クリーン水圧ロボット
危険な場所でも動く、無害な水圧ロボットシステム
「温故知新」の水圧技術：エアハイドロサーボ
電動技術が既に十分にカバーしている、比較的低いパワー領域においても、液圧駆動のチャンスがあると考えています。それが水圧です。有望な応用先はフィールドロボットまたは食に関わるロボット分野です。作業に必要十分なパワーが出せて、地球環境にも人にも無害な駆動技術として、水圧ほど魅力的な技術はないと思います。ただし、ご存じのとおり、水圧は液圧技術の中では最古参でありながら、高圧化と潤滑性の要求から、油圧に置き換わってきた歴史があります。具体的には、ポンプやバルブ内部の高速摺動部における「摩擦」と「キャビテーション」の問題が水圧技術の普及を妨げてきたと言えるでしょう。
AHSB (Air-Hydraulic Servo Booster)
最近私たちが発明した水圧駆動技術がAHSBです。これは、古くから存在する空油増圧器（エアハイドロブースター）にフィードバック機構を組み込んで「サーボ化」することによって、ポンプを用いることなく中・低圧（～14MPa）の圧液を発生し、その力と速度を自在にコントロールする方法です。ここで空油増圧器とは、空気圧を利用してプランジャーを動かすことで、高い水圧を発生する機構です。空気圧ピストンの面積と水圧プランジャーの面積の比がそのまま空油増圧比になります。制御のために空気圧弁を利用しますが、水圧ポンプを用いないため、水圧機械特有の難問をうまく回避しているのです。増圧比はギヤ比と同じ効果を持つため、力を増やすと同時に、適切な減速比を実現するため、精密なフィードバック制御に好適です。現在、いくつかのパターンでシステムを検討しており、基本性能が確認されたものから順次、マニピュレータ等のロボットに展開します。
文字通りの「離れ業」
新しい水圧ロボットは、水圧ホースで接続した駆動装置で動かしますが、ホースは10m以上の長さをとれます。ロボット本体は人が持てるほど軽量に作れます。最近多くの家庭に普及した、市販の高圧洗浄器を想像してみてください。ホースの先にあるロボットが力仕事を代替します。駆動源を外部に持つこのロボットは、構造が極めて単純で、素材をうまく選べば水の中に沈めることさえできます。通常の屋外環境はもちろん、従来の電気ロボットが簡単に入れない泥の中や、人に害を与える危険な場所、高温多湿環境にあっても、「しっかり力を出して働く」ことができます。文字通りの「離れ業」と言えるでしょう。
完全無害の価値はどれだけ？
作動流体は家庭用水道水です。長時間使用すると水がアクチュエータの外に染み出ることはありますが、無害ですし、感電の心配もありません。油のようなベタベタ、嫌な臭い、変色はなく、環境を汚染しません。万が一本体が破損しても、修理や置き換えは容易でしょう。
もちろん、良い話ばかりではありません。AHSBの明らかな欠点は駆動源のサイズです。増圧のために、先端のアクチュエータよりもはるかに大きいシリンダーを動かすわけですから、軸数が増えると駆動源もそれに比例してサイズが増大します。軽量化は可能ですが、省スペース化は原理的に不可能です。それでもなお、このクリーンロボット技術が必要とされる場があるのか、「人新世」の世の中に問わなければなりません。
回路図
図：片ロッド型AHSBと両ロッド型AHSBの回路図
図：AHSBのブロック線図
ロボットの実現
図：水圧マニピュレータ「水力君II」の各スペック
写真：「水力君II」による15kgペイロードの力制御
写真：ROV（広和社製）に搭載した「水力君II」（プールサイドに置かれた電源および水圧駆動ユニットとはケーブルとホースで接続）
故障診断とフェイルセーフ制御
図：システム概要と故障の定義
図：リアルタイム故障診断の結果
発表論文
- 渡邊悠希, 谷口友美, 玄相昊, 空気–液圧サーボ増圧器で駆動される水圧ロボットの状態推定とフェイルセーフ制御, 日本ロボット学会誌, 42 巻, 9 号, p. 928-931, 2024. https://doi.org/10.7210/jrsj.42.928
- S. Hyon, X. Han, Y. Watanabe and T. Hasegawa, "Development of a lightweight explosion-proof water hydraulic manipulator driven by air-operated HST with pressure booster," The 12th JFPS International Symposium on Fluid Power, P3-05, Hiroshima, Oct 24, 2024.
- Y. Watanabe and S. Hyon, "Experimental evaluation of Kalman-based fault diagnosis and fault-tolerant control on a water hydraulic robot arm," The 12th JFPS International Symposium on Fluid Power, P3-02, Hiroshima, Oct 24, 2024.
- 長谷川琢真, 玄相昊, 空液サーボ増圧器で駆動される水圧マニピュレータ試作機の動特性調査, 第42回日本ロボット学会学術講演会, 2024.
- 北澤拓人, 川戸咲智子, 玄相昊, 空気－液圧サーボ増圧器を用いた水圧ラバーマッスルの制御, 第42回日本ロボット学会学術講演会, 2024.
- Y. Watanabe and S. Hyon, "Fault detection and fault-tolerant control for water hydraulic robots driven by air-hydraulic servo booster," Proc. IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII2024), pp.1399-1404, 2024.
- 玄相昊, 韓笑, 安井一嘉, 渡邊悠希, 久木野詩織,"空液増圧器で駆動する防爆水圧マニピュレータ「水力君」の開発", 第41回日本ロボット学会学術講演会, 2023.
- 渡邊悠希, 谷口友美, 玄相昊,``空気-液圧サーボ増圧器を用いた水圧ロボットの状態推定とフェールセーフ制御'', 第41回日本ロボット学会学術講演会, 2023.
- 韓笑，安井一嘉，玄相昊，“水圧双腕マニピュレータの設計,”第23回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会，pp 538-540, 2022．
- 渡邊悠希，玄相昊，“1本の光ファイバFBGセンサによるロボットアームの状態推定と制御,” 第23回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会, p1447-1449, 2022.
- 玄相昊，久木野詩織, "空油増圧器で駆動される静油圧トランスミッションAHSTの解析", 第22回システムインテグレーション部門講演会, 2021.
- 谷口友美，玄相昊, "AHSBで駆動される水圧ロボットアームのセンサレス位置制御", 第22回システムインテグレーション部門講演会, 2021.
- 長良太暉，玄相昊, "水中ロボットのための回転軸と軸受の性能試験方法の検討", 第22回システムインテグレーション部門講演会, 2021.
- 安井一嘉，HanXiao，玄相昊, "軽量な水圧駆動水中ロボットアームの設計と基礎実験", 第22回システムインテグレーション部門講演会, 2021.
- S. Hyon and K. Akama, "Air-Hydraulic Servo Booster Toward Submersible Water-Driven Robots", IEEE Robotics and Automation Letters, vo.6, no.2, pp.1966-1972, 2021.
- 赤間一太, 谷口友美, 玄相昊, "水圧ロボットの空気-液圧サーボ増圧器による遠隔トルク制御", 日本ロボット学会誌, vol.39, no.4, 375-378, 2021.
- 赤間一太, 玄相昊, "水圧ロボットアームの空油圧サーボブースターによるインピーダンス制御", 第21回システムインテグレーション部門講演会, 2020, pp. 2932-2933.
- 赤間一太, 谷口友美, 玄相昊, "水圧ロボットアームの空油サーボブースターによる遠隔トルク制御", 第38回日本ロボット学会学術講演会, 2020.
- 玄相昊, 谷口友美, 大谷優, "空気圧で操作する水圧アクチュエータ", 2019年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集, pp.32-34, 2019.
2025/01/08