ソフトロボットシステム構築の基礎：構成要素の連携と簡単な制御ループ
はじめに
ソフトロボットは、柔らかい材料を用いたアクチュエータやセンサ、そしてそれらを制御する電子回路やプログラムが組み合わさることで、多様な機能を実現しています。これらの異なる性質を持つ構成要素を連携させ、意図した動作や振る舞いを作り出す過程は、ソフトロボット開発における重要なステップの一つです。
本記事では、ソフトロボットシステムを構築する上での基礎的な考え方について解説します。具体的には、システムを構成する主要な要素とその役割、要素間の基本的な連携方法、そして簡単な制御ループの構築方法に焦点を当てます。これからソフトロボットの研究開発を始めようとする方が、要素技術の学習から一歩進んで、システム全体を捉えるための基礎的な視点を得ることを目的とします。
ソフトロボットシステムの主要な構成要素
ソフトロボットシステムは、一般的に以下の主要な構成要素から成り立っています。
- アクチュエータ (Actuator): ロボットを物理的に駆動させる部分です。ソフトロボットでは、空気圧、油圧、電熱、形状記憶合金、誘電エラストマーなど、多様な原理に基づくソフトアクチュエータが用いられます。これらのアクチュエータが変形したり力を発生させたりすることで、ロボット全体の動きが生まれます。
- センサ (Sensor): ロボットの状態や周囲環境の情報を取得する部分です。変位センサ（曲げ、伸縮）、力センサ、圧力センサ、温度センサ、視覚センサ（カメラ）などがあります。ソフトロボットの柔軟性を活かしたソフトセンサも開発されています。センサから得られた情報は、ロボットの制御に利用されます。
- 制御部 (Controller): アクチュエータやセンサ、その他システム全体の動作を司る部分です。通常、マイクロコントローラ（マイコン）、シングルボードコンピュータ（SBC）、またはパーソナルコンピュータ（PC）が用いられます。センサからの情報を処理し、あらかじめ定められたロジックやプログラムに基づいてアクチュエータへの指示を生成します。
- 電源 (Power Supply): システム全体に必要なエネルギーを供給する部分です。バッテリ、ACアダプタ、圧縮空気源などがこれに該当します。特にアクチュエータの種類によって必要なエネルギー形態や供給方法が異なります。
- 構造部 (Structure): 各構成要素を配置し、全体の形状や剛性を保持する部分です。ソフトロボットにおいては、柔軟な材料自体が構造部の一部となることも多いですが、特定の部品を取り付けたり、流路や配線を配したりするための構造も重要です。
これらの要素が有機的に連携することで、ソフトロボットは与えられたタスクを実行することができます。
要素間の基本的な連携
各構成要素は、物理的、電気的、あるいは情報的な接続を介して連携します。
アクチュエータと制御部の連携
アクチュエータの種類によって連携方法は大きく異なります。
- 空気圧アクチュエータ: マイコンなどの制御部から、空気圧を制御するバルブ（電磁弁など）に対して電気信号（ON/OFF信号やPWM信号）を送ることで、アクチュエータへの空気の供給や排出を制御します。制御部とバルブの間には、信号レベルや電流容量を合わせるための電子回路（ドライバ回路）が必要になる場合があります。
- 電気駆動アクチュエータ（例：誘電エラストマー、形状記憶合金ヒータ）: 制御部からの電気信号（電圧や電流）を直接、あるいはドライバ回路を介してアクチュエータに印加します。
センサと制御部の連携
センサの種類に応じて、制御部への情報入力方法が異なります。
- アナログセンサ: 連続的な物理量（圧力、曲げ角度、温度など）を電圧や電流などのアナログ信号に変換して出力します。マイコンに内蔵されているA/Dコンバータ（ADC）を用いて、アナログ信号をデジタル値に変換してから制御部で処理します。
- デジタルセンサ: 物理量を直接デジタル値として出力したり、特定のプロトコル（I2C, SPI, UARTなど）に従ってデータを送受信したりします。制御部はこれらのデジタル信号を直接読み取ったり、通信プロトコルを用いてデータを取得したりします。
電源と各要素の連携
電源からは、制御部、センサ、アクチュエータ（電気駆動の場合）、バルブなどに適切な電圧と電流が供給されます。電圧レギュレータなどを用いて、各要素が必要とする電圧に変換する場合もあります。
簡単な制御ループの構築
ソフトロボットの基本的な動作は、これらの構成要素間の情報とエネルギーの流れによって実現されます。特に、センサからの情報を受けてアクチュエータの動作を調整する仕組みは、ロボットの安定した、あるいは環境に応じた振る舞いに不可欠です。これを「制御ループ」と呼びます。
最も基本的な制御ループの一つとして、センサからの情報に基づいてアクチュエータをON/OFFする単純なフィードバック制御が挙げられます。
例えば、空気圧ソフトグリッパーで物体を掴む場合を考えます。グリッパーが物体に接触したことをセンサ（例：圧力センサ、接触センサ）で検知し、その情報を受けてアクチュエータへの空気圧供給を停止または調整することで、物体を過度に強く掴みすぎないように制御することができます。
このシステムを構築するステップは以下のようになります。
- 目的の明確化: 例: グリッパーで物体を掴み、破損させないように適切な力で保持する。
- 構成要素の選定:
- アクチュエータ: 空気圧ソフトグリッパー
- センサ: グリッパー内部または表面に設置した圧力センサまたは接触センサ
- 制御部: マイコン（例: Arduino, Raspberry Pi Picoなど）
- 駆動系: 空気ポンプ、電磁弁
- 電源: マイコン、センサ、電磁弁への電源
- 要素間の接続:
- 空気ポンプ → 電磁弁 → ソフトグリッパー (空気圧配管)
- マイコン → 電磁弁 (電気信号線 + ドライバ回路が必要な場合)
- 圧力センサ → マイコンのアナログ入力ピン (電気信号線)
- 電源 → マイコン、センサ、電磁弁 (電気配線)
- 制御プログラムの設計:
- マイコンのプログラムで、圧力センサの値を連続的に読み取る。
- 電磁弁を最初は開き、グリッパーを変形させる。
- センサ値がある閾値（物体に接触した、あるいは目標の掴み力に達したと判断できる値）を超えたら、電磁弁を閉じる（または圧力を下げるように調整する）。
- 必要に応じて、一定時間後にグリッパーを開くなどの動作も加える。
このようなシンプルな制御ループであっても、センサからのフィードバックを利用することで、外部環境（掴む物体の大きさや硬さなど）の変化に対応した動作が可能になります。
システム構築における注意点
システムを実際に構築する際には、いくつかの注意点があります。
- 信号レベルの整合性: 制御部（マイコンなど）とアクチュエータ/センサの間で、電圧や電流といった電気信号のレベルが一致しているか確認が必要です。必要に応じてレベル変換回路やドライバ回路を使用します。
- 電源容量: システム全体の消費電力を計算し、安定した電源を供給できるか確認が必要です。特にアクチュエータの駆動には大きな電力や空気圧が必要な場合があります。
- 配線・配管の取り回し: 柔らかく変形するソフトロボットでは、配線や空気圧配管も柔軟性を持たせるか、ロボットの動きを妨げないように工夫する必要があります。
- 安全性: 特に空気圧や電力を扱うシステムでは、リーク、短絡、過負荷などによる事故を防ぐための対策が必要です。
まとめ
本記事では、ソフトロボットシステムを構成する基本的な要素と、それらを連携させて簡単な制御ループを構築するための基礎的な考え方について解説しました。アクチュエータ、センサ、制御部といった個々の要素の技術も重要ですが、それらをどのように組み合わせ、全体として機能させるかを理解することは、ソフトロボットの研究開発を進める上で不可欠です。
まずは、シンプルな目的を設定し、必要最小限の構成要素でシステムを組んでみることから始めてみてください。簡単なON/OFF制御や、センサを使った単純なフィードバック制御を実装してみることは、システム構築の基礎を学ぶ上で非常に有効です。本記事が、皆様のソフトロボット開発におけるシステム思考の第一歩となれば幸いです。