Experimental validation of McKibben pneumatic artificial muscle model using ActiveLink's and FESTO's products. This slides was used at SICE Control Devision: Multi-Symposium 2014 (domestic control conference).

1. 2014.3.5@電気通信大学
第1回 SICE制御部門マルチシンポジウム
McKibben型空気圧人工筋モデルの
妥当性に関する実験的考察
⃝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
奈良先端科学技術大学院大学

2. 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
L0
l
L
proportional
directional
control valve
θ
air
compressor
M
M
contraction ratio
4. おわりに
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0
100 200 300 400 500 600 700
pressure [kPa]
2

3. 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
[1]
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
応用例
リハビリテーション機器[2], 医用機器[3]
収縮力
パワーアシスト機器[4]
[1] “マッスルスーツ”, 小林研究室 [2] S. Hussain et al., 2012.
[3] H. Li, K. Kawashima et al., 2013.
[4] Zhen Yang et al., 2012.
3

4. 動機
空気圧人工筋の制御系設計に関する従来研究
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
制御系設計には圧力制限のないモデルが必要
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]
[5] T. V. Minh et al., 2010. [6] A. P-Arrese et al., 2010.
[7] Andrikopoulos et al., 2014.
4

5. 動機
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
TAA10
他社製の人工筋に対するモデルの表現能力は未検証
提案モデルを用いて他社製の人工筋を同定する
[8] T. Itto et al., 2011.
5

6. 目的と方針
本発表の目的
提案モデルを用いて複数の人工筋を同定する
方針
① モデル・パラメータ推定方法
従来提案してきたものを使用
② 同定対象
アクティブリンク社 TAA10
FESTO社 DMSP-10-250N, DMSP-20-200N
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
パラメータ推定に用いていないテストデータでの検証
6

7. 人工筋システムの数理モデル
非線形切り替え系[8]
L0
l
L
proportional
directional
control valve
状態変数
θ
air
compressor
入力変数
M
M
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
[8] T. Itto et al., 2011.
7

8. 人工筋システムの数理モデル
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
[9] 内藤ら, 2014.
8

9. 人工筋システムの数理モデル
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
後半で説明
⑤ 人工筋の圧力変化
⑥ 流量制御弁を通過する質量流量
[9] 内藤ら, 2014.
9

10. 人工筋システムの数理モデル
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]
詳細は次の発表
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
[9] 内藤ら, 2014.
10

11. 人工筋システムの数理モデル
モデルを構成する物理式
9つのパラメータが存在
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
[9] 内藤ら, 2014.
11

12. 推定するパラメータ
9つのパラメータ
弾性係数
流量制御弁の断面積
メッシュ角度
空気の比熱比
収縮率の補正係数
粘性摩擦係数
クーロン摩擦力の
補正係数
定常特性にのみ影響
過渡特性にのみ影響
定常特性と過渡特性で別々にパラメータを推定[10,11]
[10] 小木曽ら, 2013.
[11] K. Kogiso et al., 2013.
12

13. 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
TAA10（Φ10 0.25 m）
FESTO社製 DMSP-10-250N, DMSP-20-200N
ラバーが表面を覆う構造. 耐久性, 防塵性に優れる
DMSP-10-250N（Φ10 0.25 m）
DMSP-20-200N（Φ20 0.20 m）
13

14. 人工筋の体積
体積の近似式の導出
解析的に表現することは難しい
load cell
LDM
pressure
sensor
水中で収縮, 水面の増分を計測
PAM
体積を収縮率の2次多項式で表現
control
valve
pressure
tank
air compressor
-5
PAM volume [m3]
PAM volume [m3]
6
6
5
4
3
2
0
0.1
0.2
contraction ratio
TAA10
0.3
-4
x10
1.5
PAM volume [m3]
-5
7 x10
5
4
3
2
1
0
flow meter
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
contraction ratio
DMSP-10-250N
x10
1.3
1.1
0.9
0.7
0.5
0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
contraction ratio
DMSP-20-200N
14

15. モデルの妥当性の検証方法
妥当性の検証事項
pressure [kPa]
実験で測定するデータ
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
contraction ratio
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0
100 200 300 400 500 600 700
pressure [kPa]
定常応答
500
450
400
350
300
250
contraction ratio
3種類の人工筋のモデルが求まること
0.26
0.24
0.22
0.20
0.18
0
5
10 15 20 25 30 35 40
0
5
10 15 20 25 30 35 40
time [s]
過渡応答
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
定常応答・過渡応答の測定
収縮率
内圧
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
時間応答を40秒間測定
15

16. パラメータの推定結果：推定値
TAA10
DMSP-10-250 DMSP-20-200
16

17. パラメータの推定結果：面積誤差
0.15
0.10
0.05
0.20
0.15
0.10
0.05
0
0.15
0.10
0.05
10 15 20 25 30 35 40
time [s]
TAA10
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0
0
5
5
10 15 20 25 30 35 40
10 15 20 25 30 35 40
time [s]
DMSP-10-250N
pressure [kPa]
5
10 15 20 25 30 35 40
500
450
400
350
300
250
100 200 300 400 500 600 700
pressure [kPa]
500
450
400
350
300
250
contraction ratio
0
5
pressure [kPa]
0
0
100 200 300 400 500 600 700
pressure [kPa]
contraction ratio
pressure [kPa]
contraction ratio
0.20
0
100 200 300 400 500 600 700
pressure [kPa]
0.26
0.24
0.22
0.20
0.18
contraction ratio
0.20
500
450
400
350
300
250
0.25
0.25
contraction ratio
contraction ratio
0.25
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0
0
5
10 15 20 25 30 35 40
5
10 15 20 25 30 35 40
time [s]
DMSP-20-200N
17

18. パラメータの推定結果：面積誤差
0.15
0.10
0.05
0.20
0.15
0.10
0.05
0
0.15
0.10
0.05
10 15 20 25 30 35 40
time [s]
TAA10
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0
0
5
5
10 15 20 25 30 35 40
10 15 20 25 30 35 40
time [s]
DMSP-10-250N
pressure [kPa]
5
10 15 20 25 30 35 40
500
450
400
350
300
250
100 200 300 400 500 600 700
pressure [kPa]
500
450
400
350
300
250
contraction ratio
0
5
pressure [kPa]
0
0
100 200 300 400 500 600 700
pressure [kPa]
contraction ratio
pressure [kPa]
contraction ratio
0.20
0
100 200 300 400 500 600 700
pressure [kPa]
0.26
0.24
0.22
0.20
0.18
contraction ratio
0.20
500
450
400
350
300
250
0.25
0.25
contraction ratio
contraction ratio
0.25
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0
0
5
10 15 20 25 30 35 40
5
10 15 20 25 30 35 40
time [s]
DMSP-20-200N
TAA10：定常応答・過渡応答ともによく一致
DMSP-10-250N
：過渡応答で差, 定常応答ではよく一致
DMSP-20-200N
18

19. テストデータによる比較
700
650
600
550
500
450
400
350
300
pressure [KPa]
pressure [KPa]
パラメータ推定に用いていない過渡応答での比較
experimental result
simulation result
0
5
10
15
20
25
30
35
40
contraction ratio
contraction ratio
0.26
0.24
0.22
0.20
0.18
0
5
10
15
20
25
time [s]
30
35
40
pressure [kPa]
TAA10
contraction ratio
experimental result
simulation result
0
5
10
15
0
5
10
15
20
25
30
35
40
20
25
time [s]
30
35
40
0.20
0.28
700
650
600
550
500
450
400
350
300
700
650
600
550
500
450
400
350
300
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
DMSP-20-200N
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
experimental result
simulation result
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0.22
0.20
提案モデルは3種類の人工筋を表現
0.16
0.12
0.08
0
5
10
15
20
25
time [s]
DMSP-10-250N
30
35
40
19

20. まとめ ＆ 今後の課題
まとめ
目的
提案モデルを用いて複数の人工筋を同定する
結果
異なる3種類の人工筋のパラメータを推定
提案モデルは3種類の人工筋を表現
結論
提案モデルを用いて3種類の人工筋を同定できた
今後の課題
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
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
20