2019 Fiscal Year Research-status Report
使い捨て可能な低コスト・ウェアラブル空気圧制御機器の開発とその応用
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19K04265
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| Research Institution | Okayama University of Science |
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Principal Investigator |
赤木 徹也 岡山理科大学, 工学部, 教授 (50311072)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 低コストホームリハビリテーション機器 / 周拘束強化式伸長型柔軟空気圧アクチュエータ / ゲート機構式低コストサーボ弁 / 球面駆動式手首リハビリテーション機器 / 低コスト3次元位置計測システム / 空気圧駆動ポータブルリハビリテーション機器 / 屈曲チューブを利用した低コストサーボ弁 / 組込みコントローラ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究成果は以下の通りである．まず，従来曲げ剛性の低さが問題となったいた伸長型柔軟空気圧アクチュエータ（EFPA）を複数本並列に配置し，さらに各EFPA内部のゴムチューブを被覆している蛇腹状のスリーブを、樹脂シート用いて互いに拘束ことで，柔軟な特性を有しつつ，適切な剛性を得る手法の開発を行った．さらに，この改良アクチュエータを用いた肩関節に広範囲に他動運動を加えるリハビリテーション機器を試作し，搭載型の制御システムを開発し、動作実験によりその有効性を確認した．
さらに，手首のポータブルリハビリテーション機器として、並列配置の3本のEFPAを、両端から中央部に向かう毎にEFPAの直径を大きくした柔軟アクチュエータを構成し，各EFPAの加減圧により，アクチュエータ両端が球面状に沿った動作を行うことを確認した．また，アクリル製のドーム上を3本のEFPAで引き合いながら動かす手首リハビリテーション機器を開発し，その保持部の計測を2本のワイヤ式リニアポテンショメータで計測する安価な3次元位置計測システムを開発した．
また，低コストの小型サーボ弁として，ゲート機構とダイヤフラムをも用いた新たな開閉機構を有するゲート機構式サーボ弁を開発し，従来の屈曲チューブを用いた弁に比べモータの可動域を小さくできるなどの利点を確認した．
また，水分を有する環境下で使用できる配管検査ロボットとして，上述の複数のEFPAを，蛇腹を利用してフィンを有する拘束シートで拘束した繊毛型配管検査ロボットを試作し，伸長収縮動作によりロボットが配管内を走破できることを確認した．また，曲げ動作などを加えることで，湾曲方向に関係なく、ロボット自体がその柔軟性を活かして捻じれながら進むことができることを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
現在のところ，研究実績の概要にも述べたように，安価な伸長型柔軟空気圧アクチュエータ（EFPA）に適切な曲げ剛性を持たせるため，EFPAの蛇腹状のスリーブを互いに拘束しあう周拘束強化型EFPAを構成し，この改良EFPAを用いて、両腕を広い範囲で動かすことで肩関節に他動運動を加える上肢リハビリテーション機器を開発した．また、本研究室が有している安価なリニアポテンショメータの要素技術や組込み技術を活用することで，アクリル製の半球面上にあるスライドステージ位置を計測する3次元位置計測システムを開発し，3本のEFPAを使って球面上の任意軌道への追従制御が可能な手首リハビリテーション機器を開発した．また，水分環境下での配管検査ロボットとして，EFPAの拘束板に突起をつけた繊毛型推進機構を開発し，曲がり管を含む配管の走破が可能な検査ロボットを完成した．またより安価で軽量なリハビリテーション機器として，並列配置の3本のEFPAを，両端から中央部に向かう毎に配置直径を大きくした柔軟球面駆動アクチュエータを構成し，ポータブルな手首リハビリテーション機器を開発した．また，これらの機器を駆動する安価な弁として，ダイヤフラムを介したゲート機構により管路断面積をアナログ的に変える新しい弁の開発を行い，従来の屈曲チューブを用いたサーボ弁に比べ，モータの駆動範囲が小さく大きな流量が制御できる弁を開発した．以上の研究内容は，研究代表者及び研究協力者（指導学生など）により複数の国内外の学会で十数件の研究成果を行っている，以上のように．本研究の目的であるウェアラブル空気圧制御機器の「低コスト化」とそれに向けた新たなアクチュエータやリハビリテーション機器の開発および新たな低コスト弁の開発など多くの研究成果が得られており，本研究は計画通りに順調に進んでいるものと自負する．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度開発した周拘束強化型EFPA（EFPA：伸長型柔軟空気圧アクチュエータ）は，その拘束方法をかえることで，所望の操作を実現できる柔軟アクチュエータが実現できる．これは従来本研究室で開発していたその他の剛体空気圧アクチュエータの柔軟アクチュエータも可能であり，長変位動作が可能な柔軟アクチュエータが実現可能と考える．また任意動作を生じるアクチュエータの設計手法について検討し，その手法を活用しながらリハビリテーション部位に適した動作が行える安価・軽量なリハビリテーション機器の開発を行う予定である．また，家庭での使用を考慮し，家庭で身近に使える流体圧力源である水道水圧（200~300kPa）を動力なしでアクチュエータ駆動圧力（400~500kPa）まで増圧する自動増圧器の開発についても検討する予定である．
本申請では，これらの研究の推進もさることながら，国内外での学会等への研究成果報告を目的の一つに掲げている．しかし，昨年末から，COVID19の影響により，昨年度2月の国際会議（5件の発表）と今年11月に開催予定の国際会議（5件申請）が中止もしくは延期になっており，さらに，国内の学会も軒並み中止になるなど研究成果の公表の場がなくなっている．そのため，今年度の予算の一部をすでに申し込んでいる国際会議への参加費や旅費に充てるため、次年度予算として繰り越して使用する予定である．また，従来通り研究成果をInternational Journal等へ投稿し公表する予定である
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| Causes of Carryover |
COVID19の世界的なパンデミックにより，当初発表等を申し込んでいた国際会議が中止になるなど、計画に大きなずれを生じたため，繰越金が発生した。またこの予算は，COVID19が終息した際の研究成果報告のための費用として使用する予定である．
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