超高出力空気圧人工筋肉の開発と 医療・メカトロニ …1...
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超高出力空気圧人工筋肉の開発と医療・メカトロニクス分野への応用
中央大学 理工学部 精密機械工学科
准教授 中村 太郎
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高出力型ゴム人工筋肉(軸方向繊維強化型人工筋肉)
AirDecompression
Compression
中央大学中村研究室が開発
ラテックスラテックス
マイクロカーボンロービング繊維
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ゴム人工筋肉の特徴
【PointⅠ】 軽量【PointⅡ】 低圧力で高出力【PointⅢ】 柔軟性がある【PointⅣ】 メンテナンスが容易【PointⅤ】 安価である【PointⅥ】 水中でも使用可能
軸方向にカーボン繊維シート
を層状に内包
◎動作原理
◎人工筋肉の特徴
半径方向へのみ膨張
収縮力発生
（質量35[g]）
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収縮の様子
収縮率40％，1800N程度の力が実現
世界最高レベル収縮力・収縮率を実現！！
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McKibben型人工筋との比較
軸方向繊維強化型人工筋肉
伸長 収縮加減圧
従来の人工筋肉（McKibben型）
伸長 収縮加減圧
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従来のゴム人工筋との比較(収縮率)
収縮率の比較
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
Pressure [MPa]
Con
tract
ion
rate
[%]
Straight fibers type Mckibben type
25%
従来人工筋の
約1.5倍
約40％
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従来のゴム人工筋との比較(収縮力)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
Pressure[Mpa]
Contraction force[N]
Straight fibers type Mckibben type
540[N]
約3倍の収縮力
1660[N]
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細型人工筋肉(続き)
全長：252[mm]質量：183[g]
◎細型人工筋肉の概要
0.48 [kg]
直径2.5[mm]
ソフトな握り動作
収縮力50[N]
伸長
収縮
ロボットハンド
◎細型人工筋肉の応用
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応用例Ⅰ
6自由度人工筋肉マニピュレータ
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6自由度人工筋肉マニピュレータ
400mm
100mm
400mm
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人工筋肉マニピュレータの制御
高精度な制御に成功
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MR流体と人工筋の統合
MRブレーキ
磁気粘性流体を使ったブレーキ
MRブレーキなし MRブレーキあり
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期待される応用分野
在宅リハビリ訓練用装置
パワーアシスト装置(筋電位と連携して開発中)軽くて強い力を出力できる
人間と同様の筋特性を持っている。
人間共存型マニピュレータ
やわらかくて安全
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応用例Ⅱ医療用検査ロボット
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医療用ミミズロボット
早期発見，治療処置の必要性大
内視鏡の利用が増えている
しかし
操作が困難で苦手とする医師が多い
大腸ガン の患者数が
年々増加している
～厚生労働省 がんの統計2001年度版～
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人工筋肉を用いた大腸内視鏡搭載型推進装置
ミミズの蠕動運動のアクチュエータに人工筋肉を用いて、内視鏡推進補助装置を開
発
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腸を規範とした蠕動運動ポンプの開発
応用例Ⅲ
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腸の蠕動運動
腸の蠕動運動は輪走筋の
収縮と弛緩の繰り返し
1．食塊の移動が輪走筋を刺激
2．輪走筋が環状に収縮
3．食塊を押し出し輪走筋が弛緩
水の量が少なくても固液の搬送が可能！
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機構の概要 ～Type DF～
軸方向繊維強化型人工筋肉
チャンバ
繊維入り円筒チューブ
空気穴
フランジ
通常時
加圧時
収縮！収縮！
Type Double Face（両面膨張型ユニット）
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機構の概要 ～Type DF～
A
B
C
D
E
1 2 3
Type DFType DFの特徴の特徴
・収縮動作によって，搬送物を押し出す効率がアップする・収縮動作がシステム全体に伝播することで，進行波によるループサイクルが発生する
1ユニットから順に加圧していくことで
A → B → C → D → E
の順に変化させ、搬送物を運搬する
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流体の垂直搬送実験
固液混合流体の垂直搬送に成功
高粘度流体の垂直搬送に成功
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期待される応用分野
• 固体･粉体搬送も可能→食品分野• 内部で撹拌作業も可能→セメント分野• 低圧力(0.03MPa)長距離垂直搬送が得意
→石油プラントの原油搬送• 高粘度流体の搬送→汚泥搬送• 身体適合性がよい→人工食道(医療分野)• 脚もみ器？
など幅広い分野での利用に期待
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：流体注入型アクチュエータ
• 出願番号 ：PCT/JP2008/058605(特願2009-514143)• 出願人 ：学校法人中央大学
• 発明者 ：中村太郎、山本健二
• 発明の名称:流体注入型アクチュエータ• 出願番号 ：特願2009-297928• 出願人 ：学校法人中央大学
• 発明者 ：中村太郎、緑川雄一郎
• 発明の名称:ポンプユニット、ポンプ及びポンプ装置• 出願番号 ：特願2009-052188、特願2009-046073 • 出願人 ：学校法人中央大学、株式会社INAX• 発明者 ：今井茂雄、村井達典、中村太郎、鈴木一将
