ソフトロボット開発ガイド

ソフトロボットを空気圧で動かす：基礎的な構成要素とシステム構築実践

はじめに

ソフトロボットの駆動方式には、空気圧、ワイヤ、電気モータ、形状記憶合金、高分子アクチュエータなど様々な種類が存在します。その中でも空気圧駆動は、柔らかい素材で作られたアクチュエータを比較的容易に変形させることができ、シンプルなシステムで大きな力や多様な動きを実現しやすいという利点から、多くのソフトロボット研究開発で採用されています。

これからソフトロボットの研究開発を始めるにあたり、「どのようにロボットを動かせば良いのだろうか」という疑問を持つ方もいらっしゃるかもしれません。本記事では、ソフトロボットを空気圧で駆動させるための基本的なシステム構成要素と、それらを組み合わせて実際にアクチュエータを動かすための基礎的な方法について解説します。

空気圧駆動システムの基本構成要素

ソフトロボットの空気圧駆動システムは、大きく分けて以下の要素で構成されます。

1. 空気源: システムに圧縮空気を供給する装置です。研究室レベルでは、比較的小型のエアコンプレッサーや、ボンベに入った圧縮空気などが利用されます。
2. 圧力調整器（レギュレータ）: 空気源から供給される圧力は高い場合が多く、また変動する可能性があります。レギュレータは、システム全体や特定の部分に供給する空気圧を一定の値に調整するために使用されます。
3. 方向制御弁（バルブ）: アクチュエータへ空気を流す、止める、排気するといった流れの向きを制御する機器です。これにより、アクチュエータの膨張・収縮や、複数のアクチュエータの動作シーケンスを制御します。電気信号で切り替えるソレノイドバルブがよく用いられます。
4. 配管: 構成要素間を接続し、空気を流すためのチューブやパイプ、そしてそれらを接続するための継手類です。柔軟性や耐圧性などを考慮して選定します。
5. アクチュエータ: 空気圧によって物理的に変形・動作する部分です。ソフトロボットの場合は、主にエラストマーなどの柔らかい素材で作られたソフトアクチュエータがこれにあたります。
6. センサ（オプション）: システム内の圧力や流量、アクチュエータの変形状態などを計測するために使用されることがあります。例えば、圧力センサを用いることで、アクチュエータにかかっている圧力を把握し、より精密な制御を行うことが可能になります。
7. 制御器（オプション）: バルブへの電気信号のON/OFFや、レギュレータの設定値変更、センサからの情報処理などを行い、システム全体の動作を制御します。マイコン（例: Arduino, Raspberry Pi）などが用いられます。

各構成要素の役割と選定の基礎

• 空気源:
  • エアコンプレッサー: 電気で空気を圧縮し、タンクに貯める方式が一般的です。容量、最高圧力、騒音レベルなどが製品によって異なります。研究室での使用には、静音設計の小型タイプや、一定時間連続使用できるものを選ぶと良いでしょう。
  • 圧縮空気ボンベ: 高圧の圧縮空気が充填されており、レギュレータを介して使用します。手軽ですが、使用量に応じて交換が必要です。
• 圧力調整器（レギュレータ）:
  • 空気圧の安定化は、アクチュエータの応答性や制御精度に大きく影響します。手動で圧力を設定するタイプと、電気信号で遠隔制御できるタイプがあります。研究の初期段階では手動タイプで十分な場合が多いです。
• 方向制御弁（バルブ）:
  • ソフトアクチュエータの基本的な動作（膨張・収縮）には、空気の供給と排気を切り替える機能が必要です。
  • 3方弁: 最も基本的なバルブで、ポートが3つあります（供給、アクチュエータ、排気）。1つの入力（電気信号など）で、供給側とアクチュエータ側を繋ぐか、アクチュエータ側と排気側を繋ぐかを切り替えます。ソフトアクチュエータのON/OFF制御に広く用いられます。
  • 5方弁: 2つのアクチュエータポートを持ち、両方向の動作制御が可能です（例: シリンダーの押し引き）。ソフトロボットでも、複数のチャンバーを持つアクチュエータの差圧制御などに利用されることがあります。
  • 選定時には、使用電圧（例: DC5V, 12V, 24V）、必要な流量、応答速度などを確認します。
• 配管（チューブ・継手）:
  • チューブ: 一般的にはポリウレタンやナイロン製のチューブが使用されます。外径サイズ（例: φ2mm, φ4mm, φ6mm）に合わせて継手を選びます。柔らかさや耐圧性も考慮します。
  • 継手: チューブ同士やチューブとバルブ・アクチュエータなどを接続します。ワンタッチ継手はチューブを差し込むだけで接続でき、取り外しも容易で便利です。ストレート、L型、T型など様々な形状があります。
• センサ:
  • 圧力センサ: システム内の圧力を計測し、現在の駆動状態を把握するために重要です。アナログ出力タイプやデジタル出力タイプがあります。測定範囲や精度、応答速度などを考慮して選びます。
• 制御器（マイコン）:
  • 簡単なON/OFF制御であれば、リレーやスイッチを介してバルブを直接操作することも可能ですが、複数のバルブを制御したり、センサ情報を利用したり、複雑な動作シーケンスを実現したりするにはマイコンが不可欠です。ArduinoやRaspberry Piは、比較的安価で情報も豊富であり、ソフトロボットの制御入門に適しています。

基礎的なシステム構築例

ここでは、ソフトアクチュエータを「膨らませて戻す」という最も基本的な動作を実現するためのシステム構築例をいくつか示します。

例1：最低限のON/OFF駆動

最もシンプルな構成です。バルブを手動またはスイッチで操作します。

空気源 → [レギュレータ（任意）] → [3方弁] → アクチュエータ

• 3方弁の「供給」ポートに空気源からの配管を接続します。
• 3方弁の「アクチュエータ」ポートにアクチュエータへの配管を接続します。
• 3方弁の「排気」ポートは開けておくか、サイレンサなどを取り付けます。
• バルブを切り替えることで、アクチュエータに空気を供給（膨張）したり、排気（収縮）したりします。
• レギュレータを組み込むことで、膨張時の最大圧力を安全な範囲に制限できます。

例2：マイコンによるON/OFF制御

マイコンを用いて3方ソレノイドバルブを電気的にON/OFF制御します。

空気源 → [レギュレータ] → [3方ソレノイドバルブ] → アクチュエータ
             ↑                 ↑
           圧力設定          制御信号 (マイコンから)

• 空気源、レギュレータ、バルブ、アクチュエータの接続は例1と同様です。
• 3方ソレノイドバルブのコイルに電源（例: 12V）を供給するための回路を用意します。マイコンの出力ピンは通常電圧・電流が小さいため、トランジスタやリレーなどを介してバルブを駆動します。
• マイコンのプログラムで、ソレノイドバルブへの電源供給を制御することで、アクチュエータのON/OFF動作を自動化できます。例えば、一定時間膨らませて、一定時間収縮させるといったシーケンス動作が可能です。

例3：圧力フィードバック制御を見据えた構成

アクチュエータにかかる圧力を計測し、その値に応じてバルブを制御します。

空気源 → [レギュレータ] → [3方ソレノイドバルブ] → アクチュエータ
             ↑                 ↑                    ↑
           圧力設定          制御信号 (マイコンから)  圧力センサ
                                                        ↓
                                                      マイコン (A/D入力)

• 例2の構成に、アクチュエータの空気ポートの近傍に圧力センサを追加します。
• 圧力センサの出力（電圧など）をマイコンのアナログ入力（A/Dコンバータ）で読み取ります。
• マイコンのプログラムで、現在の圧力値が目標圧力に近づくように、バルブのON/OFFを高速に切り替える（PWM制御など）ことで、圧力を制御することが可能になります（ただし、正確な圧力制御には proportional valve などが望ましい場合もあります）。
• これにより、目標の圧力まで膨らませて維持する、といった制御の基礎を構築できます。

配管・配線の基本的な考え方:

• 配管: 各構成要素のポートサイズや推奨チューブ径を確認します。チューブの取り回しは、極端に曲がったり折れたりしないように余裕を持たせます。継手はしっかりと奥まで差し込み、空気漏れがないように注意します。
• 配線: ソレノイドバルブの駆動電圧・電流を確認し、マイコンから適切に制御できるよう、保護回路（ダイオードなど）を含む駆動回路を設計します。圧力センサの電源電圧や出力形式（アナログ/デジタル）を確認し、マイコンとの接続方法を検討します。電源容量が不足しないように注意が必要です。

システム構築における注意点

• 圧力管理と安全: 空気圧は高いエネルギーを持つため、取り扱いには十分な注意が必要です。レギュレータは必ず設置し、アクチュエータや配管の耐圧を超える圧力をかけないようにしてください。急激な圧力上昇によるアクチュエータの破損にも注意が必要です。システム全体に非常停止ボタンを設けることも検討してください。
• 空気漏れ: システム内の空気漏れは、駆動効率の低下や正確な制御を妨げる原因となります。継手の接続は確実に行い、必要に応じてシール材（シールテープなど）を使用します。漏れ箇所は、石鹸水を塗布して泡の発生で確認するといった方法があります。
• 異物混入: 空気源からの圧縮空気中に含まれる水分や油分がシステム内に混入すると、バルブの故障などの原因となります。エアフィルタやミストセパレータなどのエアクリーン機器を適切に設置することが推奨されます。

まとめ

本記事では、ソフトロボットを空気圧で駆動させるための基本的なシステム構成要素と、それらを組み合わせた実践的な構築例を紹介しました。空気源、レギュレータ、バルブ、配管、そしてアクチュエータと、必要に応じてセンサ、制御器を組み合わせることで、ソフトロボットを意図通りに動かすための基盤が構築できます。

ここで示したのは最も基礎的なシステム構成です。実際には、より多くの自由度を持つロボットを制御したり、力や変位を精密に制御したりするためには、多数のバルブやセンサを使用し、より高度な制御アルゴリズム（PID制御、シーケンス制御、モデル予測制御など）をマイコン上で実装する必要があります。

まずは、シンプルな構成で実際に空気圧ソフトアクチュエータを動かしてみることから始めてみてください。システム構築を通じて、空気圧の挙動や各要素の特性を理解することが、今後の研究開発において非常に重要になります。次のステップとしては、圧力センサを用いたフィードバック制御の実装や、複数のアクチュエータを協調して動かすための制御プログラム開発などに挑戦されることをお勧めします。