WO2012081314A1 - 収縮型ゲルアクチュエータの制御方法 - Google Patents

収縮型ゲルアクチュエータの制御方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2012081314A1
WO2012081314A1 PCT/JP2011/074927 JP2011074927W WO2012081314A1 WO 2012081314 A1 WO2012081314 A1 WO 2012081314A1 JP 2011074927 W JP2011074927 W JP 2011074927W WO 2012081314 A1 WO2012081314 A1 WO 2012081314A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gel actuator
displacement
gel
type gel
actuator
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/074927
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
橋本　稔
南 柴垣
Original Assignee
国立大学法人信州大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立大学法人信州大学 filed Critical 国立大学法人信州大学
Priority to EP11849616.5A priority Critical patent/EP2654194A4/en
Priority to US13/993,949 priority patent/US9118262B2/en
Publication of WO2012081314A1 publication Critical patent/WO2012081314A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/062—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/1095—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements chemically actuated
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/503—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a non-rectangular cross-section in a plane orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal or circular in top view
    • H10N30/505—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a non-rectangular cross-section in a plane orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal or circular in top view the cross-section being annular
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857—Macromolecular compositions

Definitions

  • This application relates to a method for controlling a shrinkable gel actuator.
  • actuators using PVC gel have the advantage of being relatively easy to control because they can be driven stably by an electric field in the atmosphere.
  • the contraction type gel actuator has a structure in which a gel having a property driven by the action of an electric field is sandwiched between a mesh-like anode and a foil-like cathode, and when a voltage is applied between the electrodes, the mesh of the anode is The gel is drawn into the gap and has the effect of contracting in the thickness direction.
  • the shrinkable gel actuator repeats a state of contracting in the thickness direction and a state of returning to the original state by turning ON / OFF the operation of applying a voltage between the electrodes. Therefore, this action can be used as an actuator that performs various actions such as braking.
  • an actuator that performs such a contracting action in addition to simply using the contracting action, it is possible to perform highly accurate control such as position control by controlling the contracting action (expanding action) with high precision. It can be used as a control element. If a highly accurate control is possible as a contraction type actuator, it is extremely effective in controlling the operation of a robot or the like.
  • An object of the present invention is to provide a control method for a contraction type gel actuator that can control the operation of the contraction type gel actuator with high accuracy and can be suitably used for position control and the like.
  • a gel made of a dielectric polymer material is interposed between the anode and the cathode, and a thickness is applied by applying a voltage between the anode and the cathode.
  • This is a method for controlling the displacement in the thickness direction of a contraction-type gel actuator having an action of contracting in the direction, and from the sampling value of the displacement x when an applied voltage E is applied to the contraction-type gel actuator, The applied voltage E is feedback controlled based on 1).
  • E kp (xd-x) + Ed (1)
  • xd target displacement of the contraction type gel actuator
  • Ed applied voltage with respect to the target displacement xd when the applied voltage and displacement are linearly approximated from the actual measurement result of the displacement with the applied voltage of the contraction type gel actuator
  • kp proportional gain.
  • the contraction-type gel actuator is characterized in that a characteristic regarding displacement with the applied voltage when the applied voltage is gradually increased and gradually decreased has a hysteresis characteristic.
  • the shrinkable gel actuator comprises a gel body in which the anode is formed in a mesh shape and the cathode is formed in a foil shape, and the gel is deposited on one surface and the other surface of the cathode. Is formed by laminating a plurality of layers with the anode interposed between layers.
  • the gel is made of PVC to which dibutyl adipate is added.
  • the displacement of the contraction type gel actuator can be controlled with high accuracy, and the contraction type gel actuator can be used as a control element for position control or the like. It becomes possible.
  • FIG. 1 shows the configuration and operation of a shrinkable gel actuator to which the method for controlling a shrinkable gel actuator according to the present invention is applied.
  • the shrinkable gel actuator 10 according to the present embodiment includes a gel body 11 in which gels 13a and 13b are attached to one surface and the other surface of an electrode 12 formed in a foil shape, and a mesh electrode 14 formed in a mesh shape. And are stacked in a plurality of stages in the thickness direction.
  • the electrode 12 and the like are formed in a circular ring shape so as to provide a communication space in the center, but the gel body 11 and the like can be formed in an arbitrary shape such as a circle.
  • FIG. 1A shows a state where no voltage is applied between the electrode 12 and the mesh electrode 14, and FIG. 1B shows a state where an electrode is applied.
  • the contraction type gel actuator 10 contracts in the thickness direction (FIG. 1 (b)).
  • the thickness returns (FIG. 1 (a)).
  • the contraction action of the contraction-type gel actuator 10 is caused when the voltage is applied, the gel is drawn into (intruded into) the mesh gap of the mesh electrode 14 and the gel is pulled in so that the thickness is reduced (compressed). .
  • PVC polyvinyl chloride
  • polymethyl methacrylate polyurethane
  • polystyrene polystyrene
  • polyvinyl acetate nylon 6
  • polyvinyl alcohol polycarbonate
  • polyethylene terephthalate polyacrylonitrile
  • the gels 13a and 13b PVC added with dibutyl adipate (DBA) as a plasticizer was used as the gels 13a and 13b.
  • the film thickness of the gel is 0.6 to 1.0 mm.
  • a stainless steel foil having a thickness of 0.01 mm is used for the electrode 12, and a stainless steel mesh having a wire diameter of 0.2 mm, a mesh hole of 1.1 ⁇ 1.1 mm, and a thickness of 0.4 mm is used for the mesh electrode 14. used.
  • the amount of displacement in the thickness direction of the shrinkable gel actuator 10 is increased by increasing the number of stacked gel bodies 11.
  • the shrinkable gel actuator 10 used in the following experiment has a gel body 11 with eight layers.
  • the contraction type gel actuator of this embodiment had a displacement rate of 10% or more when a voltage of 600 V was applied, a response characteristic as an actuator of about 7 Hz, and a generated force during contraction of about 3 kPa. It was also observed that the rigidity of the actuator increased with the applied electric field.
  • FIG. 2 shows the results of measuring the amount of displacement (contraction displacement) associated with the applied voltage for the above-mentioned contraction type gel actuator. The measurement was performed by a method in which the applied voltage was continuously raised and lowered between 0 V and 600 V, and the displacement of the gel actuator was measured using a laser displacement meter. In this experiment, the period of one cycle from 0V to 600V and from 600V to 0V is 10 (sec). Even when it is raised and lowered repeatedly, almost the same hysteresis curve is drawn.
  • the graph shown in FIG. 2 shows the hysteresis characteristic that when the voltage is applied to the contraction type gel actuator, the amount of displacement differs between when the voltage is increased and when the voltage is decreased. . That is, the displacement amount of the contraction type gel actuator is not always constant with respect to the applied voltage, and the displacement amount may differ even when the same voltage is applied depending on the voltage application history. Actual shrinkage gel actuators have various factors related to properties such as the gel material used, gel thickness, size, and the number of layers of gel bodies. It is quite possible that it will be different. Such a hysteresis characteristic of the contraction type gel actuator is not conventionally known, and is a characteristic action newly obtained this time.
  • the above equation (2) represents the applied voltage Ed for obtaining the target displacement xd when the applied voltage and the displacement amount are approximated to have a linear relationship from the measurement result of the displacement amount with respect to the applied voltage shown in FIG. .
  • ⁇ is the slope of the approximate line.
  • the first item of equation (1) is the product of the difference between the target displacement xd and the actual displacement x obtained by sampling and the proportional gain kp. The difference between the target displacement and the actual displacement is This is a term for correcting the applied voltage based on this.
  • the second item is an applied voltage that causes a target displacement derived from the linear model, which is an offset term.
  • FIG. 3 is a block diagram of a control device that controls the contraction-type gel actuator using the above-described feedback control method.
  • the displacement amount of the contraction type gel actuator 10 is detected by the laser displacement meter 20, and the applied voltage applied to the contraction type gel actuator 10 is calculated by the computer 30 based on the measurement result of the laser displacement meter 20. The result is fed back as a voltage applied to the contraction type gel actuator 10.
  • the feedback control was performed by setting the sampling time of the laser displacement meter to 0.1 (ms). In either case, a transient state is observed that deviates from the target displacement until about 0.2 s after the voltage is disclosed, but after about 0.2 s it converges to the target displacement, and thereafter the target displacement is maintained. Yes.
  • This experimental result shows that the feedback control method described above functions effectively as a method for accurately controlling the displacement of the contraction type gel actuator.
  • FIG. 5 shows the results of measuring the behavior of the gel actuator when the contraction type gel actuator is controlled to be periodically displaced (periodically expanded and contracted).
  • FIG. 5A shows a case where a voltage applied to the contraction type gel actuator is applied based on a linear model so that a target displacement is generated. The measurement result shows that the operation of the contraction type gel actuator deviates from the target periodic displacement, and the target periodic operation cannot be completely achieved.
  • FIG. 5B shows a case where the contraction type gel actuator is controlled by applying the closed loop, that is, the feedback control described above.
  • the experimental results show that in this case, an operation that perfectly matches the target periodic displacement can be achieved.
  • FIG. 5 shows that the method of applying the feedback control described above to the shrinkable gel actuator is extremely effective as a method of controlling the displacement of the shrinkable gel actuator.
  • FIG. 6 shows the results of measuring how the gain changes depending on the frequency when the frequency of the voltage applied to the shrinkable gel actuator shown in FIG. 1 is changed.
  • the experimental results in FIG. 6 show that when feedback control is not performed, the gain gradually decreases when the frequency of the applied voltage exceeds 1 Hz, whereas when feedback control is performed, the gain decreases to about 10 Hz. Without, it shows that the gain decreased over 10Hz. From this experimental result, it can be seen that the feedback control functions effectively as an action for improving the response characteristics of the contracting gel actuator.
  • the above experimental results show that the method of performing the feedback control based on the above-mentioned control law is effective as a method for controlling the position of the contracting gel actuator having hysteresis characteristics with high accuracy.
  • the reason why the feedback control method according to the present invention effectively functions in the above-described high-accuracy position control is that the applied voltage (E) for feedback control of the contraction gel actuator is an application voltage and displacement amount obtained by actual measurement. This is considered to be because the offset value (Ed) obtained by linearly approximating the relationship was taken into the control law of the applied voltage (E).
  • the shrinkable gel actuator targeted in the present invention is limited to the configuration of a gel actuator in which a plurality of gel bodies 11 are stacked with the mesh electrode 14 used in the above embodiment as an anode and the foil-like electrode 12 as a cathode. Is not to be done. For example, it is also possible to use a single layer without laminating a plurality of gel bodies 11, and using a gel with irregularities on the surface, both the anode and the cathode shrink as an electrode formed in a foil shape. It can also be configured to operate.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

　収縮型ゲルアクチュエータの動作を高精度に制御することを可能とし、位置制御等に利用できる収縮型ゲルアクチュエータの制御方法を提供する。　陽極１４と陰極１２との間に、誘電性高分子材料からなるゲル１３ａ、１３ｂが介装され、陽極１４と陰極１２との間に電圧を印加することにより厚さ方向に収縮する作用を有する収縮型ゲルアクチュエータ１０の厚さ方向の変位を制御する方法であって、収縮型ゲルアクチュエータ１０に印加電圧Eを作用させた際の変位xについてのサンプリング値から、次式（１）に基いて印加電圧Eをフィードバック制御する収縮型ゲルアクチュエータの制御方法。　E = kp (xd － ｘ) ＋ Ed　（１）　xd：収縮型ゲルアクチュエータの目標変位、Ed：収縮型ゲルアクチュエータの印加電圧にともなう変位についての実測結果から、印加電圧と変位とを線形近似したときの、目標変位xdに対する印加電圧、kp：比例ゲイン。

Description

収縮型ゲルアクチュエータの制御方法
　本出願は、収縮型ゲルアクチュエータの制御方法に関する。
　人間共存型ロボットの研究が活発に行われている近年，モータに代わる駆動源として小型軽量でソフトな動きが可能な高分子材料を用いた次世代型のアクチュエータの開発が注目されている．中でも，PVCゲルを用いたアクチュエータは，大気中での電場による安定駆動が可能であるため比較的制御し易いといった利点を持つ。
　収縮型ゲルアクチュエータは、電場の作用によって駆動される性質を有するゲルを、メッシュ状の陽極と箔状の陰極とで挟む構造としたものであり、電極間に電圧を印加すると、陽極の網目の隙間にゲルが引き込まれ、これによって厚さ方向に収縮する作用を有する。
特開２００９－２７３２０４号公報
PolymerPreprints, Japan, Vol.55, No.2 pp.4557-4558, 2006 Proceedingsof IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2008),Bangkok, Thailand, pp.745-750, 2009 多層PVCゲルアクチュエータの特性評価，第9 回(社)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論文集，pp.283-284,2008 伸縮型PVC ゲルアクチュエータの開発，日本機械学会北陸信越支部第46 期総会・講演会講演論文集，pp.415-416, 2009 "CharacteristicsEvaluation of PVC Gel Actuators", The 2009 IEEE/RSJInternational Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS2009), St.Louis, USA, pp.2898-2903, 2009
　収縮型ゲルアクチュエータは電極間に電圧を印加する操作をON-OFFすることにより、厚さ方向に収縮する状態と元の状態に復帰する状態を繰り返す。したがって、この作用を利用してブレーキ等の種々の作用をなすアクチュエータとして利用することができる。ところで、このような収縮作用をなすアクチュエータの用途として、単に収縮作用を利用する他に、その収縮動作（伸縮動作）を高精度に制御することにより、位置制御等の高精度の制御を可能とする制御要素として利用することが可能である。収縮型アクチュエータとして、高精度の制御が可能になれば、ロボット等の動作を制御するといった場合に、きわめて有効である。
　本発明は、収縮型ゲルアクチュエータの動作を高精度に制御することを可能とし、位置制御等に好適に利用することを可能にする収縮型ゲルアクチュエータの制御方法を提供することを目的とする。
　本出願に係る収縮型ゲルアクチュエータの制御方法は、陽極と陰極との間に、誘電性高分子材料からなるゲルが介装され、前記陽極と陰極との間に電圧を印加することにより厚さ方向に収縮する作用を有する収縮型ゲルアクチュエータの厚さ方向の変位を制御する方法であって、収縮型ゲルアクチュエータに印加電圧Eを作用させた際の変位xについてのサンプリング値から、次式（１）に基いて印加電圧Eをフィードバック制御することを特徴とする。
　　　E = kp (xd － ｘ) ＋ Ed　　　（１）
　xd：収縮型ゲルアクチュエータの目標変位、Ed：収縮型ゲルアクチュエータの印加電圧にともなう変位についての実測結果から、印加電圧と変位とを線形近似したときの、目標変位xdに対する印加電圧、kp：比例ゲイン。
　前記収縮型ゲルアクチュエータは、印加電圧を徐々に上昇させ、徐々に下降させた際の、印加電圧にともなう変位についての特性が、ヒステリシス特性を備えるものであることを特徴とする。
　また、前記収縮型ゲルアクチュエータは、前記陽極がメッシュ状に形成され、前記陰極が箔状に形成された電極からなり、前記陰極の一方の面と他方の面に前記ゲルを被着したゲル体を、層間に前記陽極を介在させて、複数層に積層して形成したものであることを特徴とする。また、前記収縮用ゲルアクチュエータは、前記ゲルが、アジピン酸ジブチルを加えたPVCからなるものであることを特徴とする。
　本発明に係る収縮型ゲルアクチュエータの制御方法によれば、収縮型ゲルアクチュエータの変位を高精度に制御することが可能であり、位置制御用の制御素子等として収縮型ゲルアクチュエータを利用することが可能となる。
収縮型ゲルアクチュエータの構成及び作用を示す説明図である。 収縮型ゲルアクチュエータの印加電圧に対する変位を測定した結果を示すグラフである。 収縮型ゲルアクチュエータをフィードバック制御する制御装置のブロック図である。 収縮型ゲルアクチュエータをフィードバック制御した場合の、電圧印加後の変位の過渡特性を示すグラフである。 収縮型ゲルアクチュエータを開ループ制御した場合（ａ）と、閉ループ制御した場合（ｂ）の収縮型ゲルアクチュエータの動作を示すグラフである。 収縮型ゲルアクチュエータに印加する電圧の周波数を変えたときのゲイン曲線を示すグラフである。
　１０　収縮型ゲルアクチュエータ
　１１　ゲル体
　１２　電極
　１３ａ、１３ｂ　ゲル
　１４　メッシュ電極
　２０　レーザ変位計
　３０　コンピュータ
（収縮型ゲルアクチュエータ）
　図１は、本発明に係る収縮型ゲルアクチュエータの制御方法を適用する収縮型ゲルアクチュエータの構成とその作用を示す。
　本実施形態の収縮型ゲルアクチュエータ１０は、箔状に形成した電極１２の一方の面と他方の面にゲル１３ａ、１３ｂを被着したゲル体１１を、メッシュ状に形成したメッシュ電極１４を層間に介在させて、厚さ方向に複数段に積み重ねて形成されている。図示例の収縮型ゲルアクチュエータ１０は、中央部に連通空間を設けるように電極１２等を円形リング状としているが、ゲル本体１１等は円形等の任意の形状に形成できる。
　図１（ａ）は、電極１２とメッシュ電極１４との間に電圧を印加していない状態、図１（ｂ）は電極を印加した状態である。図のように、電極１２を陰極、メッシュ電極１４を陽極として電圧を印加すると、収縮型ゲルアクチュエータ１０は厚さ方向に収縮し（図１（ｂ））、電圧の印加を解除すると、元の厚さに復帰する（図１（ａ））。この収縮型ゲルアクチュエータ１０の収縮作用は、電圧を印加すると、メッシュ電極１４のメッシュの隙間にゲルが引き込まれ（入り込む）ゲルが引き込まれることによって厚さが薄くなる（圧縮される）ことによって生じる。
　電場を作用させた際にこのような作用をなすゲルとしては、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン６、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル等の誘電性高分子材料が知られている。
　本実施形態においては、ゲル１３ａ、１３ｂとして、可塑剤としてアジピン酸ジブチル（DBA)を加えたPVCを使用した。ゲルの膜厚は０．６～１．０ｍｍである。
　また、電極１２には、厚さ０．０１ｍｍのステンレス箔を使用し、メッシュ電極１４には、線径０．２ｍｍ、メッシュ孔１．１×１．１ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのステンレスメッシュを使用した。
　収縮型ゲルアクチュエータ１０の厚さ方向の変位量は、ゲル体１１の積層数を多くすることによって大きくなる。下記の実験で使用した収縮型ゲルアクチュエータ１０はゲル体１１を８層としたものである。
（収縮ゲルアクチュエータの特性）
　本実施形態の収縮型ゲルアクチュエータは、600Ｖの電圧印加時の変位率が10％以上、アクチュエータとしての応答特性が約７Hz、収縮時の発生力は約3kPaであった。また、印加する電場にともなってアクチュエータとしての剛性が増加することが認められた。
　図２は、上記収縮型ゲルアクチュエータについて、印加電圧にともなう変位量（収縮変位）を測定した結果を示す。測定は、印加電圧を0Vから600Vの間を連続的に上昇・下降させ、レーザ変位計を用いてゲルアクチュエータの変位を測定する方法によって行った。
　本実験において、0Vから600Vまで上昇させ、600Vから0Vまで下降させるまでの一周期の時間は10(sec)である。繰り返し、上昇・下降させた際も、ほぼ同一のヒステリシスカーブを描く。
　図２に示すグラフは、収縮型ゲルアクチュエータに電圧を印加すると、電圧を上昇させていった際と、電圧を下降させていった際とで、変位量が異なるというヒステリシスの特性を示している。すなわち、収縮型ゲルアクチュエータは、印加電圧に対して変位量が常に一定になるとは限らず、電圧の印加履歴により、同一の電圧を印加したとしても変位量が異なる場合がある。
　実際の収縮型ゲルアクチュエータは、使用するゲルの素材や、ゲルの厚さ、大きさ、ゲル体の積層数といった特性に関与する種々の要因があるから、印加電圧に対する変位量やヒステリシスの特性もいろいろと異なることが十分に考えられる。収縮型ゲルアクチュエータのこのようなヒステリシス特性は従来から知られているものではなく、今回、新たに得られた特徴的な作用である。
　このように、印加電圧に対する変位量やヒステリシス特性がさまざまに異なる収縮ゲルアクチュエータを、高精度に変位を制御することが求められる位置制御等の制御要素として利用できるようにするには、単に、特定の変位を生じさせる電圧を印加するといった制御方法では不十分であり、ヒステリシス特性を備えていることを考慮して制御方法を工夫する必要がある。
　以下では、このようなヒステリシス特性を備える収縮型ゲルアクチュエータを位置制御する方法について述べる。
（フィードバック制御方法）
　本発明においては、このようなヒステリシス特性を備える収縮型ゲルアクチュエータを制御する方法として、収縮型ゲルアクチュエータに作用させる電圧を収縮型ゲルアクチュエータの変位を計測し、その結果に基づき特定の補正を加えてフィードバック制御する。
　本発明においては、次式（１）に示す制御則にしたがってフィードバック制御する。
　　　E ＝ kp ( xd－ｘ）＋ Ed ・・（１）
　　　Ed＝xd／α・・・（２）
　上記（２）式は、図２に示した印加電圧に対する変位量の測定結果から、印加電圧と変位量が線形関係にあると近似したときの、目標変位xdを得るための印加電圧Edを表す。αは近似直線の傾きである。
　（１）式の第１項目は、目標変位xdと、サンプリングして得た実際の変位ｘとの差と、比例ゲインkpとの積であり、目標とする変位と実際の変位との差に基づいて印加電圧に補正を加える項である。第２項目は、線形モデルから導いた目標とする変位を生じさせる印加電圧であり、いわばオフセット項である。
　図３は、上述したフィードバック制御方法を用いて収縮型ゲルアクチュエータを制御する制御装置のブロック図である。この制御装置においては、収縮型ゲルアクチュエータ１０の変位量をレーザ変位計２０により検知し、レーザ変位計２０の計測結果に基づいてコンピュータ３０により収縮型ゲルアクチュエータ１０に加える印加電圧を演算し、演算結果を収縮型ゲルアクチュエータ１０に作用させる電圧としてフィードバックする。
（実験結果）
　図４は収縮型ゲルアクチュエータの目標変位をxd＝0.4mm、0.5mm、0.6mmと設定して、上述したフィードバック制御を行った場合の収縮型ゲルアクチュエータの変位を測定した結果を示す。フィードバック制御は、レーザ変位計のサンプリングタイムを0.1(ms)として行った。
　いずれについても、電圧を印加開示時から約0.2s経過時までは目標変位から外れる過渡的状態が見られるが、約0.2ｓ経過後には目標変位に収束し、それ以後、目標変位を維持している。
　この実験結果は、前述したフィードバック制御方法が、収縮型ゲルアクチュエータの変位を正確に制御する方法として有効に機能することを示している。
　図５は、収縮型ゲルアクチュエータを周期的に変位させる（周期的に伸縮させる）制御を行った場合のゲルアクチュエータの挙動を測定した結果を示す。図５（ａ）は、開ループ制御、すなわち、収縮型ゲルアクチュエータに印加する電圧を、目標とする変位が生じるように線形モデルに基づいて印加した場合である。測定結果は、目標とする周期的変位に対して、収縮型ゲルアクチュエータの動作が外れ、目標とする周期的動作を完全にはなし得ていないことがわかる。
　図５（ｂ）は、閉ループ、すなわち上述したフィードバック制御を適用して収縮型ゲルアクチュエータを制御した場合である。実験結果は、この場合には、目標とする周期的変位に完全に合致した動作をなし得ていることを示す。
　図５は、収縮型ゲルアクチュエータに上述したフィードバック制御を適用する方法が、収縮型ゲルアクチュエータの変位を制御する方法としてきわめて有効であることを示している。
　図６は、図１に示した収縮型ゲルアクチュエータに印加する電圧の周波数を変えたときに、周波数によって、ゲインがどのように変わるかを測定した結果を示す。図６の実験結果は、フィードバック制御しない場合には、印加電圧の周波数が1Hzを超えると徐々にゲインが減少する傾向にあるのに対し、フィードバック制御した場合には、10Hz程度まではゲインが減少せず、10Hzを超えてゲインが減少したことを示す。この実験結果は、フィードバック制御が、収縮ゲルアクチュエータの応答特性を改善する作用としても有効に機能していることがわかる。
　上述した実験結果は、ヒステリシス特性を有する収縮ゲルアクチュエータを高精度に位置制御する方法として、上述した制御則に基づくフィードバック制御を行う方法が有効であることを示すものである。
　本発明に係るフィードバック制御方法が、上述した高精度の位置制御に有効に機能する理由は、収縮ゲルアクチュエータをフィードバック制御する印加電圧（E)として、実測して得られた印加電圧と変位量の関係を線形近似して得たオフセット値（Ed)を印加電圧（E)の制御則に取り入れたことによると考えられる。
　本発明において取り上げた収縮型ゲルアクチュエータのようにヒステリシス特性を有するものに対してフィードバック制御の制御則をどのように定式化することが有効であるかは、実際にフィードバック制御を行ってみないとわからない。通常のフィードバック制御では、目標変位からのずれに基づいた値を補正項とする。本発明は、この補正項に上記のオフセット値を加えてフィードバック電圧とすることにより、収縮型ゲルアクチュエータがヒステリシス特性を有する場合であっても高精度のフィードバック制御が可能になることをはじめて見出したものである。収縮型ゲルアクチュエータにおいて前述したフィードバック制御が有効に機能するのは、収縮型ゲルアクチュエータが一定の弾性を備えており、オフセット値を付加することで、この弾性による変動要素を効果的に抑えることができ、安定した制御が可能になったものと考えられる。
　なお、本発明において対象とする収縮型ゲルアクチュエータは、上記実施形態において使用したメッシュ電極１４を陽極とし、箔状の電極１２を陰極として、ゲル体１１を複数個積層したゲルアクチュエータの構成に限定されるものではない。たとえば、ゲル体１１を複数個積層せず、単層としたものを使用することも可能であり、表面に凹凸を設けたゲルを使用して、陽極、陰極ともに箔状に形成した電極として収縮動作をさせるように構成することも可能である。

Claims (4)

  1. 　陽極と陰極との間に、誘電性高分子材料からなるゲルが介装され、前記陽極と陰極との間に電圧を印加することにより厚さ方向に収縮する作用を有する収縮型ゲルアクチュエータの厚さ方向の変位を制御する方法であって、
    　収縮型ゲルアクチュエータに印加電圧Eを作用させた際の変位xについてのサンプリング値から、次式（１）に基いて印加電圧Eをフィードバック制御する収縮型ゲルアクチュエータの制御方法。
    　　　E = kp (xd － ｘ) ＋ Ed　　　（１）
    　xd：収縮型ゲルアクチュエータの目標変位
    　Ed：収縮型ゲルアクチュエータの印加電圧にともなう変位についての実測結果から、印加電圧と変位とを線形近似したときの、目標変位xdに対する印加電圧
    　kp：比例ゲイン
  2. 　前記収縮型ゲルアクチュエータは、
    　印加電圧を徐々に上昇させ、徐々に下降させた際の、印加電圧にともなう変位についての特性が、ヒステリシス特性を備えるものであることを特徴とする請求項１記載の収縮型ゲルアクチュエータの制御方法。
  3. 　前記収縮型ゲルアクチュエータは、
    　前記陽極がメッシュ状に形成され、前記陰極が箔状に形成された電極からなり、
    　前記陰極の一方の面と他方の面に前記ゲルを被着したゲル体を、層間に前記陽極を介在させて、複数層に積層して形成したものであることを特徴とする請求項１または２記載の収縮型ゲルアクチュエータの制御方法。
  4. 　前記収縮用ゲルアクチュエータは、
    　前記ゲルが、アジピン酸ジブチルを加えたPVCからなるものであることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項記載の収縮型ゲルアクチュエータの制御方法。
PCT/JP2011/074927 2010-12-17 2011-10-28 収縮型ゲルアクチュエータの制御方法 WO2012081314A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11849616.5A EP2654194A4 (en) 2010-12-17 2011-10-28 CONTROL PROCEDURE FOR A CONTACT GUN ACTUATOR
US13/993,949 US9118262B2 (en) 2010-12-17 2011-10-28 Control method for contract-type gel actuator and control device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010-281235 2010-12-17
JP2010281235A JP5288417B2 (ja) 2010-12-17 2010-12-17 収縮型ゲルアクチュエータの制御方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012081314A1 true WO2012081314A1 (ja) 2012-06-21

Family

ID=46244429

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2011/074927 WO2012081314A1 (ja) 2010-12-17 2011-10-28 収縮型ゲルアクチュエータの制御方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9118262B2 (ja)
EP (1) EP2654194A4 (ja)
JP (1) JP5288417B2 (ja)
WO (1) WO2012081314A1 (ja)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5421301B2 (ja) * 2011-01-28 2014-02-19 本田技研工業株式会社 バルブ装置
JP2013256590A (ja) * 2012-06-12 2013-12-26 Seiko Epson Corp 変形材料およびアクチュエーター
JP6256899B2 (ja) * 2012-08-06 2018-01-10 国立大学法人信州大学 高分子ゲルを用いたセンサ
JP6074791B2 (ja) * 2012-09-06 2017-02-08 国立大学法人信州大学 伸縮性衣類
JP6212365B2 (ja) * 2013-11-22 2017-10-11 日本信号株式会社 高分子アクチュエータ
JP6410506B2 (ja) * 2014-07-29 2018-10-24 国立大学法人信州大学 呼吸引き込み装置
WO2016193131A1 (en) * 2015-06-03 2016-12-08 Koninklijke Philips N.V. Actuator device based on an electroactive polymer
WO2017036695A1 (en) 2015-08-31 2017-03-09 Koninklijke Philips N.V. Actuator and sensor device based on electroactive polymer
WO2017216107A1 (en) * 2016-06-13 2017-12-21 Koninklijke Philips N.V. Electroactive polymer actuator device and driving method
EP3469630B1 (en) 2016-06-14 2020-01-22 Koninklijke Philips N.V. Electroactive polymer actuator device and driving method
CN109417121A (zh) * 2016-06-29 2019-03-01 皇家飞利浦有限公司 Eap致动器和驱动方法
JP6881753B2 (ja) * 2016-08-29 2021-06-02 国立大学法人信州大学 ゲルアクチュエータ
JP6324566B2 (ja) * 2017-03-13 2018-05-16 国立大学法人信州大学 高分子ゲルを用いたセンサ
JP6888558B2 (ja) * 2018-01-19 2021-06-16 豊田合成株式会社 触感提示装置
CN111785826B (zh) * 2020-06-11 2022-08-16 西安交通大学 一种基于pvc凝胶驱动的低压电致收缩致动器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0241685A (ja) * 1988-07-29 1990-02-09 Toyota Central Res & Dev Lab Inc メカノケミカルアクチュエータ
JPH0525316A (ja) * 1991-07-24 1993-02-02 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 磁気応答材料
JP2000101159A (ja) * 1998-09-21 2000-04-07 Nitta Ind Corp アクチュエータの制御方法
JP2003282982A (ja) * 2002-03-25 2003-10-03 Nitta Ind Corp ポリウレタンエラストマー・アクチュエータ
JP2009273204A (ja) 2008-05-02 2009-11-19 Shinshu Univ 高分子柔軟アクチュエータ
JP2010074900A (ja) * 2008-09-17 2010-04-02 Panasonic Corp 駆動装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6707230B2 (en) * 2001-05-29 2004-03-16 University Of North Carolina At Charlotte Closed loop control systems employing relaxor ferroelectric actuators
JP2007043851A (ja) 2005-08-04 2007-02-15 Canon Inc 圧電アクチュエータの位置制御装置
JP5773887B2 (ja) 2009-02-19 2015-09-02 オークランド・ユニサービシス・リミテッド 誘電エラストマーアクチュエータの静電容量を決定するためのシステムおよび方法
JP5421301B2 (ja) * 2011-01-28 2014-02-19 本田技研工業株式会社 バルブ装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0241685A (ja) * 1988-07-29 1990-02-09 Toyota Central Res & Dev Lab Inc メカノケミカルアクチュエータ
JPH0525316A (ja) * 1991-07-24 1993-02-02 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 磁気応答材料
JP2000101159A (ja) * 1998-09-21 2000-04-07 Nitta Ind Corp アクチュエータの制御方法
JP2003282982A (ja) * 2002-03-25 2003-10-03 Nitta Ind Corp ポリウレタンエラストマー・アクチュエータ
JP2009273204A (ja) 2008-05-02 2009-11-19 Shinshu Univ 高分子柔軟アクチュエータ
JP2010074900A (ja) * 2008-09-17 2010-04-02 Panasonic Corp 駆動装置

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Characteristic Evaluation of a Multilayered PVC Gel Actuator", PROCEEDINGS OF THE 9TH SICE (THE SOCIETY OF INSTRUMENT AND CONTROL ENGINEERS) SYSTEM INTEGRATION DIVISION ANNUAL CONFERENCE, 2008, pages 283 - 284
"Characteristics Evaluation of PVC Gel Actuators", THE 2009 IEEE/RSJ INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTELLIGENT ROBOTS AND SYSTEMS (IROS 2009, 2009, pages 2898 - 2903
"Development of Contraction-type PVC Gel Actuator", PROCEEDINGS OF THE 46TH HOKURIKU-SHINETSU BRANCH REGULAR MEETING OF THE JAPAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, 2009, pages 415 - 416
POLYMER PREPRINTS, JAPAN, vol. 55, no. 2, 2006, pages 4557 - 4558
PROCEEDINGS OF IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ROBOTICS AND BIOMIMETICS (ROBIO 2008, 2009, pages 745 - 750
See also references of EP2654194A4

Also Published As

Publication number Publication date
US9118262B2 (en) 2015-08-25
JP5288417B2 (ja) 2013-09-11
JP2012130201A (ja) 2012-07-05
EP2654194A1 (en) 2013-10-23
US20130264972A1 (en) 2013-10-10
EP2654194A4 (en) 2015-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5288417B2 (ja) 収縮型ゲルアクチュエータの制御方法
EP3870860A1 (en) Structure with selectively variable stiffness
Pei et al. Multifunctional electroelastomer rolls and their application for biomimetic walking robots
JP2019525459A (ja) Ｅａｐアクチュエータ及び駆動方法
Chuc et al. A dielectric elastomer actuator with self-sensing capability
EP3459126B1 (en) Actuator device based on an electroactive polymer
Wang et al. Modeling and inverse feedforward control for conducting polymer actuators with hysteresis
Zhang et al. Closed loop control of force operation in a novel self-sensing dielectric elastomer actuator
Ogawa et al. Characteristics evaluation of PVC gel actuators
EP3449515B1 (en) Eap actuator and drive method
JP6324047B2 (ja) ゲルアクチュエータ
Choi et al. Multiple degree-of-freedom digital soft actuator for robotic applications
Chuc et al. Artificial muscle actuator based on the synthetic elastomer
Itik Repetitive control of a trilayer conjugated polymer actuator
JP6881753B2 (ja) ゲルアクチュエータ
Ehrlich et al. High-performance dielectric elastomer unimorph bending actuators without pre-stretch
Otsuki et al. Time response properties on deformation velocity for a solid polymer electrolyte sensor
Shibagaki et al. Modeling of a contraction type PVC gel actuator
JP2015211577A (ja) アクチュエータ、積層型アクチュエータおよび補助具
Hashimoto Development of an artificial muscle using PVC gel
John et al. Towards the position control of conducting polymer trilayer bending actuators with integrated feedback sensor
Bhat et al. System identification and control of ionic polymer metal composite
JP3341636B2 (ja) 圧電アクチュエータの制御装置
Hashimoto Motion Control
OTSUKI et al. CURVATURE SENSOR USING A SOLID POLYMER ELECTROLYTE

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11849616

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2011849616

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011849616

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13993949

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE