Shujiro Dohta

Tetsuya Akagi

Yasuko Matsui

アカギ テツヤ

ドウタ シュウジロウ

マツイ ヤスコ

堂田 周治郎

松井 保子

赤木 徹也

松井, 保子

16186

マツイ, ヤスコ

Matsui, Yasuko

赤木, 徹也

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アカギ, テツヤ

Akagi, Tetsuya

堂田, 周治郎

16188

ドウタ, シュウジロウ

Dohta, Shujiro

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Ａｐｐ６７－７２(2014）柔軟球面アクチュエータを用いた可搬型リハビリ機器の試作と制御松井保子・赤木徹也＊・堂田周治郎＊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（2014年９月30日受付、2014年11月６日受理）３．設置型球面アクチュエータ図2に以前開発した設置型球面アクチュエータの概観を示す3)。アクチュエータはリング状に曲げた柔軟チューブ(湾曲半径80mm)2つを90度で交差させ固定している。また、スライドステージを下側の固定台に固定し､シリンダの両端(計4ヶ所)から空気を供給することで湾曲動作を行う。上側の固定台にシリンダ両端を同一平面上で固定しているため、シリンダを加圧すると上側の固定台自体が駆動する。下側のスライドステージは、チューブが互いに接触しないように１０ｍずらして固定している。アクチュエータのサイズは、幅170ｍ、高さ160ｍで、全質量は3009である。Ｚ１．緒言高齢化社会を迎え、リハビリテーション機器やパワーアシスト装置の開発が盛んに行われている')。著者らは、これまでに人体に装着可能な柔軟空気圧シリンダを開発してきた2)。本研究では柔軟空気圧シリンダを利用した肩や腕を含むリハビリテーション機器の開発をめざす｡具体的には、２つの柔軟空気圧シリンダをリング状に曲げ直角に交差させて構成する球面アクチュエータを改良し、それを用いて周方向に湾曲できる簡易な可搬型上肢リハビリテーション機器の開発をめざす。本論文では、改良型球面アクチュエータや、それを用いた可搬型上肢リハビリ機器の構造、動作原理、基本特性、および制御実験結果について述べる。ｌｅｒ２．ロッドレス型柔軟空気圧シリンダ球面アクチュエータの基本となるロッドレス型柔軟空気圧シリンダ2)の構造を図1に示す。柔軟空気圧シリンダは、シリンダとガスケットに相当する柔軟チューブとシリンダヘッドに相当する－つの鋼球、チューブの外側に沿ってスライドできるスライドステージで構成される。鋼球は、両サイドから2つの真鐡製ローラによって挟まれている。動作原理は、片側の圧力室を印加すると内部の鋼球が押され、それに伴いローラが押されスライドステージが動くというものである。最低駆動圧力は120kPaである2)。ユDneum劃SIides6ag図２設置型球面アクチュエータの概観`蕊蕊蕊蕊ii蕊蕊蕊蕊騨舌r劇亀昌ｒ『Und○Ｊ｡,.､鱸闇鐵籟【＞籍;短】nＦ■■刀【ｇｌｅＳＩａｇｅＦ１ｅＸｉｂＩｅｔＨＢｈ② ACrvlに⑥脂図１柔軟空気圧シリンダの構造図３発生トルク特`性6８ 松井保子・赤木徹也・堂田周治郎図3に球面アクチュータの印加圧力と発生トルクとの関係を示すｂ発生トルクは、それぞれのシリンダの円中心からワイヤ固定位置までの距離(Ｘ方向は80ｍ、Ｙ方向は85ｍ)をもとに計算した。図3より、Ｘ方向の最大発生トルクは0.45N､、Ｙ方向は0.47Nmであり、Ｏ～±l00kPaの入力圧力の範囲で、前述のロッドレス型柔軟空気圧シリンダの摩擦によるデッドゾーンが存在することがわかる。４．可搬型上肢リハビリ機器４－１構造と動作原理図4に､従来の設置型球面アクチュエータを用いて試作した可搬型上肢リハビリ機器を示す。これは、肩や腕のリハビリテーションを目的としており、患者が両手で装置を保持して使用する(図5)。リハビリテーション機器に適用するためには、動作範囲とアクチュエータの発生トルクを大きくする必要がある。そこで、リング状柔軟空気圧シリンダの直径を160mmから260ｍに変更した。また、前述のアクチュエータと異なり、図４下に示すように､2つのスライドステージを片側のベースに接続せず、保持ステージ上に固定している。これは装置の対称』性を考慮したためである。アクチュエータの大きさは、幅260ｍ、高さ270ｍであり、全質量は3109と軽量である。また、各保持ステージの姿勢角を測定するために、２つの加速度センサを使用する。図５動作の様子４－２角度変化ここで、各保持ステージでの角度変化０，ｖ、'(図６参照)は以下の式で定義される4)。ここでAjmuj、Ａｙ."、A…は、それぞれx軸、ｙ軸、ｚ軸における加速度センサからの出力である。…|ﾏ乏壽美=iニラ１ﾘｰ､(ﾏｰ壹篝三Ｊ…(理三三１…(1)…(2)割翻、鐡linr急Ⅱ型一一…(3)一K】ihiil11iM：一Ｘ腿-Ｊ図６角度変化４－３マスタースレーブ制御システム図7に可搬型上肢リハビリ機器の姿勢制御システムの外観、図8にその構成を示す。システムは2つの加速度センサを有する球面アクチュエータ(スレーブ)、１つの加速度センサからなるマスター機器、柔軟空気圧図４可搬型上肢リハビリ機器の外観柔軟球面アクチュエータを用いた可搬型リハビリ機器の試作と制御 6９シリンダを駆動するための4つの疑似サーボ弁5)と制御器となるマイクロコンピュータ(㈱ルネサステクノロジＳＨ/7125)から構成される｡制御器や弁を含むシステムの全質量は約0.9kgである｡制御方法は以下の通りである。シーケンスの目標角データ、もしくは理学療法士が操作するマスター機器によって､2つのステージ間の目標角を与え､マイコンのA/D変換器に接続された加速度センサの出力から各ステージの角度を算出し、スレーブの姿勢角を得る。そして、マスターとスレーブの角度偏差から制御則により疑似サーボ弁を駆動し、柔軟空気圧シリンダを制御する。ここで、制御のサンプリング周期は4,s、疑似サーボ弁のPWM周期は10,sである。た。図9より、ステージ間の角度が計測できていることが確認できる。１０《，5｡○蕊勧簿』鰯一輌箆蕊 ﾛ5‘輻1｡‘ Ｔｉｍ鰯縛■↑■■-P■●●ﾄﾏｰｰｰＩＦ｡●ⅡＰＳ■｡?｡■｡?｡~●ＩＴＳ~｣5■■ＩＦ■●Ⅱ■｡｡｡●●f-ISIFp■●OIIPqIO⑭■■●■JI-cTI-■－⑥IrrO--｡Ⅱ●11｣ＰＣ▲｡ｑ=s図９シーケンス制御５－２目標値追従制御図8に示す制御システムを用いて､目標値追従制御を行った。目標値として式(4)に示すX方向、Ｙ方向交互に目標角を変えるX-Y独立動作と、式(5)．(6)に示す2つの保持ステージに円軌道を生じるように角度変化を与えた。ここで、ａ、90,は目標姿勢角である。制御にはＰ制御則を用いた。図７システムの外観 ０菊０４００００・・・テ・・・・昨作昨トトトトトＯＳ＜ｚ≦４ｓ４ｓ＜ｒ≦８ｓ８ｓ＜ｒ≦１２ｓ１２ｓ＜／≦１６ｓ16ｓ＜'三20820ｓ＜'三２４ｓ24ｓ＜ｔ≦２８ｓ28ｓ＜'三３２ｓｏｒびびびびげび妬一一一一一一一一一一一一一一一似似いい似似⑫作Ｆごり｡～｡亜qﾊｳﾞﾆ･申ムハハ｢・や丹｡、論･●､､勺￥んＤＰ･ＱＯ《ＰＦｆＷｎＦ(4)α＝55s､(0.67t）似＝55sin(O67t-L55）…(5)…(6)実験は､手を置かない場合と手を置いた場合の2つの環境で行った(図10参照)。図11,12にその実験結果を示す。図11,12の破線は目標角を示し、実線は実験結果を示す。また、各線の色の違いは測定角度の違いを示す。両図より、多少振動的だが、目標値に追従できていることが確認できる。手を置いた場合、手を置いていない場合に比べ､振動が少なくなっている｡また、X-Y独立動作において手を置いた場合､ステージの質量増加のため、｣慣性力が大きくなり、大きなオーバーシュートが生じていることも確認できる。図８システム構成図５．制御実験５－１シーケンス制御図9にシーケンス制御における2つのステージ間の角度０，pの時間変化を示す。この動作は、図5に示す動作で角度を測定した結果である｡実験は図8に示す制御システムを用いて行い､Ｘ方向、Ｙ方向ともに0.8秒ごとに2つのステージ間の角度が変化するように動作させ7０ 松井保子・赤木徹也・堂田周治郎111(） －響e-tj2……8『……“鋤０溌凹つ）“一噸僅迩ＩＩＩＩ■■ＰＩⅡ■ョロ‐■Ｐ●Ⅱ■Ｐ‐Ⅱ‐■ｒｓｏ(a)手を置かない場合－１○・ ～～γ鰄鍬！(a)手を置かない場合10｡ －－８－－心…ｅｒ・…軌5０Ｇ蟻①迩一⑬一卿連ぐ■曰帛・■二万：トロＵ－Ｐ－１。’（b)手を置いた場合図１０実験の様子(目標値追従制御） 雪5０8゜ －"６－－螂……戯…噸rｉ -100 Ｔｉｍ急(鍬（b)手を置いた場合図１２円動作(目標値追従制御）,wijLjIi4０轍麺むむ）鰹一”こぐ ５－３マスタースレーブ制御澱：'“腱溺,;I5c 次に、目標値追従制御と同様の動作をマスター機器から与えることによって、マスタースレーブ制御を行った。図13に実験の様子、図14,15に実験の結果を示す｡図中の破線および実線は依然と同じである｡図14,15より、目標値追従制御と同様の傾向を示した。感○一驚０ Ｔｉｍｓｌｉｓｊ(a)手を置かない場合８｡ 一徹－－(|j…-3”…ｌｌｊｒ4｡、露璽簿）鯉》“こくこら●。‐●』二▲０●‐。●Ⅱ①↑‐Ⅱ‐Ⅱ;Bbdﾂﾞiim;r蕊ｉｒｑｉ醗i`鐵緯鶴iiｻﾞ鬮議繩｡(a)手を置かない場合綴り Ｔｌ､笹(ｓｊ（b)手を置いた場合図l1X-Y独立動作(目標値追従制御）（b)手を置いた場合図１３実験の様子(マスタースレーブ制御）柔軟球面アクチュエータを用いた可搬型リハビリ機器の試作と制御 7１６結言可搬型上肢リハビリ機器を開発するため、従来の設置型球面アクチュエータを大きくし、さらに、軽量化や対称`性を考慮した機器を提案、試作した。また､2つの保持ステージの角度を計測するために加速度センサを2つ用いた姿勢角制御システムを試作し、シーケンス制御、目標値追従制御、マスタースレーブ制御を行った。その結果、多少振動的ではあるが、目標値に追従できていることを確認した。1【0｡ －－６－－砂Ⅶ…鱗……山『層｡。“趨寧｝轡一噸鐘鍾Ⅱ●ョ‐ＩＩＩＩＬ日↑‐。‐ョⅡⅡ■Ⅱロ |i鰯…噸綴｡-１００ Ｔｉｌｗ撚）(a)手を置かない場合参考文献1）Ｔ、Noritsugu，MTakaiwa，andnSasaki：DevelopmentofPowerAssistWearUsingPneumaticRubberArtificialMuscles，JournalofRoboticsandMechatronics，ＶＯＬ２１，No.５，pp607-613（2009）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,pp2108-2114（2007）3)ChangjiangLiu，ShujiroDohta，TetsuyaAkagiandAyakaAndo：DevelopmentofF1exibleSphericalActuatorUsingFlexiblePneumaticCylinder，Proceedingsof20121nternationalConferenceonAdvancedMechatronicSystems，pP81-86（2012）4）ChristopherＪ・Ｆ.：UsinganAccelerometerforlnclinationSensing・AnalogDevicesApplicationNoteAN-1027,ｐｐｌ－８（2010）5）趙罪罪，堂田周治郎，赤木徹也：柔軟湾曲アクチュエータ用小型疑似サーボ弁の試作と解析，日本機械学会論文集(ｃ編），Vol､７６，No.７７２，pp3665-3671（2010）－－噂一・摩……S『’…“ｊｐＣ$｡○噸鱒迩》妙》顛鍾錘 ロ雲5０－１Ｇ０ ＷＹｌ⑬(si）（b)手を置いた場合図１４X-Y独立動作(マスタースレーブ制御）１２｡ －－９．－嗽……$ｒ……執6０ 鱸鱒鱒で）鯉通運江 ｡ 円』$川鬮$"6０"麹｡ Ｔｉｍ徽倒(a)手を置かない場合1゜｡ －－３－－砂……8ｒ……嗽『5，０鞍鰯薄》⑳》麺崖範-日i，扇ＸＧＤ Ｔｉｍ⑧(鰯（b)手を置いた場合図１５円動作(マスタースレーブ制御）松井保子・赤木徹也・堂田周治郎7２DevelopmentandControlo笠PortableRehabilitationDeviceUsingFlexibleSpllericalActuatorYasukoMatsui,TetsuyaAkagi*andShUjiroDohta＊M2sZBrigB1qgrlaminhZBZh曽巴ntjMbchamMEhZgqmeezingCHm血a妃Sbhoo/ofEhgnineemZg＊Departmentofh2BZZ4g巴ntM9chamMEhgmeem2g肋cZzntyofm2g5ineem2gOAzⅧmaDhivBz1siztyofSbjBnce，Z-ZRit2ai-chqH団ZakLOkzUnama〃o-00D5;JZ2pan（ReceivedSeptember30,2014;acceptedNovember6，2014）ThisstudyaimsatdevelopingapotablerehabⅢtationdevicewhichcanbesafetousedurmgholdmgit・Inourprevlousstudy,anovelflexiblepneumaticcylinderthatcanbeusedevenifitisdefbrmedbyexternalfbrcehasbeendevelopedlnthispaper，aportablerehabilitationdeviceusingtheflexiblesphericalactuatorthatconsistsoftworing-shapedflexiblepneumaticcyhndersisproposedandtested・Thelow-costcontrolsystemusmgfbursmall-sizedquasi-servovalvesandanembeddedcontromerisalsodevelopedThesphericalactuatorisａｌｓｏｉｍｐｒｏｖｅｄｓｏａｓｔｏａｐｐｌｙｔｏｔｈｅｐｏrtablerehabilitationdevice・Inaddition，theattitudemeasuringsystemfbrattitudecontrolofthedeviceusmganembeddedcontronerandtwoaccelerometersisconstructedandtestedTheattitudecontrolofthedeviceusmgthemeasuringsystemisexecuteｄＡｓａｒｅｓｕｌｔ,theportablerehabimtationdevicｅｔｈａｔｃａｎｇｉｖｅtherehabilitationmotionstopatientswithattitudecontrolcanbereamzed．Keywords:portablerehabmtationdevice;flexiblepneumaticcymnder;flexiblesphericalactuator；embeddedcontronermowcost．

ジュウナン キョクメン アクチュエータ オ モチイタ カハンガタ リハビリ キキ ノ シサク ト セイギョ

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