昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可

平成26年１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

Jan.2014 Vol.

45 No.1

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「フルードパワーを活用した移動ロボットの最前線」

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

LUID POWER SYSTEISSN 1346―7719

第45巻 第 1号 2014年 1月

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
目

次

【挨拶】
新年の挨拶
年頭にあたって香川 利春

４

築地 徹浩，肥田 一雄，北畠 多門

５

特集「フルードパワーを活用した移動ロボットの最前線」【巻頭言】「フルードパワーを活用した移動ロボットの最前線」発行にあたって

塚越 秀行

７

空圧駆動によるヒューマノイド

細田

耕

８

高速かつ柔軟な油圧式２足歩行ロボット

玄

相昊

12

鈴森 康一，脇元 修一

16

竹村研治郎

20

仁，片岡木太郎，伊能 教夫

24

塚越 秀行

28

日本機械学会 2013年度年次大会におけるフルードパワー技術研究

脇元 修一

32

第13回「運動と振動の制御」シンポジウム（MOVIC2013）報告

村山 栄治

34

ISO/TC131/SC9/WG1 ISO4413の改正

渋谷 文昭

36

タイ駐在員日記栗田 敏行

39

寅，矢島 拓実

42

野見山紘一

44

【解説】

バブラアクチュエータの開発と内視鏡誘導への応用
電界共役流体を用いた小型壁面移動ロボット
柔軟袋状構造を利用した流体駆動型クローラ機構

木村

先端成長動作による狭隘地形内の無摺動移動探査ロボット【会議報告】【トピックス】【研究室紹介】東京工業大学 香川・只野研究室紹介

金【随想】
若いフルードパワー技術者に送る老いた電気屋フルードパワーファンの妄言平成25年度 ウインターセミナーのお知らせ「大型機械と油圧技術」

47

触れて学べる！ 入門者向き実習講座「油空圧技術」

47

共催・協賛行事のお知らせ

47

平成26年春季フルードパワーシステム講演会併設セミナー「フルードパワーに貢献する材料、加工、表面処理技術」のお知らせ

48

平成26年春季フルードパワーシステム講演会のお知らせ

48

平成26年春季フルードパワーシステム講演会併設企画「製品・技術紹介セッション」のお知らせ
その他

48
35，46，49，50■表紙デザイン：山本 博勝 ㈱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 機械振興会館別館102
TEL：03―3433―8441 FAX：03―3433―8442
E-Mail：info@jfps.jp

LUID POWER SYSTE【会告】ISSN 1346―7719

Vol．45，No. 1

January 2014

JOURNAL OF THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY

FLUID POWER SYSTEM
Contents【Greeting Message】

New Year’s Greetings
Toshiharu KAGAWA
A Letter of Greetings as an Inaugural Address from the Vice Presidents
Tetsuhiro TSUKIJI, Kazuo HIDA, Tamon KITABATAKE

４
５Special Issue “Latest Information on Mobile Robots Using Fluid Power”【Preface】

On the Special Issue“Latest Information on Mobile Robots Using Fluid Power”
Hideyuki TSUKAGOSHI【Review】

Humanoid Robots Powered by Pneumatics
Koh HOSODA
High-Speed and Compliant Hydraulic Biped Walking Robot
Sang-Ho HYON
Bubbler Actuators and their Application to Colonscope Insertion
Koichi SUZUMORI, Shuichi WAKIMOTO
Kenjiro TAKEMURA
Wall Climbing Robot using Electro-conjugate Fluid
Fluid Power Flexible Crawler Mechanism Made of Flexible Bags

Hitoshi KIMURA, Mokutarou KATAOKA, Norio INOU
Tip Growing Motion and Its Mobile Probe Robot with No Friction inside Narrow Spaces
Hideyuki TSUKAGOSHI【Conference Report】

Fluid Power Researches in JSME Mechanical Engineering Congress 2013
Shuichi WAKIMOTO
Report of the 13th International Conference on Motion and Vibration Control（MOVIC 2013）

Eiji MURAYAMA【Topics】

ISO/TC131/SC9/WG1 Revision of ISO4413
Diary of Expatriates in Thailand【Laboratory Tour】

Laboratory Tour on Kagawa-Tadano Lab. in Tokyo Institute of Technology

【Essay】

A Letter from Old FULUID POWER FAN to Young Engineers

７
８
12
16
20
24
28

32
34

Fumiaki SHIBUYA
Toshiyuki KURITA

36
39

In KIM, Takumi YAJIMA

42

Koichi NOMIYAMA44【JFPS News】
35, 46, 47, 48, 49, 50

The Japan Fluid Power System Society
c/o Kikaishinko Building
3―5―22 Shiba―koen, Minato-ku, Tokyo, 105―0011, Japan4

フルードパワーシステム

挨 拶

新年の挨拶

著

者

紹

介
か

がわ

香 川

とし

利

はる

春

東京工業大学〒226-8503 神奈川県横浜市緑区長津田町4259
E-mail : kagawa.t.aa@m.titech.ac.jp
1974年東京工業大学制御工学科卒業．精密工学研究所およびメカノマイクロ工学専攻教授として自動制御・流体計測制御・生体計測の研究に従事．また本学会会長，計測自動制御学会理事，㈳日本機械学会フェロー．

1．総説

工業高等専門学校他に無料で配布して，宣伝活動を行っています．現在社会の変改に合わせて改定作業を行っています．
2.2 産学連携出前講義
それぞれの分野の専門家がフルードパワーシステ
ムの魅力を先方の組織で講演するもので，手間はかかりますが，好評を博しています．特に昨年から開始した企画に卓上実験装置を用いた出前講義が採用されました．日本フルードパワーシステム学会と工業会の共同で作成した，空気圧システムの真髄を学習するためのいくつかの装置です．これらは，等温化圧力容器，空気圧シリンダのメータアウト速度制御装置とボルテックス浮揚実験装置です．
2.3 産学連携JIS原案作成
日本フルードパワー工業会に学会所属の多くの教員がJIS原案作成委員会に協力しています．産学連
携により流量試験法の日本発ISO規約制定が成功したのは記憶に新しいですが，今後の省エネに関係したプロジェクトが期待されます．

新年あけましておめでとうございます．本年が皆様にとって良い年になりますようにお祈りします．
日本フルードパワーシステム学会では昨年より数々の改革を行ってきており，徐々に成果が上がって来ている状態です．会誌Vol. 44, No. 5にありますように，会員数では微増で賛助会員口数ではこの1年間で約２割の増加が達成できました．会員数でも大幅増で目標の1,000人を超えるはずでしたが，団塊3．学会の展望世代技術者の退職に伴う多くの退会申し込みがあり，
フルードパワーシステムを通して，ますます社会
辛うじての増加となりました．改革や施策の詳細に貢献のできるチャンスが広がることが考えられます．
ついては副会長挨拶に記述がありますので，別な観これらに対応するためには多くの若い人材にフルー
点から学会の運営を紹介したいと考えます．
ドパワーのことを知って貰うことが重要となってい

2．産 学 連 携

2.1 学会広報活動
日本フルードパワーシステム学会と工業会の産学ます．そのためには学会関係各位が鋭意努力する必要があると考え，皆様の協力をお願いし，新年の辞に代えます．

連携委員会ではフルードパワー技術をできるだけ多くの初学者等に知ってもらおうとの趣旨でフルード

パワーシステム紹介冊子を作成しています．全国の4

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）（原稿受付：2013年10月 8 日）

築地・肥田・北畠：年頭にあたって

5挨 拶

年頭にあたって著者

紹せていただきます．

介
つき

じ

築 地

てつ

徹

ひろ

浩

上智大学理工学部〒102-8554 東京都千代田区紀尾井町７-１
E-mail : t-tukiji@sophia.ac.jp

上智大学理工学部教授．大学院理工学研究科
理工学専攻専攻主任，流体工学，油空圧工学，
機能性流体の研究に従事．（一社）日本フルード
パワーシステム学会副会長，日本機械学会，可視化情報学会，アメリカ機械学会などの会員．
工学博士．
ひ

だ

肥 田

かず

一

お

雄

川崎重工業株式会社 精密機械カンパニー〒651-2239 神戸市西区枦谷町松本234番地
E-mail : hida_k@khi.co.jp
川崎重工業株式会社 執行役員，精密機械カン
パニー 技術本部長，（一社）日本フルードパワー
システム学会副会長，日本機械学会会員．
きた

ばたけ

北 畠

た

多

もん

門

SMC株式会社〒101-0021 東京都千代田区外神田４－14－１
秋葉原UDX15F ）E-mail:tamon-kita@smcjpn.co.jp
SMC株式会社常任顧問，日本フルードパワー
システム学会副会長，（一社）日本フルードパ
ワー工業会副会長

2．学会内体制
平成24年度から会長副会長の４人で構成される
会長副会長会議を発足させています．この会議の目
的は，学会としての大きな方向付けの案を作成することです．さらに，各委員会から少なくとも一人の委員および会長と副会長が参加する基盤強化委員会
で，学会の全体の委員会の活動状況を調整してきました．

3．財政基盤強化の成果
これまでに，正会員と賛助会員の推移の分析や，会員増強のための諸準備を行い，それらの結果をもとに，正会員は勿論，特に賛助会員の入会に力を入れてまいりました．賛助会員の入会に関しては特に企業側の理事の皆様のご協力のお蔭で，2012年６月から2013年６月の間に，103社から124社に増加しました．今後も積極的に働き掛けを継続していく所存です．

4．産学連携の強化
上述の会長副会長会議や基盤強化委員会等の会議

1．は じ め に
新年あけましておめでとうございます．年頭にあたり，平成24，25年度副会長を仰せつかりました
私たちの連名でご挨拶を申し上げます．
日本フルードパワーシステム学会が一般社団法人へ移行した平成24年度より，新たな取り組みを香川会長の下，始めました．学会を運用するうえで，特に重要な目標は，財政基盤や学術基盤の強化などであります．

により産学連携の強化策として，フルードパワー工業会との情報交換をこれまでに３回程度行いました．
学会の活動を学会外，特に産業界に知っていただくことが重要と考え，その一環として新たに本学会の大学の教員の研究内容を紹介する『研究者リスト』の最新版を作成配布いたしました．
さらに，新たな研究委員会として「自動車の動力伝達・制御に関わるフルードパワー技術研究委員会」や「フルードパワーシステムにおける流体現象
研究委員会」を発足させ，自動車関連や基礎流体工学研究分野の研究者や技術者の方々との交流を図る

本学会にて意義ある活動，成果の上がる活動が継続的に行われ，それに意義，魅力を感じる正会員，
予定です．
賛助会員が多数活動に参画することが学会のさらな5．学会ホームページの更新
る発展につながると考えております．本ご挨拶では，学会の活動内容がうまく学会内外に伝えられていそうしたさらなる発展を目指した新たな取り組みについて，これまでの成果と今後の努力目標を述べさない，それが会員増加の阻害要因になっているとい

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

5

6

フルードパワーシステム

うご意見が多く有ります．これまでに学会のホーム
パージに関しても同様の多くのご意見をいただいてるために，講演内容予定を早く学会内外にアナウン
スすることが重要と考え，取り組んでいます．

まいりました．改善を図るため平成25年度の予算にホームページの更新費用を計上し，情報システム
委員会の皆様のお陰で学会のホームページを一新いさらに，2013年１月から電子投稿に移行しましたフルードパワーシステム学会論文集を発行しています．今後，以上の講演会，国際シンポジウムおよ

たしました．学会のホームページhttp://www.jfps.
jp/をご覧頂きご意見を頂ければ幸いです．

び論文集の規模や質を高めていく必要があると思います．

6．学術基盤の強化

7．終 わ り に本学会として重要な基盤は，財政基盤とともに学術基盤です．学術基盤は，学会としての存在意義を以上述べてきましたように，今回は特に財政基盤の強化，産学連携の強化およびホームページの更新持つために必要不可欠です．本学会の学術基盤として，春と秋の国内講演会および国際シンポジウムを開催しており，本学会主催で行われます．国内講演に力を注いでまいりました．今後，長期的視点や広い視点から，さらにこれらの内容の継続的な強化を行うとともに，学術基盤の強化も行うことが重要で会において，春の講演会は総会とともに東京で行われますが，秋の講演会は東京以外で行われます．この秋の講演会が重要で，東京以外の地域の方々が本あると存じます．フルードパワー技術の発展を目指し微力ながら最大限の努力していく所存であります．
会員の皆様のご理解･関心とご協力をよろしくお学会へ参加されやすいよい機会で，学会の発展につながると考えられます．今年は，松江で国際シンポジウムが開催されます．
学会外の方も含め，講演会に多くの聴講者を集め願い申し上げます．

6

フルードパワーシステム

第45巻

第１号



2014年１月（平成26年）（原稿受付：2013年 ９ 月24日）

塚越秀行：特集「フルードパワーを活用した移動ロボットの最前線」発行にあたって

7

巻 頭 言

特集「フルードパワーを活用した移動ロボットの最前線」
発行にあたって
著

者

紹

介
つか

ごし

塚 越

ひで

秀

ゆき

行

東京工業大学大学院〒152-8552 東京都目黒区大岡山２-12- １-S5-19
E-mail : htsuka@cm.ctrl.titech.ac.jp

1998年東京工業大学大学院工学研究科博士課程修了．同大学助手を経て，2004年同大学工学部助教授，准教授, 現在に至る．レスキューロ
ボット，流体アクチュエータの研究に従事．日
本フルードパワーシステム学会，日本機械学会などの会員．博士（工学）．

1920年チェコの作家カレル・チャペックの戯曲
で，人間に仕える奴隷として“ロボット”という言
葉が初めて登場して以来，100年の歳月を迎えようとしている．この間，産業用ロボットに端を発し，さまざまなロボットが社会で実働し始めている．つぎの100年の間に，ロボットはどのように活躍の場を広げてゆくのだろうか？
１つの注目すべき兆候として，移動機能を備えたロボットが我々の生活圏で稼動し始めたことが挙げられる．たとえば，車輪式の掃除ロボットや警備ロ
ボット，ヘリコプタ式農薬散布ロボット，クローラ式の床下点検ロボット，…など．これらの移動形態に着目すると，そのほとんどが電動モータで駆動される無限回転運動ばかりである．この背景には，電動モータの優れた応答性・制御性とともに，回転駆動系の簡便性・堅牢性・安全性などの理由が潜む．
その一方で，上記駆動系を凌駕する高いモービリ
ティの出現も待ち望まれている．原発事故現場に投入されたクローラ型ロボットは，がれき凹凸面の移動やはしごの昇降動作への限界を露呈した．人間のように手足を駆使した移動や，跳躍と着地を安定にこなせるロボットが実現すれば，作業領域の拡大に

そもそも生物の筋肉には，電気モータに不向きな２つの特性が存在する．ｉ）対地適応性を向上させるバックドライバビリティ（外力で受動的に動くこと）．このお陰で凹凸に順応しながらの歩行が可能となる． ii ）高い筋肉率（＝全体重に占める筋肉の重さの割合で，成人男性の場合30 ～ 40％，タコは90％といわれる）で構成された剛性可変の体幹構造．生物的動作の体現に不可欠なこれらの特性は，フルードパワーアクチュエータの得意とする領域と考えられる．
そこで本特集号では，「フルードパワーを活用した移動ロボットの最前線」と題し，当該分野で最先端の研究を展開されている大学研究者のみなさまより，最新の研究情報をご提供いただくことにした．
細田耕氏（大阪大学）には，空気圧人工筋を用いたヒューマノイドロボットをご紹介いただき，歩行制御の観点からみた空気圧人工筋のさまざまな優位性について解説いただいた．玄相昊氏（立命館大学）には，油圧式２足歩行ロボットをご紹介いただき，高出力を得やすい油圧駆動系の長所と力制御による柔軟運動の生成について解説いただいた．鈴森康一氏ら（岡山大学）には，バブラアクチュエータをご紹介いただき，薄肉ゴムチューブに弾性進行波が生成する原理と，その大腸内視鏡への応用について解説いただいた．竹村研治郎氏（慶応大学）には，
電界共役流体を用いた小型壁面移動ロボットをご紹介いただき，ECFにより吸盤に吸着力を生成する原理とその応用について解説いただいた．木村仁氏ら（東工大）には，袋状構造を利用した柔軟な流体駆動型クローラ機構をご紹介いただき，剛性可変のアクチュエータによる移動原理を解説いただいた．塚つながる．ネズミや蛇のように，体幹より幅の狭い間隙を潜り抜けながら縦横無尽に移動できるロボッ

越秀行（東工大）より，空気圧で生成される先端成長動作の原理とその無摺動移動探査ロボットへの応用について紹介させていただいた．

トの出現も待ち遠しい．
これらの実現には，外界を判断する知覚センサ・
信号処理・多自由度の運動制御・柔軟構造材などの末筆ながら，ご多忙のなかご寄稿いただいた執筆者のみなさまに厚く御礼申し上げる．本特集号が，フルードパワーによる移動ロボットに関する最新情要素技術の進化に加えて，各々の移動形態に適したアクチュエータの創製が不可欠となる．

報の提供に資すれば，望外の喜びである．


フルードパワーシステム（原稿受付：2013年11月 7 日）
第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

7

8

フルードパワーシステム

解 説

空圧駆動によるヒューマノイド

著

者

紹

介
ほそ

だ

細 田

こう

耕

大阪大学大学院情報科学研究科〒565-0871 大阪府吹田市山田丘２―１
E-mail : koh.hosoda@ist.osaka-u.ac.jp
1993年京都大学大学院工学研究科博士後期課
程修了．大阪大学工学部助手，同大学大学院工学研究科准教授を経て，2010年同大学大学院情報科学研究科教授，現在に至る．生物型ロボットの研究に従事．日本ロボット学会，日本機械学会，IEEEなどの会員．博士（工学）．

図１

1．は じ め にヒューマノイドロボットとは，ヒトに類似の形態を持つロボットである．ヒトと同じような形である
ことによって，たとえば，人間と同じ環境で作業したり，人間と自然なコミュニケーションをしたり，あるいはヒトの身体構造の理解のための研究に使われるなどの目的に使用される．
本稿では，空圧駆動によって実現されるヒューマ
ノイドロボットの移動に焦点を絞って解説する．
ヒューマノイドロボットの移動様式は，二足による歩行，走行，跳躍である．これらを実現するために，
著者らは，空気圧によって駆動される人工筋を用いてきた．

マッキベン型空気圧人工筋

この人工筋は，外部からの力に応じて弾性変形する．
この弾性が，ある程度，生体の筋肉に似た特性であり，後述するように，二足移動を実現するために重要な役割を果たす．
マッキベン型空気圧人工筋は，生体の筋肉のように，細長い形をしていて，長手引っ張り方向のみに力を発生することができる．このような性質を利用すると，ヒトに類似した骨格構造のロボットを作り，人工筋を付加することによって，ヒトの筋骨格構造をある程度再現したロボットを作ることができる．
ヒトの筋骨格構造が，行動とどのような関係にあるのか，まだ生物学やスポーツ力学でも解明されていまず，本解説で紹介されるヒューマノイドに使われている，マッキベン型空気圧人工筋（図１）につない点が多数存在しており，このようなヒト型のロボットを作ることによって，その行動原理や，背後に存在する力学的原理が明らかになることも期待されている．

いて触れておく．この人工筋は，ゴムチューブが，ナイロン繊維で包まれた構造をしており，空気を供

これまでに開発されてきたヒューマノイドロボッ
トの多くは，電気モータによって駆動されている．

給すると，ゴムチューブが膨らむ力が，ナイロン繊維によって長手方向に変換される．サイズや構造によって異なるが，たとえば，著者らの研究グループ
で作成しているものについては，７気圧程度の圧縮モータを用いることで，各軸について精密な制御を適用することができるからである．これに比べると，
マッキベン型空気圧人工筋は，摩擦によるヒステリ
シスなどの非線形性が強く，流体による作動のため空気を供給することによって，およそ20 ～ 30パー
セントの収縮率，800N程度の力を出すことができる．

の時間遅れが大きいなど，制御性という意味では電気モータの後塵を拝する．しかし，電気モータは，

マッキベン型空気圧人工筋の，もっとも特筆すべ
き性質は，その柔軟性である．作動流体である空気の圧縮性と，ゴムチューブがもたらす弾性によって，それを制御するコンピュータとともに，排熱が大きな問題となっている．空気圧人工筋の場合，このようなオーバーヒートの問題がなく，ヒューマノイド

2．マッキベン型空気圧人工筋

8フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

細田

9

耕：空圧駆動によるヒューマノイドのように，人間と同じ環境内で，長時間駆動する必要がある場合には，有利である．また，前述のように本質的に柔軟なので，衝突や衝撃に強く，衝突時に過大な力を生じにくい．それ以外にも，主要な部
品を誘電性のない素材で作ることができるため，誘電が問題となる局面に使用しやすく，動作による電磁ノイズも発生しにくいなどの利点もある．

3．空気圧人工筋を用いた歩行3.1 受動歩行と空気圧人工筋
電気モータを使って，二足歩行を実現する場合，モータが出力することができるトルクが小さいため，
歯車やハーモニックドライブなどで減速し，各軸を駆動することがほとんどである．その場合，減速機には大きな摩擦が生じるため，各リンクにかかる力
によって逆にモータを動かすことは難しい（バックドライバビリティが低い）．このような制御対象の場合には，歩行を実現するために，あらかじめ（あるいはオンラインで）重心移動を計算しておき，それを実現するための各軸の目標軌道を計画，これに各モータが追従するような制御則を適用するケースがほとんどである．こういった制御則に基づいてロボットを動かすと，各モータへの軌道追従制御や，バランス制御，あるいは地面と衝突した時の力制御の計算量が莫大になり，しかもロボットがバランスを崩さないためには，非常に速い処理が必要となる．
一方で，各関節の軌道追従ではなく，ロボット自体の動特性，つまりリンクが受ける重力と慣性力によって，軸からの駆動を受けずに，緩やかな斜面を下る受動歩行と呼ばれる歩行が，McGeerらによって提案されている1）．受動歩行は，重力と慣性力にのみでロボットが駆動されるため，斜面を下ることしかできないが，これに駆動力を加えることによって，平面や上り坂でも歩行させることができる．この時に使われる駆動様式には，さまざまな方法が考えられるが，空気圧人工筋を使うと，純粋に重力のみによって動く相と，人工筋によって駆動力を加えられている相を作りやすい．このような考え方に基づいて，オランダ，デルフト大学のWisseらは，二3）を，足歩行ロボット「Mike」2），「Max」，「Denise」
筆者らの研究グループでは，空気圧人工筋駆動二足5）6）「Pneuman」，「Pneumat-BT」
ロボット「空脚」4），などを開発した（図２）．
これらの研究の中でも，特に興味深いのは，空気
圧人工筋の特性を利用した，拮抗の変化による速度の調整7）である．これまでの二足歩行ロボットの歩行速度を変化させるためには，重心の速度を定義し，その動きにしたがった，幾何学的計算から，各関節

図２

空気圧人工筋駆動二足ロボットPneumat-BT 6）の軌道を算出，これに各モータを追従させることによって実現していた．しかし，空脚の場合，駆動するための人工筋と拮抗関係にあるもう一本の筋肉が発生する力を調整することによって，直接的ではな
く，間接的にロボットの歩行速度を変化させることができる7）．
なお，著者が知る限り，空気圧人工筋によって動く二足歩行ロボットには，これら以外にブリュッセ
ル自由大学のVerrelstらによる「Lucy」8）があるが，このロボットの場合，ロボットの動きから各関節の動きを設計し，空気圧人工筋を使った追従制御を適用するという，従来の電気モータによる制御と大差ない制御則を使っている．電気モータを用いた人工筋を使って歩行ロボットを作る研究もあるが，フルードパワーの範疇から外れるため，ここでは割愛
する．
3.2 空気圧人工筋による下肢筋骨格構造の実現
一つの回転関節を動かすには，二本の空気圧人工筋を拮抗に配置すればよい．矢状面内（足を振りだ
す方向を含む面内）を運動する下肢を作るためには，
腰，ひざ，足首の三関節が必要なので，計６本の人工筋が最低限必要となる．しかし，ヒトの場合には，
これ以外にも二つの関節をまたがる二関節筋と呼ばれる筋肉が存在し，関節間の力の伝達や連動をつかさどっていると言われている．空気圧人工筋はヒトの筋肉のような形状をしているため，このような二関節筋を含む冗長な筋骨格系を，工学的に再現し，その機能を詳細に調べることができる．このような設計思想に基づいて，片足当たり５対９筋の構造を持
9）
（図３）
，
「Pneumatつ二足ロボット「Pneumat-BB」
10）
BR」 を開発した．二関節筋の強度（＝空気量）を調整することによって，関節間の連動，とくにひざと足首の連動を変化させることができ，ひざを曲げるこ

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

9

10

フルードパワーシステム

図４
図３ ヒ
 トと類似の筋骨格構造を持つ空気圧人工筋駆動二足ロボットPneumat-BB 9）とによって，足首を自動的に背屈（つま先を上にあげる方向に曲げること）させることができる．各関節の軌道を詳細に設計し，制御する必要がなくなるという意味で，非常に興味深く，また実際の生物でも同様のことが起こっているのではないかという重要な知見を得ることができた．

4．空気圧人工筋を用いた跳躍・走行
4.1 関節の柔らかさと跳躍・走行各関節が，電気モータと減速器によって駆動されるロボットによって，跳躍や走行を実現するためには，着地時の衝撃力を瞬時に計測し，それに対する各関節の応答を計算，計算された軌道に沿って各モータを制御するという，非常に計算コストの高い方法を使わざるを得ない．また，過大な衝撃力がかかった時には，モータや減速器が破損するという危険性もある．
空気圧人工筋は，本質的にやわらかいため，外力に対して計算コストなしに，ばねのような応答を示すことができる上，用いられているナイロン繊維の強度は，大きい衝撃力でも破断することはない．そして，このような空気圧人工筋を，各関節に拮抗に配置し，あらかじめ適度な弾性を持たせておくこと
によって，ロボットに跳躍や走行をさせることができる．このような考え方に基づいて，二足ロボット

空気圧人工筋駆動ロボット 空脚R11）

立性を確保するために，各人工筋の駆動には，体積と重量が大きくなってしまう比例弁や圧力弁ではな
く，ON/OFF弁を用いている．各人工筋への給気は，流体による作動の遅れなどがあり，数百ミリ秒の時
間遅れが生じる．このような遅れにもかかわらず，
ロボットを走行，跳躍させるためには，各弁を開閉するタイミングを設計する必要があるが，結果的に速度の速いフィードバックなしの制御則でも走行が可能なのは，人工筋の拮抗構造からもたらされる柔軟性のおかげである．
4.2 ヒトに似た下肢筋骨格構造と跳躍
空脚Rは，各関節の連動を，弁の開閉タイミングの詳細なプログラムによって生み出すことで，跳躍，走行することはできたが，そのような連動を，前述したような，二関節筋を含む複雑な筋骨格系で実現できないか，という問題に取り組んだのが，次に紹介する「空脚K」である（図５）．歩行について研究した経緯と同様に，各関節に拮抗する二本の筋を配置しただけの空脚Rに，関節間の連動を生み出す
ために，二関節筋を付け加えたような構造を作った12）．歩行のためのロボットと同様に，このロボッ
トにも５対９筋と呼ばれる，ヒトの下肢が持っている基本的な筋構造と同等の構造を持たせた．各関節の連動タイミングは，二関節筋に，あらかじめある
程度の空気を供給しておき，これが自動的に生み出す連動を利用する．
図６に，二関節筋の一つ，腓腹筋（図５の# ９の筋）の強度を変化させたときの，跳躍方向の変化に「空脚R」（図４）を設計し，関節が持つ弾性と，歩ついての実験結果を示す．実際のロボットの動きを，行，走行，跳躍などの移動様式の関係について明ら
11）
モーションキャプチャで観察した．下のグラフほど，かにした ．
ここでの問題点は，走行，跳躍を実現するために， 腓腹筋に空気を供給する弁を開ける時間を長く，つ各人工筋の駆動のための弁操作をどのように設計すまりより腓腹筋を緊張させたときの実験結果である．
るかである．著者らのグループでは，ロボットの自腓腹筋が緊張することにより，ひざと足首の間には

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フルードパワーシステム

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細田

図５

耕：空圧駆動によるヒューマノイド

11

空気圧人工筋駆動ロボット の空脚K12）のと筋配置

強い連動が起こる．その結果，跳躍姿勢が変化していることが，この実験結果の重要な点である．跳躍するためのエネルギは，ほかの筋のよって供給され，しかも，それらについての弁の操作は変化しないにもかかわらず，腓腹筋の強度のみを変化させることによって，跳躍方向を変えることができるということは，これまでのロボットのように，跳躍方向を変えるためには，それもたらす各軸の軌道を再計算し，追従するための各軸制御を適用する，という方法論とはまったく異なる．

5．お わ り に
マッキベン空気圧人工筋は，材料に起因する柔軟性を持ったフルードアクチュエータであり，制御しにくい特性にもかかわらず，ヒューマノイドの歩行，跳躍，走行といったさまざまな移動様式を実現するために有効であることが，これらの実験結果から理解いただけたのではないかと思う．また，科学的にも興味深いのは，ヒトに似た筋骨格系を持つロボッ
トを作ることにより，各筋の機能に関する知見を得られることである．
参 考 文 献1 ）McGeer, T.: Passive Dynamic Walking, The
International Journal of Robotics Research, Vol.9,
No.2, p.62-68（1990）
2 ）Wisse M., van Frankenhuyzen, J.: Design andConstruction of MIKE; a 2 D autonomous bipedbased on passive dynamics walking, Proceedings ofthe 2nd International Symposium on Adaptive Motionof Animals and Machines（2003）
3 ）Wisse, M.: Three additions to passive dynamic
walking: actuation, an upper body, and 3 D stability,
IEEE-RAS/RSJ International Conference on
Humanoid Robots（2004）

図６腓 腹筋の強度を変えたときの空脚Kの跳躍姿勢の変化11）．下の方がより腓腹筋の強度が高い．

4 ）Takuma, T., Hosoda K.:Controlling the Walking Periodof a Pneumatic Muscle Walker, International Journalof Robotics Research, Vol.25, No.9, p.861-866（2006）5 ）Hosoda, K., Takuma, T., Ishikawa, M.:Design andControl of a 3 D Biped Robot Actuated by
Antagonistic Pairs of Pneumatic Muscles",Proceedings of 3rd International Symposium on
Adaptive Motion in Animals and Machines（2005）
6 ）Narioka, K., Hosoda, K.: Designing Synergistic
Walking of a Whole-Body Humanoid Driven by
Pneumatic Artificial Muscles: An Empirical Study,
Advanced Robotics, Vol.22, No.10, p.1107-1123（2008）
7 ）Takuma, T., Hosoda, K.: Controlling Walking Behavior
of Passive Dynamic Walker Utilizing Passive Joint
Compliance, 2007 IEEE/RSJ International Conferenceon Intelligent Robots and Systems, p.2975-2980,（2007）8 ）Verrelst, B. et al.: The Pneumatic Biped “Lucy”
Actuated with Pleated Pneumatic Artificial Muscles,
Autonomous Robots, 18, p.201-213（2005）
9 ）Narioka, K., Homma, K., Hosoda, K.: Roll-over shapesof musculoskeletal biped walker, AT Automatisierungstechnik, Vol. 61, No. 1, p.4-14（2013）10）細田耕：発見的バイオロボティクスアプローチと適応
的 2 足 歩 行， 日 本 ロ ボ ッ ト 学 会 誌，Vol.28，No.4，
p.479-484（2010）11）Hosoda, K., Takuma, T., Nakamoto, A., Hayashi, S.:
Biped robot design powered by antagonistic
pneumatic actuators for multi-modal locomotion,
Robotics and Autonomous Systems, Vol.56, No.1,
p.46-53,（2008）12）Hosoda, K., Sakaguchi, Y., Takayama, H., Takuma, T.:
Pneumatic-driven jumping robot with anthropomorphic
muscular skeleton structure, Autonomous Robots,
Vol.28, Issue 3, p.307-316（2010）

フルードパワーシステム（原稿受付：2013年 ９ 月19日）

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解 説

高速かつ柔軟な油圧式２足歩行ロボット

著

者

紹

介
げん

玄

そう

相

こう

昊

立命館大学理工学部ロボティクス学科・准教授〒525-8577 滋賀県草津市野路東１-１-１
E-mail：gen@fc.ritsumei.ac.jp

1998年早稲田大学大学院修士課程修了．
2002年東京工業大学大学院博士後期課程修了．
同年東北大学大学院工学研究科助手，講師を経て2005年ATR脳情報研究所研究員．
2010年４月 立命館大学理工学部ロボティクス学科准教授，現在に至る．博士（工学）．

1．は じ め に工場はもちろん，建設，医療，福祉，宇宙など，
さまざまな作業現場で人と協調しながら複雑な作業を行う高性能ロボットが求められている．現状，過酷な環境で大きな力を出して作業できる強靭な機械
は，油圧ショベルだけといっても過言ではない．油圧ショベルは東日本大震災における原発事故の現場でも用いられ，がれき撤去や除染作業にも大いに活躍した．また，油圧ショベルが危険な場所で作業を行えるよう，遠隔で機械の位置を把握し自動的に運転を行うシステムの開発が，すでに大手建機メー
カーを中心に進められている．
しかし，強い不整地や，狭い屋内，重量制限のある崩れやすい斜面など，どうしても建機や車両が侵走行が可能な脚式移動ロボットの実現を目指し，その制御理論とハードウェア試作を長年行ってきた．
特に1999年には，ダイナミックな連続跳躍ロボッ
トのための油圧サーボアクチュエータと制御系の開発に成功しており1），2010年からは，当大学において，軽量かつパワフルな油圧式ヒューマノイドロ
ボットの研究を本格化した．そして今回，複数のメーカーの協力を得て，下半身部と専用制御装置の開発に成功した．このロボットは2004年度から
ATR脳情報研究所の川人らがJSTの計算脳プロジェ
クトのもとで開発した油圧駆動ヒューマノイドロ
ボットの研究成果2）-4）をもとに，ハードウェアの国産化と高性能化を独自で達成したものである．
現在，米軍で開発中の油圧式歩行ロボットがネッ
ト動画やマスコミで話題を集めているが，今回我々が開発した新しいロボットは，軽量であること，高速であること，力制御による柔軟な運動制御が可能である点に特長がある．以下，本稿では開発したロボットについて簡単に紹介する．

2．ロボットの概要
2.1 ハードウェア概要5）
開発したロボットの概観を図１に示す5）．本ロ
ボットは以下の特徴を有するヒューマノイドロボッ
トの下半身部として設計されたものである．

入しにくい場所で，単にカメラで情報収集するに留
まらず，一定の力を発揮する力作業が求められることがある．人が道具を持って行けば解決できるのに，命の危険があるためにそれ以上は先に行けず悔しい思いをさせられる作業現場や災害現場は世界中にどこにでもある．その要求に真っ先に応えることができるのは，恐れを知らず，人間の命令に忠実に従う，「オモチャでないヒト型のロボット」である．一旦そのようなロボットが進路確保などの難しい初期作業を行ったならば，その直後に汎用作業機械が大挙して侵入し，効果を拡大することができる．このような場面でもたもたしたり故障率の高いロボットがまったく役に立たないことは明らかである．
著者らは，陸上動物の極限運動の一種である高速

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図１

ロボットの概観

玄13

相昊：高速かつ柔軟な油圧式２足歩行ロボット

１）人と同等のサイズ（身長，重量）２）人と同等な関節トルク，関節角速度

人間と同等の広い可動角を有している．最大トルク
および速度は供給圧力21MPaにおける理論値であ３）人と同等な可動角
４）堅牢さ（転倒しても壊れない）
現在は脚部と骨盤のみで身長120㎝，体重38㎏でる．なお，供給圧力は動作中に任意に変更可能であり，通常は４MPa程度に下げている．

ある．数値は日本人の成人男性の大きさを参考に設定した．今後胴体と双腕，頭部を順次追加する予定である．各関節には角度センサと力センサが組み込まれており，アクチュエータは油圧ホースを介して外部のポンプで駆動される．
自由度構成は人のそれと異なるが，足部の位置と姿勢を任意に定めることができる最低限の構成とし，

表１関節の仕様（ 供給圧21MPaにおいて ）（関節名は図１を参照のこと）

RoM

Max torqueMax velocity

deg

Nm

deg/s

TFE

－50/50－－HFE－100/30

360

1,370

Joint

図２のように定めた．脚部の自由度は片脚６自由度とし，この上に胴体と双腕，頭部が取り付けられる

KFE

０/130

345

1,490

AFE

－50/50734

1,300予定である．

TAA－15/15－－

HAA－50/50

405

820

AAA

－15/15

830

830

HR

－20/20

440

820

図２

関節の自由度構成

本ロボットは外部の油圧ポンプによって駆動される．油圧駆動を採用した理由はつぎの３点である．
１）油圧源を外部に置くことによって，ロボット

本ロボットにおいては軽量化と単純化に特に注意を払っている．図３にロボットの構造を示す．土木工事で活躍している油圧ショベルを参考に，油圧シリンダをトラス構造の一部として利用し，油圧シリンダと構造部材にかかる力を一方向に整え，その方向にカーボン繊維強化プラスチック素材の強度を持たせることで，軽量化と強靭化を実現している．足首関節は干渉駆動になっている．構造が単純で部品点数も少ないため，従来の電動ロボットよりも低価格で製造可能と予想される．現在，一部のリンクのみカーボン製であるが，順次カーボンの比率を上げていく予定である．

本体のパワー密度を簡単に高くできる
２）油圧サーボは応答が速いため，制御系設計次第で，精密な力加減ができる
３）油圧アクチュエータは構造が単純なため，無限回転しない関節をシンプルかつ軽量に構成するのに向いている．
現在のほとんどのヒューマノイドロボットは人間と比較してかなり鈍重である．繰り返すが，ノロノ
ロと歩く上に力も出ないヒューマノイドロボットは作業移動ロボットとしてはまったく役に立たない．
そこで，我々は油圧駆動のメリットを活かし，少な
くとも人間と同等のスピードが出せるようメカの仕図３

ロボットの脚部構造様を決定した．
具体的には，関節の仕様を表１のように定めてい2.2 制御システムと力制御6）7）
油圧シリンダには小型で高応答なサーボバルブがる．各数値は人間の走行と跳躍データから決定した．
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取り付けられている．これにより，シリンダの速度を応答性良く操作可能であるが，シリンダに力センサを追加し，その力情報をフィードバックしてバルブを操作することで力制御が実現可能である．つまり，ロボットの関節トルクを自在に制御できる．各アクチュエータには独自に開発したデジタルサーボ
コントローラが接続されており，局所的な位置，速度，力制御を実装している．コントローラはイーサ学習させたりすることができる．一部はJST計算脳
プロジェクトにおいて発表されている2）．さらに，今回開発したロボットは当時のロボットよりもはる
かに軽量で，アクチュエータのスピードも３倍程度高いので，著者らの従来の研究を上回る成果が期待できる．

ネットを介して外部のホストPCにおいて実時間制御される．
なお，ロボットの力制御に関しては，最近，関節にトルクセンサを組み込むことで力を自在に制御する産業用ロボットが量産販売されているが，従来の電動ロボットに力センサを組み込んだものであり，ギヤの出力軸が負荷に直結する場合に直面する脆弱性が克服されているわけではない．また，電動ロ
ボットではギヤを使ってトルクを稼ぐため，ギヤが持つ慣性が邪魔をしてアクチュエータの応答性が大きく低下してしまうという問題がある．
2.3 力制御による柔軟な全身運動
図１のロボットの試作の前に，まずは図３のテス
トモデルを製作し，その性能試験として，高速スイング，遊脚の重力補償制御，支持脚重力補償制御，ばね運動等を行った．動画は http://p.tl/clyN から閲覧可能である．このうちばね運動実験というのは，ロボット全体がばねのように振舞うような目標モデルを設定し，そのモデルが発生すべきトルクを指令
し，挙動を評価する実験である．実際の実験データ
は文献7）を参照されたいが，力の追従性が良好であることがわかった．
実は，この一連の評価実験が成功すれば，ロボッ
ト全体のハードウェア開発上の問題はほとんど残らない．実際，図１のロボットのハードウェアが完成してから全身運動制御の実装は短時間で終わっている．図４にバランス制御の様子を示す．ロボットがシーソーの上に立って，転倒しないように全身を動かしながらバランスをとっている．重心位置の他に胴体の姿勢を水平に保つ制御を重ね合わせている．
このデモで用いている全身運動制御アルゴリズム
は，JST計算脳プロジェクトにおいて著者らが2006年に開発し，特許公開した技術で，実験結果の詳細も発表済みである3）-4）．位置決めをベースとした従来の方法とはまったく異なる，トルク制御をベースとした制御方法である．また，ハイパワーでありな
がら，人間のように，脱力したり，小さい力から大きい力まで，微妙に力を加減することができるので，ユーザーが自分の身体を想像しながら直感的にロボットを操作可能で，難しい作業を直接教示したり

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図４

力制御によるバランス制御の様子

3．お わ り に
以上，本稿では，研究室で独自に開発した油圧歩行ロボットについて開発の経緯と概要を紹介した．
技術的な詳細は今後学会で順次発表していく予定である．なお，同時並行で開発中の双腕ロボットと４脚歩行ロボットを含めて，「国際ロボット展2013」に展示予定である8）．
歩行ロボットの場合，他のロボットと異なり，自重と機構の複雑さが運動（２足歩行など）を制御するソフトウェア開発の障害になっていたが，今回，軽量かつ強靭なロボット開発に成功したことにより，これまで蓄積してきた歩行制御技術などのノウハウを無駄にすることなく，安全かつスピーディにソフ
トウェアを継続発展させる環境が整った．大学のリ
ソースと国産技術のみで開発を成功させたことにも重要な意義があると考えている5）-8）．
高度なヒューマノイドロボットを実現するために油圧が必ず必要ということではまったくない．単に，目前の問題を解決する最短の方法を考えた結果，油圧という手段を用いてきただけである．ただ，電動の等身大ヒューマノイドロボットも扱ってきた著者
自身の経験を踏まえると，油圧は故障が少ないというメリットを強く感じる．また，複雑な機構を用い2014年１月（平成26年）

玄ない限り，スケーリングが容易に行えるため，大小さまざまなロボットに技術を応用可能であると考えられる．さらに，近年発展が著しい油圧ハイブリッ
ド技術，作動油や材料の改良など，要素技術発展の伸び代が大きく，それがロボットの運動性能の向上に直結する可能性があるとすれば，「ロボット制御屋」として目が離せない．
応用先としては，現時点では油圧源を外部に置く
ため，移動距離に制約があるものの，工場に備え付
けの産業用ロボットはもちろん，過酷な環境でス
ピーディかつ高負荷な作業達成が要求される重作業
支援ロボットや災害対応ロボット，福祉機器，宇宙医学，スポーツ機器の高性能シミュレータなどが考えられる．しかし，著者自身はヒューマノイドロ
ボットの持つ非常に広範囲な研究プラットフォームとしての価値をとことん追求していきたい．とくに重視している目標は，人と同じサイズで人と同じ力と運動能力を達成することである．これは，かつて誰も達成したことがないが，人型のロボットの実用性を問うために必要な「最低限」の目標である．
最後に，多大なるご協力をいただきました関係各社様に謝意を表します．

相昊：高速かつ柔軟な油圧式２足歩行ロボット

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参考文献
１ ）玄相昊, 上條敏，美多勉, 動物の脚構造をモデル化した
１ 脚走行ロボット-Kenken-, 日本ロボット学会誌, vol.
20, no. 4, pp. 453-462（2002）.
２ ）JST国際共同研究「計算脳プロジェクト」終了報告書（2009）.
３ ）Hyon, S. and Cheng, G., Passivity-based full-Body
force control for humanoids and application to
dynamic balancing and locomotion, IEEE/RSJ IROS,
pp. 4915-4922（2006）.
４ ）玄相昊, 複数の接地部分と冗長関節を有するヒューマノ
イドロボットの受動性に基づく最適接触力制御, 日本ロボット学会誌, vol. 27, no. 2, pp. 178-187（2009）.
５ ）末若大輔, 石田浩基, 玄相昊, 油圧式軽量 ２ 足歩行ロボットの開発（第 １ 報）：機構設計とシミュレーション, 平
成25年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集,
pp. 28-30（2013）.
６ ）米田知生, 細山貴弘, 玄相昊, 油圧式軽量 ２ 足歩行ロボットの開発（第 ２ 報）：力サーボ駆動試験, 平成25年春季
フルードパワーシステム講演会講演論文集, pp. 31-33（2013）.
７ ）Hyon, S., Yoneda, T. and Suewaka, D., Lightweight
hydraulic leg to explore agile legged locomotion,
IEEE/RSJ IROS, pp. 4655-4660（2013）.
８ ） Ishida, H., Suewaka, D., Nishi, H., Hyon, S.,
Development of torque-controlled hydraulic robot
platforms, IEEE/RSJ IROS, Workshop（2013）.


フルードパワーシステム（原稿受付：2013年10月14日）

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解 説

バブラアクチュエータの開発と内視鏡誘導への応用

著

者

紹

エータを紹介してゆきたい．

介
すず

もり

鈴 森

こう

康

いち

一

岡山大学大学院自然科学研究科〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中３-１-１
E-mail：suzumori@sys.okayama-u.ac.jp

1990年横浜国立大学大学院博士課程修了．株
式会社東芝を経て，2001年岡山大学教授，現在に至る．アクチュエータ，ソフトメカニズムの研究に従事．日本フルードパワーシステム学会会正会員，日本機械学会フェロー，日本ロボット学会フェロー．工学博士．
わき

もと

脇 元

しゅう

修

いち

一

岡山大学大学院自然科学研究科〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中３-１-１
E-mail：wakimoto@act.sys.okayama-u.ac.jp

2007年岡山大学大学院自然科学研究科博士後期課程修了．岡山大学助教を経て，2011年同大学准教授，現在に至る．空気圧アクチュエータの開発とその応用に関する研究に従事．日本ロボット学会，日本機械学会，計測自動制御学会などの会員．博士（工学）．

1．は じ め に筆者らは，小型のソフトロボットの移動デバイス
として，ゴム構造体内部に設けた圧力室に空圧をかけて順に変形を起こして動作するアクチュエータを考案し1），バブラアクチュエータと呼んで研究を進めている．バブラ（bubbler）とは，このデバイスの表面に生じる変形が，次々と押し寄せる波のように見えることから名付けたものである．柔軟な構造を持つため，走行面の凸凹形状になじみやすい，走行面を傷つけない，水等がかかる箇所でも使える，
狭い平板間などにも入り込める，安価に形成できるのでディスポーザブル（使い捨て）アクチュエータ
としても使える，形状が簡単なので小型化に向く，等々，従来の車輪やクローラ方式の移動機構にはできなかったユニークな特性を持つ．
もともとは，狭い２枚の壁にはさまれた狭隘空間に計測器を挿入するために開発を始めたものだが，

2．バブラアクチュエータ
2.1 平面型バブラアクチュエータ
図１に初めに開発したバブラアクチュエータの構造を示す．このバブラアクチュエータはシリコーン
ゴムの一体成型品で，内部に12個の正方形断面を持つ空間（圧力室）を有している．各圧力室には，それぞれ細い送気チューブが接続され，外部の制御弁で内圧を制御できる．
各圧力室を順に加圧してゆくと，図２や図３に示すように，ゴムが弾性変形してバブラアクチュエー
タの表面に弾性進行波が形成される．図２は移動機構としてではなく搬送機構として用いた例である．
バブラアクチュエータ表面に形成された多数のフィンは，バブラアクチュエータ表面に発生する弾性進行波の動きを拡大し，移動速度を上げる働きをする．
有限要素法解析により，変形を起こしやすい形状，
寸法，ならびに加圧パターン（印加圧力，波長，駆動周波数，デューティー比（圧力室の数に対する，一度に加圧している圧力室の数）の最適化を行い，設計している． 一例を示すと，図１の寸法のもので，
質量48g，波長６部屋分，デューティー比１/２の条件で，静摩擦係数0.3の水平平面上を，無負荷時に4.5㎜/s，垂直方向10N負荷時に3.7㎜/s，水平方
向５N負荷時に1.8㎜/sで移動する．
2.2 円筒型バブラアクチュエータ
平面型バブラアクチュエータの原理を，パイプ内の移動に応用したのが，円筒型バブラアクチュエー
タである2）．このアクチュエータは，図４に示すよ
うに，円筒状の形状を持つゴムの一体成形品である．
円筒の外壁内部に，0.8㎜×0.6㎜の断面形状を持った圧力室が４組（図４上図ではA，B，C，Dで示す）
組となって螺旋状に形成されている．このような構

その後，内視鏡の外周に巻きつけることにより，自走機能を持った大腸内視鏡への研究に展開している．

成にすれば，アクチュエータの端面に出てくる４つの圧力室の端から空圧を印加するだけで，外壁内に形成された複数の圧力室を４つおきに加圧すること

本稿では，開発の経緯に沿ってバブラアクチュができる．要するにそれぞれの圧力室に空気を送る

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鈴森・脇元：バブラアクチュエータの開発と内視鏡誘導への応用

図１

バブラアクチュエータの構造

図４
⒜

⒝

17

コインの搬送 （上面）

ための送気チューブが４本だけで済むのである．
各圧力室を順に加圧してゆくと，アクチュエータの外周壁表面にはゴムの変形により弾性進行波が生成される．図４に示す試作機は，内径11㎜のアル
ミパイプ内を最高0.8㎜/sの速度で移動する．
このアクチュエータの開発でもっとも難しい点は，容易に推測できると思うが，外壁内部に４条の螺旋状の空間をどのように形成するかである．これはな

ガラスプレートの搬送（側面）図２

円筒型バブラアクチュエータ

かなか難しい．
筆者らが採用した製作法は，外周にフィンを形成した薄肉ゴムチューブと，同じく外径に４条の螺旋状の突起構造を形成したゴムチューブをそれぞれ成バブラアクチュエータ

形し，前者の薄肉チューブの内面と，後者の螺旋状突起の先端を接合する方法であった．接合には，圧力室をつぶさないようにしなければならないので接着材などを使うのは難しい．そこで，触媒で前者
チューブの内壁と螺旋状突起構造先端を化学的に接合しやすい状態にしておき，両者を被せて高温処理して接合する方法を取った．図５に当時製作した円
筒型バブラの断面を示す．最初の試作段階のものであまりきれいにはできていないが，気密等十分な強度を得られた．

3．大腸内視鏡への応用
図３

バブラアクチュエータによる弾性進行波

3.1 チューブ巻きつけ型アクチュエータ
このような研究を進めているうちに，これを大腸

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3.2

内視鏡への応用を目指した新形状の導出

さらに高い挿入補助性を実現するために空気圧室の形状を変更したアクチュエータの開発を実施している．変位／断面積の大きさを評価指標として非線形有限要素法によってさまざまな形状を解析し，現状では図７⒜に示す断面形状を導出している4）．バ
ブラは同一層に平行に配置された複数の圧力室から⒜

 力室とフィン（下側の白い部分が円筒型バブラ中圧
心の空間部）

構成され，これを順に加圧することで進行波を生成していた．これに対して，新形状のアクチュエータ
では３つの圧力室（①，②，③）が２層構造となっており，圧力室を表１に示す順に加圧（H）・減圧（L）していくことでアクチュエータ単体では，その上面のフィンで円状運動が行われる．このためアクチュエータを複数本，並行に配置し位相差をつけて駆動することで進行波が生成される．本形状ではフィンを斜めにすることで，摩擦異方性を実現し大腸深部方向への推進性を高めている．図７⒝は製作したアクチュエータの断面形状である．

⒝
図５

断面全体図

円筒型バブラアクチュエータの断面

内視鏡の自走装置に応用しようという話が持ち上がった．大腸は変形しやすく屈曲箇所も多いので，大腸内に内視鏡を挿入するのは，熟練した医師にとっても必ずしも容易ではない場合がある．自走式の大腸内視鏡ができないだろうか，という話であった．
しかしながら，前述の円筒型バブラアクチュエー
タは製造が容易ではない．代わりに考え付いたのが，４つの圧力室を並べて形成した薄い平板状のゴムチューブを内視鏡に巻きつける方法であった．

⒜

解析モデル断面図７⒝

製作したアクチュエータの断面

２層構造チューブ型アクチュエータの断面形状
表１

空気圧印加パターン

①

L

H

H

H

L

L

②

L

L

H

H

H

L

③

L

L

L

H

H

H

図６に示すようなゴムチューブを押し出し成形し，
図８は直径6㎜の樹脂ロッドに２本のアクチュ
これを内視鏡の外周に巻きつければ，円筒型バブラ
エータを平行に巻きつけて，樹脂板上で駆動した際アクチュエータと同じ動作が得られる．
の様子である．本実験では7.1㎜/sでのロッドの推
内視鏡に巻きつけて，大腸のモデルへの挿入実験
進が確認されている．
をしたところ，ある程度自走することと，操作者の挿入に要する力が小さくなることを実験で確かめ
た3）．

図８

樹脂ロッド搬送実験

3.3 大腸モデルへの挿入実験
既存の大腸内視鏡は操作者からの挿入力によって
図６

18

平板チューブ型バブラアクチュエータ

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押し込まれていく．そのため剛性の高い機構となっ2014年１月（平成26年）

鈴森・脇元：バブラアクチュエータの開発と内視鏡誘導への応用

19ている．これに対して，アクチュエータによる推進性の付加が実現できれば，低剛性の内視鏡の挿入が搭載し，腸壁と内視鏡間で発生する負荷を計測している．センサの搭載箇所は図10⒝の①～④である．

実現でき患者への負荷の軽減が可能となる．
図９は市販の工業用内視鏡の外皮を剥がすことで低剛性内視鏡を製作し，これに２本のアクチュエー

図11は各々の内視鏡を用いて５回の挿入実験を行った際に計測された最大負荷を示しており，従来の内視鏡ではS状結腸①や下降結腸手前の湾曲部②タを搭載したものである．なお，先端のステアリン
グ 機 構 に は 湾 曲 型 の ゴ ム ア ク チ ュ エ ー タ であ る
Flexible Microactautor（FMA）を用いている5）．

に大きな負荷が生じているのに対して，アクチュ
エータを搭載した低剛性内視鏡ではその値が極めて低く抑えられていることがわかる．
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5

図９

アクチュエータを搭載した低剛性内視鏡

既存の大腸内視鏡とアクチュエータを搭載した低剛性内視鏡を用いて，大腸モデルへの挿入実験を行った．図10⒜は既存の大腸内視鏡挿入の状態を
図10⒝はアクチュエータを搭載した低剛性内視鏡の挿入の状態をそれぞれ示している．既存の内視鏡
では腸管の湾曲部であるS状結腸部を直線化させる必要があるのに対して低剛性内視鏡では腸管部に沿った状態での挿入が可能となっている．現状では低剛性内視鏡によって上行結腸の入口までの挿入が可能であった．なお，アクチュエータを搭載しない
場合，あるいは駆動しない場合ではS状結腸の通過さえも不可能であった．

4．ま

図11

挿入実験における負荷計測結果とめ

本稿では，筆者らが開発を行っているバブラアク
チュエータに関して，その研究経緯を含めて紹介を行った．本アクチュエータは，ゴム構造体に設けた圧力室に空気圧を送る，という非常に単純な機構と駆動原理であり，これが大きなアドバンテージとなっている．応用として大腸内視鏡への適用を述べたが，安価で安全，かつ内視鏡全体に推進性を付加を実現する機構は従来のアクチュエータでは困難であり，
本アクチュエータの特長が良く現れた例といえる．

この挿入実験では大腸モデルの湾曲部にセンサを⒜

既存の大腸内視鏡の挿入⒝
図10

低剛性内視鏡の挿入

大腸モデルを用いた挿入実験

参考文献
１ ）鈴森康一，進行波駆動型空圧ゴムアクチュエータの研究，
日 本 機 械 学 会 論 文 集 C，Vol. 64, No. 621（1998-5），
pp.1568-1573．
２ ） 鈴 森 康 一， 関 口 貞 雄， 空 圧 進 行 波 ア ク チ ュ エ ー タ（bubller）の研究（第 ２ 報：円筒型bubblerの試作），第（1996-11）
14回日本ロボット学会学術講演会，，pp.867868.
３ ）Koichi Suzumori, Takayuki Hama, Takefumi Kanda, New
Pneumatic Rubber Actuators to Assist Colonoscope
Insertion, 2006 IEEE International Conference on
Robotics and Automation, 995，pp.1824-1829，（2006-5）４ ）脇元修一，山本陽太，尾崎健，鈴森康一，ラバーチュー
ブアクチュエータによる大腸内視鏡挿入支援効果の検討，平成24年度春季フルードパワーシステム講演会，（2012-5），pp.94-96.
5 ）鈴森康一，フレキシブルマイクロアクチュエータに関する研究（第 １ 報， ３ 自由度アクチュエータの静特性），
日 本 機 械 学 会 論 文 集C，Vol.55，No.518，（1989-10），
pp.2547-2552.

フルードパワーシステム（原稿受付：2013年10月23日）
第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

19

20

フルードパワーシステム

解 説

電界共役流体を用いた小型壁面移動ロボット

著

者

紹

介
たけ

むら

竹 村

けん じ ろう

研治郎

慶應義塾大学〒223-8522 横浜市港北区日吉３-14-１
E-mail：takemura@mech.keio.ac.jp

2002年慶大院後期博士課程修了．2002年慶大
機械工学科助手，2003 〜 2008年東工大精研助手，
助教，2008 〜 2012年慶大機械工学科専任講師をへて，2012年より准教授，現在に至る．機能性
流体などの研究に従事．日本フルードパワーシ
ステム学会，日本機械学会などの会員．博士（工学）．

適切なタイミングで繰り返すことにより，前方へ移動する5）．吸着動作により体の一部を対象面に固定するため，ミミズ型の蠕動運動様式と比較して，斜面や壁面における移動においてロバスト性が高いと考えられる．

2．コンセプトおよび構造

2.1 コンセプト
シャクトリムシ型の移動ロボットを実現するためには小型のアクチュエータが必要である．また，ロボット全体の構造的な柔軟性を確保するためにはアクチュエータ自体の柔軟性も求められる．このため，
1．は じ め に
直流電圧の印加によって活発な流動を発生する機能
近年，生物が有する優れた移動能力をロボットに性 流 体 で あ る 電 界 共 役 流 体（Electro-conjugate
1）
応用する研究が盛んに行われている ．なかでも，
fluid, ECF）に着目した6）．液中に挿入した微小な電極対に電圧を印加するだけでマイクロ液圧源となりミミズやシャクトリムシなどの柔軟生物は，構造や移動様式が比較的単純であるにもかかわらず，斜面， 得るECFを利用すれば，容易に小型ソフトアクチュ
エータが実現でき，シャクトリムシ型ロボットの開壁面，狭小空間などさまざまな環境下で移動できる発に有利である．図２にシャクトリムシ型ロボット
ため，ロボットの新たな移動様式として研究が行わのコンセプトを示す．ロボットは移動方向に対してれている2）3）．
柔軟生物の移動様式は，蠕動運動を用いたミミズ型，および屈伸運動を用いたシャクトリムシ型の２つに大別される4）．筆者らはこれら２つの移動様式のうち，斜面などに対してよりロバストなシャクト
リムシ型の移動様式に着目した．図１にシャクトリ
ムシ型の移動様式を示す．シャクトリムシは，前後の脚を用いて対象面を保持する吸着動作，および胴体を屈伸させる屈伸動作を行い，この２つの動作を

⒜

⒝
図１

20

シャクトリムシの移動様式

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

図２
2014年１月（平成26年）

Structure

Motion pattern

シャクトリムシ型ロボットのコンセプト

竹村研治郎：電界共役流体を用いた小型壁面移動ロボット

⒜

図３

⒜

シャクトリムシ型ロボットの全体像

Initial state

⒝
図４

21

Initial state⒝With high voltage applied

図５

伸縮アクチュエータ

With high voltage applied

圧力源一体型吸盤⒜前後に配置された２つの吸盤および伸縮アクチュ
エータにより構成されており，吸盤および伸縮アクチュエータはそれぞれ吸着動作および伸縮動作を行う．ここで，図１に示したシャクトリムシ型の移動様式における屈伸動作は，前後の脚を前方へ移動させることを目的としていることに鑑みれば，屈伸動
作を伸縮動作に置き換えても全体の運動パターンに変化はない．
2.2 全体構造
シャクトリムシ型ロボットの全体像を図３に示す．
図に示すように，ロボットは前後に配置された２つの圧力源一体型吸盤および伸縮アクチュエータにより構成されている．圧力源一体型吸盤および伸縮ア
クチュエータはECFを駆動源としており，それぞれが吸着動作および伸縮動作を担う．以下にそれぞれの具体的な構造を示す．
2.3 圧力源一体型吸盤
圧力源一体型吸盤を図４に示す．圧力源一体型吸盤は，図４⒜に示すようにECFの流動を発生させる
流動発生部，ゴムフィルム，ゴムバルーン，ECFタンクおよび吸盤により構成されており，ECFタンクの内部はECFにより満たされている．また，流動発
生部内には針-リング電極対6） が配置されている．
なお，吸盤には工業用の真空輸送吸盤（Q10-SI，
シュマルツ株式会社製，材質:シリコーンゴム）を用いた．流動発生部に高電圧を印加すると，図４⒝に示す矢印の方向にECFの流動が発生し，ゴムフィ
ルムおよびゴムバルーンが変形する．この際，ゴム⒝

Cross section
図６

Performance

流動発生部

バルーンが縮むことによって吸盤内部が負圧となり，吸盤は対象面に吸着する．また，電圧印加を停止す
るとゴムフィルムとゴムバルーンの弾性によって図４⒜の状態に戻る．以上のように，提案した圧力源
一体型吸盤は吸着動作に真空ポンプや配管などを必要とせず，ロボットに一体化することができる．
2.4 伸縮アクチュエータ
伸縮アクチュエータを図５に示す．伸縮アクチュ
エータは図に示すように流動発生部，繊維強化ゴム
チューブ7）およびECFタンクにより構成されており，内部はECFにより満たされている．このため，流動発生部に高電圧を印加すると，ECFタンクから繊維強化ゴムチューブ内部に向かってECFの流動が発生
し，繊維強化ゴムチューブの内圧が増加する．繊維強化ゴムチューブは，円周方向に配置したアラミド繊維により周方向の膨張が拘束されているため，内圧の増加に従い軸方向に伸長する（図５⒝）．また，電圧印加を停止すると，繊維強化ゴムチューブの弾性により図５⒜の状態に戻る．

3．構成要素の性能
3.1 流動発生部
従来研究8）を参考に，針状電極の直径を0.13㎜，
リング状電極の内径を0.3㎜，電極間距離を0.2㎜とした針-リング電極対からなる流動発生部を製作した．構造と印加電圧に対する発生圧力を図６に示す．

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

21

22

フルードパワーシステム

図７

図８

図９

圧力源一体型吸盤の性能

伸縮アクチュエータのステップ応答

伸縮アクチュエータの駆動の様子

ただし，作動流体はFF-101EHA2（新技術マネイジ
メント社製）である．印加電圧の増加に伴って発生圧力は増加し，6.0kVで33.1kPaであった．
3.2 圧力源一体型吸盤
圧力源一体型吸盤を製作し，性能を評価した．図７に耐モーメント評価実験の様子と実験結果を示す．
ただし，ここでいう耐モーメントとは，図７⒜に示
すように圧力源一体型吸盤におもりを吊り下げた際に，吸盤が垂直な対象面（アクリル）に吸着できる
最大のモーメントである．図７⒝に示すように，本実験における最大耐モーメントは印加電圧6.0 kVの際の0.98mNmであった．これは，壁面から２㎜離

図10

シャクトリムシ型ロボットのプロトタイプ

4．シャクトリムシ型ロボット
３章に性能を示した圧力源一体型吸盤および伸縮アクチュエータを用いて図10に示すシャクトリム
シ型ロボットを製作した．ただし，圧力源一体型吸盤の吸盤部に金属リングを取り付けた．このリングは移動対象面に対して吸盤の密着度を向上させる役
割を持つ．なお，ロボットは全長68㎜，幅10㎜であり，質量は9.5gである．
製作したロボットを用いて水平なアクリル板面上れた位置に50gのおもりを吊り下げた時に相当する． における駆動実験を行った．駆動実験の結果を図11に示す．図11⒜は，図２の（１）〜（４）を１周
なお，圧力源一体型吸盤は直径10㎜，高さ21㎜で期として３周期駆動させた際のロボットの様子を示あり，質量は1.5gである．
しており，図11⒝は先端位置の時刻歴を示してい
3.3 伸縮アクチュエータ
伸縮アクチュエータを製作し，軸方向伸長率を測定した．実験結果を図８および図９に示す．図８は
伸 縮 ア ク チ ュ エ ー タ に 内 蔵 さ れ た 流 動 発 生部 に
6.0kVを印加した際の様子である．また，図９は，伸縮アクチュエータに4.0kV，4.7kV，5.3kVおよび
6.0 kVをステップ状に入力した際の応答を示している．図９に示すように，6.0kVのステップ入力に対して約0.8 sで最大伸長率7.94%に達した．なお，伸縮アクチュエータは直径9.5㎜，全長34㎜であり，質量は3.2gである．

22

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

る．なお，各構成要素への電圧のON/OFFは手動で行い，印加電圧は6.0 kVとした．本実験より，ロ
ボットは水平面において走行可能であることを確認した．また，図11⒝に示すように，開発したロボッ
トの先端位置はシャクトリムシと同様，階段状の時刻歴を示している．なお，水平面においては１周期の伸長動作によって平均1.8㎜移動した．
つぎに，傾斜角を10°ずつ増加させ斜面における駆動実験を行った．この結果，ロボットが駆動可能
な最大の傾斜角度は40°であった．また，図11⒝に2014年１月（平成26年）

竹村研治郎：電界共役流体を用いた小型壁面移動ロボット

23

5．お わ り に生物の優れた移動様式を取り入れたロボット開発の一例として，斜面や壁面でも移動可能なロボットの開発を目指し，ECFを駆動源とするロボットを提案した．プロトタイプを製作し，駆動実験を行った
結果，ロボットは水平面および傾斜角40°以下の斜面において駆動可能であることを確認した．本ロ
ボットはアクチュエータや吸盤，ポンプ，タンクなどを一体化した構造であり，駆動源としてECFを用いることによって柔軟生物型ロボットの実現が比較的容易であることがわかる．
⒜

State of experiment（on a horizontal acrylic board）⒝
図11

Results

駆動実験の結果示すように，斜面における駆動実験結果も水平面における実験結果と同様に，階段状の時刻歴を示していることがわかる．また，傾斜角度が増大するに従って１周期の伸長動作による平均移動距離は減少
し，傾斜角40°の際には平均0.6㎜であった．
以上より，製作したロボットは吸盤を用いること
によりシャクトリムシの吸着動作を再現しており，
傾斜角度０°～ 40°の斜面においてシャクトリムシ型の移動様式により駆動可能であることがわかった．
しかし，傾斜角が40°を越える斜面ではロボットは移動できなかった．これは，圧力源一体型吸盤を対象面に押し付ける力が不足していたためであると考
えられる．

参考文献
１ ）Menciassi, A., Dario, P.: Bio-inspired solutions forlocomotion in the gastrointestinal tract : backgroundand perspectives, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, Vol.
361, p.2287-2298（2003）
２ ）Qullin, J.: Kinematic scaling of locomotion byhydrostatic animals: ontogeny of peristaltic crawlingby the earthworm lumbricus terrestris, The Journal of
Experimental Biology, Vol. 202, p.661-674（1999）
３ ）Zhang, H., Wang, W., Gonzalez-Gomez, J., Zhang, J.:
A Bio-Inspired Small-Sized Wall-Climbing Caterpillar
Robot, Mechatronic Systems Applications, InTech, p.
1-16（2010）
４ ）Koh, J., Chu, K.: Omegabot: Biomimetic Inchworm
Robot Using SMA Coil Actuator and Smart Composite
Microstructures （SCM）, Proceedings of the 2009
IEEE International Conference on Robotics andBiomimetics, p.1154-1159（2009）５ ）Rincon, D., Sotelo, J.: Ver-vite: dynamic andexperimental analysis fore inchwormlike biomimetic
robots, IEEE Rocotics & Automation Magazine,
Vol.10, Issue. 4, p.53-57（2003）
６ ）Abe, R., Takemura, K., Yokota, S., Edamura, K.:
Concept of a Micro Finger using Electro-conjugate
Fluid and Fabrication of a Large Model Prototype,
Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 136, Issue 2,
p.629-637（2007）
７ ）Takemura, K., Yokota, S., Edamura, K.: Development
and control of a micro artificial muscle cell using
electro-conjugate fluid, Sensors and Actuators A:
Physical, Vol. 133, Issue. 2, p.493-499（2007）８ ）Yamaguchi, A., Takemura, K., Yokota, S., Edamura, K.:
An In-Pipe Mobile Robot Using Electro-Conjugate
Fluid, Journal of Advanced Mechanical Design,
Systems, and Manufacturing, Vol. 5, No. 3, p.216-226（2001）


フルードパワーシステム（原稿受付：2013年 ９ 月26日）

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

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24

フルードパワーシステム

解 説

柔軟袋状構造を利用した流体駆動型クローラ機構

著

者

紹

減圧してアクチュエータとして利用するものを駆動
骨格（Actuator Bag）と呼ぶことにする．

介
き

むら

ひとし

木 村

仁

東京工業大学大学院〒152-8552 目黒区大岡山２-12-１
E-mail：kimura@mech.titech.ac.jp

2004年東京工業大学大学院理工学研究科博士課程修了．同大学助手，2007年同大学助教，現在に至る．生物に見られる水力学的骨格を利用した流体駆動柔軟機械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，日本機械学会などの会員．博士(工学)．
かた

おか

片 岡

もく た ろう木太郎

東京工業大学大学院〒152-8552 目黒区大岡山２-12-１
E-mail：kataoka.m.aa@m.titech.ac.jp

2012年東京工業大学大学院理工学研究科修士課程修了．生物に見られる水力学的骨格を利用した流体駆動柔軟機械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，日本機械学会学生会員．修士(工学)．
い

のう

伊 能

のり

教

お

夫

図１

柔軟な袋状構造の加減圧による剛性変化

２．提案する柔軟クローラの基本構成と動作原理
提案する柔軟クローラの基本的構成方法を図２に示す．まず，隣り合う構造骨格同士が互いに回転自由になるよう連結し，履帯（クローラ）を構成する．
基本構成では，この構造骨格の間に駆動骨格を配置する．折れ曲がった履帯部は駆動骨格が伸展したときに能動回転する．以上により基本的な柔軟クロー
ラが構成される．

東京工業大学大学院〒152-8552 目黒区大岡山２-12-1
E-mail：inou@mech.titech.ac.jp

1978年東京工業大学大学院理工学研究科修士
課 程 修 了． 同 大 学 助 手，1989年 同 大 学 助 教，
2000年同大学教授，現在に至る．生物に学ぶバ
イオメカニクス，セルオートマトンや骨組織に作用する応力解析や医療工学などの研究に従事．
日本機械学会などの会員．工学博士．

1．は じ め に
ミミズやイソギンチャクなどの生物は，袋状組織の内圧を調整することによってその剛性を変化させ，構造物あるいはアクチュエータとして利用している．
このようなシステムを生物学用語で水力学的骨格系と呼ぶ1）2）．この動作原理は非常に単純で，袋状構造は内部が加圧されたときに剛性が高くなり，減圧されたときに柔軟になるというものである（図１）．
著者らはこのような袋状構造の内圧変化を利用した柔軟なメカニズムをこれまでにいくつか提案している3）-5）．そのうちのひとつとして，今回は柔軟な流体駆動型クローラについて述べる．
便宜上，本稿では内圧を一定に保って構造部品として利用するものを構造骨格（Structural Bag），加24

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

図２

柔軟クローラの基本構造

本クローラの動作原理を図３に示す．構造骨格ひとつ分の長さの移動が，本機構の加減圧サイクルとなる．加圧された駆動骨格のうち，最後尾を減圧し，これと同時に減圧された先頭部の駆動骨格を加圧す
るとクローラは前進する．加減圧する駆動骨格を逆にすれば後進も可能である．また，図ではクローラ
上部の駆動骨格は駆動力の発生に寄与していないが，これらも利用すればトルクを２倍にすることが可能になる．しかしこの場合，必要な駆動流体量も２倍

2014年１月（平成26年）

木村・片岡・伊能：柔軟袋状構造を利用した流体駆動型クローラ機構

ビニール袋を構造骨格とし，駆動骨格には天然ゴム
チューブに市販のエア継手を取り付けたものを用いている．また，袋状構造同士の固定には粘着テープを利用している．

に増えることになる．

図３

柔軟クローラの動作原理提案する柔軟クローラは，従来の金属やプラス
チック製のものよりも地形に適応して柔軟に変形することが可能なため，不整地において高い走破性能が期待できる．車輪やクローラ機構で接地部分のみを柔軟にするという発想は以前から存在したが6）7），
提案機構は駆動部分も含めて機構全体が柔軟に変形できるまったく新しい構造である．
提案機構の動作を確認するために，試作機を作成した．試作機の圧力系統を図４に示す．本機構は圧力供給部にシリンダのような摺動部分がないため，
油，空気，水などほとんどすべての駆動流体を利用可能である．また，管路を広くとってポペット式の弁を利用するなどすれば，多少汚れた駆動流体も用いることができる．この他，水中での応用時には用いる流体を水にすることで簡単に比重を１に近づけることができるという特徴もある．

図５

試作柔軟クローラの圧力系統図

図７

図５に試作した柔軟クローラの動作実験の様子を示す．実験コストを考慮し，本研究では駆動流体に空気を利用している．駆動骨格を順々に加減圧することで，実際に安定した前後進動作が可能なことが確認できた．動作速度は構造骨格の全長約200㎜に対して11m/s 程度であった．この試作機は緩衝用

柔軟クローラ試作機の動作実験の様子

実際の装置を作成する際には，部品同士の固定方法は重要なノウハウとなってくる．
機構全体の柔軟性を維持するためには，ネジなどの硬い部品を構造骨格や駆動骨格の固定に用いることは避ける必要がある．ただし，継手などの非可動部分で周囲を柔軟な部品で覆えるような場所においては，ネジなどの硬い部品を利用しても機構全体の柔軟性を大きく損なうことはない．
この柔軟クローラの応用例としては，図６に示す
クローラの接地面積がロボットの投影面積のほとん
どを占めるような全体が柔軟な移動ロボットや，クローラを内蔵した二重ループ構造の狭隘地形用移動．
ロボットなどが考えられる（図７）

図６

図４

25

柔軟クローラを利用した移動ロボット

二重ループ構造の狭隘地形用移動ロボット

通常の移動機構は金属やプラスチックなどの硬い部品で構成されているので，地形に挟まれるとスタックしてしまうが，この移動ロボットは全体が柔軟で全接地面が同一方向に駆動されるため，図７に示すように対地適応変形しながら走破できる．図８はこの二重ループ構造のロボットの構成手順である．

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

25

26

フルードパワーシステム

図８

全接地面が同一方向に駆動される柔軟移動ロボット

図10

テーパ形状によるせり出し動作

また，これらのロボットはコンプレッサや弁，コントローラといったものを袋状構造で包んでしまえ
ば全体を柔軟に構成できるので，落下などの衝撃に対して非常に強い構造といえる．

3．クローラ性能の改良
3.1 兼用骨格（テーパ形状袋状構造）利用型
前節で述べた基本的構造の柔軟クローラは，図３や図５に示されるように，駆動時にクローラ高さが大きく変化する．特に，構造骨格が立ち上がるシーケンスでは，クローラ高さは最低でも構造骨格の長さひとつ分となる．これはクローラの高さが問題とならない場合には良いが，図８に示すような狭隘地
形の走破などの用途には望ましくない．そこで本研
究では，図９に示すような構造骨格と駆動骨格の働きを兼ねた兼用骨格を新たに作成した．
図11

図９

テーパ形状を持った駆動／構造兼用骨格

これはテーパ形状の袋状構造に隣接骨格用のホルダを取り付けたもので，これらを鎖状に繋ぐことで柔軟クローラが構成される．この機構では先端部がアクチュエータとしてクローラを駆動するだけでな
く，加圧されている他の袋状構造が構造骨格の働きを兼ねて直線形状を維持するものである．前述した試作機で利用した天然ゴムは，駆動力に寄与しない
伸びが生じる．これを避ける目的で，この兼用骨格
では0.2㎜厚のウレタンゴムシートを複数枚重ねて，超音波ウェルダによって溶着して袋状構造を構成している．
著者らの過去の研究により，駆動骨格の発揮力は

26

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

動作中の最大高さを低減したクローラ動作

幅の３乗に比例することがわかっている8）．したがってテーパ形状の袋状構造は加圧されると幅の広い根本部分から段々と幅の狭い先端部分に折れ曲がり箇所を移動するようにして伸展する（図10）．このため，本クローラでは構造骨格の立ち上がり動作
によって全高が大幅に変動することがない．
図11は試作した兼用骨格によるクローラの動作実験である．図に示されるようにクローラの全高はほとんど変動せず，最大でも約130㎜であり，骨格一個分の高さ190㎜よりも小さな全高で動作が可能であることが確認できた．しかし，自立駆動用の小型 ダ イ ア フ ラ ム コ ン プ レ ッ サ（HARGRAVE社 製
E129-13-120）を用いた場合，最高速度は約５㎜/s程度であった．
3.2 強化骨格利用型
前述した兼用骨格利用型は，クローラ全高を低く維持することには成功したが，動作速度には改善の余地があった．自立駆動を考えた場合，コンプレッ

2014年１月（平成26年）

木村・片岡・伊能：柔軟袋状構造を利用した流体駆動型クローラ機構

サの最大供給流量には限界がある．そこで本研究では袋状構造の耐圧を向上させ，駆動流体の入力圧力を上げることで動作速度の向上を試みた．
図12⒜はウレタンゴムシートで作成した袋状構造の表面をナイロン繊維で覆うことで耐圧を強化した駆動骨格である．ナイロン繊維に気密，水密性はないが，本構造では内側のウレタンゴムが流体を密閉し，外側のナイロン繊維が内圧によって生じる力を支えることで密閉性と高い耐圧を両立させている．
ウレタンゴムシートのみで作成した駆動骨格の耐圧が 約0.5MPaだ っ た の に 対 し， 強 化 し た 骨 格 は 約
４MPaになった．また，骨格一個あたりの体積を小さくしたため，加減圧のために必要な流量が少なくなった．図12⒝は強化した駆動骨格を連結して作成した柔軟クローラである．クローラ全体もナイロ
ン繊維で覆うことで，駆動骨格同士を強固に連結できるため，これまでのものより動力の伝達効率が向上したと考えられる．

27

クローラを開発した．これは幅が広い袋状構造の方が発揮力が大きいことを利用し，袋状構造の折れ曲がり箇所を幅の広い根本部分から幅の細い先端部分に徐々に移動させ，せり出すような動作を実現するための構造である．袋状構造の素材には，伸びの少ないウレタンゴムシートを採用した．試作機による実験の結果，クローラ高さの変動はほとんどない動作が実現できた．しかし，幅の広い袋状構造を利用したため，動作に必要な流量が大きく，最高動作速
度は約５㎜/s程度であった．
この問題を解決するため，袋状構造の耐圧を向上させて動作速度の向上を試みた．ウレタンゴムシー
ト製の袋状構造の表面をナイロン繊維で覆うことで，袋状構造の耐圧は0.05MPa程度から0.4MPa程度にまで向上した．入力圧力を高くすることで，袋状構造の体積を小さくすることが可能になり，クローラの最高動作速度は約40㎜/s程度にまで向上した．
参考文献
１ ）Garth Chapman: The Hydrostatic Skeleton in the
Invertebrates, Biological Reviews, Vol.33, Issue 3,
p.338-371（1958）
２ ）William M. Kier: Hydrostatic skeletons and muscularhydrostats, Biomechanics（Structures and Systems）:⒜

繊維強化した駆動骨格 ⒝図12強化，小型化したクローラ

繊維強化した駆動骨格と柔軟クローラ

A Practical Approach, A.A.Biewener, ed. New YorkIRL Press at Oxford Univ. Press.（1992）
３ ）木村仁，丸山大輔，梶村文裕，小関道彦，伊能教夫：
水力学的骨格を用いた完全密閉型柔軟移動ロボット（新型クローラの開発および試作ロボットの狭隘地形における動作実験），日本ロボット学会誌，Vol.25, No.7，
p.1092-1099（2007）
４ ）木村仁，丸山大輔，鈴村紘司，伊能教夫：水力学的骨格を利用した柔軟繊毛アクチュエータ，日本フルード
パ ワ ー シ ス テ ム 学 会 論 文 集，Vol.41，No.6，p.16-23（2010）５ ）Hitoshi Kimura, Mokutaro Kataoka, Shotaro Suzuki,
Daisuke Akimoto, Norio Inou: A Flexible Robotic Arm

図13

繊維強化した柔軟クローラの動作実験の様子を図13に示す．駆動に必要な流量が少なくなったことと，小型コンプレッサの最大発生圧力を使用できるようになったため，クローラの最高速度は駆動骨格の長さ100㎜に対し，39㎜/s と大幅に改良された．

4．結with Hydraulic Skeleton, Journal of Advanced

繊維強化した柔軟クローラの動作実験の様子

Mechanical Design, Systems, and Manufacturing,
Vol.6, No.7, p.1107-1120（2012）
６ ）Bekker M.G.: Introduction to Terrain Vehicle Systems,
Ann Arbor/ The University of Michigan Press（1969）７ ）米田完，太田祐介，広瀬茂男，粉体の変形特性を利用したハイグリップクローラの開発，日本ロボット学会
誌，Vol.15，No.8，p.1188-1193（1997）
８ ）Daisuke Maruyama, Hitoshi Kimura, Michihiko Koseki,

論

流体駆動機構のひとつとして，袋状構造の内圧を変化させて動作する全体が柔軟なクローラ機構について議論した．はじめに柔軟クローラの基本的な構造を議論し，ビニール袋と天然ゴムを利用した試作機による動作原理の確認を行った．しかし，この構造のクローラはクローラ高さが変動する問題があった．そこでテーパ形状を有した袋状構造を利用した

Norio Inou: Driving force and structural strength
evaluation of a flexible mechanical system with ahydrostatic skeleton, Journal of Zhejiang UniversitySCIENCE A, Applied Physics & Engineering, Vol.11,
No.4, p.255-262（2010）

フルードパワーシステム（原稿受付：2013年 ８ 月22日）

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

27

28

フルードパワーシステム

解 説

先端成長動作による狭隘地形内の無摺動移動探査ロボット

著

者

紹

介
つか

ごし

塚 越

ひで

秀

ゆき

行

東京工業大学大学院〒152-8552 東京都目黒区大岡山２-12-１-S5-19
E-mail：htsuka@cm.ctrl.titech.ac.jp

1998年東京工業大学大学院工学研究科博士課
程修了． 同大学助手を経て，2004年同大学工学部助教授，准教授, 現在に至る．レスキューロ
ボット，流体アクチュエータの研究に従事．日
本フルードパワーシステム学会，日本機械学会などの会員．博士（工学）．

1．は じ め に

配管補修装置2）や直進に特化したホース式探査機3）などが考案されている．本報で紹介する「先端成長動作」とは，これらの直進動作に加えて，根元の形状を保持しつつ能動的に先端を湾曲させることも含めた動作を目指したものである．特に，S字クランクのように湾曲方向の反転が求められる状況では，移動体を経路に適合させながら推進できる先端成長
動作はきわめて優位に作用する（図1，２）．その実現には，内部から構造体をスムーズに繰り出す機能に加えて，任意の箇所で湾曲できる柔軟性と探査機を搬送できる高い出力／密度特性とを兼備したア
クチュエータの導入が不可欠となる．

原子炉配管内の亀裂検査やがれき内の人命探査など狭隘地形内の情報収集作業として，有線探査機を深奥部までスムーズに搬送する技術が求められている．現在現場では，ケーブルカメラやファイバース
コープのように，先端に探査機を搭載した機器を挿入口から押し込む方式が採用されている．しかし，探査距離が長くなると摩擦の影響により押し込みづ
らくなるうえに，分岐点で進行方向を選択できない，などの課題を抱えている．
その対策としてロボットによるさまざまな移動方法が試みられてきたが6）-8），本稿ではこれら諸問題の根本的な解決を図るために，移動体が環境に対して摺動せずに推進できる「先端成長動作」と名付け

図１

植物のように先端部だけが伸長する柔軟ロボット

た新たな移動の概念，およびそれを具現化するための流体圧を利用した駆動原理を紹介させていただ
く1）．

2．先端成長動作
植物にみられる根や茎の成長では，周知のとおり全体が伸長するのではなく，先端付近の分裂組織（成長点）のみが変化する．この現象を参考に「先端から生えるアクチュエータ」を構成できれば，環境に対する摺動抵抗を著しく軽減しながら狭隘地形
内のスムーズな移動が期待できる．
なお，類似の動作を生成する人工物として，配管の内壁に沿ってホースを内部から構造材を繰り出す

28

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

図２

ロボットの先端部

3．駆 動 原 理
3.1 基本アクチュエータ
先端成長動作を生成するアクチュエータとして，柔軟な偏平チューブをチャンバーとする流体圧駆動

2014年１月（平成26年）

塚越秀行：先端成長動作による狭隘地形内の無摺動移動探査ロボットに着目した．偏平チューブとは，無加圧状態で断面が偏平状態を保ち，内部を流体で加圧すると，周長をほぼ一定に保ちながら円形に近づくように変形するものである（図３）．チューブを折り曲げて流路を 遮 断 し た 状 態 か ら 内 部 を 加 圧 す る と， 下 流 側
チューブがスムーズに繰り出される現象が生じる（図４）．この繰り出し現象は偏平チューブ特有の性質であり，一般の円筒チューブにはみられない4）．
なぜなら，円筒チューブの場合，折り曲げ部を境に下流側の円形断面が繰り出しを阻害する抵抗として作用してしまうからである．
偏平チューブは，市販のウレタン製円筒チューブ

29を加熱しながら押し潰すことにより，容易に製作することができる．このチューブの流体圧と駆動力との関係は，文献５）をご参照いただきたい．
当該アクチュエータの作動流体として，基本的には空気圧と水圧の双方とも利用可能である．ただし，後述するロボットの湾曲動作を考慮した場合，圧縮性を利用できる空気圧駆動の方が適するものと考えられる．
3.2 直進動作
上述のアクチュエータを以下のように組み合わせ
ることにより，内部から繰り出す推進動作が生成される．すなわち，摩擦が小さく滑りやすい布で円筒状の外皮を構成する．その内側に複数の偏平チュー
ブを円筒の軸方向に沿って図５⒜のように挿入した
のち，その一端を内部に折り込む．この状態から外図３

図４側の偏平チューブの一端を加圧すると，環境に対して外側は不動のまま，内側からチューブと外皮が繰り出されながら推進する直進動作が生成される（図５⒝）．
ここで，外皮は単にチューブを束ねるための役割だけでなく，チューブの間隔を適切に保つ機能も具備している．図６の装置によりチューブ間距離dと推力Fとの関係を比べた実験結果（図７）をご覧い
ただきたい．これより，折り曲げ部での内部漏れによる損失と，外皮同士の擦れに起因した摩擦による損失との具合により，推力を最大化できる最適な偏平チューブの断面

流体圧により偏平チューブの折り曲げ部が移動

図６

図５

⒜

折り込む前の初期状態⒝

折り込んだ後の加圧状態

２本の偏平チューブを束ねる構造

図７
フルードパワーシステム

推力を測る実験装置

圧力・推力・チューブ間距離との関係
第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

29

30

フルードパワーシステム

チューブ間距離が存在するものと予測される．
3.3 湾曲動作

外皮に対してチューブが不動となるロック状態に変わる．以上の原理により，外皮が外側に繰り出され湾曲動作を生成するには，複数の偏平チューブの推進量に差異を設けることが要求される．その実現のため，偏平チューブ内を加圧する圧力段階として，
pH > pS > pL > pMの大小関係を満たす４つのレベルを設ける．ここで，pM はアクチュエータ全体の形状保持に要する圧力の最小値，pS は直進に要する圧力の最小値，pH およびpLは各々湾曲外側と内側に位置するチューブ内を加圧する際の圧力値を示す．
直進時は双方のチューブをpSで加圧する．湾曲時は ブ レ ー キ 力 を 作 用 さ せ る た め に， 湾 曲 内 側 のつつしわを固定できるため，内圧を変えても形状の保持が可能となる．

チューブの下流側を不動状態としつつ，各チューブの内圧が上記の関係を満たすように加圧すると，曲率半径の小さい湾曲の生成が可能となる．
つぎに，アクチュエータ全体の形状を保持しながら先端のみを直進・湾曲させるための構造を説明す
る．形状の保持には，湾曲の内側に生じる外皮の“しわ”を固定することが有効に機能する．そこで，以下に述べる原理により，推進しつつ自動的にしわが固定されていくような構成を試みた．
すなわち，薄い弾性体で構成されたホルダーを外皮の外側に一定間隔ごとに配置する（図８）．チュー
ブ内が無加圧状態のとき，外皮に対してチューブが自在に可動できるアンロック状態となる．
一方，pM 以上の圧力で加圧すると，チューブの変形にともないチューブがホルダーに食い込むため，

4．試作機“Grow-hose-I”
4.1 カメラの搭載方法
先端成長動作では，先端の構造が常に変化しながら移動するため，先端に部材を固定することはできない．そこで，カメラを搭載したヘッドユニットの搬送方法として，推進にともなって外皮に対してス
ライドできる拘束方法を導入することとした．すな
わち，ヘッドユニットには受動的に回転する複数のローラーを設け，外皮には推進方向に対して平行に柔軟レールを設ける（図９）．チューブが推進すると，対向する２つのローラーが柔軟レールを挟みながら移動するため，ヘッドユニットが外皮に対してスライドしながら搬送される動作が生じる．なお，
後退時には，チューブ内の圧力を減圧しつつカメラ
ケーブルを牽引することにより，スムーズな回収動作も可能となる．

図９

図８

30

探査機を搭載したヘッドユニットを搬送する構造

湾曲および形状保持を実現する原理

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

図10試作したGrow-hose-Iの外観塚越秀行：先端成長動作による狭隘地形内の無摺動移動探査ロボット

4.2 狭隘地形内の移動探査
試 作 機Grow-hose-Iの 外 観 を 図10に 示 す． 全 長

31

運用方法についても検討を進めたい．

３m外径50㎜のサイズとなり，その他のスペック
は表１に示す通りである．内径70㎜の湾曲管路内の移動（図11），およびクランク経路内でカメラを搬送しながらの移動探査が可能となることを確認した（図12）．なお，このときの圧力の設定値はpM＝pL＝0.2MPa，pS＝0.4MPa，pH＝0.5MPaとし，曲率
半径120㎜の湾曲を生成しながら先端成長動作が生成されることも確認した．

5．お わ り に

図12

外部環境に対して無摺動で直進・湾曲動作を生成する先端成長動作は，本稿で紹介した配管や狭隘経路の環境だけでなく，さまざまな用途に応用可能な推進手法である．たとえば，さらに小型化を図り人体と親和性を有する素材を導入することにより，腸壁に無摺動でカメラを搬送する大腸内視鏡などへの応用にも期待できる．今後は，ヘッドユニットの位置を推定する機能などを付加したうえで，現場での図11

内径70mmの曲がった管内を移動するGrow-hose-I
表

外形
チューブ
供給圧
ホルダー

Grow-hose-Iの仕様

長さ３m，断面直径φ50㎜
偏平チューブの偏平幅18㎜，
肉厚１㎜
空気圧

0.5MPaステンレス製クリップ（22×６×0.5㎜）35㎜間隔に配置

柔軟レール

ナイロン製

ローラー

ステンレス製

ヘッドユニットカメラ

断面外径φ２㎜
φ４×８㎜

アクリル製ケース

カメラを搬送しながら移動するGrow-hose-I

謝辞
本研究はJSPS科研費20360113（基盤研究（B））のご支援
を受けて行ったものです．
参考文献１ ）Hideyuki Tsukagoshi, Nobuyuki Arai, Ichiro Kiryu, Ato
Kitagawa, “Tip Growing Actuator with the Hoseshaped Structure Aiming for Inspection on Narrow
Terrain”, International Journal of Automation
Technology, Vol. 5, No. 4, 516-522（2011）２ ）http://www.paltem.jp/method/hl.html
３ ） Mishima, T Aoki, S Hirose “Development ofPneumatically Controlled Expandable Arm for Searchin the Environment with Tight Access”, Proc. Int.
Conf. on Field and Service Robotics, FSR2003, 315320, 2003
４ ）森庸太朗, 塚越秀行, 北川能,“柔軟偏平チューブに沿ってスライドする流体アクチュエータ（第 １ 報：Λ-driveの提案とその動作解析）,”日本フルードパワーシステム
学会誌, Vol. 41, No. 5, pp. 98-105（2010）
５ ）Hideyuki Tsukagoshi, Yotaro Mori, Ato Kitagawa,“Fast Accessible Rescue Device by Using a Flexible
Actuator”, International Conference on Robotics andAutomation（ICRA2012）, 1175-1180（2012）
６ ） Kazuna Sawata, Masashi Konyo, Satoshi Saga,
Satoshi Tadokoro, and Koichi Osuka “Sliding Motion
Control of Active flexible Cable using Simple Shame
Information”, 2009 IEEE International Conference on
Robotics and Automation, SaB8.4（2009）７ ）A. Kitagawa, H. Tsukagoshi, M. Igarashi, “Developmentof Active Hose with a Small Diameter for Search andLife-prolongation of Victims,” Journal of Robotics andMechatronics, 15-5, 474/481（2003）
８ ）Ken Ozaki, Shuichi Wakimoto, Koichi Suzumori “Novel
design of rubber tube actuator improving mountability
and drivability for assisting colonosocope insertion”,
Proc. of Int. Conf. on Robotics and Automation, 32633268（2011）（原稿受付：2013年10月31日）

外径φ62.5㎜，長さ40㎜
21×21×16㎜

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

31

32

フルードパワーシステム

会議報告

日本機械学会 2013年度年次大会におけるフルードパワー技術研究

著

者

紹

介
わき

もと

脇 元

しゅう

修

いち

一

岡山大学大学院自然科学研究科〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中３―１―1
E-mail : wakimoto@act.sys.okayama-u.ac.jp

2007年岡山大学大学院自然科学研究科博士後期課程修了．岡山大学助教を経て，2011年同大学准教授，現在に至る．空気圧アクチュエータの開発とその応用に関する研究に従事．日本ロボット学会，日本機械学会，計測自動制御学会などの会員．博士（工学）．

中様々なセッションにおいて，フルードパワーに関する研究発表が実施されていたことがわかる．
しかしながら，本大会では多くのセッションがパラレルに実施されるため，筆者が実際に参加できるセッションには限りがあった．本報告では機素潤滑設計部門とロボティクス・メカトロニクス部門が合同で行ったオーガナイズドセッションである「次世代アクチュエータシステム⑴～⑶」で発表されたフルード
パワーに関する９件の研究についての簡単な紹介に留めさせていただくことをご容赦いただきたい2）～10）．

1．は じ め に
日本機械学会年次大会は機械学会の全部門が関わる非常に大規模な大会である．2013年度は，岡山大学津島キャンパス（写真11））にて2013年９月８日～ 11日の日程で開催された．
大会テーマとして「メカニカルイノベーションによる新エネルギー社会の実現」を掲げ，各部門のオーガナイズドセッション，一般セッションの学術講演の他，市民開放行事，特別講演，特別企画，企業機器展示，カタログ展示，高校生科学技術コンテ
ストなど多くの行事が催された．

セッション全体を通して印象的であったのは，流体駆動システムにおいて一般に使用され，比較的大型の外部装置となってしまうポンプやバルブなどの機器を必要としない，あるいはそれらの代わりになり得る小型の圧力源や駆動システムに関する研究発表が多くなされていたことである．写真２は講演発表の様子である．

本年度の学術講演発表件数は約1,350件であり，40室を利用して行われた．
写真２

2.1

 世代アクチュエータシステムでの講演
次
発表の様子

磁性流体関連月岡らは磁性流体を２枚のポリイミド薄膜内に封入した構造のダイアフラム型のアクチュエータを開発し，外部磁場を印加した際のアクチュエータの駆動特性を実験的に明らかにしている．直径５㎜のダ
イアフラムを用いた際に15µmの変位を実現している2）．
写真１

2.2 イオン液体関連
福武らは環境負荷の小さいイオン液体を動力源と

岡山大学 津島キャンパス1）

2．フルードパワーに関する学術講演発表
参加者に配布されたプログラムを一読すると大会

32

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

する自発運動機構の開発を目指している．水面にイオン液体を滴下した際の拡散による表面張力差を動力として利用する試みであり，本発表では数種類の2014年１月（平成26年）

脇元修一：日本機械学会 2013年度年次大会におけるフルードパワー技術研究

イオン液体を用いて表面張力の時間変化，拡散速度，
拡散時間についての比較を行い，運動機構としての利用可能性について言及している3）．
2.3 ECF関連
電圧の印加によって流動が発生する電界共役流体（Electro-Conjugate Fluid, ECF）を用いた研究に関して３件の発表が行われた．
Gu HongriらはECFマイクロポンプの電極として用 い る 三 角 柱-ス リ ッ ト 形 電 極 対（Triangular
Prism-Slit Electrode pairs, TPSE） に 関 し て， 今 後のさらなる小型化を見据えて主要寸法パラメータを微小化した類似マイクロTPSEを製作し，その発生圧力を測定している．類似マイクロTPSEの特性は
TPSEの微小化がより強いECFジェットを発生させ得ることを示唆するものであった4）．
金らは小型点字表示機の実現に向け，小型かつ高出 力 のECF液 圧 源 を 可 能 と す る 小 型 の 針-円 筒 ス
リ ッ ト 形 電 極 対（Needle-Holes Electrode pairs,
NHE）を提案している．本発表ではMEMS技術を用
いてNHEを製作しており，機械加工によって製作されていたこれまでの電極対と比較し，2.3倍の出力
パワー密度を達成している5）．
嚴らは正・負の印加電圧によってECFジェットの方向を切り替えることが可能な両方向ECFマイクロポンプを製作しており，これによってシリコーンゴ
ム製のバイモルフ形アクチュエータの駆動に成功している6）．
2.4 水 圧 関 連
吉田らは交流圧力源と流体共振回路を用いた水圧アクチュエータの駆動システムを提案している．交流圧力源の駆動周波数を流体共振回路の共振周波数と一致させるか否かで生じる差圧を利用することでアクチュエータの駆動を実現している．共振周波数の異なる２つのモデルを並列に配置した２自由度ア
クチュエータシステムにおいて，各々のアクチュ
エータの独立駆動を達成しており提案したシステムの有効性が確認されている7）．
2.5 ガス圧関連
空気圧力を含めガス圧力関連の発表は３件行われた．
和田らは水の電気分解／合成というガスの発生と吸収の可逆反応に着目し，固体高分子形燃料電池を用いたガス圧源の開発を行っている．合成反応におけるガス吸収時に発生する電荷をコンデンサに蓄え，つぎの電気分解において利用するというエネルギー
回生方法を提案しており，14%のエネルギー回生率を達成している8）．
松岡らは高温環境下での利用を目指し，作動流体の気液相変化を利用したアクチュエータの開発を33行っている．耐久性と耐熱性に優れたインコネル製
ベローズの内部に作動流体としてトリエチレングリ
コ ー ル を 封 入 し た 構 造 と な っ て い る． 常 温 か ら
300℃までの温度範囲においてベローズアクチュ
エータの伸長・収縮特性の計測を行っている9）．
刀根らは精密位置決めステージの実現を目指し静圧軸受パッドを多層に配置した多連型空気圧軸受ア
クチュエータを開発している．本報告ではθ方向の位置決め機構としての応用可能性を実験的に調べており，最大で2.0×10-4radの傾斜角が実現できることを確認している10）．

3．お わ り に筆者が参加したセッションでは各発表に対して活発で有意義な議論が行われていた．
次回の2014年度の日本機械学会年次大会は2014
年９月７日（日）～ 10日（水）の期間で東京電機大学にて実施される予定である．
最後に，私事であるが筆者は本大会には実行委員として準備や会期中の運営に微力ながら尽力させていただいた．参加された方々に本大会，および岡山の地を楽しんでいただけたなら幸いである．
参考文献
1 ） 日 本 機 械 学 会 2013年 度 年 次 大 会 ホ ー ム ペ ー ジ,
http://www.jsme.or.jp/2013am/
２ ）月岡達規，大久保悠平，今井郷充：ポリイミドダイア
フラムで風刺した磁性流体によって駆動するMEMSア
クチュエータの基本特性，J1174011, 日本機械学会2013
年度年次大会，2013.
3 ）福武大河，土谷茂樹：イオン液体を動力源とする自発運動機構に関する研究，J114014，同上．
４ ）Gu Hongri，金 俊完，横田眞一，枝村一弥：電極対のマイクロ化によるECF効果に関する研究，J114012，同
上．
5 ）金俊完，近藤一由，横田眞一，枝村一弥：MEMS技術
を 用 い た 針 － 円 筒 ス リ ッ ト 形ECFマ イ ク ロ 液 圧 源，J114013，同上．
6 ）嚴祥仁，横田眞一，金俊完，枝村一弥：両方向ECFマ
イクロポンプによるマイクロアクチュエータの駆動,
J114023，同上．
7 ）吉田和弘，渡邊真帆，嚴祥仁，横田眞一：周波数可変
交流圧力源を用いた多自由度マイクロアクチュエータ
システム, J114025，同上．
8 ）和田晃，鈴森康一，脇元修一：可逆化学反応現象を利用したガス圧制御システムの開発 ―第 ３ 報：エネル
ギー回生の実現―, J114021，同上．
9 ）松岡大樹，鈴森康一，脇元修一：作動流体の相変化を利用した高温環境用アクチュエータの開発，J114024，
同上．
10）刀根祥樹，松岡敬，平山朋子，佐々木勝美：多連型空気静圧軸受パッドによるθ方向超精密位置決め機構の特性評価, J114031，同上．
（原稿受付：2013年10月 4 日）

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

33

34

フルードパワーシステム

会議報告

第13回「運動と振動の制御」
シンポジウム（MOVIC2013）報告

著

者

紹

介
むら

やま

村 山

えい

栄

じ

治

芝浦工業大学 博士（後期）課程２年〒337-8570 さいたま市見沼区深作307
E-mail：nb12107@shibaura-it.ac.jp

2003年芝浦工業大学大学院修士課程修了．同
年㈱ウェーブフロント入社，2005年ネオリウム・
テクノロジー㈱入社．2012年芝浦工業大学大学
院博士課程入学，空気圧サーボを応用したデバイスの製作と制御系設計，管路内流れの計測と解析に従事．日本フルードパワーシステム学会
会員

1．は じ め に
平成25年８月27日（火）〜 30日（金），Dynamics
and Design Conference 2013（D&D2013）および
第13回「 運 動 と 振 動 の 制 御 」 シ ン ポ ジ ウ ム（MOVIC2013）は，「海を越え，国を越え，世代を超えて！」を総合テーマに九州産業大学 第８号館
で開催された1）．
MOVIC2013で は， つ ぎ の よ う な オ ー ガ ナ イ ズ
ド・セッションが企画され，・M-OS1 磁気浮上・磁気軸受の制御
・M-OS2 建 築・建設構造物の耐震・免震・制振・M-OS3
・M-OS4スマート構造システム
制御用センサ・アクチュエータ

・M-OS5 フルードパワーの基礎と応用
・M-OS6 運動制御とシミュレーションの融合
・M-OS7 精密・情報・産業機器の制御
・M-OS8 昇降機・物流システムの制御
・M-OS9 ビークルの運動と制御
・M-OS10 自律知能無人ビークルの運動と制御
・M-OS11 ロボットおよび人間のダイナミクスと制御
・M-OS12 海洋におけるシステムと制御
・M-OS13 宇宙機・宇宙ロボットのダイナミクス

・M-OS16 MBSE（モデルベースシステムズエン
ジニアリング）と1D-CAE
・M-OS17 触覚フィードバック
台風が接近する中，活発な議論が展開された．
以下では，フルードパワーに関連した「M-OS5
フルードパワーの基礎と応用」の様子を報告する．

2．講演の概要
オーガナイズド・セッション「M-OS5 フルードパ
ワーの基礎と応用」はさらにカテゴリが分けられ，29日に「空気圧制御の高度化」，「フルードパワーの基礎」，30日に「フルードパワーの応用」および「人に優しいフルードパワー」が実施された．
2.1 空気圧制御の高度化
座長は眞田一志先生（横浜国立大学）で，４件の講演がおこなわれた．アクチュエータには，空気圧シリンダや空気圧ベローズ，制御対象は二足歩行ロ
ボットや多自由度微動ステージ，また，位置決め制
御の検討としてシステム同定やロバスト制御などさ
まざまな手法を適用した結果が紹介され，興味深い内容であった．
2.2 フルードパワーの基礎
座長は田中豊先生（法政大学）で，４件の講演がおこなわれた．油圧用マニホールドブロック，油圧ベーンポンプ，軸受けなど製品開発には欠かせない
フルードパワーを利用した要素であったため，非常に興味深い内容であった．また，CFD（Computational
Fluid Dynamics）など高度な解析手法の紹介もあり充実したセッションとなった．
2.3 フルードパワーの応用
座長は川上幸男先生（芝浦工業大学）で，３件の講演がおこなわれた（１件，講演取り消し）．前日のフルードパワーの基礎に続き，自動変速機，気泡除去装置，CPU冷却システムなど対象に実験や解析と制御
・M-OS14 非線形制御理論とその応用

結果との比較などさまざまな視点で検討した結果が紹介された．
2.4 人に優しいフルードパワー
座長は藤田壽憲先生（東京電機大学）で，３件の・M-OS15 適応学習制御とその応用講演がおこなわれた．高機能マット，レスキュー用

34

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

村山栄治：第13回「運動と振動の制御」シンポジウム（MOVIC2013）報告

35

アシストスーツ，立ち上がり動作支援装置などフ
ルードパワーの特性を活かし開発したデバイスが紹れた．
29日の夜には懇親会が開催され，多くの先生方介された．
最終セッションとなったが，活発な議論が展開さと学術的な情報交換がおこなわれた．

3．お わ り に
今回のMOVIC2013「M-OS5 フルードパワーの基
礎と応用」では，さまざまな講演があり，また，活発な議論がなされ大変充実したセッションとなったと感じられた．
最後に，本セッションを開催するにあたり，オーガナイザーの眞田一志先生をはじめとする企画委員，
WGの皆様，ならびに事務局スタッフの皆様に感謝し，報告を終える．
参考文献１ ）D&D / MOVIC2013 ト ッ プ ペ ー ジ, http://www.jsme.
or.jp/conference/dmcconf13/index.html

写真１

会

懇親会の挨拶（眞田先生）

（原稿受付：2013年10月25日）

告

会

会員の種類

正

会 員 数
（12月10日現在）
差

引

増

減

（注１）正会員の内訳

会

員

員

移

動

海外会員

学生会員

賛助会員

950

16

128

130

＋７

0

＋１

0

名誉員14名・シニア員33名・ジュニア員165名

正会員
中野

寿身（日立建機㈱）石川竜乃介（KYB㈱）赤澤
滝口翔（KYB㈱）和夫（日立建機㈱）

根田
青木

高橋

正憲（川崎重工業㈱）

学生会員
佐藤

政哉（東京工業大学）

知樹（小松製作所）
誠（川崎重工業㈱）フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

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36

フルードパワーシステム

トピックス

ISO/TC131/SC9/WG1

著

者

紹

介
しぶ

や

渋 谷

ふみ

文

あき

昭

東京計器株式会社〒327-0816 栃木県佐野市栄町１-１
E-mail：f-shibuya@tokyo-keiki.co.jp
1973年 東京電機大学 精密機械工学科卒.
同年 ㈱東京計器入社
油圧システムの設計に従事し．現在に至る．
日本フルードパワーシステム学会の会員

ISO4413の改正

いて規定していたが，第３版では油圧システムおよ
びその機器の機械安全規格として改正している．
2.1 ISO4413 : 2010の主な改正点
第３版の主な改正は，つぎの３点である．
⑴ ISO4413：1998と 欧 州 規 格EN 982：1996との統合⑵ 欧州機械指令2006/42/ECに従った安全要求事

項との統合⑶ 機械安全に関する国際規格を考慮した安全要求事項の更新
この改正によって，欧州の機械指令は，流体動力
1．は じ め にシステムおよび機器のための安全要求事項として，
分科委員会SC9は，油空圧システムの設計，構成， このISO4413：2010を適用している．
また，ISO4413：2010は，適用範囲を従来の産取付け，性能評価，運転，保全および安全などに関業機械（工業の製造工程において用いられる機械設
わる事項について審議している．
備をいい，以下，産業機械と呼ぶ）から，車両機械
ワーキンググループWG1は，第３版としてISO（土木機械，農業用機械，産業車両などをいい，以4413：2010，Hydraulic fluid power － General
下，車両機械と呼ぶ）を加えたすべての機械類に使
rules and safety requirements for systems and their
用する油圧システムおよびその機器に変更している．
componentsを改正した．
機械安全規格の階層において，ISO4413：2010
こ の 国 際 規 格 は，1979年 にISO4413：1979，
は，グループ安全規格のタイプBに属する．
Hydraulic fluid power － General rules for the
2.2 WG１審議の経緯
application of equipment to transmission andワーキンググループWG1が国際規格を制定する
control systemsとして制定された．その後，1998
年 に 第 ２ 版 と し てISO4413：1998，Hydraulicfluid power－General rules relating to systemsが改正されている．
この国際規格が改正されたので，それに伴い対応する日本工業規格のJIS B 8361も改正することにし，
2013年５月20日に公示された．
ISO4413：2010とJIS B 8361との対比およびJIS化の審議中に特に問題となった事項は，このJIS規格の附属書と解説にそれぞれ載っているので，それを参照願いたい．
ここでは，第３版のISO4413：2010の改正におけるISO活動の実態と，油圧システムの機械安全規格としてのポイントについて報告する．

2．ISO4413：2010 の改正
ISO4413は，従来，油圧システムの一般規則につ

36

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

まで審議した経緯は，つぎの通りである．
⑴ 2007年７月パリ会議にて，ドイツが提案した
ISO/WD 4413を 審 議 し，CD（Committee draft）
への移行を決定した．
 この会議で米国は，車両機械の市場では油圧装置の設置スペースが確保できず，この要求を実行するのは困難であると反対した．
 日本は，機械安全の規格化が遅れており，この段階のコメントを提出できなかった．
⑵ 2008年２月フランクフルト会議にて，ISO/CD
4413を審議し，DIS（Draft international standard）
投票に移行することを決定した．
米国の主張や各国のコメントについて審議した主な事例はつぎの通りである．
ａ） 米国は，ISO/CD 4413は車両機械の市場を無視しており，SAEおよびASABEに矛盾する恐2014年１月（平成26年）

渋谷文昭：ISO/TC131/SC9/WG1

れがあるとして，機械的な動作，接近性，非常停止および提出最終資料などの提案内容は，産業機械だけに適用するように主張した．
ｂ） 遮断弁（Isolation valve）は，不適切なものが多く，安全を維持するために，製造業者が認可したものを使用することにした．
ｃ）作動油選定の際は，電気的な危険の評価項目
として，電気伝導率を考慮することにした．
ｄ）エアブリーザの管理は，従来から不十分であり，エレメントの点検用インジケータを備えるとにした．
ｆ）安全に関する油圧システムの検証および検査
項目は，つぎの４点が承認された．
・油圧システムおよびその構成機器の識別
・油圧システム内の機器の接続・システム全体の機能・機器からの油漏れ⑶ 2009年３月ミラノ会議にて，ISO/DIS 4413の
審 議 を 終 了 し，FDIS（Final draft international
standard）に移行することを決定した．

者の規格に従うことにした．

3．ISO4413の概要
ISO4413：2010第３版の規格の構成および関連する国際規格を表１に示す．
表１に示す引用規格は，ISO 4413：2010の規定の一部を構成しており，これらの引用規格は，その最新版を適用する．
表１

箇条
番号
1
2

内

規格の構成と関連する国際規格

容

適用範囲
引用規格

間ごとに保守を行っており，インジケータ無しを用いている．このため，車両機械は，フィル
タ交換に関する事項を取扱説明書に記載することにした．
ｄ）クーラを保守するために，冷却水の閉止弁を設けることにしたが，車両機械は，実施しておらず，適用対象を産業機械に限定することにした．
ｅ） 電気接続部は，すべてISO/IEC規格に準拠し

ISO 12100：2010
ISO 1219-1/2 図記号ISO 4021 微粒子分析
ISO 4406 汚染レベル
ISO 5598 用語
ISO 6020-1/2/3 シリンダ
ISO 6022 シリンダ
ISO 6149 Mネジポート
ISO 6162-1/2 フランジ
ISO 6164 角フランジ
ISO 10762 シリンダ
ISO 12100：2010
ISO 13850 非常停止

 米国が主張した車両機械の主な事例をつぎに示
す．
ａ）機器を交換する時は，油タンクの油抜きを必ｃ）フィルタは保守時期を表示するインジケータ付を用いることにしたが，車両機械は，運転時関連国際規格設計の一般原則

 米国は，DISの投票では反対したが，この会議
で，車両機械に関する多くを主張し，受け入れられて，賛成に転じた．
日本は，15件提案し，すべて承認された．

要としないことにしたが，車両機械は，油タン
クの下に油圧ポンプがあり，サクション配管にはシャットオフ弁が無いために，この実現は困難であり，適用を除外することにした．
ｂ）操作や保守の時は，油圧システムからのこぼ
れ油を完全に回収することにしたが，車両機械
は，この実現が困難であり，適用を除外するこ
とにした．

37

た電気コネクタを使うことにしたが，車両機械は対応が困難なため，適切な規格または製造業のが望ましいとした．
ｅ）損傷なしで，油圧システム内の最大差圧に耐えられないフィルタは，バイパス弁を付けるこ

ISO4413の改正

ISO 13851 両手操作
ISO 16656 シリンダ
ISO 16874 識別記号
ISO 23309 洗浄
IEC 60204-1
電気機器の一般要求事項
IEC 60947-5-5 ラッチ
3

用語及び
定義
重大な危

4

険源の一
覧表

5

一般規則

ISO 1179

ポート

及び安全

ISO 4395

シリンダ

のための

ISO 9974

Ｍネジポート

要求事項

ISO 11926

ＵＮネジポート

フルードパワーシステム

ISO 13732-1 高温表面
ISO 13849-1
制御システムの安全関連部
設計原則

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

37

38

フルードパワーシステム

ISO 14121

マニホールドブロック組立品及び機リスクアセスメントの原則
ISO 17165-1 ホース
ISO/TR 11688-1 低騒音

5.4.4.3.5

ない．

ISO/TR 17165-2 ホース
ISO/TS 13725 座屈荷重
IEC 60529 IPコード
IEC 61310-3 表示

5.4.5.1.1.2

5.4.5.1.3

油タンクは，事故による外部漏れ防5.4.5.2.1

止のオイルパンを設けるか又は，浸

入検査

ｄ）

透性のない場所の上に，設置しなけ
ればならない．

情報

5.4.5.2.2.8

規格準拠
表示

5.4.5.2.3.4

 機械の本質安全設計とリスクアセスメントの実施を要求している．
⑵ ISO13849-1：2006
 制御システムの安全関連部に該当する機器が適用の対象になり，機械の安全レベルを示す指標のPL（パフォーマンスレベル）の提供を要求している．
⑶ IEC60204-1
 機械の電気装置の一般的な安全事項を要求している．入力電源断路，感電防止，制御回路および制御機能，電線，エンクロージャなどがある．
また，第３版で新たに追加した安全要求事項を表２に示す．この中の箇条5.1.2は，制御システムの安全関連部に関するISO13849-1：2006の適用を要求している．
新規に追加した安全要求事項

箇条番号
5.1.2

38

油タンクは，必要に応じて，等電位
ボンディングを設ける．
水分離器を設けた場合は，保守時期

したがって，欧州の機械指令に適合するには，この引用規格および関連する国際規格の安全要求事項をすべて満たさねばならない．この規格の中，主要なものは，つぎの通りである．
⑴ ISO12100：2010およびISO14121

表２

も汚染物質の影響を受け易い機器に

証及び受
使用上の

8

考慮しなければならない．

適していなければならない．

事項の検

7

油圧作動油選定時は，電気伝導率を
作動油の清浄度は，システム内で最安全要求
6器は，識別記号を付けなければなら内

容制御システムは，リスクアセスメン
トに従って設計しなければならない．

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

を知らせる指示器を備えていなければならない．

以上のように，第３版のISO4413：2010は，油圧システムおよびその機器の機械安全規格として位置づけられており，多くの関連規格を有している．

4．お わ り に
1995年 に 発 効 さ れ たWTO/TBT協 定 の あ と の1997年から図記号，回路図，用語，油圧システム
通則などのISO規格の作成に携わってきた．ISO規格の対応では，世界的なネットワークの構築と普段から情報交換をすることによって，採決する投票時に自国に有利になる働きかけが重要であるといわれてきた．しかし，言葉の壁が厚く，実行は難しかった．
今年，ISO4413改正版のJIS規格が公示されたこともあり，ISO4413のISO活動について報告した．
ISO4413の活動では，なりふり構わず主張する米国の取り組みと，機械安全規格を長年，地道に築き上げてきた欧州の２つの姿が印象に残っており，これに関して報告した．読者の参考になれば，幸いである．
参考文献
１ ）ISO国 際 会 議 報 告 書 H20年 ３ 月 JFPA工 業 会
p115~117
２ ）ISO国際会議報告書 H22年 ３ 月 JFPA工業会 p2~4


2014年１月（平成26年）（原稿受付：2013年10月11日）

栗田敏行：タイ駐在員日記

39

トピックス

タイ駐在員日記

著

者

紹

介
くり

た

栗 田

とし

敏

ゆき

行

CKD THAI CORPORATION LTD.
Amata Nakorn lndustrial Estate, 700/58 Moo1
Bankao, Panthong, Chonburi, Thailand
E-mail : kurita@ckdthai.com
1991年 国立名古屋工業大学工学部修了
同年 CKD㈱入社
2011年 タイに赴任，現在に至る

1．は じ め に
タイにおける日系企業の進出は歴史が古く，現在もその勢いは加速の一途である．タイ歴10年20年といった先輩方もここでは多く働かれており，駐在歴３年に満たない筆者がタイを語ることなどは大変恐縮に思うが，執筆の機会をいただいたことで，海外経験ゼロでも何とか生活してこられたタイと，そこで出会った方たちへの感謝の意味で，筆者なりに経験したことを中心にタイを紹介させていただく．

タイのもうひとつの特徴が王室の国ということであり，タイの国旗は中央の青線が国王，その上下の白線が宗教（仏教），そして赤線が国家･国民を表している．熱心な仏教徒が多く，国王に対する国民の忠誠心が高いタイという国の特徴が，この三色旗からも見て取れる．
タイと日本との親密な関係の歴史は120年以上にもわたり，経済的にも文化的にもタイにとってもっとも親しみのある国が日本だと言われている．実際，
タイにとって最大の貿易相手国は日本であり，タイに進出している外国企業数･投資額も日本がトップである．文化面でも日本に対しては大変親近感を持っており，お寿司が好きというタイ人は結構多い．
最近オープンした日本をテーマにしたショッピング
モールには，日系のスーパーやチェーン店，日本食
レストランなどが軒を連ねているが，店内は日本人ではなく多くのタイ人でいつも賑わっている（図２）．

2．タイについて
タイの人口は約6,600万人で，面積は51.3万平方
キロメートル（日本の約1.4倍），マレーシア，ミャンマー，ラオス，カンボジアと国境を接している．
日本からは飛行機で約６時間．人口の約95%が仏教
徒という仏教の国で，金色に輝く仏塔や仏像は観光
雑誌などでもおなじみである（図１）．
図２

タ イ 人 で 賑 わ う 日 本 の シ ョ ッ ピ ン グ
モール

3．タイ語について
タイ語は基本的な９種類の母音を持ち，それぞれに短母音と長母音があり，さらに５種類の声調（音の上げ下げ）が組み合わされ，また子音の中にも息を出して発音する有声音と，息を出さずに発音する
図１

金色に輝くタイの仏塔

無声音があったりすることから，発音を習得するのが難しい言語のひとつと言われている．
フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

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フルードパワーシステム「マー」も声調が異なるだけで「犬」になったり「馬」になったり「来る」になったりとまったく別て出してくれる（図４）．

の単語になる．
「遠い」は「クライ」だが，「近い」
も「クライ」であるため，そういった発音に慣れていない日本人にとっては訳がわからない．筆者もカタカナ読みのいい加減な発音で単語を並べる程度しかできないが，日本人と仕事をした経験のあるタイ人や，日本人向けのお店の店員さんなどは，そういったいい加減な（というか明らかに間違った）発音のタイ語もなぜか聞き取ってくれる．
「きっとこんなことを言っているのだろう」と想像しながら聞いてくれているのであろうが，知らない人が見れば

図４

鶏肉を丸ごと焼いたガイヤーン

まるでペラペラとタイ語を話しているかのように見える．日本から家族が遊びに来た時も，会話する相

ちなみに，タイはお酒に対して寛容ではなく，お酒の販売が禁止されている時間帯があり，11時か

手がそのようなタイ人だと，子供も「お父さんすごい」と勘違いしてくれるのでありがたい．しかし，田舎のタイ料理屋などのいわゆる「普通のタイ人」には何回繰り返し話してもまったく通じないので，

ら14時までと17時から24時までの時間帯しか酒類の購入ができない．また，仏教関連の日や選挙の前
日当日もお酒の販売や提供が禁止されるため，多くの酒好きな日本人を惑わせている．スーパーでビー

そのたびに現実を突きつけられ凹むことになる．

ルを買おうとしてレジで精算を断られ，言葉も通じず困惑している日本人を見ると，赴任当時の自分の姿を重ねてしまうが，これは誰もが乗り越えねばな
らないタイの酒慣習のひとつである．

4．タイでの食生活
タイといえばタイ料理．辛いスープの「トムヤムクン」や，青いパパイヤを使った辛いサラダの「ソムタム」などは有名であるが，辛い物はとにかく辛い．
「辛い料理が好きだ」と言おうものなら，「日本
人向けに手加減した辛さ」ではないレベルの辛い料理が出てくるため，「辛い物は苦手です」と多少演技しておいた方が身の安全のためである．もちろん日本人の口に合うマイルドなタイ料理も数多くあり，それらを覚えておけば，日本からの知人をアテンドする時でも平和なタイ料理が楽しめる（図３）．

5．水掛け祭り
タイ人がもっとも楽しみにしている連休が4月のタイ正月（ソンクラン）であり，前後に休日をつなげて大型連休にする会社が多い．このソンクラン中はあらゆる場所で水掛け祭りが行われ，日頃おとなしいタイ人もこの時とばかりに騒ぎまくるのが面白
い．観光地などでは大勢の人が押しかけ，全身び
しょ濡れになりながら水を掛け合って楽しんでいるが，一般道でもピックアップトラックの荷台に子供たちが乗りこみ，ゆっくり走行しながら沿道の人たちと水を掛け合って大喜びしている．
この時期は１年で一番暑い真夏であり，一緒になって水を掛け合うと子供の頃に戻ったようでとても気持ちがいい．ただし，携帯電話や財布の防水は必須である（図５）．

図３

タイ風焼きそば パッタイ（若干甘い）

また，タイは鶏肉が安くておいしく，鶏をタレにつけて丸ごと焼いた「ガイヤーン」などはビールによく合う．専門店では丸ごと一羽がぶら下げられているので，コレと指させば包丁で刻んでお皿に盛っ40

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

図５

2014年１月（平成26年）

ソンクランに水掛けを楽しむ風景

栗田敏行：タイ駐在員日記

41

6．タイの自動車事情
現在，東南アジア最大の自動車生産国となったタイであるが，今後も東南アジアのハブ拠点としての発展が期待されている．周りに目を向けると，本当に自動車が増えてきた．初めてのマイカー購入に対する税制優遇などもあり，ここ１～２年で新車需要が急速に増え，結果的に渋滞の発生頻度も大幅に増えている気がする．バンコク市街地や周辺での大渋
滞は巻き込まれたら最後でまったく動かなくなる上，

図６

予期せぬ時間帯でも発生するためたちが悪い．アポイント時刻を守ることはビジネスマナーの基本であるが，ここ最近は安全を見て移動される方でも約束時刻に到着できないということが多くなってきた．

タイは釣れる魚の種類が豊富

日本では遅刻の理由で「渋滞していまして」と説明
しても読みが甘いと思われるだけであるが，最近のタイでは「それは大変でしたね」とねぎらう会話が自然になってきている．

7．休日の過ごし方
休日の過ごし方で，癒しの時間となっているのが釣り船で沖に出る「海釣り」である．タイに赴任して最初に知り合いになった日本人の方が大の釣り好きで，ご一緒させてもらったことが海釣りとの出会い．以来，その釣り会に定期的に参加させていただ
きながら，そこで知り合った方を通じて別の釣り会にも誘っていただいたりして，海釣りを通じて多くの方との輪が拡がっている．会社名をお聞きすると仕事上ではお客様にあたる方も調達先メーカーにあたる方もいらっしゃるが，海の上ではビール片手にのんびり語り合ったり釣果を競いあったりと，友人として関係づくりができるので互いに心苦しくない．
そしてある時，仕事で困った際には，互いに電話一本ですぐに力になったり，なってもらったりが自然にでき，本当に助けられる．タイだけに限った話ではないだろうが，海外特有の日本人同士のつながりというものを日々学ばせていただいている（図６，７）．
日本人のタイでの休日の過ごし方の代表格は，やはりゴルフであり，私も仕事上で必要と感じ，タイに赴任してからゴルフをゼロから始めたが，センスがない上に練習量も少ないため，未だ初級者のままである．しかし，最近は少し真面目に向き合うようになり，単にコースに出るだけではなく，同じく上達を目指している友人と定期的に一緒に練習に行き，終わった後に食事をしながらいろいろと語り合うこ

図７

船上で刺身にするとおいしいコロダイ

図８

ヤシの木を眺めながらのラウンド

後

に

8．最

今まで海外にはまったく縁がなかった筆者が，言葉の通じない国に来て仕事をすることとなり，たくさんの失敗や戸惑いを重ねてきたが，タイという国，
そしてそこで働く人たちに助けられながら，何とか
仕事や生活の環境を築いてくることができた．「この国で働かせてもらい給料をいただいている」ということに感謝しながら，新たにタイに来られた方，
新たにタイで出会う方たちに，今まで自分が多くの方からいただいてきた厚意を，今度は少しずつでも恩返ししていきたいと思っている．

とも休日の楽しみの一つになっている（図８）．

フルードパワーシステム（原稿受付：2013年 9 月26日）
第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

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42

フルードパワーシステム

研究室紹介

東京工業大学香川・只野研究室

著

者

紹

介
きむ

金

いん

寅

東京工業大学大学院〒226-8503 神奈川県横浜市緑区長津田町4259 R2-408
E-mail：kim.i.aa@m.titech.ac.jp
東京工業大学大学院総合理工学研究科メカノ
マイクロ工学専攻博士後期課程，空気圧駆動手術ロボットIBISのマスタマニピュレータに関する研究に従事，日本フルードパワーシステム学会学生会員．
や

じま

矢 島

たく

拓

み

実

東京工業大学大学院〒226-8503 神奈川県横浜市緑区長津田町4259 R2-408
E-mail：yajima.t.ab@m.titech.ac.jp
東京工業大学大学院総合理工学研究科メカノ
マイクロ工学専攻博士前期課程，空気圧駆動手術ロボットIBISの操作性向上に関する研究に従事，日本フルードパワーシステム学会学生会員．

1．は じ め に
香川・只野研究室は圧縮性流体の計測制御に関する研究をしています．扱う流体は主に空気であり，管路内での特性を調べる研究から空気圧駆動手術支援ロボットに関する研究まで，幅広く行われています．最近では水素を利用した研究も進められています．
研究室の教員は，香川利春教授，只野耕太郎准教授，尹鍾晧助教，原口大輔特任助教の４名です．学
生は博士課程の学生３名，修士課程の学生９名，学部４年生１名と留学生数名がおり，さらに顧問，研究員，事務員など，多くの方々が協力して研究室を運営しています．また，東京医科歯科大学に異動された川嶋健嗣教授も積極的に助言をしてくださります．

2.1 分岐・合流管における動特性評価
現在までに，分岐および合流部分を持つ空気圧管路の動特性について，10Hzまでの領域は確認されてきました．しかし，実際の現場では50Hz近くのの高周波域で使われており，この領域の動特性は不明です．そこで，高周波領域における分岐合流管内の状態を一次元モデルにより構築し，実測値と比較によりモデルの妥当性を検討しています．これにより，ガスパイプ内の損失等がわかり，効率のいいパ
イプ配置を設計することができるようになります．
2.2 等温化原理を用いた水素貯蔵タンク
燃料電池車内の容器に水素を高速充填する際，圧縮熱により水素の温度が急上昇する問題があります．
そこで，水素の温度を急上昇させることなく，安全かつ省エネルギーで充填時間を短縮する方法として，
高圧水素用準等温化圧力容器1）を提案しています．
準等温化圧力容器はガスより熱容量が大きく，広い表面積を持つ物体を容器内に封入することで充填時の温度上昇を抑える容器です．解析により，体積充填率約２%のアルミ線を入れることで温度上昇を10℃以上抑えることができることがわかりました．今後実験により，準等温化容器の効果，解析の妥当性について検討します．
2.3 力覚提示の補助
本研究室では力覚提示機能を有するマスタスレー
ブ型手術支援ロボット「IBIS」を開発しました2）．
このロボットにおいて，操作者にさらに別の感覚を与えることによって力覚提示を補助し，より高精度にロボットを操作する方法を提案しています．現在行っているのは，提示する力が大きくなるにつれてマスタの温度を上げる方法と，操作者の指先に複数の空気噴流を当てて力の方向を提示する方法です．
マスタの温度制御にはペルチェ素子を用います．

香川研究室では圧縮性流体のプロセス制御や水素関連の研究をしています．只野研究室では空気圧のこの方法により，人間が感じにくい0.5N以下の弱い力でも，温度提示を用いることによって高精度に力を知覚することができました．
また，空気噴流噴きつけ部は図１のようにマスタ

応用機器として，主に手術支援ロボット関係の研究を行っています．

の先端に取り付けます．ここには４つのノズルがあり，個別に流量を調節した噴流を噴きつけます．こ2．研 究 紹 介

42

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

金・矢島：東京工業大学香川・只野研究室

図１

43

空気噴きつけ部の手法を用い，縫合実験にて針を目的の位置に向かって高精度に刺すことができることを確認してい図２

ます．
2.4 力入力型操作インタフェース
近年の力覚提示機能を有するマスタマニピュレー

バレーボール大会

タは，多数のアクチュエータが必要となり，広い可動範囲を得るためには，大型化を避けることができません．そこで，アクチュエータなしで操作部に力を加えるだけでロボットを動かせる方法を提案し，
コ ン パ ク ト で 可 動 範 囲 に 制 限 の な い 操 作 イン タ
フェースの開発を行っています．
操作部に加えた力は，仮想のモデルから速度および位置目標値に変換され，ロボットに送られます．
スレーブマニピュレータは外力推定機能を有していますので，そのモデルには外力推定値が反映され，操作者による力の制御もできることを確認しました．

3．行

事

香川・只野研究室では毎年多数の行事が開催されています．
５月頃にはハイキングに行きます．このハイキン
グでは自然を堪能しながら，新年度で新しくなった
研究室のメンバーと積極的な交流が図れます．このハイキング後は皆打ち解け，仲良くなることができます．
６月頃にはキャンパス内のバレーボール大会に参加します．そのために４月から練習を重ね，大会での上位入賞を目指しています．図２は試合中の様子です．2010年には準優勝をすることができました．
８月には研究室旅行に行きます．研究室旅行は１泊２日で行われ，観光をしたりスポーツを楽しんだ
りします．今年は河口湖へ行きました．この旅行では先生方とも親しく話すことができ，リフレッシュにもなります．図３は研究室旅行でチーム対抗フットサル大会をした後の写真です．
また，香川先生はよく飲み会を開催してください
ます．香川・只野研究室の飲み会では，香川先生か図３

研究室旅行 (フットサル後)らリクエストをいただいた料理を，食材を買ってきて自分たちで調理します．この飲み会によって料理の腕も上達しました．

4．お わ り に
香川・只野研究室は研究内容も各イベントも非常に魅力的な研究室であり，この研究室に所属することができて良かったと思います．今後の研究生活も残りわずかですが，最後までしっかりと頑張りたいと思います．
参考文献
１ ）川嶋健嗣，藤田壽憲，香川利春: 等温化圧力容器を用いた空気の非定常流量計測，計測自動制御学会論文集，
Vol. 33, No. 3, pp. 149-154（1997）
２ ）K. Tadano and K. Kawashima: Development of amaster slave system with force-sensing abilities using
pneumatic actuators for laparoscopic surgery. In
Advanced Robotics, volume 24, pages 1763-1783,
2010.


フルードパワーシステム（原稿受付：2013年11月14日）

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

43

44
随

フルードパワーシステム

想若いフルードパワー技術者に送る
老いた電気屋フルードパワーファンの妄言

著

者

紹

介
の み やま

野見山

こう

紘

いち

一

株式会社工苑〒213-0004 川崎市高津区諏訪１-11-１
E-mail：nomiyama@koenn.co.jp

1966年電気通信大学卒．在学中に家業にて社
会心理実験装置を同大学に納入．家業の工苑社を1973年株式会社に改組．社長就任現会長．油圧サーボ制御大好き人間．日本フルードパワー
システム学会会員．元基盤強化委員会幹事．

電気屋の私がフルードパワーの魅力に取り付かれて40年になる．この時代は丁度フルードパワーがマイコンによるシステムコントロールと結びつく時期と一致している．
何故こんなフルードパワーファンが誕生してしまったのか，その辺りを一人の電気屋がそこに至る
由来を年寄りの妄言として記してみた．若いフルー
ドパワーエンジニアに何か残せれば幸いである．
1950年台後半にゲルマニュームトランジスタが一般化するまでは電子回路は真空管の時代だった．
その後，自然界にほぼ無限にあるといわれたシリコンが半導体素材のベースとなり，シリコントラン
ジスタは進化し素材純度の向上およびウェハーサイ
ズ大型化と微細加工技術の進歩の中で複合トランジ
スタからIC（集積回路）化へと進みさらにSSI（小規模集積回路）＜MSI＜LSIへと変遷しついにCPU
チップの誕生を見る．そしてこれも４ビットバスから８ビット，16ビット，32ビット，64ビットとバス幅を広げさらに周辺回路もチップ内に取り込んで演算機能だけではなくメモリーやI/Oも組み込まれた大規模システムチップが一般化し，クロック周波数もKHzだったものがGHzとなっている．内部メモ

ピュータの機能を凌駕している．
そもそも電子計算機誕生の頃は演算1bitを構成するフリップフロップ回路が２個の真空管で成り立っていた時代があるのだから．
1960年代にはじまるマイクロコンピュータの急激な発展は産業機械制御技術の急速な進化をもたらした．当初はコンピュータは関連ハードウェアの技
術競争の時代であったが，80年代にはハードはシステム化された発達段階に入りソフトウェアの進化
こそがコンピュータエイジの中心技術となっていったのはご承知のとおりである．
航空機100年の発展過程といわれたがコンピュー
タは50年で第２の産業革命を成し遂げさらなる発展を続けている．
日常生活のあらゆる分野にコンピュータ技術が適応されており，どんな仕掛けが組み込まれているか
なんぞと考えることもない．
フ ル ー ド パ ワ ー も そ う い っ た 流 れ の 中 でコンピュータに結びついたシステム化に向かわざるを得ない．油空圧学会がフルードパワーシステム学会と名称変更にいたった事由である．ただ，実際の装置を構成するにはコンピュータにはソフトウェア技術がその中心になっても装置としては最適なI/O部分
無しには成り立たない．これには装置メカシステムと制御コンピュータシステムとを繋ぐものと，操作
す る 人 間 と 制 御 コ ン ピ ュ ー タ シ ス テ ム と を繋ぐ
MMIとが存在することは論を待たない．どちらもハードウェアとソフトウェアの協調が最大限に要求される．
安心，安全，安定，自然負荷の軽減は常に基本課題である（図１）．

リーも当初１Kbitに満たないレジスタしかなかった
ものが今やGbyteレベルにも達する勢いである．マコンピュータの発達は同時にシミュレーション技術の発達をもたらし，制御の設計，予測の計算手法を一変させた．さらにその計算手法の新しいアイデ

イコンソフトは機械語でいかに使用メモリーを少なくするかが競われ，フォートラン，コボルといったコンパイラは一棟を占拠した大型コンピュータ設備

ィアも続々と生まれている．それに伴って実験の量は著しく減じ，破壊テストなども大幅に少なくて済むようにはなったが，それは実験の価値，必要性をの上ではじめて有効利用できるものであった．今のパソコンはどんなに安いものでも当時の大型コン減じるものでは決してない．
私たちの会社は私の父親が細々営んでいた写真用

44

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

野見山紘一：若いフルードパワー技術者に送る老いた電気屋フルードパワーファンの妄言

45

その頃，中田孝先生から教え子でもある武蔵工大（当時）の佐藤三禄先生を紹介され，当時油空圧学会の基盤強化委員長の先生から基盤強化委員をやってよということで学会のお手伝いを始めることとなった．ここでは北川先生，香川先生をはじめ真田先生，川嶋先生などの諸先生とご一緒に仕事をさせていただいた．基盤強化委員としては第３回IFPEXに主催の日本工業新聞社と折衝して大学 ･ 高専研究室発表コーナーを設けていただくことができた．
また，油機メーカー各社の油空圧学会員にお願い

図１

して展示に使った油機のカットモデルを大学 ･ 高専のご要望のあった研究室に寄付していただくシステムを作ったりできた．ここでもいろいろな先生方や

フルードパワー相関図

品製造のワンマンカンパニーを，1965年に電気通
信大学を一緒に卒業して就職した大会社をすぐにや

各社のエンジニアの方々とご面識をいただくことができた．困った折に非常に心強いご教示をいただける方々である．

めて野見山と一緒に仕事をするべえと言ってくれた
同期生３人が押しかけ入社して電子制御屋も開業してしまったものであるが，たまたま親父の東工大同窓コネで中田孝教授が明石製作所を，カヤバ工業から内田油圧に移られた田谷三郎専務が自社とカヤバ工業，不二越などをご紹介くださって，当時丁度世の中にメカトロ化の嵐が吹き始め，精密機械メー
カーが一斉に電子制御を考えるようになった時代と一致し，我々にとってはまったくのグッドタイミン
グであった．
大学出たてのほとんど素人に近い我々にサーボ加振制御のノウハウや，油圧制御機器の電子装置についての技術内容を原理からお教えくださった上記の会社のエンジニアの方々には本当に感謝している．
その中で1980年代半ばにアメリカカリフォルニ
アシリコンバレーにあるヒューレットパッカード社

このようにして電気屋出身の私がどんどんと油圧制御の奥深さ，面白さを味わってきたわけである．
振り返っても，本当に好きなことを面白く仕事にさせていただき十分な充足感が得られた．

プロッタ開発チーム出身のDr. ヤコブ・タルが起業したガリル社のデジタルサーボコントローラを日本の東西を問わず，これを遊びという言葉で表す．
一方プレイボーイという言葉がある．米語であるで売らないかとの話があり，現地でのセールスセミ
ナーに参加したりして販売展開することとなった．
もともと電動サーボモーターのコントローラであったがこれは油圧サーボに向きそうと考えて油圧マーが世界中で通用する．日本語に遊び人という言葉がありほとんど同義である．この日本語は訳語ではあるまい．もの同士が面を接して動くためにはPLAY=
遊びを必要とする．これが無いとものはお互いに動ケットへの拡販を考えた．Ａ/Ｂ相リニアエンコー
ダのFB信号のみで位置，速度，加速度制御可能で

けずかじりを起こしてしまう．潤滑油が機能するためには正しい隙間＝プレイを要する．

オンフライでのPIDゲインなどのパラメータ可変，
２軸の直線 ･ 円弧補完，動作プロファイルやシーケ
ンスのメモリー機能など当時としては先進的で，内田油圧にサーボシリンダ付き油圧ユニットを発注し社会が機能するためにも，人間関係にも遊びは必要であり，哺乳動物が種を保存するためにも潤滑が必須である．世に遊びほど大切なものはない？

てセールス行脚をはじめた．この中でいろいろな油
圧業界のエンジニアの方々と面識をいただいたこと

閑話休題．
最近妙にプレイという言葉に引っかかっている．
ウィキペディアでは英語で ｢遊ぶ｣ ｢試合をする｣ ｢ゲームをする｣ ｢演奏する｣ ｢録音 ･ 録画を再生する｣ ｢役を演じる｣ の意とある．機械的な意味は出てこない．一方，手元の三省堂デイリーコンサイスでは上記の意のほか[機]遊び（余裕）とある．
この［機］遊びの概念について考えてみると，これはブレーキ，ハンドルのガタ，シリンダロッドやピストンの隙間，ジョイント部の余裕などメカの可動部には必ずあり職人さんの腕の見せ所である．洋（失礼ながら文中敬称は略させていただいた）（原稿受付：2013年10月21日）

はその後の財産となった．

フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

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フルードパワーシステム会

告詳細は学会ホームページ（http://www.jfps.jp/）をご覧ください〈理事会・委員会日程〉
１月23日

情報システム委員会

１月24日

編集委員会

１月28日

企画委員会

１月31日

理事会

２月 ４ 日基盤強化委員会・ロゴ問題について
第３回企画委員会
11月29日 15：00 ～ 17：00

機械振興会館

地下３階3B ―３号室（出席者16名）
１）平成25年度実施事業に関する報告・審議事項
・オータムセミナー終了報告
・平成25年秋季講演会終了報告
・ウインターセミナーに準備状況について〈委員会報告〉・その他
２）平成26年度実施の事業に関する報告・審議事項

第３回基盤強化委員会

・平成26年春季講演会併設セミナーについて

11月25日 15：30 ～ 17：00 機械振興会館B3 ―３・平成26年春季講演会について（出席者12名）

・オータムセミナーについて

１）会員サービス・会員数増加について・ウインターセミナーについて

２）外部への情報発信について

・公益事業について

３）若手フルードパワー育成道場について

・その他

４）フルードパワー・バーチャルミュージアムについて
５）その他

３）その他審議・確認事項
・会誌１月号の掲載予定会告記事について
・研究委員会規程、内規について

第３回編集委員会

・委員会の開催時期について

12月５日 14：00 ～ 17：00

・WGの構成について

東京工業大学 田町キャンパス キャンパスイノベーションセ

・その他

ンター ８F ―806会議室（出席者15 名）
１）学会誌発行報告

第３回委員長会議会

２）学会誌編集計画

11月25日 14：30 ～ 15：30 機械振興会館B3 ―３・Vol.45 No.1「フルードパワーを活用した移動ロボットの最前線」（出席者９名）
１）新会長推薦について・Vol.45 No.2 ｢フルードパワーに貢献する加工，材料，
表面処理技術｣２）平成25年秋季講演会開催状況について
３）平成26年度フェロー認定者推薦状況について

・Vol.45 No.3 ｢エアコンプレッサの最新技術｣

４）学会の財務基盤の強化の進捗状況について・Vol.45 No.4 ｢フルードパワーの魅力（案）｣５）各委員会からの報告

３）その他

６）その他

・トピックスについて
・会誌出版経費の合理化について

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フルードパワーシステム

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第１号

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会告

平成25年度会

告ウインターセミナーのお知らせ

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詳細は学会ホームページ（http://www.jfps.jp/）をご覧ください

平成25年度ウインターセミナーのお知らせ「大型機械と油圧技術」

現状と今後の展開について展望したいと考えています。

開催趣旨：
昨今の省エネ化／環境重視等のニーズを背景に，パワーエレ

講演内容：ブルドーザーの油圧駆動システム（コマツ）／船のクトロニクスを始めとした電動機の技術革新に伴い，各種機械

操舵装置（川崎重工業株式会社）／超大型鍛造プレ装置においては，電動シリンダやリニアモータ等の電動アクス油圧システムの概要（日本エアロフォージ株式会

チュエータが普及していますが，それら電動アクチュエータで社）／グラブ浚渫船と大型油圧システム（株式会社は実現困難な，油圧駆動システムが必須とされる分野は顕然と小島組）存在しています。本セミナーでは，各種大型機械における油圧

開催日時：2014年２月21日（金） 13：00 ～ 16：20

システムを取り上げ，高出力／大容量をはじめとした，油圧な会

らではの特長を活かしたシステムの紹介を通じて，油圧技術の触れて学べる！

場：機械振興会館 本館地下３階B3―２（東京都港区芝公園３―５―８）

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（M1301）

主催：一般社団法人 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

期

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/

大阪職業訓練支援センター，関西職業能力開発促進

対センター（ポリテクセンター関西）

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

象：学会ホームページを参照下さい．
ことができます．詳細は学会ホームページを参照下

募集要項
方

会

針：企業においてはじめて油空圧技術に携わる人材を対さい．

象とした導入教育．座学で学んだ内容を実習で体験（1）講義 ６月11日（水） ９：15～16：00

し，興味と理解を深める教育をおこなう．

 月12日（2）実習 ６（木）および13（金） ９：15～16：00

間：平成26年６月11日
（水）
～13日
（金）

共催・協賛行事のお知らせ
協賛行事
一般社団法人日本機械学会 関西支部 第330回講演会 実務者のための振動機素と制振・制御技術
主催：一般社団法人 日本機械学会関西支部
日時：2014 年１月27日（月）～ 28日（火）会
場：大阪科学技術センター８階中ホール（大阪市西区靭本町1―8―1 ／ TEL：06-6443-5324）
COMPSAFE2014（第１回安全・安心のための計算理工学国際会議）
共催：日本計算力学連合・日本計算工学会・東北大学災害科学国際研究所
開催：2014年４月13 ～ 16日
会
場：仙台国際センター
The 12th International Conference on Motion and Vibration Control（MoViC2014）
第12回「運動と振動の制御（国際会議）」
主催：一般社団法人 日本機械学会
開催：2014年８月４日（月）～６日（水）会
場：札幌コンベンションセンター

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フルードパワーシステム会

告詳細は学会ホームページ（http://www.jfps.jp/）をご覧ください

平成26年春季フルードパワーシステム講演会

併設セミナー「フルードパワーに貢献する材料，加工，表面処理技術」のお知らせ
開催日：平成26年５月28日（水）をいただきます．詳細は学会ホームページに随時掲載いたしま

開催趣旨：
平成26年春季フルードパワーシステム講演会併設セミナー

すので，ご確認をいただきますようお願いいたします．

は平成26年５月28日（水）に機械振興会館（東京都港区）

なお，
日本フルードパワーシステム学会誌45巻２号（2014

で開催されます．本講演会では，フルードパワーに貢献しモノ

年３月号）が当日の講演資料となりますので、各自ご持参をいづくり基盤を担っている材料，加工，表面処理技術について企ただきますようお願いいたします．皆様の積極的なご参加をお業の具体的な事例や最新の研究・技術開発成果についてご発表

待ちしております．

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26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26年５月29日（木）・30日（金）演・オーガナイズﾄドセッション・製品技術紹介セッションや

開催趣旨：
平成26年春季フルードパワーシステム講演会は平成26年

技術懇談会などを企画する予定です．詳細は学会ホームページ

５月29日（木）・30日（金）に機械振興会館（東京都港区）に随時掲載いたしますので，ご確認いただきますようお願いいで開催されます．本講演会では，一般講演に加えて，特別講たします．皆様の積極的なご参加をお待ちしております．

平成26年春季フルードパワーシステム講演会併設企画「製品・技術紹介セッション」のお知らせ
開催日：平成26年５月30日（金）だき，会員間で問題意識を共有し，会員相互の研究・技術の交

開催趣旨：
本講演会では，企業関係の方々に製品・技術の紹介をしてい流の促進を図ろうとするものです．また，本セッションの講演

ただくオーガナイズドセッション（「製品・技術紹介セッショ

は，平成15年より表彰事業の１つとして設立された「最優秀ン」）の通算15回目の開催を企画しました．本企画は，企業

講演賞」社会人部門の審査対象となります．企業関係の会員み関係の方々に，現在，企業がお持ちの製品・技術あるいは検討

なさまの参加を心よりお待ちしております．

課題などを，学会主要行事の１つである講演会で発表していた

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フルードパワーシステム

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会告（一社）日本フルードパワーシステム学会会

賛助会員一覧表

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告

（一社）
日本フルードパワーシステム学会
賛助会員一覧表

アイシン・エｨ・ダブリュ㈱㈱明石合銅
アズビル㈱湘南工場
アズビルTACO㈱㈱アドヴィックス
アネスト岩田株式会社
イートン㈱
㈱医器研
㈱IHI
出光興産㈱
イナバゴム㈱イハラサイエンス㈱㈱インターナショナル・
サーボ・データ㈱打江精機
SMC㈱
SMC㈱中国㈱大阪ジャッキ製作所
大瀧ジャッキ㈱
㈱オプトン
鹿島通商㈱
KYB㈱
KYBエンジニアリング･アンド･サービス㈱KYB-YS㈱㈱桂精機製作所
神威産業㈱川崎重工業㈱キャタピラージャパン㈱旭東ダイカスト㈱協和シール工業㈱極東開発工業㈱㈱クボタ
クロダニューマティクス㈱㈱古河製作所
㈱工苑
甲南電機㈱
㈱コガネイ
コスモ石油ルブリカンツ㈱㈱小松製作所㈱小松製作所試験センタ㈱小松製作所研究本部㈱小松製作所油機開発センタ㈱阪上製作所㈱鷺宮製作所

佐藤金属株式会社
三和テッキ㈱三輪精機㈱CKD㈱㈱島津製作所㈱ジェイテクト
勝美印刷㈱JX日鉱日石エネルギー㈱ジヤトコ㈱新日鐵住金㈱交通産機品カンパニー
住友建機㈱住友重機械工業㈱住友精密工業株式会社
制御機材株式会社
千住金属工業㈱第一電気㈱㈱TAIYO
タイヨーインターナショナル㈱
㈱タカコ
㈱タダノ
ダイキン･ザウアーダンフォス㈱ダイキン工業㈱
ダイワ㈱
大生工業㈱
調和工業㈱
㈱都筑製作所
TMCシステム㈱
㈱TNK
テラル㈱
天竜丸澤㈱
トーヨーエイテック㈱東京メータ㈱TOHTO㈱東北特殊鋼㈱東明工業㈱DOOSAN CORPORATION
東洋機械金属㈱同和発條㈱東京計器㈱東京計器パワーシステム㈱
特許機器㈱
特許庁
豊興工業㈱
㈱豊田自動織機
中村工機㈱フルードパワーシステム

第45巻

長津工業㈱
長野計器㈱
ナブテスコ㈱ニッタ㈱日新沪器器工業㈱日本アキュムレータ㈱㈱日本アレフ日本機材㈱日本クエーカー・ケミカル㈱日本工業出版㈱日本シリンダ共同事業㈱日本精器㈱日本電産トーソク㈱（一社）日本フルードパワー工業会
日本ムーグ㈱㈱野村商店㈱ハイダック日立建機㈱㈱日立建機テイエラ㈱日立建機カミーノ㈱日立製作所
日立住友重機械建機クレーン㈱広瀬バルブ工業㈱ピー・エス・シー㈱フジサンケイビジネスアイ
フエスト㈱
㈱フクダ
㈱不二越
二見屋工業㈱ボッシュ・レックスロス㈱
昌富工業㈱
マサモト㈱
㈱増田製作所
松巳鉄工㈱マックス㈱三菱電線工業㈱ヤマシンフイルタ㈱ヤマハモーターハイドロリック
システム㈱
油研工業㈱
理研精機㈱
ワールドインシュアランス
ブローカーズ㈱第１号

2014年１月（平成26年）

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フルードパワーシステム

編 集 室

次号予告

―特集「フルードパワーに貢献する材料，加工，表面処理技術」―〔巻頭言〕「フルードパワーに貢献する材料，加工，表面処理技術」発行にあたって武田〔解説〕電子機器用の難燃ポリ乳酸複合材の開発
木内 幸浩，位地
DLC-Si被覆電磁クラッチを用いた次世代電子制御AWDカップリングの開発
安藤
水圧システムに貢献する電磁材料
山田
電磁軟鉄バリレス加工の構築
窪田 朝徳，李油圧ポンプ・モータに貢献する摺動部品材料と表面処理技術
西田〔会議報告〕ASME/BATH FPMC 2013会議におけるフルードパワー技術研究動行
田中
ICHP2013におけるフルードパワー技術研究動向
坂間
機械学会・山梨講演会OS「流体パワーによる駆動と制御」におけるフルードパワー技術研究動向（仮）川上
計測自動制御学会・流体計測制御シンポジウムにおけるフルードパワー技術研究動向（仮）藤田〔トピックス〕特許文献を調べる・特許電子図書館の活用３ 日本の分類・テーマコード１
木原
JIS B 8370:2000 空気圧システム通則の改正
張アメリカ駐在員日記
黒尾〔研究室紹介〕山梨大学工学部情報メカトロニクス工学科油空圧制御研究室
大内〔企画行事〕平成26年度企画行事紹介
大内 俊英，桜井平成25年度オータムセミナー開催報告「鉄道車両とフルードパワー技術」

風戸

稔
正年
寛之
裕樹
和樹
信治
豊
清子
幸男
壽憲
和幸
護平
賢治
俊英
康雄
昭人

平成25年度「フルードパワーシステム」編集委員
委 員 長 吉副委員長 塚
委
員 伊
内
小
加
北
木
栗
五
佐
妹
多
中

会

田
越
藤
堀
倉
藤
村
原
林
嶋
藤
尾
田
野

和 弘（東京工業大学）
秀 行（東京工業大学）
雅 則（東京海洋大学）
晃 彦（宇部工業高等専門学校）
弘（日立建機㈱）友 規（福岡工業大学）
剛（油研工業㈱）和 幸（㈶工業所有権協力センター）
直 樹（川崎重工業）
裕 之（機械振興協会）
恭 一（横浜国立大学）
満（SMC㈱）昌 弘（CKD㈱）政 身（東北大学）

委

員

成
西
藤
丸
村
柳
山
山
吉
担当理事 宮
山

田
海
田
田
松
田
田
田
満
川
田

晋（KYB㈱）孝 夫（防衛大学校）
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）
俊 拓（神奈川工科大学）
新 平（KYB㈱）宏 尚（岐阜大学）編集事務局 藤 谷 秀 次（学会事務局）
竹 内 留 美（勝美印刷㈱）（あいうえお告

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．

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フルードパワーシステム

第45巻

第１号

2014年１月（平成26年）

順）

ISSN

1880-3121

日本フルードパワーシステム学会論文集
第45巻, 第１号（2014）
平成26年１月
目次

研究論文
１．出力圧力が高速で変更可能なアキュムレータの開発とその応用
芦

金石，留

滄海，斉藤

理人，

大坂

一人，大場

孝一，北川

能 

１

２．気体用超精密高速応答圧力レギュレータを用いたエアタービンスピンドルの回転数制御
加藤

友規，東嶋

元気，矢澤

孝哲，

大坪

樹，野崎

悠輔，田中

克敏

一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会

８

ISSN

1880-3121

TRANSACTIONS OF
THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY
Vol.45, No.1

January 2014
Contents

Paper
１．A Study on Development of Accumulator whose Output Pressure Can
Be Adjusted Quickly and Its Application
Jinshi LU, Canghai LIU, Michihito SAITO,

Kazuhito OSAKA, Kouichi OBA, Ato KITAGAWA

１

２．Rotation Control of Air Turbine Spindle using High Precision,
Quick Response Pneumatic Pressure Regulator
Tomonori KATO, Genki HIGASHIJIMA,Takanori YAZAWA,

Tatsuki OTUBO, Yusuke NOZAKI, Katsutoshi TANAKA

Published by
The Japan Fluid Power System Society
c/o Kikaishinko Building
3―5―22 Shiba-koen, Minato―ku, Tokyo, 105―0011, Japan８

芦・留・斉藤・大坂・大場・北川：出力圧力が高速で変更可能なアキュムレータの開発とその応用

1

研究論文

出力圧力が高速で変更可能なアキュムレータの開発とその応用＊
芦
金 石＊＊，留滄 海＊＊＊，斉 藤 理 人＊＊＊＊大 坂 一 人＊＊＊＊＊，大 場 孝 一＊＊＊＊＊，北 川
能＊＊＊＊＊＊A Study on Development of Accumulator whose Output Pressure
Can Be Adjusted Quickly and Its Application
Jinshi LU, Canghai LIU, Michihito SAITO
Kazuhito OSAKA, Kouichi OBA, Ato KITAGAWA
In this study, an Active Charge Accumulator（ACA）is proposed as a new accumulator whose output pressure can be
adjusted to N levels quickly. Because an ACA is a piston type accumulator which is divided into several oil chambers, theeffective area of the oil chambers in the ACA can be changed by switching the valves at the oil chamber inlets. Therefore,
the required one of N-levels output pressure can be obtained. In a system with N accumulators to provide N levels output
pressure, an ACA can be used to replace the N accumulators. Experimental results verified that the efficiency of the valvecontrolled hydraulic servo system using a 2-level pressure ACA is greatly improved, and the power consumption of thesystem is reduced when compared with a traditional valve-controlled hydraulic servo system.
Key words：High efficiency, Hybrid power supply, Accumulator, ACA, Pressure conversion device

1．緒

弁制御サーボシステム（略称：２圧システム）を例として

言検証実験を行い，N圧ハイブリッド油圧源を用いた弁制御

油圧サーボシステムは弁制御サーボシステムとポンプ制サーボシステムは高効率かつ高応答であることを明らかに御サーボシステムの２種類に分類できる．通常の弁制御

した1），2）．

サーボシステムでは，常に定容量ポンプとリリーフ弁から

しかし，N圧ハイブリッド油圧源では，出力圧力の異なるなる油圧源を用いて，油圧源の圧力は一定であるので以後複数個のアキュムレータを使用するため，アキュムレータ

は１圧弁制御サーボシステム（略称：１圧システム）と呼の切換，充填は煩雑になる．本論文では，出力圧力の異なぶことにする．この１圧システムは応答性は良いが効率がる複数個のアキュムレータの役割を一つで担える，すなわ

悪いという欠点があり，これに対してポンプ制御サーボシ

ち出力圧力がN段階に変更可能な新形のアキュムレータとステムはシステムの効率は良いが応答性は悪いという欠点

して，アクティブチャージアキュムレータ（Active Chargeがある．これに対し，筆者らはN圧ハイブリッド油圧源を

Accumulator：略称ACA）を提案し，その作動原理を説明

既に提案した1）．そして２圧ハイブリッド油圧源を用いたする．そしてACAを用いた弁制御サーボシステムが高効率であることを検証する．

＊

平成24年12月３日 原稿受付

ACAを用いた弁制御サーボシステムの例として，２圧＊＊ACAを用いた弁制御サーボシステム（略称：２圧ACAシ＊＊＊

圧システムに比べて効率が高く，一体形２圧ハイブリッド

中国大連工業大学機械工程与自動化学院（所在地：中国遼寧省大連市甘井子区軽工苑１号）
中国西南科技大学製造科学与工程学院（所在地：中国四川省綿陽市青竜大道中段59号）＊＊＊＊

日本アキュムレータ株式会社（所在地：静岡市清水区西久保415）＊＊＊＊＊

油研工業株式会社（所在地：神奈川県綾瀬市上土棚中４－４－34）＊＊＊＊＊＊

東京工業大学大学院理工学研究科（所在地：東京都目黒区大岡山２－12－１）（E-mail：kitagawa@cm.ctrl.titech.ac.jp）
第45巻

第１号

ステム）の検証実験を行う．そして２圧ACAシステムが１油圧源（ポンプからアキュムレータへの油の充填，および
アキュムレータからサーボ弁への油の放出が同一の弁で行われるタイプ．
）を用いた弁制御サーボシステム2）とほぼ同等な性能を有することを明らかにする．なおここで提案するACAを用いた弁制御サーボシステムのアプリケーショ
ンとしては，N圧ハイブリッド油圧源を用いたシステム2）と同様，工作機械のような予め負荷が分かる場合を考えて―1―

2014年１月（平成26年）

2

日本フルードパワーシステム学会論文集

定すると，式⑴に両モードの低圧限界の圧力をpgas=2.7MPa，いる．

p=8.4MPaのように代入することにより，受圧面積比は，式2．アクティブチャージアキュムレータ（ACA）⑵のように得られる．

2.1 ACAの考え方

Aa：Ab：Agas = 0.32：0.68：1

ピストン形アキュムレータのピストンの油室側をFig. 1（2）のように階段状にし，油室を幾つかに分割しておく．各油

この面積比は３章以降の実験のために開発した２圧ACA室の接続先を充填時と放出時で切り換えると，充填圧力との油室の受圧面積比に等しく，各受圧面積Aa，Ab，Agasは放出圧力を変えることができる．

⒜

Integrated type⒝

Separated typeFig. 2 N-level pressure valve-controlled hydraulic servo system

Fig. 1

Concept of active charge accumulator

A2，
ACAの油室の受圧面積をそれぞれ A1，…ANとする．
Fig. 1に示した出入口に設置された３方向切換弁V1，
V2，…
VNにより，各油室はOFFでは回路に，ONではタンクに接続される．ピストンに作用する力のバランスから，ACAの充填時あるいは放出時の圧力pは式⑴となり，少なくともN段階の圧力を得ることができる．
p=


Agas
p
∑Ai gas⑴

Fig. 3 N-level pressure ACA valve-controlled hydraulic servo system

なお，AgasはN2ガス側の受圧面積であり，pgasはN2ガスの圧力である．また式⑴の分母は，入口の切換弁がOFFとなっていて回路に接続された状態の油室の受圧面積の総和である．特に，全ての切換弁がOFFの場合は油室の受圧面積の総和はAgasに等しくなり，p=pgasとなる．
2.2 ACAを用いた弁制御サーボシステム
ACAは各油室の出入口に設置された切換弁のON/OFFにより圧力が変更できるので，N圧ハイブリッド油圧源の複数個のアキュムレータの役割を一つで担うことができる．

Fig. 4

Schematic diagram of 2-level pressure ACA

N個のアキュムレータを有する一体形および分離形N圧ハ
イブリッド油圧源を用いた弁制御サーボシステムをFig. 2

それぞれ121.6㎠，258.4㎠，380㎠である．

に，ACAを用いた弁制御サーボシステムをFig. 3に示す．

3. 実

この両者が有する機能はほぼ同等と考えられるが，後者に験

3.1 ２圧ACAシステム

はアキュムレータが１個しかないという特徴がある．
ACAのうち最も基本的な２圧ACA（Fig. 4）について，

N圧ACAを用いた弁制御サーボシステムの作動原理の説

その計算例を示す．２圧ACAは２圧すなわち，低圧モード

明および高効率の検証のため，Fig. 4に示す２圧ACAを用と高圧モードを有しており，低圧モードの圧力範囲をいた２圧ACAシステムを例として, 作動原理を説明し，検2.7 ～ 2.87MPaに，高圧モードの圧力範囲を8.4~8.7MPaに設証実験を行う．この２圧ACAシステムをFig. 5に示す．

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3

芦・留・斉藤・大坂・大場・北川：出力圧力が高速で変更可能なアキュムレータの開発とその応用が行われピストンが壁から離れる．すなわち，シリンダは，
13.5s ～ 16.5sの間は力制御，それ以外は位置決め制御が行われる．
Fig. 5に示した２圧ACAからサーボ弁S 1への供給モードとしてTable 2に示した二つが考えられる．一つ目は弁S2の入力信号が－10Vで，S 2のPポートがAポートに，Bポート
がTポートに接続され，油室aの圧油だけで駆動される場合
で，この状態を高圧モード（High）という．二つ目は弁S2の入力信号が10Vで，S 2のAポートがTポートに，Pポート
がBポートに接続され，油室aと油室bの両方の圧油で駆動
Fig. 52-level pressure ACA valve-controlled servo system

Table 2

Table 1 Specification of the experimental setup

Press force

5700N, max

CylinderPiston diameter: 22㎜
Cylinder bore diameter: 40㎜
Stroke: 150㎜

Spring26.1N/㎜

Pump

6 L/min, 1500rpm

される場合で，この状態を低圧モード（Low）という．
Two operating conditions of the power supply

Pressure mode

Value of S 2

Port of servo valveHigh

S 2 : －10V

P→A B→TLow

S 2 : 10V

A→T P→B

そしてTable 2に示した低圧モード（Low）と高圧モード（High），およびポンプのロードとアンロードの組み合わせ
により，Table 3に示す４つの作動状態が考えられる．状態

Fig. 5に示した２圧ACAの油室bの出入口に設置する高速

HLと状態HUは高圧モード（High）で，ポンプがロードあの切換弁として高速リニアサーボ弁（定格流量 60L/min，

るいはアンロードの場合である．状態LLと状態LUは低圧

周波数応答330Hz@-3dB/410Hz@-90°）S 2を使用する．まモード（Low）で，ポンプがロードあるいはアンロードのたシリンダの位置および力を制御するサーボ弁として高速場合である．

リ ニ ア サ ー ボ 弁（ 定 格 流 量 10L/min， 周 波 数 応 答
350Hz@-3dB/450Hz@-90°）S 1を用いる．ポンプのアンロー

Table 3

ド弁として廣瀬バルブ工業（株）社製の電磁操作式ストッRunning model

Pump

LL

Load

LU

Unload

HL

Load

HU

Unloadプバルブ（HSO-T03-A10F-21）を用いる．ほかのシステムの仕様をTable 1に示す．N2ガスの充填圧力を2.38MPaに設定する．２圧ACAの低圧モードの出力圧力範囲と高圧モードの出力圧力範囲は第２章に示したとおりである．

Running Models of the servo system on ACA

Pressure mode
Low
High

２圧ハイブリッド油圧源では，２つのアキュムレータに圧油を充填することが不可欠であるため，充填を行う際，低圧充填と高圧充填の両方を行うことが必要である．しかし２圧ACAでは，油室側の受圧面積の変化により，ACA
からの供給圧力を変化させることができるので，充填方法が簡単になる．２圧ACAには３つの充填方法がある．第１Fig. 6の方法は，低圧モード時にだけACAに圧油を充填する方法

Target position and force

である．この方法の場合，ACAの作動状態にはTable 3にFig. 5のシリンダの0 ～ 20sにおける目標出力（変位・力）示したLL，LU，HUの３つがある．第２の方法は，高圧の例としてFig. 6を用いる．Fig. 6において，シリンダは最モード時にだけACAに圧油を充填する方法である．この方初位置決め制御が行われ，途中からはピストンがばねを押法の場合，ACAの作動状態にはTable 3に示したLU，HL，しながら進み13.5sに壁に到達する．壁に達した後，つまりHUの３つがある．なお高圧充填状態（HL）の場合は，目標変位が67㎜に達した後，シリンダを力制御に切り換え，

ACAの油室aを回路に，油室bをタンクに接続するので，ピストンが壁を押し続ける．16.5s以降は再び位置決め制御

ポンプから油室aに圧油を充填し，タンクから油室bに油が

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4

日本フルードパワーシステム学会論文集充填される．最後に，第１の方法あるいは第２の方法で充油室bをタンクに接続し，油室bの油圧が高速で約0になる

填を行うと，充填が不十分となる場合は，低圧モード時とと， 圧 力psが8.4MPa以 上 に 達 し， 高 圧 モ ー ド に な る．

高圧モード時の両方で充填することが考えられる．これをPhase3は状態HUであり，２圧ACAの油室aからサーボ弁S 1

第３の方法という．この方法の場合，ACAの作動状態にはに圧油が供給される．ACAの容量が十分であれば，力制御

Table 3に示したLL，LU，HL，HUの４つがある．本論文の区間では油圧回路圧力を8.4MPa以上を保ちながら圧油をでは，２圧ACAシステムの目標出力の周波数が低く，流量供給し続けることができる．力制御が終われば，力制御かを多量に必要としないため第３の方法は必要なく，第１あら位置決め制御へ，つまり高圧モードから低圧モードへ切

るいは第２の方法での実験が十分可能であるので，ここでり換え，Phase3からPhase4に移行する．実際は余裕を考慮

は試行的に第１の方法で実験を行うこととした．

してシリンダ変位が66.9㎜に達した直後，つまり位置決め

Fig. 6に示す変位・力の目標に対し，以下では，０～ 20sの間をFig. 6に示す４つのPhaseに分け，各Phaseの２圧制御が開始された後に低圧モードに切り換える．Phase4はPhase2と同じ状態LUである．

ACAの作動状態を具体的に述べる．分かり易くするため，以上をまとめると，弁S 2およびアンロード弁の制御手順

後述の実験結果（実験そのⅠ）を参考にして描いた各はTable4に示すようになっている．すなわち，低圧から高Phase の圧力変化の説明図をFig. 7に示す．なお，初期の圧圧あるいは高圧から低圧へのモード切り換えは変位によっ

力モードは低圧モードとし，圧力psの初期圧力が2.7MPaとており，その変位は試行錯誤によって決めた．またポンプなるようあらかじめ油を充填しておくとする．

のロードとアンロードの切り換えは圧力によって行った．
このように，ポンプに接続したアンロード弁と２圧ACAの油室bの出入口に繋げる弁S 2を適切に制御すれば，ポンプ，
２圧ACAが交代でロードセンシングの状態を保ちながらサーボ弁に必要な流量・圧力を供給することができる．
Table 4

Switching conditions of valves

Switchingconditions⒜Pump pressure

Change ofvalve statePhase1→Phase2
pS ≧ 2.87MPa（LL→LU）

Unload valve: unload

Phase2→Phase3 Displacement（LU→HU）
increases to 66㎜

valve（S 2）: －10V

Phase3→Phase4 Displacement（HU→LU）
decreases to 66.9㎜

valve（S 2）: +10V

２圧ACAと同様に，N圧ACAにおいてもポンプに接続したアンロード弁とACAの各油室の出入口の切換弁として高⒝応答の制御弁を用い，ACAから負荷駆動に必要な圧油を供

Supplied pressure to the servo valve

Fig. 7

給するようにすれば，N圧ACA油圧源は高応答でロードセ

Illustration of pressure change

ンシングが可能な油圧源となる．そしてこの油圧源と弁制御方式を組み合わせれば，高効率弁制御サーボシステムのPhase 1は状態LLであり，ポンプはサーボ弁S 1へ圧油を供給すると同時に２圧ACAの油室aと油室bの両方に圧油を実現が可能となる．
3.2 実験そのⅠ充填する．圧力psが2.87MPaに達すると，Phase 2に移行する．

N圧ACAを用いた弁制御サーボシステムの有効性を確認

Phase2は状態LUであり，ポンプはアンロードとなり２圧するため，システムの効率特性と応答特性の両面を調べる

ACAの油室aと油室bの両方からサーボ弁S1に圧油が供給さ必要がある．本論文ではまず，効率特性についての検証実れる．位置決め制御が終われば，位置決め制御から力制御験を行う．実験はFig. 5に示す２圧ACAシステムを用いてへ，つまり低圧モードから高圧モードへ切り換え，Phase2

行った．

からPhase3に移行する．実際は余裕を考慮してシリンダ変実験そのⅠにおいて，目標出力（変位・力）としてFig. 6

位が66㎜に達した瞬間，つまり力制御が始まる67㎜の直前を用いた．この実験は位置決め制御と力制御の切り換えがに高圧モードに切り換える．切り換える時に，２圧ACAの必要な例である．切換弁の制御手順はTable 4と同じである．

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芦・留・斉藤・大坂・大場・北川：出力圧力が高速で変更可能なアキュムレータの開発とその応用

5

ち２圧ACAは，Fig. 6のような目標出力に対して一体形２
圧油圧源1）と同程度の流体動力の削減性能を有することがわかった.
3.3 実験そのⅡ
Fig. 5に示した実験装置を用い，実験そのⅠにおいてシリンダの変位が40㎜となる位置を実験そのⅡの原点にし，振幅25㎜，周期６sと周期２sの正弦状の目標値を与えた場合⒜の位置制御実験を行った．周期２sの実験結果を例としてPosition

説明する．なお，ポンプの吐出流量を15L/minとした．
Fig. 9の破線に示すように，変位が10㎜に達するまではシリ
ンダは無負荷で，変位が10㎜に達した後はピストンがばねを押しながら進み，変位がピークの25㎜を過ぎ再度10㎜に達した後はピストンがばねから離れるようにシリンダの初期位置を設定した．

⒝

Force

Fig. 9Target position and force in experiment Ⅰ

２圧ACAを用いてシステムの効率向上を行うが，余裕を⒞ Pressure of pump and supplied pressure to the servo valve
Fig. 8考慮して，シリンダ変位が９㎜からピークを過ぎた後の24㎜までの区間では２圧ACAが高圧モードとなるようにし，Experiment Ⅰ

それ以外の区間では低圧モードとなるようにした．
実験結果をFig. 8示す．Fig. 8 ⒜，⒝から，位置決め制御

以下では，０～２sの間をFig. 9に示す４つのPhaseに分け，及び力制御は目標によく追従していることが確認できた．

各Phaseにおける２圧ACAの作動状態を具体的に述べる．

Fig. 8 ⒞から，サーボ弁S 1への供給圧力psは負荷に応じて2２圧ACAの初期充填圧力によってPhaseの順序が異なって段階に制御されていることが確認できた．Fig. 8 ⒝のローくることを説明するため，例として実験の前の２圧ACAのドセルの出力（シリンダの負荷）ならびに⒞のサーボ弁S1

初期充填圧力だけを実験Ⅰで設定した2.7MPaではなくへの供給圧力より，２圧ACAはロードセンシングが実現さ2.87MPaと設定した．そのためPhase1はTable3に示す状態

れていることが確認できた．そしてFig. 8⒞に示すポンプ

LUとなっている．Phase2は状態HUである．Phase3は状態の供給圧力ppにより，２圧ACAシステムは１圧システムにLLである．Phase4はPhase1と同じ状態LUである．なお，

比べて，ポンプが発生した流体動力が大幅に削減されていPhase3の充填終了時刻は２圧ACAの圧力が低圧モードの出るのが確認できた．詳しく説明すると次のようになる．ポ力圧力範囲の上限（2.87MPa）を越える時刻で決まる．

ンプの吐き出し流量を一定と見なすと，２圧ACAシステム

実験結果をFig. 10に示す．Fig. 10 ⒜から，位置決め制御はのポンプが生成した流体エネルギーはポンプの供給圧力pp

目標によく追従していることが確認できた．Fig. 10 ⒝の実が示す線で囲まれた面積に対応しているのに対し，１圧シ線はロードセルの出力，すなわちシリンダの負荷ばねの力

ステムのポンプが常に8.4MPa（高圧モードの圧力の最低設である．Fig. 10 ⒞に示したサーボ弁S1への供給圧力psから，定値）の圧油を供給していると仮定すると，そのポンプがサーボ弁への供給圧力は負荷に応じて２段階に制御されて生成したであろう流体エネルギーはFig. 8 ⒞において高さいることが確認できた．Fig. 10 ⒝のロードセルの出力（シ8.4MPaの長方形の面積に対応している．この面積比より２リンダの負荷）ならびに⒞に示したサーボ弁S1への供給圧

圧ACAシステムのポンプが生成した流体エネルギーの１圧力により，２圧ACAがロードセンシングを実現しているこシステムに対する削減率を求めると約92％となる．すなわとが確認できた．そして，２圧ACAシステムは１圧システ

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ムに比べて，ポンプが発生した流体動力が大幅に削減されした．ここで，ACAでは使用するポンプは本来定容量形ポているのが確認された．その削減率を実験Iと同様に計算ンプでよいが，本実験では幅広い実験条件に対応するため，すると約80％となり，効率が大幅に向上したと言える．２

可変容量形ポンプを2通りの状態で固定して使用している．

圧ACAは，正弦状の目標出力に対して一体形２圧油圧源3）

これをTable 5に示す．アンロード状態での消費電力は吐出と同程度の流体動力の削減性能を有することがわかった.

圧力が低いにもかかわらずかなり大きいことが分かる．
Table 5 Power consumption in pump unloading

Flow

Pump unloading

Low pressure

6 L/min

0.781kW

1.055kW

15 L/min

0.961kW1.530kW

次に，実験そのⅠの目標値，および実験そのⅡ（周期６⒜sと周期２s）の目標値の3種類の目標値に対するシリンダ往Position

復の実験を行い，一定時間内の平均消費電力を測定した．
平均消費電力およびその削減率をTable 6に示す．
Table 6

Power consumption of high efficiency experiments

Input
signal
No&
Pump flow
rate

⒝

Force

Electric power : Power reduction by 2-level pressure ACA system
1-level pressure①②③
systemElectric power Electric power
Fluid
ps=8.4MPapump : running pump :stopped
power
kW

kW

%

kW

%

%

1

Cycle
6 L/min

1.683

0.789

53

0.187

89

92

2

6s, 25㎜
15 L/min

2.619

0.986

62

0.420

84

87

3

2s, 25㎜
15 L/min

2.637

1.116

58

80

No. 1（実験そのＩの目標値）の場合，１圧システムでの平均消費電力は1.683kWであった．これに対し，２圧ACA⒞ Pressure of pump and supplied pressure to the servo valve
Fig. 10システムの平均消費電力はかなり小さく，大幅な削減が実現されている．Table6には３種類の削減率を示した．それExperiment Ⅱ

ぞれ，①はアンロード時も電動機でポンプを回転したまま
3.4 消費電力の場合，②はアンロード時には電動機を止めポンプを停止

本章ではこれまで，２圧ACAシステムが１圧システムにした場合の平均消費電力の削減率である．③はFig. 8 ⒞の対して高効率であることを表す指標として，ポンプが発生説明で示したようなポンプが発生する流体動力（吐出流量

したかあるいは発生したであろう流体動力の削減率を用いと吐出圧力の積）から求められる削減率であり，参考のたてきた．これに対し，多くの場合，ポンプは電動機で駆動めに示した．２圧ACAシステムにおいてアンロード時もポされており，消費される電力はポンプが発生する流体動力

ンプを動かしたままの①の場合，平均消費電力はかなり削と若干異なる．そこで本節ではポンプを駆動するための電減されているものの③ほどではない．アンロード時にポン

動機の消費電力を実際に測定することにより，消費電力がプを止める②の場合は，アンロード時の電力損失がないの

どの程度削減されるかを確認する．

で，①より大きく③に近くなる．しかし，電動機が起動停

まずポンプがアンロード状態（６L/min: pp ≈ 0.10MPa，
15L/min: pp ≈ 0.45MPa），低圧充填状態（pp=2.7MPa）の各止を繰り返す際の起動時の電力消費のため，②の削減率は③の場合より若干小さい．

状態における電動機の消費電力を横河メータ＆インスツル

No. 2（実験そのⅡ，周期６s）の場合も平均消費電力はメンツ株式会社製CW120を使い，２電力計法によって測定No. 1と同様，電動機を止めた方が削減率は良くなり，流体

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芦・留・斉藤・大坂・大場・北川：出力圧力が高速で変更可能なアキュムレータの開発とその応用

7動力から求められる削減率に近づく．No. 3（実験そのII，

１圧システムに比べて，消費電力が大幅に削減されること

周期２s）も同様であるが，②の実験結果がないのは，アを確認した．なお２圧ACAは２圧ハイブリッド油圧源より，

ンロード時間が短く，ポンプを止めるほどの時間がないた

構成が簡単になるという利点がある．本論文は比較的低周めである．

波数領域（一体形２圧ハイブリッド油圧源が使用可能な

これまではACAを用いたシステムの効率を従来の１圧

3.85Hz以下の周波数領域）について実験を行い，２圧ACA

サーボシステムを対象として比較したが，現在一般的とシステムが一体形２圧ハイブリッド油圧源を用いた２圧シなっているポンプ制御システムとの比較では次のことが言ステムと同等の性能を有することを明らかにした．比較的える．すなわちポンプ制御システムもACAを用いたシステ

高周波数領域（3.85Hz以上の周波数領域）については今後

ムもリリーフ弁からの無効流量がなく，効率の違いにはポの課題である．

ンプ駆動エネルギーが大きく影響する．インバータ制御さ

参 考 文 献れる前者の電動機は低回転ほど，また低負荷率ほど効率が低いが，後者の電動機は高効率点で一定回転数で運転され

１）‌芦金石, 留滄海, 斉藤理人, 大坂一人, 大場孝一, 北川能：

効率が高い．一方，ACAを用いたシステムには弁制御によN圧ハイブリッド油圧源とそれを用いた高応答高効率

る圧力損失が必ず存在する．したがって，両者の効率比較

油圧サーボシステムに関する研究（第１報，N圧ハイを行う場合，使用条件が大きく影響すると推測される．こブリッド油圧源の提案と効率向上の検証実験），日本

れらについては今後の課題としたい．

フルードパワーシステム学会論文集，Vol. 42，
No. 3，p.

4. 結46-52（2011）

言２）‌芦金石，留滄海，斉藤理人，大坂一人，大場孝一，北N圧ハイブリッド油圧源をコンパクトに実現できるアク

川能：N圧ハイブリッド油圧源とそれを用いた高応答

ティブチャージアキュムレータ（ACA）を提案し，ACA

高効率油圧サーボシステムに関する研究（第２報，シの作動原理を説明した．そしてACAを用いた弁制御サーボ

ステムの応答に関する実験と消費電力），日本フルード

システムが高効率であることを検証した．

パワーシステム学会論文集，Vol. 44，
No. 5，
p. 95-101（2013）

例として２圧ACAシステムの検証実験を行った．いずれ

３）‌Lu, J., Liu, C., Kitagawa, A., Saito, M., Osaka, K., Oba,の実験においても，２圧ACAはロードセンシングが実現さ

K. : Study on N-level Pressure Hybrid Power Supply

れていることが確認できた．そして２圧ACAシステムは２Hydraulic Servo System with High Efficiency and

圧システムと同様，１圧システムに比べて効率が向上する

High Response, Proceedings of 8th JFPS International

ことを明らかにした．また，実験の際，消費電力を測定し，Symposium on Fluid Power, p. 79-84（2011）

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2014年１月（平成26年）

8

日本フルードパワーシステム学会論文集

研究論文

気体用超精密高速応答圧力レギュレータを用いたエアタービンスピンドルの回転数制御＊
加 藤 友 規＊＊，東 嶋 元 気＊＊，矢 澤 孝 哲＊＊＊
大 坪
樹＊＊＊，野 崎 悠 輔＊＊＊，田 中 克 敏＊＊＊＊
Rotation Control of Air Turbine Spindle using High Precision,
Quick Response Pneumatic Pressure Regulator
Tomonori KATO＊＊, Genki HIGASHIJIMA＊＊,Takanori YAZAWA＊＊＊,
Tatsuki OTUBO＊＊＊, Yusuke NOZAKI＊＊＊, Katsutoshi TANAKA＊＊＊＊The aim of this research is to establish a quick and robust rotation control method for the air turbine spindle used inultra-precision machining. In ultra-precision machine tool, such as an aspherical lens generator, air turbine spindles withaerostatic bearing are widely used due to their beneficial properties, such as high precision, high speed, low friction, andlow vibration. Nevertheless, when a disturbance force（e.g., cutting force）is given to the spindle, the rotation speed of thespindle tends to decrease. Because methods of controlling the air supply pressure and the flow rate are not sufficiently
precise and quick, it has been impossible to control the rotation speed and the output torque of the air turbine spindle. To
solve these problems, in this research, we developed a high-precision quick-response pneumatic pressure regulator andapplied it to the rotation feedback control of an air turbine spindle. We also set a disturbance force observer in the
feedback control system, in order to avoid rotation speed change caused by the disturbance force given to the air turbine
spindle. By simulation and experiment, the effectiveness of the proposed method is evaluated.
Key words：Pneumatics, Air turbine spindle, Rotation control, Disturbance observer

1．緒２）加工負荷の変動による回転数の変動4）．

言

まず，エアコンプレッサからの供給空気圧の変動に同期

超精密非球面加工機などの超精密加工機械において，高して空気圧供給ラインの圧力が変動すること，工場などで精度・高速対応・低摩擦・低振動などの優れた特性を有す

複数の空気圧機器が同時に使用された場合に供給空気圧の1）2）

る静圧空気軸受が広く使用されている．静圧空気軸受は，変動が抑制できない等の問題が発生する．

軸と軸受の間に介在する５μm ～ 20μmの空気膜により，次に，加工負荷による回転数の低下を抑制するために，軸・軸受部品の回転軸の誤差運動が抑制され，その他の軸

エアタービンスピンドルでは一般的に供給空気圧を変化さ受と比較して振動・発熱・摩耗が少ないという特性を有す

せて所定の回転数を維持する方法が採られている．しかし，る．高速回転が求められる軽負荷の小径工具用や回転噴霧

この方法では，回転数をステップ状に変化させる場合や回式塗装用のスピンドルの駆動には，静圧空気軸受を用いた転数の変動を高速に制御することが困難である．これまで

エアタービンスピンドル（以下，エアタービンスピンドル）にエアタービンスピンドルの供給空気圧・流量・回転数・3）が用いられている ．しかし，エアタービンスピンドルの出力トルクの関係に関する研究は行われている3）が，供給回転数に関して次のような問題が報告されている．

空気圧と流量を高速かつ精密に制御する技術が確立されて

１）空気圧供給のシステム上の問題による回転数の変動．

おらず，出力・回転数の高速かつ安定的な制御は困難であった．

＊

本論文では，エアタービンスピンドルの回転数の安定化＊＊と高速制御の実現を目的とし，これまで開発を進めてきた

平成25年３月８日原稿受付

福岡工業大学大学院工学研究科（所在地：福岡県福岡市東区和白東３－30－１）（E-mail：t-kato@fit.ac.jp）

5）
気体用超精密高速応答圧力レギュレータ（以下，HPQR）＊＊＊

を用いて供給空気圧を制御した．特に，本報では加工負荷＊＊＊＊

めに，HPQRの制御系内に回転数フィードバックと外乱オ

長崎大学大学院工学研究科（所在地：長崎県長崎市文教町１－14）
東芝機械株式会社ナノ加工システム事業部（所在地：静岡県沼津市大岡2068－３）
第45巻

第１号

による切削外乱を起因とする回転数の変動を抑制させるた
ブザーバを組み込むことで，タービン駆動側供給圧を制御―8―

2014年１月（平成26年）

加藤・東嶋・矢澤・大坪・野崎・田中：気体用超精密高速応答圧力レギュレータを用いたエアタービンスピンドルの回転数制御

した．

Table 1

2．主 な 記 号

Specifications of HPQR

S.P. valve

FESTO MPYE-5-1/8LF-010B

Pressure sensor
Sensor resolution

TOYODA PD64S
50Pa

F ：力

［N］

Fcut ：外力

［N］

Fdis ：推定外力

［N］

P.D. sensor

TMC DTP-8

Isothermal chamber

１L

Fig. 1Fabricated HPQR

Gin ：流入流量

［㎏/s］

Gout：流出流量

［㎏/s］

kα ：トルク係数

［Nm/Pa］

Ki ：積分ゲイン

［Pa/（min－1s）］

Kp ：比例ゲイン

［Pa/min－1］

KGI ：HPQRの積分ゲイン

［V/㎏］

Kph ：HPQRの比例ゲイン

［
（㎏/s）
/Pa］

Kv ：スプール弁の流量ゲイン

［
（㎏/s）
/V］

N ：回転数［min－1］

Nref ：目標回転数

［min－1］

P ：圧力［Pa］

Pb ：軸受圧力

［Pa］

Pcmp：補償圧力

［Pa］

Pref ：圧力目標値
・
P ：圧力微分値

［Pa］

9［Pa/s］（㎏ K）］［J/

R ：気体定数TN ：回転数制御の時定数

［s］

To ：オブザーバの時定数

［s］

Tp ：圧力制御の時定数

［s］

Tt ：タービンの時定数［s］

ここで，マイナーループの制御時定数がメインループのV ：タンクの容積［㎥］

時定数よりも十分に小さいと仮定すると，圧力制御系の伝Fig. 2Block diagram of HPQR

［K］

達関数は一次遅れ系で近似することができる．本論文におτdis ：外力トルク

［Nm］

ける実験においては，HPQRの圧力制御の時定数がTp＝0.05s

τ̂dis ：推定トルク

［Nm］となるように各値を設定した．

θ ：温度

4．回転数フィードバックによる制御

3．HPQRの構成
HPQRは，圧力センサと圧力微分計（P.D. Sensor）を用

4.1 回転数制御系の構成

いて，スプール型サーボ弁（S.P.弁）を制御することで供

エアタービンスピンドルの回転数を測定しフィードバッ

給空気圧を高速かつ精密に制御する減圧機構である．本研

クすることで，回転数を制御する制御系を構成した．回転究で使用したHPQRの写真をFig. 1に示す．また，HPQRの数制御系のブロック線図（概略図）をFig. 3に示す．回転数

装置構成をTable 1に示す．HPQRの制御ブロック線図を

は回転系により計測・フィードバックされ，PIコントロー

Fig. 2に示す．HPQRの圧力制御系は，圧力制御をメイン

ラを経てHPQRに圧力制御の指令値が与えられる．この構

ループ，圧力微分値をマイナーフィードバックとした２つ成により，エアタービンスピンドルの供給圧力を制御し，の制御系から構成した微分先行型の制御系5）である．これ

回転数を高速かつ安定的に制御することが可能である．

により，HPQRの供給側・下流側のいずれで外乱（流量や4.2 PIコントローラの設定

圧力の変動）が生じても，その影響を打ち消す制御の構成

後述の第５章にて，加工負荷による外力の補償を行うにとなっている．HPQRの制御系の伝達関数は式⑴となる．

あたって，本章では加工負荷がない静的な状態においてエ

P

Pref

=

1

1
K GI K v 2
s +
s+1
K ph
K ph

≒

1
1 + Tp s

アタービンスピンドルの回転数を制御することを目的に制⑴

御系を構成した．HPQRの圧力制御の時定数Tpは，後述の回転数フィードバック制御系の時定数よりも十分に小さいと仮定し，回転数フィードバック制御系内でのHPQRの圧力制御の伝達関数を１に近似した．

第45巻

第１号

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2014年１月（平成26年）

10

日本フルードパワーシステム学会論文集

また，エアタービンスピンドルの供給圧力Pと回転数Nの関係は一次遅れ系によって表すことができる．本実験で使用するエアタービンスピンドルの静特性を事前に測定し，時定数はおよそTt＝10sであった．そこで，エアタービンス

1－

Tt
To

1 + Tt s τ̂dis
=－
=－ －
N
To
1 + To s
1 + To sTt⑸

5.2 外乱オブザーバを組み込んだ回転数制御系の構成

ピンドルの回転数をフィードバックしHPQRの圧力を制御

第４章で述べた回転数フィードバック制御系内に5.1節でするために，PI制御により回転数をフィードバック制御す構成した外乱オブザーバを組み込みFig. 5に示す制御系をるコントローラを設定した．本論文で示すエアタービンス構成した．この制御系では，連続的な加工負荷による外乱

ピンドルを用いた実験ではコントローラによる回転数の時が作用する状態でも外乱を補償して回転数を高速かつ安定定数をTN＝1.0sと設定した．つまり，回転数フィードバッ

的に制御することができる．この系の回転数制御系の出力

ク制御系の回転数の伝達関数は次式となる．

は次式になる．

N
1
1
=
≒

N ref
1 + 1.0 s
1 + TN s

N =

⑵

1

（ Pk α－ τ dis ）1 + Tt s⑹

5．外乱オブザーバ
5.1 外乱オブザーバの制御系構成
第４章で述べた回転数フィードバック制御系は，エアタービンスピンドルに作用する加工負荷の影響を無視してFig. 3設定した．本章では，この加工負荷による外乱の影響を補

Block diagram of rotation feedback control

償し，回転数を安定的に制御することを目標とした．この加工負荷による外乱を測定し，フィードバックできれば外乱の影響を打ち消すことが可能となる．その結果，システ
ムのロバスト性を高めることができる．しかし，エアター
ビンスピンドルは静圧空気軸受を用いているため，接触式の力測定器を用いて実際の加工中に負荷トルクを直接測定することは困難である．そこで，エアタービンへの入力と出力から外乱を推定する外乱オブザーバを構成した．供給

Fig. 4

圧力P，回転数N，外乱トルクτdisの関係はPからNまでの伝

Block diagram of disturbance observer

達関数より次式で表し，加工負荷による外乱の推定が可能である．
τ dis = Pk α－N（ 1 + Tt s ）⑶

しかし，この方法では回転数の微分値が必要である．外乱オブザーバによる外乱推定値は高周波でハイゲインとなるため観測ノイズの影響を非常に受けやすくなる6）．そこ
で，外乱の推定値は適切な時定数のフィルタを通す必要があり，外乱オブザーバ内にローパスフィルタを設定し，Fig. 5

ローパスフィルタの時定数を外乱オブザーバの時定数Toと6．提案する回転数制御系の性能評価実験

した．この時定数を適切に設定することで各外乱がエア
タービンスピンドルの回転数に与える影響を補償すること

Block diagram of proposed rotation control system

6.1 実験装置構成ができる．本実験では制御系の安定性を考慮して，シミュ第５章で構成した回転数制御系をHPQRに適用しエア

レーション結果より時定数をTo＝1.0sと設定した．外乱オブタービンスピンドルの回転数を制御する実験を行った．実

ザーバの出力τ̂disは次式となる．

験装置の構成をFig. 6に示す．本実験で使用したエアタービ

1τ disτ̂dis = 1 +T0 s⑷

ンスピンドルはFig. 7に示す東芝機械社製のエアタービン
スピンドルである．仕様をTable 2に示す．

このとき，回転数Nから外乱オブザーバの出力τ̂disまでのタービン側供給圧力を制御するために，HPQR，オプト

伝達関数は式⑸に表すように微分要素を用いない形に変形

フォトファイバーセンサ（小野測器社製「FS-540，FG-

できる．ブロック線図をFig. 4に示す．

1200」），DSP（エムティティ社製「s-BOX」）を用いて構成
した．なお，静圧空気軸受の供給圧力は市販のダイヤフラム型減圧弁を使用しPb＝0.5MPaと設定した．
（以下，静圧

第45巻

第１号― 10 ―

2014年１月（平成26年）

加藤・東嶋・矢澤・大坪・野崎・田中：気体用超精密高速応答圧力レギュレータを用いたエアタービンスピンドルの回転数制御 11

6.3 回転数の安定制御実験

空気軸受の供給圧力は全てPb＝0.5MPaと設定する．
）
6.2 回転数の高速制御実験

エアタービンスピンドルの回転数の安定性を評価するた

この実験では，回転数制御時と非制御時における応答性

めに，この実験ではエアタービンスピンドルのタービン側を比較するために，エアタービンスピンドルの目標回転数の供給圧力を次の３通りの方法で設定し目標回転数に対す－1－1をNref＝3,000min から4,000min にステップ的に変化させ，る応答を比較した．

その際の時定数を比較した．比較のために，回転数非制御① 市販のダイヤフラム型レギュレータで圧力を設定した
場合．

時ではタービン側の供給圧をP＝19.2kPaから26.3kPaにス－1

テップ状に変化させることで目標回転数をNref＝3,000min－1から4,000min にステップ的に変化させた．このとき，エ② HPQRを用いて供給圧力を一定値に制御した場合．
③ HPQRを用いて回転数フィードバック制御をした場合．

アタービンの回転数を安定させた状態で行うために，100

本実験ではエアタービンスピンドルを30分間連続で駆動

秒間駆動させて回転数が安定した後に回転数をステップ状

させ目標回転数をNref＝3,000min－1とした．①と②では，回に変化させた．実験結果をFig. 8に示す．Fig. 8より，回転転数が3,000min－1となるように圧力を19.2kPaに設定した．

数非制御時の場合では回転数の時定数は10s程度であった

実験結果をFig. 9に示す．また，①の実験時におけるエアコ

が，回転数制御時に時定数が約1.0sとなり，回転数の時定

ンプレッサの供給圧力（レギュレータ通過前の大元の空気

数を10分の１程度に短縮した．この結果より，所定の回転圧源）の変動とエアタービンスピンドルの回転数の変動の数を高速に制御することができるため，作業の高速化及び関係をFig. 10に示す．Fig. 9より，回転数は①の場合には省エネルギー化につながると考えられる．

150min－1程度，②の場合には50min－1程度の範囲で変動していた．これに対して③（提案方法）の場合には，回転数の変動が10min－1以内の範囲に抑制されている．①～③の各条件での実験結果について，それぞれ以下のことが考えられる．
エアコンプレッサからの供給圧力の変動に同期してダイ

Fig. 6

Fig. 7

Configuration of experimental apparatus

Experimental results（Step responses of spindle
rotation）

Fig. 9Experimental results（Stability of spindle rotation）

Aerostatic bearing type air turbine spindle

Table 2

Specifications of air turbine spindle

Total weight

10㎏

Turbine type

Spindle collision type

Torque coefficient

0.1Nm/Pa

Axial stiffness

26.5N/μm

Rotation speed

０min－1（０MPa）（0.2MPa）
20,000min－1

第45巻

Fig. 8第１号― 11 ―

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日本フルードパワーシステム学会論文集

Fig. 11 C onfiguration of experimental apparatus of dis­turbance force

Fig. 10

Experimental results

ヤフラム型レギュレータからの出力圧力が変動したことが回転数変動の原因と考えられる．
静圧空気軸受側の供給圧力が変動することにより静圧空
気軸受の剛性が変化し回転数に影響を与えていたと考えられる．

Fig. 12 Experimental apparatus to estimate disturbance force

エアコンプレッサからの供給圧力の変動をHPQRで抑制し，さらに回転数をフィードバック制御したことにより，
回転数の変動が小さく抑えられている．
6.4 外乱の推定実験構成した外乱オブザーバが正しく外力を推定できているか確認する実験を行った．実験装置の構成をFig. 11に示す．
Fig. 12はエアタービンスピンドルの主軸に外力を与える実
験の際の装置の写真を示す．このエアタービンスピンドルの主軸に外力を与える装置は，スラスト方向にエアシリン
ダ（SMC，CDJ2B16-150-B）を設置しエアシリンダの先端に取り付けたロードセル（東京測器社製，TCLZ-50NA）を主軸の中心半径40㎜付近に押し当てられるように装置をFig. 13 E xperimental results（Presumption of disturbanceforce）

構成した．外乱オブザーバによる外乱の推定値は，第５章に示す制御系に圧力センサと回転計の値を用いてDSP内で圧など）によりこの値には変動があると考えられ，このこ

演算することにより推定した．この実験では，エアタービ

とも推定値の誤差の一因と考えられる．しかしおおむね，－1

ンスピンドルの目標回転数をNref＝3,000min と設定し，回外乱オブザーバを用いて加工負荷による外乱を推定できて転数を回転数フィードバック制御で制御した．回転数が十いるといえる．

分に安定した状態でエアタービンスピンドルに連続的な外

6.5 外乱発生時の回転数制御実験

乱が作用したと想定し，0.1N程度の外乱を30秒間与えた．

エアタービンスピンドルに外乱が与えられた際の回転数

切削外力に関しては様々な報告があるが，本実験ではプリ制御の効果を確認するため，6.4節の実験と同様にFcut＝0.1N

7）ント基板のドリル加工時における切削外力の大きさ を参に相当する外乱を60秒間与え比較した．ここで，エアター

考に0.1Nとした．

ビンスピンドルの目標回転数をNref＝3,000min－1，エアシリ

外乱オブザーバの出力値に相当する推定トルクτ̂disを推定

ンダへの供給圧をPc＝0.3MPaと設定し，以下の方法で比較

外力Fdisに変換し，ロードセルの出力値Fcutと比較した．結した．

果をFig. 13に示す．この結果から，このときのFdisとFcutの誤① 市販のダイヤフラム型レギュレータで供給圧を設定した場合．

差は最大0.01N程度であり，形態もおおむね一致していた．
推定値の位相が遅れて出力されているのは，外乱オブザー② 外乱オブザーバを組み込まずに回転数フィードバック制御をした場合．

バ内のローパスフィルタ（To＝1.0s）によるものであると考えられる．また，外乱オブザーバではタービンの慣性によ③ 外乱オブザーバを組み込んだ制御系で回転数制御をしる時定数をTt＝10sとしたが，実際には条件（加減速・平衡
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第１号

― 12 ―

た場合．
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加藤・東嶋・矢澤・大坪・野崎・田中：気体用超精密高速応答圧力レギュレータを用いたエアタービンスピンドルの回転数制御 13

この３通りの実験の結果をFig. 14に，②の場合と③の場
合の回転数Nの結果の拡大図をFig. 15に示す．
Fig. 14より，市販のダイヤフラム型レギュレータで供給圧を設定した場合は，外乱が与えられると回転数が2,400min－1程度低下した．
またFig. 15より，外乱オブザーバを組み込まずに回転数
フィードバック制御を行った場合は，コンタクトの瞬間に回転数が150min－1程度低下したが，時定数で10s程度で目標の回転数に復帰していた．
外乱オブザーバを組み込んだ制御系で回転数制御を行った場合は，コンタクトの瞬間に回転数が50min－1程度低下
したが，時定数が2.0s程度で目標の回転数に復帰しており，Fig. 14 E
 xperimental results（When the spindle rotationof disturbance force is given）

外乱オブザーバを組み込まなかった場合と比較して，回転数を高速に制御することができていた．また，復帰後の回転数に大きな変動は見受けられず，回転数が安定的に制御できていた．さらに，外乱が与えられなくなった瞬間から，元の回転数に復帰するまでの回転数の変動量や時間も小さく抑えられていた．
この結果より，旋削のような連続的な加工において回転数の一定制御により加工精度の向上が期待される．

7．結言

本論文では，エアタービンスピンドルのタービン側の供給圧力をHPQRで制御し，回転数の安定化と高速制御の実Fig. 15 E xperimental results（Enlarged view of spindle
rotation）

現を目的とし，HPQRの制御系に回転数フィードバック制
御を取り入れることで回転数を高速かつ安定的に制御する

謝

制御系を構成した．また，エアタービンスピンドルに作用辞する外乱により回転数に定常偏差が発生するが，この影響

本研究は科研費（課題番号：23760122）の助成を受けたを補償するために回転数フィードバック制御系内に外乱オものである．また，ご助言頂いた香川利春先生・川嶋健嗣

ブザーバを構成しHPQRに実装し回転数制御系を構成した．

先生（東京工業大学），仙波卓弥先生（福岡工業大学）に

実験的な検証を行った結果，以下の結言を得た．

謝意を表する．

・本実験で使用したエアタービンスピンドルでは，回転数

参 考 文 献制御を適用することで，従来の方法と比較して，回転数の時定数を10分の１程度に短縮し，回転数を高速に制御

１）田中克敏：超精密工作機械のダイナミクス，機械の研することが可能となった．

究，Vol. 42, No. 1, p. 125（1990）

・長時間エアタービンスピンドルを駆動させる実験を行い，

２）吉岡勇人，松村晋平，橋詰等，新野秀憲：給気温度制

市販のダイヤフラム型レギュレータを使用した場合と供御による空気静圧主軸の熱変形抑制，日本機械学会論

給圧力の一定値に制御した場合では回転数が大幅に変動

文集（C編），Vol. 70, No. 700, p. 3605-3610（2004）

を起こしていたが，HPQRに回転数制御を適用した場合

３）田中克敏：超精密加工機械の高精度化の研究，博士学

は回転数の変動を抑えることができた．

位論文（日本工業大学），p. 49-69（2008）

・エアタービンスピンドルに擬似的に加工負荷による外乱

４）中尾陽一，浅岡直哉，藤本政良：回転角制御機能を備を与える装置を用いて，エアタービンスピンドルの主軸

えた流体駆動スピンドルの開発と回転角制御，日本機に連続的な加工を想定した外乱が与えられた状態を再現

械学会論文集（C編），Vol. 76, No. 763, p. 281-290（2010）

する実験を行い，外乱がある状態のときに発生していた

５）川嶋健嗣，加藤友規，山崎俊平，香川利春：気体用の回転数の偏差の抑制を可能とした．特に，外乱オブザー

超精密高速応答圧力レギュレータの開発，日本フルー

バを回転数フィードバックの制御系に組み込んだ場合はドパワーシステム学会論文集，Vol. 38, No. 2, p . 17-22

外乱オブザーバを組み込まなかった場合と比較して，回（2007）

転数を高速に制御することができた．
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第１号

６）野波健蔵，平田光男，西村秀和：MATLABによる制― 13 ―

2014年１月（平成26年）

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日本フルードパワーシステム学会論文集

学会北信越支部第46期総会・講演会講演会論文集，

御系設計，p. 99-102（1998）
７）小池晶弘，高橋直紀：プリント基板用微小径ドリルのNo. 097-1, p. 101-102（2009）

ための微小トルクセンサ開発とトルク測定，日本機械

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2014年１月（平成26年）

平 成 2 6 年 1 月1 5日
一般社団法人

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（40歳未満で入会された方は，入会から５年間にかぎり4,000円となります．
）

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一般社団法人該当するものに○をつけ、お振 込の内容をご記 入ください。

裏面の注意事項をお読みください。

一般社団法人

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昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
平成26年１月15日発行（奇数月）

Vol.45 No.1
フルードパワーシステム

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̶ 編集兼発行人 一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会 振替口座 東京〇〇一一〇│三│一三三六九〇

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