◯浦邊 研太郎　石原 弘二　藤田 貴大　内藤 諒小木曽 公尚（電気通信大学）　杉本 謙二

McKibben型空気圧人工筋モデルの 妥当性に関する実験的考察

第1回 SICE制御部門マルチシンポジウム

2014.3.5@電気通信大学

奈良先端科学技術大学院大学

発表の流れ

1. はじめに

2. 人工筋システムの数理モデル

3. モデルの妥当性考察

4. おわりに

�2

proportionaldirectional

control valve

L

M

M

L l0

θ

aircompressor

0

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

contr

acti

on r

atio

100 200 300 400 500 600 700pressure [kPa]

背景社会的背景高齢化に伴う医療や介護サービスの需要福祉機器の開発

応用例リハビリテーション機器[2], 医用機器[3]

パワーアシスト機器[4]

McKibben型空気圧人工筋中心にゴムチューブ, 外側に化学繊維のメッシュ圧縮空気により収縮, 収縮力を発生軽量かつ柔軟, 単位重量あたりの出力が大きい

収縮力

[2] S. Hussain et al., 2012. [3] H. Li, K. Kawashima et al., 2013.[1] “マッスルスーツ”, 小林研究室

[1]

[4] Zhen Yang et al., 2012. �3

動機空気圧人工筋の制御系設計に関する従来研究

制御系設計には圧力制限のないモデルが必要

多項式近似モデルに対するヒステリシス補償器の設計[5]

動作点まわりで線形化した伝達関数モデルに対する位置決め制御[6]

圧力帯域を中圧域から高圧域に制限されたモデル低圧域から高圧域で制御仕様を満たすことは難しい

[5] T. V. Minh et al., 2010. [6] A. P-Arrese et al., 2010. �4[7] Andrikopoulos et al., 2014.

異なるアプローチ：区分線形化したモデルに対する制御系設計[7]

動機

提案モデルを用いて他社製の人工筋を同定する

圧力制限のない非線形モデルの提案摩擦によるヒステリシス, 構造上の非線形性を陽に含むモデル[8]

同定対象アクティブリンク社製人工筋 TAA10

他社製の人工筋に対するモデルの表現能力は未検証

TAA10

[8] T. Itto et al., 2011.�5

提案モデルを用いて複数の人工筋を同定する

本発表の目的

目的と方針

方針

② 同定対象アクティブリンク社　TAA10FESTO社　DMSP-10-250N, DMSP-20-200N

① モデル・パラメータ推定方法

③ モデルの妥当性検証数値計算結果と実験結果の応答の面積誤差を比較

従来提案してきたものを使用

�6パラメータ推定に用いていないテストデータでの検証

人工筋システムの数理モデル非線形切り替え系[8]

proportionaldirectional

control valve

L

M

M

L l0

θ

aircompressor

状態変数入力変数出力変数サブシステムの指標

入出力の関係入力：比例流量制御弁の開度を調整する指令電圧値

出力：人工筋の収縮率　および内圧

�7[8] T. Itto et al., 2011.

モデルを構成する物理式① 人工筋の収縮力

② 外部負荷の運動方程式

③ 圧力に依存するクーロン摩擦[9]

④ 人工筋の体積

⑤ 人工筋の圧力変化

⑥ 流量制御弁を通過する質量流量

人工筋システムの数理モデル

�8[9] 内藤ら, 2014.

モデルを構成する物理式① 人工筋の収縮力

② 外部負荷の運動方程式

③ 圧力に依存するクーロン摩擦[9]

④ 人工筋の体積

⑤ 人工筋の圧力変化

⑥ 流量制御弁を通過する質量流量

人工筋システムの数理モデル

後半で説明

�9[9] 内藤ら, 2014.

モデルを構成する物理式① 人工筋の収縮力

② 外部負荷の運動方程式

③ 圧力に依存するクーロン摩擦[9]

④ 人工筋の体積

⑤ 人工筋の圧力変化

⑥ 流量制御弁を通過する質量流量

人工筋システムの数理モデル

詳細は次の発表

�10[9] 内藤ら, 2014.

9つのパラメータが存在モデルを構成する物理式① 人工筋の収縮力

② 外部負荷の運動方程式

③ 圧力に依存するクーロン摩擦[9]

④ 人工筋の体積

⑤ 人工筋の圧力変化

⑥ 流量制御弁を通過する質量流量

人工筋システムの数理モデル

�11[9] 内藤ら, 2014.

推定するパラメータ9つのパラメータ

弾性係数

メッシュ角度

収縮率の補正係数

クーロン摩擦力の補正係数

流量制御弁の断面積

空気の比熱比

粘性摩擦係数

定常特性にのみ影響

[10] 小木曽ら, 2013.

定常特性と過渡特性で別々にパラメータを推定[10,11]

過渡特性にのみ影響

[11] K. Kogiso et al., 2013. �12

同定対象

アクティブリンク社 TAA10黒色の非伸縮性メッシュが内部のゴムチューブを覆う構造

ラバーが表面を覆う構造. 耐久性, 防塵性に優れるFESTO社製 DMSP-10-250N, DMSP-20-200N

DMSP-10-250N（Φ10 0.25 m） DMSP-20-200N（Φ20 0.20 m）

TAA10（Φ10 0.25 m）

�13

人工筋の体積体積の近似式の導出

水中で収縮, 水面の増分を計測

体積を収縮率の2次多項式で表現

air compressor

pressuretank

load cell

PAM

pressuresensor

control valve

LDM

flow meter

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.251

2

3

4

5

6 x10-5

contraction ratio

PA

M v

olum

e [m

3 ]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5x10-4

contraction ratioP

AM

vol

um

e [m3 ]

0 0.1 0.2 0.32

3

4

5

6

7 x10-5

contraction ratio

PA

M v

olum

e [m3 ]

TAA10 DMSP-10-250N DMSP-20-200N

解析的に表現することは難しい

�14�14

モデルの妥当性の検証方法

3種類の人工筋のモデルが求まること

妥当性の検証事項

�15

収縮過程と膨張過程でそれぞれ31区間に区切り, 収束値を測定定常応答・過渡応答の測定

時間応答を40秒間測定

収縮率 内圧

実験で測定するデータ

テストデータ3種類（4気圧から5気圧, 5気圧から6気圧, 3気圧から6気圧）の過渡応答

パラメータ推定に用いるデータ定常応答, 3気圧から6気圧の過渡応答 0

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

contr

acti

on r

atio

100 200 300 400 500 600 700pressure [kPa]

250300350400450500

0.180.20

0.220.240.26

5 10 15 20 25 30 35 400time [s]

5 10 15 20 25 30 35 400

pre

ssure

[kP

a]co

ntr

acti

on r

atio

定常応答 過渡応答

パラメータの推定結果：推定値TAA10 DMSP-10-250 DMSP-20-200

�16

パラメータの推定結果：面積誤差

DMSP-10-250N DMSP-20-200NTAA10

�17

0

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

contr

acti

on r

atio

100 200 300 400 500 600 700pressure [kPa]

0

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

contr

acti

on r

atio

100 200 300 400 500 600 700pressure [kPa]

100 200 300 400 500 600 700pressure [kPa]

0

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

contr

acti

on r

atio

250300350400450500

0.180.20

0.220.240.26

5 10 15 20 25 30 35 400time [s]

5 10 15 20 25 30 35 400

pre

ssure

[kP

a]co

ntr

acti

on r

atio

0.040.060.080.100.120.14

5 10 15 20 25 30 35 400time [s]

5 10 15 20 25 30 35 400250300350400450500

pre

ssure

[kP

a]co

ntr

acti

on r

atio

5 10 15 20 25 30 35 400time [s]

5 10 15 20 25 30 35 400250300350400450500

pre

ssure

[kP

a]

0.080.10

0.120.140.16

contr

acti

on r

atio

パラメータの推定結果：面積誤差

0

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

contr

acti

on r

atio

100 200 300 400 500 600 700pressure [kPa]

250300350400450500

0.180.20

0.220.240.26

5 10 15 20 25 30 35 400time [s]

5 10 15 20 25 30 35 400

pre

ssure

[kP

a]co

ntr

acti

on r

atio

0

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

contr

acti

on r

atio

100 200 300 400 500 600 700pressure [kPa]

0.040.060.080.100.120.14

5 10 15 20 25 30 35 400time [s]

5 10 15 20 25 30 35 400250300350400450500

pre

ssure

[kP

a]co

ntr

acti

on r

atio

100 200 300 400 500 600 700pressure [kPa]

0

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

contr

acti

on r

atio

5 10 15 20 25 30 35 400time [s]

5 10 15 20 25 30 35 400250300350400450500

pre

ssure

[kP

a]

0.080.10

0.120.140.16

contr

acti

on r

atio

TAA10：定常応答・過渡応答ともによく一致：過渡応答で差, 定常応答ではよく一致

DMSP-10-250N DMSP-20-200NTAA10

DMSP-10-250N DMSP-20-200N �18

テストデータによる比較

0.18

0.20

0.22

0.24

0.26

0.28

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 5 10 15 20 25 30 35 40time [s]

300350400450500550600650700

contr

acti

on r

atio

pre

ssure

[K

Pa]

experimental resultsimulation result

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0 5 10 15 20 25 30 35 40300350400450500550600650700

experimental resultsimulation result

0 5 10 15 20 25 30 35 40time [s]

contr

acti

on r

atio

pre

ssure

[K

Pa]

DMSP-10-250N

DMSP-20-200NTAA10

パラメータ推定に用いていない過渡応答での比較

3気圧から6気圧の10秒付近で差4気圧から5気圧, 5気圧から6気圧ではよく一致

提案モデルは3種類の人工筋を表現

experimental resultsimulation result

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 5 10 15 20 25 30 35 40time [s]

0.08

0.12

0.16

0.20

0.22

300350400450500550600650700

contr

acti

on r

atio

pre

ssure

[kP

a]

�19

まとめ ＆ 今後の課題

今後の課題

まとめ提案モデルを用いて複数の人工筋を同定する

より多くの種類の人工筋のパラメータ推定を行うこと

制御仕様を満たす精度のパラメータを推定すること

異なる3種類の人工筋のパラメータを推定

提案モデルを用いて3種類の人工筋を同定できた

目的

結果

結論

提案モデルは3種類の人工筋を表現

�20

提案モデルの妥当性検証が進むことで, 要素設計に応用できる