAIWAN

Xiangren YAN
Toshiharu KAGAWA

165
168

【Lecture】
No.6 Directional Control Valve
High Polymer Membrane Air Dryer

Akira OHASHI
Nobuyoshi KUWANA

171
174

Hiroyuki GOTO
Masanosuke YAMADA
Akihiko UCHIBORI
Toshinori ABE

176
179
182
185

【Topics】
International Standardization of Factory Automation―Problems of Product Data Exchange and ISO 10303―
U.S. Resident Diary
Basis for Network Communication Using TCP/IP
Description of Visit to Fluid Power Company by the Student【JFPS News】

133, 134, 135, 136, 137, 139, 140, 145, 170, 188

The Japan Fluid Power System Society
c/o Kikaishinko Building
3―5―22 Shiba―koen, Minato-ku, Tokyo, 105―0011, Japan

会告

133

理事会・委員会行事日程等会

告〈理事会・委員会日程〉
４月20日

委員長会議・臨時理事会

５月11日

企画委員会

５月25日

理事会

５月30日

編集委員会

６月６日

基盤強化委員会

６月８日

情報システム委員会〈第６回

第４回情報システム委員会

理事会〉

３月22日 15：00 〜 17：00 機械振興会館6S―１

３月30日 15：00 〜 16：20 機械振興会館B3―１（出席者８名）（出席者17名）

１）総会出欠確認システムについて

１）一般法人移行準備状況について

２）ウインターセミナーと春季講演会のイベントシステム
に関して

２）フェロー候補者の選考結果について
３）名誉員の推薦について

３）新規会誌・講演会論文集の電子化について

４）2012第２回日中国際共同ワークショップ企画につい

４）FPIC会議報告の執筆者の推薦について
５）国際シンポジウムのWeb掲載についてて
５）会員の推移と入退会者について

６）会員専用HPのコンテンツの充実について

６）３月30日評議員会・理事会資料について

７）委員の任期について
８）その他（評議員会と共通議題）【継続議題】

７）その他

１）旧会誌，講演論文集の電子化について
２）会告等のHP掲載手順について〈委員会報告〉３）HPの更新について
４）その他

第５回基盤強化委員会
３月８日 15：00 〜 17：00 機械振興会館B3―７（出席者10名）

第６回編集委員会

１）会員サービスについて

４月６日 14：00 〜 17：00

２）若手フルードパワー育成道場について

田町キャンパスイノベーションセンター

３）フルードパワー・バーチャルミュージアムについて（出席者15名）

４）その他

１）学会誌発行状況について
２）学会誌編集計画について

第６回委員長会議

３）トピックスについて

３月13日 15：00 〜 17：00

４）現賛助会員の企業記事について

田町キャンパスイノベーションセンター

５）フェローへのコーヒーブレーク執筆依頼について（出席者７名）６）１月号への１年分の特集号予定の掲載について

１）一般法人移行準備状況について

７）その他

２）フェロー候補者の選考結果について
３）学会賞受賞者への連絡方法について
４）名誉員の推薦について
５）2012第２回日中国際共同ワークショップ企画について６）３月30日評議員会・理事会資料について
７）その他

第43巻

第３号

―1―

2012年５月（平成24年）

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フルードパワーシステム

会

告日本フルードパワーシステム学会・日本機械学会 共催

平成24年春季フルードパワーシステム講演会のお知らせ
開催日：平成24年５月24日
（木）
，25日
（金）
講演募集要項
平成24年春季フルードパワーシステム講演会を下記のとおり開催します．本講演会は通常の一般講演に加え，フルー
ドパワーの魅力にフォーカスしたオーガナイズドセッションとして，「ミクロとマクロでブレークスルーを支えるフルー
ドパワー」，「フルードパワーシステムのトライボロジーとその周辺技術」，「生体協調システムとしてのフルードパワー」
を企画しました．また，24日午後は編集委員会と企画委員会の合同企画による併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」を，25日午後は特別企画として，23日に開催されます日中ワークショップのため中国からお招きした研究者による特別講演を予定しております．本講演会が参加者皆様の情報交換ならびに交流の場となれば幸いです．どうぞ奮ってご参
加いただきますようご案内申し上げます．
１．開催日時：平成24年５月24日（木）〜 25日（金） ９：00 〜 17：00（予定）２．会

場：機械振興会館 本館〒105‑0011 東京都港区芝公園３―５―８（http://www.jspmi.or.jp/about/access.html）

３．講演会プログラム：５月中旬に学会ホームページ（http://www.jfps.jp）に掲載予定です．
４．講演会の形式：⑴ 講演時間：１題目につき20分（講演15分，討論５分）です．
⑵ 座

長：会員の中からあらかじめ見識ある方を人選します．

⑶ 講演論文集：申込講演の前刷原稿をオフセット印刷し，一冊に編集します．
⑷ 討

論：講演発表時に５分間の討論の時間を設けてありますが，さらに講演会終了後１ヶ月間は会員より「書面による討論」を受け付けています．講演者はその討論に対して学会へ書面をもって回答することを原則とします．
⑸ 論文集への投稿：講演者は講演会終了後の討論締め切後，「日本フルードパワーシステム学会論文集」に投稿できます．
５．参加登録：⑴ 講演会の参加者は参加登録が必要です．また，講演者は前刷原稿締切日（平成24年４月11日（水））までに事前登録が必要です．参加登録は，学会ホームページ（http://www.jfps.jp）上で行ってください．詳細はホームページをご覧ください．
⑵ 登録料：登録料には各種講演の聴講料および講演論文集１冊の代金が含まれます．なお，講演会の参加登録者は，５月25日17：00から開催予定の技術懇談会に参加することができます．
平成24年５月10日（木）以降（講演会当日を含む）にご登録の場合は，次の表に示す料金となります．
正会員・賛助会員企業の社員

名誉員・学生会員

日本フルードパワー工業会会員企業の社員，共催・協賛団体の会員
（正会員）

一般

講演会

20,000円

15,000円

22,000円

25,000円

併設セミナー

15,000円

7,000円

17,000円

20,000円

会員資格について不明な点は，学会事務局までお問い合わせください．
また，同一の講演者が複数の講演を行う場合，２件目以降は，１講演につき7,000円が加算されます．
⑶ 別売り講演論文集料金：登録料に含まれる１冊の講演論文集とは別に論文集を購入される場合，正会員・名誉会
員・賛助会員企業の社員は6,000円，フルードパワー工業会会員企業社員，協賛・共催団体社員は8,000円，一般は10,000円にて，当日受付において購入できます．また，学会ホームページ（http://www.jfps.jp）から講演論文集申込書をダウンロードしE-mailに添付して学会宛（info@jfps.jp）に送信する方法でも購入できます．ただし，発送は講演会終了後となります．
６．会員証について：会員証（カード）をお持ちの方は，当日ご持参くださいますよう，御願い申し上げます．
第43巻

第３号

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2012年５月（平成24年）

会告

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平成24年春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」

７．連絡先：一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会〒105‑0011 東京都港区芝公園３―５―22 機械振興会館 別館102
E-mail info@jfps.jp
会

TEL 03‑3433‑8441

FAX 03‑3433‑8442

告日本フルードパワーシステム学会 主催

平成24年春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」（企画・編集委員会合同企画）
開催日時：2012年５月24日（木） 13：00 〜 17：00
開催場所：機械振興会館 本館（東京都港区芝公園３―５―８）
趣旨： 平成23年５月に予定されていた春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」は，昨年の５月号会

告でお伝えした通り，東日本大震災の影響により，中止のやむなきに至りました．そこでこのたび，改めて学会誌第42巻２号の特集号「電動とフルードの社会貢献」にご執筆された方々の中から講師を数名（７名を予定）お招きし，平成24年春季講演会併設セミナーとして企画させていただくことになりました．電動とフルードのアプリケーションの棲み分け，昨今の環境保護の問題なども含め，相互の新たな利用価値を考える機会として，本セミナーをご活用願えれば幸いです．
なお，本セミナーは学会誌を担当する編集委員会と，講演会やセミナーの企画を担当する企画委員会の合同企画事業の第９回目です．
春季講演会との併設開催ですので，フルードパワーシステムの最新情報を得る絶好の機会であります．ぜひ春季講演会とセットでの参加登録をお勧めします．
受 講 料：本誌中の平成24年春季フルードパワーシステム講演会会告の「5.参加登録」をご参照ください．
テキスト：学会誌42巻第２号（平成23年３月発行）をテキストとして使用します．お持ちの方はご持参ください．
申込方法：当学会のホームページ（http://www.jfps.jp）から行ってください．
お問い合わせ：一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会〒105‑0011 東京都港区芝公園３―５―22 機械振興会館別館102
Tel：03‑3433‑8441 Fax：03‑3433‑8442 E-mail：info@jfps.jp
当日のプログラム
13：00〜13：05 企画委員長挨拶 大内英俊（山梨大学）
13：05〜13：35 「鉄道台車の空気圧を用いたサスペンション制御技術」
住友金属工業株式会社 根来尚志 氏
13：35〜14：05 「超精密加工・計測分野におけるフルードパワー技術」
長崎大学 矢澤孝哲 先生
14：05〜14：35 「超大型電動式油圧ショベル」
日立建機株式会社 藤田浩二 氏
14：35〜15：05 「グリーンメカトロニクスと液圧システム」
名城大学 大道武生 先生
15：05〜15：15 休憩
15：15〜15：45 「オートマティックトランスミッションに用いられる電動機器」
日本電産トーソク株式会社 安田智宏 氏
15：45〜16：15 「小型電動グリッパの機能と特徴」
株式会社TAIYO 大石貴弘 氏
16：15〜16：45 「パワーステアリングの技術動向」
株式会社ジェイテクト 山内健太郎 氏
16：45〜16：50 編集委員長挨拶 眞田一志（横浜国立大学）
司会：加藤友規（福岡工業大学）
第43巻

第３号

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2012年５月（平成24年）

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フルードパワーシステム

会

告第31期通常総会・技術懇談会

開催のお知らせ

開催日：平成24年５月25日（金）一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会第31期通常総会，技術懇談会をつぎのように開催いたします．
第31期通常総会
１．開催時間：15：00 〜 16：40
２．会

場：機械振興会館 地下３階 研修１号室（〒105‑0011 東京都港区芝公園３―５―８）（http://www.jspmi.or.jp/kaikan.htm）

技術懇談会
１．開催日時：17：00 〜 19：00
２．会

場：機械振興会館 地下３階 ニュー・トーキョー

３．参 加 費：7,000円 参加費は当日申し受けます．
連絡先：一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会〒105‑0011 東京都港区芝公園３―５―22 機械振興会館 別館102
E-mail：info@jfps.jp TEL：03‑3433‑8441 FAX：03‑3433‑8442
会

告若手育成フルードパワー道場７「フルードパワーに生かせる電子回路技術」開催のお知らせ
基盤強化委員会合同企画
開催趣旨：
知識や経験の不足など，わが国のものつくり産業が抱える多くの問題が指摘されております．知識や経験を伝承し共有する面からも，日本フルードパワーシステム学会では明日のフルードパワーを担う若き技術者の方々に積極的に学会活動に参加し，企業と学会，企業と企業のヒューマンネットワークを築く交流の場を設けることが大切であると考えております．また，これらの方々に企業と学会，企業間での橋渡しを担っていただく契機を提供できればと願っています．
そこで，技術者に軸足を置いた横断的な交流を目指し，日本フルードパワーシステム学会でなければできないサロン的な雰囲気の新企画「若手育成フルードパワー道場」を2006 年度より開始し大変好評を得ております．
2012年度は「フルードパワーに生かせる電子回路技術」と題し，フルードパワーにマイコンなど電子回路を組み込む（エンベデッド）際に必要な知識を提供します．エンベデッドは機器の高機能化に必須であることは公然の事実ですが，生産のグルーバル化時代においてはノウハウをブラックボックスにして独自性を保つための強力な武器ともなり，今後新たな進展をすることは確実です．電磁弁の１個ごとにマイコンが内蔵される時代が来るかもしれません．
このような場合，機械技術者に必要となる組込用マイコンやプログラマブル高機能集積回路（FPGA，CPLD）や開発ツール，デジタル電子回路を言語で記述するVHLなどの実践的知識を提供します．講師として，敢えて専門家でなく，メカトロ化の必要に迫られて自ら知識を習得した機械技術者を迎え，機械技術者にとって障壁となる事項やこれのクリアなどについて語ってもらいます．また可能な限り実習を含めます．
会場は芝公園の機械振興会館内を予定しております．教室終了後は講師を囲んで懇談会を開催します．講師および参加者同士と情報を交換する貴重な機会です．奮っての参加をお願いいたします．
開催時期：2012年５月，８月，11月，2013年２月の年間合計４回．開催月は予定．
参 加 費：５万円（４回分一括）（賛助会員企業の方なら，会員，非会員を問わず参加できます．）
参加者定員：20名（定員になり次第締め切ります）
以上
第43巻

第３号

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2012年５月（平成24年）

会告

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賛助会員会社一覧表

会

告触れて学べる！

入門者向き実習講座「 油空圧技術 」
空気圧システム制御の実務（M1303）
主催：社団法人 日本フルードパワーシステム学会

協力：独立行政法人高齢・障害・求職者雇用支援機構
大阪職業訓練支援センター（ポリテクセンター関西）

募集要項
方

針：企業においてはじめて油空圧技術に携わる人材を対象とした導入教育．座学で学んだ内容を実習で体験し，興味と理解を深める教育をおこなう．

期間：平成24年６月13日
（水）
〜 15日
（金）

会

場：ポリテクセンター関西（大阪府摂津市三島） http://www3.jeed.or.jp/osaka/poly/対象：以下の要件を満たす者⑴ 原則として企業に勤務し，事業主の推薦ならびに保証のある者⑵ 工業高校，普通科高校，大学を卒業，もしくはこれと同等の学力があると認められる者

研修概要：参加者は油圧と空気圧の双方の講義と実習を受けることができます．
⑴ 講義 ６月13日（水） ９：15 〜 16：00
・油空圧技術の特徴 ・基礎公式 ・作動油と圧縮空気の性質
講師：横浜国立大学 教授
明治大学

教授

眞田 一志 先生
小山紀 先生

⑵ 実習 14日（木）および15（金） ９：15 〜 16：00①油 圧 実 習：主な油圧機器と油圧回路
講師：ポリテクセンター関西 正木 克典，中西 英明②空気圧実習：主な空気圧機器と空気圧回路
講師：ポリテクセンター関西 正木 克典，中西 英明
定

員：24名（定員になり次第締め切らせていただきます）

研修費用：１名につき 12,100円（消費税込み） お申し込みと同時に下記にお振込みください．
＊受講料には，講義のほか教科書，教材費，実習受講費も含まれています．
＊研修費用振込先：三井住友銀行 日比谷支店（普）7611417
名義：シャダンホウジン ニホンフルードパワーシステムガッカイ
修了証書：講義と実習の修了者には，一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会より，修了証を授与します．
申込方法：一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会事務局にお問い合わせください．
申込期限：平成24年５月31日（木）
問合せ先：一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会〒105‑0011 東京都港区芝公園３丁目５番22号 機械振興会館 別館102
TEL：
（03）
3433‑8441
会

FAX：
（03）
3433‑8442

E-mail：info@jfps.jp

告賛助会員会社一覧表
アイシン・エイ・ダブリュ㈱

㈱医器研

㈱明石合銅

㈱IHI

㈱アドヴィックス

出光興産㈱

イートン㈱

イナバゴム㈱

第43巻

第３号

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2012年５月（平成24年）

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フルードパワーシステム㈱インターナショナル・サーボ・データ

天竜丸澤㈱

㈱打江精機

トーヨーエイテック㈱SMC㈱東京メータ㈱SMC㈱中国TOHTO㈱NOK㈱東北特殊鋼㈱㈱大阪ジャッキ製作所

東明工業㈱大瀧ジャッキ㈱DOOSAN㈱オプトン

東洋機械金属㈱

鹿島通商㈱

同和発條㈱

KYB（株）

東京計器㈱KYBエンジニアリング･アンド･サービス㈱

特許機器㈱

KYB-YS㈱特許庁

川崎重工業㈱㈱豊田自動織機製作所

協和シール工業㈱㈱豊田中央研究所

極東開発工業㈱

中村工機㈱

㈱クボタ

長津工業㈱

クロダニュー−マティクス㈱

長野計器㈱

㈱工苑

ナブテスコ㈱

甲南電機㈱

ニッタ㈱

㈱コガネイ

日新 器工業㈱コスモ石油ルブリカンツ㈱日本アキュムレータ㈱㈱小松製作所

日本工業出版㈱ザウアーダンフォス･ダイキン㈱日本精器㈱㈱阪上製作所

日本電産トーソク㈱㈱鷺宮製作所日本ムーグ㈱三和テッキ㈱㈱ハイダック

CKD㈱

日立建機㈱

㈱島津製作所㈱日立製作所㈱ジェイテクト広瀬バルブ工業㈱勝美印刷㈱ピー・エス・シー㈱

㈱ジコー

フェスト㈱

JX日鉱日石エネルギー㈱㈱フクダ

住友金属工業㈱

㈱不二越

住友建機㈱

二見屋工業㈱TACO㈱ボッシュ・レックスロス㈱

第一電気㈱

昌富工業㈱

㈱TAIYO

マサモト㈱

㈱タカコ

㈱増田製作所

㈱タダノ

マックス㈱

ダイキン･ザウアーダンフォス･マニファクチャリング㈱松巳鉄工㈱ダイキン工業㈱ヤマシンフイルタ㈱ダイワ㈱ヤマハモーターハイドロリックシステム㈱

大生工業㈱

㈱山武

㈱中央パッキング

油研工業㈱

調和工業㈱

理研精機㈱

CORPORATION

㈱TNK

第43巻

第３号

―6―

2012年５月（平成24年）

会告

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共催・協賛行事のお知らせ

会

告共催・協賛行事のお知らせ
協賛行事
ロボティクス・メカトロニクス講演会2012/03/26
主催：一般社団法人日本気化器学会 ロボティクス・メカトロニクス部門
会期：平成24年５月27日
（日）
〜 29日
（火）
会
場：浜松科学館（共催），アクトシティ浜松 研修交流センター・展示イベントホール
TECHNO‑FRONTIER 2012
主催：社団法人 日本能率協会会
期：平成24年７月11日
（水）
〜 13日
（金） 10：00 〜 17：00
会
場：東京ビックサイト（有明・東京国際展示場）東展示場４―６ホール
第40回可視化情報シンポジウム
開 催 日：2012年７月24日
（火）
〜 25日
（水）
開催場所：工学院大学 新宿校舎 東京都新宿区西新宿１―24―２
TEL：03‑3342‑1211
連 絡 先：実行委員会 幹事：東京理科大学 工学部機械工学科 元祐昌廣
E-mail：mot@rs.tus.ac.jp〒102‑0013 東京都千代田区九段北１―14―６
TEL：03‑5228‑8361
FAX：03‑5213‑0977
一般社団法人日本機械学会関西支部 第320回講習会
実務者のための振動基礎と制振・制御技術
開 催 日：2012年７月30日
（月）
〜 31日
（火）
，９：10 〜 16：40
会
場：大阪科学技術センター（大阪市西区靭本町１―８―４／ TEL：06‑6443‑5324）
申 込 先：一般社団法人日本機械学会関西支部〒550‑0004 大阪市西区靭本町１―８―４ 大阪科学技術センタービル内 TEL：06‑6443‑2073
FAX：06‑6443‑6049 Ｅ-mail：info@kansai.jsme.or.jp
日本混相流学会年会講演会2012
主催：日本混相流学会
開催：2012年８月９日
（木）
，10日
（金）
，11日
（土）
会
場：東京大学柏キャンパス（千葉県柏市柏の森）
ホームページ：http://www.jsmf.gr.jp/nenkai2012/index.html
Dynamics and Design Conference 2012 総合テーマ：「システムを考える．境界を越えて．
」
主催：一般社団法人 日本機械学会
開催：2012年９月18日
（火）
〜 21日
（金）
会
場：慶應義塾大学日吉キャンパス（横浜市港北区日吉４丁目１―１）
申込方法：http://www.jsme.or.jp/conference/dmcconf12/
第30回記念日本ロボット学会学術講演会
主催：一般社団法人 日本ロボット学会
会期：2012年９月17日
（月・祝）
，18日
（火）
，19日
（水）
，20日
（木）
場
所：札幌コンベンションセンター
Ｕ Ｒ Ｌ：http://www.rsj.or.jp/rsj2012
キャビテーションに関するシンポジウム（第16回）
主
催：日本学術会議 第３部（予定） 第16回キャビテーションに関するシンポジウム実行委員会（委員長：東京大学大学院教授・松本洋一郎）
開
催：平成24年11月23日
（金・祝）
，24日
（土）
会
場：金沢工業大学（〒921‑8501 石川県『野々市市扇が丘７―１』
連 絡 先：金沢工業大学工学部機械工学科 佐藤恵一教授
TEL：076‑248‑9214
FAX：076‑294‑6734
E-mail：cav16@mlist.kanazawa-it.ac.jp

第43巻

第３号

―7―

2012年５月（平成24年）

140

フルードパワーシステム

理 事 会
長

横 田 眞 一（東京工業大学）

伊 藤

寛（㈱ジェイテクト）

副 会 長

香 川 利 春（東京工業大学）

田 中

豊（法政大学）高 田 芳 行（SMC㈱）中 野 政 身（東北大学）

築 地 徹 浩（上智大学）

布 谷 貞 夫（コマツ）

大 内 英 俊（山梨大学大学院）

早 川 恭 弘（奈良工業高等専門学校）

大 科 守 雄（日立建機㈱）早 瀬 敏 幸（東北大学）

小 山

藤 田 壽 憲（東京電機大学）

会

理

事

紀（明治大学）宮 川 新 平（KYB㈱）榊 原 康 生（油研工業㈱）監

桜 井 康 雄（足利工業大学）

事饗 庭 健 一（東京計器㈱）眞 田 一 志（横浜国立大学）

陸 浦 淳 二（CKD㈱）鈴 木 勝 正（東京都市大学）

柳 田 秀 記（豊橋技術科学大学）

高 崎 邦 彦（㈱TAIYO）

企画委員会
委 員 長
副 委 員
幹
事
委
員

大
高
桜
饗
赤
荒
伊
内
遠
大
落
加
川
川
高

内
崎
井
庭
木
井
藤
堀
藤
見
合
藤
嶋
島
後

英
邦
康
健
徹
一
和
晃
康
正
友
健
正
哲

俊（山梨大学）彦（㈱TAIYO）
雄（足利工業大学）
一（東京計器㈱）也（岡山理科大学）則（フジサンケイビジネスアイ）
寿（芝浦工業大学）彦（宇部工業高等専門学校）
弘（コマツ）生（川崎重工業㈱）巳（協立機電工業㈱）規（福岡工業大学）
嗣（東京工業大学）
人（東北特殊鋼㈱）也（日本電産トーソク㈱）

顧

問

小
鈴
風
妹
高
竹
只
田
成
早
兵
山
和
小

松
木
戸
尾
岩
村
野
中
田
川
藤
崎
田
山

英 寿（㈱コガネイ）
健 児（神奈川大学）
昭 人（（公財）鉄道総合技術研究所）
満（SMC㈱）昌 弘（岡山大学大学院）
研治郎（慶應義塾大学）
耕太郎（東京工業大学）
豊（法政大学）晋（KYB㈱）恭 弘（奈良工業高等専門学校）
訓 一（東京計器㈱）大 生（東京都市大学）
重 伸（CKD㈱）紀（明治大学）

大
中
大
藤
西
和
吉
香

科
里
場
田
股
田
満
川

守
雅
孝
壽
健
重
俊
利

基盤強化委員会
委 員 長
幹
事
委
員

小
佐
眞
川
東
布
佐
斎

山
藤
田
上
川
谷
藤
藤

恭
一
幸
智
貞
毅
賢

紀（明治大学理工学部）一（横浜国立大学大学）
志（横浜国立大学大学）男（芝浦工業大学システム理工学部）
信（㈱TAIYO）
夫（コマツ）彦（東京計器㈱）治（日本大学）雄（日立建機㈱）一（KYB㈱技術本部）
一（油研工業㈱）憲（東京電機大学工学部）
一（SMC㈱技術本部）伸（CKD㈱生産本部）
拓（神奈川工科大学）
春（東京工業大学精密工学研究所）

情報システム委員会
委 員 長
幹
事
委
員

藤
竹
一
嚴
小
川

田 壽 憲（東京電機大学）
村 研治郎（慶應義塾大学）
柳 隆 義（防衛大学校）
祥 仁（東京工業大学）
山紀（明治大学）上 幸 男（芝浦工業大学）

第43巻

第３号

久保田
小 薮
田 中
塚 越
野 口
吉 田

―8―

浩
栄太郎（苫小牧工業高等専門学校）
豊（法政大学）秀 行（東京工業大学）
恵 伸（KYB㈱）和 弘（東京工業大学）

2012年５月（平成24年）

金

141

俊完：「フルードパワーシステムと地震対策」発行にあたって

巻 頭 言「フルードパワーシステムと地震対策」発行にあたって＊
金俊2011年３月11日に発生した東北地方太平洋沖地震
により引き起こされた東日本大震災では，地震とそれに伴って発生した津波による死者が15,854人，行方不明者が3,155人（2012年３月10日時点の警察庁
まとめ）となり，現代の日本で最も悲惨な被害を及
ぼした1)．今後の地震対策に向け国家レベルで迅速かつ継続的な努力が求められる中，フルードパワー
技術の地震対策への貢献が必要とされている．このような状況を背景にして，地震対策におけるフルー
ドパワーシステムの研究動向を調査する重要さが増しつつあることから， 本学会では初めて地震関連の特集号が企画された．本特集では，地震災害から国民の生命・財産を守り，豊かで安全・安心な社会を実現するための災害予防対策として，地震による災害の未然防止・予備的対策でのフルードパワーシ
ステムの取り組みの事例を紹介する．また，震災を克服し新しい希望を持てる日本社会への転機として，
災害救助，災害復旧・復興におけるフルードパワー
システムの対処の事例を紹介する．
本特集号を構成する６件の解説記事は，１件の総論と５件の解説に区分されている．内訳として，４
件は地震による被害の未然防止において，２件は災害後の救助・復興においてのフルードパワー技術に関するものである．以下にその概要を紹介する．
まず，「フルードパワー技術を用いた免震・制震について」では，地震に対して建築構造物の安全性を確保する技術の「総論」として，基礎知識である
耐震，制震，免震の違いから幅広く解説している．
また，この解説記事では，2011年の東北地方太平洋沖地震におけるオイルダンパを用いた制震ビルと免震ビルの効果を，都心の高層ビルと震源地近くのビルの具体的な事例を挙げて説明している．
「総論」で幅広く説明したフルードパワー技術を用いた建築物の制震技術について，解説記事「高層ビル用制震オイルダンパ」では，従来型オイルダン
パから，理論上，従来型の約２倍のエネルギーを吸収できるON/OFF制御型可変オイルダンパまで詳しく紹介している．
建築物の免震技術を解説する記事としては，「阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の開発と建設―」が企画された．この解説では，水平方向の地震振動に対してのみ有効な従来の免震システムを発＊

平成21年12月25日

展させた，水平方向と上下方向を同時に免震化する
３次元免震システムを紹介している．
地震による人命被害を最小限にするには，建築物の安全性のみならず，多数の人々が利用する鉄道車両の安全性の確保も欠かせないことから，この対策について，解説記事「鉄道車両用地震時脱線防止対策左右動ダンパ」で紹介している．
上記のような地震被害の未然防止におけるフルー
ドパワー技術とともに重要なことは震災後の救助と復興である．本特集号では，復興技術として，「遠
隔操作建設ロボット」を解説記事として挙げている．
本解説では，油圧パワーショベルの遠隔操作のためにバーチャル・リアリティ技術を投入した臨場感と高度な作業が実現可能なシステムを紹介している．
救助技術の解説記事としては，「危険建物内への迅速・安全なアクセスを目指した流体ロープウェ
イ」を紹介している．震災後の人命探査や危険物の探知のための移動方法として，チューブ内に流体エネルギーを供給することでゴンドラをチューブに沿って双方向に移動させる流体ロープウェイについて説明している．
本特集号で紹介された解説記事からフルードパ
ワー技術は地震対策の分野において重要な役割をしていることが再確認された．フルードパワーと地震対策について，有益ある解説記事の執筆を快くお引き受けいただき，珠玉のような解説記事をご執筆いただいた著者の皆様にこの紙面を借りて厚く御礼申
し上げる．
参

［著
きむ

じゅうん

金

俊

原稿受付

東京工業大学 精密工学研究所（所在地 〒162‑0845 横浜市緑区長津田町4259―R2―42）
第３号

考

文

献

１）h t t p: / / w w w . n pa .g o . jp/ a r c h i v e / k e i b i / b i k i /nigaijokyo.pdf

＊＊

第43巻

完＊＊

―9―

者

紹

介］

わん

完 君
2005年東京大学大学院博士後期課程精密機械工学専攻修了．2005年東京工業大学精密工学研究所助教，現在に至る．機能性流体 とMEMS技 術 を 融 合 し た 研 究 に 従 事．
日本フルードパワーシステム学会，日本機械学会などの会員．工学博士．
E-mail：woodjoon@pi..titech.ac.jp

2012年５月（平成24年）

142

総

フルードパワーシステム論

フルードパワー技術を用いた免震・制震について＊
露

1.

木

保

男＊＊

周期は建物の高さにより異なり，概略的につぎのよ
うに計算される．

はじめに

近年，フルードパワー技術を用いた免震・制震シ
ステムが飛躍的に増えている．耐震装置としてフ

鉄骨造ビルの１次固有周期（秒）＝0.03×高さＨ（m）
コンクリート造ビルの１次固有周期（秒）＝0.02×高さＨ（m）

ルードパワー技術を用いているのがオイルダンパである．市場にはすでにビル用の制震オイルダンパ，
免震オイルダンパが合わせて２万基以上送り出されている．また2011年３月11日に東北地方太平洋沖地

通常，オフィスビルは柱のスパンを長くする必要性から鉄骨造で建設され，マンションは柱のスパン

震が東北地方を襲ったが，これらの装置は効果的に働き，多くのビルにおいて構造部材の損傷や内部の設備や人命を守ることができた．

が短くても良いので比較的安価な鉄筋コンクリート
造で建設される.オフィスビルの階高を４m，マンションの階高を3.5mとすると図１のように建物の階の高さと固有周期の関係が得られる．参考に戸建住宅も示すが，戸建住宅は低層であることと，壁が耐力を大きく負担するために，質量に対して剛性が高くなり，固有周期は0.5秒以下と短くなる．
図１より，20階建て以上の高層マンションは1.4秒以上の固有周期，高層オフィスビルは2.4秒以上の固有周期を持ち，長周期地震に共振しやすいことがわかる．今回の震災で周囲の戸建住宅や低層ビルがほとんど揺れなかったのに，高層ビルが大揺れしたのはこれに起因している．

2.

長周期地震と高層ビルの揺れ

東北地方太平洋沖地震宮城県牡鹿半島の東南東沖130㎞の海底を震源として発生した地震は，日本における観測史上最大規模のマグニチュード9.0を記録した．震源域は岩手県沖から茨城県沖までの南北
約500㎞，東西約200㎞の広範囲に及んだ．滑り量は最大200mに達し，東北から関東の広範囲にかけて，
揺れは200秒以上続いた．この地震の大きな特徴のひとつは，長周期震動により震源から遠く離れた超高層建物が大きく揺れたことである．震度５強を記録した新宿の高層ビル群は大揺れし，また震源より約700㎞も離れ，震度３しかなかった大阪府咲州庁舎（高さ256m，55階建）でも片振幅1.4mもの揺れ
が10分以上続いた．これは建物周期（6.5秒）と表
層地盤の卓越周期（振動を周波数分布で表した時に一番多く出てくる周波数のこと）が近づいてしまったためである．
この理由は，高層ビルが数多く建設される大きな平野部ほど長周期地震が発生しやすいことにある．
岩盤の固い山岳部の地盤は固有周期が短いが，砂地やローム層の多い平野部は長く，長周期地震が発生
しやすい．

図１

建物は振動体と捉えられるが，それゆえに必ず固有周期を持っている．大揺れの基となる１次の固有＊平成24年２月９日

＊＊

原稿受付

カヤバシステムマシナリー株式会社（所在地 〒514‑0396 三重県津市雲出長常町1129番１）
第43巻

第３号

3.

建物の階数と固有周期の関係
耐震・制震・免震の違い

建物の地震に対する構造を分類すると耐震構造，
制震構造（制振構造と呼ぶこともある），免震構造に分けることができる．耐震構造は建物の剛性を増し，強度を上げる建て方である．そして所定以上の― 10 ―

2012年５月（平成24年）

露木

143

保男：フルードパワー技術を用いた免震・制震について

地震荷重が加わった場合，建物の接合部を塑性変形させて，構造部材の塑性変形エネルギで地震エネル

5.

制震ビルの効果ギを吸収する．制震構造は各階の層間に設けられたオイルダンパなどの制震装置でエネルギを吸収する．
免震構造は積層ゴム（鉄とゴムとを交互に積み重ね建物の共振を効率よく抑えることができるのがオ
イルダンパである．減衰装置には材料の塑性変形を利用した変位依存型のものとオイルダンパのように

水平方向に動きやすくした支持材）などの支持材で建物を浮かし，地震力を建物に伝えないようにするものである．しかし免震機構は必ず復元力を持たね

速度依存型のものがある．変位依存型は塑性変形前の小振幅では弾性変形のために剛性を上げてしまい，
固有周期が短くなり応答加速度を上げてしまうといばならない．よって共振を防ぐために，また変位を抑制するために，オイルダンパなどの減衰装置と組み合わせて構成される．これを図２に示す．
減衰の強さを表す減衰比（建築関係では減衰定数う欠点を持つ．それに対して速度依存型減衰装置であるオイルダンパは建物の固有周期を短くすることなく，速度に比例した減衰力を建物に与えることができる．そのために揺れ幅が小さくなるように制御と 呼 ば れ て い る ） は 通 常， 制 震 で は 全 体 で ３ 〜
10%，免震では１層に集中させるために20 〜 30％

しても，応答加速度が大きくなり難いという長所を持つ．

にて建築設計される．

オイルダンパを装着した超高層ビルも表１に示す
ように都内にも多数あるが，今回の地震に対して優れた制震効果を発揮し，安全機能としてのエレベー
タの緊急停止はあったものの，建物構造躯体の損傷を回避することができた．また油漏れなどの不具合も報告されなかった．

図２4.

耐震，制震，免震の違い

表１

オイルダンパの構造

都心のオイルダンパ装着制震高層ビル例
ビル名称

高さ
階数
（ｍ）

ダンパ数
（基）

流体による減衰力の発生は，主に粘性抵抗によるものとオリフィスによる絞りで制御されるものがある．一般的に粘性力を利用するものは粘性ダンパ，
オリフィス面積をバルブで制御するものはオイルダ
ンパと呼ばれている．
図３に筒型オイルダンパの原理図を示す．オイルが充満したシリンダ（φD）の内側をピストンおよびピストンロッドが速度（V）で作動する構造になっている．流体は圧縮しないものとすると，流量

新宿センタービル

222

54

288

愛宕グリーンヒルズ事務棟

186

52

688

愛宕グリーンヒルズ住宅棟

157

42

144

六本木ヒルズ

238

54

356

銀座三井ビル

107

25

32

東京ベイコートクラブ

100

27

336

モード学園コクーンタワー

50

50

110

北青山３丁目AOビル

90

16

66

西新宿６丁目計画

167

45

66

（Q）がタンク室に流れ，粘性力と慣性力の流れの抵抗で，内圧（P）が発生する．この原理を応用して，制震用オイルダンパおよび免震用オイルダンパ

後楽２丁目ビル

149

34

46

が設計されている．

図３
第43巻

第３号

東急キャピトルタワー

120

29

182

全共連ビル

200

33

158

秋葉原ダイビル

147

31

42

環状２号虎ノ門計画

255

52

516

オイルダンパの原理図

写真１― 11 ―

新宿センタービルとオイルダンパ
2012年５月（平成24年）

144

フルードパワーシステム

表２

震源地近くのオイルダンパ装着免震ビル例
ビル名称

写真２

図４

オイルダンパの摺動跡

免震ビルの効果

免震建物は1995年の阪神・淡路大震災でその有効性が実証されたことにより飛躍的に増加した．しかしながらいまだ日本における免震建物は総建築着工件数の数パーセントにしかすぎない．それでも日本

震度70

宮城県栗原郡 震度7

花京院アザレアビル

36

宮城県仙台市 震度６強

みさと健和病院32

埼玉県三郷市 震度５強

足利赤十字病院28

栃木県足利市 震度５強

石巻消防署

6

宮城県石巻市 震度５強

一番町平和ビル20

宮城県仙台市 震度６強

アパ仙台五橋4

宮城県仙台市 震度６強

レジデンス仙台１番町10

宮城県仙台市 震度６強

写真３

新宿センタービルの場合，500kNサイズの変位依
存型のオイルダンパが288基装着されているが，東北地方太平洋沖地震の長周期地震動に対して短辺方向の建物の減衰が1.3%から2.7%に増加し，22%低減
される効果が得られた．写真１に新宿センタービルの外観とオイルダンパの写真，写真２にオイルダン
パの摺動跡（最大ストロークは９㎜）を示す．建物のダンパ有無による建物の変形の比較データを図４
に示す．

場所

栗原中央病院

新宿センタービル制震ダンパの効果1）

6.

ダンパ数

写真４

免震用オイルダンパ

ピストンロッドの摺動跡

り支承，10基のオイルダンパにて構成されている．
本建物は被害の大きかった仙台市内においても大きな被害を受けず，生活に支障をきたすことは無かった．写真４にオイルダンパのロッドのしゅう動跡を示す．これによるとストロークは±200㎜も振れており，いかに大きな地震だったか，また免震装置が積層ゴムやオイルダンパの作動により機能を果たしたかを示している．

免震構造協会の調査によれば，免震ビルは現在年間200 〜 250棟 が 建 設 さ れ，2010年 現 在 の 総 計 で 約

7.

おわりに

2,600棟に達している．免震用オイルダンパ（写真３参照）も多数出荷され，積層ゴムや滑り支承（ステンレスと樹脂を接触させ水平方向に滑りやすくした支持材）と合わせて免震装置を構成している．こ

本稿では紙面の関係で紹介できなかったが，この他にも多くのフルードパワーを用いた耐震装置が今回の震災で活躍した．フルードパワーの真骨頂は「制御された力強さ」にあるが，特にセミアクティ

れらの免震ビルも，今回の震災で大きな効果を発揮することができた（表２参照）．特に仙台地区の従ブ制御を含めたパッシブ制御のオイルダンパについては，外部のエネルギを用いず，効率よく振動を吸来構造の耐震ビルでは倒壊はないものの，内部の被害が大きく，各フロアで家具や備品が倒れ，一部で壁のボードの剥落などが多発した．それに対して免震ビルでは大きな被害はなく，安全が確保されたと収するという命題に対して抜群の性能を示しており，
今後ますます社会の安全に対して貢献していくものと確信している．

の報告を受け取ることができた．
例として仙台市内の免震マンションの調査結果を

参

第３号

文

献

１）細澤治他：新宿センタービルの長周期地震動対策

挙げる．本建物は23基の積層ゴム，５基の弾性すべ
第43巻

考― 12 ―とその効果，鉄鋼技術，p. 31‑37（2011）2012年５月（平成24年）

145

第２回フルードパワーに関する日中国際共同ワークショップ

［著
つゆ

き

露

木 保 男 君

やす

者

紹

介］

お

1973年早稲田大学理工学部機械工学科卒
業．1973年萱場工業㈱入社．現在，カヤバ
システムマシナリー㈱技術部長．油圧制御，
オイルダンパの開発に従事．日本建築学会
会員．

会

告

日本フルードパワーシステム学会・中国機械工程学会流体伝動及控制分会 共催

第２回フルードパワーに関する日中国際共同ワークショップ― The 2nd Japan-China Joint Workshop on Fluid Power −開催日：平成24年５月23日（水）
日本フルードパワーシステム学会では，国際交流事業の一環として，中国機械工程学会流体伝動及控制分会と共同で，
日本と中国のフルードパワーに関する国際共同ワークショップ（The Japan-China Joint Workshop on Fluid Power）
を開催しています．このワークショップは，日中の産官学の研究者・技術者がフルードパワーに関する最新の研究および技術や市場動向を紹介し合い，情報交換と交流を行う学術講演会です．第１回は2010年に中国の蘭州にて開催され，第２回は下記の日程で東京で開催されます．今回のワークショップのテーマは「Sustainable Future on Fluid Power」です．日中双方より５編ずつ合計10編の技術研究論文が発表される予定です．皆様，奮ってご参加ください．
１．開 催 日 時：平成24年５月23日（水） 13：00 〜 17：00
２．会

場：日本・東京・機械振興会館 地下３階 研修１〒105‑0011 東京都港区芝公園3‑5‑8（http://www.jspmi.or.jp/kaikan.htm）

３．講 演 の 種 類：学術講演（英語）．日中双方でExtended Abstractによる審査後，選ばれた論文のFull Paperによる査読を経たそれぞれ以下の５件の論文（英語）４．参 加 登 録 料：￥20,000（講演前刷り集を含む）（当日受付のみ）（平成24年春季講演会あるいは平成24年春季講演会併設セミナーへご登録の方は ￥10,000‑）
５．申 込 方 法：以下の問い合わせ先までE-Mailでご連絡ください．参加登録料は当日，会場にて徴収します．
６．問い合わせ先：一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会〒105‑0011 東京都港区芝公園3‑5‑22
機械振興会館 別館102
E-mail info@jfps.jp TEL 03‑3433‑8441 FAX 03‑3433‑8442

第43巻

第３号

― 13 ―

2012年５月（平成24年）

146

解

フルードパワーシステム

説

高 層 ビ ル 用 制 震 オ イ ル ダ ン パ＊
栗

野

治

彦＊＊

震ダンパは剛性に配慮された設計がなされているが，実建物では取付部周辺架構の局部変形などに支配さ

1．は じ め に
地震や強風に対する建築構造物の振動を制御する
制震構造は，1980年代に本格的な実用化研究が始まった技術であるが，1990年代に入って急速に普及が進み，現在ではさまざまなタイプの制震装置が実用化されている．その中でも，小さな振幅から線形性の高い性能を発揮し，累積のエネルギー吸収量に制限のないオイルダンパは，昨今話題の長周期地震動対策としても有効な，比較的オールラウンドな効
果を期待できるものであるが，建物への設置条件に伴う構造的な制約により，必ずしも十分な効果が得られない場合がある．本稿では，既往技術の中でも適用範囲の広いオイルダンパをベースにしながら，れる部分が大きく，柱梁架構に比べて十分大きな剛性が取れないのが普通である．一方，減衰係数Cは調圧弁により調整可能である．図３は円振動数ωの正弦波加力を受けるMaxwellモデルの荷重変形関係の模式図であり，ループ面積が振動エネルギー吸収量を表す．Cが大き過ぎてもブレース構造に近づくだけでエネルギー吸収は期待できない．すなわち，Cには最適値が存在し，その時のエネルギー吸収量はkにより限界付けられるのである．

新着想のON/OFF型制御ロジックを取り入れることで，従来型の理論限界を超える制震性能をシンプ
ルな構成と合理的なコストで実現する，独創的かつ汎用性の高い制震オイルダンパを紹介する．
2．従来型オイルダンパ
2.1 制震オイルダンパの内部機構
制震ダンパに要求される主な機能は，①高耐久・長寿命，②大荷重（1000 〜 2000kN程度），③高剛

図１

制震オイルダンパの内部機構概念図

性（理由は次節で述べる），④コンパクトさ（壁厚≒φ400以内），などであり，国内の高層ビルに本格的に適用されたのは1995年である1）．図１に一般的な制震オイルダンパの内部機構概念図を示す．両
ロッド式・ピストン式アキュムレータによる密閉型が多く，ボールジョイントなどの自在継手が採用される．また，大地震時の過大な荷重発生を避けるため，リリーフ弁が装備されるのが普通である．
2.2 従来型ダンパの力学特性と限界性能
制震ダンパは一般にブレースなどを介して建物層間に設置され，その力学特性はいわゆるMaxwellモ

⒜

取付状況

⒝

Maxwell型力学モデル

図２

建物に設置されたダンパの力学モデル

図３

従来型オイルダンパの荷重変形関係

デルで表される（図２）．ダンパ剛性と取付構造剛性の直列和であるkは大きい方が望ましいため，制＊

平成24年２月10日

原稿受付

＊＊

鹿島建設株式会社（所在地 〒107‑8502 東京都港区赤坂６―５―30）
第43巻

第３号

― 14 ―

2012年５月（平成24年）

栗野⒜Maxwellモデル全体

図４

⒝

147

治彦：高層ビル用制震オイルダンパ

ばね要素

⒞

ダッシュポット装置部の挙動とエネルギー吸収のプロセス
図５

ON/OFF制御時の荷重変形関係

3．エネルギー吸収効率を最大化する制御則「Maxwellモデルの構造制約条件よる限界を打破する」ことを命題として開発されたのが，オイルダ
ンパの減衰係数を２段階（最大＝Cmax/最小＝Cmin）に切り替えるON/OFF型制御則である2）．
図４はON/OFF型制御によるエネルギー吸収のプロセスを示したものである．振動中のA 〜 B間はCmax（弁＝閉）に設定し，剛性kのばね要素（内封油やブレース・周辺架構）に歪エネルギーを蓄える．
振動が反転したC点でCmin（弁＝開）に切替え，蓄えたエネルギーを熱として除荷吸収し，D点で再び弁を閉じて同じ挙動を繰り返すことで，理論上，従来型の約２倍のエネルギー吸収を実現する（図５）．
このように，ダンパ設置部周辺の弾性を最大限に利用して，自動的（チューニングフリー）に振動数依存のない高いエネルギー吸収性能を発揮する．
4．ON/OFF制御型可変オイルダンパの開発

図６

図７

4.1 セミアクティブ型（第１世代）
最初のON/OFF制御型オイルダンパは，電磁弁を用いたセミアクティブ型として1999年に誕生し，多数の超高層ビルに適用され，振動実験や地震観測により効果が実証されているたとえば3）．図６および図７は，31階建て超高層ビルに設置された装置とそのビルでの地震観測波形である．従来型オイルダンパ
では実現し得ない応答低減効果を発揮している．
4.2 完全自動制御型（第２世代：最新型）
わずかとはいえ電力が必要なセミアクティブ型の弱点を克服すべく，新たに着手したのが「電力を用いずにON/OFF制御を自動的に実現する」新しい
油圧機構を搭載したオイルダンパの開発である4）．

セミアクティブ型オイルダンパー

31階建て超高層ビルで観測された波形（2004年新潟県中越地震時における頂部変位）ている．振動方向が変わって内圧が低下し始めると，逆止弁により高圧を保持したバッファ圧力により開閉弁が駆動され開く．左右の圧力差が解消されると再び開閉弁は閉じて同じ挙動を繰り返す．このように，逆止弁を備えたバッファ内の圧力がセンサと制御弁駆動力の両方の働きをすることで，電力を用いることなく，ON/OFF制御を自動的に実現するのである．図９に具体的な油圧回路図を示す．
図10は，自動油圧開閉機構を搭載した実大装置の写真である．油圧開閉機構をコンパクトな独立ユ
ニットとしているため，従来型オイルダンパのプ

図４のプロセスを分析すると，ダンパの内圧が上昇から下降に変化する際に弁開度が切替われば良いことがわかる．この機能を実現するために考案された自動油圧開閉機構の概念図が図８である．常時及ラットフォームを引き継ぐことが可能となっている．
図11は実大装置の加力実験結果であり，図11⒜より，図５の概念図と同じループが実現されていることが分かる．また，複雑な外力に対する挙動も簡単な解び内圧上昇中（ピストンが片方向への移動中）は，
圧力バランスにより開閉弁＝閉となるよう設定され析モデル（減衰可変Maxwellモデル）で高精度に追跡できることが確認されている（図11⒝）．

第43巻

第３号

― 15 ―

2012年５月（平成24年）

148

フルードパワーシステム⒜ 常時＝開閉弁は閉じている⒝ 振動中（片方の圧力上昇中）＝閉を維持⒟ 左右の圧力差が解消される⒞ 圧力反転＝制御弁が駆動され開く

図８

自動油圧開閉機構の動作プロセス概念図

図９

自動油圧開閉機構の油圧回路図

参

考

文

献

１）石原和男，田上淳，栗野治彦ほか：高減衰オイル
ダンパによる高層建物の制震（その１〜３），日本
建築学会大会学術講演梗概集，21428‑21430，1996
年９月
２）栗野治彦，田上淳，清水幹：エネルギ吸収効率最大化を目的としたセミアクティブオイルダンパ，

図10

完全自動制御型オイルダンパ

第２回日本制震（振）シンポジウム，pp. 77‑84，
2000年11月
３）栗野治彦，大類哲，清水幹：新潟県中越地震における新潟市に建つ超高層制震建物の観測記録，日本建築学会大会梗概集，21450，2005年９月
４）栗野治彦，田上淳，山田俊一，松永義憲：エネル
ギ吸収効率に着目したON/OFF型パッシブダンパ（その１〜２），日本建築学会大会学術講演梗概集，

⒜

正弦波加力

図11

⒝

21034‑21035，2004年８月

地震応答波加力

実大装置の荷重変形関係
［著

者

紹

介］

5．お わ り に
以上のように，Maxwellモデルに由来する構造的

くり

の

栗

野 治

制約条件下において，従来型オイルダンパでは実現できないエネルギー吸収性能を実現するON/OFF型制御則を発案し，これを搭載した制震システムの開発と実用化を進めてきた．適用件数は，超高層ビ
ルを中心に30棟近くに達しており，地震や強風から建物を守り続けている．特に自動油圧開閉機構を搭

はる

ひこ

彦 君
1989年東京大学工学部建築学科卒，1991
年同大大学院工学研究科修士課程修了．鹿島建設入社．振動制御・制震システムの研究開発に従事し，現在建築設計本部グルー
プリーダー．日本建築学会，米国機械学会などの会員．博士（工学）．
E-mail：kurino@kajima.com

載した第２世代型は，パッシブ型とセミアクティブ型の境界を越えた新領域の制震技術であり，きわめて広い応用範囲を有する制震システムである．
第43巻

第３号

― 16 ―

2012年５月（平成24年）

高橋

解

149

治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の開発と建設―説

阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の開発と建設―
高

治＊

橋

1．は じ め に
従来の免震システムは主に水平方向の地震に対してのみ有効なものであった．その理由として，建物の損傷は上下動よりも水平動による影響が大きいと考えられてきたことが挙げられる．しかしながら，
近年では全国的な地震観測網の整備と観測センサーの精度向上に伴い，上下動についてもこれまで考えられてきたよりも影響が大きいことが明らかとなってきている．特に，遠方の海溝型の地震に比べて，直下型の地震では水平動と同時に大きな上下動が起こる場合があり，実際に2008年の岩手・宮城内陸地
震では4000gal近い上下動が観測されている．
このように設計時の想定を超える地震動に対する，
より高度な構造安全性に加えて，たとえば，拠点医療施設では地震時における医療機器の散乱を防いで
被災直後から即座に医療活動を行う必要性などが要求される．また，危険物を扱う研究所や半導体製造
工場などに代表される高価な設備を有する施設では機器の損傷を防ぐだけでなく，火災および事故の防止，地震被災後の迅速な操業再開が要求される．
近年では建物基礎部で水平免震を行い，必要に応じて部分的に上下免震床を導入する例もあるが，建物の階数や規模によっては基礎部で水平方向と上下方向を同時に免震化した方がコストダウンを見込める場合もある．また，建物全体を水平上下方向に免震化することは美術館の絵画のように壁に取り付いている内装品に対しても免震効果が期待できる．

⒜⒝

３次元免震装置

ロッキング抑制付オイルダンパーシステム
図１

３次元免震システム

いて報告する．なお，本プロジェクトは，国土交通省の第１回超長期住宅先導的モデル事業（住宅の新築（共同住宅））の一つとして採択された事業である．
2．３次元免震システム概要

以上の観点から，著者等は水平方向と上下方向を同時に免震化する３次元免震システムを新たに開発し，本論では阿佐ヶ谷プロジェクトとして共同住宅に適用した例を紹介する．さらに，３次元免震装置
およびロッキング抑制装置の性能を確認するために実施した確証試験について報告するとともに，３次

2.1 ３次元免震装置開発した３次元免震装置は，水平方向は積層ゴム
により，上下方向は空気ばねにより免震するシステ
ムである．図１⒜に示すように，通常の免震構造で用いられている天然ゴム系積層ゴム支承の下に鉄骨

元免震構造を実建物に適用する際の設計の考え方，
2009年11月に着工してから今日までの建設状況につ架台を組み，これらを空気ばねで支える構造としている．また，積層ゴムから鉄骨架台へ伝わる水平力＊

平成24年２月８日

＊＊

原稿受付

株式会社 構造計画研究所（所在地 〒164‑0012 東京都中野区本町４―38―13）
第43巻

第３号

を上下方向にしゅう動しながら直接基礎に伝えるために，鉄骨架台に組み込まれた保持筒の中に鋼棒を通したせん断力伝達装置（スライダー）を設けている．このように，水平方向と上下方向で独立した装― 17 ―

2012年５月（平成24年）

150

フルードパワーシステム

置を組み合わせることによって，免震層の設計時における明快さを確保するとともに，各支点下で水平および上下方向それぞれに装置を選定できる組合せの自由度を得ることができる．なお，長期使用時において，空気ばねは自動レベリング装置により支点の位置が所定より高ければ空気を抜き，低ければコンプレッサーにより空気を入れ，常に一定の高さを保つ機構を備えている．

表１
所
竣
用
延
階
建
構
免

2.2 ロッキング抑制付オイルダンパーシステム
本システムのように，上下方向の剛性を柔らかくすることにより，建物全体のロッキング運動が誘発

在

床

面

物
造
震

高
形
部

建物概要

地：東京都杉並区阿佐ヶ谷南
工：平成23年３月
途：共同住宅積：548.78㎡
数：地上３階さ：9.00m
式：RC造 ラーメン構造
材：３次元免震装置（天然ゴム系積層ゴム支承、空気ばね、せん断力伝達装置（スライダー））
ロッキング抑制付オイルダンパーシステム
水平方向用免震オイルダンパー

される場合がある．そのようなロッキング動を抑制するため，図１⒝に示すように，一対の上下方向のオイルダンパーのピストンで隔離された上下のオイ
ルタンクをクロス配管で連結する，ロッキング抑制
付オイルダンパーシステムを開発した．ロッキング
抑制付オイルダンパーシステムは，２本のオイルダ
ンパーのタンクを配管により建物の対角線上にたす
き掛けにして繋ぎ，２本のダンパー間をオイルが行き来できるようにすることで，上下動成分に対しては配管抵抗による減衰で上下方向のエネルギーを吸収し，ロッキング動成分に対してはダンパー絞りによる減衰でロッキング動を抑制するシステムである．
これらは油圧を用いた機械的な仕組みで実現できるパッシブな装置であるため，電気トラブルによる故障や誤作動の心配がなく，高い信頼性を確保することができる．
３．適 用 建 物
３次元免震を採用した建物は地上３階，最高部高さ9.0ｍの共同住宅である．建物概要を表１に，建物の外観および断面を図２に，免震ピット平面図を図３に示す．基準階の平面形状は，X方向はスパン
長さ2.7 〜 7.2ｍの３スパン，Y方向はスパン長さ4.5ｍの３スパンである．
建物は地震に対する安全性向上のため，１階床梁

図２

建物の外観および断面

下と基礎の間に３次元免震部材を設置した基礎免震建物である．免震部材には水平方向に対しては天然
ゴム系積層ゴム支承とオイルダンパー，上下方向に対しては空気ばねとスライダーおよびロッキング抑制付オイルダンパーを使用している．地震時に基礎部分と上部構造に相対変位が生じるため，水平方向
クリアランスを600㎜，鉛直方向クリアランスを100㎜としている．また，基礎部分と上部構造に設置される設備配管などは相対変位に追従する機能を有したものを用いている．上部建物は純ラーメン構造で，１階および２階に13.5mのPC梁を設けロングスパンの空間を構成し，自由に間仕切りを配置できる計画
第43巻

第３号

― 18 ―

図３

免震ピット
2012年５月（平成24年）

高橋

151

治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の開発と建設―となっている．
4．性能確認試験
4.1 ３次元免震装置の性能確認試験
３次元免震システムに用いる積層ゴム，空気ばね，
せん断力伝達装置（スライダー）それぞれを３次元免震装置として一体に組み上げ，各部品の挙動および装置全体での復元力特性を確認するための試験を行った．組合せ確証試験の状況を写真１および図４に示す．試験に用いた装置は実物大で，実際に建物に供与する装置と同等である．
上下方向の復元力特性の代表的な試験結果と解析
結果の比較を図５に示す．せん断力伝達装置（スライダー）のしゅう動摩擦力により，軸力−上下変位関係曲線において変位が反転する両端で急勾配の立写真１

組合せ確証試験の様子

上り部が現れている．曲げモーメント−回転角関係においては，水平方向変位により生じる付加曲げモーメントにより鉄骨架台に回転を生じるが，積層ゴムの回転角は1/500以内となっており，積層ゴムの水平方向の性能に悪影響を及ぼさない範囲である．
また，水平方向の復元力特性については概ね線形となり，天然ゴム系積層ゴム支承の復元力と同様の性状となっている．いずれの場合においても，実験結
果と解析結果は良好な対応を示している．
4.2 オイルダンパーシステムの性能確認試験
ロッキング抑制装置付オイルダンパーの機能を確認するため，試験体に本システムを模して配管接続
したオイルダンパーを用いて加振実験を行い，追従性能を確認するとともに解析結果との比較を行った．

⒜

フリー状態

⒝
図５

⒜

軸力−上下変位
図６

第43巻

第３号

図４

組合せ確証試験の載荷装置

⒞

弾性状態

固定状態

３次元免震装置の上下方向の復元力特性⒝

曲げモーメント−回転角⒞

水平力−水平変位

ロッキング抑制付オイルダンパーシステムの復元力特性― 19 ―

2012年５月（平成24年）

152

フルードパワーシステム

試験は両方のタンクをたすき掛けしたオイルダン
パーの片方をアクチュエーターに取り付け，もう一方の追従側のオイルダンパーの境界条件を，フリー状態，緩衝ゴムを入れた弾性状態，固定状態の３パターンでそれぞれ行った．図６に解析結果との比較を示す．油圧回路モデルおよびバネマスモデルの解析結果と実験計測結果は，実用レベルで一致していることが確認できる．
5．３次元地震応答解析
5.1

解析モデル

⒜

確証試験の結果から立体時刻歴応答解析モデルを作成した．表２に各装置のモデル化内容を示す．また，図７⒜⒝にロッキング抑制付オイルダンパーシ
ステムおよび３次元免震装置の解析モデルを示す．

ロッキング抑制付オイルダンパーシステム

３次元免震装置は積層ゴム，鉄骨架台，せん断力伝達装置（スライダー）および空気ばねをそれぞれモデル化している．空気ばね，スライダーは３体もし
くは４体を実装置と同様の位置関係で配置した．
ロッキング抑制付オイルダンパーシステムは，上下運動時の配管内のオイル抵抗を各支点に配置した上下方向用オイルダンパーへ置換し，ロッキング運動
時のダンパー内オリフィスによる減衰をロッキング
抑制用ダンパーで置換する．なお，ロッキング抑制
付オイルダンパーシステムは実建物同様に対角の柱を結ぶように２組配置している．建物の各柱下には３次元免震装置の解析モデルをそれぞれ配置した立体モデルとしている．
5.2 固有値解析結果
表３に固有値解析結果を，図８に基礎固定時における上下方向１次固有モードを示す．図より，上下
方向１次モードにおいて，ロングスパン梁が大きく⒝
図７

水平方向入力地震動は観測地震動，解放工学基盤
における加速度応答スペクトルより作成した告示波，計画地付近の歴史地震および近傍断層を考慮して作要素

モデル化内容水平・回転連成考慮

空気ばね
空気ばねオリフィス（Haringx理論に回転剛性の水平変位依存性を考慮）
剛性：線形
減衰：速度２乗比例型
完全弾塑性型，摩擦係数一定（ブッシュ位置の変動を考慮）

スライダー

Maxwell型【上下方向】
ロッキング抑制付
剛性：線形，減衰：速度２乗比例型
オイルダンパーシステム 【ロッキング方向】
剛性：線形，減衰：速度比例型バイリ
ニア

上下方向入力地震動は観測地震動の水平方向の最大振幅を50㎝/sとして基準化した地震動を用いるほか，「設計用入力地震動作成手法技術指針（案）：建第３号

各装置のモデル化内容

積層ゴム成したSITE波（南関東地震）を選定する．位相特性は，告示波はHACHINOHE位相，JMA神戸位相，
ELCENTRO位相とし，SITE波は八戸位相を用いる．

第43巻

立体時刻歴応答解析モデル

表２

上下振幅している様子が確認できる．
5.3 設計クライテリア
表４は設計クライテリアを示している．各装置のクライテリアは組合せ確証試験の結果に基づき設定している．地震応答解析において，設計クライテリ
アを満足していることを確認する．
5.4 入力地震動

３次元免震装置― 20 ―

水平オイルダンパー

表３

Maxwell型
剛性：線形
減衰：速度比例型バイリニア

固有周期一覧（秒）

解析ケース

Ｘ方向

Ｙ方向

Ｚ方向

基礎固定時

0.196

0.248

0.164

30㎝変位時

2.982

2.948

1.284

2012年５月（平成24年）

高橋

設省建築研究所・日本建築センター（1992）」による方法を基本として，告示に規定される加速度応答

表４

免震システムは上下方向の入力が重要になることか
ら，0.6秒程度より長周期成分については「免震建築物のための設計用入力地震動作成ガイドライン：
日本免震構造協会（2005）」の知見を反映させ，擬似速度応答スペクトル振幅が50㎝/sとなるように設定した．表５に設計用入力地震動の一覧を示す．
5.5 地震応答解析結果
図９にY方向＋Z方向加振における各層の最大応答解析結果を示す．図10には，３次元免震装置の効果確認として，３次元免震，水平免震のみ，基礎固

ねと上下オイルダンパーの軸力負担が増えているが，スライダーの軸力負担はしゅう動部の摩擦力による

第43巻

第３号

レベル１

レベル２

水平方向のみ水平上下方向同時応力
短期許容応力度以内
層間変形
1/400以内（ロッキング角含まず）

上部構造

層間変位
積層ゴム
３次元
免震装置

短期許容応力度以内
1/200以内

15㎝（γ＝100％）以内 30㎝（γ＝200％）以内

せん断歪み
引張応力
相対回転角

安定変形以内引張力を生じない
1/50以内応力

短期許容応力度以内

ブッシュ面圧49N/㎟以内

スライダー

性能保証変形以内
引張力を生じない
1/50以内
0.8Mp以内＊（Mp：全塑性モーメント）
49N/㎟以内＊

組合せ確証試験において、スライダーが塑性化した状態でも上下方向の免震機能は阻害されないことを確認している。また、ロッドの最大曲げモーメントの解析結果が全塑性モーメントの0.8倍以下であれば概ね弾性とみなせる。

⒝

上下方向
レベル２

入力地震動

1/250以内

空気ばね

上下変位（㎜）
内圧（MPa）

±85
２

スライダー

軸応力
短期許容応力度以内
ストローク（㎜）
±85

―
上下方向
免震装置

水平上下方向同時
最大応答加速度
（Gal）
建物傾き

床応答

上部構造

300

最大減衰力（kN）
ロッキング
オイルダンパーストローク（㎜）
抑制装置

表５

500
±85

設計用入力地震動一覧

設計用入力地震動

継続時間
（秒）
Lv. 1

入力最大加速度＊（㎝/s2）
水平方向

上下方向

Lv. 2

Lv. 2

ELCENTRO 1940 NS, UD

255（25） 510（50） 307（16）TAFT 1952 EW, UD

248（25） 496（50） 290（19）HACHINOHE 1968 NS, UD

168（25） 336（50） 166（15）

告示波および模擬地震動（神戸位相）

146（13） 693（71） 238（32）

告示波および模擬地震動（八戸位相）

135（12） 703（82） 282（31）告示波および模擬地震動（ELCENTRO位相）149（12） 686（77） 292（36）
SITE波（南関東地震）

557（72） 228（25）＊（⒝

水平方向最大応答加速度および変位
図９

水平方向

入力地震動

定の場合それぞれの上下方向最大応答加速度を示す．
本建物の３次元免震装置では免震層に生じる水平力に応じてスライダーのしゅう動部摩擦力（鉛直方向力）が変動するが，これを考慮した解析モデルにおいても各層の上下方向最大応答加速度は基礎固定時と比較して1/2 〜 1/3程度に低減されている．また，本建物の２階床部は陸立ち柱を有した13.5mのロン
グスパン梁となっているため，上下動が入力された際にロングスパン梁の上下振幅により水平免震のみ
および基礎固定の場合は床応答加速度が増幅されているが，このような場合においても上下免震を行った場合では床応答加速度は各階で一様となっている．
なお，水平方向最大応答加速度については，頂部で300gal以下となっており，一般的な水平免震構造と同等の性能を有しているといえる．
図11は各支点における上下免震装置の軸力負担を示している．上下方向の応答が大きいほど，空気ば設計クライテリア⒜スペクトルに上下動成分係数を乗じて上下動の目標
スペクトルを設定し，位相に観測記録のUD成分を用いて上下動を作成した．ただし，本建物の３次元⒜153

治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の開発と建設―）内は最大速度（㎝ /s）

上下方向最大応答加速度および変位

最大応答結果― 21 ―

2012年５月（平成24年）

154

フルードパワーシステム

水平力に依存するため，スライダーの軸力変動は少ない．また，空気ばねの最大軸力が支点１〜４と５〜８で差が出ているのは１ユニットあたりの空気ばねの基数によるもので，空気ばね１基あたりの内圧はほぼ等しくなっている．
ロッキング抑制付オイルダンパーの効果検証として，対角上の支点１と支点８の上下変位時刻歴を図12に示す．支点１と８は同一位相で互いに追従する
ように変位しており，ロッキング抑制付オイルダン
パーにより建物はロッキングを抑制しながら上下方向に変動していることを確認した．なお，ロッキン
グ角はY方向最大で1/570となった．
6．施工

３次元免震装置の据付は現場でアセンブルを行う
ため，空気ばねやスライダー等の装置の位置関係の精度が重要となる．そこで，今回は全ての装置を一

図10

装置の有無による比較（告示波八戸位相）枚のベースプレートに設置した．（写真２）ベース
プレートは，コンクリート打設時にベースプレート
内に空隙が生じないよう空気抜き穴を各所に設けている．また，スライダーと鉄骨架台の精度確認として，３次元免震装置据付後に全数しゅう動検査を行い，過度に摩擦力が発生していないことを確認した．
7．お わ り に
３次元免震装置の開発と建物への適用例について，
建物の概要と設計方針，代表的な実大試験の概要とシミュレーションとの比較結果，およびこれらを踏まえた建物地震応答解析について紹介した．
今後の展望として，より高層の建物への適用や戸建て住宅向けなどのより安価な３次元免震システムの開発，冒頭で述べたように高額な内装設備を持つ

図11

３次元免震装置の最大応答値

建物や防災センター，官公庁への普及を期待する．
現在，本建物は阿佐ヶ谷「知粋館」と命名され，竣工を迎えている．また，竣工前試験として自由振動試験を実施し，概ね設計で想定した免震特性を確認することができた．今後，常時計測システムによる長期観測などのデータ収集も行い，微振動時や地震時の応答低減の効果検証を行う予定となっている．
これらのデータを基に，より高性能な装置の開発が進むことが期待される．
謝辞

本建物の構造設計にあたっては藤田隆史・東京大学名誉教授のご指導の下，㈱構造計画研究所・清水建設㈱・カヤバシステムマシナリー㈱により行われており，また，本建物の装置開発にあたっては，日
本原子力発電㈱が経済産業省から受託して設けた３
第43巻

第３号

図12

２点間の時刻歴応答変位（上下方向）

次元免震委員会（委員長：藤田隆史・東京大学名誉教授）の指導により，日本原子力研究開発機構（旧
核 燃 料 サ イ ク ル 開 発 機 構 ） と 民 間 各 社 の 技術協力2）〜 6）を得て実施した「発電用新型炉技術確証試
験」9）の成果の一部を活用しました．ここに記して謝意を表します．

― 22 ―

2012年５月（平成24年）

高橋

155

治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の開発と建設―

参

考

文

献

１）青井真, 森川信之：2008年岩手・宮城内陸地震のKiK-net―関西に於ける４ｇの強震記録, 日本地震工学会誌, No. 9, p. 20‑24（2009）２）蔭山満ほか: 発電用新型炉へ適用する３ 次元免震システムの研究,（単独ローリングシール型：その１）, 2002 Dynamics and Design Conference: 機械
力学・計測制御講演論文集2002（abstract）, p. 240（2002）
３）梅木克彦ほか: 発電用新型炉へ適用する３ 次元免震システムの研究,（単独ローリングシール型：その２）, 2004 Dynamics and Design Conference : 機械 力 学・ 計 測 制 御 講 演 論 文 集, p.105‑1−105‑4（2004）
４）柏崎昭宏ほか：発電用新型炉へ適用する３次元免震システムの研究（油圧機構：その１）, Dynamics
and Design Conference 2002, 講演論文 No 612（2002）
５）島田貴弘ほか：発電用新型炉へ適用する３次元免震システムの研究（油圧機構を用いた３次元免震システム：その２）, 日本機械学会, Dynamics andDesign Conference 2004, 講演論文No 103（2004）
６）須原淳二ほか：発電用新型炉へ適用する３次元免震システムの研究 建屋全体３次元免震システムの開 発, 日 本 建 築 学 会, 構 造 工 学 論 文 集Vol. 52B,
p207‑220（2006）
７）高橋治ほか： ３次元免震建物の開発（その１）〜（その12）, 日 本 建 築 学 会 大 会 梗 概 集B‑2,（2008,2009）８）国枝正春：空気ばね車両の上下振動の理論と実験，
鉄道技術研究報告，第６号，車両編第３号，（1958）
９）日本原子力発電株式会社：発電用新型炉技術確証
試験事業報告書その２

３次元免震技術確証試験,

p. 3. 2. 2‑52‑53（2003）

写真２

３次元免震装置据付状況

［著
たか

はし

高 橋

者

紹

介］

おさむ

治 君
1967年 東京都北区生まれ．東京理科大学工学部建築学科卒業，同大学院建築学専
攻修了．1991年 株式会社構造計画研究所へ入社し，現在は執行役員兼構造設計部部
長．博士（工学），構造設計一級建築士，建築構造士，日本建築学会会員など．
E-mail：taka@kke.co.jp

第43巻

第３号

― 23 ―

2012年５月（平成24年）

156

解

フルードパワーシステム

説

鉄道車両用地震時脱線防止対策左右動ダンパ＊
鈴

貢＊＊

木

1．は じ め に試験ならびに実台車加振試験の結果について報告する．

2004年に発生した新潟県中越地震では，走行中の新幹線が地震動により脱線に至るという事象が発生

2．地震対策ダンパの概要

した．その後，地震時における鉄道システムの安全性を向上する方策に関して，さまざまな検討がなされ，その一部はすでに実用化されている．
鉄道総研では地震時のような車両各部が大変位す
る場合においても解析が可能な車両運動シミュレー
ションプログラムを開発し，このプログラムを用いて台車改良による地震時の走行安全性を向上させる
方策について検討を行った．この検討結果の一つとして，本来，乗り心地の向上を目的に車体／台車間に装備されているオイルダンパ（以下，左右動ダンパと記す，図１）の減衰性能を高め車両の振動を抑制することが，地震時の脱線対策に有効であることがわかった1）．
この検討結果をもとに，新幹線車両での使用を前提とした，通常時の走行性能を損なうことなく，地震時のみ大きな減衰力を発生する地震時脱線防止左右動ダンパ（以下，地震対策ダンパと記す）を開発した．以下に，地震対策ダンパの概要と，開発に際し実施した性能確認試験のうちダンパ単体での性能

地震対策ダンパには，地震時には大きな減衰力の発生が，通常時には現行の左右動ダンパ（以下，現行ダンパと記す）と変わらぬ性能が要求される．このため，ダンパのピストン速度（以下，ピストン速度と記す）に応じた減衰性能を設定することで要求性 能 を 実 現 し た． 具 体 的 に は， ピ ス ト ン 速 度 が200㎜/s以下の通常走行中に想定される速度域では発生する減衰力を現行のままとし，地震時のように車体と台車が通常走行時よりも大きく振動してピストン速度が高速となる際にはリリーフ弁のリフト量を規制することで大きな減衰力を発生する減衰特性とした．地震対策ダンパに使用する油圧回路は，当初，左右動ダンパのものとして実績のあるユニフロー方式で開発を進めた．しかし，原理試作機による単体での加振試験の結果，この方式ではピストン
速度が高速になるにつれ，ベースバルブからの作動
油の吸い込み不良や，タンク室内の作動油の油面変動による空気の吸い込みにより減衰性能が低下する
ことがわかった．そこで，これを解消するため，作動油の移動量を抑制するため油圧回路をバイフロー方式に変更するとともに，タンク室容積を拡張した
原理試作機を製作し改めて検討を行った．この結果，
ピストン速度が600㎜/sの場合においても目立った
減衰不良はなく，安定した減衰性能を得られることがわかった．これを受け，地震対策ダンパにはバイフロー方式の油圧回路を採用し製作した．図２に製作した地震対策ダンパの外観と主要寸法を示す．取り付け長およびダンパストロークは現行ダンパとの互換性を考慮し同じ寸法とした．その一方で，外径およびシリンダ内径は大きな減衰力の発生に伴い上昇する内圧に耐えうるよう堅牢な構造となっている．

図１＊

平成24年２月10日＊＊

左右動ダンパの例

原稿受付

公益財団法人 鉄道総合技術研究所（所在地 〒185‑8540 東京都国分寺市光町２―８―38）
第43巻

第３号

3．単体での性能確認試験
地震対策ダンパ単体での減衰性能を調査するため，
ダンパ試験機による正弦波加振試験を実施した．この際，比較のために現行ダンパについても同様の試― 24 ―

2012年５月（平成24年）

鈴木

157

貢：鉄道車両用地震時脱線防止対策左右動ダンパ験を実施した．試験結果として得られた，ピストン速度と発生減衰力最大値の関係を図３に示す．ピス

その上に配された実物の新幹線台車，車体を模擬した荷重枠，荷重枠の転倒防止と前後およびヨー方向

トン速度が200㎜/s以下の通常時には，地震対策ダ
ンパの減衰性能は現行ダンパのものと変わらないことを確認した．その一方で，地震時のようにピストの運動を拘束するための転倒防止リンクから構成される．なお，荷重枠上にはデッドウェイトが取り付けられており，この数量を変更することで車体の質

ン速度が200㎜/sを超える異常時には，地震対策ダ
ンパの発生する減衰力は現行ダンパに比べ大きく，
最大で約２倍になることがわかった．

量を任意に設定することが可能である．また，試験体には各部の挙動調査を目的に各種センサが取り付けられている．

（単位：㎜）

外径

地震対策ダンパ

現行ダンパ

156

90

取付長

455

ストローク

135

シリンダ内径
ピストンロッド外径

図２

90

図４

振動台試験で使用した試験体の外観試験では，振動台を正弦波および地震波で左右方向に加振し，この時に試験体の４つの車輪のうちいずれかの車輪において，車輪からレールに伝わる自重や振動などによる垂直方向の荷重（以下，輪重と記す）がゼロとなる，つまり車輪がレールから離れる現象に注目し，この際の加振条件を調査した．地震波加振では，新潟県中越地震の際に新幹線が脱線した高架橋上の推定地震動2）を用い，これに任意の70
35

地震対策ダンパの外観と主要寸法

倍率（以下，加振倍率と記す）を乗じ加振した．
4.2 正弦波加振試験結果
正弦波加振の結果，輪重がゼロとなった際の振動
台左右変位振幅を図５に示す．加振周波数が0.7Hz
以上の加振条件では，地震対策ダンパを装備した場
図３合の加振振幅は，現行ダンパを装備した場合のものに比べ大きくなっていることがわかった．さらに，単体試験による性能線図（F-V線図）

地震対策ダンパを装備し，現行ダンパを装備した場
合に輪重がゼロとなった加振条件で測定された輪重の最小値と車体左右変位の最大値を表１に示す．地
震対策ダンパを装備した場合には，輪重が残存する

4．実台車加振試験による性能確認
4.1

試験概要

台車に実装した状態での地震対策ダンパによる地震時走行安全性の向上効果を確認するため，鉄道総研の大型振動試験装置（以下，振動台と記す）上に設置した新幹線車両半車体モデルの試験体を用いて加振試験を実施した．使用した試験体の外観を図４に示す．試験体は，振動台上に敷設されたレール，
第43巻

第３号

こと，車体左右変位が小さくなることがわかった．
これらのことから，地震対策ダンパを装備することによる走行安全性が向上することを確認した．
なお，この試験では，現行ダンパの許容荷重を超える条件での加振を重ねたため，途中で破損に至った．このため，図５，表１には双方のダンパを装備― 25 ―

2012年５月（平成24年）

158

フルードパワーシステム

した場合のデータが存在する1.2Hzまでの試験結果を示している．

ひとつとして地震対策ダンパを提案，試作し，各種試験によりその効果を確認した．その結果，現行ダンパを装備した場合に比べ地震時の走行安全性が向上することを確認した．
今後は，さまざまな車両での使用に対応できるようダンパ本体の小型軽量化を図るとともに，新幹線車両に導入されているフルアクティブ振動制御装置へ対応できるよう検討を進めていきたいと考えている．
表２

現行ダンパで輪重がゼロとなる加振条件での
比較
現行ダンパ

図５
表１

輪重ゼロ
観測部位

輪重がゼロとなる振動台左右変位

加振条件
周波数 加速度［Hz］ ［Gal］

軽重最小値
［kN］

車体左右変位 輪重最小値 車体左右変位
［㎜］
［kN］
［㎜］

車輪№１

現行ダンパで輪重がゼロとなる加振条件での
比較

83.1

地震対策

現行

地震対策

0.0

0.9

121.0

113.8

0.7

115

0.0

10.9

124.0

114.1

1.0

350

0.0

3.8

116.1

108.4

1.2

550

0.0

2.8

82.0

78.5

80.0

8.2

6．謝

現行

130

7.2

車輪№３

車体左右変異［㎜］

0.5

地震対策ダンパ

辞

地震対策ダンパの開発にあたり多大なるご協力を賜りました東日本旅客鉄道株式会社ならびにＫＹＢ
株式会社の関係各位に末筆ながら厚く御礼申し上げ
ます．
参

考

文

献

１）宮本，石田：台車改良による地震時走行安定性向上に関する研究，鉄道総研報告，Vol. 21，No. 12，

4.3 地震波加振試験結果
地震波加振の結果，現行ダンパを装備した場合には加振倍率60%，地震対策ダンパを装備した場合にp. 35‑40（2007‑12）２）新潟県中越地震新幹線脱線シミュレーション解析，
鉄道総研報告，特別52号（2008‑12）は加振倍率65%の時にそれぞれ輪重ゼロが確認された．また，地震対策ダンパを装備し，現行ダンパを装備した場合に輪重がゼロとなった加振倍率60%の加振条件で測定された輪重の最小値と車体左右変位の最大値を表２に示す．正弦波加振試験の結果と同様に，地震対策ダンパを装備した場合には，輪重が残存すること，車体左右変位が小さくなることがわ

［著
すず

き

みつぎ

鈴

木

貢 君

かった．これらのことから，地震対策ダンパを装備することによる走行安全性が向上することを確認し
た．

者

紹

介］

東京都立航空工業高等専門学校卒．1992
年財団法人鉄道総合技術研究所入所，現在に至る．走行安全性測定技術などの研究に従事．日本機械学会会員．
E-mail：mitsugi@rtri.or.jp

5．お わ り に
地震時における鉄道車両の脱線を防止する方策の

第43巻

第３号

― 26 ―

2012年５月（平成24年）

解山田

宏尚：遠隔操作建設ロボット

操

作

建

設

ロ

山

田

宏

尚＊＊

159

説

遠

隔

ボ

ッ

ト＊

1．は じ め に

2．遠隔操作・臨場感提示建設ロボット

日本がロボット大国といわれるようになって久し
いが，福島原発の事故では日本製ロボットは殆ど投

図１に，本研究で用いている遠隔操作・臨場感提示建設ロボットシステムの概要を示す．建設ロボッ

入されず，実際に活躍できたのは米国製ロボットであった．その理由として，米国では放射能汚染対策
を含む軍事目的のロボットがすぐに実践投入できる

トは，油圧ミニショベルにステレオＣＣＤカメラ，
マイクロフォンなどを取り付けて遠隔操作ができるように改造したもので，すべての油圧アクチュエー

よう開発されているのに対し，我が国では災害救済に使えるロボットは研究レベルでの開発にとどまっており，実践投入を想定した準備・開発が十分されていなかった点がある．また，日本のロボット技術
開発が製造現場で使われる産業用ロボットやヒュー
マノイド型に集中していることなども指摘されている．このように，今回の原発事故で日本のロボットが活躍できなかったのは，日本のロボット技術がタはスレーブ側コンピュータにより制御できるようになっている．このシステムでのマスタは２個のジ ョ イ ス テ ィ ッ ク で， ス レ ー ブ は 建 設 ロ ボ ッ ト（フォークグラブ・ブーム・アーム・スイングを含む）である．

劣っているからではなく，開発体制（目標設定）の問題であると考える．
震災前は ｢日本の原発では致命的な事故は起こりえない｣ との立場から，実践投入用の復旧ロボットを真剣に開発する体制が整えられてこなかったが，今後は即実践投入できるロボットの開発がされるよ
うになっていくであろう．大学などの研究機関では，そのための要素技術を含む基礎的研究開発がますま
す重要になっていくものと思われる．
当研究室では災害復旧などにおける無人施工で用いることを想定した，研究用の遠隔操作建設ロボットシステムを構築している．具体的には，油圧パワーショベルを遠隔操作できるようにし，視覚提示にVR（Virtual Reality：バーチャル・リアリティ）
技術を導入してオペレータに作業現場の十分な臨場感を与えるとともに，コンピュータの支援に基づく
高度かつ精密な作業を実現するための研究を行っている．本システムを用いた研究内容については，過去の解説記事1），2）にて概要を述べている．本稿では最近の研究の取り組みについて紹介する．

＊

平成24年２月28日

＊＊

原稿受付

岐阜大学工学部人間情報システム工学科（所在地 〒501‑1193 岐阜市柳戸１―１）
第43巻

第３号

図１

遠隔操作建設ロボットシステム

従来の遠隔操作システムでは複数のカメラを用いて多視点の映像を見ながら作業を行う場合が多いが，作業場所によってカメラやセンサといった設備が限られることや死角が生ずることにより，現場を直接見ながら作業を行う場合と比べ作業効率は30％〜50％となるとの報告がされている．このような問題点を補完する技術としてVR技術に着目し，コン
ピュータ内に構築される仮想空間を介した遠隔操作システムを導入することで，視覚センサの数やカメラの死角の問題を克服し，作業効率の改善を図っている．以下ではその取組の中から，①オペレータの頭部に設置した角度センサを用いることで頭部の動きをセンシングし，操作者の意志により能動的に視― 27 ―

2012年５月（平成24年）

160

フルードパワーシステム

点移動を行えるシステムおよび，②力覚フィード
バックに聴覚フィードバックを加えたマルチモーダ

4．聴覚情報を用いた力覚提示法
先に述べた視覚提示システムに加えて，建設ロ

ル・インターフェースの適用事例について紹介する．
3．VRによる能動的視覚提示法
遠隔操作システムでは操作者への視覚提示をどのように行うかがもっとも重要である．当研究室では，
これまでステレオビデオ画像や，CG（Computer
Graphics）を用いた自動視点移動による視覚提示を行ってきた3）〜5）．しかし，固定されたカメラからの映像ではなく，操作者がカメラ視点を能動的に動かすことができれば，作業現場の状況をより正確に把握でき作業者の空間認識能力が向上することが期待できる．本研究では，図２に示すようにオペレータの頭部に角度センサを設置し，オペレータが首を傾けることにより能動的に視点を動かせる視覚提示シ
ステムを構築した．図３にオペレータの頭上の角度
センサの傾き角度に対応したCG内仮想カメラの移動軌跡を示す．

図２

ボットにより対象物を把持したときに，把持対象物の微妙な変形しやすさが判別できれば，対象物を壊さずに取り扱うことができる．当研究室ではこれまでに，対象物からの反力を，ジョイスティックへの力覚提示として操作者へフィードバックすることを行ってきた4），5）．しかし，壊れやすいものや柔らかく変形しやすい対象物を把持したときの力情報を操
作者が正確に判別・認識して操作することは容易ではない．また，ジョイスティックからの微妙な力覚を手で感じ取りながら，対象物を壊さず，落とさな
いように遠隔操作することは作業者にとって大きな負担となる．そこで，ジョイスティックからの力覚
フィードバックに加えて対象物からの反力に基づく聴覚情報をフィードバックすることで，微妙な力覚の認識を可能にする手法について検討した7）．

頭上にセットされた角度センサ

図４

図３

音声フィードバックシステムの概要

仮想カメラの移動軌跡

本システムを用いて，自動移動視点と角度センサを用いた曲線軌道の視点による作業を行ってもらい，評価を行った6）．その結果，作業者が能動的に視点を移動する方法では，作業現場の状況の把握がしやすくなり，操作の正確性や作業効率は従来の自動移動視点法5）よりも高くなることが確認された．またNASA-TLXという主観的評価手法により，操作者の作業疲労度を評価したところ，頭部による操作が必要となるため，身体への疲労感は増えるものの，全体として作業に対する精神的な負担が軽減される
ことがわかった．

図５

操作者への画像提示

本研究では，図４に示すような聴覚による力覚
フィードバックシステムを構築した．本システムでは，対象物からの反力を油圧シリンダ内の圧力セン
サで計測し，摩擦力などの外乱を補正した後，ジョ

第43巻

第３号

― 28 ―

2012年５月（平成24年）

山田

161

宏尚：遠隔操作建設ロボット

４）力覚提示機能を有する遠隔操作建設ロボットシス
イスティックへの力覚提示に加えて音声信号としてテムの操作性評価（カメラ映像による遠隔操作ロ
操作者に力覚情報をフィードバックするものである．

また，力覚・聴覚に加えて図５に示すように画像中にも力覚情報をゲージで提示するようにした．すな
わち⒜CGによる作業現場の提示に加え，⒝実写映像および⒞フォークグラムへの反力およびジョイス
ティックへの力覚のゲージによる表示を行った．本
システム用いて評価実験を行い，操作性を改善できることを確認した7）．

ボットシステムに力覚提示機能を備えた場合の操作性評価），山田宏尚，加藤英寿，土井達也，日本機械学会論文集，Ｃ編，73巻735号，pp. 3055‑3062，（2007）．
５）力覚提示機能を有する遠隔操作建設ロボットシス
テムの操作性評価（仮想空間を用いた操作システ
ムに対する力覚提示機能の有用性），黄玲涛，加藤
英寿，川村拓也，山田宏尚，日本フルードパワー

5．お わ り にシステム学会論文集，42巻３号，pp. 53‑59，（2011）．

本稿では，当研究室における遠隔操作・臨場感提示建設ロボットの研究概要を紹介した．紙面の都合

６）Construction Robot Tele-operation with a VR-aided

により一部の研究概要のみについて述べたが，詳細については文献を参考にされたい．なお，現在本システムを学外からインターネット接続して遠隔操作

A. A. Yusof, X. Tang, T. Kawamura, H. Yamada,をできるようにし，岐阜大学から約300㎞離れた場
所からの遠隔操作実験に成功している．原理的には地球の裏側からでも岐阜大学の建設ロボットを操作できるようになっている．今後は，インターネット
回線を介した遠隔操作における操作性改善について取り組んでいく予定である．

７）Operational Evaluation of a Construction Robot

参

考

文

Display: Workspace Viewpoint Manipulation Eﬀect,
Yamada, International Journal of Robotics &Automation, Vol. 26‑4, pp. 376‑388（2011）.
Tele-operation with Force Feedback, - Evaluationof Tele-robotic Force Perception using Auditory
Feedback -, Ahmad Anas Yusof, Takuya Kawamura,
Hironao Yamada，日本フルードパワーシステム学
会論文集，43巻１号，pp. 8‑15，（2012）．

献１）VRを応用した建設機械の遠隔操作システム，フ［著

ルードパワーシステム，山田宏尚，35巻４号，pp.
262‑266（2004）
２）油圧システムとVR技術，山田宏尚，フルードパ

やま

だ

山

田 宏

ワー，Vol. 20，No. 2，pp. 44‑46（2006）
３）Construction Tele-Robotic System with Virtual
Reality （CG Presentation of Virtual Robot andTask Object using Stereo Vision System）, Yamada,
H. and Muto, T., International Journal of Control
and Intelligent Systems, Vol. 35‑3, pp. 195‑201,

ひろ

者

紹

介］

なお

尚 君
1991年名古屋大学大学院 博士課程修了，
名古屋大学工学部講師等を経て2007年より岐阜大学工学部 教授．油圧制御，人間支援システム，画像処理工学などの研究に従事．日本油空圧学会，日本機械学会，日本
ロボット学会等の会員．工学博士．
E-mail：yamada@gifu-u.ac.jp（2007）
.

第43巻

第３号

― 29 ―

2012年５月（平成24年）

162

フルードパワーシステム

解説

危険建物内への迅速・安全なアクセスを目指した流体ロープウェイ＊
塚

越

秀

行＊＊，北

川

能＊＊

本稿では，上記の分類とは異なる新たな移動手段

1．は じ め にとして，筆者らの考案した ｢流体ロープウェイ｣1）

危険建物内の情報収集を安全かつ迅速に行う手段の１つとして，探査機能を備えた無人移動ロボットを紹介する（図１，２）．すなわち，たとえ床反力を得にくい状況でも，地面に放出されたレールの機の活用が挙げられる．なかでも，大地震直後の余震
環境下における人命探査や，危険物の位置情報などを推定する際には，たとえ障害物が散乱した状況で能を担う柔軟チューブに沿って探査機を推進させる
ことにより，多様な地面に対応しやすい移動を目指した方式である．運用手順や駆動原理に加えて，建も速やかに移動可能なロボットがあれば，被害の軽減に役立つものと期待される．
このような劣悪環境下における代表的な移動方法
として，i）車輪やクローラによる無限回転移動や物内の情報収集作業の機能性についても述べる．

蹴り出し機構を用いた跳躍のように床反力を得ながら移動する方法5,6），ii）壁面や天井面に吸着しながら移動する方法7），iii）小型ヘリのように空中に浮遊しながら移動する方法8），などが検討されてきた．
いずれの方法も「万能な移動手段」ではないため，目標の探査領域や作業内容に応じて適切な移動方法を選択する必要がある．

2．流体ロープウェイの概念
流体ロープウェイは，つぎの３つの基本要素から構成される．すなわち，内部に流体エネルギーを供給する１本の柔軟なチューブ，探査機器を搭載したゴンドラ，およびチューブの投げやすさとその停留性を保つために適切な質量を有したボールである．
チューブは，探査する目標距離の２倍以上の長さを有するものとし，初期状態ではその中央の折り返し
点でボールに通されている．
流体ロープウェイの基本的な運用は，以下３つの手順に沿って進められる（図１）i）建物外にいる
オペレータが，建物内の目標探査方向にチューブ付
きボールを投げいれる．ii）チューブ内に流体エネ
ルギーを供給することにより，ゴンドラをチューブに沿って双方向にスライドさせる．この際，ゴンドラから送信される情報を受信しながら探査する．

図１

流体ロープウェイのイメージ図iii）探査終了時点で，ゴンドラをオペレータのもとに帰還させたのち，一端を引っ張りながらチューブを回収する．ボールは現場に捨て去るものとする．
流体ロープウェイの最大の特徴は，動力源をゴン
ドラ内部に搭載せず，代わりにチューブ内の流体エネルギーを利用してゴンドラを推進させる点にある．
すなわち，ゴンドラに内蔵されたスライダとよぶ軽量な構造体で，チューブ内の流路を遮断しながら推力を生成する．また，通常のロープウェイと異なり，チューブは外部環境に対して不動のため，凹凸環境

図２

無線カメラを搭載したゴンドラの外観＊

平成24年３月７日

でもチューブにしゅう動摩擦が生じにくい構成であ
る．

原稿受付

＊＊

東京工業大学大学院（所在地 〒152‑8552 東京都目黒区大岡山２―12―１）
第43巻

第３号

― 30 ―

2012年５月（平成24年）

塚越・北川：危険建物内への迅速・安全なアクセスを目指した流体ロープウェイ

3．ゴンドラの駆動方法
3.1 Λ‑driveの導入
ゴンドラを駆動するスライダの構造として，いく
つかの候補が考えられる．チューブとスライダ間の摩擦損失を極力低減し，長いチューブに沿ってスライダがスムーズに移動するために，以下に述べる駆動原理を導入した．
その駆動原理は，偏平チューブとスライダの要素から成る簡便な構造に基づいたものである．偏平チューブとは，無加圧状態では断面が偏平形状を形成し，加圧状態では断面周長をほぼ一定に保ちつつ断面が円形に近づくチューブである．スライダは，
主に摩擦低減のためのローラーと座屈保持のためのストッパから構成されている．図３のようにチュー
ブ内の一方を加圧すると，座屈点まで流体は流れる
ものの，座屈点より下流側は流路が遮断されるため

図３

⒜

無加圧状態

⒝

加圧状態

163

流体は流れない．さらに加圧し続けると，座屈点を含む曲げ部とともにスライダも下流側に駆動される．
曲げ部の形状とギリシャ文字Λ（ラムダ）との類似性から，この構成をΛ‑drive2）と名付けてきた．
3.2 ゴンドラの内部構造
ゴンドラに取り付けられたスライダにおいて，下流側のチューブが，上流側のチューブおよびゴンド
ラの長手方向と常に平行に保たれる図４に示す機構を導入した．これにより，推力方向とスライダの移動方向が一致し，駆動効率の向上が望めるからである．詳細は文献1）を参照されたい．
4．建物内の探査実験試作したゴンドラ（図２）には，30mまで無線送信可能な小型カメラ（アールエフ社製 RC‑12，質量14.7g）が２個搭載されている．また，これらのカメラは，探査範囲を広げるために，スライダの傾斜動作を利用して回転できるように取り付けられている．
流体ロープウェイの有用性を確かめるため，危険建物を模擬した環境で実験を行った．オペレータと建物の間に７mのギャップがあるため，建物内を直視できない状況で情報収集を迅速に行うことを目指した．質量520gのチューブ付き低反発ボールを建物内に投てきした．チューブ内を0.4MPaの空気圧で加圧して，ゴンドラを約2.0m/sの速度で建物に近づけた（図５‑ １，２，３）．建物内に進入する際，窓のフレームと衝突してスタックしたが，チューブを弛ませた後，速度を2.5m/sに速めると，フレームを踏破することが確認された．建物内では，上流側

Λ‑driveで駆動されるスライダの構造

⒜

無加圧状態

⒝ 加圧状態
図４
第43巻

第３号

ゴンドラの構造図５― 31 ―

危険建物と想定した建物内の探査実験
2012年５月（平成24年）

164

フルードパワーシステムの流量制御によりゴンドラの速度を０m/s 〜 1.0m/sの間で調整しながら移動させ，ゴンドラ内に搭載

of "Souryu I & II" -Connected Crawler Vehicle forInspection of Narrow and Winding Space” Journalof Robotics and Mechatronics, Vol. 15, No. 1 （2003）
された無線カメラの映像に要救助者（人形）が映り，
６）Hideyuki Tsukagoshi, Yotaro Mori, Masashi Sasaki,
速度0.7m/sで往復させながら探査可能なことが確認
Takahiro Tanaka, and Ato Kitagawa “Development
された（図５‑ ５）．
of Jumping & Rolling Inspector to Improve the

5．お わ り にDebris-traverse Ability” Journal of Robotics and

本稿では，危険建物内の情報収集を迅速・安全に

Mechatronics, Vol. 15, No. 5 （2003）

行う無人探査ロボットの移動手段として，流体ロー
プウェイと名付けた新たな移動方式を紹介し，その運用方法や特徴を述べた．チューブを投てきする装置3），および投てきしたチューブの一端を壁に固定する投てき式吸着体4）も並行して開発中である．ま７）Hideyuki

た，本手法は，偏平チューブの代わりに消防ホース

８）Kevin S.Pratt, Robin R.Murphy, Jennifer L.Burke,

でも駆動することが確認されている．さらに高出力化を図り，原発内のモニタリング作業などへの適用も試みる予定である．

Jeﬀ Craighead, Chandler Griﬃn, Sam Stover “Use謝Tsukagoshi,

HiroyukiChiba,

Ato

Kitagawa “Gel-type Sticky Mobile Inspector to
Traverse on the Rugged Wall and Ceiling” IEEE
International Conference on Robotics and Automation, FrA2.5 （2009）of Tethered Small Unmanned Aerial System at
Berkman Plaza II Collapse”, Proceedings of theIEEE International Workshop on Safety, Security

辞and Rescue Robotics, pp. 134‑139（2008）

本研究の一部は，消防防災科学技術推進制度の研究助成を受けて行われた．また，本装置の開発に貢献していただいた森庸太朗君に深く感謝します．
参

考

文

献

［著

１）Yotaro Mori，Hideyuki Tsukagoshi, Ato Kitagawa“Fluid Powered Ropeway: Self-propelled Probe

つか

ごし

塚

越 秀

ひで

者

紹

介］

ゆき

行 君

に沿ってスライドする流体アクチュエータ（第１東京工業大学大学院理工学研究科機械制
御システム専攻 准教授，レスキューロ
ボット，人体装着型流体アクチュエータ，流体制御システムの研究に従事．日本フルードパワーシステム学会･日本機械学会･報，Λ-driveの提案とその動作解析） 日本フルー

計測自動制御学会等の会員，博士（工学）．

Sliding Along Flexible Tube” Journal of Robotics
and Mechatronics, Vol. 23, No. 2, 215‑224 （2011）２）森庸太朗，塚越秀行，北川能 柔軟偏平チューブ

ドパワーシステム学会論文集，第41巻，第５号，98 105（2010）３）Eyri Watari, Hideyuki Tsukagoshi, and Ato［著

Kitagawa “Novel Method to Throw a Tube IntoHigh Altitudes for a Throw and Collect Rescue
Inspector” Proceedings of the 13th International

きた

がわ

あとう

北

川

能 君

Conference on Climbing and Walking Robots（CLAWAR） ande the Support Technologies for
Mobile Machines， pp. 1314‑1322 （2010）４）渕上和峻，ワタリエイリ，塚越秀行，北川能 危
険建物内のレスキュー活動を支援する投てき式吸
着体の開発

者

紹

介］

東京工業大学大学院理工学研究科機械制
御システム専攻教授，流体制御，流体駆動
ロボット，生体協調流体システム等の研究に従事．日本フルードパワーシステム学会･日本機械学会･計測自動制御学会等の会
員，工学博士．

ロボティクス・メカトロニクス講演会2011，2A1‑J11（2011）５）Toshio Takayama and Shigeo Hirose “Development

第43巻

第３号

― 32 ―

2012年５月（平成24年）

嚴

165

祥仁：ICMT2011におけるフルードパワー技術関連の研究

FPIC会議報告

ICMT2011におけるフルードパワー技術関連の研究 ＊
嚴

1.

仁＊＊

祥

はじめに

2011年11月30日から12月２日までオーストラリアのメルボルンで ICMT2011（15th International
Conference on Mechatronics Technology）が開催された．ICMTはメカトロニクス分野を含めて幅広
い分野の研究発表が行われる国際会議である．今回のICMT2011では４件の基調講演と22セッションに

図１ マイクロアクチュエータ［文献２）から転載］

おいて112件の発表が行われた．また11月29日の夜にはウェルカムパーティが，12月１日の夜にはバンケットが開催され，会議参加者の親睦を深めるよい機会になった．そして12月２日には会議参加者を対象 と し てAustralian SynchrotronとCarlton United
Breweryへの見学が行われた．

リンダ形マイクロアクチュエータ（図１）を提案している．このアクチュエータは，ゴム製のローリン

2.

フルードパワー関連の発表

本国際会議はフルードパワー関連がメインの分野ではないが，今回は基調講演の１件を含めて，計12件のフルードパワー技術関連の発表が行われた．特に機能性流体関連の発表が多く行われたので，機能性 流 体 の み を 細 分 化 し て 発 表 内 容 を 分 類 する とECF関連が６件，MR関連が３件，ER関連が１件，その他が２件であった．

グダイアフラム，ECFジェット発生器，シリンダで構成される．実際にマイクロアクチュエータを試作し，実験を通して，その性能を示している2）．
WangらはECFジェット発生器に使用するマイクロ三角柱スリット形電極の集積化に関する研究を行っている．この研究ではパワー密度を高めるため
電極４つを直列に配置し集積化している．その電極の形状や配置を最適化するために，三角柱スリット形電極（図２）に関するパラメータを変化させ，最適なパラメータを実験的に検討している3）．

2.1 ECF関連の発表
ECF（Electro Conjugate Fluid：電界共役流体）とは不均一電界印加によりジェットを発生する機能性流体である．
YashikiらはECFジェットを利用した電子チップ

図２

冷却用フレキシブルポンプを開発するため，ECF
ジェット発生用の電極パターンとジェット特性との関係を明らかにしている．また，その結果を利用してフレキシブルポンプを試作し，実験によりその性能を示している1）．
Eomらは液圧源として用いるECFジェット発生器を，アクチュエータに内蔵した新たなピストンシ＊

平成24年２月３日 原稿受付
東京工業大学精密工学研究所（所在地 〒226‑8503 神奈川県横浜市緑区長津田町4259―
R２―41）

＊＊

第43巻

第３号

マイクロ三角柱スリット形電極の集積化［文献３）から転載］

Tokidaら はECFジ ェ ッ ト 発 生 器 と ゴ ム 製 ア ク
チュエータ，バネアクチュエータ，そしてECFタンクで構成されたミミズロボットを試作し，その特性を実験的に示している4）．
NguyenらはMEMS技術を用いて，圧力源を内蔵したマイクロレートジャイロを提案・試作（図３）
し て い る． こ の ジ ャ イ ロ で は 圧 力 源 で あ るECF
ジェット発生用の電極と速度検出センサをフォトリ
ソグラフィとニッケルメッキにより製作することで，大量生産を可能としている5）．

― 33 ―

2012年５月（平成24年）

166

フルードパワーシステム

シミュレーションによりその性能を検証している9）．
2.3

ERF関連の発表

ERF（Electro Rheological Fluid：電気粘性流体）とは電界印加により粘度が増加する機能性流体である．
Yoshidaらは柔軟なチューブと数個のERバルブマ
イクロユニットで構成される２自由度屈曲可能なERマイクロバルブ（２‑DOF FERV）を提案している（図５）．ERバルブマイクロユニット間の流路
長さ，および屈曲による流れの変化のER効果への影響を実験的に明らかにし，これに基づいて, ５個
図３のERバ ル ブ マ イ ク ロ ユ ニ ッ ト か ら な る ２‑DOF
FERVを試作している10）.

ECFマイクロレートジャイロの構成図［文献５）から転載］

Kimらは高性能ECFマイクロポンプを開発するため に， フ ォ ト リ ソ グ ラ フ ィ と ニ ッ ケ ル メ ッ キ のMEMS技術を用いて，三角柱スリット形電極を平面上に集積化する製作技術を提案している．その技術に基づき集積化したECFジェット発生用の電極を製作し（図４），その特性を実験的に示している6）．
図５

図４

平面上に集積化された三角柱スリット形電極［文献６）から転載］

2.2

MRF関連の発表

MRF（Magneto Rheological Fluid：磁気粘性流体）とは磁界印加により粘度が増加する機能性流体である．
Guoらは２枚の薄いアルミ板の間に，MRFを入れたサンドイッチ構造梁を製作している．そして非均一磁界の位置を変化させながらサンドイッチ構造

２自由度屈曲可能なERマイクロバルブ［文献10）から転載］

2.4 そ の 他
Kimらは自動変速機に適用できる可変オイルポン
プを提案している．このポンプはリニアアクチュ
エータとばねからなる電子制御アクチュエータを用いて流量を制御する．この設計のために数学モデル
を導出し，そのシミュレーションにより検証を行っている11）．
Ahnは基調講演で電動油圧アクチュエータを用いたパワーアシストロボット（図６）に関して発表した．この研究は電動油圧システムをパワーアシスト
ロボットに適用するのが主な目的であり，4Dジョ
イスティックによる人の操作を解析し，作業条件に応じて適切な知能制御をすることによって，柔軟性や制御性のよいパワーアシストシステムを構築して梁にかけることにより，サンドイッチ構造梁の固有振動数が変化することを実験的に示している7）．
GrelaudらはマルチディスクMRブレーキを最適化する新しいアルゴリズムを提案し，そのアルゴリ
ズムをシミュレーションにより検証している8）．
PengらはセルフセンシングMRダンパの研究を行っている．提案したMRダンパではピストンロッ
ド側と，カバー側にコイルが巻かれている．これによりピストンロッドの動きに合わせて誘導電圧が発生するので，この電圧をセンサ信号として利用する．
この研究ではセルフセンシングMRダンパを設計し，
第43巻

第３号

― 34 ―

図６

電動油圧パワーアシストロボット［文献12）の著者から提供］
2012年５月（平成24年）

嚴

167

祥仁：ICMT2011におけるフルードパワー技術関連の研究いる．

（2011）

3.

７）Guo, M., Hu, G., Li, W., Alici, G.: Vibration

おわりにCharacteristics of Sandwich Beam with MR Fluid

本稿では国際会議ICMT2011におけるフルードパ
ワー技術関連の発表，および基調講演の各概要を紹介した．

under Nonhomogeneous Magnetic Field, Proc.
ICMT2011. p. 97‑100 （2011）８）Grelaud, M., Li, W., Kennedy, O., Michal, G.: A

参

考

文

magnetic circuitsʼ optimization algorithm for MR

献

devices, Proc. ICMT2011. p. 118‑123 （2011）

１）Yashiki, A., Takemura, K., Yokota, S., Edamura, K.:

９）Peng, G., Li, W., Hu, G., Alici, G.: Design and

A Flexible Pump Using Electro-Conjugate Fluid

Simulation of a Self-Sensing MR Damper, Proc.

for Liquid Cooling of Electronic Chips, Proc.

ICMT2011. p. 112‑117 （2011）10）Yoshida, K., Hakoda, S., Eom, S., Yokota, S.: An ER

ICMT2011. p. 174‑179 （2011）２）Eom, S., Masuda, H., Yokota, S., Yoshida, K.,

Microvalve Having Two-DOF Flexibility, Proc.
ICMT2011. p. 46‑49 （2011）

Edamura, K.: Study about micro cylinder forbidirectional rolling diaphragm actuator using ECF11）Kim, C., Truong, D., Trung, N., Ahn, K., Yoon, J.,
Lee, J., Han, H., Kim, J.: Development of anjet, Proc. ICMT2011. p. 461‑464 （2011）

Electronic３）Wang, H., Kim. J., Yokota, S., Edamura, K.:

Control

Variable

Displacement

Parameter Optimization on Power Density ofLubrication Oil Pump, Proc. ICMT2011. p. 306‑310

MEMS-based Micro Triangular-prism-slit Electrode（2011）

Array as an ECF-jet Generator, Proc. ICMT2011.

12）Ahn, K.: A Study about power assistant robot
using

p. 421‑425 （2011）

electro-hydraulicactuator,

ICMT2011

Keynote Speech （2011）４）Tokida, K., Yamaguchi, A., Takemura, K., Yokota,
S., Edamura, K.: A Bio-inspired Robot Using
Electro-conjugate Fluid, Proc. ICMT2011. p. 85‑90（2011）［著

５）Nguyen, T., Imamura, T., Kim, J., Yokota, S.,
Edamura, K.: Development of MEMS-based ECF
micro rate gyroscopes with the micro hydraulicpower source and ﬂow sensor in a chip, Proc.
ICMT2011. p. 552‑556 （2011）
６）Kim, J., Nguyen, T., Yokota, S., Edamura, K.: High
Performance ECF （Electro-Conjugate Fluid）

おむ

さん

いん

嚴

祥

仁 君

者

紹

介］

2009年大阪大学大学院工学研究科博士課程修了．同年東北大学助教，2010年東京工業大学助教，流体マイクロマシン，
機能性流体の研究に従事．JFPS, JSME, JSPEなどの会員．
博士（工学）．
E-mail：sieom@pi.titech.ac.jp

Micropump by the In-plane Integration of MEMSfabricated electrodes, Proc. ICMT2011. p. 546‑551

第43巻

第３号

― 35 ―

2012年５月（平成24年）

168

フルードパワーシステム

FPIC会議報告

FLUCOME2011におけるフルードパワー技術研究動向
FLUCOME2011 in TAIWAN*
香

1．前

書

川

利

き

FLUCOMEは日本で開始された流体の計測制御と可視化に関する国際会議で1985年に東京国立教育会館で第１回目が行われた．以来，世界の各地で流体の計測制御と可視化に関する分野のそれぞれについて著名な議長が中心となり国際会議が行われている．今回，2011年12月５日から９日まで，台湾のキーロン市（基隆市）と台湾最南部のケンティン公園で行われた．本報告はFLUCOME2011流体の計測制御と可視化に関する会議におけるフルードパ
ワー技術研究動向とフルイディックスに関する紹介
を行う．

図１

台湾国立海洋大学

春＊＊

場合は，かなり人数が少ない状況であった．講演内
容は多方面にわたっていた．もっとも多いのは，外部流れの可視化の関連論文であった．議長を行った海洋大学のCHEN教授は海洋大学の教授であるため，海洋関連の研究が多く行われた．研究室には大きな海流水槽を有し可視化装置により実験を行っている．
この海洋関連は2009年にFLUCOME議長を行ったフロリダのC.J. CHEN教授の継続であり，深い関係を有しているようである．
フロリダ州立大学のCHEN教授の所では，ノズルの静音技術の研究が盛んで，軍需にも近いと考えられたが，台湾のCHEN教授の研究も実用的で軍需にも同様に近いと思われた．国立海洋大学は台北の北30キロの基隆市にあり，海に面している．津波がきたらキャンパス全体が浸水しそうである．
キーノートで話されたジョンホプキン大学のJ.
Katz教授の乱流構造の話は基礎から最新の研究まで扱い，大変に参考になった．
また，FLUCOME会議の方針を討議するインターナショナルコミティ会議は２日目の昼食時に台湾国立大学の２階の会議室で行われたが，12月であるものの，25度Ｃ以上となり，冷房が欲しいと感じられた． イ ン タ ー ナ シ ョ ナ ル コ ミ テ ィ 会 議 で はC.J.
CHEN教 授 へ のFLUCOMEア ワ ー ド の 贈 呈 が 決まった．C.J. CHEN教授は脳溢血で過去に倒れた経験をお持ちであるが可視化に大変な情熱を持たれて本会議は国立台湾海洋大学でJ. H. CHEN教授を議長として行われた．５日間にわたり，主催者発表
で21 ヶ国150の論文発表が行われた．すべての講演

いる．FLUCOME設立当初は３年のインターバル
で行っていたが，2005年の中国Chengdu会議からは２年おきの開催となっている．
またインターナショナルコミティ会議では2013年の奈良会議の後の2015年の開催地の提案が３件行わをチェックした訳ではないが，キャンセル論文は前れた．UAEUのY.HAIK教授，フランスのリオン工

回2009ロシアでの会議時に比べて格段に少なかった．
講演は４つのパラレルで行われた．学生を動員しても合計250人程度の総数のため，また会場が大きい

科 大 学 バ デ ィ 教 授， 英 国 エ デ ィ ン バ ラ 大 学 のR.
Wallece教授である．従来案ではオーストラリアでの開催が希望されていたが，担当教授のリタイアな
どで開催が困難になった．

2．概＊

平成24年２月５日

要

原稿受付

3．FLUCOMEの発祥と運営

東京工業大学 精密工学研究所（所在地 〒213‑0013 川崎市高津区末長226―３―319）

FLUCOMEが初回に行われた1985年は半導体産

＊＊

第43巻

第３号

― 36 ―

2012年５月（平成24年）

香川

利春：FLUCOME2011におけるフルードパワー技術研究動向 FLUCOME2011 in TAIWAN

169

業が未だ発達していない時代で，流体によって論理判断を行うフルイディックスが持てはやされていた．

用はDr. H. Coanda, Prof. L.A. Zalmanzonらの研究が有名である．乱流噴流の偏向を制御に応用するも計測自動制御学会にはフルイディックス部会が設けられ，日本油空圧学会（現日本フルードパワーシス
テム学会），日本機械学会の講演会では盛んに研究のの，その乱流ノイズにSN比の劣化が著しいため
層流比例増幅素子LPAが開発された．
これらのフルイディックス技術も時代の変遷と共報告がなされていた．FLUCOME1985の議長の中山 泰 喜 教 授 も 含 め， 実 行 委 員 会 の 多 く は フ ル イ
ディックスの研究を行っていた．

に歴史に埋もれていく結果となった．論理演算を行う半導体要素の1970年代に比較して数万分の１の価格となり，かつまたアナログ量とディジタル量の変フルイディックスとはフルイド：流体とロジッ
ク：論理との造語であり，1960年代からの比較的新しい技術である．フルイディックスは流体の流れに論理を乗せてかつ増幅しパワーレベルを上げて，そ

換AD-DA素子の低価格化に伴い，フルイディック
スシステムの採用はほとんど無くなった．しかしながら日本フルードパワーシステム学会および計測自動制御学会に関係する流体計測制御関連の研究者ののまま駆動などに用いる技術であり，1970年代では熱狂的にもてはやされ，大学においてもこの関連で多くはフルイディックスの経験を生かしている．また機械分野の学生が流体回路インピーダンスの学習

多くの学位論文が出された．フルイディックスでは
従来の流体制御技術と異なり，流路の内部に弁や膜などの可動要素を持たない特徴を有している．ミサ
イルの誘導装置，一般産業での自動化に利用された．

を行うにはフルイディックスがきわめて効果的であるなど，教育面での貢献も大である．
1990年代になり，前章フルイディックス部会を取り巻く環境変化に伴い，計測部門に属する流体計測

フルイディックスの流体振動を利用する流量計や核燃料サイクルのための渦流ダイオード利用空気圧駆動ポンプに適用された．
1970年代では半導体製品がほとんど民生品には無く，出始めのフリップフロップや演算増幅器は学卒初任給もするような要素もあった．したがって現在
では相対的に価格は数万分の１以下に下がった事になる．
フルイディックスの発案は1960年代に米国陸軍研究員のDr. R.E. Bowles, B.M. Harton, R.W. Warrenの３名が渦流れを利用した新型の真空掃除機を研究していたときに，渦流れ，流れの剥離と付着を観察
して流体素子の基礎を思いついたとされる．この数
年の家電掃除機の原理も渦を用いた原理による機種
がフィルターのメンテナンス性のため，多く利用さ

部会と制御部門に属する流体制御部会の統合が議論された．産業界，学校関係も共通して所属する場合も多いため，統合の意見が多く，計測自動制御学会の産業応用部門に一括して流体計測制御部会が発足した．日本フルードパワーシステム学会の油空圧便
覧にも記載がされていて，歴史的意味のみでなく実際の類似技術の研究に大変に参考になっている．

FLUCOMEは国際会議として時代に即してテーマを新しくし，最新のPIV技術の進展とともに発展すると思われる．特に近年バイオ領域へのテーマ展開なども期待される．またFLUCOME委員会において前記フルイディックス，空気圧の教材を保有し，適宜講習会などに利用している．近年の学生は生活れるようになってきている．流れの付着と剥離の応が大変便利になり，実体験がきわめて少なくなって

図２
第43巻

第３号

４．FLUCOMEの今後の発展と使命

FLUCOME2011海洋大学ホール集合写真― 37 ―

2012年５月（平成24年）

170

フルードパワーシステム

いる．
たとえば車やバイクや時計の分解修理，部品交換

マッチングなどを体験できる貴重な教育要素となると考える．

などは実質上不可能となっている．これらに対してフルイディックスは実体験においてインピーダンス

日本フルードパワーシステム学会は本
FLUCOMEを協賛しているが，今後共に発展することを祈念する．

［著
がわ

とし

はる

香 川

か

利

春 君

者

紹

介］

1974年東京工業大学制御工学科卒業．同
年度北辰電機製作所入社．76年東京工業大学工学部制御システム工学科助手，同講師，
同助教授を経て，現在同大学精密工学研究所教授．流体計制御システム，流体計測，
生体計測に関する研究に従事．計測自動制
御学会，日本機械学会，日本シミュレーション学会などの評議員及び日本フルード
パワーシステム学会副会長を務める．工学
博士．
E-mail：t-tukiji@sophia.ac.jp

図３

会

FLUCOME2011第２会場

告

会員の種類

名誉会員

正

会

員

会

員

移

動
海外会員

学生会員

賛助会員

会 員 数
（４月10日現在）

13

876

14

138

101

差

0

−36

0

−15

−3

引

増

減

正会員
土屋

順裕（㈱ガスター）笹原謙悟（㈱神崎高級工機製作所）

ウーレイレイ（㈱エイムテック）北畠

多門（SMC㈱）阪田

隆敏（㈱ジェイテクト）

井上昌弘（㈱ジェイテクト）

宇田健吾（㈱ジェイテクト）

香川弘毅（㈱ジェイテクト）

河野晶彦（㈱ジェイテクト）加藤

雅之（出光興産㈱）辻井

喜勝（㈱タカコ）

高橋

第43巻

究（㈱日立建機ティエラ）

第３号― 38 ―

2012年５月（平成24年）

大橋

教

彰：おもしろ油圧機構

第６回

171

方向制御弁

室

おもしろ油圧機構
大方向制御弁＊

第６回
彰＊＊

橋

図２の断面図に示すソレノイドbまたはaに通電す
ると，鉄芯Assʼy内の可動鉄芯が吸着されてプッ

1．は じ め に
油圧制御弁には，圧力，流量，方向の三つの制御要素がある．このうち方向制御弁は，アクチュエー
タの回転や往復の方向切換，始動／停止，回路中の経路選択などの機能を有している．圧力および流量制御弁の連続的な可変制御と異なり，どちらかを選

シュピンを押し，スプールはばねに抗して左端または右端に移動する．非通電時に両端のばねにより定位する中立位置を含め，３位置弁と呼ぶ．

択するという単純な機能であるが，手動／電動などの操作方法の相違を含めると多種の製品が存在し，油圧装置には数多く使用される．
2．電磁切換弁
2.1 スプール形電磁切換弁
図１〜２に電磁切換弁の外観と断面図を示す．
図１は，各種油圧装置でもっとも多く使用される
口 径１/８ の 電 磁 切 換 弁 で あ り， 最 高 使 用 圧 力
35MPa，最大流量100L/minである．大流量が必要な場合は，この弁をパイロットとする図２のパイロット操作形切換弁を使用する．口径３/４から口
径１･１/４ 程 度 ま で の 製 品 が あ り， 最 大 流 量 は1000L/min以上に達する．親子弁の通称がある．
親弁，子弁ともに，弁の要素はスプールとばねであり，スプール両端の操作方式により，手動／機

図１１/８電磁切換弁外観

械／パイロット圧／電磁／電磁―油圧などに分類される．図２の親弁は，パイロット圧操作に相当し，電磁弁の電磁力でスプールを直接押すことに限界があるため，この方式が採られている．両弁の間に挟まれたパイロットチョーク弁は，親弁のスプール切換え時のショックを軽減するため，パイロット通路の絞り作用によってスプールの切換え速度を可変にするものである．
図３は，図１の弁の断面写真である．スプールは，
穴と所定の隙間で勘合される棒状の部品で，長手方向に切欠きを有している．ボデー内でストロークす

図２

電磁パイロット切換弁の断面

ると，この切欠きにより通路P，A，B，Rの４ポートに通じるボデー側の溝を塞いだり開けたりする．
＊

平成23年８月18日

原稿受付

＊＊

油研工業
（所在地 〒252‑1113 綾瀬市上土棚中４―４―34）
第43巻

第３号

図３
― 39 ―

スプールとボデーの例
2012年５月（平成24年）

172

フルードパワーシステム

図３において，スプール外周のラビリンス溝は，
弁内部やすきまの流れが不均一となって半径方向の圧力分布が不平衡にならないよう，圧力平衡を保つために設ける．弁を高圧で長時間保持する場合，ス
プールが弁本体に押し付けられ作動不良になる流体
固着現象を避けるために有効である．
図４に，電磁切換弁の取付けプレートの一例を示す．取付け面寸法はISO規格に準拠しており，異なるメーカの製品でも取付け互換性がある．プレート
下部に配管接続して使用するが，ポート穴と取付け
ボルト穴を加工した弁ブロック（マニホールド）に
図６

電磁弁を直接取付けることも多い．

ポペット形電磁弁する４個のポペットに方向・流量・圧力制御の各機能を持たせ，個別に開閉できる一種の複合弁である．
このため差動回路を構成することができ，プレス，減容機などの大形の装置に使用される．
3．機械操作切換弁
図４

１/ ８弁取付けサブプレート

2.2 ポペット形電磁切換弁
図５は，ポペット形電磁弁の一例であり，油通路の開閉を電磁操作する場合に用いる．ポペット形のためスプール形に比べ漏れも少なく，流体固着現象なども生じない．コイルAssʼyに通電して固定鉄芯を磁化すると，ばねに抗してプランジャポペットが吸着され，差動ポペットが押上げられ，黒塗りの矢印で示した開状態となる．

図５

図７にロータリ形，図８にカム操作形の切換弁を示す．装置側のカムや手動によりレバーを機械的に操作し，スプールを回転または直線運動させる弁である．スプールをレバー操作位置に保つデテント形
式と，レバーを離すとばねにより中立位置に戻るス
プリング形式がある．
図８のカム操作弁は，プレス装置で安全扉が開いている状態では，プレス工程の主回路の圧油を遮断するための安全回路などに使用される．

図７

ロータリ形切換弁

図８

カム操作形切換弁

ポペット形電磁弁

類似の弁としてポペット形２方向電磁弁（シャットオフ弁）もある．これらの弁の取付け方法には，サブプレート形以外にカートリッジ形があり，弁ブ
ロックのキャビティ穴に挿入して用いる．
図６はポペット形パイロット切換弁を示し，内蔵
第43巻

第３号

― 40 ―

2012年５月（平成24年）

大橋

彰：おもしろ油圧機構

第６回

173

方向制御弁

4．チェック弁
4.1

チェック弁

チェック弁は，一方向に油を自由に流し，逆方向には完全に止める作用をする．回路中の逆流防止目
的のほか，圧力および流量制御弁などに組込み，一方向にだけ弁を作動させ，逆方向はバイパスさせる
目的に用いる．
図９は，インライン形チェック弁であり，入口側の流れがポペットに作用してばねに打勝つと，ポペットが開く．この開き始めの圧力はクラッキング
圧力と呼ばれる．流量に対する圧力降下値とともに，選定時には注意が必要な特性である．

図11 デコンプレッション形パイロット操作チェック弁
パイロット操作チェック弁は，荷物の昇降装置などにおいて上昇行程の中間で停止させ，チェック弁の圧力保持機能によりシリンダを位置保持する使用
方法で，下降時に動作させる．
図12は，メータアウト制御により荷物（Ｗ）の下降速度を調整する回路例である．切換弁が右位置となりシリンダのキャップ側圧力が上昇すると，その

図９

チェック弁（インライン形）

4.2 パイロット操作チェック弁
図10，図11にパイロット操作チェック弁の断面を示す．外部からのパイロット圧により閉状態のポペットを強制的に押上げ，逆自由流れを可能にする
チェック弁である．図10左図のように，下部のパイ
ロットポートに圧油を導き，ピストンとピストンロッドを上昇させポペットを押す構造である．図10
右図は，パイロット圧力が作用していない自由流れ時の状態を示す．

圧力をパイロット圧としてチェック弁を開く．図の場合，チェック弁出口P1部がタンクに接続されているため内部ドレン形の弁を用いる．一方，流量調整弁を電磁弁とチェック弁の間に配置する場合は，背圧が作用するため外部ドレン形を用いてポペットの開動作を確実にする必要がある．

図11は，ピストンロッドが最初にデコンプレッ
ションポペットを押上げ，圧力を低下させてから主
ポペットを開く構造で，デコンプレッション形と称される．プレスなどの戻り工程で，加圧室の急激な圧力開放により発生するショックを減じる．

図12

パイロット操作チェック弁使用例

［著
おお

はし

あきら

大

橋

彰 君

者

紹

介］

1972年静岡大学大学院修士課程修了．1972年油研工業入社．主に，油圧ポンプ・モータの開発，営業技術，商品企画，
経営企画などの業務に従事．
E-mail：ak.ohashi@yuken.co.

図10
第43巻

第３号

パイロット操作チェック弁― 41 ―

2012年５月（平成24年）

174

教

フルードパワーシステム

室

おもしろ空気圧 ｢高分子膜式エアドライヤ｣＊
桑

名

伸

好＊＊

空糸外側へ流すことにより，外側へ移動してきた水1．高分子膜式エアドライヤとは
圧縮空気中に含まれる水分を除去して乾燥空気を得るための機器は，エアドライヤと呼ばれ，高分子

蒸気はすみやかに大気中へ排出され，中空糸の外側が常に圧力（分圧）の低い状態に保たれ，連続して除湿が行われる．

膜式エアドライヤは，水蒸気は透過しやすく，空気（酸素と窒素）は透過し難いという性質の分離膜（高分子材料）を使用したエアドライヤで，大気圧露点が−15 〜−60℃までの低露点が得られる．機
械的な可動部がないため信頼性が高く，電源不要のため配線の手間を省き，図１に示すようにフィルタ
感覚で簡単に配管途中に取り付けができる．
2．構造と原理

図１

高分子膜式エアドライヤの使用例

2.1 構造分離膜は，いくつかの気体（または液体）の混
ざっている中から特定の分子だけを選んで取り出すのに利用される．
高分子膜式エアドライヤは，分離膜を細いストロー形状（中空糸と呼ぶ）にした膜を束（モジュール）にして使用する．中空糸の外径は，数100ミクロン（髪の毛の太さくらい）で，高い圧力に向く．
中空糸の長さと束（モジュール）にすることで，処理能力が決まる．
2.2 除湿原理
図２に高分子膜除湿原理1），図３に高分子膜式エアドライヤのエアフローを示す．
中空糸の内側へ湿った圧縮空気を流すと，中空糸

図２

高分子膜除湿原理図の外側は大気のため，中空糸内外の圧力差（分圧差）によって圧縮空気中の気体はそれぞれ，より圧力（分圧）の低い中空糸の外側へ出ていこうとする．
しかし，この分離膜は水蒸気だけは通すものの窒素や酸素はほとんど通さないため，水蒸気だけが圧力差（分圧差）によって中空糸の外側（大気中）へ移動し，その結果，圧縮空気中に含まれていた水分が減って乾燥エアになる．
一方，出口乾燥エアの一部をパージエアとして＊

平成24年２月６日

原稿受付

＊＊

CKD株式会社 生産本部 春日井事業所（所在地 〒485‑8551 小牧市応時二丁目250番地）
第43巻

第３号

図３
― 42 ―

高分子膜式エアドライヤのエアフロー
2012年５月（平成24年）

桑名

175

伸好：おもしろ空気圧 ｢高分子膜式エアドライヤ｣

3．圧 力 特 性
水蒸気が高分子膜を通る現象は，透過と呼ぶ．
この現象は，図４に示すように水蒸気が高分子膜表面に溶解してから，膜中を拡散し，高分子膜外側へ放散する．
水蒸気が高分子膜を透過する推進力は，中空糸内側と外側の水蒸気分圧差（圧力差，濃度差）である．
入口空気圧力が高ければ，中空糸の内側と外側の圧力差（分圧差）が大きくなり，透過量も多くなる．
①出口空気流量が多く取れる．

図４

透過モデル

②低露点を得る場合，パージ流量が少なくて済む．
4．温 度 特 性
高分子膜式エアドライヤの露点性能は，入口空気
露点（入口水分量）によって決まるため，図５に示すように，入口空気露点25℃で出口空気大気圧露点−20℃の場合，入口空気露点が10℃になると，出口
空気流量補正値が1.2になり，出口空気流量を20％増やせる．冷凍式エアドライヤや乾燥剤式ドライヤとの組合せで，出口空気流量を多くすることができる．

図５

出口空気流量の補正値1）5．メンテナンス
除湿原理で述べたように，高分子膜と空気の接触面積（膜面積）によって処理能力が決まるが，高分子膜に流す空気に不純物（オイルミスト）が含まれると，膜内面に付着し接触面積を減少させ，露点性
能はしだいに低下していく．
ダストおよび，オイルミストを除去した空気を供給することが前提になり，直前にエアフィルタ，オ
イルミストフィルタの設置を推奨している．
しかし，いかなるフィルタを用いても100％全てのオイルを除去することは不可能．
図６に示すように，わずかずつのオイルミストや粉塵なども長年蓄積されると膜の孔を塞ぐ原因となり，除湿性能に影響をおよぼす．
このようなことを避けるためにもフィルタエレメ
ント同様に膜モジュールの定期的なメンテナンスも必要になる．

くわ

参

考

文

献

第３号

中空糸モデル

［著

者

な

のぶ

よし

桑 名

伸

好 君

紹

介］

1986年金沢工業大学工学部卒業．同年
CKD株式会社入社．ドライヤの開発・設計に従事
E-mail：nobu-kuwana@ckd.co.jp

１）CKD製品カタログ

第43巻

図６

― 43 ―

2012年５月（平成24年）

176

フルードパワーシステム

トピックス

産業オートメーション技術における国際標準化＊―CADデータ交換の諸問題とISO 10303（STEP）規格―
五

嶋

裕

之＊＊

1．は じ め にCAD（Computer Aided Design）は 1970年代，
図１

米国の航空機や自動車業界で二次元設計製図システ
ム と し て 普 及 が 始 ま り， 計 算 機 や 三 次 元CG（Computer Graphics）の急速な進歩と共に，今日

CADデータ形式を統一

では製品設計情報を三次元形状モデルとして扱う三次元CADが一般的になっている．三次元CADは業
務対象や取り扱える形状要素と価格帯により，ハイエンド，ミッドレンジなどと分類されており，多種多様なシステムが産業界で利用されている．たとえば自動車製造業では，設計を行う企業・部門と製造を受け持つ企業・部門が密接に連携・共同して開発を行うことが一般的になっている．したがって，設計情報を相互にスムーズに交換，共有できれば，業
務効率が大幅に向上できる．しかし，各企業・部門
では独自のCADシステムとデータ形式を使用しているため，他社のCADシステムやバージョンの異なるCADシステム間でのデータの交換が困難であるという大きな問題がある． ある調査1）によれば，
データ交換によるトラブルが年間25万件発生し，経済的損失は75億円以上になると試算されている．
本稿では，上記のような問題を解決することを目的として開発された，国際規格STEP（STandard
2）の概要
for the Exchange of Product model data）
について解説を行い，主に機械系CADユーザの立場からからみた規格の有効活用方法について検討す
る．

図２

図３

直接変換

中間ファイルの利用⑴

CADデータ形式を統一
図１に示すように，送り側・受け側が同一CADシステム，バージョンを使用し，同一データ形式に統一する．たとえば，米国大手航空機メーカでは，関係する全企業が同一のハイエンドCADシステムを使用して開発を行なっている．これが一番確実で

2．CADデータ交換における問題
2.1 データ交換の形式
たとえば，自動車製造に関わるCADデータ交換
は，自社内の異なるCADシステム，自動車メーカ

あるが，社内ならともかく，前記のように関係するすべての企業・部門でまったく同一のCADシステ
ムを使用することはあまり現実的でない．
⑵ 直接変換と部品メーカ，あるいは部品メーカ間で行われる．
現在行われているCADデータ交換の方法を整理す

図２に示すように，二つのCAD Type AとBの間で，直接データ変換する方式．専用の変換ソフト

ると以下に示すような３種類に分類できる．

ウエアやシステムが商品化されており，一般的に高価であるが⑴の方式よりも実用的である．この方式
では変換ソフトウエアやトランスレータが，AとB両方のCADのバージョンに対応する必要があり，＊

平成24年２月10日

＊＊

原稿受付

機械振興協会技術研究所（所在地 〒203‑0042 東京都東久留米市八幡町１―１―12）
第43巻

第３号

一方のCADをバージョンアップしたために変換が― 44 ―

2012年５月（平成24年）

五嶋

177

裕之：産業オートメーション技術における国際標準化できない，データ変換形式の組み合わせによって変換精度が劣るといった問題が発生する危険がある．
また使用しているCADによっては，専用の変換ソ
フトウエアやトランスレータが存在しないという問
題もある．

統合─製品データの表現および交換）という難解な名称のため，STEPのほうが一般的である．STEP
はこれまで述べたデータ交換に関する諸問題を解決するため，1984年から前稿4）で解説したISO TC184/
SC4 委員会を舞台にして25年以上にもおよぶ長期⑶

中間ファイルの利用
図３に示すように，中間ファイルを介在させることにより，CADデータ交換を行う．CAD Type A

プロジェクトとして活動を行なっている．現在自動車業界を中心に普及しているデータ交換のデファクト標準として，アメリカ規格協会（ANSI）のIGESとBとの間でCADデータ交換を行う場合は，CAD
Type Aのトランスレータを使用して中間ファイル
を生成，CAD Type Bのトランスレータを使用して中間ファイルよりCAD Type Bに取り込む．この方（Initial Graphics Exchange Speciﬁcation） 規 格 がある．米国のIGESに対して，ドイツ，フランスなどがIGESの欠点を克服しようとして始まったのが式はCADシステムのオプションとして，CADベン
ダ自身がトランスレータを提供しているケースが多いため，現状ではもっとも実用的である．変換精度
は，トランスレータの性能に依存する．
2.2 データの長期保存3）
航空機や原子力プラントでは，安全な運用を確保するため，何万にも及ぶ図面や部品表，工程仕様書などの製品データを，数十年にもおよぶ製品のライ
フサイクルにわたって維持することが必須である．
これは，製品データがCADにより電子的に作成・保管される現代においても不変である．さらに自動車や家電製品の場合，特許とPL法に向けた設計情報の長期管理が重要となってきている．このため従来，紙またはマイクロフィルムの形式で管理・保存
していた図面データを，どのような形式・方法でCADデータとして長期間保存するかという問題がクローズアップされている．CADシステムはこれまでの経験から，数年も経てばバージョンアップにより大幅な変更が行われ，ベンダの一方的な都合により過去のファイル形式は問答無用に切り捨てられる場合がある．変化の激しいIT業界では，CADシ
ステムやベンダの存続性にも重大な懸念がある．近年急速に普及している三次元CADの場合，紙へのSTEPであるいわれている．IGESではたとえば根本的な問題として，寸法表記法がANSI規格に準拠しているため，ISO規格やJIS規格と異なる，三次元のソリッドデータの交換が困難であるなど実用上の制約や問題がある．
STEP規格は，前記のようなIGESの制約を解決し確実なデータ交換を可能にするため「情報表現」と「情報交換」に関する規格を定めて，特定のCADシ
ステムに依存しない形式で，製品のライフサイクル
全体に渡る情報の共有および交換を可能とするインターフェースを提供するものである．三次元形状データのみならず長期間のデータ保管に必要な構成
管理や運用管理までも含んだデータおよび手順を交換する，統合的な国際標準規格を目指している．
ISO 10303を構成する個々の規格の詳細は表１に示すように，記述法，実装法，適合性試験の方法および枠組み，統合総称リソース，統合アプリケー
ションリソー ス，アプリケーションプロトコル，
抽象試験スイート，アプリケーション解釈済み構成体に分類される．STEPは，図４に示すような８つの部分に分類することができる．現在，規格の総ページ数は数千ページになり，TC184委員会で開発された規格で最大かつもっとも難解なものとなっている．

印刷は補助的な出力手段であり，マスターである三次元データそのものを長期間保存する方式の確立を必要としている．このためには，CADシステムに依存しない，STEP規格のような安定的で中立な保管形式や方法が必要である．
3．ISO 10303（STEP）規格とは
3.1

STEP規格概要

STEPとは，ISO 10303（JIS B 3700）シリーズの規格群の通称である．正式な名称は，ISO 10303：
Industrial automation systems and integration Product data representation and exchange（JIS B
3700： 産業オートメーションシステムおよびその
第43巻

第３号

表１

STEP規格の構成

Part
名称
ISO 10303
JIS規格
1
概要及び基本原理 ISO 10303‑1
JIS B 3700‑1
11 記述法ISO 10303‑11
21，22 実装法
ISO 10303‑21, 22 JIS B 3700‑21, 22
31，32，適合性試験の方法 ISO 10303‑31, 32, JIS B 3700‑31, 32,
34 及び枠組み
34
34
統合総称リソース ISO 10303‑41 〜 JIS B 3700‑41 〜
41 〜
47, 4947, 49統 合 ア プ リ ケ ー ISO 10303‑101 〜 JIS B 3700‑101,
101 〜
ションリソース
105
アプリケーション ISO 10303‑201 〜 JIS B 3700‑201 〜
201 〜
プロトコル
301 〜 抽象試験スイート
アプリケーション ISO 10303‑501 〜
501 〜
解釈済み構造体:― 45 ―

2012年５月（平成24年）

178

フルードパワーシステム

図４

ISO 10303の構成概要

3.2 アプリケーションプロトコル
ISO 10303シリーズは上記のように非常に多数の規格から構成されている．STEPによるデータ交換を理解しようとして上記規格をPART １から読み始めると，おそらく数ページを眺めて挫折することになる．多くの技術者から，STEPは規格書を読んだだけではわからない，規格が複雑かつ膨大すぎてどこを読めば良いのかわからないと指摘されている．
著者の個人的な見解として，特定の目的のために，
規格のどの部分を読めば良いのかにわかりにくく，また記述が複数の規格書に分散しているため，分散した情報を再構築するのが困難であるように思う．
STEPを実務で利用しようとするCADユーザの立場から考えると，実際のデータ交換で主に用いられる 規 格 は， ア プ リ ケ ー シ ョ ン プ ロ ト コ ル（AP :Appli-cation Protocol） と 呼 ば れ る 規 格 で あ る．
データ交換を行おうとする機械系のCADユーザにとってこのAPを理解し使いこなすことが，STEP
によるデータ交換を成功させる鍵となる．APとは，
自動車モデル，造船，プラント設計といった特定のアプリケーション分野における，製品モデルデータを交換するためのSTEPの基本概念である． 次回は引き続きこのAPの概要，実際の利用方法について解説を行う予定である．

参

考

文

献

１）多賀和春：PDQ標準化活動の紹介，電子情報フォー
ラム資料，（社）日本自動車工業会（2006）２）ISO 10303：Industrial automation systems andintegration ─ Product data representation andexchange（JIS B 3700： 産業オートメーションシ
ステム及びその統合─製品データの表現及び交換）,（財）日本規格協会
３）CADデータ長期保存プロジェクト,CADデータ長期保存研究会（1999）（http://www.mosla.org/main-j.html）
４）五嶋裕之：産業オートメーション技術における国際標準化,フルードパワーシステム,Vol.43，No.1 ，pp.49‑51（2012）

［著
とう

ひろ

ゆき

五 嶋

ご

裕

之 君

4．お わ り に
本稿では，異機種CADシステム間で確実なデー
タの交換を実現するための諸問題を整理し，その問題を解決するために開発された，国際標準STEP規格 の 概 要 に つ い て 紹 介 し た． 次 回 は， 引 き 続 きSTEP規格の解説として，実際のCADデータ交換に用いられるアプリケーションプロトコル（AP）と

者

紹

介］

1987年神奈川大学大学院工学研究科修士課程，2010年法政大学大学院システムデザ
イン研究科博士後期課程修了，博士（工学）（法政大学）．1987年株式会社日立製作
所，1990年機械振興協会技術研究所，現在，
同所生産技術部 部長代理，法政大学兼任
講 師（ 非 常 勤 ）．ISO/TC184/SC5/
WG2,WG5,WG6国内対策委員を経て，現在，
産業オートメーション標準化推進委員会委員，ISO/TC184/SC5/WG6国 内 対 策 委 員
会主査．日本フルードパワーシステム学会，
日本機械学会などの会員．
email: goto@tri.jspmi.or.jp

その利用方法について，できるだけ平易に紹介する．
第43巻

第３号

― 46 ―

2012年５月（平成24年）

山田

179

真の介：アメリカ駐在日記

トピックス

ア

メ

リ
山

カ

駐

在

田

真の介＊＊

日

記＊

れ，慣れない言語に四苦八苦しながら，商品の勉強をしていった．

1．は じ め に

私は，アメリカにある親会社の商品を学ぶ研修とまた，寒い吹雪の中を車で通勤していたのをよくして，2007年の１年間，親会社の事業所を訪問した． 覚えてる．
生活や文化の違いからさなざまな経験ができたと思う．今回，駐在時に印象に残ったことを中心に紹介
する．
2．アメリカについて
駐在前のアメリカの印象は，国土が日本の約25倍であるとか，人口が約３億であるとか，多民族国家であるなどの基本的な知識のみしかなく，生活水準
は日本とあまり変わらないだろうと漠然と思っていた．
海外に訪問したことがある人は感じたことがあると思うが，実際に訪問してみると宗教の価値観がまったく違うことに違和感を覚えた．日本人では宗教を本格的に信仰している人は少数派だが，アメリ
カ人は休日の朝に教会へ行くのが一般的な習慣だ．
言語については，もちろん英語が公用語だが，日本語の方言のように地域によってイントネーションが異なっていて，北部から中部に移動したときは，２，３日の間，英語が聞き取れなかったのを覚えている．
アメリカに住み始めて特に困ったのが単位だ．たとえば，長さ：１インチ＝25.39㎜，距離：１マイ
ル=1.61㎞，重さ：１ポンド=454ｇ，量：１ガロン=3.8Lなどがあるが，一番慣れなかったのが温度：

写真１

冬の風景

日本は，国土の関係からか道路の幅も狭く，車の大きさも制限されているが，アメリカでは，トラッ
クなどの大きさがまったく違うので，初めて見たときはとても驚いた．また車社会だが，日本と違い年中同じタイヤで走ってる．特に積雪がある地方では，除雪車が走り回って雪を道路の脇に除ける作業が見られる．ちなみに除雪車はアマゾンドットコムでも販売していた．

℉だ．風土としてISOの国際単位なんて全然気にしてない様子だった．
3．赴任私が赴任したのは，2007年の１月だった．アメリ
カ本土の東北部でも特に雪の多いオハイオ州の州都
クリーブランド近くにある工場で研修がスタートした．当然のことながら，研修はすべて英語にて行わ＊

平成24年２月10日

写真２

標準的な除雪車

原稿受付＊＊

株式会社TAIYO 技術部（所在地 〒533‑0002 大阪市東淀川区北江口１―１―１）
第43巻

第３号

― 47 ―

2012年５月（平成24年）

180

フルードパワーシステム

3．気候

このアメリカ本土北東部は，冬は寒いが，夏はかなり暑くなる．日本でいえば，札幌のような気候で
シカゴ，デトロイトなどが代表的な都市だ．

になった娘と一緒に近く公園で日が暮れるまでよく遊んだ．日本とは違って公園にはウッドチップが敷き詰められていて子供にやさしい環境だと感じた事を覚えている．

天 気 予 報 で 冬 の 時 期 に よ く 耳 に し た 言 葉 は，Winter StromとSnow Stromだ．猛烈な雪と風で視界がほとんど見ないこともあり，飛行機も欠航した
り，学校も休みとなったりしたこともあった．
また，Foggy（霧）もよく聞いた．気温が０℃以下の場合，湖や池などが多い地域では良く水蒸気が発生し，霧が出てくることがあるようだ．学生時代に経験があるのだが，霧の中を車で走行すると道を見失ったり，突然，対向車が現れてきたりするので，慎重に運転する必要がある．
比較的暖かくなってきてからは，Thunderstorm（激しい雷雨）なども経験したが，特に中南部でTornado（竜巻）の話題が多く出てきた．カリブ海などではHurricane（大形の台風）なども発生しやすく，陸地が比較的近いため，風水害が発生しやす
いなど，恐ろしい自然災害に対する防災警報や地下シェルターなども準備している家も多いと聞いた．
4．家族

駐在は１年間という比較的短い期間だったので，基本的に単身赴任だった．出発前は結婚してわずか２年．１歳の娘が居てとても離れがたかったのだが，仕事と割り切ってアメリカへ渡たった．駐在中の連
絡のやり取りは，現在では良く使用されているかもしれないが，電話ではなく無料のSkype（P2P技術を利用したインターネット電話サービス）を使い，

写真３

公園にて

家族がシカゴに来た時には色々と観光をした．サ
ファリパークは日本と異なり自然豊かであり，ゆったりと訪れることができたし，博物館では恐竜の化石などを見る機会があったり，水族館ではイルカな
どをみたり，美術館では有名な絵画などを見まわって楽しんだ．

日本とアメリカをつないで毎日連絡を取合って寂しさを紛らわせていた．駐在前までは，長期出張といっても２週間程度で長い間家を離れることはな
かったので，着任したしばらくは何とも思っていなかったのだが，英語にちょっと慣れてきた駐在２ヶ月くらいでホームシックにかかってしまった．それまでは，仕事や習慣に慣れるまでに奮闘していたけ
ど，やっぱり寂しくなっていまい毎日愚痴をこぼし

写真４

博物館にて

ていた．
その寂しさを乗り越えると仕事や同僚に対しても積極的に話しかけられるようになった．特に欧米な家族を呼んだタイミングはシカゴの日本人街で夏祭りが開催されていた時期でもあった．その時感じどにおいては自分の主張を前に出すことで認めてもらえる．日本のような暗黙知などは，余り無いよう
すだし，喋らないことは，了解したと取られるのでた事は，日本に住んでいる日本人よりも日本の風土を大切にしており，お互いの絆の大切さを感じた．
シカゴの日本人街にあるコミュニティーにも参加し注意が必要だと感じたのもこのころであった．
駐在に慣れてきた半年後度，アメリカに家族を呼んだ．その当時はシカゴの郊外に住んでおり，２歳た．現地では３か月ほどの短い付き合いでしたが，
当時アメリカであった他社の駐在員や今もアメリカに住んでいる人たちとも交流が今も続いており，か

第43巻

第３号

― 48 ―

2012年５月（平成24年）

山田

けがえのない友人関係を作れたと思っている．
5．休

181

真の介：アメリカ駐在日記

試合内容としては，メジャーのホームランなどが飛び交う印象とは異なり，詰まる投手戦で手に汗握

暇

連休休暇を利用して会社の友人とカナダのトロン
トに車で訪問しましたことがある．その際，カナダ

る試合展開となったが，同じ日本人が異国の地で頑張っているのを見で駐在中の私も励まされている気がして，とても感銘を受けたことを覚えている．

とアメリカの国境では，警備が厳しくなく，パスポートを見せて，２，３の質問を答えると簡単に通れたことに驚いた．島国の日本とは，まったく違う

今回の駐在での主な仕事は，親会社の事業所を約文化であると改めて感じた．
初めての訪れて感じたことは，道路標識（文字）が，読めなくなったと勘違いしてしまったことだ．

10カ所回り，商品知識を蓄え，日本国内に展開していくと共に，自社の技術が北米へ展開できるかどうかを探るものであった．研修当初は，言葉の壁が大実は，フランス語と英語の併記で書かれていたためであった．速度標識は㎞ /hourだし，温度は℃単位など，基本的にISO記号を使っていた．
ちょっと寄り道して，有名なナイアガラの滝も見

きく立ちはだかっていたが，半年ほどすれば，それなりに意思の疎通もできるようになってきた．
その時感じたことはやはり習うより慣れろであった．どの事業所の方たちも積極的に問いかけると真に行った．訪問するまで知らなかったのだが，アメリカの滝とカナダの滝があり，よく映像やテレビで摯に答えてくれるし，今でも仕事でお世話になることもあり，現在私にとっての財産となっている．

目にするのはカナダの滝の方だった．この大瀑布の迫力はとても凄いものだった．この滝は，冬になると湖面の一部が凍結するため，水量が大幅に減ってしまい，夏の印象とはまったく違うものになってしまうようである．
トロントでもっとも印象的だったのは，メジャー
リーグだ．一緒にいた会社の同僚とチケットを購入し訪れたロジャースセンター（Rogers Centre）で，初めて観戦した．この日の対戦カードは，Boston
Red Sox vs. Toronto Blue Jaysで前日の雨天で一日試合が流れたため，Red Soxの先発は，メジャー挑戦一年目の松坂投手だった．その試合には，同じく岡島投手も参戦していた．

後輩たちが同じようなことを経験するときにもアドバイスしてあげたいと思っている．

6．仕事

7．お わ り に帰国した今，駐在時のことを思い出しながら，この原稿を書いた．駐在時は確かに苦しいことや嫌なこともあったが今振り返って考えると得るもの大きかった．おそらく，現地で知り合った日本人の方とは一生の付き合いができると思うし，世話になった人たちも今後も付き合っていくと思う．
最後にこのような機会を与えてくれた上司や関係者，そして支えてくれた家族に対して感謝の気持ちを伝えたいと思う．

［著
やま

だ

山

田 真の介 君者

紹介］

まさ の すけ

2001年大分大学大学院工学研究科博士前期課程修了．同年，株式会社TAIYOに入社，主に研究開発に従事，2007年の１年間
アメリカに駐在．日本フルードパワーシス
テム学会会員．
E-mail：myamada@taiyo-ltd.co.jp

写真５

第43巻

第３号

メジャーリーグ― 49 ―

2012年５月（平成24年）

182

フルードパワーシステム

トピックス

TCP/IPを用いたネットワーク通信の基礎＊
内

堀

晃

彦＊＊

1．は じ め に
近年，インターネットを始めとするネットワーク
技術は，社会に欠かせないインフラとなっている．
産業界においても，情報関連の業務だけではなく，産業機器の制御や管理に応用されつつある．このような状況を鑑み，インターネットの，特にTCP/IPを用いたネットワーク通信に関する技術をトピックスとして取り上げることで，フルードパワーの発展に寄与することができればと考えている．
本稿では，TCP/IPの基礎的な技術を解説し，次稿以降でネットワーク・プログラミングとそれらの応用例について解説する．
2．ネットワーク通信の例
図１2.1 TCP/IPを用いたネットワーク通信
TCP/IPとは，インターネットで用いられている
主要な二つの通信プロトコルのことである1）．３節で詳説するが，このプロトコル群は４つの階層から構成されており，世界中のネットワークを接続するための基盤技術となっている．以下で，このプロトコルを用いた通信の例と，その技術の基礎を解説する．
2.2 IPアドレスとポート番号
図１のネットワーク上で，Unix系のOSを搭載したPC（クライアント）からサーバーへtelnetで通信する場合を考えてみよう．図２の１行目に示すように，ネットワーク通信を行うには，クライアントで

図２

本稿で扱うネットワークの構成

telnetによるWWWサービスへの接続例

あるPCは，サーバーの名前とそこで提供されているサービスの番号（ポート番号）を指定して接続する必要がある．この例では，サーバーは，名前がwww.jfps.jpでWWWサービスをポート番号80で受け付けている3）．
図２に示す実行例の，３行目には接続の成功の報
告が，５行目にはPCがサーバーへドキュメントを送信されたドキュメントの内容が表示されている．

要求する通信内容が，６行目以降にはサーバーから原稿受付のように，８bitごとに区切って表現される．この表現は人間にとって憶えづらいものであるため，
www.jfps.jpのような憶えやすい名前が代わりに用宇部工業高等専門学校（所在地 〒755‑8555 山口県宇部市常盤台２―14―１）

いられている．コンピュータが直接扱えるのは数値であるため，この名前とIPアドレスの関係を誰かが＊平成24年２月15日

＊＊

第43巻

第３号

2.2 名前解決
インターネット上では，ネットワークに接続されているノード（多くはコンピュータのネットワーク
インターフェイス）は，IPアドレスと呼ばれるもので識別されている．これは，32bit幅（IPv4）または，128幅（IPv6）の数値で，一般的には，119.82.29.107― 50 ―

2012年５月（平成24年）

内堀

183

晃彦：TCP/IPを用いたネットワーク通信の基礎

憶えていて，必要に応じてそれを検索（名前解決）
しなければならない．図２の２行目でも，www.jfps.

けられたアドレスで，Ethernet上ではこのアドレスをもとに通信が行われる．そのため，このMACア

jpが119.82.29.107に名前解決されている様子がわかる．この解決を行う代表的なものがDNS（Domain
Name System）である．これは，nslookupというドレスとIPアドレスの関係も解決しなければならず，
こ の た め の プ ロ ト コ ル と し てARP（Address
Resolution Protocol）が使用される．Unixではarp

コマンドでこの機能を体験することができる．図３の実行例には，名前解決がIPアドレス172.16.0.20のDNSサーバーで行われ，www.jfps.jpのアドレスがコマンドで確認することができる．

119.82.29.107に解決されている様子が示されている．

図５
図３

IPアドレス192.168.0.1を持つデバイスのMACアド

nslookupの実行例

2.3 パケット通信
サーバーとクライアント通信は，パケットと呼ばれるもので行われる．パケットとは，通信内容にIP
アドレスやポート番号，チェックサム等のヘッダが付加された通信を行う単位のことである．図４に示すように，TCP/IPではプロトコルごとにパケットが定義されている．
クライアントで実行されているアプリケーション
がユーザーデータを送るために，最初にこのデータにポート番号などを付加したTCPパケットを作成する．そのパケットにIPアドレスなどを付加してIP
パケットを作成する．これを，実際の物理的なネッ
トワーク環境に合わせるためにさらに加工する．
Ethernetでネットワークに接続されている場合，
MACア ド レ ス（Media Access Control address）と呼ばれる識別子が付加されたEthernetフレームに加工される．
MACアドレスとは，ネットワークのノードにつレ ス が0:a:85:3:10:97で，IPア ド レ ス192.168.0.124のMACアドレスが0:c6:10:ae:ﬀ:ﬀであることが分かる．
2.4 ルーティング
図１⒜のように，サーバーとクライアントが同一のネットワーク上にあれば，そのネットワークにパケットを送り出すことで，通信相手にそれを拾ってもらうことができる．しかし，図１⒝のように，異なるネットワーク間での通信の場合，いくつものルーターにバケツリレーしてもらい，相手のネット
ワークまでパケットを届ける必要がある．適切な候補を特定できない場合，デフォルトルーター（デフォルトゲートウェイ）といわれるものが最初のリ
レーの相手となる．パケットを受け取ったルーター
は，自分に接続されているどのネットワークにそのパケットを流せば，効率よく確実に通信相手に届けられるかを判断し，パケットを再放流する．これをルーティングという2）．

図６

図４

第43巻

第３号

パケットの階層構造

arpの実行例

tracerouteの実行例

ルーティングがどのように行われているかを確認するためのツールとしては，tracerouteが有用である． 図 ６ の 実 行 例 で は， デ フ ォ ル ト ル ー タ ー― 51 ―

2012年５月（平成24年）

184

フルードパワーシステム（192.168.0.1）からSINETなどのいくつかのノードを通過して119.82.29.107まで到達するルートと，そネクション指向のTCPと低信頼性でコネクショ
ンレス指向のUDPが定義されている．TCPではれに要している時間が観察できる．ネットワーク通信に何か問題が生じ，それがルーティングや途中のノードに起因している場合には，その原因追及に役

通信の確実性が保証されているが，これは遅延などの原因となる場合がある．通信の保証を独自で行う，もしくは通信の確実性より実時間性を重視立つものである．
2.5 パケットの再構築
サーバーに届いたEtherフレームはIPパケットにするアプリケーションの場合，通信保証がない代
わりに処理が軽いUDPを選択することがある．
ネットワーク層

再構築され，さらにそこからTCPパケットが再構築される．TCPでは未到達パケットのチェックや到着順序の確認などが行われ，到着していないパ

通信パケットを，届け先まで配達する役割を負っている．そのためのアドレス定義とルーティングを行うIPと，通信管理のためのICMPといっケットが存在することがわかった場合，クライアン
トへの再送要求がなされる．すべてのパケットがそろった後，アプリケーションにデータが渡される．

たプロトコルが定義されている．
リンク層
Ethernet，IEEE802.11b/g/nと い っ た ネ ッ ト
ワークインターフェイスと，それらのデバイスド

3．TCP/IPのアーキテクチュア

ライバから構成される層である．

TCP/IPと呼ばれるプロトコル群は，アプリケー
ション層，トランスポート層，ネットワーク層，リンク層からなる階層構造を取っている．一見すると，無駄に複雑な構造を持っているように見えるが，これは，インターネットが，多くのローカルネット
ワークを繋ぐことで，世界中を繋ぐ大きなネット
ワークを構築することを目的としていることに起因する．誌面の制限から学術的な議論は専門書に譲るとして，実務的な利点としては，たとえば，・リンク層に属する世界中の物理ネットワークには，Ethernetの他にトークリングなどさまざまなものが存在する．そのため，独立した層に分離した方が効率的な管理運営ができる，・ルーターは，IPアドレスに基づいてルーティングを行うため，ネットワーク層より上層の情報は必要としない．また通信の保証をトランスポート層の仕事にすることで，これらの機能からも解放される．これにより，世界中のネットワークを繋ぐルーターの実装をシンプルにすることができる．
等の理由が挙げられる．以下に各層の特徴について
簡単にまとめる．
アプリケーション層
WWWや電子メールなど，ネットワークを利用

4．お わ り に
TCP/IPを用いたネットワーク通信の例と，その技術の基礎について解説を行った．次回は，ネット
ワーク・プログラミングについて解説する予定であ
る．
参

考

文

献

１）Andrew S. Tanenbaum（著），水野忠則 他（訳），：コンピュータネットワーク 第４版，日経BP，p.
54‑56（2003）
２）W. Richard Stevens（著），橘康雄（訳），井上尚司（監訳）：詳解TCP/IP Vol. 1プロトコル，ピア
ソン・エデュケーション，p. 125‑141（2000）
３）http://www.jfps.jp/

［著
うち

ぼり

あき

ひこ

内 堀

晃

彦 君

したアプリケーションが実装する層である．プロ
トコルやパッケットなどもアプリケーションごとに定義されている．
トランスポート層あるコンピュータ上のプロセス（アプリケー
ション）が他のコンピュータ上のプロセスと通信

者

紹

介］

1998年信州大学大学院工学系研究科博士課程単位取得退学．山口大学助手，宇部工業高等専門学校講師，同校准教授，沼津工業高等専門学校准教授を経て，現在，宇部工業高等専門学校准教授．ロボット工学，
空気圧システムの開発に従事．日本フルー
ドパワーシステム学会，電気学会等の会員．
博士（工学）．
E-mail：uchibori@ube-k.ac.jpを行うための手段を提供している．高信頼性でコ

第43巻

第３号

― 52 ―

2012年５月（平成24年）

阿部

185

利章：学生によるフルードパワー企業見学記

トピックス

学 生 に よ る フ ル ー ド パ ワ ー 企 業 見 学 記＊
阿

部

利

章＊＊

1．は じ め に
油圧システムは，流体の圧力エネルギーが制御しやすいことによる利点の多さから，航空機や自動車の部品からテーマパークのアトラクションのような意外な所にまで，社会のさまざまな分野で用いられ，
私達の生活になくてはならない技術となっています．
しかし，私達のような学生が大学の講義や研究において，その技術を学ぶ機会は少なく，実際に油圧機器を見たことのある学生も多くはありません．そこで今回は油圧技術の先駆者として，さまざまな分野の製品の開発，生産を行っているKYB株式会社相模工場を，平成23年12月21日に筆者を含む同じ大学の学生６名で見学し，学生の視点から見た油圧機器
業界，メーカを紹介したいと思います．
2．見学先フルードパワー企業の概要
KYB株式会社は1935年に萱場製作所として創業した油圧機器メーカで，自動車や建築に用いられる
油圧緩衝器，建設機械や航空機に用いられる油圧機器などを製造し，それらを核としたシステム機器の開発にも優れています．また，近年では電動機器の分野にも事業を展開していますが，油圧技術には強いこだわりを持ち続けています．今回はKYB株式会社の史料館があり，建設機械や航空機の油圧機器を製造する工場がある相模工場を見学させていただ
きました．
3．工場内および史料館見学

図１

組み立てられた油圧モータ

見学した工場の２階には油圧機器の組み立てラインがあり，その手前には，部品の入った棚の列が数多くありました．これは，この部品棚の中から部品を使っていき，なるべく在庫量を減らし，リードタ
イムを半分にするという目標のために設置されたものでした．この階の中央には大きなメイン通路があり，この通路に製品が集まって奥へと進んでいき出
荷されていくため，部品の奥に組み立てライン，その奥に塗装のラインというように非常に効率的なつくりとなっていました．組み立てラインでは文字通り，建機の旋回モータや走行モータ（図１）が，多くの部品を用いて組み立てられており，人と機械との共同作業のラインとなっていました（図２）．その最たるものがポカよけというシステムです．これは，人がやったつもりになって，製品をつぎの工程

相模工場には新技術の研究，開発を行う基盤技術研究所，油圧機器の加工，組み立てを行う工場，航空機器の加工，組み立てを行う工場，KYBの製品
および歴史を学ぶことのできる史料館などがあり，696名の従業員の方が働いています．今回の見学でに進ませてしまうことがないように，機械が確認しないとつぎの工程に製品を進ませることができないようになっている仕組みのことで，特にボルトの締め付けなどに関して厳重にチェックされていました．
組み立てが終わると気密検査が行われていました．

は主に，建設機械用の油圧機器が作られている工場と史料館を見学させていただきました．

これは組みあがった製品に気体（空気やヘリウム）を入れ，漏れを確認する検査で，流体である油を＊

平成24年２月10日

＊＊

原稿受付

横浜国立大学大学院工学府（所在地 〒240‑8501 神奈川県横浜市保土ヶ谷区区79―１）
第43巻

第３号

使って物を動かす油圧機器における生命線となる検査であるように感じました．このような検査が終わると，最後に機械による性能検査が行われてから，製品は塗装ラインへと進んでいき，出荷となります．

― 53 ―

2012年５月（平成24年）

186

フルードパワーシステム

この階には建機の油圧機器の組み立てラインの他に新幹線のセミアクティブダンパの組み立てラインも法を適用できないためです．このように，バルブも精密な加工と厳密な検査の後，製品として出荷されあり，前述の製品同様厳しい検査の下で製品が組み立てられていました（図３）．

ます．

図４
図２

図３

加工ラインの様子

組み立てラインの様子
史料館に入ってまず目に飛び込んできたのは，大きな車輪の付いた油圧機器でした（図５）．これは「オレオ」と呼ばれるゼロ戦に付いていた主脚でKYBの初期の製品にあたる物です．史料館１階はこのオレオの他に，建機におけるエネルギーの回生を行うシステムなど，最新の製品についての説明を見ることができます．２階では，油圧機器として認知されている製品だけでなく，舞台の緞帳の上げ下
げや，車いすに用いるダンパなど，普段目にしない製品が数多く展示されていました．また，製品の紹介だけに留まらず，EPS（電動パワーステアリング）
やショックアブソーバの体験，免震技術のデモンス
トレーションなど，油圧機器の有用性について体験
を通じて学ぶことができました．このように史料館

セミアクティブダンパ組み立ての様子

工場１階には２階で作られていたモータ用の加工ラインと，バルブの加工，組み立てラインがありました．組み立てラインが人と機械の共同作業で機能しているラインであるのに対して，加工ラインはほでは油圧機器が日常のどんなところで使われていて今の生活においてどれだけ重要なのかを知ることがとんどが機械，ロボットによる自動のラインでした（図４）．モータ用のフランジなどの加工ラインでは，
自動で寸法測定などの検査も行われ，すべてが完了するまでに１台当たり20分程度掛かるとのことでし
た，物の大きさから考えれば，人間には到底まねできない速さだと思いました．バルブの加工では，モータ用の部品とはまた違ったラインで，穴あけ精度がミクロ単位という非常に精密な加工が行われていました．また，バルブは組み立てラインの漏れ検査においてもモータと異なり，水没式の検査が行われていました．これは，モータに比べバルブは内容積が多く，空気が圧縮され，モータと同様の検査方
第43巻

第３号

― 54 ―

図５

史料館１階の様子
2012年５月（平成24年）

阿部

187

利章：学生によるフルードパワー企業見学記

できます．

ます．また，そういった新しい技術が必要とされている中で，建機では以前ワイヤーを使った機構で動4．見学を終えての感想
世間一般的に油圧と聞いてもすぐにピンときてどんなことに使われていると答えることができる人はいていたこと，そしてそれが油圧になってからは何十年とその形で落ち着いていることを聞き，油圧という技術の素晴らしさと有用性を実感しました．

ほとんどいないと思います．これは私達のような工学部の学生にとっても同様で，研究室で油圧という分野を専門にしている学生でさえも，自分の研究に

今回の見学で一番強く感じたことは，油圧技術に対する自分も含めた世間一般での認知度の低さでした．たとえば，普段から多くの人が利用している自関わる部分以外はほとんど知らない分野だと思いま
す．油圧と聞くと私は，大形の建機がそうであるよ
うに，大きなパワーを生み出すことができるという動車や飛行機，新幹線などの交通機関に用いられているのはもちろんのこと，遊園地のアトラクション
や舞台の装置のような娯楽施設，建物の制震・免震

特徴を思い浮かべます．これは，私がそれに関する研究をしているからです．さらに，今回工場で見学させていただいた製品も建機のモータやバルブで，イメージ通りだと思いました．しかし，史料館や社技術等，実に多種多様な形で油圧技術は社会に存在しています．しかし，実際にこのような現場に来るまでに知っていた製品がどれだけあったのかと聞かれれば，それは今回の見学で知った数に比べればか

員の方の製品説明を聞いていて，ショックアブソー
バや免震技術，セミアクティブサスペンションなど，なり少ないものになってしまうと思います．見学を終えて，この経験を少しでも多くの人達に伝えて，力を与えるだけでなく，力を減衰させることができるのも大きな特徴の１つだと知りました．もちろん，
ショックアブソーバなども油圧機器の１つであることは前々から知っていましたが，今回実際に製品を目で見て体験したことで，自分の知らなかった油圧機器の利便性を実感できたと思います．実際に物をみて，触れることの大事さを改めて学ぶことができました．

油圧技術の大切さをわかってもらえたらなと強く思います．このような貴重な機会をくださった方々に，見学者一同（図７）深く感謝し，この場を借りて御礼申し上げます．ありがとうございました．

図６

社員の方との質疑応答の様子

社員の方々との質疑応答（図６）の中で現在研究が進んでいるという水圧の技術について話が及びま

あ

べ

阿

部 利

した．実際油は，漏れたりすれば環境への被害が出ることから，扱う時の申請や取扱いが大変な危険物であるのに対し，水はクリーンかつ安く扱いやすいということでした．もちろんその分課題が多く，製品化はまだ先になるようですが，こういった研究がこれからのために必要になっていくのだろうと思い
第43巻

第３号

― 55 ―

とし

図７

見学者一同

［著

者

紹

介］

のり

章 君
2011年横浜国立大学工学部生産工学科卒．
同年横浜国立大学大学院工学府博士課程前期システム統合工学専攻機械システムコー
スに入学．日本フルードパワーシステム学会の学生会員．
E-mail：abe-toshinori-ry@ynu.jp

2012年５月（平成24年）

188

フルードパワーシステム

編 集 室

次号予告
―特集「未来に向けた省エネルギー技術」―
会長就任にあたって「未来に向けた省エネルギー技術」発行にあたって
油圧システムの省エネルギー化技術の動向と展望
空気圧の省エネルギー技術と評価
水圧技術の省エネルギー化
油圧作動油の省エネルギー効果の評価方法
管路損失の低減法
スクリューコンプレッサシステムの最新制御
アキュムレータを用いたアイドリングストップ式油圧源の省エネルギー
再生可能エネルギーの普及と需要家の参画―東京工業大学先進エネルギー国際研究センターの取り組みを事例に―〔解説〕電気油圧サーボ式ダウンコイラ〔教室〕おもしろ油圧機構 第７回 電気‑油圧サーボ弁
おもしろ空気圧「空気圧システムの結露」〔トピックス〕産業オートメーション技術における国際標準化―STEPアプリケーションプロトコル（AP）とその利用方法―
TCP/IPを用いたネットワーク通信のプログラミング
チェコ駐在員日記〔研究室紹介〕沼津工業高等専門学校 大島研究室〔企画行事〕平成23年度ウィンターセミナー開催報告〔学会便り〕日中共同ワークショップ

香川
内堀
田中
香川 利春，蔡伊藤
小曽戸 博，大塚築地
河合鈴木 勝正，大田 真平，杉村

利春
晃彦
豊
茂林
和寿
正和
徹浩
仁
健

小田 拓也
桑野 博明
大橋
彰
張
護平
五嶋 裕之
内堀 晃彦
右髙 雄太
大島
茂
只野耕太郎
鈴木 健児

平成24年度「フルードパワーシステム」編集委員
委 員 長 眞 田 一 志（横浜国立大学）副委員長 吉 田 和 弘（東京工業大学）
委
員 伊 藤 雅 則（東京海洋大学）
内 堀 晃 彦（宇部工業高等専門学校）
大 橋
彰（油研工業㈱）小 倉
弘（日立建機㈱）加 藤 友 規（福岡工業大学）
木 原 和 幸（㈶工業所有権協力センター）
金
俊 完（東京工業大学）
五 嶋 裕 之（機械振興協会）
佐 藤 恭 一（横浜国立大学）
妹 尾満（SMC㈱）多 田 昌 弘（CKD㈱）西 海 孝 夫（防衛大学校）

会

委

員

藤 田
丸 田
村 松
柳 田
山 田
山 田
山 田
山之内
吉 満
担当理事 中 野
早 瀬
宮 川
編集事務局 藤 谷
竹 内

壽 憲（東京電機大学）
和 弘（㈱コマツ）
久 巳（沼津工業高等専門学校）
秀 記（豊橋技術科学大学）
真の介（㈱TAIYO）
敏 夫（㈱コガネイ）
宏 尚（岐阜大学）健 司（KYB㈱）俊 拓（神奈川工科大学）
政 身（東北大学）
敏 幸（東北大学）
新 平（KYB㈱）秀 次（学会事務局）
留 美（勝美印刷㈱）（あいうえお順）

告

複写される方へ本会は下記協会に複写に関する権利委託をしていますので，本誌に掲載された著作物を複写したい方は，同協会より許諾を受けて複写してください．ただし㈳日本複写権センター（同協会より権利を再委託）と包括複写許諾契約を締結されている企業の社員による社内利用目的の複写は
その必要はありません．
（社外頒布用の複写は許諾が必要です．
）
権利委託先：（中法）学術著作権協会〒107‑0052 東京都港区赤坂９―６―41 乃木坂ビル
TEL：03‑3475‑5618
FAX：03‑3475‑5619
E-mail：info@jaacc.jp
なお，著作物の転載・翻訳のような，複写以外の許諾は，学術著作権協会では扱っていませんので，直接本会へご連絡ください．

第43巻

第３号

― 56 ―

2012年５月（平成24年）

ISSN

1880―3121

日本フルードパワーシステム学会論文集
第43巻, 第３号（2012）
平成24年５月
特集号「人間を支援する空気圧の技術と研究」
目

次

研究論文
１．空気圧ゴム人工筋を用いた二関節駆動を有する握力増幅
グローブ
只野耕太郎，赤井 正雄，川嶋 健嗣，尹鍾晧，香川 利春
48
２．柔軟空気圧シリンダを用いた伸縮・湾曲機構の試作と組込みコントローラによる姿勢制御
赤木 徹也，堂田 周治郎，趙菲菲，藤川 敬広55
３．柔軟関節を用いた空気圧駆動鉗子マニピュレータの開発（先端屈曲機構の簡略化と外力推定）
原口 大輔，只野 耕太郎，川嶋 健嗣
62
４．突発的な負荷を考慮した６自由度人工筋肉マニピュレータの手先剛性制御戸森 央貴，田中 大資，前原 正典，
加茂 大地，中村 太郎
70
５．軸方向繊維強化型人工筋肉を用いた小腸検査用多段式蠕動
運動型ロボットの開発（第１報，小型ロボットにおける弾性管内の走行と内視鏡との切り離しに関する検討）安達 和紀，横島 真人，樋髙 裕也，中村 太郎
77
６．空気式パラレルマニピュレータを用いた手首リハビリテー
ション〜筋電位信号に基づく訓練動作の提案〜
高岩 昌弘，則次 俊郎，佐々木 大輔
85

一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会

ISSN

1880―3121

TRANSACTIONS OF
THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY
Vol.43, No.3

May 2012

Publish a Special Issue “Pneumatics Technology and Research to Support Human”
Contents
Paper
１．Grip Ampliﬁed Glove Using Bi-articular Mechanism with Pneumatic Artiﬁcial Rubber
MuscleKotaro TADANO, Masao AKAI, Kenji KAWASHIMA,
Chongho YOUN, Toshiharu KAGAWA
48
２．Development of a Sliding and Bending Mechanism Using Flexible Pneumatic
Cylinders and Attitude Control Using a Tiny Embedded Controller
Tetsuya AKAGI, Shujiro DOHTA, Feifei ZHAO, Takahiro FUJIKAWA

55

３．Development of a Pneumatically-Driven Forceps Manipulator Using a Flexible Joint（Simpliﬁcation of the Joint Mechanism and External Force Estimation）
Daisuke HARAGUCHI, Kotaro TADANO, Kenji KAWASHIMA

62

４．End-Eﬀector Stiﬀness Control of 6-DOF Artiﬁcial Muscle Manipulator Considering
Instantaneous Load
Hiroki TOMORI, Daisuke TANAKA, Masanori MAEHARA,
Daichi KAMO, Taro NAKAMURA

70

５．Development of an Earthworm Robot Using Straight-Fibre-Type Artiﬁcial Muscle
for the Small Intestine（1st Report: A Study on the Locomotion of the Small-Sized Robot in the Elastic Tubeand Separating the Robot and Endoscope）
Kazunori ADACHI, Masato YOKOJIMA, Yuya HIDAKA, Taro NAKAMURA
77
６．Wrist Rehabilitation Using Pneumatic Parallel Manipulator〜 Proposal of Rehabilitation Based on EMG Signal 〜
Masahiro TAKAIWA, Toshiro NORITSUGU, Daisuke SASAKI

Published by
The Japan Fluid Power System Society
c/o Kikaishinko Building
3―5―22 Shiba―koen, Minato―ku, Tokyo, 105―0011, Japan

85

川嶋

健嗣：特集号「人間を支援する空気圧の技術と研究」発行にあたって

47

巻 頭 言

特集号「人間を支援する空気圧の技術と研究」発行にあたって
川

嶋

健

嗣

Publish a Special Issue “Pneumatics Technology and Research to Support Human”
Kenji KAWASHIMAAs a new attempt, the committee of publications has organized a special issue in order to promote
activities in our society. At the end of the discussion by members of the committee, the topic of the issue
is determined as can be seen in the title, since the ﬁeld is active in recent years. Six interesting papers
are accepted and published as the special issue.
Key words：Special Issue, Pneumatics, Human support

本学会論文集委員会では，論文集のさらなる充実と活性化を推進すべく，早川恭弘委員長の下で2010
年から新たな試みとして，特集号を企画する案を議論してきた．はじめに分野別でその可能性について検討し，２つのワーキンググループを設置してさらに議論を行った．その結果，空気圧関連，特にロボティクス，メカトロニクス分野は最近の講演会での発表件数が多く特集号として適しているのではないかとの結論に至った．
そこで，空気圧関連の研究を広く網羅する特集号の題目案についてワーキンググループを中心に検討
し，2010年10月に特集号名を「人間を支援する空気圧の技術と研究」とすることに決定した．次に時期について議論し，締め切りを2011年６月１日とした．

存じます．」
また，関連する先生方にはメールでも特集号の企画の通知を行った．
初の試みであり，実際に論文が集まるのか不安が大きかった．しかし，その不安は杞憂に終わり，多数の論文の投稿を頂いた．
厳正な論文校閲プロセスを経て，今回６本の論文が掲載される運びとなった．いずれの論文も空気圧
アクチュエータの柔らかさ，人間親和性の高さを活かした研究成果である．大別するとパワーアシスト
関連，医療応用関連，空気圧アクチュエータの制御に関するものがそれぞれ２本ずつとなった．
最近，特に大学では，人事評価において英語論文が推奨される傾向にある．筆者もその影響を多分に論文の校閲プロセスについては，慎重に議論を進め，従来の論文と同じとすることとした．年内で校閲結受けている．しかし，原発災害の処理や，高齢化社
会など我が国が抱える多くの課題に対処し解決する果を通知し，採択された論文は2012年の５月号に掲載することとした．
以上の決定を踏まえて，2011年１月号の学会誌に
下記の会告を掲載した．

ためには，国内の研究者，技術者間の情報共有の重要性は益々高まっている．つまり，日本語での学術論文は必要不可欠であり，情報共有のための貴重なツールである．今回の特集号はいずれも大学関係者「論文集委員会では，平成20年度春季講演会のOS
企画「フルードパワーを利用したソフトメカニズの研究成果であるが，本特集号が産学連携推進の一助になればと期待している．また，このような特集

ム」，平成21年度春季講演会でのOS企画「フルード
パワーを活用したロボティクス」，平成22年春季講演会でのOS企画「医工連携とフルードパワー」な
ど，空気圧関連の研究開発が福祉工学分野，ロボ号の企画は今後も実施し，多くの方に論文集に論文を投稿頂ければと考えている．
最後に，本特集号はワーキンググループの沼津高
専村松，中央大学中村，筆者の各委員が主に担当しティクス分野や医工連携分野等へとその領域を広げている現状を踏まえて，この度，「人間を支援する
空気圧の技術と研究」をテーマとした特集号を企画たが，早川委員長をはじめ論文集委員会委員各位，
藤谷事務局長をはじめ事務局の多大なご協力をいた
だいた．ここに付記して謝意を表す．

することと致しました．標記テーマに該当する研究論文を幅広く募集致します．奮って投稿頂ければと（東京工業大学精密工学研究所准教授）

第43巻

第３号

―1―

2012年５月（平成24年）

48

日本フルードパワーシステム学会論文集

研究論文

空気圧ゴム人工筋を用いた二関節駆動を有する握力増幅グローブ
只 野 耕太郎＊＊，赤 井 正 雄＊＊＊，川 嶋 健 嗣＊＊，尹
鍾 晧＊＊，香 川 利 春＊＊
Grip Ampliﬁed Glove using Bi-articular Mechanism with Pneumatic Artiﬁcial Rubber Muscle
Kotaro TADANO, Masao AKAI, Kenji KAWASHIMA,
Chongho YOUN, Toshiharu KAGAWA
In this paper, a grip ampliﬁed glove consists of pneumatic artiﬁcial rubber muscles（PARMs）which are covered with an
exoskeleton structure is developed. A bi-rticular mechanism with a PARM that is suitable for bending ﬁnger is realized.
The glove has totally 10 DOFs consist of four units. To achieve power-assist motion properly, a PI control, which is basedon the pressure value from the balloon sensor, is applied. Synchronized actuation of the PARMs adds to the userʼs own
movements provides power and support the grasping. As the balloon type sensors are used, electric circuits can beseparated from the ﬁnger parts that have advantage in the use of hostile environment. To evaluate the validity of the
glove, the skin surface electromyography （EMG） signals of muscles are measured during grasping. These results
demonstrate that the eﬀectiveness of the power ampliﬁed glove.
Key words：Pneumatic artiﬁcial rubber muscles, Bi-articular mechanism, Power assist, Hand assist

1．緒言

近年，医療福祉分野や災害復旧での使用を想定して様々なパワーアシストロボットの研究開発が行われている1）−3）．
この分野の作業において最も使用される人体の部位の一つとして手が挙げられる．通常，手は作業対象に直接触って，握る，持つ，摘まむなどの作業を行う．腕に物を抱える場
合でも手が少なからず作業を分担している．よって，上肢を対象にしたパワーアシスト装置において，手先の負担の軽減が重要と考えられる．手の動作をアシストする研究とFig. 1

Joints of ﬁngers

して，伸展動作や屈曲動作が可能な空気圧ゴム人工筋を用いたものや4），5），チューブを螺旋状に配置することで湾曲6）せる必要があるため，電気的なセンサや精密，高剛性のアを実現した空気圧アクチュエータを提案した研究 ，筋電クチュエータは装着部に用いないこととする．アクチュ

信号を用いて装着者との同期を実現した研究が行われていエータは軽量，柔軟な繊維一体型の空気圧ゴム人工筋を採7）

る ．手の動作をアシストする装置には，多自由度が要求用し，握力増幅グローブの自由度は人体と同等のものを製されること，耐水性等を有し，幅広い使用環境での使用が作する．手に作用する外力に応じたアシスト力を供給する

求められており，研究の余地が大きい分野である．

ため，装着者の動きおよび外力を検出するセンサを製作し，そこで本研究では，汎用性に優れ，多自由度を有する握これを利用した空気圧サーボ制御系を構築，実装する．ま力増幅グローブの研究開発を目的とする．握力増幅グロー

た，製作した握力増幅グローブの各特性を測定し，実際にブを使用する際に作業環境の影響や自由度の制限を低減さ装着してその有用性を検証する．

2．握力増幅グローブの製作＊

平成23年６月３日 原稿受付
東京工業大学精密工学研究所（所在地 神奈川県横浜市緑区長津田町4259）＊＊＊＊＊

オリンパス株式会社（所在地 東京都八王子市石川町2951）
第43巻

第３号

2.1 握力増幅グローブの構成
手は多くの関節を有し，複雑な動作が可能であるが，本研究では把持動作に焦点を当てる．Fig. 1に本研究で駆動をアシストする手の各関節を示す．親指を除く４指において―2―

2012年５月（平成24年）

只野・赤井・川嶋・尹・香川：空気圧ゴム人工筋を用いた二関節駆動を有する握力増幅グローブ

Fig. 2

Structure of power ampliﬁed glove

Fig. 4

Fig. 349

MP unitDeveloped power ampliﬁed glove

は，指の付け根の中手指節関節（MP関節）およびその先に通常連動して動く近位指節間関節（PIP関節）と遠位指節間関節（DIP関節）の２自由度の動作を実現する．親指はMP関節と指節間関節（IP関節）の連動動作および手根中手関節（CM関節）の１自由度を合わせた２自由度を実現する．よって，各指２自由度５指合計で10自由度を有する．これら自由度を考慮して，握力増幅グローブを使用して握る，掴む，摘む動作における装着者の握力を増幅し，Fig. 5

それらの動作を補助できる装置を設計する．Fig. 2に本研究

Proposed bi-articular mechanism with a PARMで試作した握力増幅グローブの全体図，Fig. 3に試作した装置の写真を示す．本研究で製作した握力増幅グローブはポ気圧ゴム人工筋と連結されている．長さは137㎜となってリアセタールとアルミ合金で構成され，全長は約256㎜，

いる．これらは個別に空気圧ゴム人工筋を実装しており，全体重量が約550gと軽量である．各関節の駆動には内径５独立して駆動することができる．

㎜の空気圧ゴム人工筋を用いた．握力増幅グローブは，大2.2 各関節の駆動機構

きく分けて手甲ユニットとフィンガーユニットの二つから

MPユニットの模式図をFig. 4に示す．MPユニットは空構成される．フィンガーユニットは装着者の指に被さるよ

気圧ゴム人工筋を内蔵するスライド部，屈曲する基節部，うになっており，それぞれの指に装着することができる．

スライド部と手甲ユニットを接続する固定部から構成されフィンガーユニットは手甲ユニットに固定されており，各ている．空気圧ゴム人工筋はスライド部の端と，基節部の指に対応する位置に配置されている．手甲ユニット自体はシャフトに固定されている．空気圧ゴム人工筋が収縮する

装着者の手の甲に被さるように取り付けられ，手首のクと，基節部のシャフトが引っ張られ，空気圧ゴム人工筋のリップバンドと各フィンガーユニットのフィンガーホルダ

引張力が基節部の関節まわりのトルクに変換される．
PIPとDIP関節の駆動には，外骨格を利用することで１本で固定される．
親指を除くフィンガーユニットは各指ともに同一構造とのゴム人工筋により２関節の同時屈曲を実現する機構を提なっており，装着者の指部甲側に沿うように配置される．

案実装した．空気圧ゴム人工筋は軸方向における単位長さ

フィンガーユニットは二つのユニットで構成されており，当りの発生する力の合力が，出力として得られる．この特それぞれ根本からMPユニット，DIP-PIPユニットと称する．

性により屈折，湾曲した場合でも圧縮空気が供給されていそれぞれの長さは158㎜，113㎜となっている．親指のフィ

れば，部分的にも空気圧ゴム人工筋が収縮する．そこで，ンガーユニットはMPユニットがなく，手甲ユニットの空２関節連動機構はこの特性を活かし，１本の空気圧ゴム人

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日本フルードパワーシステム学会論文集

Fig. 8

Photograph of balloon sensor

Fig. 6 Designed bi-articular mechanism（PIP-DIP joint）

Fig. 9Fig. 7

Static characteristics of the balloon sensor

Manifer unit

構を採用した．親指のフィンガーユニットの固定部はFig. 7工筋の収縮を２つの関節の屈曲に利用した．Fig. 5に２関節のように，手甲ユニットに固定された冶具の軸回りに自由屈曲機構の模式図を示す．２関節連動機構はシリアルリン

度を持っており，クリップ部の冶具の回転軸に取り付けてク機構の外骨格内に空気圧ゴム人工筋を内蔵し，その両端いる．手甲ユニットの手首側の縁には，空気圧ゴム人工筋を固定した構造となっている．ただし，外骨格の関節は空を内蔵した湾曲したプラスチックチューブが取り付けられ気圧ゴム人工筋の同軸上に位置していない．この状態で圧ている．空気圧ゴム人工筋はフィンガーユニット固定部と縮空気を供給すると上図から下図のように変化しながら駆ワイヤで繋がれており，空気圧ゴム人工筋が収縮すると動を行う．空気圧ゴム人工筋が収縮することで外骨格の端プーリを介して親指のフィンガーユニットを掌の方向に約（末節部）が引っ張られ，DIP関節が屈曲し始める．このと40度旋回させることができる．

き，空気圧ゴム人工筋は中節部に接触していないので，そ試作した握力増幅グローブの可動範囲と発生可能トルクの収縮力はPIP関節を屈曲させるトルクを生じない．DIP関をTable 1にまとめる．表中に示した角度は各関節が一直線

節がある程度屈曲すると空気圧ゴム人工筋は屈曲した側の上に伸びた状態からの屈曲角度を示している．Table 1に示

リンクに拘束され，その屈曲が抑制される．同時に空気圧す可動範囲によって，人差し指および中指を親指と対向し人工筋が中節部の内側に接触し，基節部側で収縮を続けるて接触させることができるだけでなく，掌内の空間を直径ため，PIP関節もDIP関節と同様に屈曲を始める．

30㎜程度の円筒状までに狭めることができる．したがって，

Fig. 6にFig. 5に示した二関節同時駆動を実現した指部の概略図を示す．親指の二関節同時駆動においても同様の機紙のように薄いものまでの摘み動作および直径30㎜程度までの物体に対する握り動作が可能である．
2.3 バルーン型センサ

Table 1
Finger unit

Available angle［deg］

Maximum torque［Nm］

DIP-PIP unit

PIP：20，DIP：30

0.2

MP unit80

0.5

Thumb IP-MP

MP：20，IP：20

0.2

Thumb CM

40

0.5

第43巻

第３号

試作した握力増幅グローブを装着者と同期して動作させSpeciﬁcations of ﬁnger units

るためにFig. 8に示すバルーン型力センサを試作し，装着者の指と装置の間に実装した．本センサはバルーン部とゴムチューブで接続された差圧センサ部から構成される．バルーン部は外径7.5㎜のシリコンゴムチューブを20㎜の長さで両端を封止し，空気圧配管用の内径１㎜のゴムチューブを接続したものである．ゴムチューブの長さは装着部から電気的なセンサを隔離したいことから625㎜とした．バルー―4―

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只野・赤井・川嶋・尹・香川：空気圧ゴム人工筋を用いた二関節駆動を有する握力増幅グローブ

Fig. 12Fig. 10

Image of grasping with the developed device
K［MPa/N］
Kp［V/MPa］
KI［V/MPa/s］

Block diagram of the system

Table 2Control parameters

Thumb

Fore-ﬁnger

Mid-ﬁnger

IPMP

CM

DIPPIPMP

DIPPIP

MP

5.0

25.0

8.0

22.0

15.0

40.0

4.0

5.0

5.0

5.0

6.0

5.0

0.1

0.1

0.1

0.1

0.01

0.05

部に一切電気的なセンサやアクチュエータが配置されていない点が特徴であり，防爆，防水性を有している．
Fig. 11

System configuration of the power amplitude
glove

ハンドデバイス部のフィンガーホルダには上述したバ
ルーン型力センサが搭載されており，装着者の指の接触力を把持対象と接触した状態で検出する．本実験では，中指，ン部に作用した外力による内圧上昇を差圧センサで測定す

薬指と小指の３指は連動して動作させた．よって，バルー

るものである．差圧センサには長野計器製KL-17を用いた．

ン型力センサは親指，人差指，中指にそれぞれ２つ搭載さFig. 9に試作したセンサの静特性の実験結果を示す．横軸れている．親指以外のフィンガーユニットにおいてはDIP-

はバルーン部に加えた外力，縦軸はその時の内圧を示す．

PIPユニットおよびMPユニットのフィンガーホルダに１つ

外力はバルーン部の指が当たる面に直径10㎜の円柱を垂直ずつ取り付けられており，それぞれの駆動における装置へに押し付けることで与えた．実験結果よりヒステリシスのの入力信号となる．親指のフィンガーユニットは先端の影響は小さいことが分かる．

フィンガーホルダに２つ搭載され，親指の２方向の駆動に

実験結果を次式で示す３次関数の近似曲線で与えた結果対応している．
Fig. 11の制御部に示すようにバルーン型センサの信号はを図中の実線で示す．
Pb＝−0.03F 3＋0.16F 2＋0.88F−0.11⑴

ADボードを介して制御用コンピュータに取り込まれ，制本研究では，パワー増幅グローブと装着者の動きを同期

御信号がDAボードを通して各空気圧サーボ弁（FESTO社させることも目的に本センサを使用することから，Fig. 9に製MPYE SA）に与えられる．空気圧サーボ弁の制御ポー示す近似曲線でその機能を満足すると考え，次章以下の制

トには空気圧ゴム人工筋内の圧力をフィードバック制御す

御系に用いた．

るための圧力センサが取り付けられている．ハンドは親指と人差指は独立に，中指，薬指と小指の３指は連動して動3．握力増幅グローブの制御作させた．つまりそれら３指は１つの空気圧サーボ弁で駆動させ，バルーン型センサは薬指と小指には設置していな

3.1 装 置 構 成
握力増幅グローブの駆動方式の概念図をFig. 10に示す．

い．Fig. 11では簡単のため親指部分の用いる空気圧サーボ

手による物体の把持動作は親指と対向する他の指によって弁とセンサのみ示しているが，親指，人差指，中指の各関行われる．素手で物体を把持している場合，指の表面は物

節駆動のため，それぞれ２個，合計６個のバルブとセンサ

体からの反力が作用している．握力増幅グローブを装着しが配置されている．

て物体を把持する場合，装着者は物体に接触せず，握力増

3.2 制 御 系

幅グローブのフィンガーホルダが接触する．反力はフィン

Fig. 12に制御系ブロック線図を示す．制御の流れを以下

ガーホルダ越しに装着者の指に作用する．Fig. 11に握力増に説明する．まず，装着者の指がフィンガーホルダを介し幅グローブの装置の構成を示す．装置は大きく，右側ハンて物体に触れ，このとき指の接触力Fhをバルーン型力セン

ドデバイス部と左側制御部から成る．右側ハンドデバイス

サが検出する．バルーン型力センサは接触力に応じた信号

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52

Fig. 13

日本フルードパワーシステム学会論文集

Experimental results（MP joint angle vs. torque）

Fig. 15

Experimental results of grip amplify（DIP-PIP unitof foreﬁnger）

ることが分かる．
次に，DIP-PIPユニットの実験結果を示す．連動して動作する２つの関節のうちPIP関節の結果をFig. 14に示す．
実験方法および図の形式はFig. 13と同様である．MPユニットの実験と同様に1.6㎏までのおもりをユニット先端に吊る
Fig. 14

Experimental results（PIP joint angle vs. torque）

すことで負荷を与えているが，連動するDIP関節の角度と設置角度の関係により生じる最大トルクはほぼ一定となっPbを出力し，これに比例ゲインをかけた圧力を空気圧ゴムている．Fig. 14よりPIP関節回りの屈曲トルクは比較的低

人工筋の目標圧力Prefとして与える．この目標圧力に対して圧でも0.35Nm以上発生可能であることが明らかとなった．

PI制御系を構成する圧力制御を行い，パワー増幅グローブ

PIP同様の実験によって，DIP関節回りの屈曲トルクはが動作する．制御に用いたパラメータをTable 2にまとめる．

0.2Nmであることを確認した．いずれの結果においても，

なお制御パラメータは安定性を保つことができる範囲内で，ヒステリシスが見られる．これは空気圧ゴム人工筋の特性

バルーン型センサへの力入力に対する空気圧ゴム人工筋のに起因するものである．なお，本グローブは指を閉じる一

駆動力の応答が最も速くなるよう試行錯誤的に調整した．

方向での握力増幅を目標としており，ヒステリシスの影響は問題とはならない．

4．握力増幅グローブの実験結果

実験結果は示さないが，親指フィンガーユニットも同様な結果が得られ，IP関節，MP関節，CM関節でそれぞれ

4.1 各関節の発生トルク
はじめに，各フィンガーユニットの関節角度‑トルク特0.5Nm，0.2Nm，0.3Nmの最大トルク，ならびに50度，25度，性を測定した．圧力レギュレータにより空気圧ゴム人工筋

40度の屈曲が確認された．

の内圧を一定とし，フィンガーユニットの先端に負荷をか

4.2 装 着 実 験けたときの各関節の角度をエンコーダを取り付けて測定し試作したグローブを被験者（23歳，男性健常者）が装着た．Fig. 13に示す実験結果は，Fig. 4に示したMPユニット

して把持動作を行った．その際の人差指のDIP-PIP関節のの空気圧ゴム人工筋を一定圧力に保持した際に，指先への実験結果をFig. 15に示す．横軸は時間，上図の縦軸はバ負荷を変化させMP関節角度と屈曲トルクτの関係を測定

ルーン型力センサの出力Pb，下図の縦軸は力センサを用いしたものである．横軸の角度は関節が伸びた状態を０degて指の先端での発生力を測定した結果である．上図と下図としている．Fig. 13の実験結果より，MP関節は最大約を比較すると，バルーン型力センサの接触力に応じた力が80deg屈曲できることがわかる．また，負荷は先端に最大発生していることがわかる．またその動作にはほとんど遅2.2㎏までのおもりを吊るすことで与えたため，角度によっれが見られず，装着者と同期してパワー増幅が可能であるてトルクの最大値が異なっているが，測定範囲において屈ことが明らかとなった．MP関節および他の指関節におい

曲角度40degのとき約0.15Nmの屈曲トルクが発生可能であても同様の結果を得た．

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只野・赤井・川嶋・尹・香川：空気圧ゴム人工筋を用いた二関節駆動を有する握力増幅グローブ

Fig. 16

Fig. 17

53

Gripping a mass of 2kg in water

Position of measured muscles with EMG sensor

本装置を用いて種々の対象物の把持実験を行い，500mlのペットボトル（握り動作），直径65㎜のボール（掴み動作）および本（摘み動作）などの形状の異なる様々な物体に対して，装置自身が妨げとならずに問題なく把持できることを確認した．さらに，Fig. 16に示すように２㎏のおもりを水中で把持可能であることを確認した．実験は日を分けて計10回行ったが，装置に不具合等は生じなかった．
Fig. 18

4.3 筋電計測による評価

Measured results of EMG signals

握力増幅グローブを装着して物体を把持した際の装着者の負担軽減効果を評価するために，装着者の腕の筋電位を5．結測定した．２㎏のおもりを持ちあげ，10秒程度把持したと言

きの筋電位を筋電位測定センサで測定した．センサは

本論文では，作業時における手先の負担を軽減させるた

Fig. 17のように長橈側手根伸筋または短橈側手根伸筋の位

めに，直接手に装着する多自由度の握力増幅グローブを研置に取り付けた．指を直接屈曲させる筋肉は浅指屈筋や深究開発した．空気圧ゴム人工筋をアクチュエータとして利指屈筋などであるが，これらの筋肉は手首を掌屈させる作用し，装着者との協調性が得られる機構として，二関節屈用も有している．したがって，実際には手首の角度を保っ曲機構を提案，握力増幅グローブに実装した．また，装着たまま把持を行うために，手首の背屈や橈屈を担う長（短）者の発生力を検出するため，バルーン型力センサを製作し，

橈側手根伸筋も緊張し疲労する．

握力増幅システムを構築した．製作した握力増幅グローブ

Fig. 18に筋電図（electromyogram：EMG）を示す．縦軸の基本特性を測定し，さらに実際に装着してその評価をに測定された筋電位E，横軸を時間tを示す．上図から素手行った．筋電の測定結果より，握力増幅グローブを装着すでの把持，グローブを装着はしているがアシスト無し，アることで手先の負担を軽減できることが明らかになった．

シスト有りの結果である．アシスト無しおよび素手での把参 考 文 献持の場合には，筋電図の振幅が大きくなっているに対して，
握力増幅グローブを装着した場合の筋電図の振幅は明らか

１）山本圭治郎，兵頭和人，石井峰雄，松尾崇，介護用パに小さくなっている．筋電位の強さが筋活動の強さと相関

ワーアシストスーツの開発，日本機械学会論文集C，していることから，筋肉の負担が軽減されることがこの結Vol. 67，
No. 657，
p. 1499‑1506（2001）

果から明らかとなった．したがって，開発したグローブに

２）則次俊郎，安東文典，山中孝治，ゴム人工筋を用いた

よって，素手では疲労のため長時間続けることが困難な作

リハビリテーション支援ロボット（第１報 インピー業を長時間持続できるなどの効果が期待できる．

ダンス制御による訓練運動モードの実現）：日本ロボット学会誌，Vol. 13，
No. 1，
p. 141‑148（1995）
３）H. Kobayashi, H. Suzuki, H. Nozaki, T. Tsuji, Development

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54

日本フルードパワーシステム学会論文集of Power Assist System for Manual Worker by Muscle

５）佐々木大輔，則次俊郎，山本裕司，高岩昌弘，空気圧

Suit, IEEE International Conference on Robot and Human

ゴム人工筋を用いたパワーアシストグローブの開発，
日本ロボット学会誌，Vol. 24，
No. 5，
p. 640‑646（2006）

Interactive Communication （RO-MAN 2007）, p. 332‑337

６）H. Tsukagoshi, A. Kitagawa, Y. Kamata, Wearable Fluid（2007）

Power Composed of Transformed Flat Tube Actuators,

４）D. Sasaki, T. Noritugu, M. takizawa, H. Yamamoto,

Proceedings of IROS2002, p. 1178‑1183（2002）.

Wearable Power Assist Device for Hand Grasping Using
Pneumatic Artiﬁcial Rubber Muscle, IEEE International

７）Y. Hasegawa, Y. Mikami, K. Watanabe, Y. Sankai, Five-

Workshop on Robot and Human Interactive Communi-

ﬁngered assistive hand with mechanical compliance of

cation（RO-MAN 2004）, p. 655‑660（2004）.

human ﬁnger, Proc. IEEE ICAR, p. 718‑724（2008）
.

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赤木・堂田・趙・藤川：柔軟空気圧シリンダを用いた伸縮・湾曲機構の試作と組込みコントローラによる姿勢制御 55

研究論文

柔軟空気圧シリンダを用いた伸縮・湾曲機構の試作と組込みコントローラによる姿勢制御＊
赤 木 徹 也＊＊，堂 田 周治郎＊＊，趙菲 菲＊＊＊，藤 川 敬 広＊＊＊＊Development of a Sliding and Bending Mechanism Using Flexible Pneumatic
Cylinders and Attitude Control Using a Tiny Embedded Controller
Tetsuya AKAGI, Shujiro DOHTA, Feifei ZHAO, Takahiro FUJIKAWA
A rod-less type ﬂexible pneumatic cylinder is a novel soft actuator. In this paper, a sliding and bending mechanism
composed of these ﬂexible pneumatic cylinders is described. Due to its simple structure and ﬂexibility, the tested
mechanism can generate a natural ﬂowing movement with multi-motion such as bending, expanding and contracting. A
master-slave attitude control method for the mechanism is proposed and tested. An analytical model of the mechanism isalso proposed for the attitude control. In addition, an inexpensive quasi-servo valve using on/oﬀ control valves and a tiny
embedded controller are utilized in the attitude control system to improve the control performance. As a result, theusability of the proposed mechanism and the eﬀectiveness of the attitude control method by using the analytical model andthe quasi-servo valve are conﬁrmed. This mechanism will be applied to a rehabilitation device for a human wrist as our
future work.
Key words：Flexible mechanism, Flexible pneumatic cylinder, Quasi-servo valve, Tiny embedded controller, Attitudecontrol

1．緒

ビリテーション機器の開発をめざす．具体的には，ロッド言

レス型柔軟空気圧シリンダを３本用いて，円筒形の柔軟湾

現在，介護支援機器やリハビリ機器の開発が活発に行わ
1）−4）

曲機構を試作し，マスタースレーブ方式の姿勢制御を試み．そのようなシステムで用いられるウェアラ

る．また，それを伸縮・湾曲機構に発展させ，姿勢制御を

ブル機器は小型，軽量，柔軟性，安全性が要求される．特行うとともに，他動運動などを行うリハビリ機器を想定しに空気圧駆動機器の場合，駆動機構本体より弁やコント

た試作機構の軌道制御のモデル化およびローエンド（低価ローラ等の周辺機器が大きくなるなど周辺機器を含めたシ格・低性能）組込みコントローラを用いた軌道制御を行う．

れている

ステムの小型化に対して多くの問題を有する．そこで本研

2．柔軟空気圧シリンダと小型疑似サーボ弁

究では，以前の研究で開発した柔軟空気圧シリンダ5）や小型疑似サーボ弁6）などのウェアラブル制御機器を用い，さ2.1 柔軟空気圧シリンダ

らにローコストの小さな組込みコントローラを用いた手首

Fig. 1に本研究で使用するロッドレス型柔軟空気圧シリを含む腕のリハビリテーション機器の開発を最終目標とす

ンダ5）の構造を示す．シリンダは，柔軟チューブ（㈱SMCる．すなわち，装置自身が柔軟性を有し，コンプライアン

製 TUS1208）と，直径９㎜の鋼球，チューブ外側より直径ス制御等を加えなくとも，急激な負荷に対して装置が変形４㎜の真鍮製ローラにより締付けられたアクリル樹脂製ス

することで手首等に伝わる負荷を緩和できる安価・簡単なテージから構成される．またローラの両側は直径３㎜の鋼構造でしなやかな動きができる柔軟ロボットアームやリハ

球で支えられ，ステージにはチューブを保持する役割の直＊平成23年６月８日 原稿受付＊＊

岡山理科大学工学部知能機械工学科（所在地 岡山県岡山市北区理大町１―１）（E-mail：akagi@are.ous.ac.jp）＊＊＊
津山工業高等専門学校電子制御工学科（所在地 岡山県津山市沼624―１）＊＊＊＊

三機工業株式会社（所在地 東京都中央区日本橋室町２―１―１）
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Fig. 1―9―

Construction of rod-less type ﬂexible cylinder
2012年５月（平成24年）

56

日本フルードパワーシステム学会論文集

径３㎜の鋼球が４個設けられている．動作原理は片側の圧（A）であるのに対して，Fig. 2の疑似サーボ弁では50 〜

力室を加圧すると内部の鋼球（φ９㎜）が押され，それに

60dB
（A）
と小さくなることを確認している．これは，音の伴いローラが押され，ステージが動くというものである．

原因である排気流量が絞られているためである．

内部鋼球の保持や駆動が可能で最低駆動圧力の低い最適形

3．伸縮・湾曲機構の姿勢制御システム

状パラメータはローラ軸間距離D＝14.4㎜，ローラ中心軸間
距離W＝10㎜である5）．この時の最低駆動圧力は120kPaで3.1 伸縮・湾曲機構

ある．

試作した伸縮・湾曲機構の構造をFig. 3に示す．構造は直2.2 小型疑似サーボ弁

径100㎜のリング状ステージを２つ有し，下側のリング状

従来，上述のようなシリンダの位置決め制御に対して，

ステージには，３本のロッドレス型柔軟空気圧シリンダ

比例弁であるサーボ弁を使用するが，ソレノイドによって（ストローク250㎜）のスライドステージを中心から直径66

動かされるアーマチュアが容積と重量の大型化につながり，㎜，角度120deg.の位置に取り付けている．スライドステー

さらに高価であるため小型で簡易な駆動システムの開発のジとシリンダ端がついた２つのリング状ステージの中央部障害になっていた．そこで，小型で比較的安価なサーボ弁に背骨チューブ（内径８㎜，外径12㎜，全長250㎜：SMC，の開発をめざし，以前の研究で，疑似アナログ的に流量のTUS1208）を配置している．これは長さを固定すると湾曲調整が可能な疑似サーボ弁を開発した6）．開発した小型制動作だけとなり，自由にすると高さ計測用チューブになり御弁をFig. 2に示す．試作弁は35×20×10㎜の小型On/Oﬀ弁

湾曲伸縮が可能となる．また，伸縮・湾曲機構の姿勢制御（㈱Koganei製G010E1）を２個繋ぎ合わせ，供給源側の弁をを行うためにリング状ステージの中心に３軸加速度センサ

給排気弁（２位置３ポート弁），アクチュエータ側の弁を（㈱Kionix製KXM52-1050）を取り付けている.

流量調整のための可変絞りのPWM駆動弁（２位置２ポート弁）として使用する．このPWM弁によって，デューティ比を変えることで開口面積を制御し，圧力や流量をアナログ的に調整することが可能となり，On/Oﬀ弁では難しかっ
た比例制御などのアナログ制御則の適用が可能となる．具体的な弁の動作としては，制御入力の正負によって，給排気弁をオン，オフすることで給排気を切替え，制御入力の大きさによって，PWM弁の入力デューティ比を変える．
このOn/Oﬀ弁の最大流量は20/min（0.5MPa印加時），質量は15gであり，専用コネクタを用いた弁のサイズは40×42
×10㎜，質量38gのサーボ弁を構成できる．弁は後述する
組込みコントローラ （㈱Renesas製H8/3664F）で駆動される．またPWM駆動弁単体に比べ，常に給排気を繰り返さないため消費空気量が小さく，排気音による動作音が小さ

Fig. 3

Expand and bending mechanism

いという利点がある．動作音の計測実験により，弁から50㎝付近での動作音は従来のPWM駆動弁の場合80 〜 90dB

3.2 姿勢制御システム
伸縮・湾曲機構のマスタースレーブ制御システムの構成とブロック線図をそれぞれ，Fig. 4（a），（b）に示す．ス
レーブ側は試作湾曲機構，加速度センサ，ポテンショメー
タ，３本の柔軟空気圧シリンダを駆動するための６つの疑似サーボ弁と，制御器となるマイクロコンピュータ（㈱Renesas製H8/3664） から構成される．マスター側は，柔軟チューブに直径100㎜の円板と目標値入力用の加速度セン
サとポテンショメータを取り付けたものである．ここでは，
加速度センサは姿勢角センサとして用いる．マスタース
レーブ姿勢制御は以下のように行われる．マスター側とスレーブ側の加速度センサとポテンショメータからの出力電圧をマイコン内のA/D変換器を介して取り込み，後述する
解析モデルを用いてマイコン内で，湾曲方向角α，湾曲角β，Fig. 2

Tested quasi-servo valve using on/oﬀ valves

第43巻

第３号

上下ステージ間のシリンダ距離L（シリンダ長さと呼ぶこ― 10 ―

2012年５月（平成24年）

赤木・堂田・趙・藤川：柔軟空気圧シリンダを用いた伸縮・湾曲機構の試作と組込みコントローラによる姿勢制御 57とにする）を計算する．そして，マスター側とスレーブ側

ここで，Vx ，Vy ，Vzは加速度センサの初期値からの差電圧のシリンダ長さの偏差をもとに制御則に基づき，疑似サーであり，Fig. 5（b）に示すように加速度センサに加わる重ボ弁を駆動し，シリンダの位置決め制御を行い湾曲伸縮の力加速度の各成分に相当するセンサ出力電圧である．Vx，

姿勢を制御する．

Vyは水平面からの角度，Vzは鉛直面からの角度に対応するものである．なお，Vzmaxはステージが水平と鉛直になる場
合のVzの差電圧である．加速度がない状態での予備実験により，⑸，⑹式によるαとβの計算値とカメラによる計測値との誤差は１度以内であることを確認している．

（a）Schematic diagram of control system（a）Analytical model of tested ﬂexible mechanism（b）Block diagram of master-slave control system
Fig. 4Control system of tested ﬂexible mechanism

3.3 姿勢制御のための解析モデル
Fig. 5（a）にアームの姿勢制御を行うための解析モデル（b）Geometric relation between bending angle and output
voltage from the accelerometerを示し，Fig. 5（b）に湾曲角と加速度センサに加わる重力Fig. 5

Analytical model for attitude control

加速度の各成分に相当する出力電圧との幾何学的関係を示す．アームが湾曲した時の柔軟シリンダの形状が円弧であ

4．伸縮・湾曲機構の姿勢制御システムると仮定すると，幾何学的関係から次式を得る．以下の式
において添字iはi＝m，sである．

4.1 組込みコントローラによる制御

2π（ 3 −α ）・βL2i＝ Ri−r・cos

i

4π

⑵

i

（ 3 −α ）・βL3i＝ Ri−r・cos

i

Ri＝L0i /βi

マスタースレーブ制御は以下のPID制御則に基づいて制⑴⎩⎨⎧ ⎩⎨⎧⎩⎨⎧ ⎩⎨⎧

L1i＝（Ri−r・cos（α i）
）
・βi

i

御を行った．
e j＝Ljm−Ljs
u j＝KP ej + KI ∫ej dt + KD

⑶

⑺
de j
dt

⑻

⑷

ここで，添字 j はj＝1，2，3でシリンダ番号，ej は偏差，

ここで，L1，L2，L3は上下ステージ間の各シリンダ長さ，ujは制御入力（弁のデューティ比%）である．また，PID

L0 は背骨チューブの上下ステージ間距離である．添字m，s

ゲインである K（＝1.5%/㎜），K（＝0.003%/㎜ /s），K（＝P
I
D

はそれぞれ，マスター側（目標値），スレーブ側を示す．R

0.025% s/㎜）は限界感度法をもとに調整した．なお，は湾曲アームの曲率半径，rはステージ中心から各シリン

PWM周期は10msを使用し，低いデューティ比ではOn/Oﬀ

ダ中心までの距離（33㎜）である．一方，湾曲方向角αと弁の動作遅れ（約３ms）により動作しない範囲があるため，

湾曲角 β は加速度センサからの出力を用いて，以下の式で⑺式で得られる制御入力に常に23%を上乗せして制御を与えられる．

行った．また，使用したマイコン（H8/3664）はタイマー

α i＝cos−1βi＝cos−1
（
第43巻

Vxi
2
xi

2
yi

V +V

Vzi
）
Vzmaxi第３号⑸⑹

割り込みのあるPWMポートが３ポートしかないため，３本のシリンダつまり，６つの圧力室を制御するには，上位機種のマイコンもしくはもう一つマイコンを追加するなどの措置が必要になる．しかし，本研究ではウェアラブルデ― 11 ―

2012年５月（平成24年）

58

日本フルードパワーシステム学会論文集

バイスとして使用し，できるだけ低価格なコントローラの製作を考えているため，制御中，１本のシリンダの両圧力室のPWM駆動側弁の開口面積は同じになると仮定し，Fig. 4（a）に示すように，１つのPWMポートで２つの弁の開度を調整している．また，マイコン内のA/D変換器を介して得られる加速度センサ出力は10回の移動平均をとることでノイズの影響を軽減している．なお，制御のサンプ
リング周期は33msである．
4.2 制御結果
制御結果である湾曲方向角αと各シリンダ長さLi（計算による推定値）の時間変化をFig. 6に示す．これらは，外付けの10bitシ リ ア ルD/A変 換IC（ ㈱Linear Technology製LTC
1660）を介し，データレコーダ（㈱Graphtec製GL200）で計測した結果である．図において破線はマスター側，実線はス
レーブ側を示す．ここで，比較のために，On/Oﬀ弁のみ使用したOn/Oﬀ制御則による応答結果をFig. 7に示す．Fig. 6とFig. 7からOn/Oﬀ制御結果に比べ，疑似サーボ弁を使用したシステムでは，振動はほとんどないことがわかる．しかしながら，スレーブ側（実線）の姿勢角やシリンダ長さ

Fig. 7が階段状に変化しており，制御性能を改善する必要がある．

Transient responses of tested mechanism using
On/Oﬀ valve

これは，ロッドレスシリンダの摩擦の影響が大きいと考えている．以上のように，高価で質量の大きい市販のサーボ弁を使用しなくとも，安価なOn/Oﬀ弁やマイコン（組込みコントローラ）を用いることで，ウェアラブルな空気圧駆動システムを構成することが可能である．
また，マスター側（目標値）の湾曲方向角αm，湾曲角βm，シリンダ長さL0mを同時に正弦波状（αm：180deg.を中心にFig. 8Frequency response of tube length L0

振幅60deg.，βm：30deg.を中心に振幅15deg.，Lom：100㎜を中心に振幅15㎜）に変えて周波数応答実験を行った．その時の上下ステージ間距離に相当するシリンダ長さL0のボード線図をFig. 8に示す．Fig. 8よりバンド幅周波数が0.8Hz程度であることがわかる．

5．軌 道 制 御5.1 軌道制御のためのモデル化
Fig. 9に湾曲・伸縮ロボットアームを用いた軌道制御のための解析モデルを示す．3.3節と同様に，湾曲時のアーム形
状を円弧として仮定し，Fig. 9において，幾何学的関係より，
アーム先端座標（Xc ，Yc ，Zc）と曲率半径Rは以下の式で与えられる．

Fig. 6

Transient responses of tested mechanism using
tested valve

第43巻

第３号

― 12 ―

Xc＝R・（1−cos β）
・cosα

⑼

Yc＝R・
（1−cos β）
・sinα⑽

Zc＝R・sin β

⑾

L0
β

⑿

R＝

2012年５月（平成24年）

赤木・堂田・趙・藤川：柔軟空気圧シリンダを用いた伸縮・湾曲機構の試作と組込みコントローラによる姿勢制御 59以上の式を数値計算で解くことにより軌道制御は可能で5.2 制御方法と制御結果あるが，一意に座標が計算できないことや，使用したロー

前述の解析モデルを用いた軌道制御方法として，マイコ

エンドのコントローラでは計算に時間がかかるなどの問題

ン内部で構成する制御システムのブロック線図をFig. 10にがある．そこでこれらの式を用いて，軌道制御のための線示す．制御は以下の手順で行う．

形 化 を 行 う． す な わ ち，Xc ＝ Xc 0 + δ Xc ，α＝α0+δα，β＝１）はじめに，伸縮・湾曲機構先端の目標軌道を生成する．

β0+δβ，L0＝L00+δL0とし，平衡点まわりでの微小挙動を考え，

２）センサから入力し，⑸，⑹式などを用いて，α，β，L0δα≒0，δβ≒０と し て 線 形 近 似（sinδα≒δα，sinδβ≒δβ，を求める．同時に⑴〜⑷式を用いて上下ステージ間のcosδα≒1，cosδβ≒1）を行うと以下の式が得られる．

各シリンダ長さL1，L2，L3を計算しておく．

δ XC

A11 A12 A13

δαδ YC ＝ A21 A22 A23

δβ

δ ZC

δL0

A31 A32 A33

３）現在の位置と目標位置から先端変化量δXc，δYc，δZcを求め，⒁式から，δα，δβ，δL0を求め，目標先端位置を⒀

得るα1，β1，L1を求める．さらにこれを用いて目標値となる上下ステージ間の各シリンダ長さL11，L21，L31を

ここで行列の各要素は以下の通りである．
A11＝

L00・sinα 0・（L00・sinβ0・cosα 0−Xc0）（cosβ0 −1）
，A12＝
β0
β0

求める．
４）最後に，各シリンダ長さの偏差を求め，PID制御則な

L00・cosα 0・（1−cosβ0）
・cosα 0（1−cosβ0）
A13＝
，A21＝
β0
β0

どを用いてシリンダ長さを制御し，機構先端を目標位置にもっていく．そして，２）以降を繰り返すことによって軌道制御を行う．

（L ・sinβ0・sinα 0−Yc0）（1−cosβ0）
・sinα 0A22＝ 00
，A23＝
β0
β0

以 上 の 計 算 を ク ロ ッ ク 周 波 数16MHz（ROM容 量32k
Bytes，RAM容量２kBytes，10bitA/D変換８ch，PWMポー

（L ・cosβ0−Zc0）
sinβ0
A31＝０，A32＝ 00
，A33＝
β0
β0

ト３ch）のタイニーマイコンを用いて行う．

最後に，先端座標の変化量（δXc，δYc，δZc）から湾曲角などの変化量（δα，δβ，δL0）を求めるために，上式の両辺1に左からA− をかけると，次式が得られる．これを用いて，軌道制御を行う．
δα

δXc
−1

δ β ＝ A ・ δYc
δ L0

⒁

δZc

Fig. 11

View of movement of the tested mechanism

軌道制御の一例として，高さ一定で，一辺60㎜の正方形を一定の速度（６㎜ /s）で描くように目標軌道を与えた場
合の動作の様子をFig. 11に示す．制御則は，PID制御則を用い，各ゲインは3.1節で述べた値を用いた．制御のサンプ
リング周期は33ms，弁のPWM周期は10msである．また，
目標軌道の計算は，３回の姿勢制御毎に行った．つまり，Fig. 9Analytical model for trajectory control

３サンプル（99ms）毎に目標軌道を変えられることになる．
Fig. 11は真上から見た写真であり，中央の丸印 • が手先位

Fig. 10
第43巻

第３号

Block diagram of trajectory control― 13 ―

2012年５月（平成24年）

60

日本フルードパワーシステム学会論文集

程度，目標軌道（100㎜で一定）からずれることがある．
これは，摩擦の影響に加え，加速度センサのノイズの影響もあると思われる．これらは，本来の目的である手首のリ
ハビリテーションで，手首をロボット上面にのせることで，多少は減少できるものと考えられるが，今後，制御性能の改善のためには重力加速度に頼らない，ロボットの姿勢角検出が必要である．
（a）Track of the mechanism

6．結言

弁やコントローラなどの周辺機器が小容積で，安価で柔軟な手首を含む腕の他動運動を行うリハビリ装置の開発を目指した本研究は以下のように要約される．
１）ロッドレス型の柔軟空気圧シリンダを用いて簡単な構
造の柔軟な伸縮・湾曲機構を試作した．そして，加速度センサ，疑似サーボ弁，ローエンドの組込みコント
ローラを用いた安価でコンパクトなマスタースレーブ
制御システムを構築し，制御性能に対する疑似サーボ
弁の有効性を確認した．
２）加速度センサと解析モデルを用いた仮想姿勢角やシリンダ長さによるマスタースレーブ姿勢制御実験を行った結果，0.8Hz程度までは良好な追従制御ができることを確認した．
３）試作した伸縮・湾曲機構の軌道制御を行うための解析（b）Transient response of end position of the mechanism
Fig. 12

モデルを提案し，ローエンドの組込みコントローラをExperimental results of the attitude control

用いた軌道制御システムを提案・試作した．また，軌
道制御を行った結果，使用するシリンダの摩擦特性に起因する追従誤差を生じるものの，低価格の制御シス置である．写真のように，まず手先位置は初期位置（Xc，Yc，Zc）＝（０，０，100㎜）にあり，その後，（−30，−30，

テムが実現できた．
さらなる制御性能の向上やリハビリテーション機器への100）へ移動し，２秒間停止したあと，一定速度で，（30，−30，100），（30，30，100），（−30，30，100），（−30，−30，

本格的な応用は今後の課題である．

100）へと動き，それを繰り返す．

参 考 文 献

制御実験結果である伸縮・湾曲機構の手先座標（Xc，Yc）の軌跡と，手先座標Xc，Yc，Zcの時間変化をそれぞれ

１）山本圭治郎，兵頭和人，石井峰雄，松尾崇：介護用パFig. 12（a），（b）に示す．図の破線は目標軌道，実線は前ワーアシストスーツの開発，日本機械学会論文集（C）,
Vol.67,No. 657,p. 1499‑1506（2001）

述のモデルを用いてマイコンにより計算されたロボットの手先座標である．図においては，初期位置から左下（−30，２）Kobayashi, H., Shiiba, T., Ishida,Y.：Realization of all ７−30，100）への軌跡は略している．Fig. 12（a）を見ると，

motions for the upper limb by a muscle suit, Journal of

ロボット手先は正方形を描こうとしているが，正方形の角

Robotics and Mechatronics, Vol. 16, No. 5, p. 504‑512（2004）の所は目標軌道からかなりずれている．また，全体的に正方形が目標軌道より内側に入っていることがわかる．この３）Noritsugu, T., Takaiwa, M., Sasaki, D.： Development of

理由として，このロボットアームの場合，湾曲が大きくな

Power Assist Wear Using Pneumatic Rubber Artiﬁcial

る毎に各シリンダの摩擦が大きくなり，線形の制御則（PID

Muscles, Journal of Robotics and Mechatronics, Vol. 21, No.

制御）では偏差が残ってしまうためではないかと考えられ

5, p. 607‑613（2009）

る．次に，Fig. 12（b）の時間変化を見ると，Xc，Yc位置の４）高岩昌弘，則次俊郎：空気式パラレルマニピュレータ

場合，目標軌道に対してロボットアームの手先座標がほぼを用いた手首部リハビリ支援装置の開発―多自由度リ追従している様に見えるが，手先座標が階段状に変化してハビリ動作の実現―，日本ロボット学会誌，Vol. 24，

おり，シリンダの摩擦によるステック・スリップ現象が生

No. 6, p. 747‑753（2006）

じていることが確認できる．一方，Z座標も，所々で５㎜
第43巻

第３号

５）赤木徹也，堂田周治郎：ロッドレス型柔軟空気圧シリ― 14 ―

2012年５月（平成24年）

赤木・堂田・趙・藤川：柔軟空気圧シリンダを用いた伸縮・湾曲機構の試作と組込みコントローラによる姿勢制御

61

ンダの開発とその応用，日本機械学会論文集（C），

タ用小型疑似サーボ弁の試作と解析，日本機械学会論Vol. 73, No. 731, p. 2108‑2114（2007）

文集（C），Vol. 76, No. 772, p. 3665‑3671（2010）６）趙菲菲，堂田周治郎, 赤木徹也：柔軟湾曲アクチュエー

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第３号

― 15 ―

2012年５月（平成24年）

62

日本フルードパワーシステム学会論文集

研究論文

柔軟関節を用いた空気圧駆動鉗子マニピュレータの開発＊（先端屈曲機構の簡略化と外力推定）

原 口 大 輔＊＊，只 野 耕太郎＊＊＊，川 嶋 健 嗣＊＊＊Development of a Pneumatically-Driven Forceps Manipulator
Using a Flexible Joint（Simpliﬁcation of the Joint Mechanism and External Force Estimation）

Daisuke HARAGUCHI, Kotaro TADANO, Kenji KAWASHIMAThis paper presents the ﬁrst prototype of a pneumatically-driven forceps manipulator using a simple ﬂexible joint forenhanced practicalities. A high performance spring component with wire actuation is employed for a two-degree of freedom(DOF) bending joint, and a two-DOF tendon drive system is implemented using four pneumatic cylinders. The kinematics
is described using a continuum model and the dynamics are described as a linear elastic rod with the friction of wires. For
the control system, a cascade controller with two control loops of the joint position and a pneumatic driving force isdesigned, which shows good performance at a suﬃcient working frequency for surgical operations. In addition, the forceps
manipulator can estimate external forces using a disturbance observer. A link approximation model is introduced to design
the observer for an intuitive approach. As the ﬁrst step, the eﬀectiveness of the force estimation is experimentally veriﬁedin the basic straight posture of the ﬂexible joint.
Key words：Medical Equipment, Pneumatics, Forceps Manipulator, Flexible Joint, Force Estimation

1. 緒

高めることが必要となる．先行研究においては，超弾性合

言

金ワイヤを多数のディスクで連結した屈曲機構が提案され，ロボット支援環境下における低侵襲手術において近年，

外径５㎜前後の多自由度マニピュレータが開発された5），6）．

術創（切開創）の最小化はもとより，単孔式内視鏡手術やしかしこの機構においては，屈曲可動域および剛性を確保

微細手術への適用を目的として，高度に小型化・多自由度するための構成部品が多く必要であり，組み立てにも労力

1）
，
2）

化されたマニピュレータが開発されている．これらのを要すると考えられる．

多くは関節の機構に剛体リンクを用いているが，一般に構

そこで本研究では，関節の主構造に切削加工型の高性能造が複雑で部品点数も多くなり，整備性の悪化や製造コススプリングを採用し，その内部に超弾性合金の補強を施す

トの増大といった問題を生じる．このため関節機構の簡略ことによって，最小限の構成部品で剛性の高い屈曲機構を化が実用上重要な課題である．

提案する．本機構を用いて，屈曲２自由度を持つ鉗子マニ

弾性体や連続体を主構造とする柔軟関節は，剛体リンク

ピュレータを開発する．

機構に比べはるかに構造が単純である．柔軟関節にはシャ

また筆者らはこれまでに，力覚提示機能を有する空気圧

フト，ベアリング，プーリなどの部品が一切無く，内部の駆動の鉗子マニピュレータを開発してきた7），8）．最大の特スペースを広く使えるという利点があるため，主として内

徴は，空気圧駆動システムの持つ高いバックドライバビリ

3）
，
4）

視鏡の屈曲機構に用いられている．これらは構造が非ティによって，鉗子先端に力センサを搭載することなく外

常に単純なため，本来小型化・多自由度化に適した構造で力を推定できることである．本研究においてもマニピュあるが，マニピュレータに適用するためには機構の剛性をレータに空気圧駆動システムを採用し，外乱オブザーバによる外力推定機能を実装する．オブザーバの設計にあたっては，柔軟関節を剛体リンク機構に近似した運動学モデル＊

平成23年６月９日原稿受付＊＊
東京工業大学大学院メカノマイクロ工学専攻（所在地 神奈川県横浜市緑区長津田町4259）（E-mail：haraguchi.d.aa@m.titech.ac.jp）

を導入し，より直観的で簡易なアルゴリズムによって外力推定を実現する．

＊＊＊

東京工業大学精密工学研究所（所在地 神奈川県横浜市緑区長津田町4259）
第43巻

第３号

― 16 ―

2012年５月（平成24年）

63

原口・只野・川嶋：柔軟関節を用いた空気圧駆動鉗子マニピュレータの開発した．ただし，駆動ワイヤの張力によってスプリング全体が圧縮してしまうと，屈曲可動域が確保できなくなることから，直径0.7㎜のニッケルチタン超弾性合金ワイヤを中心部に補強し圧縮に対する剛性を確保している．また，先端には空気圧グリッパ7）を採用しているため，関節の屈曲とグリッパの把持動作とが互いに干渉することはない．なお，本鉗子マニピュレータは先行研究7）において開発された４
自由度の保持マニピュレータに搭載して操作することができる．

3. 空気圧駆動システム
3.1 システム概要
Fig. 2は，本鉗子マニピュレータの空気圧駆動システム全体の模式図である．ポテンショメータからのシリンダ位置
信号と，サーボ弁の出力ポートにおける圧力信号を制御用
コンピュータに取り込み，サーボ弁への入力電圧を計算して出力するシステムである．シリンダの駆動力を計測する
ための圧力センサを制御システム側に配置することで，マニピュレータ側はセンサレスで駆動力を推定できるようになっている．
3.2 空気圧シリンダによる柔軟関節の拮抗駆動
本鉗子マニピュレータは，４本の空気圧シリンダによって２自由度のワイヤ拮抗駆動系を備えている．Fig. 3はそのFig. 1

Overview and joint mechanism of the forceps
manipulator

うち１自由度の拮抗駆動系の模式図であり，各シリンダをそ れ ぞ れ １ 個 の ５ ポ ー ト 型 サ ー ボ 弁（FESTO社 製，
MPYE-M5-B SA）により制御するシステムである．ここでTable 1

Properties of the spring component

拮抗駆動の２自由度状態変数として，各シリンダロッド位
T

置Xから得られる変位パラメータd＝［dx，dy］，および各シ

Material

SUS303Whole length

27㎜

動力）w＝
［wx，wy］を導入する．dは拮抗駆動をなすそれぞOuter diameter

10㎜

れのシリンダ組において，ワイヤをより引っ張る側のシリ

Spring constant

2.5N/㎜

ンダロッド位置で与える．これにより，駆動時のワイヤのBending range

リンダの駆動力Fから得られる駆動力パラメータ（拮抗駆T弛みが関節の位置情報に及ぼす誤差を最小限に抑えること±60degができる．またwはそれぞれのシリンダ組における駆動力の差として計算するものとする．具体的にFig. 3の場合で考えると，上記で導入した状態変数は次のように与えられる．

2. 鉗子マニピュレータの設計試作した鉗子マニピュレータの外観および機構をFig. 1に
示 す． 駆 動 部 に ４ 本 の 空 気 圧 シ リ ン ダ（SMC社 製，
CJ2QB10-15）およびロッド位置計測のためのポテンショ
メータを搭載し，先端部の柔軟関節をワイヤを介して駆動する．柔軟関節は，外殻のスプリングに４本のワイヤを通した構造となっており，拮抗駆動によって２自由度の屈曲が可能である．ここで外殻構造として用いたスプリング部
材は，一般的な巻きばねと異なり，切削加工によって取付部やワイヤ通し穴などを含めて一体成型されている（Table
1参照）．この高性能スプリングによって，機構の部品点数を大幅に削減するとともに，屈曲機構の高い安定性を実現
第43巻

第３号

Fig. 2 Schematic diagram of the pneumatic driving system― 17 ―

2012年５月（平成24年）

64

日本フルードパワーシステム学会論文集

直線状態でワイヤ最低張力F0を作用させ，弛みを取り除いてからシリンダ位置X（ポテンショメータ）を初期化しているため，式⑴で表わされる位置パラメータdが不連続となることはない．

4. 柔軟関節のモデル化
4.1 運動学モデル
柔軟関節の運動学は，連続体モデル9）により記述できる．
本モデルでは柔軟関節の２自由度屈曲を表すため，角度にT関する位置座標q＝［δ，θ］を定義する．Fig. 4に示すように，δは屈曲方向，θは屈曲角度として独立に与えられる．
また本モデルにおいて，柔軟関節は中心長さLが変わることなく理想的な円弧状に屈曲するものと仮定する．以上の条件により，前項で定義した拮抗駆動系の変位dと，関節位置qとの運動学的関係が次式で与えられる．
Fig. 3

Schematic of one-DOF tendon drive system

⎩―⎨―⎧

d＝
⑴

wx＝F1−F2⑵

dx＝

X 1 （X 1 ≤ X 2 ）−X2（X1＞X2）

上式においてシリンダロッド位置X1，X2はポテンショメーrθcosδ

⑸rθsinδ

を表す．次に関節位置を拮抗駆動系の各自由度に独立に対T応させて記述するため，新たな角度パラメータφ＝［φx，φy］
を用いて以下のように書きかえる．
d＝rφ，式により得られる．
F2＝A2uP2u−A2ℓ P2ℓdy＝

式中のrは各ワイヤの配置円の半径（本試作機では4㎜）

タにより直接計測され，またシリンダ駆動力F1，F2は次のF1＝A1uP1u−A1ℓ P1ℓ

dx

φ＝
⑶

φx
φy

⑹
＝

θcosδ
θsinδ

（０≤δ＜２π，0≥θ）⑺

これにより柔軟関節の位置座標を，拮抗駆動系に対応す

ここで記号Aはシリンダの受圧面積を，Pはサーボ弁の出るリンク機構の角度のように取り扱うことができる．ただ力ポートにて計測される圧力をそれぞれ表わしている．なし関節が直線状態（φx＝φy＝０）のとき式⑺よりθ＝０

おサーボ弁からシリンダまでの配管内空気の動特性に係るとなるが，δの解が無数に存在する．このときは形式的に影響については，本研究では無視できると仮定する．また

δ＝δref（制御目標値）とすることにより関節位置座標を

シリンダ摺動部の摩擦については上式で考慮していないが，一意に決定する．本研究ではこの角度パラメータφを，位拮抗駆動の動力学モデル式⑻においてシステム全体の摩擦

置制御系における制御状態量として利用する．

項に含める形でモデル化しているため，位置制御や外力推さらにFig. 4に示すように，いくつかのローカル座標系を定義しておく．ベース座標系{ xb，yb，zb}は柔軟関節の根元定を行う上では問題とならない．
一方，拮抗駆動のための各シリンダ駆動力Fの制御則は，中心部に位置し，xb，yb軸がそれぞれ１番，3番のワイヤ穴

以下に示すような拮抗駆動力wの分配則によって与えられ上を通るように定義する．これがマニピュレータの運動をる．次式はFig. 3に示した１自由度の場合で，記述する際の慣性座標系にあたる．次に屈曲平面座標系

F1ref＝F0＋
F2ref＝F0＋｜wxref｜＋wxref
2｜wxref｜−wxref⑷

2となる．式中の添え字refは制御目標値であることを示す．
なお拮抗駆動力の目標値wrefの計算については，5.1節で説明する．この分配則によってシリンダ駆動力は常にF0以上の値となり，シリンダの摩擦などを無視すれば駆動ワイヤの張力は理論上F0以上に保たれる．つまりワイヤの弛みを排除することにより位置制御の剛性を高めると同時に，外力推定に不可欠な機構のバックドライバビリティを高く維持することができる．実装においては，あらかじめ関節の
第43巻

第３号

Fig. 4 Nomenclature and coordinates of a continuum model― 18 ―

2012年５月（平成24年）

原口・只野・川嶋：柔軟関節を用いた空気圧駆動鉗子マニピュレータの開発

Fig. 565

Block diagram of the joint position control system

τq＝JdTw{ x1，y1，z1}は，ベース座標系をzb軸まわりにδだけ回転さ⑽せた座標系であり，すなわちx1−z1平面が関節の屈曲方向

柔軟関節を等方的な曲げ剛性を持つ弾性ロッドと仮定す平面をなす．そしてエンド座標系{ xe，ye，ze}は柔軟関節のると，関節の弾性エネルギーは屈曲角度θのみに依存して先端中心部に位置し，屈曲平面座標系をy1軸まわりにθだ変化する．つまり式⑽を，τδ＝０の条件のもとにwについけ回転させた座標系である．以上により定義した座標系は，て解くことにより，柔軟関節の静力学が得られる．

次節で説明する外乱オブザーバの構築に際して必要となる．

τθ
w＝
r

4.2 動力学モデル
関節の動力学についても位置座標と同じく拮抗駆動系で5. 柔軟関節の運動制御

置座標φおよびqの関数として次式で与えるものとする．
・

･･

・

⑻

sinδ

⑾

＝K（q）

なお本研究では，τθを線形近似により実験的に同定した．

記述する．拮抗駆動系の機械インピーダンスZを，関節位
Z＝Mφ＋Cφ＋Dsign
（φ）
＋K
（q）

cosδ

5.1 位置制御システムの設計

式中の第１項は慣性項である．マニピュレータ先端の質

Fig. 5は，柔軟関節の位置制御系ブロック線図である．関量は小さく比較的低速での駆動を想定していることから，

節位置制御ループの内側に空気圧駆動力の制御ループを組

他の項に比べて影響が非常に小さいと考えられるため，こみ込み，カスケード制御系を構築した．なおシステムの制

こでは慣性項を無視する．同様に重力加速度の影響も考え

御周期は１msで，本鉗子マニピュレータの位置および駆動ないものとする．第２項は粘性摩擦，第３項はクーロン摩力制御には十分高速である．以下に制御の流れについて説

擦に関する項であり，具体的にはシリンダの摺動摩擦およ

明する．

び機構―ワイヤ間の摩擦を表している．それぞれの係数C

まず与えられた目標位置qrefを，式⑺で表わされる関数Φ

およびDは定数として実験的に決定した．第４項は弾性力

によって角度パラメータφに変換する．位置制御ループに項であり柔軟関節の静力学に由来する．柔軟関節の静力学

おいてはφを制御変数に用いており，PD制御則により拮は仮想仕事の原理を用いて以下のように求められる．まず抗駆動力の目標値wrefを計算する．また式⑻で示した関節式⑸を時間微分することにより，ヤコビ行列 Jdを得る．
・
d＝Jd ・
q，の動力学モデルに基づき，拮抗駆動力のフィードフォワー

Jd＝rθsinδ

−rcosδ

−rθcosδ−rsinδ

ド補償Zﬀを実装し応答性を向上させている．次に式⑷に示⑼した分配則によって，拮抗駆動力wrefから各シリンダの目
標駆動力Frefを決定する．それぞれの駆動力制御ループにT［τδ, τθ］を次に，関節位置座標qについての一般化力τq＝

おいては，PID制御則によりサーボ弁への入力電圧を計算

考えると，仮想仕事の原理によりτqと拮抗駆動力wの関係

し，式⑶のように推定されるシリンダ駆動力Fを制御する．

を次式で表わすことができる．

そして計測された各シリンダ変位Xから，式⑴のように表

第43巻

第３号

― 19 ―

2012年５月（平成24年）

66

日本フルードパワーシステム学会論文集

Table 2Gain parameters used in the experiments

Kpp

2.0

N/rad

Kpd

0.01

Ns/rad

Kap

0.20

V/N

Kai

2.0

V/Ns

Kad

0.001

Vs/N

Table 3

（For both x and y axis）（For all cylinders）

Fig. 7

Experimental results of the joint position control in
the case 2

Fig. 8Experimental results of the joint position control in
the case 3

Reference inputs applied in the experimentsδref［deg］

θref［deg］

Case 130（const.）

50 sin πt（0.5Hz）

Case 230（const.）

50 sin 4πt（2.0Hz）

Case 385 sin 2πt（1.0Hz）30（const.）

わされる関数Dによって拮抗駆動系の変位dを求め，式⑹に示した柔軟関節の運動学により現在の関節角度φを得ている．
5.2 位置制御実験
設計した制御システムを用いて位置制御実験を行い，応まずFig. 6は，Case 1における関節位置及びシリンダ駆動

答性の検証を行った．制御システムにおける各ゲインパラ

力の時間応答のグラフである．関節位置については，拮抗メータ（Fig. 5参照）はTable 2のように設定し，関節の目駆動の状態を示すためφx，φyを用いて表わしており，本標位置入力を３種類のケースについてTable 3のように与えケースでは非常に滑らかで良好な目標追従性を確認できる．

た．また，式⑷に示した拮抗駆動におけるワイヤの最低張しかし屈曲角度が０°付近で，わずかだが急激に変化する

力F0を0.5Nに設定した．

現象が見られる．これは柔軟関節内部の超弾性合金が，外殻スプリングの復元力やワイヤ張力を受けて座屈し，屈曲
方向の飛び移りを引き起こしたことが原因と考えられる．
また駆動力については，サーボ弁によっては応答がやや振動的になるものの，全体として良好な目標追従性を確認できる．すべての駆動力が常に最低張力以上に保たれており，ワイヤが過度に弛むことなく拮抗駆動が実現できたと考えられる．
次にFig. 7は，Case 2における関節位置の時間応答を示している．本ケースは，位置目標入力の周波数をCase 1より大きくしたものである．結果としては，関節の最大屈曲点において若干のオーバーシュートが見られるものの，位相が遅れることはなく全体として良好な追従性が得られている．一般的な手術タスクに必要な動作周波数は最大でも２〜３Hz程度であることから，制御系自体の帯域幅は十分であると言える．
次にFig. 8は，Case 3における関節位置の時間応答を示している．本ケースは，各拮抗駆動の動作周波数および動作中心が異なる複雑な動きである．結果をみると，屈曲角度
０°を中心とする広い範囲で，前述の飛び移り現象が顕著

Fig. 6

Experimental results of the joint position control
in the case 1：the joint positions（upper）and thepneumatic driving forces（middle, lower）

第43巻

第３号

に表れている．この原因としては，複雑に変化するワイヤ駆動力に対して関節内部の超弾性合金が所望の方向にスムーズに屈曲できず，拮抗駆動の自由度間の干渉が大きく― 20 ―

2012年５月（平成24年）

67

原口・只野・川嶋：柔軟関節を用いた空気圧駆動鉗子マニピュレータの開発なったことが挙げられる．またφy方向の最大屈曲角が目標値に届かず，顕著な位置偏差となっている．これは柔軟関
節の動力学モデル，特に弾性力モデルの誤差によって，拮抗駆動力に対するフィードフォワード補償が適切に行われなくなったためと考えられる．なお空気圧シリンダの静止
摩擦（0.5N程度）も原因の一つではあるが，これは関節の屈曲に要する駆動力に比べると十分小さく，Fig. 6およびFig. 7の結果を踏まえると今回の位置偏差に対する影響は少ないものと考えられる．
以上の位置制御実験により，構築した制御システムの有効性を確認した．しかし関節構造である超弾性合金の座屈Fig. 10に起因して，位置制御精度が悪化する問題点も明らかとBlock diagram of the disturbance observer

なった．
る．そこで本研究では外力推定の第一段階として，連続体6. 外力の推定

モデルの代わりに近似的なリンクモデルを導入し，少ない計算量でより直観的な解を得ることを試みる．リンク近似

6.1 外乱オブザーバ
本研究では外乱オブザーバを用いて，マニピュレータ先

モデルの概念図をFig. 9に示す．このモデルにおいては，端にかかる外力の推定を行う．以下にオブザーバの設計方

柔軟関節の中心に仮想的な回転および屈曲のリンク機構が法について述べる．

あると仮定する．この仮定によれば，関節座標系におけるまず関節の運度方程式を，拮抗駆動系で以下のように記述する．

一般化力τδ,τθは，仮想リンクまわりのトルクに対応して
qいる．すると，先端にかかる外力の各リンク方向成分 fˆext

w＋wext＝Z⑿
T

式中のwext＝［wxe, wye］は拮抗駆動系にかかる外力を表す．
拮抗駆動力wは各シリンダ駆動力Fから得ることができ，また関節の動力学Zは前節で示した理論モデルによりẐとして同定すれば，拮抗駆動系の外力を次式により推定することができる．
ŵext＝Ẑ−JaF⒀

なおJaはFからwへの変換行列である．次に，求めた外力Tŵextは式⑽により関節座標系の一般化力τ̂ext＝［τδe，
τθe］に変Tq＝［fδe, fθe］が，対角ヤコビ行列 Jtを用いて解析的に求めら
れる．
qˆ
ext

−1
ˆ ext
f ＝（qJtT）
τrθ
（wxsinδ−wycosδ）
ℓsinθ
＝
r
− （wxcosδ＋wysinδ）ℓℓsinθ ０
q
Jt＝
０
ℓ

，
⒂

式中のℓはFig. 9に示した仮想リンク長である．モデル

換できる．
τ̂ext＝JdTŵ ext⒁
T
マニピュレータ先端にかかる外力fˆext＝［ fx，fy，fz］を得る
ためには，関節座標qから先端座標ptへのヤコビ行列Jt（3×2）の定義によれば，ℓは柔軟関節の長さLおよびグリッパ部
長さLgを用いてℓ＝L/2＋Lgと表わせる．本研究においては，
qFig. 1よりℓ＝44㎜となる．ちなみに， fˆ は特異点θ＝０°extを用いる方法が理論上厳密である．しかしこの方法は擬似においても，δ＝δretとしてロピタルの定理を適用するこ

逆行列の計算を必要とするため，マニピュレータの特異点とにより求めることができる．求めた外力成分fδe，fθeはそであるθ＝０°付近での計算精度が悪化するという問題があ

れぞれye軸，xe軸方向の成分であるから（Fig. 4参照）
，次式の座標変換によって慣性系（ここではベース座標系）で表わした外力ベクトルfˆ を得ることができる．
fˆext＝（bRe）efˆext

ext⒃

上式において Reはエンド座標系｛ xe，ye，ze｝からベーbス座標系｛ xb，yb，zb｝への回転行列を表す．以上の考え方によって構築した外乱オブザーバのブロック線図をFig.
10に示している．
6.2 外力推定実験
前項で構築したオブザーバの有効性を実験により評価す
Fig. 9Concept of the link approximation in force
estimation

第43巻

第３号

る．本研究ではリンク近似モデルに対する評価の第１段階として，単一自由度（φx）方向についての外力推定実験を― 21 ―

2012年５月（平成24年）

68

日本フルードパワーシステム学会論文集

Fig. 11

Experimental results of the external force estimation
during the one-DOF free motion：the joint position（upper）and the estimated force（lower）

Fig. 13

Experimental results of the external force estimation：
the joint position (upper), the estimated and themeasured force（lower）

本実験のような１自由度方向の外力検出に対して有効であると言える．

7. 結

言本研究では小型化・実用化に適した２自由度の柔軟屈曲関節を用いて，空気圧駆動による鉗子マニピュレータを開発した．
１）柔軟関節の構造は，外殻の高性能スプリング部材に超弾性合金ワイヤの補強を加えたもので，従来の構
Fig. 12Experimental setup for force measurement

造に比べ大幅な部品点数の削減を達成した．
２）空気圧シリンダによって２自由度の拮抗駆動をマニ行った．本実験は制御系の各ゲインおよび拮抗駆動の最低

ピュレータに実装し，連続体モデルを用いて位置制

張力F0を5.2節と同様に設定し，以下に示す位置制御入力を御システムを設計した．位置制御実験の結果，制御与えて外力推定を行うものとした．

系としては手術タスクに十分な応答性を持つことをδref＝０ ［deg］
θref＝30sin2πt ［deg］

確認したが，関節構造である超弾性合金の座屈変形⒄

により位置制御精度が悪化する問題点も明らかとなった．

まずFig. 11は，鉗子マニピュレータを無負荷で自由運動させたときの位置および外力推定値の時間変化を示す．こ３）リンク近似モデルを用いて外乱オブザーバを設計し，の実験における所望の外力推定値は０Nであるから，実際第１段階として関節の直線姿勢における外力推定のには±0.1N程度の推定誤差が生じていることになる．これ

有効性を確認した．

はオブザーバに用いた動力学モデルの誤差に起因するもの

今後の課題としては，任意の屈曲状態における外力推定であり，精度向上のためにはより厳密なモデル化を行う必精度の検証が挙げられる．リンク近似モデルにおいては，要がある．

関節の屈曲角度が増加するにつれて柔軟体モデルとの先端

次にFig. 12に示すように，鉗子のグリッパを力センサの位置誤差が増加するため，これに起因する外力推定誤差の受感部に噛ませて固定し，式⒄の位置目標を与えて実験を定量的な評価が必要と考える．ただし現試作機においては，行った．このときの関節位置，オブザーバによる外力推定

超弾性合金の座屈に起因する動力学の非線形要因の影響が値および力センサの計測値をFig. 13に示す．この実験にお大きくなると予想されることから，まずハードウェアの改

いては，外力の計測値と推定値とで局所的に最大0.2N程度

良を行い座屈の起こりにくい関節構造とする必要がある．

の誤差が生じている．これは先端を固定したことによって具体的には，スプリング中心の穴径を小さくすることに関節内の超弾性合金が座屈し，屈曲方向の飛び移り（5.2節

よって超弾性合金を周囲から支持し，圧縮応力を均一に分参照）の影響が大きくなったためと考える．しかしそれ以散させる方法を検討している．

外の部分では±0.1N程度の誤差範囲内に収まっており，自由運動時と同じ推定精度が得られている．すなわち外力推定の簡易アルゴリズムとして導入したリンク近似モデルは，
第43巻

第３号

― 22 ―

2012年５月（平成24年）

原口・只野・川嶋：柔軟関節を用いた空気圧駆動鉗子マニピュレータの開発

謝69

IROS 2007. IEEE/RSJ International Conference on, p.

辞

1815‑1821 (2007)

本研究に際し，東京工業大学・香川利春教授に多くのご

５）Simaan, N.：Snake-Like Units Using Flexible Backbones

助言をいただいた．ここに記し感謝の意を表する．また本

and Actuation Redundancy for Enhanced Miniaturization,

研究は，科学研究補助金基盤研究B（課題番号：21360114）

Robotics and Automation, 2005. ICRA 2005. Proceedings

およびJST CREST（研究課題名：「知覚中心ヒューマンイ

of the 2005 IEEE International Conference on, p. 3012‑3017

ンターフェースの開発」）の助成を受けたものである．

(2005)
６）Wei, W., Xu, K., Simaan, N.：A Compact Two-armed Slave

参 考 文 献Manipulator for Minimally Invasive Surgery of the Throat,１）Ikuta, K., Sasaki, K., Yamamoto, K., Shimada, T.：Remote

Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2006. BioRob

Microsurgery System for Deep and Narrow Space-2006.TheFirstIEEE/RAS-EMBSInternationalConference

Development of New Surgical Procedure and Micro-roboticon, p. 769‑774 (2006)

Tool, Medical Image Computing and Computer-Assisted

７）Tadano, K., Kawashima, K., Kojima, K., Tanaka,

Intervention （MICCAI） 2002, Vol. 2488 of Lecture Notes

N.：Development of a Pneumatic Surgical Manipulator

in Computer Science, p. 163‑172 (2002)

IBIS IV, Journal of Robotics and Mechatronics, Vol. 22, No.
2, p. 179‑188 (2010)

２）Yamashita, H., Matsumiya, K., Masamune, K., Liao, H., Chiba,T., Dohi, T.：Two-DOFs Bending Forceps Manipulator of８）Tadano, K., Kawashima, K.：Development of a Master3.5-mmdiameterforIntrauterineFetusSurgery：Feasibility

SlaveSystemwithForce-SensingAbilitiesUsingPneumatic

Evaluation, the 20th International Congress and Exhibition,

Actuators for Laparoscopic Surgery, Advanced Robotics,

Computer Assisted Radiology and Surgery (2006)

Vol. 24, No. 12, p. 1763‑1783 (2010)３）Hirose, S.：Biologically Inspired Robots：Serpentile９）Xu, K., Goldman, R., Ding, J., Allen, P., Fowler, D., Simaan,

Locomotors and Manipulators, Oxford University Press

N.：SystemdesignofanInsertableRoboticEﬀectorPlatform(1993)

for Single Port Access (SPA) Surgery, Intelligent Robots

４）Choi, D.-G., Yi, B.-J., Kim, W.-K.：Design of a spring backbone
micro endoscope, Intelligent Robots and Systems, 2007.

第43巻

第３号

― 23 ―and Systems, 2009. IROS 2009. IEEE/RSJ International
Conference on, p. 5546‑5552 (2009)2012年５月（平成24年）

70

日本フルードパワーシステム学会論文集

研究論文

突発的な負荷を考慮した６自由度人工筋肉マニピュレータの手先剛性制御＊
戸 森 央 貴＊＊，田 中 大 資＊＊，前 原 正 典＊＊，加 茂 大 地＊＊，中 村 太 郎＊＊＊End-Eﬀector Stiﬀness Control of 6-DOF Artiﬁcial Muscle Manipulator
Considering Instantaneous Load
Hiroki TOMORI, Daisuke TANAKA, Masanori MAEHARA, Daichi KAMO, Taro NAKAMURA
Robots have entered human life, and closer relationships are being formed between humans and robots. It is desirable
that these robots be ﬂexible and lightweight. For this reason, we studied and developed an artiﬁcial muscle actuator using
straight-ﬁber-type artiﬁcial muscles derived from the McKibben-type muscles, which have excellent contraction rate andforce characteristics. Therefore, we developed a 6-DOF artiﬁcial muscle manipulator, which has a wider moveable range
than that using McKibben-type artiﬁcial muscle. However, this manipulator vibrates when receiving a sudden load, because
the artiﬁcial muscle is ﬂexible. For this problem, we suggest that control of joint stiﬀness is eﬀective. In this paper, we
controlled joint stiﬀness of the 6-DOF artiﬁcial muscle manipulator, and obtained a compliance ellipse of the end-eﬀector. In
addition, this manipulator controlled vibration of the end-eﬀector by changing joint stiﬀness depending on the position of
the end-eﬀector.
Key words：Hydraulic system, Pneumatic system, Water hydraulic system

1．緒現在まで，空気圧人工筋肉を用いた多自由度マニピュ言

レータに関する研究はいくつか報告されている．岡崎ら12）

近年，ロボットが様々な場面で人間生活に進出している．

はMcKibben型人工筋肉を用いた６自由度のマニピュレー

特に，高齢化社会を迎えるにつれて，介護・リハビリテー

タを開発している．また則次ら13）や川嶋14）,15）はそれぞれ理ションロボットの需要は年々増加している．これらのロ学療法や災害現場での適用を想定したマニピュレータを開

ボットは人間と密接に接した環境で活動するため，人間と発している．さらに，Tonduらはヒューマノイドロボット

接触した際の安全確保や，人間と同じ動作特性を持つことのための７自由度のマニピュレータの開発をおこなっていが求められている．現在このような人間共存型ロボットのる16）．しかしながら，いずれの研究もMcKibben型人工筋肉

仕様を実現させるアクチュエータとして一般的にを用いているため，アームの稼動範囲が狭いといった課題

McKibben型空気圧ゴム人工筋肉1）‑4）が注目されている．こがある．また，人工筋肉はその柔軟性ゆえに，位置制御がの人工筋肉は人間に近い筋特性を持ち，柔軟である特徴を非常に困難である．岡崎ら12）や藤本ら17）によって剛性制御有しているため，人間と近い環境で活躍するロボットのアを含めた位置制御に関する検討は行われているものの，十クチュエータとして適していると考える．一方，著者らが分とは言えない．したがって，人工筋肉の柔軟性により外開発し，本研究で使用している軸方向繊維強化型人工筋

乱の影響を受けやすく，手先に突発的な負荷が加わった際

5）
‑10）

肉

は，従来のMcKibben型ゴム人工筋肉比べ収縮率や収11）にマニピュレータが不安定化する問題があった．一般的に縮力が高く，寿命が長いという長所を有している ．したは，アームにかかる負荷トルクを補償する制御が広く用いがって，本人工筋肉をマニピュレータに適用することで可られているが，負荷トルクの変動時に手先の位置が変動し動領域や剛性制御の範囲が広がることが期待できる．

てしまう．一方，剛性制御を用いた場合は，負荷トルクの変動にかかわらず手先を維持することができるという利点がある．

＊

平成23年６月29日 原稿受付

これまでに，著者らは単関節を有する人工筋肉マニピュ＊＊

中央大学大学院理工学研究科（所在地 東京都文京区春日１―13―27）（E-mail：h̲tomori@bio.mech.chuo-u.ac.jp）＊＊＊
中央大学（所在地 東京都文京区春日１―13―27）
第43巻

第３号

レータを用いて関節剛性制御を検討した18）．また，前述のような人間とロボットを取り巻く環境を鑑みると，マニピュレータの多自由度化は重要な事項である．そこで，著者らは軸方向繊維強化型人工筋肉を用いた6-DOFマニピュ― 24 ―

2012年５月（平成24年）

戸森・田中・前原・加茂・中村：突発的な負荷を考慮した６自由度人工筋肉マニピュレータの手先剛性制御

71

レータの開発とその位置制御手法の検討をおこない，人間の腕と同等の広い可動範囲を持つマニピュレータの開発に成功している6）,19）．しかしながら，本マニピュレータの各関節剛性によって生まれる手先の剛性については未検討である．本マニピュレータが人間と共同作業をおこなう場合に最も人間と接触する部分は手先であるため，手先の剛性制御は有用である．また，人工筋肉マニピュレータにより高度な動作（手先で字を描いたり，人間と一緒にものを運ぶといった協調作業）をさせるためには，周辺の環境に応じて各関節剛性を変化させる必要がある．人工筋肉を用い

Fig. 2 Relationship between pressure and contraction force

た剛性制御としては，大島らが二関節筋を有する２関節マ
ニピュレータによって手先の剛性楕円体を解析しているが，20）

柔軟性と衝撃吸収能力を有しており，構造的に安全なロボットの実現が可能である．しかし，外乱の影響を受けや

生物学的知見からの検証にとどまっている ．
そこで，本研究では６自由度マニピュレータに手先の関

すく，非線形特性も有するため，制御が難しいという面も

節剛性制御を取り入れる．まず，ヤコビ行列から各関節の持っている．

剛性Kjを導出する．また，手先の変位量をシミュレーショ

2.2 6-DOF人工筋肉マニピュレータ

ンで算出し，各関節剛性を変化させた際の剛性楕円体を求本研究で使用した6-DOF 人工筋肉マニピュレータの概要

め，実際に手先に負荷を加える実験を行い，シミュレー

をFig. 3に示す．本マニピュレータは一つの関節に対してションと比較を行った．さらに，高剛性領域を設定して，プーリを介して人工筋肉を拮抗させる構造をとっており，

一定負荷時の押し付け力の検討と負荷に対する安定性の検本構造と各人工筋肉の圧力を制御することにより関節角度討を行う．

と剛性を独立に制御することができる．また，制御システ
ムに力学的平衡モデルを導入することで，非線形特性と外2．軸方向繊維強化型人工筋肉

乱の影響を補償し制御性能を向上させている21）．さらに，手先が任意の位置・姿勢がとれるように，肩３自由度，肘2.1 本人工筋肉の概要
本研究で使用した軸方向繊維強化型人工筋肉の概略図をFig. 1に示す．本人工筋肉は素材に天然ラテックスゴムを使

１自由度，手首２自由度と設定して，人間の腕に近い関節配置になるように設計した．

用しており，ゴムをチューブ状に成形し，ゴム内部の軸方向へカーボンロービング繊維を内包した構造を有する．このとき，層状に繊維を配置することで一部のゴムの過膨張を防ぎ，耐久性，効率を向上させている．
本人工筋肉に空気圧を供給すると，ゴム膜は膨張するが，繊維は伸びないため軸方向の長さは拘束される．その結果，人工筋肉は半径方向に膨張して軸方向に収縮する．このときの収縮力をアクチュエータとして利用する．ここで，軸方向繊維強化型人工筋肉とMcKibben型人工筋肉の収縮力をFig. 2に示す．比較に用いた人工筋肉は両者とも同じ寸法であり，内径10㎜，長さ180㎜である．Fig. 2より，本人工
筋肉はMcKibben型人工筋幾に比べ大きな収縮力を発生できることがわかる．また，本人工筋肉は非常に軽量であり，Fig. 3Fig. 1
第43巻

Schematic diagram of 6-DOF manipulator actuatedwith straight-ﬁber-type artiﬁcial muscle

Straight-ﬁber-type artiﬁcial muscle

第３号― 25 ―

2012年５月（平成24年）

72

日本フルードパワーシステム学会論文集

結果を示す．実験結果より負荷が増加すると誤差が大きく

3．１自由度マニピュレータの剛性制御なっていることから，フィードフォワード制御のみでは十分に剛性制御ができないことが分かる．

3.1 １自由度マニピュレータ関節剛性モデル
Fig. 3の人工筋肉間の配置を考慮すると，Fig. 4のように関節は２つのバネとプーリにより構成されているとみなせ
る．本モデルに基づき人工筋肉の関節剛性条件式22）を求めると，力学的平衡関係から式⑴の関係が成り立つ．また，本人工筋肉の剛性kiは一定の収縮範囲内において，印加圧力に対し線形的に変化する．そこで，kiをkaiとPを用いて表し，式⑵を得る．しかし，本人工筋肉は粘弾性を有しており，剛性の整定には0.2s程度を要する8）．そのため，これを上回る速度でマニピュレータを動作させると式⑵が成立しΔτ＝（k1Δθ−k2Δθ）

d
2

⑴
2

⎩―⎧

⎩―⎧

kj＝

2

⎩―⎧

⎩―⎧

ない場合が生じる．

dΔτ
＝（ka1P1＋ka2P2）
Δθ
2⑵
Fig. 5

ここで，kaiは人工筋肉のバネ要素の剛性係数であり，負Schematic diagram of the experimental system

荷トルクがかからない場合の拮抗力をFとし，そのときのバネの伸びはx，dはプーリ直径，Δτは負荷トルク，Δxi
は負荷トルクによるバネの変位量，Fiはバネの発生力，
Δθは負荷による変位角，Kj は関節剛性を表す．

Fig. 4

Fig. 6

A block diagram of feedforward control using themechanical equilibrium modelFig. 7

Relationship between joint angle and load torque inthe steady-state（feedforward）

Schematic diagram of a spring model of the joint

3.2 フィードフォワード制御
本研究で使用した１ 自由度人工筋肉マニピュレータの実
験システムをFig. 5に示す．また本制御系のブロック線図を
Fig. 6に示す．力学的平衡モデル（MechanicalEquilibrium

Model）は関節角度θd，目標関節剛性，負荷トルクに対応

3.3 トルクベース型制御
トルクベース型制御は一般的な剛性制御手法であり，位する圧力P1，P2を算出することができる．負荷トルクは
sensorによって計測された負荷から算出し，置制御により剛性を制御するため，その動作特性は角度制

力学的平衡モデルへ入力する．また，角度制御を行うため，御に依存する．また，外力によるトルク変化がなければ剛関節角度を目標角度とする．これをフィードフォワード制性を測定することはできない．式⑴に基づき，本人工筋肉

御として関節角度制御に使用することで，目標角度と出力のトルクベース型制御を構成した．本制御系のブロック線

角度の線形化を行う．また，同時に任意に関節剛性を変動

図をFig. 8に示す．本制御系において，PI制御のパラメータさせることも可能となる．

は試行錯誤的に決定した．また，Fig. 9に定常状態におけるFig. 5のLoadFig. 7に定常状態における一定剛性（Kj ＝ 0.15 Nm/deg,

一定剛性（Kj ＝ 0.15 Nm/deg，0.2 Nm/deg，0.25 Nm/deg）

0.2 Nm/deg, 0.25 Nm/deg）で負荷を変化させたときの実験で負荷を変化させたときの実験結果を示す．実験結果より，

第43巻

第３号

― 26 ―

2012年５月（平成24年）

73

戸森・田中・前原・加茂・中村：突発的な負荷を考慮した６自由度人工筋肉マニピュレータの手先剛性制御

Tτ＝（J K J ）Δ θ

負荷を変化させても関節角度が目標角度に収束しているこ⑼とが分かる．よって，トルクベース型制御は定常状態にお最後に式⑺と式⑼から手先剛性Kを実現するための各関節

いては剛性を制御できていると考える．

剛性Kjは式⑽のように表せる．
T

K＝J K J⑽

4.2 剛性楕円体の導出
ここでは，4.1より手先に加わる外力から各関節トルクを求めることができ，手先の位置をプロットした剛性楕円体を求める．６自由度人工筋肉マニピュレータの姿勢をFig. 10のように設定し，手先に一定の外力をXY平面上の12方向から与える．そして，XY平面とXZ平面に対して定常
Fig. 8Block diagram of the torque-based method forstiﬀness control

状態になった時の手先の位置をシミュレーションで求めた．
マニピュレータの各関節剛性の値をTable 1のように設定し，シミュレーション結果をFig. 11に示す．

Fig. 9 Relationship between joint angle and load torque inthe steady-state（torque-based method）

4．６自由度人工筋肉マニピュレータの剛性制御
4.1 ヤコビ行列を用いた目標関節剛性の導入
ここでは手先力から各関節の剛性を算出するためのヤコビ行列を用いた方法を示す．まず各関節の剛性kiとトルク

Fig. 10

A Schematic diagram of experiment

τiと変位量Δθiの関係は式⑶のようになる．また，マニピュ
レータの全関節の関節トルクベクトルτと関節変位ベクトルΔθは式⑷のように表すことができる．
τi＝k iΔθi（i＝1 〜 6）⑶

τ＝K jΔθ

⑷

ただし，K i ＝ diag［k i ］である．
次に手先剛性と関節剛性の関係に着目する．マニピュ
レータ先端の剛性マトリクスをKとすると，
F ＝ KΔx⑸

さらに，関節トルクをヤコビ行列と式⑸を用いて表すと，Fig. 11

Compliance ellipse changed joint stiﬀness

式⑹となる．
T

τ＝ J F⑹

Table 1

Parameters of joint stiﬀness（A,B,C）

これより，式⑹に式⑸を代入すると関節トルクは式⑺の1st joint

ように表せる．
T

τ＝J K Δ x⑺

また，手先速度と関節角加速度の関係から
Δx ＝ JΔθ
よって，式⑻を式⑺に代入すると
第43巻

第３号

⑻

2nd joint

3rd joint

4th joint

5th joint

6th joint［Nm/deg］［Nm/deg］［Nm/deg］［Nm/deg］［Nm/deg］［Nm/deg］
A

0.3

0.3

0.1

0.2

0.1

0.1

B

0.4

0.35

0.15

0.4

0.1

0.1

C

0.5

0.4

0.2

0.6

0.15

0.15

― 27 ―

2012年５月（平成24年）

74

日本フルードパワーシステム学会論文集

車を用いた機構を取り入れることで改善できると考える．

5．６自由度マニピュレータの剛性制御実験

5.2 剛性を変化させた際の動特性の検討
構造的に柔らかい人工筋肉マニピュレータは外力の影響

5.1 マニピュレータの手先剛性実験
まず実際に６自由度マニピュレータの手先にXY平面とを受けやすく，突発的な負荷に対して振動的な挙動を示す

XZ平面において外力を加え，4.2で求めた剛性楕円体と比といった欠点がある．そこで，まずTable 1のパターンAと

較する．手先剛性のパターンはTable 1を用いて，それぞれパターンCにおいて負荷印加時の動特性を検討する．

12方向に8.33Nを加え手先位置をプロットする．実験の制御

Fig. 10のように8.33Nの負荷を手先に加えてX軸方向にスブロック線図をFig. 12に，実験結果をFig. 13に示す．

テップ状の負荷を与える実験を行った．パターンAの実験
結果をFig.14，パターンCの実験結果をFig. 15に示す．本実

Fig. 12 Block diagram of stiﬀness control for the ６-DOF
manipulator⒜ X axis direction⒝Fig. 14

Fig. 13

Z axis direction

Dynamic characteristic of ６ -DOF manipulator
when applying instantaneous load（pattern A）

Relationship between compliance ellipse and endeﬀector position

Fig. 13より，全てのパターンにおいて手先位置が求めた
剛性楕円に近い値になっていることが分かる．しかし，
XY平面では特にY軸方向の位置の誤差が大きいことが分かる．また，XZ平面においては重力方向に外力が加わった⒜

X axis direction⒝

Z axis direction

際にX軸方向に手先位置が下がっていることが分かる．本
マニピュレータはねじりの動作を行うために，人工筋肉の軸方向の収縮力をプーリにより回転運動に変換しており，外力が加わった際にワイヤーとプーリが干渉して，ねじり
関節の変位量が減少したことが原因だと考える．ねじり変位量が減少することで結果的に剛性が高くなり，剛性楕円体の内側に手先位置が測定されたことが分かる．これを改善するためには，マニピュレータのねじり関節機構を変える必要があると考える．今後，ワイヤーとの干渉が少ない

Fig. 15

位置にプーリを設置することを検討し，また関節にかさ歯
第43巻

第３号

― 28 ―

Dynamic characteristic of 6-DOF manipulator
when applying instantaneous load（pattern C）
2012年５月（平成24年）

戸森・田中・前原・加茂・中村：突発的な負荷を考慮した６自由度人工筋肉マニピュレータの手先剛性制御

75験において，負荷は1.6sで与えている．Fig. 14より関節の剛性が低いと振動の振幅が大きく,手先が不安定になっている
ことが分かる．しかし，Fig. 15より関節の剛性を高く設定することで外力の影響が低減されて振動の振幅が小さくなっていることが分かる．
次にマニピュレータの手先がある領域に入ると剛性が高くなるように設定し，その時のアームの応答について検討する．実験は設定領域がX≧0.60m，X≧0.57m,の２パターンで行い，各関節剛性をTable 1のパターンA からパターン
Ｃに変化させる．設定領域がX≧0.60mの実験結果をFig. 16，

Fig. 18

設定領域がX≧0.57mの実験結果をFig. 17に示す．ここで，Relationship between force and displacement in
the steady-stateFig. 16では1.6sで負荷を与え，Fig. 17では1.1sで負荷を与えている．実験結果より，高剛性領域を設定することで，負で，同じ変位量でも高剛性領域を設定した場合の押し付け荷による振動を抑制できることが分かる．また，Fig. 17よ

力の方が大きい値をとっており，グラフの傾きが増加し，り高剛性領域を負荷直後に設定することで，手先位置がす

X軸方向の剛性が高まっていることが分かる．

ばやく定常状態に戻っていることが分かる．したがって，

6．結

一定の領域を設定して各関節剛性を高める制御はマニピュ
レータが物を持って動作する際でも有効であると考える．

言

１自由度マニピュレータの関節剛性の制御手法を提案し，負荷が加わった際の関節剛性の精度の実験を行った．手先
剛性の制御手法を示し，剛性楕円体を求めて実験で負荷時の手先変位量と比較を行った．手先の変位量を制御することでX，Y，Z軸の３方向の剛性を制御することができた．
また，剛性を高める領域を設定して，各関節剛性を変化させた際の６自由度マニピュレータの動特性の検討と押し付
け力の実験を行った．領域を設定して関節剛性を高めるこFig. 16

Comparison with X displacement and default
position（X≧0.60）とで負荷時の振動を抑制することができた．

謝

辞

本研究にあたっては，中央大学理工学研究所2009年度研究プロジェクト共同研究第２類の援助により推進されましたことを述べ，謝辞に代えます．
参 考 文 献
１）B. Tondu, V. Boitier, P. Lopez： Naturally compliant robotarms actuated by McKibben artiﬁcial muscles, Systems,
Man, and Cybernetics, 1994. 'Humans, Information and
Fig. 17Comparison with X displacement and default
position（X≧0.57）

Technologyʼ, Vol. 3, p. 2635‑2640（1994）
２）G. K. Klute, J. M. Czernieki and B. Hannaford：McKibben
Artiﬁcial Muscles：Pneumatic Actuators with Biome-

5.3 マニピュレータの手先押し付け実験

chanical Intelligence, Proceedings of the IEEE/ASME

5.2で領域を設定して突発的な負荷に対する安定性を検討

International Conference on Advanced Intelligent

したが，この実験ではX軸方向に定常的な負荷を加える押し付け動作について検討を行う．高剛性領域はX≧0.60

Mechatronics, p. 221‑226（1999）m３）C. Ming-kun： An adaptive self-organizing fuzzy slidingの時にパターンAからパターンCに変化するように設定しmode controller for a 2-DOF rehabilitation robot actuatedて，領域を設定しないパターンAと比較する．押し付け力

by pneumatic muscle actuators, Control Eng Pract, Vol.18,

１Nごとに変位量をプロットして力と変位量の関係をFig. 18に示す．

No. 1, p. 13‑22（2010）４）M. Mori, K. Suzumori, S. Wakimoto, T. Kanda, M. Takahashi,

Fig. 18より高剛性領域を越えた後，変位量が0.07mの付近
第43巻

第３号

― 29 ―

T. Hosoya and E. Takematu： Development of power
2012年５月（平成24年）

76

日本フルードパワーシステム学会論文集

robot hand with shape adaptability using hydraulicT. Kagawa： Developing a robot arm using pneumatic

McKibben muscles, ICRA, p. 1162‑1168（2010）

artiﬁcial rubber muscles, Power Transmission and Motion
Control, p. 365‑375（2002）５）T. Nakamura, N. Saga and K. Yaegashi：Development ofPneumatic Artiﬁcial Muscle based on Biomechanical15）K. Kawashima, T. Sasaki, T. Miyata, N. Nakamura, M.

Characteristics, in Proc. IEEE International Conference on

Sekiguchi and T. Kagawa： Development of robot using

Industrial Technology（ICIT 2003）, p. 729‑734（2003）

pneumatic artiﬁcial rubber muscles to operate construction

６）T. Nakamura, H. Maeda and H. Nagai：Development of amachines, Journal of Robotics and Mechatronics, Vol. 16,
No. 1, p. 8‑15（2004）

6-DOF Manipulator Actuated with a Straight-Fiber-Type
Artiﬁcial Muscle, in Proc. The 2009 IEEE/RSJ International

16）B. Tondu, S. Ippolito, J. Guiochet and A. Daidie：A saven-

Conference on Intelligent RObots and Systems - IROS2009,degrees-of-freedom robot-arm driven by pneumatic（2009）

artiﬁcial muscle for humanoid robots, The International
Journal of Robotics Research, Vol. 24, No. 4, p. 257‑274

７）T. Nakamura and H. Shinohara： Position and Force（2005）

Control Based on Mathematical Models of Pneumatic
Artiﬁcial Muscles Reinforced by Straight Glass Fibers,17）S. Fujimoto, T. Ono, K. Ohsaka and Z. Zhao： Modeling ofProceedings of IEEE International Conference on Robotics

Artiﬁcial Muscle Actuator and Control Design for

and Automation（ICRA 2007）, p.4361‑4366（2007）

Antagnostic Drive System, Transactions of the Japan

８）T. Nakamura, D. Tanaka, H. Maeda： Joint Stiﬀness andSociety of Mechanical Engineers, Series C, Vol. 73, No. 730,
p. 171‑179（2007）

Position Control of an Artiﬁcial Muscle Manipulator for
Instantaneous Loads Using a Mechanical Equilibrium18）T. Nakamura, D. Tanaka and H. Maeda：Joint Stiﬀness

Model, Advanced Robotics, Vol. 25, No. 3, p. 387‑406

and Position Control of an Artiﬁcial Muscle Manipulator（2011）

for Instantaneous Loads Using a Mechanical Equilibrium
Model, Advanced Robotics,（2010）（in press）.

９）D. Tanaka, H. Maeda, T. Nakamura：Joint stiﬀness andposition control of an artiﬁcial muscle manipulator

19）H. Tomori, H. Maeda and T. Nakamura：Orbit tracking

considering instantaneous load, IECONʼ09, p. 2259‑2264

control of 6-DOF lubber artiﬁcial muscle manipulator（2009）

considering nonlinear dynamics model, Transactions of theJapan Society of Mechanical Engineers, Series C,（in10）H. Maeda, H. Nagai, H. Saito and T. Nakamura： Positionpress）and compliance control of an artiﬁcial muscle manipulator
using a mechanical equilibrium model, IECON2008, p.

20）T. Oshima and M. Kumamoto：Robot Arm Constructed3431‑3436（2008）

with Bi-Articular Muscles（Stiﬀness Properties of Bi-11）T. Nakamura, “Experimental Comparisons between

Articular Muscles and Its Eﬀect）, Transactions of the Japan

McKibben type Artiﬁcial Muscles and Straight Fibers

Society of Mechanical Engineers, Series C, Vol. 61, No. 592,

Type Artiﬁcial Muscles,” SPIE International Conference

p. 122‑129（1995）

on Smart Structures, Devices and Systems III,（2006）21）T. Nakamura and H. Shinohara： Position and Force Control12）Y. Okazaki, M. Yamamoto, M. Komatsu, Y. Tsusaka andBased on Mathematical Models of Pneumatic Artiﬁcial

Y. Adachi：Development of a Human Safe, Multi-Degree-

Muscles Reinforced by Straight Glass Fibers, Proceedingsof-Freedom Robot Arm Technology using Pneumaticof IEEE International Conference on Robotics andMuscles, JRSJ, Vol. 28, No. 3, p. 302‑310（2010）

Automation（ICRA 2007）p. 4361‑4366（2007）13）T.NoritsuguandT.Tanaka：Applicationofrubberartiﬁcial22）T. Nakamura and H. Maeda：Position and Compliancemuscle manipulator as a rehabilitation robot, IEEE/ASME

Control of an Artiﬁcial Muscle Manipulator using a

TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, Vol. 2, No. 4,

Mechanical Equilibrium Model, Proceedings of IEEE

p. 259‑267（1997）

International Conference on Robotics and Automation

14）N. Nakamura, M. Sekiguchi, K. Kawashima, T. Fujita and

第43巻

第３号

― 30 ―（IECON2008）p. 3431‑3436（2008）2012年５月（平成24年）

安達・横島・樋髙・中村：軸方向繊維強化型人工筋肉を用いた小腸検査用多段式蠕動運動型ロボットの開発

77

研究論文

軸方向繊維強化型人工筋肉を用いた小腸検査用多段式蠕動運動型ロボットの開発＊（第１報，小型ロボットにおける弾性管内の走行と内視鏡との切り離しに関する検討）

安 達 和 紀＊＊，横 島 真 人＊＊，樋 髙 裕 也＊＊，中 村 太 郎＊＊＊Development of an Earthworm Robot Using Straight-Fibre-Type Artiﬁcial
Muscle for the Small Intestine（1st Report: A Study on the Locomotion of the Small-Sized Robot in the Elastic Tube andSeparating the Robot and Endoscope）

Kazunori ADACHI, Masato YOKOJIMA, Yuya HIDAKA, Taro NAKAMURA
There are diseases of the small intestine such as Crohnʼs disease or Polyp that cause Intussusception. These diseases
were not discovered before using an conventional endoscope and the small intestine was called “The Dark Continent”.
Recently, these diseases are inspected by a Double-Balloon Endoscope or Capsule Endoscope. However, the method used
for these inspections have a few problems. Therefore, we proposed a new method of inspecting the small intestine. Utilizing
our past research, we developed a robot for the small intestine using peristaltic crawling. The robot is attached to aconventional endoscope. When the endoscope reaches the small intestine, the robot is detached from the endoscope andmoves forward and observes and treats the aﬄictions. In this paper, we fabricated the prototype and experimented in an
acrylic pipe and elastic tube. In addition, we conﬁrmed that the robot and endoscope can be separated in any place.
Key Words：Medical Equipment, Pneumatic Power Source, Robot

１．緒言

小腸は，その全容の把握のしづらさから，「暗黒の臓器」と呼ばれている．小腸の代表的な疾病としてはクローン病
や腸重積症（Fig. 1）がある．クローン病は小腸のうちで大腸側にある回腸に多く見られ，若い成人に多く発症していFig. 1

る．クローン病の発症部位は様々だが，このうち小腸の占Intussusception

める割合は40％以上である．腸重積症は主にポリープによって発生する．腸重積症は，小腸内腔に突出したポリーらに組織検査が可能である．

プが，腸内容の流れに引かれて重積先進部として作用し，重積が進行するというものである．
これらの疾病の治療，またはポリープを除去するために，
1）

ダブルバルーン内視鏡は，２つのバルーンを用いて小腸を手繰り寄せ，小腸の奥を検査可能とした方法である．し2）

ダブルバルーン内視鏡 やカプセル内視鏡 が使用されて
3）, 4）

かしながら，操作には２人以上の医師が必要となってしまう．また，小腸は長さが約６mもあるため，口から内視鏡．ダブルバルーン内視鏡は既存の内視鏡に装着さを挿入し小腸の上半分を検査し，さらに肛門からも挿入しせるため，内視鏡の機能である送気・送水や治療処置，さて残り半分を検査するという方法をとらなければ，全容はいる

把握できない．そのため検査時間も長くなり，それに伴い患者の不快感も増してしまう．
＊

平成23年６月29日 原稿受付

カプセル内視鏡を用いた検査では，ビタミン剤ほどのカ＊＊

中央大学大学院理工学研究科精密工学専攻（所在地 東京都文京区春日１―13―27）（E-mail：k̲adachi@bio.mech.chuo-u.ac.jp）＊＊＊
中央大学理工学部精密機械工学科（所在地 東京都文京区春日１―13―27）（E-mail：nakamura@mech.chuo-u.ac.jp）
第43巻

第３号

プセルを飲み込むだけなので，ダブルバルーン内視鏡の問題であった，患者の負担や不快感が少ない．その上，通常の内視鏡がなくても小腸の全容が把握できる．しかしながら，観察のみで治療処置が行えない，体内に停留する可能性がある，移動が腸の蠕動運動に依存しているため，能動― 31 ―

2012年５月（平成24年）

78

日本フルードパワーシステム学会論文集

的な移動ができないといった問題がある．
これらカプセル内視鏡の問題を解決するために，様々なカ
プセル内視鏡ロボットが開発されてきた5）‑8）．しかしながら，これらのロボットに多く用いられているSMA（ShapeMemoryAlloy）アクチュエータ5）‑7）は応答が遅い．また，

ピエゾ素子を用いたロボット8）には高電圧が必要なため，
やはり人体に使用するには危険である．またこれらのロボットは，カプセル内視鏡よりも大きくなってしまうことがあり，飲み込む際に不快感を伴う可能性が高い．その上，（a） Insertion of the robot
Fig. 2

これらのロボットでは観察は可能ではあるが，治療処置を行うことはできない．

2.1 蠕動運動の概要

9）
‑13）

る

Operation of the robot

２．蠕動運動の概要

カプセル内視鏡だけではなく，既存の内視鏡の推進の問
題を解決するために，内視鏡ロボットも多く開発されてい（b） Robot detached．しかしながら，それらのロボットは移動機構のみ

蠕動運動はミミズなどが行う移動様式である．ミミズはで，治療処置を行うことはできない．また，移動速度も遅

まず，頭部の体節を縮める．次にその収縮を後ろの体節にく，小腸の奥深くまで見ることも困難であると考える．

送り，同時に頭部の体節を伸張させる．収縮した体節は地

これまで本研究室では，蠕動運動に関する研究を行って面との間に摩擦力を生み出し，その摩擦力は前に伸びるたきており14）‑17），とりわけ大腸内視鏡に搭載する蠕動運動ロ

めの反力となる．以上のように「太く短く」「細く長く」

ボットにおいて，大腸内での前進，大腸内に存在するたるという伸縮の繰り返しによって縦波進行波が起こり，ミミ

18）
‑20）

．そこで著者らは，目標

ズは前進することができる．蠕動運動には，蛇行運動などを小腸まで拡張し，既存の内視鏡の先端に装着する多段式に比べて運動に必要な空間が小さい，また運動する際の接の内視鏡ロボットとそれを用いた新たな検査方法を提案す

地面積が大きいといった利点があり，蠕動運動は小腸のよる．これまで作製してきたロボットは，内視鏡をロボット

うな円筒物体内を，安定して走行することができると考えの中心に配置し，大腸内を観察・治療するためのもので

られる．

あった．

2.2

み部の直線化に成功してきた蠕動運動の動作パターン

Fig. 3に，実験で用いる３つの動作パターンを示す．

本ロボットはそれ自体が内視鏡としての役割を果たすだ
けでなく，小腸の観察・治療も行うことができ，さらに肛門からの内視鏡の挿入のみで検査を終えることができると考える．検査の手順は，以下の通りである．
1） ロボットを内視鏡の先端に取付ける．
2） 内視鏡を肛門から挿入する．
3） 内視鏡が小腸に到達したところで，ロボットを切り離す（Fig. 2）．
4） ロボットは自動で前進し，観察と治療を行う．
また，蠕動運動の再現には，本研究室で開発した軸方向
繊維強化型人工筋肉を用いる21）‑23）．本人工筋肉は，空気を供給することで，膨張と収縮を行い，柔軟，軽量，安価，
高生体適合性といった特徴を持つ．これらの特徴から，本アクチュエータを用いて，ミミズの蠕動運動を再現する．
以上のことから，本ロボットは，能動的かつ自動的に走行ができ，検査だけではなく治療処置なども可能になるとFig. 3考える．

Movement pattern of peristaltic crawling

本報ではとりわけ，新たな小腸検査方法を提案し，小型上の動作パターンにおいて，2‑1‑1はミミズを，また３ロボットの開発を行う．また，小腸とみたてた弾性管内でSMと７SMは尺取り虫を模倣している．2‑1‑1はそれぞれ，の走行と，内視鏡とロボットの能動的な切り離しについて

波長・送り・波数を表している．波長とは膨張しているユも検討を行う．

ニットの数を，送りは次のモーションに行く際にどれだけ膨張したユニットを後方へ伝播するかを，そして波数は膨張しているユニットの山を表す．一方で，７SMは３SMを

第43巻

第３号

― 32 ―

2012年５月（平成24年）

安達・横島・樋髙・中村：軸方向繊維強化型人工筋肉を用いた小腸検査用多段式蠕動運動型ロボットの開発

79

７つのステップモーション（Step Motion）に分解したもの

張率ともに上昇しており，印加圧力の増減によって「細く

である．

長く」
「太く短く」を繰りかえすことで，膨張時に周辺環境と摩擦を生じ，伸長する際の力を推進力として用いるこ

３．軸方向繊維強化型人工筋肉とができ，ミミズの体節と同様の挙動を示していることが確認できる．また，本人工筋肉はヒステリシス特性を有す

3.1 人工筋肉概要
ミミズの体節に相当する伸縮部には，本研究室で開発し
21）
,22）

た軸方向繊維強化型人工筋肉を用いる．その概要をる23）が，本ロボットの運動には影響しないほど小さいと考えられる．

Fig. 4に示す．人工筋肉の素材として低アンモニア天然ゴ

人間の小腸の内径はおよそ28mmである．また蠕動運動

ムラテックス（LA-NR.LATEX）を用いる．本素材をチューにおいて，膨張したアクチュエータが管を把持できれば，ブ状に成形し，ゴム膜内の軸方向へマイクロカーボン層をロボットは走行が可能である．本アクチュエータは，内包した構造を有する．マイクロカーボン層は数ミクロン

0.07MPaにおいて膨張外径28mmを達成しており，小腸の把レベルの細さを持つカーボンロービング繊維をシート状に持が可能である．これより本ロボットは蠕動運動により小したもので，ゴム膜の変形に合わせて繊維幅も広がる．本腸内を走行可能であると考える．

人工筋肉に空気圧を供給すると，ゴム膜は膨張するが，繊4．蠕動運動ロボット

維はほとんど伸びないため軸方向に拘束される．その結果，人工筋肉は半径方向に膨張して軸方向に収縮する．このと

4.1 ロボットの概要

きの収縮力をアクチュエータとして利用する．

Fig. 6に完成予定図を示す．このロボットは，カメラと処置具を内包可能としているために，小腸内にある腫瘍やポリープなどを観察でき，さらに治療処置を施すことができる．また，本ロボットは４つのユニットを持ち，それぞれのユニットに空気を印加することによって膨張し，蠕動
運動を行うことができる．これによって小腸内を能動的かつ自動的に走行できる．
ロボットがカメラと処置具を内包するために，ロボットの中心はこれらの構成物を配置するため中空であること，また構成物がロボットの動きを妨げないことが必要となる．

Fig. 4

Schematic diagram of artiﬁcial muscle

そこで，本研究室で開発した「チューブスライド機構」を用いる19）,20）．Fig. 7にこの機構を，Fig. ８にロボットの部品

3.2 人工筋肉の基礎特性を示す．ロボットは，フランジによって４つのユニットに人工筋肉の特性として，圧力−収縮率，圧力−膨張率の区切られる．ユニットは，外側から人工筋肉，ベローズ，

２点について測定を行った．軸方向繊維強化型人工筋肉の空気チューブの順に構成されている．人工筋肉とベローズ

圧力−収縮量特性・圧力−膨張量特性をFig. 5にそれぞれの間がチャンバであり，Fig. 8のようにベローズを貫通し示す．なお収縮率は{
（
［自然長］
［
‑ 収縮時の長さ］）（/ 自然長）}てきた空気チューブから空気がチャンバ内に封入されると，

×100，膨張率は{（［膨張時の半径］［‑ 自然長時の半径］）（/ 自

人工筋肉によって半径方向に膨張し，軸方向に収縮する．

然長時の半径）}×100と定義する．

このとき，ベローズによって軸方向への収縮は妨げられることはない．
また，空気チューブはベローズの内側に配置されており，Fig. 8のように固定されているのはチューブの先端だけである．Fig. 7のような状態では，２ユニット目に空気が封入されている．ロボットの先頭が固定されているとすると，２ユニット目が膨張した際，後方２つのユニット，ここでは３ユニット目と４ユニット目が前方にスライドする．このとき，空気チューブ上をフランジがスライドするため，動作時に空気チューブが運動の妨げになることはない．また，中心にはカメラや処置具を配置するための空間を確保

Fig. 5

Relationship between air pressure and contraction
rate/expansion rate

している．

Fig. 5から，本人工筋肉は圧力の増加に伴って収縮率・膨
第43巻

第３号

― 33 ―

2012年５月（平成24年）

80

日本フルードパワーシステム学会論文集

る．また今回，処置具用の穴に円筒形状のカバーチューブ
を通し，そのチューブをLEDの配線のためのガイドとしている．また，ロボットの重量は23gであった．

Fig. 6

Conceptional drawing of the completed robot（a） Internal Structure of the Robot（b） Peristaltic Robot with Artiﬁcial Muscle
Fig. 7

Fig. 9Sectional view of the mechanism

Exterior of the robot

Fig. 10

Head of the robot

4.3 ロボットの動作方法
Fig. 11にロボットの制御システムを示す．H8マイコン（3052F）からデジタル信号が出力され，D/Aコンバータ（a） Units 1-3
Fig. 8（b）Last Unit

（MCT, MCP4920）によってアナログ信号に変換され，比Structures of the robotʼs parts

例電磁弁（SMC, TV0030-2M）に入力される．入力電圧に比例した空気圧がコンプレッサ（JUN AIR, ６-12）からロ4.2 試作機の作製
表１に試作機の１ユニットの，内径28［mm」のアクリル管内での仕様を示す．また，Fig. ９に試作機の外観を，ボットのそれぞれのユニットに空気が供給され，各ユニッ
トが独立して伸縮できる．

Fig. 10に試作機の先端を示す．また既存の内視鏡の直径は12.5mmであり，処置具に必要な空間は直径およそ3mmの穴である．Table 1から，試作機の内径が6mmであり，処置具の配置も十分可能であることがわかった．
試作機の外径は既存の内視鏡とほぼ同じであるため，そのため内視鏡の先端に取り付けることが可能であると考え
Table 1

Length
[mm]
Width
[mm]
Inside Diameter [mm]
第43巻

第３号

Speciﬁcations of one unit

Max

32.0

Min

28.0

（0.07MPa）
Max

28.0

（0.07MPa）
Min

Fig. 11

15.0

Robotʼs locomotion system

6― 34 ―

2012年５月（平成24年）

安達・横島・樋髙・中村：軸方向繊維強化型人工筋肉を用いた小腸検査用多段式蠕動運動型ロボットの開発

81とがわかる．これは，ロボットの膨張外径が管を把持する

５．ロボットの走行実験のに十分な量であったからだと考える．
またFig. 14から，アクリル管内での最大速度は，動作パ

5.1 アクリル管内走行実験
まず，人間の小腸の平均内径と等しいアクリル管においターン３SM，動作間周期0.10sの時に17mm/sであった．まて，ロボットが走行可能であるのかを実験によって確認す

た，LEDは実験の間点灯し続け，配線がロボットの速度をる．完成した蠕動運動ロボットを用いて，机上に固定した低下させることはなかった．このことから，ロボットの内内径25A（28-28.4mm）のアクリル円筒管内で走行実験を側に配置される構成物は，動作の妨げにならないと考える．

行った．実験環境をFig. 12に示す．このアクリル円筒形管5.2 弾性管内走行実験の内径は，小腸の平均内径程度の大きさである．走行評価

次に，内径はアクリル管と等しいが，弾性体であり，ロを行うために，評点をロボット後端に取り付け，MOVIAS

ボットに貼り付くという，小腸と同じような特性を持つ管Pro（NAC Image Technology, Inc）を用いて動画解析を行っ内において実験を行う．小腸を模した弾性管にはLA-NR.

た．また，動作中にロボット内部の構成物が動作に影響し

LATEXを用いた．この管は内径26㎜，厚さ0.03-0.05㎜であないかを確認するため，走行中はLEDを点灯している．実る．この弾性管をより小腸の環境に近づけるために，管内

験にはFig. 3に示した３つの動作パターンと２つの動作間に潤滑液（京都科学製）を満たした．Fig. 15に示すように，

周期（0.10s，0.15s）を用いた．

潤滑液を満たした弾性管はロボットに密着し，実際の小腸に近い環境となる．実験の際には管の両端を固定した．走行中はLEDを点灯させ，5.1と同様に，MOVIAS Proによって速度解析を行った．
Fig. 16に動作パターン2‑1‑1，動作間周期0.15sの時の実験結果を示す．また，Fig. 17に２つの動作パターン （２‑１‑１，７SM）と２つの動作間周期での速度比較を示す．

Fig. 12Experimental apparatus for traveling in theacrylic tube

Fig. 13に，動作パターン2‑1‑1，動作間周期0.15sのときの実験結果を示す．また，Fig. 14に動作パターンと動作間周期ごとの速度比較の結果を示す．

Fig. 13

Fig. 14

Fig. 15

Experimental apparatus for travel in theelastic tube

Fig. 16

Experimental result of forward motion in theelastic tube by using movement pattern 2-1-1（0.15s）

Fig. 17

Experimental comparison of robot speeds in theelastic tube

Experimental result for forward motion in theacrylic pipe by using motion pattern 2‑1‑1（0.15s）

Experimental comparison of robot speeds in theacrylic pipe

Fig. 13より，ロボットは滑ることなく前進できているこ
第43巻

第３号

― 35 ―

2012年５月（平成24年）

82

日本フルードパワーシステム学会論文集

Fig. 16とFig. 17より，弾性管内においては速度が低下しているが，前進可能であることがわかった．
Fig. 16，Fig. 17は弾性管内での速度はFig. 14，Fig. 15のア
クリル管内での速度よりも低下していることを示している．
蠕動運動で前進するために必要な力は摩擦力であり，この摩擦力は垂直抗力に依存する．ロボットはアクリル管ではFig. 18

十分な垂直抗力を得ることができたが，弾性管では得られAppearance of connect ﬂange

なかった．これは，弾性管は伸びるという特性を持っているからである．このためロボットは十分な垂直抗力を得られず，摩擦力の低下に伴い滑りが起きて速度の低下が起きたのだと考える．また，5.1と同様，２つの動作パターンにおいて速度の違いは見られなかった．しかしながら，動作間周期が短いと速度は低下した．動作間周期が短い時には，次の動作への切り替えが速くなる．ところが周期が短すぎると伸縮の途中で次の動作に移ってしまう．そのため，摩（a） Pressureless

擦力が低下し，滑りが生じてしまう．よって，弾性管内でFig. 19は効率的な動作を行うためにロボットに十分な伸縮をさせ（b） Pressurize

Appearance of balloon

るような動作間周期を選択する必要がある．弾性管内において，動作パターン３SMでは動作できなかった．これはステップ２から３（Fig. 3）に移る際に収縮しているユニットが少ないために，重心が前に移動することで生じる慣性
力で滑ってしまうからである．弾性管内での前進速度は検査するために十分とはいえない．よって今後は速度向上のため，引用文献24）に示されているような空気噴射装置を応用することで，膨張時に摩擦力を増加させ伸長時に摩擦力を低減し，より効率的な走行が可能になると考える．
5.3

ロボット切り離し実験

最後に，切り離し実験を行う．今回は，切り離しが任意の位置で行えるのか，また切り離し後にコネクト部が邪魔をせず，安定した動作ができるのかということを確認する．
内視鏡とロボットを繋ぐコネクト部を作製し，アクリル管内において切り離し実験を行った．コネクト部にはバルー

Fig. 20ンを使用して，ロボットの把持を行う．

６．結

バルーンには，軸方向繊維強化型人工筋肉と同じLA-NR.
LATEXを使用した．厚さはおよそ1㎜である．このバルーExperiment of separating the robot

言

6.1 ま と めンに印加した空気を手動で解除することで，任意の位置で新たな小腸検査方法を提案した．また，軸方向繊維強化ロボットを切り離すことができる．ロボットが離れた後，型人工筋肉を用いて蠕動運動を再現し，ミミズロボットをコネクト部は内視鏡に残る．Fig. 18とFig. 19にコネクト部作製した．アクリル管と弾性管においてロボットの動作をの外観を示す．またFig. 19に切り離し実験の様子を示す．

確認した．また，コネクト部を用いることによってロボッ

LEDが点灯したときにロボットを切り離した．また，バトと内視鏡を接続した．さらに，コネクト部のバルーンに

ルーンには0.25MPaを印加した．

よって任意の位置でロボットと内視鏡を分離することがでFig. 20より，ロボットは任意の位置で切り離され，そこから蠕動運動によって走行できることを確認した．これにきた．
6.2 今後の展望

よって，通常の大腸内視鏡検査から，小腸検査まで拡張可本論文の試作機は曲管に対応しておらず，現段階では直能となる．そのため，従来二度にわたって検査が必要で線部しか前進することができない．また内視鏡の先端は屈あったが，切り離すことにより一度で検査することができ曲が可能であるため，現状ではその動きを阻害する可能性

ると考える．

がある．そこで今後は，アクチュエータの形状を変更するなどして各ユニットの柔軟性を向上し，曲管に対応させ，

第43巻

第３号

― 36 ―

2012年５月（平成24年）

83

安達・横島・樋髙・中村：軸方向繊維強化型人工筋肉を用いた小腸検査用多段式蠕動運動型ロボットの開発

内視鏡の動きを阻害させない必要がある．また小腸は複雑

９）Mangan, E. V., Kingsley, D. A., Quinn, R. D., Chiel, H. J.：に曲がっているため，ロボットを能動的に屈曲可能とする

Development of a Peristaltic Endoscope, Proceedings of機構を備える．その上で，人間の小腸の環境に似ている，

IEEE

死んだ豚の小腸内において，前進および切り離し実験を行Automation（ICRA）, p. 347‑352（2002）

International

Conferenceon

Robotics

andう．さらに，人間の小腸と似ている豚の小腸内の摩擦力を10）Yan, G., Wang, K.：A Wireless Robot for Gastrointestine,

測定し，それによってロボットが推進するために必要な膨Proceedings of IEEE Transaction on Robotics, Vol. 24, p.

張外径やロボットの摩擦係数などを決定し，それに従って

206‑210

ロボットを作製する．また，大腸内視鏡用ロボットと組み

11）Shinkai, M., Murai, N., Itoh, K., Ishii, H., Takanashi, A.,

合わせることで，ロボットのみによって大腸から小腸へのTanoue, K., Ieiri, S., Konishi, K., Hasizume, M. ：到達を試みる．

Development of a Robotic Endoscope that Locomotes in
the Colon with Flexible Herical Fins, 31st Annual

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Locomotion Principle, Proceedings of IEEE 9th Inter-

earthworms, in Proc. Of IEEE International Conference

national Conference on Control, Automation, Robotics,

on Robotics and Automation（ICRA）, p. 4342‑4344（2006）

and Vision（ICARCV 2006）17）Nakamura, T., Kato, T., Iwanaga, T., Muranaka, Y. ：６）Quirini, M., Menciassi, A., Scapellato, S., Stefanini, C.,

Development of a Peristaltic Crawling Robot Based on

Dario, P.：Design and Fabrication of a Motor Legged

Earthworm Locomotion, Journal of Robotics andCapsule for the Active Exploration of the Gastrointestine

Mechatronics, Vol. 18, No. 3, p. 299‑304（2006）

tract, Proceedings of IEEE/ASME Transactions on18）横島真人，樋髙裕也，中村太郎：軸方向繊維強化型人Mechatronics, Vol. 13, No. 2, p. 169‑179（2008）

工筋肉を用いた大腸内視鏡搭載型推進機構の開発，平７）Glass, P., Cheung, E., Sitti, M.：A Legged Anchoring

成22年度春期フルードパワーシステム講演会講演論文

Mechanism for Capsule Endoscope Using Micropatterned
Adhesives, Proceedings of IEEE Transactions on Bio-

集，p. 106‑108（2010）19）Hidaka, Y., Yokojima, M., Nakamura, T.：Peristaltic

medical Engineering, Vol. 55, No. 12, p. 2759‑2767（2008）

Crawling

８）Kim, B., Park, S., Yoon, S. J.：An Earthworm-Like
Locomotive

Mechanism

for

Capsule

第43巻

第３号

with

Artiﬁcial

Rubber

Muscles

Attached to Large Intestine Endoscope, Proceedings ofEndoscope,

1st International Conference on Applied Bionics andProceedings of IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems（IROS 2005）

Robot

Biomechanics（2010）20）Y. Hidaka, T. Nakamura and Y. Hori.：Peristaltic― 37 ―

2012年５月（平成24年）

84

日本フルードパワーシステム学会論文集

crawling robot with artiﬁcial rubber muscles for large

Pneumatic Artiﬁcial Muscle based on Biomechanicalintestine endoscopy, Proceedings of 12th International

Characteristics, Proceedings of IEEE International Confe-

Conference on Climbing and Walking Robots and therence on Industrial Technology（ICIT）, p. 729‑734（2003）

Support Technologies for Mobile Machines（CLAWAR）,

23）Nakamura, T.：Experimental Comparisons between
McKibben type Artiﬁcial Muscles and Straight Fibers

p. 225‑232（2009）

Type Artiﬁcial Muscles, SPIE International Conference on21）Nakamura, T., Shinohara, H.：Position and Force Control
Based on Mathematical Models of Pneumatic Artiﬁcial

Smart Structures, Devices and Systems III （2006）

Muscle Reinforced by Straight Glass Fibers, Proceedings

24）横島真人，樋髙裕也，安達和紀，中村太郎：大腸内視of IEEE International Conference on Robotics and

鏡搭載型ロボットの開発と死んだ豚の大腸内動作実験，

Automation（ICRA）, p. 4361‑4366（2007）

日本機械学会年次大会DVD‑ROM論文集（2011）22）Nakamura, T., Saga, N., Yaegashi, K. ：Development of

第43巻

第３号

― 38 ―

2012年５月（平成24年）

高岩・則次・佐々木：空気式パラレルマニピュレータを用いた手首リハビリテーション

85

研究論文

空気式パラレルマニピュレータを用いた手首リハビリテーション＊〜筋電位信号に基づく訓練動作の提案〜

高 岩 昌 弘＊＊，則 次 俊 郎＊＊，佐々木 大 輔＊＊
Wrist Rehabilitation Using Pneumatic Parallel Manipulator〜 Proposal of Rehabilitation Based on EMG Signal 〜
Masahiro TAKAIWA, Toshiro NORITSUGU, Daisuke SASAKIIn this study, we focus on a rehabilitation motion of human wrist joint and aim at supporting these rehabilitation training by
introducing a mechanical system like a robot. A pneumatic parallel manipulator is introduced since it can drive enough D.O.F tocorrespond to a wrist motion and has inherent compliance characteristics resulted from air compressibility. We propose a new
training method for a muscle strengthening training based on electromyography（EMG）, where a pay-load is set between joint
angle and the muscle we want to train directly. In addition, we propose a method to detect muscle fatigue based on a frequency
analysis of EMG. The eﬀectiveness of the proposed method is conﬁrmed through some experiments.
Key words：Wrist Joint, Rehabilitation, Pneumatic Parallel Manipulator, EMG

1．緒従来の機械システムによるリハビリ訓練では手首関節ト

言ルクに基づく手法が一般的であるが，本稿では，トルクを現在，我が国における理学療法士（以下，P.T.）の数は，生成する上腕部の筋肉を直接訓練する手法を提案する．具

約35,000人であり，理学療法関連施設は約12,000箇所ある．

体的には，近年，比較的容易かつ安価に利用できるように

このうち約4,000箇所の施設にはP.T.が１人しか在籍していなってきた表面筋電位センサを用い，関節角度と訓練した

ない1）．このようなP.T.の絶対数不足に加えて，平成14年４い筋肉の筋力との間に直接負荷を装置により設定すること

月の健康保険法等の改正により，診療期間が180日に限定

で筋力増強訓練を実施するものである．本手法により以下されている．このような状況に対して，リハビリ分野へのの効果が期待できる．

ロボット技術の導入が期待されており，上肢の運動を対象⑴ 選択的かつ集中的な筋力訓練が可能とするもののみでも種々の装置が開発されている2）‑5）．

筋電位センサを貼っていない筋肉が生成したトルクはマ

本研究では，食事や着替えなどの日常動作に不可欠な手

ニピュレータに対して外乱として作用し，位置制御系の外首の動作に着目し，これのリハビリを支援する装置として

乱抑圧特性により，その影響は低減される．本手法では筋空気式パラレルマニピュレータを導入する．本装置は，コ

電位センサを貼付した筋肉からの信号のみに基づきマニ

ンパクトな構造ながら多自由度（６自由度）を有するため，

ピュレータは動作するため，訓練したい筋肉に対して負荷

手首の複雑な動作に対応できるとともに，空気の圧縮性にを設定した訓練を行なうことができる．

起因した柔軟性が衝撃吸収等の安全性として機能する．ま⑵ トリックモーションの回避
トリックモーションとは，疲労などにより，訓練すべき

た，小型・軽量であるため，施設での診療期間終了後も引関節の運動を他の筋の運動で代行してしまうことで，例えき続き在宅でリハビリ訓練を継続できる．
リハビリ訓練には，可動域改善訓練，筋力増強訓練，協6）

ば手首屈曲／伸展動作を上腕部全体の動作（肩部の動作）

調動作訓練等の様々な訓練がある が，本研究では可動域で代行する等が相当する．従来の関節トルクに基づく方法

改善訓練，筋力増強訓練に着目し，これまで，機械イン

では，関節トルクが発生されれば訓練として成立するため，

7）

ピーダンス制御の導入によるリハビリ動作の実現 や，P.

トリックモーションを見分けることは容易でないが，本手

T.の徒手訓練動作を装置に獲得させ，その後，獲得した動法では，筋力が発生しない限り装置は動作せず，そもそも作を装置により患者に実行する手法8）,9）を提案してきた．

トリックモーションが起こらない．
⑶ 疲労度の定量的評価＊

筋が疲労すると筋電位信号の平均周波数（Mean Power＊＊

Frequency，以下MPF）が低周波数域に移行していくこと

平成23年６月９日 原稿受付

岡山大学大学院自然科学研究科（所在地 岡山市北区津島中３―１―１）（E-mail：takaiwa@sys.okayama-u.ac.jp）
第43巻

第３号

が知られている10）．訓練動作に平行して筋電位信号を周波数解析することで，患者の疲労具合をリアルタイムかつ定― 39 ―

2012年５月（平成24年）

86

日本フルードパワーシステム学会論文集

び上部プラットフォームの半径はそれぞれ，176.0㎜，110.3㎜である．各リンクには低摩擦タイプの複動式空気圧シリンダ（㈱Airpel製，内径9.3㎜，ストローク150.0㎜）を用いている．ピストンロッドの伸縮に伴い，上部プラット
フォームは６自由度の運動を行う．
Fig. 1⒝に示すように，マニピュレータが基準姿勢（全シ
リンダのロッド長がストローク中点となる姿勢）時の手首⒜

Overview⒝

関節中心位置に原点が一致するように手先座標系h＝［x，y，Schematic diagram

Tz，φ，θ，ψ］
を設定する．ここで，回転角はロール，T

ピッチ，ヨー角で表現している．患者の印加力fh＝［ fhe ｜
TTτheT］＝
［fx, fy, fz,｜τφ, τθ, τψ］は６軸力センサの測定値 fs＝
T T

T［ fse ｜τse ］から次式により計算される。
fhe＝Rfse⑴

τhe＝Rτse＋Ph×（Rfse）⑵

ここで，R［３×３］，Phはそれぞれ，姿勢角により求め⒞
Fig. 1

Pneumatic driving circuit

られる回転行列，および座標系原点からセンサまでの位置

Pneumatic parallel manipulator

ベクトルを示す．
Table 1

Fig. 2

Wrist motion（case of left hand）

量的に把握することができ，疲労具合に応じた訓練動作の調整などが可能となる．
以下では，提案する手法の効果を実験により検証したので報告する．

2．手首部リハビリ支援装置の概要
2.1 空気式パラレルマニピュレータ

Control parameterspa

Atmospheric pressure［Pa］

ps

Supplied pressure［Pa］

p1

Pressure in rear side［Pa］

p2

Pressure in rod side［Pa］ℓ

Displacement of piston rod［m］

A1

Eﬀective cross section area in rear side［㎡］A2

Eﬀective cross section area in rod side［㎡］fℓExternal force applied on a link［N］

uControl signal

m, mn

Equivalent mass for one cylinder［㎏］b, bnViscous coeﬃcient［Ns/m］

fh

Force/moment applied by patient［N］

fs

Force/moment measured by a sensor［N］

J

Jacobi matrix

TqTime constant of ﬁlter［s］

空気式パラレルマニピュレータの概観をFig. 1⒜に示す．
Stewart型のパラレルリンク機構を有しており，下部，およFig. 3
第43巻

第３号

Rehabilitation control system based on EMG― 40 ―

2012年５月（平成24年）

高岩・則次・佐々木：空気式パラレルマニピュレータを用いた手首リハビリテーション

Fig. 4

Aspect of rehabilitation based on EMG⒜

Muscle for Flexion⒝

Muscle for Extension

87

Fig. 1⒞にリンク単体の空気圧駆動回路を示す．ピストン
ロッド変位ℓはワイヤ式ロータリーエンコーダ（㈱武藤工業製，DS-025，分解能0.025㎜）で測定し，上部および下部シリンダ室内圧力p1，p2を圧力センサ（㈱キーエンス製，
AP-43）で検出する．また，両シリンダ室圧力をサーボバ
ルブ（FESTO社製，MPYE-5-M5-010-B）により調節する．
制御則は実時間Linux（RT-AI）上で構築しており，サーボ
バルブへの印加電圧に相当する制御信号uはサンプリング
周期５msごとに計算される．
シリンダ室内圧力p1の状態方程式は次式で与えられる．

Fig. 5

Muscle for Flexion/Extension

なお，p2についても同様である．
Tpdℓdp ＝−p1＋Kpu−Kv
dt
dt 1

t

∫ ｜EMG（p）｜dp

iEMG
（t）
＝

⑶

⑸

t−T

ここで，Tp，Kp，Kvはそれぞれ，圧力応答の時定数，おここで，EMGは表面筋電位信号であり，積分時間Tは筋よび圧力に及ぼす制御信号，ピストン速度の影響を表す係力の発生に対する計算値の遅れや計算値に生じる振動成分数である．p2に関しても同様の式で求められる．

等の影響を考慮して1.0sに設定する．筋力と関節角度/角速

一方，ピストンの運動方程式は次式で与えられる．

度間に負荷を設定するため，iEMGに負荷となる機械インdℓdℓ＋b ＋fℓdt 2
dt

ピーダンスの逆数Ι−1
mpをかけてフィードバックし，内部に2

p1A1−p2 A2＝m⑷

ここで，mはリンクあたりの等価慣性質量，bは粘性摩擦

位置制御系を構成した位置ベース型の制御系を構築する．
位置制御部には前置き補償器としてPDコントローラを用い，その出力を手先座標系での速度の目標値と考え，これ係数，fℓはリンクに作用する外力を表している．
手首の運動には，Fig. 2に示すようにﬂexion/extension（屈にヤコビ行列Jをかけてリンクの速度の目標値に変換し，曲/伸展），radial ﬂexion/ulnar ﬂexion（橈屈/尺屈），pronation/

速度サーボを構成する．ここで，制御パラメータをTable 1

supination（回内/回外）動作があり，それぞれ回転角φ，θ，に示す．なお，目標位置・姿勢hrは原点としている．

ψに対応する．

4．実験結果および考察

3．筋電位信号に基づくリハビリテーション

4.1 負荷として剛性を設定した場合

Fig. 3に筋電位信号に基づくリハビリ支援システムの制御

Fig. 3に示す制御系のインピーダンスモデルImpとして剛系を示す．また，Fig. 4に本装置によりリハビリ訓練を行性Kを設定し，筋電位信号に基づく剛性制御を実施する．

う様子を示す．対象とする筋肉は尺側手根屈筋（Flexor

動作方向を手関節屈曲／伸展方向とし，インピーダンスモ

carpi ulnaris，Fig. 5⒜／長橈側手根伸筋（Extensor carpi

デルへの入力には，その方向の運動に対して拮抗筋として

radialis longus，Fig. 5⒝とし，それらの上の皮膚表面に筋作用する長橈側手根伸筋のiEMGと尺側手根屈筋のiEMGの電位センサの電極を貼り実験を行った．

差を用いている．実験結果をFig. 6に示す．ここで，K＝Fig. 3中のiEMGは式⑸に示す筋電位信号の移動積分値であ0.02vs/radとしている．なお，以下の実験は健康な20代男

り，筋力との間に直線あるいは二次曲線的な関係があること性を被験者として実施している．同図⒜において実線は屈がわかっている11）．本研究では，これを筋力の指標として導曲／伸展方向の関節角度を，点線はインピーダンスモデル

入する．

の出力であり，関節角度の目標値（Fig. 3におけるHd）に相

第43巻

第３号

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2012年５月（平成24年）

88

日本フルードパワーシステム学会論文集⒜

Joint angle in flexion/extension（φ）direction⒝⒜iEMG of antagonistic muscle

Joint angle⒝Fig. 6 Rehabilitation for dominant muscle（stiﬀness control）

Fig. 7iEMG

Measurement of maximum muscle force

当する．これら両者はよく一致しており，設定した剛性がる要素に，目標とするiEMGと訓練したい筋肉のiEMGの偏実現できていることがわかる．同図⒝において，実線は長差を入力し，その他の要素は０を入力する．患者には等尺橈側手根伸筋のiEMG，点線は尺側手根屈筋のiEMGを示す．

動作（装置からの印加力に抗して関節角度を一定に保つ）

屈曲と伸展方向の動作に対応して，両拮抗筋が交互に出力を指示し，目標iEMGをランプ状に増加させていく．目標

している様子がわかる．このように拮抗筋の筋力を用いる

iEMGと被験者のiEMGの差がある閾値を越えた時の筋力をことで，屈曲/伸展両方向に対して運動を実施できること

最大筋力とし，目標iEMGをランプ状に減少させ測定を終がわかる．このような筋力と関節角度に比例関係を設定し了する．

剛性特性を実現する実験は，橈屈／尺屈方向に対しても実Fig. 7に伸展方向の運動における左手長橈側手根伸筋の施しており，設定剛性が正しく実現されることを確認して最大筋力を計測した結果を示す．同図⒜⒝はそれぞれ，伸いる．

展方向の角度変化，iEMGの出力を示す．目標iEMGとの偏4.2 設定剛性の調整による訓練動作の実現

差の閾値は0.03Vsとした．同図⒝よりランプ状に増加する

実際の訓練現場では，RM（Repetition Maximum）法等

目標iEMGに対して被験者は徐々に対応できなくなり，時により負荷の大きさ及び運動回数が決定されている．RM

刻約30秒で偏差が閾値を越えたところで終了し，その時の法は通常，RMの前に数字をつけて「〜 RM」と表記し，値0.08Vsを被験者の最大筋力とする．

12）「〜回反復できる最大の負荷」を意味する ．例えば，Fig. 8はRM法に基づく訓練動作を行なった結果を示す．

「１RM（最大筋力）の70％の筋力で５回反復する事を１

運動は左手伸展方向のみとし，対象は左手長橈側手根伸筋

セットとし，２分間の休憩をはさみ３セット行う」等の動のみとした．伸展方向の最大可動域0.6radにおいて，先に作が訓練現場で実施されている．このようなRM法に基づ測定した左手長橈側手根伸筋の最大筋力の70％を発揮する

く訓練動作を，前節で示した筋力に基づく負荷設定によるように設定剛性をK＝0.09Vs/radとした．同図⒜より，点線手法により実現する．具体的には，前もって患者の1RMで示す目標角度（インピーダンスモデルの出力）と実線で（最大筋力）を測定し，ある割合（例えば70％）の筋力が示す実際の角度はよく一致し，設定した剛性が実現できて最大可動域で達成されるように剛性値を設定する．患者個いることがわかる．また，同図⒝において，同図⒜に示す

人の最大筋力は，RM法の実施に必要なだけでなく，回復

最大可動域である0.6radまで伸展させた時に，最大筋力度の直感的な指標ともなるため患者自身のモチベーション

0.08Vsの70％である0.056Vsをほぼ出力していることがわか

維持・向上に貢献すると考える．

る．

最大筋力を測定するために，Fig. 3を力制御モードに変更

4.3 トリックモーションとその回避する．具体的にはFig. 3のPDコントローラの入力信号として，運Fig. 9は，Fig. 6と同様に，手首関節伸展方向に対して剛動させたい方向（例えば伸展方向であればφ方向）に対す性特性を与えた結果であるが，Fig. 3に示す制御系におい

第43巻

第３号

― 42 ―

2012年５月（平成24年）

高岩・則次・佐々木：空気式パラレルマニピュレータを用いた手首リハビリテーション⒜89

Joint angle⒜ Angle

⒝

iEMG

⒝

Fig. 8 Training based on RM method

Torque and iEMG

Fig. 9 Without trick motion（control with torque）て，インピーダンスモデルImpへの入力として，従来の関節筋が疲労すると，表面筋電位信号のパワースペクトル密トルクに基づく手法のように式⑴，⑵で求められた伸展方度（Power Spectral Density，以下PSD）が低周波数域に移向のトルクを用いていることに注意されたい．正常な手首行していくことが知られている10）．そのため，PSDより平屈曲動作を生成するように行ったので，同図⒜に示す回転

均周波数を算出し，それを疲労度の指標とする．本研究で角度に見合ったトルク，ならびに長橈側手根伸筋のiEMG

は，筋肉の疲労度に応じて訓練動作を調整する機能を将来が同図⒝から読み取れる．一方，Fig. 10は故意にトリッモ的に付与したいと考えており，そのために筋肉の疲労度をクーションを起こして同様の実験を行った結果である．具

リアルタイムに測定する．

体的には肩関節を動作させて結果的に手首関節に回転変位本制御システムが使用しているLinuxのマルチタスク機

及びトルクを発生させた．正常な訓練動作を行ったFig. 9と能と共有メモリを用いたプロセス間でのデータ通信機能を比較すると，手首関節変位，トルクともほぼ同等の値を示利用する．リハビリ訓練動作を実行する制御用プロセスとしているが，当然ながら長橈側手根伸筋のiEMGは小さく，は別に，FFT処理用のプロセスを平行して動作させる．こ

訓練効果が期待できない．

こで，FFT処理には，GSL（GNU Science Library）を採用

Fig. 11はFig. 3におけるインピーダンスモデルの入力を長しており，双方のプロセスは，共有メモリによりデータ共橈側手根伸筋のiEMGに戻し，Fig. 10と同様に故意にトリッ有している．制御用プロセスでは１秒毎に過去１秒間のクモーションを起こした際の結果を示す．Fig. 10と同等のEMGデータを共有メモリに書き込む．FFT処理用プロセ

手首トルクが発生しているが，長橈側手根伸筋のiEMGがスは共有メモリに書き込みがあるとFFT演算を行いMPFを小さいため関節角度も小さく訓練動作が実施されない．本

導出して共有メモリ内のMPF値を更新する．

装置のような機械システムを用いた訓練動作では，安全性

以下の手順に従い筋疲労計測実験を行った結果をFig. 12の観点から上腕部を拘束することは得策でない．その結果，に示す．対象は長橈側手根屈筋とした．

上記のようなトリックモーションが生じる可能性があるが，

１）５秒間（０〜５s）静止した後に５秒間（５〜 10s）か

本手法によればトリックモーション時に訓練動作自体が成けて本装置よりランプ状に負荷を2,000N㎜になるよう立しないため，根本的に防止することができる．

に印加する

4.4 筋疲労の評価

２）負荷を２秒間（10 〜 130s）2,000N㎜で維持し，その後リハビリ訓練では，長時間，一連の訓練動作を繰り返し５秒間（130 〜 135s）かけて負荷を０N㎜まで減少さ行なうため，筋肉に疲労が生じる．一旦疲労が生じると訓練効果が低下するため，訓練動作中に筋肉の疲労度が測定

せる
３）１分間のインターバルをはさみ手順１）から手順２）

できれば，それに合わせて訓練メニューを調整することができる等都合がよい．
第43巻

第３号

を計５回繰り返す
Fig. 12⒜のグレーの線は１回目の計測で取得したEMGを，― 43 ―

2012年５月（平成24年）

90

日本フルードパワーシステム学会論文集⒜ Angle⒝⒜ EMG and MPF

Torque and iEMG⒝

Fig. 10 With trick motion（control with torque）

Variation of MPF

Fig. 12 Fatigue index with MPF

解析（GNU

Octaveを使用）して求めた結果ともよく一致しており，リアルタイムに計算する妥当性を確認している．
このように訓練動作と平行して患者の疲労具合を検出できることがわかる．

5．結⒜ Angle言

本稿では，リハビリ訓練における筋力増強訓練に着目し，訓練したい筋肉を選択かつ集中的に訓練するために，空気式パラレルマニピュレータを用いて，筋力と関節角度/角速度の関係において負荷を設定する訓練手法を提案し，その基本的な制御性能を実験により検証し，以下の結論を得た．
１）本手法では，患者は筋力を発生しない限りマニピュ
レータが動作しないため，従来の関節トルクに基づく⒝

Torque and iEMG

方法では回避が容易でないトリックモーションを基本的に防止することができる．

Fig. 11 With trick motion（control with EMG）

２）本装置は多自由度であるため，動作方向を任意に設定
黒色の実線はMPFを示している．また，Fig. 12⒝の黒色おできる．このため，ある運動方向に対して，本来そのよびグレーの実線は，それぞれ，１回目，および５回目の運動方向には支配的でない筋肉との組み合わせにおい

計測時におけるMPFを示している．Fig. 12⒜より，２分間ても負荷を設定した訓練を行なうことが可能であり，ほぼ一定の筋力を出力しており，これに伴いMPFが時間と運動に対する種々の筋肉の貢献度を考慮した訓練が実ともに減少している事が分かる．また，Fig. 12⒝より，１施できる．

回目のMPF値に比べ５回目のMPF値の方が，急速に減少

３）本装置により，最大筋力を前もって測定しておくことして行く様子が確認できる．一定の負荷が印加されている

で，RM法等の従来より実施されているリハビリ訓練

10 〜 130s間の最小二乗法により一次近似した傾きは，１回を本手法で実行できる．

目が−0.046Hz/s，５回目が−0.089Hz/sであった．試行を重４）筋電位信号の平均周波数が疲労に伴い低周波数域に移ねる毎に筋肉は早く疲労していくことがわかる．このよう行することを利用し，訓練動作に並行してリアルタイにFig. 12に示すようにリアルタイムに検出したMPFは，試ムに疲労度を検出する手法を提案した．

行後，120秒間蓄積したEMGデータをオフラインで周波数
第43巻

第３号

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2012年５月（平成24年）

高岩・則次・佐々木：空気式パラレルマニピュレータを用いた手首リハビリテーション

91

医学，医学書院（1986）

参 考 文 献７）高岩昌弘，則次俊郎：空気式パラレルマニピュレータ
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パラレルマニピュレータを用いた手首リハビリ支援装of RiceWrist, The International Journal of Robotics

置の開発―療法士の徒手訓練動作の獲得と手首特性のResearch, Vol. 27, No. 2, p. 233‑251（2008）

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15, No. 3, p. 327‑335（2007）６）上田敏，大川嗣雄，明石謙：標準リハビリテーション

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ボール・マガジン社（2008）2012年５月（平成24年）

昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
平成24年５月15日発行（奇数月）

Vol.43 No.3
フルードパワーシステム

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