ソフトロボットを駆動する空気圧制御の基礎と構成要素
ソフトロボットの研究開発を始めるにあたり、アクチュエータをどのように動かすかという課題に直面することがあります。ソフトロボットの多くは、その柔らかさを活かすために、空気圧や水圧といった流体圧を動力源として利用します。中でも空気圧は扱いやすさから広く用いられています。本記事では、ソフトロボットを駆動するために必要な空気圧制御システムの基本的な構成要素と、その役割について解説します。
空気圧制御システムの役割
ソフトロボットの多くは、内部のチャンバーに空気を送り込んだり排出したりすることで変形し、力を発生させます。この空気の供給や排出を適切なタイミングと圧力で行うのが空気圧制御システムの役割です。人間の筋肉が脳からの信号を受けて収縮・弛緩するのに似ており、空気圧制御システムはロボットの「脳」や「神経系」からの指示を、空気という「血液」の流れに乗せてアクチュエータという「筋肉」に伝える役割を担います。
空気圧制御システムの主要な構成要素
空気圧制御システムは、主に以下の要素で構成されます。
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空気源 (Air Source) アクチュエータを駆動するための圧縮空気を供給する源です。研究開発レベルでは、主に小型のエアコンプレッサーや圧縮空気ボンベが使用されます。
- エアコンプレッサー: 電動で大気中の空気を圧縮し、貯蔵タンクに蓄えます。連続的な空気供給が可能ですが、設置スペースや騒音、振動を考慮する必要があります。オイルレスタイプはクリーンな空気を供給できるため、研究用途に適している場合があります。
- 圧縮空気ボンベ: 高圧の圧縮空気が充填されています。手軽に持ち運びが可能ですが、容量に限りがあり、補充が必要です。定圧で安定した空気を供給しやすいという利点もあります。
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圧力調整弁 (Pressure Regulator) 空気源から供給される空気圧は変動したり、アクチュエータに必要な圧力よりも高かったりすることがあります。圧力調整弁（レギュレーター）は、供給される空気圧を一定の任意の値に調整するために使用されます。これにより、アクチュエータに安定した力を発生させたり、最大変形量を制限したりすることが可能になります。
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方向制御弁・流量制御弁 (Directional Control Valve / Flow Control Valve) これらのバルブは、空気の流れの向きや量を制御するために使用されます。ソフトアクチュエータの動作のON/OFF、速度、力の調整に不可欠です。
- 方向制御弁: 圧縮空気をアクチュエータに送るか、あるいはアクチュエータ内の空気を排出するか、といった空気の流れの方向を切り替えます。電気信号によって作動する電磁弁が一般的で、マイコンなどからON/OFFの指示を送ることでアクチュエータの動作を制御します。例えば、2方弁（ON/OFF）、3方弁（供給/排気）、5方弁（複動アクチュエータ用）などがあります。ソフトロボットでは、空気の供給と排気を独立して制御するために、複数の3方弁を組み合わせたり、負圧（真空ポンプ）と組み合わせて使用したりすることがあります。
- 流量制御弁: 空気配管の断面積を調整することで、流れる空気の量を制限し、アクチュエータの動作速度を調整します。一方通行のみ流量を制限する絞り弁や、双方向を制限するニードル弁などがあります。
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配管・継手 (Tubing / Fittings) 空気源、調整弁、バルブ、アクチュエータなどを接続し、空気を供給・排出するためのチューブ（配管）やコネクタ（継手）です。耐圧性があり、システムに必要な柔軟性を持つ材料（ポリウレタン、ナイロンなど）が選ばれます。継手には、チューブを差し込むだけで接続できるプッシュインタイプが広く使用されており、システムの構築や変更を容易にします。
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排気口 (Exhaust Port) アクチュエータ内の空気を外部に排出するための経路です。方向制御弁を通じて大気中に開放されるのが一般的です。排気速度はアクチュエータの収縮速度に影響するため、必要に応じて排気側に流量制御弁を設けることもあります。
シンプルな空気圧駆動回路の例
最も単純なソフトアクチュエータ（例えば、一つの空気室を持つバルーン型アクチュエータ）をON/OFFで膨張・収縮させるための基本的な空気圧回路は以下のようになります。
- 空気源から圧縮空気を供給する。
- 供給圧力を制御したい値に圧力調整弁で調整する。
- 調整された空気を、3方電磁弁の「COM」ポートに接続する。
- 3方電磁弁の「NO (Normally Open)」ポートを排気口に接続する（あるいはサイレンサーを取り付ける）。
- 3方電磁弁の「NC (Normally Closed)」ポートをアクチュエータに接続する。
- 電磁弁の電気信号をOFFにすると、COM-NO間が開通し、NC側（アクチュエータ）は排気される。
- 電磁弁の電気信号をONにすると、COM-NC間が開通し、アクチュエータに空気が供給されて膨張する。このときCOM-NO間は遮断される。
この構成により、電気信号一つでアクチュエータの膨張（空気供給）と収縮（排気）を切り替えることができます。複数のアクチュエータを独立して制御する場合、アクチュエータごとに電磁弁と配管を用意することになります。
システム構築上の注意点
- 耐圧: 各構成要素や配管がシステムで使用する最大圧力に耐えられることを確認する必要があります。
- 気密性: 空気漏れはシステムの応答性や効率を低下させるため、継手の接続や配管の破損に注意し、確実に接続することが重要です。
- 応答性: バルブの切り替え速度や配管の長さ、太さは、アクチュエータの応答速度に影響します。高速な応答が必要な場合は、応答性の高い機器を選定し、配管長を最小限に抑える工夫が必要です。
- クリーンさ: 空気中の水分やゴミは機器の故障の原因となります。空気源とシステムの間にはフィルタやドライヤを設置することが推奨されます。
まとめ
ソフトロボットを駆動する空気圧制御システムは、空気源、圧力調整弁、方向制御弁、配管・継手といった基本的な構成要素から成り立っています。これらの要素を適切に組み合わせることで、ソフトアクチュエータの基本的なON/OFF制御から、より複雑な動作制御までが可能になります。
まずは、一つの単純なアクチュエータを空気圧で駆動するシステムを実際に構築してみることから始めるのが良いでしょう。基本的な回路を理解し、各構成要素の役割を体験することで、より高度な制御システムへの理解が深まります。圧力センサや流量センサを導入し、アクチュエータの状態をフィードバックする制御に進むことも、次のステップとして考えられます。空気圧制御の基礎をしっかりと学ぶことは、ソフトロボットの可能性を広げる上で非常に重要です。