Aliff Mohd

Shujiro Dohta

Takafumi Morimoto

Tetsuya Akagi

アカギ テツヤ

ドウタ シュウジロウ

ムハマド アリフ

モリモト タカフミ

堂田 周治郎

森本 貴文

赤木 徹也

森本, 貴文

モリモト, タカフミ

Morimoto, Takafumi

赤木, 徹也

アカギ, テツヤ

Akagi, Tetsuya

堂田, 周治郎

ドウタ, シュウジロウ

Dohta, Shujiro

ムハマド, アリフ

Mohd,  Aliff

AROUS Academic Repository of Okayama University of Science / 岡山理科大学学術リポジトリ

岡山理科大学紀要第50号Ａｐｐ７３－７８(2014）バックＦライバピリティを有する空気圧駆動柔軟ロポットアームの試作森本貴文．赤木徹也＊、堂田周治郎＊・ムハマドアリフ ＊＊岡山理科大学大学院工学研究科知能機械工学専攻＊岡山理科大学工学部知能機械工学科＊＊岡山理科大学大学院工学研究科システム科学専攻（2014年９月30日受付、2014年11月６日受理）1．緒言近年、高齢者や身体障害者などのQOL（生活の質）の向上の観点から医療介護、リハビリテーションの分野での福祉機器の重要性が増している。このようなシステムに使用されるアクチュエータは、高い人間親和性が求められる。また、安全で人体に優しいソフトアクチュエータの開発が求められている')。著者らは、このような要求を満たすアクチュエータとして、ロッドレス型柔軟空気圧シリンダ2)を用いたロボットアームを試作し、手首のリハビリテーションを想定したマスタースレーブ制御を行った3)。このマスタースレーブ制御はバイラテラル方式ではないので、スレーブ側に負荷が生じても、マスター側にはその負荷を感じることはできない。そこで、本研究では、ＰＴ(理学療法士)の操作'性の改善のためバイラテラル式マスタースレーブ制御の実現をめざし、バックドライバピリテイを有するロボットアームの開発を行うことを目的とする。３rａＳＱＢｒｒ叩， 】ローロ脾 】ﾛuun【】侍(a）ダブルボールタイプ＃鞭lIli1lIlill鑿蕊Liii ＤＦ,訓圖感鶯勝】「Ｈ碍 別IMI、唇（b）シングルボールタイプ図１柔軟空気圧シリンダの構造両タイプの特徴を以下に示す。シングルボールタイプは摩擦力が少ないという利点を有するが、スライドステージ部分での柔軟性は低い。一方、ダブルボールタイプは高い柔軟性があるが､チューブ内部に鋼球を２つ入れているため摩擦力は大きい。最低駆動圧力は、シングルボールタイプの場合l20kPaであり、ダブルボールタイプの場合l30kPaである2）２従来の柔軟空気圧シリンンダ２種類のロッドレス型柔軟空気圧シリンダ2)の構造を、図1(a)、（b)に示す。（a)は、ダブルボールタイプ、(b)はシングルボールタイプである。どちらのタイプも似たような構成になっており､動作原理は同じである。ダブルボールタイプの構造はシリンダ部に相当する柔軟チューブ、シリンダヘッドに相当する2個の鋼球、またチューブを介して2個の鋼球で真鐵製ローラのついたスライドステージで挟んでいる。真鎗製ローラの両端は鋼球で支えられ、ステージにはチューブを保持する役割の鋼球を4個設けている｡シングルボールタイプ構造はダブルボールタイプとは異なり、2つのスライドステージで1つのボールを両側から挟んだ構造になっている。両シリンダの動作原理は以下の通りである。まず、片側の圧力室を加圧すると内部の鋼球が押され、それに伴いチューブを変形させながら鋼球がローラを押すことで、スライドステージが駆動する。３柔軟ロポットアーム以前の研究で開発した柔軟ロボットアーム3)の構造を図2に示す。ロボットアームは外径100ｍの円形ステージを2つ有している。下側の円形ステージには3本のシングルボールタイプの柔軟空気圧シリンダのスライドステージが円中心から直径66ｍでl20deg､の位置に取り付けられている。また、上側のステージにはそれぞれ3本のシリンダ端部を締結している｡各シリンダへの圧力を変えることで、アーム中心軸を中心に全方向への湾曲が可能である。また、このロボットアームの湾曲角を制御するために上面の上部円形ステージの中森本貴文・赤木徹也・堂田周治郎・ムハマドアリフ7４心に加速度センサを取り付けている。またシリンダ変位とロボットアームの姿勢角の関係式3)を用いて、ロボットアームの姿勢制御を行った。その際、上部円形ステージに固定された背骨チューブに付けたポテンショメータにより変位計測を行った。このロボットアームのサイズは｡100×300ｍであり、全質量は3809、最大湾曲角は約45degである。発したロボットアームでは患者によって何かしらの負荷がスレーブアームに加えられたとしてもスレーブアームからの力を理学療法士が認識し、さらにマスター側を逆に動かすことができない。そこで、スレーブアームからの反力を認識することができるバックドライバピリテイを有するマスターアームの開発が求められる。４．バツクドライバピリテイを有する柔軟空気圧シリンダバックドライバピリテイとは力の双方向伝達能力のことである。力フィードバックを有するマスターアームの開発するためには、前述のロボットアームのように力を発生するアクチュエータである必要がある。また、マスターアームを手動で動作する逆駆動性が必要である。そこで、バックドライバピリテイを有する柔軟空気圧シリンダの開発を行った｡図4に試作したバックドライバピリティを有する柔軟空気圧シリンダの構造を示す｡構造はシリンダ部に相当する2本の柔軟チューブ(長さ250mm、内径8ｍ、外径12mm)、シリンダヘッドに相当する鋼球(外径9.51m､)がそれぞれの柔軟チューブに１つずつ入っている。このa、ｂ２つの鋼球でスライドステージ(アクリル樹脂製、縦40ｍ、横25ｍ、高さ3mm)を両側から挟むように配置している。そして、鋼球に近い方のスライドステージの面(左側チューブは上、右側チューブは下)にチューブを介して2対の真鐵製ローラ(外径4ｍ)を取り付けている｡真鎗製ローラの両端は鋼球(外径3ｍ)で支えられ､ステージにはチューブを保持する役割の鋼球(外径31nln)を4個設けている。このシリンダの最低駆動圧力は約240kPaである。弓IごHUlUI巴晦Ｕ鰯8$剰鵬QS1灘Ｘｅ蕊iii鍵！、HＰ図２柔軟ロボットアームの構造以前の研究4)で上記の柔軟ロボットアームを使用してマスタースレーブ制御システムを開発した。図３にマスタースレーブ制御システムの概略図示す。スレーブアームは試作ロボットアーム、加速度センサ、組込みコントローラ(㈱RenesasElectronicsSH/7125)と６つの疑似サーボ弁5)から構成されている。マスターアームは加速度センサと図３の左の写真に示すような円形ステージを付けた柔軟チューブから構成される。以前の研究ではスレーブアームがマスターアームの動きを比較的よく追従することを確認し、制御システムの有効性および、リハビリテーション装置のためのロボットアームの有用性を確認した4)。しかしながら、開麟蕊恩蕊露図４試作シリンダの構造動作原理は以下の通りである。チューブ端にある４つの給気ロの内2つを加圧することで、図5に示す(a）プッシュ、（b)プル、（c)ロック、（｡）リセット、（e）フリーの5つの動作を可能とする。（a)プッシュは給気図３マスタースレーブシステムの外観バックドライバビリテイを有する空気圧駆動柔軟ロポットアームの試作 7５ロA､Ｃを加圧することで、鋼球aが押され、圧力室が膨張しチューブを上方に押し出す｡逆に(b)プルは、給気ｐＢ、Ｄを加圧することでチューブを下方に押し出す。(c)ロックは鋼球が近い方の給気ロを同時に加圧することで鋼球が押されステージを挟むというものである。(d)リセットは､鋼球のない側から加圧することで鋼球を押しステージから離れるというものである。(e)フリーは加圧を行わないので、ステージを手で自由に動かすことができる。ロックをする前に行うことで鋼球がスライドステージと干渉することを防ぐ目的もある。５．バックドライバビリテイを有するロボットアーム試作したロボットアームと制御システムの外観を図6に示す。ロボットアームは前述のシリンダを3組用いる。また、外径の100mmのアクリル製ステージを2つ有しており、下側のステージには中心からの66ｍ、l20deg・の位置に3組の試作シリンダを取り付けている。上側のステージにはそれぞれ3組のシリンダ端部を接続している。このロボットアームのサイズは①100×250ｍ、全質量は4509である。蝋一舞鶴｡｡騨溌 ｈ戯画･引廼mpul鐵侭P!〃2２５１韻．1曾鯵麹鰯酊l鑑i5i鰯if鰹ｅ属i鱒i溌鰯図６試作柔軟ロボットアームの外観(a）プッシュ (b）プル図7に基本動作のための制御システムの構成を示す。システムは前述のバックドライバピリテイを有するロボットアーム、１２個のON/OFF弁(㈱KOGANEIGO10HE-1)、コントローラであるマイクロコンピュータ(㈱RenesasElectronicsSH/7125)から構成される。騨騒讓鍵i1mi,,i1Ml1lL1li，四囲 1鰯》(c）ロック (｡）リセットＭ鯰ro鋤CＯｍｐＳＮＭ７Ｗ２Ｓ lliiiiiIi|Ｉ 号、ＵｊＰ㎡・７℃ロー‐０リサＢＰ■』』ｑ０■蕊霧`鍵 ： :鵬 蕊…凄…図７システム構成図（e）フリー図５試作シリンダの動作原理 図8に試作したロボットアームの各種動作風景を示森本貴文・赤木徹也・堂田周治郎・ムハマドアリフ7６す。図8(a)に示す伸縮動作では、３組のシリンダをプッシュもしくはプルを行うことで伸縮動作を実現する。図8(b)に示す湾曲動作は､湾曲側とは逆側の1本のシリンダにロックを行い､残り２つのシリンダはプルすることで､加圧したシリンダは収縮つまり２つのステージ間距離が短くなり、ロックしたシリンダとは逆方向に湾曲する。またロック側に湾曲させる場合は、２つのシリンダの上側を加圧し、伸長させる。ここで試作ロボットアームの最大湾曲角は約90.e9.である。この湾曲角は１つのシリンダの長さや固定位置に依存し､より長い柔軟空気圧シリンダを用いることで湾曲角を大きくすることができる。スライドステージを両側から鋼球で挟むため、大きな摩擦力を生じ、シリンダの発生力によりロックカは強くなり、450kPaの印加圧力で50N以上得られた。図10にフリーでの動作風景を示す。すべてのシリンダをリセットした後､フリーにすることで手動での動作が可能であることがわかる。しかし、１つのシリンダに柔軟チューブを2本使用している点と従来のロボットアーム3)の大きさであるｊ１ＯＯｍのステージに合わせて設計しているため、シリンダ間隔が短くなり、剛性が高くなり湾曲しにくい(最大湾曲角約90deg.）、といった問題を生じている。しかしながら、本研究で試作したロボットアームはバックドライバピリティを有しており、バックドライバピリティの機能を有するマスター装置が実現可能である。(a）伸縮動作一の動作風景図１０ブリ６．結言本研究は以下のように要約される。(1)バックドライバピリテイを有するロッドレス型柔軟空気圧シリンダを提案、試作した。シリンダは、プッシュ、プル、ロック、リセット、フリーの5つの基本動作を有し、それらの動作原理を紹介した。(2)試作シリンダの応用として、３組の試作シリンダを用いたマスター用柔軟ロボットアームを提案、試作した。また、組込みコントローラと12個のON/OFF弁を用いてロボットアームの制御システムを構成し、動作確認を行った。(3)動作実験の結果、ロボットアームは、プッシュやプルの場合でスムーズに動作し、さらにスライドステージを両側から鋼球で挟むロックで50Nの保持力を有していることを確認した。また、フリー状態では手動でロボットアームを動かすことのできるバックドライバビリティ機能を有するマスターアームが実現できた。（b）湾曲動作図８試作ロボットアームの動作風景図9にロック状態の様子を示す。実験では供給圧力450kPaで､上側ステージに1kgの重りを置いて上昇動作とロック動作を行った。その結果、ロボットアームがスムーズに動作することを確認した。また、ロックは参考文献1）Ｙ,Nagata,ed､,"Soft-Actuatols-FblchontofDevelopment"，ＮＴＳＬｔｄ,(2004),pp291-335.2）赤木徹也,堂田周治郎，“ロッドレス型柔軟空気圧シリンダの開発とその応用，,，日本機械学会論文集（ｃ編），ＶＯＬ７３，No.７３１，（2007），pp2108-2114．図９ロックの様子バックドライバビリテイを有する空気圧駆動柔軟ロポットアームの試作 7７3） Ｍ・A1iff;Ｓ､Dohta,Ｔ・AkagiandHLi,"DevelopmentofaSimple-stmcturcdPneumaticRobotArmandltsContmlusingLow-costEmbeddedContmUer，，,JoumalofPIDcediaEngineering,ＶＯＬ41,(2012),ppl34-142．T・mjikawa,Ｓ・DohtaandTAkagi,"DevelopmentandAttitudeControlofFlexibleRobotArmwithSimpleStmctureUsmgF1exiblePneumaticCylindels，，,Pmceedmgsof4thAsialntemationalSymposiumonMechatnonics，(2010),ppl36-141・Rn1ao,SDohtaandTAkagi,“DevelopmentandAnalysisofSmall-SizeQuasi-ServoValvefbrFlexibleBendingActuatof，,ＪＳＭＥＴｍｎｓ.,SeliesC,VOL76,No.772,(2009),pp3665-367L4）5）森本貴文・赤木徹也・堂田周治郎・ムハマドアリフ7８Developmento壬PneumaticDriveFlexibleRobotArmwithBacMrivabilityTakafimiMORIMOTQTetsuyaAKAGI*,ShUjiroDOHTA＊ａｎｄＭｏｈｄＡＬＩＦＦ*＊Ｍ２s〃台乃qgzzmzmhZBZZigDntjMbcha、b日IEh2gDmeezingCHzadUaZeSbhoO/ofEhgineem2g＊DepamzzentofnzZGZZZg巴､ｵﾊﾞﾙchamMEhgmeem2g〃cuAtyofEh2gmeemZg識畿DocmMZlmgmznin‘5ｹ′stBmSbj巳､Ce,GmdJaZeSbhoomfEhgmeezingOAzU'ｚｍ２ａＺﾉhi彪獅tyofSbjBnce，ZzRitZai-chqHaZmhJ,OAayzmzam0W肱ビノZ2pan（ReceivedSeptember30,2014;acceptedNovember6,2014）Intheremotecontronedrehabilitationdevice,physicaltherapistsmustrecogmzethesituationofthepatientTheactuatorinthedeviceisalsorequiredtobenexiblesoasnottoinjurethebody、Inourprevlousstudy,theflexiblepneumaticcylinderwasproposedandtestedTheflexiblerobotarmusingthecylinderswasalsodevelopedfbrhumanwristrehabⅢtationlnthenextstep,itisnecessarytodevelopthemasterdevicefbrbilateralmaster-slavecontroLIntllispaper，thenexiblepneumaticcylinderwithbackdrivabⅢtyisproposedandtestedfbrbnateralcontroLThemasterrobotarmusinｇｔhetestedflexiblecylindersisalsotestedandconstructed・AsaresUlt，themasterrobotarmwithbaclKdrivabilitywhichcanbeoperatedmanuanywasrealized．Keywords:nexiblepneumaticcylinder;backdrivability;flexiblerobotarm;rehabnitationdevice；bilateralcontrol；

バック ドライバビリティ オ ユウスル クウキアツ クドウ ジュウナン ロボット アーム ノ シサク

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