2016 Fiscal Year Annual Research Report
空気圧駆動インフレータブルロボットアーム実現のための基礎研究
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15H03952
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
川村 貞夫 立命館大学, 理工学部, 教授 (20186141)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田實 佳郎 関西大学, システム理工学部, 教授 (00282236)
河村 晃宏 九州大学, システム情報科学研究院, 助教 (60706555)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ソフトロボット / ポリマセンサ / インフレータブルロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ポリウレタンセンサを利用して，インフレータブルロボットの力フィードバック制御が可能であることを，実験的に示した．光ファイバでポリウレタンシートの光の入力と出力を行い，アームはすべてポリマー製とした．インフレータブルロボットのシート材料として，耐久性の優れたポリラミシートを利用して，3自由度ロボットアームを製作し，運動制御実験を行った．インフレータブル構造内部の圧力を計測することにより，外力を高精度に推定する基礎方程式を示し，法線力のみならず接線力も計測可能なインフレータブル構造センサを開発した．
ポリオールとポリイソシアネートを均一に混合し，減圧脱泡後，型に流し込んで，60-130℃で8～24 時間硬化させ，光弾性を示すポリウレタンシート，ロッドを得た．このウレタンを用い，タッチセンサを試作した．本デバイスには5chのLEDと受光回路を5mm間隔で配置し，光路は接触面から5mm程度上方にある．更にウレタンタッチセンサを市販のロボットアームに取り付け，接触した物体の位置と数を判別できるシステムを構築した．
インフレータブル構造膨張数値シミュレータ開発を行った．前年度に開発した単体のインフレータブル構造膨張シミュレーションを拡張し，インフレータブル構造同士の接触に関する機能の実装を行った．次に，複数のインフレータブル構造の高速なシミュレーションを可能にするため，並列化を行い，並列化前に比べ，約５倍の計算速度を可能とした．これらの結果を，第17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で発表を行い，優秀講演賞を受賞した．
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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
ポリウレタンの光弾性センサの計測ばらつきが予想以上に大きく，インフレータブルロボットアームの関節角度計測への曲げセンサ利用は難しいと判断した．インフレータブルロボットアームの関節角度の計測は，別の方式で計測する予定である．一方，ポリウレタンの光弾性を接触センサとして利用する方法は期待が大きい．微小な部分の微弱な力計測に有用と思われる．
インフレータブル構造の内圧計測を利用した力センサ開発では，内圧から外力を推定する基礎方程式が導出できた．この方程式は構造が単純でありながら，微小な力計測の際に生じる非線形性を忠実に表現できる点が優れている．得られた推定式では，簡単なパラメータ推定のみで，広範囲の計測の精度を高めることが可能となった．
インフレータブルロボットアームの計算機シミュレーションでは，計算効率を高めるアロゴリズムを開発し，剛体の接触面などが存在する場合にも計算可能とした．また，有限要素法との計算結果と比較することによって，提案手法の優位性を示すことができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
インフレータブルロボットアームのセンサフィードバック機能を強化する．接触センサ，曲げセンサ，ビジョンセンサなどを利用して，高速高精度な運動を実現する．特に，リンク構造自体に，剛性および粘性を可変とする機構を開発して，高速運動時にも振動を発生しないアームを開発する．開発されたインフレータブルロボットアームを実際に人の周りで運動させて，利用法を検討する．
プロトタイプシステムでは，位置検出は物体に接触することによって発生した応力により，光弾性に基づき，その透過光強度が変化した場所を，配置されたディテクタを用いて，検出する．ここでは，AD ボードを通して，PC に透過光強度に対応した信号を入力し，リアルタイム処理を行うことで，位置認識などを行うことができる．
本システムの応用の狙いは，ウレタンタッチセンサが微小応力を感知できること，またウレタン自身が柔らかい特徴を活かし，対象物は非常に柔らかく崩れやすいものと考えている（例えば豆腐，プリン等）．そこで，崩れやすい被検物の代表例として豆腐を小さく切り，それを用い位置検出を行った．これについても，その大きさが5mm程度の幅があれば，豆腐の形状を壊さず，位置と個数を検出できることに挑戦する．
計算機シミュレーションによって，様々な形状のインフレータブル構造の設計が可能となる環境を整備する．このシミュレーションによって，機能向上が可能なインフレータブル構造を開発する．
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