High Power Smart Tendon-driven Mechanism by Using Carbon / CNT Fibers
| Project/Area Number |
23K24924
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| Project/Area Number (Other) |
22H03668 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 61050:Intelligent robotics-related
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
遠藤 玄 東京工業大学, 工学院, 教授 (70395135)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
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| Keywords | 炭素繊維 / カーボンナノチューブ / 腱駆動 / ロボット / 炭素繊維ロープ / センサ |
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| Outline of Research at the Start |
炭素繊維は軽量高強度であることから近年，航空機材料や自動車材料として適用の幅を広げている．また単体で炭素繊維を遥かに凌ぐ材料物性をもつカーボンナノチューブ（CNT）の撚糸も生産・商用化が始まっている．
本研究は，炭素繊維またはCNTを原糸としてロープを構成し，これを用いたロボットの新しい高性能腱駆動機構を創造することで，従来のロボット駆動機構では成しえな かった高い機械出力特性と機能性を実現する．特に炭素繊維／CNTロープは軽量 高強度でありながら導電性を有するため，張力伝達のみならず電力・信号伝送や 張力計測など複合的な機能性を創出できる可能性があるため，これに挑戦する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
炭素繊維ロープの基礎特性の把握では，４種類のロープを調達し破断強度と繰り返し曲げ試験を実施した．調達したロープは強度がカタログ値と大きく乖離するものもあり，想定通りの強度が得られていないものもある一方，１種類のロープはPBO繊維に比肩する破断強度であった．また繰り返し曲げに対しては6000回程度で破断に至ったことから，屈曲耐久性はかなり低いことが明らかになった．さらに張力計測の可能性を検討するため，ロープの抵抗値が張力によって変化するかを計測した．その結果，抵抗値変化は計測できるもののその値は100Nで1%程度でヒステリシスも生じることが明らかになった．
炭素繊維ロープの適用先として，２種類の超長尺多関節アームの開発および解析を進めた．ワイヤ干渉駆動型超長尺多関節アームSuper Dragonに関しては，手先関節のコンプライアンス特性について解析と実験を行った．スラスタ駆動型軽量長尺多関節アーム飛龍-IIIでは，PBO繊維を用いた平行リンク機構の粘弾性を実験的に計測するとともに，動力学シミュレータ上で基本的動作が実現できることを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
φ2mmの４種類の炭素繊維ロープを調達し破断強度を計測した．その結果，１種類のロープは破断強度6.16 kNとPBO繊維に比肩する高い強度を確認できた．しかし他のロープは原糸のカタログ値から期待される値と比して大きく劣るものであった．
次に繰り返し曲げ試験を実施した．高強度を確認したロープは，もともとはロープが動かない静的な用途を想定している試作品であるので，本試験を実施できるほどの柔らかさはなかったため，繰り返し曲げ試験は実施できなかった．一方で低強度のロープはしなやかなため繰り返し曲げ試験を実施することができ，いずれも6000回程度で破断に至った．これは他の化学繊維ロープが７万回の繰り返し曲げでも破断しないことを考えると，非常に低い屈曲耐久性であることが分かる．
また申請者らの研究グループで今までに実施した高強度化学繊維のねじり屈曲耐久性について実験結果をまとめ，国際会議論文として投稿し採択された．
さらに張力計測機能を実現できるか検証するため，炭素繊維ロープに張力が作用する場合の抵抗値の変化を計測した．その結果，張力に応じて電気抵抗が変化する様子は確かめられたものの，その変化は測定した範囲で最大1%程度であり，大きなヒステリシスもあることが明らかとなった．
提案するスマート腱駆動の適用先として，ワイヤ干渉駆動型超長尺多関節アームSuper Dragonと，スラスタ駆動型軽量長尺多関節アーム飛龍-IIIの開発を進めた．Super Dragonについては，ロープのもつ弾性によりロープ経路長が長くなるほど，関節駆動が不安定になることを解析的に明らかにし，実験により手先コンプライアンスを計測した．飛龍-IIIでは，平行リンク機構と等価のワイヤ-プーリ系を導入し，PBO繊維を用いた場合の粘弾性を実験的に計測し，動力学シミュレータを用いて安定した動作が実現できることを明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続きより高性能の炭素繊維ロープの調達を試みる．場合によってはメーカに依頼して特殊な仕様のロープを試作することを検討する．またカーボンナノチューブを用いたロープについてもヤーンとロープを調達して基礎特性の計測を実施する．
適用例として超長尺多関節アームの解析と開発を継続的に行う．
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
