伸縮双方向の動作特性をアクティブに調節できる新しい空気圧人工筋肉の開発
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21K03839
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18040:Machine elements and tribology-related
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| Research Institution | Akita Prefectural University |
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Principal Investigator |
齋藤 直樹 秋田県立大学, システム科学技術学部, 教授 (60315645)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 俊之 秋田県立大学, システム科学技術学部, 准教授 (40315635)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
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| Keywords | 空気圧 / 人工筋肉 / ヒステリシス / 弾性特性 / 粘弾性特性 / 制御性能 |
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| Outline of Research at the Start |
令和３年度は，複動式空気圧人工筋肉を試作し，圧力と収縮量と外力の関係およびヒステリシス低減の可能性について実験的に確認する．
令和４年度は，複動式空気圧人工筋肉の圧力と粘弾性特性との関係を調べる．ここでは伸縮双方向での粘弾性特性の違いや調整の可能性についても調べ，収縮量や外力に依存せず，自由に粘弾性特性が調節できるか，検討する．
令和５年度は，複動式空気圧人工筋肉による拮抗駆動システムの粘弾性特性と制御性能について実験的に確認する．
令和６年度は，応用例として軽量ロボットアームを構築し，複動式空気圧人工筋肉のアクチュエータとしての有用性について示唆する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究で提案する複動型人工筋肉において，ヒステリシスを低減した伸縮動作の方法について検討した．その結果，位置フィードバック制御に基づく外圧調整を行うことで，定常特性においてヒステリシスを解消することに成功した．今回の結果は定常特性のみであり，過渡特性については解消がなされていないため，正弦波などの連続的な動作に対しては遅れが生じることも実験で確認した．ただし，複動型人工筋肉およびその駆動システムは一般的な一型制御系で表現できることがわかったため，目標値の連続的な変化による遅れの発生は想定された結果である．したがって，この遅れの解消方法については従来の手法の適用によりある程度は低減できる見込みがあると考えている．
一方で，本来空気圧人工筋肉が持つ柔らかさ（弾性特性）については，フィードバック制御の適用の観点から考えると，位置制御系のサーボ特性が向上とトレードオフの関係にあると考えられる．つまり，サーボ特性の向上により硬い特性に近づいていくものと予想される．したがって，単に位置制御性能の向上だけを考えるのではなく，トレードオフを考慮した上での柔らかさの調節と位置制御性能の両面をどのように考慮するかという課題として出てきたといえる．
こうした特性の問題を考慮するために，複動型人工筋肉の弾性特性について調査を開始し，基本的には内圧と外圧の調節で弾性特性が変化することを実験的に確認した．現在，内外圧と弾性特性の関係についてのモデルを検討しているところである．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ヒステリシス低減方法の確立や複動型人工筋肉の製作工程の細かい見直しもあり，粘弾性特性の評価と調節についてまだあまり進んでいないため，進捗状況はやや遅れているものと考えている．
しかし一方で，ヒステリシスの低減については実現でき，一般的な制御対象モデルと同等の特性を示していることから，弾性特性を考慮したモデルが確立できれば，特性の実現は難しくないと考えている．弾性特性の調節とヒステリシスの低減を両立した駆動方法を検討し，拮抗駆動システムでの制御への展開を進めたいと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは，内外圧と弾性特性の関係を表すモデルの検討を行う．概ね特性や傾向は実験結果より把握できており，従来の人工筋肉の拮抗駆動システムや複動型空気圧シリンダーと構造や力学関係が類似していると予想されるため，これらを基にモデルの検討をすすめる．
弾性特性の調節とヒステリシスの少ない位置制御を1本の複動型人工筋肉で実現した後，拮抗駆動システムへと拡張する予定である．
拮抗駆動システムでは予め2つの複動型人工筋肉の弾性特性を決定できていることから，従来より提案されている人工筋肉拮抗駆動システムの双線形モデルに基づいて，広い動作レンジで弾性特性と位置制御の実現ができるものと考えている．
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
