2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of robot arm utilizing stiffness change of shape-memory polymer based on temperature
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17K06265
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
高嶋 一登 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (30435656)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ソフトメカニクス / 形状記憶ポリマー / 機械要素 / ロボットアーム / 剛性制御 / 人工筋肉 / 力覚センサ / 触覚センサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、研究代表者がこれまで形状記憶ポリマー（SMP）をロボットへ応用してきた要素技術を組み合わせ、柔軟性と感度可変のロボットアームを開発する。ガラス転移温度の上下で剛性の変化するSMPに電熱線を埋め込み温度制御することによって、微細な感覚と硬さ（人間の柔軟性と工場で従来使われてきた金属製のロボットのような正確性と剛性）を自在に切り替えることが可能になり、高感度と高剛性を併せ持つロボットアームを開発できる。本年度は主に各要素技術の個別開発を進めた。主な研究結果は以下の通りである。
＜姿勢維持機構＞ SMPシートをアームに拮抗して取り付けた姿勢維持機構にモータを追加し、ロボットアームを決められた角度に制御できるプログラムを作成した。2自由度制御システムにより、目標角度に動作可能となった。また、SMPを冷却することでアームの角度を維持できた。
＜人工筋肉＞ SMPを用いた湾曲型空気圧ゴム人工筋にひずみゲージを搭載することで、人工筋の湾曲角度の測定が可能になった。さらに、測定した湾曲角度と目標角度の差を用いた比例制御によって、フィードフォワード制御のみを用いる場合より、目標湾曲角度に追従させることができた。
＜ロボットの皮膚（触覚センサ）＞ 触覚センサ上部に載せた対象物による加圧中心を測定できるプログラムを作成した。また、センサ構造の改良により荷重形状の測定精度が向上した。さらに、センサの測定値を用いて、ロボットアーム上部の目標位置に対象物を移動・保持する動作ができた。
＜力覚センサ＞ ひずみゲージの数や鉄板の有無など構造の異なる4種類のセンサを作製し、測定誤差と感度の評価により、性能を比較した。
＜電熱線埋め込み型SMPシート＞ 電熱線埋め込み型SMPシートの繰返し引張試験を行った結果、シートを十分に加熱することでひずみ10%における繰返し荷重に1000回は耐えられた。
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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
おおむね当初の計画通り、各要素技術の開発・検証を進めることができたため。次年度以降、各要素技術を組み合わせたロボットアームを開発するための改良や、有用な結果・基礎データを得ることができたと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は主に個別の要素技術の開発・検証をしたが、今後は、各要素技術を組み合わせた人間の腕程度の大きさのロボットアームを作製し、応用形態や具体的に必要な仕様などを明確にする。具体的には、介護ロボットへの応用を想定し、使用状況に応じてSMPの柔軟・固定状態を切り替えられるように温度制御しながら、力覚・触覚センサの情報を基に、関節角度を変え、対象物の持ち上げ・保持などを行う。このとき、提案するロボットアームの利点（状況に応じた剛性や形状の変更）についても実際に評価していく。また、これらの検証結果を踏まえて、各要素技術を改良していく。
一方、平成29年度までに未解決の各要素技術の課題解消も進める。例えば、アクチュエータやセンサの構造や制御方法（フィードフォワードモデル等）の最適化などが挙げられる。一方、電熱線埋め込み型SMPシートの冷却方法を含めた温度制御方法についても、マイコンの追加などにより改良を進める。
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| Causes of Carryover |
当初の計画より安価なモータを購入したため、次年度使用額が生じた。今後の研究結果を踏まえ、モータの変更が必要なければ、アームの機械・電子部品の購入にあてる予定である。
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