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　一般的に、産業用ロボットのアクチュエータでは、物の移動や加工などを正確に行うために位置の制御性が重視されてきました。しかし、近年登場してきた協働ロボットや人の動きを補助するアシストロボットでは、人や物体に安全に接触することが求められており、力の制御性、特に接触力の調整が重要になっています。例えば、ものづくりの現場では、研磨のような製品の仕上げ加工など、いわゆる職人技と呼ばれる手作業の多くが自動化・省力化できておらず、現場の負担が軽減できていません。従来のアクチュエータ技術で特に実現が難しかったのは、接触点に動きの外乱が加わる状況で「丁度良い力加減の調整（※4）」を実現することでした。特に力加減の調整が可能なアクチュエータが必要とされていました。
　力加減の調整を実現するためのアクチュエータには、どのような特性が求められるでしょうか。第１に、センサによる情報から接触を正確に予測することが難しいため、接触部に入力される動きの外乱に安全に対応するための高いバックドライバビリティ（※5）です。第２に、人の筋のように小さい力から大きな力まで広範囲に出力でき、ロボットに組み込みやすく小型であることです。第３に、ロボットが人や物体に接触する状況で、接触力調整の応答性が高く、正確であることです。しかし、これら３つの特性（バックドライバビリティ・出力範囲・応答性）は相互に関連しており、単一の駆動原理では、全ての特性を同時に向上させることは困難でした。例えば、減速機付きの電気モータでは、減速比を上げれば力の出力範囲を大きくできますが、バックドライバビリティが失われてしまいます。減速機を用いずにダイレクトドライブ（※6）にすれば、応答性は向上できますが、大きな力を出力するためには多数の磁石とコイルが必要なため、アクチュエータが大きく重たくなってしまいます。他方、空気圧アクチュエータでは、大きな力が出力できますが、応答性が低く、正確に制御できないという課題が知られています。これらの課題を克服する１つの方法として、複数の駆動原理の異なるアクチュエータを組み合わせて相補的に用いることで応答性を向上させるハイブリッド駆動方法が提案されています。しかし、従来のハイブリッド駆動のコンセプトは、複数のアクチュエータの出力を、伝達機構を使って接続し、１つの力として取り出すというものでした。異なる特性のアクチュエータの出力を１つの力に合成するために使用されるケーブルやベルトなどの伝達機構を含む構造は、大型・複雑で壊れやすく、部品点数が多くなるために実用化が難しいという問題がありました。

　本研究では、融合型ハイブリッド直動アクチュエータ（FHLA：Fusion Hybrid Linear Actuator）という新たなアクチュエータの設計コンセプトを確立しました。FHLAは、２つのアクチュエータの出力を１つの筐体内で融合させる点で、従来のハイブリッド駆動のコンセプトとは異なります。このコンセプトで実現した直動アクチュエータは、空気と電気の２つの駆動源を使用しているものの、あたかも１つのアクチュエータのようにロボットに組み込むことができます。このコンセプトに基づき、これまで組み合わされてこなかったダイレクトドライブの空気圧シリンダとリニアモータを組み合わせて、合成された力をとりだす独自の構造を実現しました（図１）。また、空気圧シリンダのピストンで発生する摩擦力の予測の精度を向上するモデルを開発し、このモデルで推定した摩擦をリニアモータで打ち消し、任意の一定力を維持する力制御システムを開発しました。
　これまでのハイブリッド駆動の研究では、位置の制御性の向上に関する評価が多く、接触点における力の特性の評価が十分に検討されていませんでした。特に、研磨やマッサージで必要とされる、任意の表面に沿って移動しながら一定の押しつけ力を維持する能力を評価する指標は開発されていませんでした。そこで、本研究では、アクチュエータの先端の接触点に動きの外乱が加わる状況で、一定の押しつけ力を維持する能力を評価するための新たなベンチマーク（Maintaining contact force constant (MCFC) benchmark）を提案し、先端を様々な形状の表面に押しつける際に生じる動きの外乱を模擬する実験装置（図２）を開発しました。具体的には、図２の右のアクチュエータを位置制御して外乱を加えることで、提案するアクチュエータの性能を評価しました。この実験で、広い力の範囲で一定の押しつけ力を維持する能力が大幅に向上したことが実験で示され、従来のアクチュエータよりも接触点における動きの外乱に対して優れた力制御性能を持つことが確認されました。

次に本研究では、2つ以上のアクチュエータの可動部を直接接続して力を合成し、なおかつ可動空間を共有させる設計コンセプトを示しました。このコンセプトに基づく直動アクチュエータを新たに融合型ハイブリッド直動アクチュエータ（FHLA）と名付けました。本設計コンセプトにより従来のハイブリッド駆動のための力の合成が、１つの筐体に融合されたアクチュエータの中で行われるため、ロボットに組み込みにくかったという基本課題が解決できます。今回、このコンセプトに基づき、空気圧シリンダとリニアモータをハイブリッド化させた空電ハイブリッドアクチュエータは、バックドライバビリティの高い2つのアクチュエータであるため、ハイブリッドアクチュエータ自身も高いバックドライバビリティを有しており、人や環境との安全な接触が可能です。また、本研究ではこのアクチュエータの力制御も実現し、空気のみを動力源とする場合と比較して、一定の押しつけ力を維持する能力が大幅に向上したことが示されました。実験では、電気のみを駆動源とする場合には、実現が難しい範囲まで押しつけ力を設定することで、電磁力で駆動する場合に対する優位性も示しています。以上から、FHLAのコンセプトに基づくアクチュエータは従来の空気圧アクチュエータや電磁アクチュエータに比べ、押しつけ方向に生じる接触点の様々な動きの外乱に対して、押しつけ力を一定に維持できる性能が高いことが示されました。

図３　　設計コンセプトの比較：(a)は、空気圧シリンダとリニアモータを示している。(b)及び(c)はハイブリッド駆動の従来の設計である。(b)では、両アクチュエータの力が異なるために出力軸を指示する強固なリニアガイドが必要であり、(c)では、接続のためのカップリングと追加の空間が必要である。(d)は、本研究で設計したコンセプトであり、(b)及び(c)にあったガイドやカップリングを必要とせず、あたかも1つのアクチュエータであるかのようにロボットに組み込みでき、小型化できる。

図４　実験結果：縦軸は接触点に動きの外乱を加えた時の目標力と実際の力の誤差を示す。左から、空気による駆動条件、空気による駆動で摩擦を補償した条件、空気による駆動に電磁力で摩擦を補償した条件である。

　この新しいアクチュエータは、２つの直動アクチュエータを１つのアクチュエータに融合しているにも関わらず、１つの筐体内で力を合成し出力することができるため装置に組み込みやすく、これまでのアクチュエータでは実現できなかったような、接触時の外乱で力の制御が必要なアプリケーションへの展開が期待できます。例えば、研磨やマッサージのように接触点の力加減の調整が重要なアプリケーションや、人間に接触しながら作業を支援する共同ロボット、また、リハビリテーションで人をアシストする外骨格型ロボットなど、多様なロボット技術への適用が期待されます。
著者名：Yoshihiro Nakata and Tomoyuki Noda
論文名：Fusion Hybrid Linear Actuator: Concept and Disturbance Resistance Evaluation
雑誌名：IEEE/ASME Transactions on Mechatronics
DOI：10.1109/TMECH.2023.3237725
公表日：2023年3月28日
　本アクチュエータ技術の研究開発の一部は、科研費 基盤研究(A)（JP21H04911）、若手研究(A)（JP17H04698, JP15H05321）、挑戦的萌芽研究（JP26540134）の支援を受けて行いました。また、本研究の一部はAMED（JP21he2202005, JP22he2202017）の支援を受けて行いました。
〈研究内容に関すること〉

〈報道に関すること〉