東京工業大学 機械システムj制御専攻 山北昌毅 センサ付き導電性高分子型アクチュエータ 東京工業大学　機械システムj制御専攻　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　山北昌毅

IPMCアクチュエータ・センサー 製作法 電解メッキ Ａｃｔｕａｔｏｒ System Sensor System Square input (2 [V]) 製作法 　電解メッキ

バッキーゲル センサー・アクチュエータ 印刷可能アクチュエータ 製作過程 材料の混合 (キャスト液) 層の形成 乾燥 バッキーゲル　センサー・アクチュエータ 製作過程 材料の混合 (キャスト液) 層の形成 乾燥 印刷可能アクチュエータ キャスト液 (電解質, 電極) I will explain how to produce the Bucky gel actuator in this slide. First we prepare two cast liquids for electrolyte and Electrode by mixing materials as ionic liquid, polymer and CNT, and create a film by layer-by-layer casting. And dry it. That’s it. 2017/3/14 (FA Dispenser, Musashi Eng. Co.Ltd)

発表内容 高分子アクチュエータの概略 イオン導電性高分子・貴金属接合体（IPMC） IPMCの応用 バッキーゲルを用いたセンサー・アクチュエータ まとめ 2017/3/14

直動人工筋アクチュエータの開発⇒⇒⇒ロボットへの適 機械 人間には出来ない動作（高速・高出力・高精度）を実現 小型化・柔軟性といった別の側面の要求 安全で「やわらかさ」を備えたアクチュエータが必要 小型、生物的な柔らかい動作が可能 医療・福祉、ロボット、ホビー産業 高分子アクチュエータ 直動人工筋アクチュエータの開発⇒⇒⇒ロボットへの適 2017/3/14

高分子材料（電場による形状変化） 誘電体ポリマー 電歪現象（電場の2乗に比例） 電子導電性ポリマー 酸化・還元での体積変化 イオン導電性ポリマー イオン移動・水の流れによる応力の変化 速い動作 低電圧で駆動 耐久性・化学的安定性 小型・柔軟 2017/3/14

安積欣志「高分子アクチュエータ材料」高分子 Vol.50, No.7, 2001より 高分子アクチュエータの比較 応答感度（条件） 曲げ角度、歪み 発生応力 最高応答速度 標準駆動電圧 動作環境 イオン導電性高分子 900° （20　V/mm） 500　Pa/V 100 Hz, 10 ms 数V 基本的に水中 電子導電性高分子 2～5　% 2~5　Pa 3 s 電歪型 　　P（VDF-TｒFE） 4　% 15　MPa 100 kHz 数ｋV 基本的に空中 　　シリコン 32　% 0.72 MPa オルカノゲル 180° （500　V/mm） 100 ms 生態筋 30　% 0.3 MPa 安積欣志「高分子アクチュエータ材料」高分子 Vol.50, No.7, 2001より 2017/3/14

高分子アクチュエータの比較（2） 2017/3/14

高分子アクチュエータの比較（3） 2017/3/14 （2007年当時）

高分子アクチュエータの比較（4） 2017/3/14

構造が単純で、強度も大きく、実用的な材料として期待される。 刺激応答性高分子ゲル 1980年代より刺激応答性高分子ゲルの研究が行われてきた。 （熱、ｐH、溶媒交換、電場に応答し膨潤収縮） 特に電場駆動の高分子アクチュエータ材料は制御が容易なため、システム応用化が期待されてきた。 ただ、材料の強度や応答速度の問題があった。 1991年　小黒ら（旧大阪工業技術研究所） 燃料電池の材料として注目されていたフッ素樹脂系のイオン交換膜に貴金属（白金・金）を接合した接合体が電場に対して高速に応答して曲がる現象を発見。[1992年発表] 構造が単純で、強度も大きく、実用的な材料として期待される。 2017/3/14

IPMCアクチュエータ イオン導電性高分子・貴金属接合体（Ionic Polymer-Metal Composite） フッ素系イオン交換樹脂膜 無電解メッキ法（金や白金などの貴金属） 低電圧(1V程度)で駆動　⇔　電気分解（2V位から） 速い応答（100Hz） 柔軟かつ小型 耐久性（10万回以上の屈曲）、化学的安定性 水中・湿潤状態　⇔　シールド 動作音がしない フッ素系イオン交換樹脂膜の化学構造 メッキ前 メッキ後 2017/3/14

プラスイオンの移動に伴う水移動による応答モデル 動作原理 ＋ － ＋ － ＋側に屈曲 － ＋ イオン交換膜 金電極 ：水分子 ：プラスイオン ：高分子電解質 　（マイナスイオン） プラスイオンの移動に伴う水移動による応答モデル 2017/3/14

動作実験 15mm 1mm ステップ入力に対する応答 (2V) 方形波入力に対する応答 (振幅　約2V) 2017/3/14

IPMCを用いた従来のシステム 応用例 ・ナノローバー用ワイパー ［NASA/1999］ ・マイクロポンプ ［香川大・郭研/1996］ 　・マイクロポンプ　［香川大・郭研/1996］ 　・水中ロボット　［香川大・郭研/1997］［EAMEX㈱］ 　・マイクロマニピュレーション　［神戸大・田所研/1996］ 　・触感デバイス　［神戸大・田所研/1999］ 　・能動カテーテル　［郭ら/1996］［EAMEX㈱］ 　・センサー　［EAMEX㈱］［神戸大・田所研］ 2017/3/14

IPMCを用いた従来の機構 応用例 ・ナノローバー用ワイパー ［NASA/1999］ 一枚のIPMC膜では… 出力に限界(入力電圧も制限) 　・マイクロポンプ　［香川大・郭研/1996］ 　・水中ロボット　［香川大・郭研/1997］［EAMEX㈱］ 　・マイクロマニピュレーション　［神戸大・田所研/1996］ 　・触感デバイス　［神戸大・田所研/1999］ 　・能動カテーテル　［郭ら/1996］［EAMEX㈱］ 　・センサー　［EAMEX㈱］［神戸大・田所研］ 一枚のIPMC膜では… 出力に限界(入力電圧も制限) 屈曲運動のみ ・複数枚のIPMC膜を組み合わせて直動駆動の機構 ・直列接続や並列接続の容易な構造 2017/3/14

複合型アクチュエータの構造 基本ユニット1組では 出力・変位が小さい 直列接続・並列接続 必要な変位・出力 Flexible film IPMC Flexible film 基本ユニット1組では 　　出力・変位が小さい 直列接続・並列接続 ＋ － 必要な変位・出力 2017/3/14

複合型アクチュエータの製作 ［プレス加工による作製］ 中間部⇒薄いIPMC膜 IPMC 0V 3V (thin film) 2017/3/14

アクチュエータの応答特性 カウンターイオンの違いよる応答変化 ・2.5 Vのステップ入力 ・無負荷状態 (a) 変位 (b) 電流 2017/3/14

ロボットへの応用例 実験用コンパス型歩行ロボット 2017/3/14

パターニングによるアクチュエータ・センサー統合系 2017/3/14

IPMC膜の形状制御（１次元の場合） Patterned IPMC Face Back 1D shape control by fewer actuators than sensors 今回は形状制御の第一段階として、膜の断面の一次元的な動きにを考えます。   Design of desired displacements at actuation points which gives best fitting for original desired displacement at sensing points

実験システムの構成 （s軸方向の移動は無視する） 実験システム 実験システムの模式図 片側を固定したフィルムを８分割 ３領域だけをアクチュエータとして使用し、残りの部分は受動的で変位を計測（３入力３出力） 　　（s軸方向の移動は無視する） 端点を固定し、4分割したアクチュエータ１と２に入力を加えて制御する。 実験システム 実験システムの模式図

バッキーゲルアクチュエータ（１） Bucky Gel Actuator 空中で動作可能 プリント技術作成可能 高電圧が印加可能 ［T. Fukushima, K. Asaka et. al. （2003）］ Electrolyte (ionic liquid/polymer) Electrode (CNT/ionic liquid/polymer) Bucky gel actuator was developed in 2003 by Prof. Fukushima and Dr. Asaka et al. The actuator is a film like actuator like IPMC. The motion of the actuator is like this. However, It can be ..In a future, we will create a butterfly by just printing like this. But it is still dream now. 空中で動作可能 プリント技術作成可能 高電圧が印加可能 (低電圧でも動作) ‘Printable Robots’ http://english.ohmynews.com 2017/3/14 3/14/2017 IROS 2007 24 24

バッキーゲルアクチュエータ（２） 印刷可能アクチュエータ 製作過程 材料の混合 (キャスト液) 層の形成 乾燥 キャスト液 (電解質, 電極) I will explain how to produce the Bucky gel actuator in this slide. First we prepare two cast liquids for electrolyte and Electrode by mixing materials as ionic liquid, polymer and CNT, and create a film by layer-by-layer casting. And dry it. That’s it. 2017/3/14 (FA Dispenser, Musashi Eng. Co.Ltd)

変形メカニズム + - ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ー ー ＋ ＋ ー ＋ ー ＋ ー ＋ ＋ ＋ ー ＋ ー ー ー ＋ ー ＋ ー ＋ ー ＋ The bending mechanism is explained as follows. In the neutral mode, positive and negative ions are distributed randomly. If we apply a voltage for the film, positive and negative ions are separated as in this figure and it is bended like this due to the difference of the size of the ions. However, the output process of the voltage has not been fully analyzed yet. This figure shows the response for the rectangular voltage. ー ー ＋ ＋ ー ＋ ー ー ＋ ー ＋ 2017/3/14

センサーとしても利用可能？ もし、バッキーゲル素子がセンサー機能をもてば… 答えは YES ! 殉難で軽いセンサー 広い変形範囲のセンシング 特性（柔らかさ、軽さなど）を失わないセンサー・アクチュエター統合系の実現 コンパクトなフィードバック系の実現 パターニングによって集積化システムの実現 答えは YES ! 殉難で軽いセンサー 広い変形範囲のセンシング　 　(小変形から大変形まで) Since IPMC actuator can be used a sensor as well as a actuator, we wondered if the Bucky gel could be used as a sensor also since if Bucky gel devices have a sensor function … The answer was YES ! We found that it can be used as a sensor like this ! 2017/3/14

フィードバック制御 （１） 位置制御 ① PID 制御 ② モデルベースの目標値追従系 膜を水平面内に保持 膜先端の位置を制御 Laser displacement meter Computer Amp Actuator 膜を水平面内に保持 膜先端の位置を制御 アクチュエータは電圧駆動 Then we want to explain a feedback system properties as the actuator and sensor. First, we conducted deformation control of a film. The experimental set is as in this figure. Please notice that in this experiment, the displaceent of the actuator is measured by a laser displacement meter. ① PID 制御　 ② モデルベースの目標値追従系 2017/3/14 3/14/2017 IROS 2007 28 28

フィードバック制御（２） PI 制御 2017/3/14

センサー・アクチュエータ統合系による制御 変形量の推定 フィードバック制御 アクチュエータ controller actuator observer sensor 2017/3/14 3/14/2017 IROS 2007 30

実験結果 推定された位置を用いたフィードバック制御の結果

まとめと今後の課題 まとめ 高分子アクチュエータの概略I PMC膜を用いたアクチュエータ・センサーの紹介 IPMC膜の応用例 バッキーゲルアクチュエータ・センサーの紹介 今後の課題 高出力化 アクチュエータ・センサー統合技術の確立 実用システムへの応用 2017/3/14

参考文献 再ドーピング可能な直動人工筋アクチュエータと歩行ロボットへの応用, SICE SI部門講演会発表資料 (2003) IPMCを用いた拮抗型直動人工筋アクチュエータの可変メカニカルインピーダンス, SICE SI部門講演会発表資料 　(2003) M.Yamakita et. al.: Development of Artificial Muscle Linear　Actuator Using Ionic Polymer-Metal Composites, J. of Advanced　Robotics (To appear) 金田, 釜道, 山北, 安積, 羅　：イオン導電性高分子を用いた直動アクチュエータの開発-等価定常ゲイン向上のための非線形特性の導入-」, 日本ロボット学会第21回学術講演会, 3D31, Sep. 2003. N. Kamamichi, Y. Kaneda, M. Yamakita, K. Asaka, Z. W. Luo,:Biped Walking of Passive Dynamic Walker with IPMC Linear Actuator, Proceedings of SICE Annual Conference in Fukui, pp.212-217, Aug. 2003. Y. Kaneda, N. Kamamichi, M. Yamakita, K. Asaka, Z. W. Luo,:Control of Linear Artificial Muscle Actuator Using IPMC,Proceedings of SICE Annual Conference in Fukui, pp.218-223, Aug. 2003. M.Yamakita et.al.: Development of Linear Artificial Muscle Actuator Using Ionic Polymer for Walking Biped Robots, Proc. of SPIE 2003　(2003) 釜道、山北ら：直動人工筋アクチュエータの開発と歩行ロボットへの応用、自動制御連合講演会発表資料(2002) S.アシュレー：動き始めた人工筋肉,日経サイエンス、第３４巻第２号（２００３） 山北ら：- 特集「ソフトマテリアル開発・応用の最前線」 、SICE　計測と制御 Vol.54 No.1 2015 2017/3/14