2017 Fiscal Year Research-status Report
A multiple DOF manipulator with rolling contact joint mechanism driven by super-coiled polymer actuators
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17K06259
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
西川 敦 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (20283731)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩本 憲泰 信州大学, 学術研究院繊維学系, 助教 (30778816)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | アクチュエータ / ナイロン繊維 / 転動関節機構 / 遊星関節機構 / 拮抗駆動系 / 撚糸機 / 繊維機械 / 多自由度マニピュレータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2014年にHainesらによって提案されたナイロン繊維アクチュエータ（Super Coiled Polymer アクチュエータ、SCPアクチュエータ）が次世代のロボットのアクチュエータとして期待されている。ナイロン繊維をコイル状にツイストし熱処理するだけで完成するため、非常に安価で出力重量比が高いというメリットがある。一方でSCPアクチュエータの最大収縮率は10%程度と低いため、大きな関節角度を獲得するためには十分な長さのSCPアクチュエータが必要となる。そこで、本研究では、SCPアクチュエータの低い最大収縮率を楕円型転がり接触関節機構(転動関節機構)を利用することで解決する。本研究の最終目標は、転動関節機構を基に低コスト・コンパクトな多自由度マニピュレータの具現化を行うことである。29年度の実績は以下の３点である。
（１）SCPアクチュエータを搭載した1自由度拮抗駆動プーリーシステムにおける高速な位置制御手法を提案した。ここでの1自由度拮抗駆動プーリーシステムはマニピュレータの一関節にあたる。先行研究である小野らが実現した拮抗駆動プーリーシステムでは位置制御の応答時間が3[s]であったのに対し、我々のグループではYipらが提案しているSCPアクチュエータの制御を拮抗駆動プーリーシステムに拡張することで、応答時間を0.5～0.8[s]にまで短縮した（第35回日本ロボット学会学術講演会で発表）。
（２）SCPアクチュエータは個体差が大きいことが知られている。一方、原糸をツイストしながら巻き取っていく機械は繊維機械の分野で撚糸機として知られている。本研究では、SCPアクチュエータの安定した性能を確保するため、SCPアクチュエータ製作用の撚糸機を独自に試作した（第35回日本ロボット学会学術講演会で発表）。
（３）楕円型転がり接触関節機構（転動関節機構）に関するPCT出願を行った。
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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
交付申請書に記載した研究実施計画では、平成29年度の実施課題として、以下の３つの課題を挙げていた。
（１）SCPアクチュエータの収縮量を機械的に増幅する転動関節機構の設計・製作（評価指標：低収縮率かつ長さの短いアクチュエータでも大きな関節角度を実現できるか）
（２）SCPアクチュエータを拮抗配置した拮抗駆動系のモデリング・制御（評価指標：強い非線形性がある系でもスムーズで高精度な位置決めができるか）
（３）SCPアクチュエータの集積手法の確立による発生力の強化（評価指標：アプリケーションに必要な発生力が適切に生成できるか）
上記のうち、（１）は達成し、特許出願を行うことができた。（２）も達成し、第35回日本ロボット学会学術講演会にて成果発表を行うことができた。（３）については未完であるが、一方、その準備としてアクチュエータの安定した性能を確保するための撚糸機の試作を行い、（２）と同様、第35回日本ロボット学会学術講演会にて成果発表を行っている。以上より、当初計画した実施内容に関して順調に成果が出ており、「おおむね順調に進展している」と自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
29年度の研究成果を踏まえ、30年度は以下の３つのサブ課題を特に推進する予定である。
（１）SCPアクチュエータの収縮量を機械的に増幅する転動関節機構を用いた拮抗駆動系の構築と制御：前年度に達成した２つの成果を組み合わせることで、本研究の根幹となる転動関節機構の可動範囲や目標値追従性などの各種性能評価を行い、最終年度の多自由度マニピュレータ構築に向けた課題を明らかにする。
（２）SCPアクチュエータを拮抗配置した1自由度拮抗駆動システムに対するヒステリシス性の検証：SCPアクチュエータはヒステリシス性を有することが知られているが、拮抗駆動系全体としてのヒステリシス性は明らかになっていない。そこで、まず、拮抗するSCPアクチュエータの協調度合いの定式化を行い、筋協調制御系を新たに構築する。次に、拮抗駆動系に対し、構築した筋協調制御を実装し制御実験を行い、系全体のヒステリシス性を検証する。
（３）市販の撚糸機を用いたナイロン繊維アクチュエータの作製と評価：市販の撚糸機では通常のナイロン繊維の施撚が可能であるが，ナイロン繊維アクチュエータとしての機能として十分な特性を持つか否かは明らかになっていない。そこで、太い径のナイロン繊維を用いたアクチュエータを連続的に生成・回収可能な製造工程の実現を目的とし、本研究組織で保有する市販の撚糸機を用いてナイロン繊維アクチュエータの自動作製を試みる。
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Research Products
(3 results)
