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折り込み構造を持つ極軽量な プラスティック製空気圧アクチュエータ

立命館大学 理工学部 ロボティクス学科

助手 西岡 靖貴

教授 川村 貞夫

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背景

コミュニケーション 筋力支援 エンターテインメント

ロボットの人と接触する機会の多い分野への参入

高い安全性の必要性

軽量化 低速度化 柔軟化

多くの空気圧ソフトアクチュエータに関する研究・開発

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従来技術とその問題点 従来の空気圧ソフトアクチュエータの代表例： マッキベン型空気圧人工筋肉 • ゴムの膨張を利用した流体圧アクチュエータ • 円筒状のゴム内部に網目状繊維を埋め込んだ構造 • ゴムの膨張方向を繊維でコントロール • 軽量で収縮方向に大きな発生力 • ヒューマノイド，装具などへの利用例

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従来技術とその問題点 従来の空気圧ソフトアクチュエータの代表例： マッキベン型空気圧人工筋肉 • 耐久性や繊維強化分を考慮した際に十分なゴムの厚みが必要 • 回転運動の生成には外骨格が必要（2関節筋） 人への接触に関しては未だ高重量

• ゴムの弾性に大きなエネルギー必要 中型～大型コンプレッサが必要

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新技術の特徴 提案する新技術： 折り込み（プリーツ）構造を持つプラスティック製空気圧アクチュエータ • プラスティックフィルムの利用 極軽量化（300mm×50mm，供給配管含んだ重量は約13g）

• 折り込み構造によるアクチュエーション 容易に大きな屈曲を自在に設計

• ゴムの膨張を利用しない構造変形 • 低圧駆動による圧縮限の小型化（20kPa時,先端発生力4.7N）

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【折り込み構造を持つプラスティックアクチュエータ】 基本構造・原理

• LDPE(低密度ポリエチレン）の利用 • 人の腕程度の大きさ，かつ極軽量 空気室隔壁の薄膜化（0.05 mm）

• プリーツによる様々な形状設計 • 低圧駆動，高い出力/重量比 約34倍 （全長300mm，手先発生力4.7N）

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【折り込み構造を持つプラスティックアクチュエータ】 基本構造・原理

• LDPE(低密度ポリエチレン）の利用 • 人の腕程度の大きさ，かつ極軽量 空気室隔壁の薄膜化（0.05 mm）

• プリーツによる様々な形状設計 • 低圧駆動，高い出力/重量比 約34倍 （全長300mm，手先発生力4.7N）

幾何条件より

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【折り込み構造を持つプラスティックアクチュエータ】 基本構造・原理

• LDPE(低密度ポリエチレン）の利用 • 人の腕程度の大きさ，かつ極軽量 空気室隔壁の薄膜化（0.05 mm）

• プリーツによる様々な形状設計 • 低圧駆動，高い出力/重量比 約34倍 （全長300mm，手先発生力4.7N）

• 拮抗駆動の提案（第3報） • 連続的な位置/剛性の制御

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【折り込み構造を持つプラスティックアクチュエータ】 製作方法

• LDPE(低密度ポリエチレン）の利用 • 人の腕程度の大きさ，かつ極軽量 空気室隔壁の薄膜化（0.05 mm）

• プリーツによる様々な形状設計 • 低圧駆動，高い出力/重量比 約34倍 （全長300mm，手先発生力4.7N）

• 拮抗駆動の提案（第3報） • 連続的な位置/剛性の制御

• 容易な製作方法 • 低コスト • 製作時間：1時間程度（1人，1個） • 現在製作した大きさ

• 幅20～50mm • 長さ100～300mm程度

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【折り込み構造を持つプラスティックアクチュエータ】 モデリングによる屈曲形状（角度）設計方法

• 多関節モデルで近似 • 区間の定義：折り込み開始点と終了点 • 屈曲角度（曲率）の変更時に区間更新 • 任意の屈曲形状が設計可能

θi

l1i

l0i

φi

R r

屈曲部のモデリング 全体の形状設計

• 梁の曲げモデルに近似 • プリーツ密度Dの定義

( )12

0 −= ii

i Dh

Lθ

=−==

hrRLrLR

0

1

ϕϕ

• 幾何条件より

i

ii L

LD0

1=

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【折り込み構造を持つプラスティックアクチュエータ】 モデリングによる屈曲形状（角度）設計方法

( )12

0 −= ii

i Dh

Lθ( )( )

++=+−=

bnbaLbnbaL

i

i

1

0

i

ii L

LD0

1=

• 圧縮長さ • 伸長長さ

• プリーツ密度

• 円形近似モデルより π

01 wwh +=

溶着部

断面：円形に近似

w1

w0

h

• 理論屈曲角度

• L0を任意の長さに決定 • a, b, nのいずれか2パラメータを任意に決定 • w0, w1を任意の幅に決定 ⇒ hが決定

プリーツ密度Dが決定

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【折り込み構造を持つプラスティックアクチュエータ】 モデリングによる屈曲形状（角度）設計方法

ユーザ

37°

62°

50 mm 55 mm

30 mm

• 大きさに関するパラメータの決定 • 各部の長さL0

• 各部の幅w0, w1

• 屈曲角度θ • 折り込み比率 b/a （任意）

• 上シートの長さ L1

• プリーツ折り込み量 a, b • プリーツ折り込み回数 n

設計・製作側

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【折り込み構造を持つプラスティックアクチュエータ】 発生力の性能

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従来技術との比較 ソフトアクチュエータ

弾性材料（ゴム）を使用したアクチュエータ

塑性材料を使用した 折り込みアクチュエータ

1. 軽量かつ柔軟 • ゴム材料の利用 • 空気圧・水圧・油圧対応

2. 設計 • 材料変形を考慮 • 非線形有限要素法の利用

3. 高圧駆動 • 0.2MPa～0.8MPa帯域での駆動 • 高圧 ⇒ 高出力

4. 精度 • ヒステリシス有 • 再現性良好，連続運動可能

1. 極軽量かつ柔軟 • プラスティック薄膜の利用 • 空気圧・水圧駆動を確認

2. 容易な任意の屈曲形状設計 • 折り込み構造による変形 • モデリングによる設計パラメータ導

出済み 3. 低圧駆動

• 変形に要する弾性エネルギー無視 • 低圧 ⇒ 高い出力/重量比

4. 精度 • しわによる再現性への影響 • On/off運動（拮抗駆動で対処）

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想定される用途

1. 産業分野 • 食品工場などでのハンドリング 水圧駆動 プラスティック利用によるオイルフリー

• 人との共同作業 本質安全（衝突時でも安全？）

2. 医療・介護・健康福祉分野

• 生体への柔軟な刺激（分散圧） • 携帯可能な小型筋力支援ウェア

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実用化に向けた課題

1. 耐久性の向上 • 製作方法（溶着手法） • 材料の選定

2. 発生力の設計方法

• モデリング • 実験的検討

3. 精度の検証

• 再現性の改善 • 分解能の確認

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企業への期待

• プラスティックフィルムの溶着技術の改善 – 材料の提案 – 溶着製作の委託

• キラーアプリケーションの提案

– こんな分野に使用できるのでは？ – こんな形状にはできないか？

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：流体圧アクチュエータ • 出願番号 ：特願2012-159670 • 出願人 ：学校法人立命館 • 発明者 ：西岡靖貴、川村貞夫

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お問い合わせ先

立命館大学

研究部 リサーチオフィス(BKC)

橋本 敏信

ＴＥＬ : 077－561 － 2802

ＦＡＸ : 077－561 － 2811

e-mail : t-hashi＠st.ritsumei.ac.jp