2017 Fiscal Year Research-status Report
三次元造形技術を利用した柔軟・高精度な立体型触覚センサの研究開発
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17K06257
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
鈴木 陽介 金沢大学, 機械工学系, 助教 (20582331)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 触覚センサ / ソフトロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒトの指の触覚のように、指先構造内部の深度の異なる位置に触覚エレメントを有する触覚センサの開発を目的として、これまでに2通りの構成方法を提案した。
ひとつは2層のシート状の触覚センサを柔軟な樹脂層の内部に封入する構成方法である。触覚センサには従来研究で開発した離散型荷重分布重心位置（CoP）センサを用い、これを柔軟なフレキシブル基板と感圧導電性ゴムシートを用いて厚さ0.5mm程度で構成した。幾何学的に相似な構成となる2層のCoPセンサシートを、厚さ4mmもしくはそれ以下の柔軟な樹脂層の両面に配置することで、面方向と厚さ方向の両方に空間的な広がりを持って感圧エレメントを有する触覚センサを実現した。特性実験の結果、浅部と深部の触覚センサは圧縮荷重に対しては異なるダイナミックレンジを有し、そのため両者を利用することで総合的に広い感圧範囲を実現できた。また、せん断荷重に対しては異なる感度を示し、両者の差異からせん断荷重を推定可能であることが確認された。本センサをロボット指先に搭載することで、簡易な触覚フィードバック制御によって、把持物体との接触力と接触位置または接触状態をコントロールできることを実験により示した。
もうひとつの構成方法は、柔軟なシリコーンゴム層の内部に伸縮性を持つ導電材料である導電性繊維を封入するものである。ロボット指構造の柔軟性として、加圧時に変形することで接触面積を増大させるだけでなく、引張荷重が加わった際に伸長可能な特性を有することで、関節部などの可動部位への触覚センサの埋込が可能となる。触覚センシング回路には、新規に開発した少ない素子数で実現可能な分布型触覚センサ回路を実装した。本回路を、導線部分には導電性繊維を、感圧部には感圧導電性ゴムを使用して構成した。特性試験により、伸縮や曲げによる誤反応は無く、ハンマによる打撃や水濡れへの耐性も有することが確認された。
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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
これまでに2通りの触覚センサの構成方法を開発した。ひとつは2層のシート状の触覚センサを柔軟な樹脂層の内部に封入する構成方法である。触覚センサには従来研究で開発した離散型荷重分布重心位置（CoP）センサを用い、これを柔軟なフレキシブル基板と感圧導電性ゴムシートを用いて厚さ0.5mm程度で構成した。幾何学的に相似な構成となる2層のCoPセンサシートを、厚さ4mmもしくはそれ以下の柔軟な樹脂層の両面に配置することで、面方向と厚さ方向の両方に空間的な広がりを持って感圧エレメントを有する触覚センサを実現した。なお、センサの基部は3DプリンタARM-10を用いて硬質の樹脂によって製造し、この表面に上記の触覚センサを構成した後、その周囲を柔軟な樹脂カバーによって被覆する構成とすることで、耐久性と防水性の実現を試みた。
もうひとつの構成方法は、柔軟なシリコーンゴム層の内部に伸縮性を持つ導電材料である導電性繊維を封入するものである。ロボット指構造の柔軟性として、加圧時に変形することで接触面積を増大させるだけでなく、引張荷重が加わった際に伸長可能な特性を有することで、関節部などの可動部位への触覚センサの埋込が可能となる。触覚センシング回路には、新規に開発した少ない素子数で実現可能な分布型触覚センサ回路を実装した。本回路を、導線部分には導電性繊維を、感圧部には感圧導電性ゴムを使用して構成した。これを柔軟性の異なる2種類のシリコーンゴムを成型したシートで挟み込むことで、表面部分は強度を有しながらも内部は高い柔軟性を有する、タフさと伸縮性を両立したセンサ構造とした。
以上の構成方法は当初予定したものとは異なるが、従来に無い有用な検出特性を有する触覚センサが実現できており、さらなる改良の余地も有している。これらのことから、本研究課題は概ね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初予定した構成方法である、導電性金属を造形可能な3DプリンタVoxel8が入手困難であるため、柔軟樹脂を造形可能な3DプリンタARM-10の利用、あるいは、水溶性サポート材とともに硬質樹脂を造形可能な3DプリンタMF-2200Dで型を作成して製造するシリコーン材料の利用によって柔軟構造を作成し、その内部に導電性材料（フレキシブル基板や導電性繊維、導電性流体など）を封入する方法をさらに改良する。特に、フレキシブル基板を多層構造にした触覚センサは、その浅部および深部の触覚エレメントが出力する信号の差異から、圧縮方向のみでなくせん断方向への荷重が推定可能であることが確認できているため、この研究をさらに進展させる方針である。具体的には、造形精度の向上による触覚感度および防水性の向上と、表面摩擦特性のコントロールを課題として取り組むことを検討している。以上に加えて、シーリングの問題を解決して導電性流体を利用したセンサ構造の開発にも着手することを考えている。一方、伸縮性を有する触覚センサに関しては、ロボット指や他の多関節ロボットの表面に被覆する方法の開発を進め、実環境での有用性を向上させることを検討している。
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