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2017 Fiscal Year Research-status Report

Establishment of basic design principle of pneumatically driven soft actuator

Research Project

Project/Area Number 17K14633
Research InstitutionRitsumeikan University

Principal Investigator

王 忠奎  立命館大学, 理工学部, 助教 (50609873)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2019-03-31
Keywordsソフトロボティクス / ソフトアクチュエータ / ソフトグリッパー
Outline of Annual Research Achievements

2017年度は、主にソフトアクチュエータのダイナミクス、有限要素モデル、材料の影響、プレストレスアクチュエータに関する研究を行なった。具体的な実績は下記の通りである。

1.リンク、ばね、ダンパーの基本要素を用いて、ソフトアクチュエータの動的モデルを提案した。最適化方法を用いて、モデルに関わる力学パラメータを推定した。このモデルを用いて、ソフトアクチュエータの変形挙動を再現できた。把持対処物との接触力の推定もできた。2.プレストレスのアイデアを採用して、初期状態が巻き上がっているソフトアクチュエータを提案した。負圧でアクチュエータを巻き上がると比較することによって、プレストレスしたアクチュエータは対象物を優しく掴めることが分かった。食品材料を用いて実験テストを行なった。3.異なる製作方法と異なる材料を用いて、ソフトアクチュエータを製作した。製作方法と材料の影響を実験的に検討した。3Dプリンタで造形したアクチュエータより、キャスティングで作製したアクチュエータはばらつきが大きい一方で、耐久性は優れたことが分かった。また、材料は柔らかければ柔らかいほど、把持力と持上げる重量が大きいということが考えられる。4.ソフトアクチュエータの有限要素モデルを構築した。幾何非線形を導入し、シミュレーションを行なった。実験計測したデータと比較することによって、モデルの有効性を検討した。ソフトアクチュエータの設計と挙動予測の際、構築した有限要素モデルを活用した。

これらの研究結果を基づいて、論文誌論文5本、国際会議論文5編、特許1件、国際学会での発表8件、展示会での出展2回の研究成果ができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実施計画の通りに進めてきた一方で、変更点と新しく加えた点があった。
1.変更点:1)アクチュエータ材料の摩擦係数を自分で計測することの変わりに、公表されたデータを採用し、研究を進めてきた。自分で計測する実験は平成30年度に行う予定である。2)有限要素ソフトABAQUSとMATLABを連携して、ソフトアクチュエータの最適化することの変わりに、ABAQUSと最適化ソフトIsightを連携することに変更した。これによって、アクチュエータの最適化はよりスムーズに実現することができる。
2.加えた点:1)アクチュエータのパフォーマンスに対して、異なるゴム材料と3Dプリンタ材料の影響を実験的に比較した。2)高速シミュレーションと制御のため、リンク、ばね、とダンパーを用いて、簡略したアクチュエータの動的モデルを開発した。モデルの力学パラメータを推定した。3)崩れやすい対象物をより優しく掴めるため、プレストレスをしたソフトアクチュエータを提案した。パフォーマンスを実験的にテストを行なった。

また、学科で新しく導入した最先端の3Dプリンタを利用することによって、より早く、数多くのアクチュエータデザインを試すことができ、研究の進捗に役に立った。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度の計画は下記の通りである。
1.ソフトアクチュエータ材料の摩擦係数を計測する。一般ゴム材料と3Dプリンタ材料の摩擦係数をスロープ実験で求める。結果を比較することによって、摩擦係数の影響を理論的にまとめる。
2.ABAQUSとIsightを連携し、アクチュエータの材料特性を推定する。アクチュエータ材料の影響を定量的に評価する。この結果を基づいて、異なる応用に対して、相応しい材料の選択方法を提案する。
3.ABAQUSとIsightを用いて、ソフトアクチュエータのモルフォロジー最適化を行なう。設計パラメータとアクチュエータパフォーマンスの関係を作り出すことによって、ソフトアクチュエータの設計原則と基準をまとめる。
4.これらの研究結果を活用し、食品材料のハンドリング、特に崩れやすいものを対象として、最適なソフトアクチュエータのデザインや新しいアクチュエータの提案を行なう予定である。

  • Research Products

    (15 results)

All 2018 2017 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Grasping state estimation of printable soft gripper using electro-conductive yarn2017

    • Author(s)
      Matsuno Takahiro, 王忠奎, Hirai Shinichi
    • Journal Title

      Robotics and Biomimetics

      Volume: 4:13 Pages: -

    • DOI

      10.1186/s40638-017-0072-4

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Comparison of Different Soft Grippers for Lunch Box Packaging2017

    • Author(s)
      王忠奎, Mingzhu Zhu, Sadao Kawamura, and Shinichi Hirai
    • Journal Title

      Robotics and Biomimetics

      Volume: 4:10 Pages: -

    • DOI

      10.1186/s40638-017-0067-1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A Prestressed Soft Gripper: Design, Modeling, Fabrication, and Tests for Food Handling2017

    • Author(s)
      王忠奎, Yuuki Torigoe, and Shinichi Hirai
    • Journal Title

      IEEE Robotics and Automation Letters

      Volume: 2/4 Pages: 1909-1916

    • DOI

      10.1109/LRA.2017.2714141

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Wrin'Tac: Tactile Sensing System with Wrinkle's Morphological Change2017

    • Author(s)
      Van Ho, Hideyasu Yamashita, 王忠奎, Shinichi Hirai, and Koji Shibuya
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Industrial Informatics

      Volume: 13/5 Pages: 2496-2506

    • DOI

      10.1109/TII.2017.2718660

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Soft Gripper Dynamics Using a Line-Segment Model with an Optimization-Based Parameter Identification Method2017

    • Author(s)
      王忠奎 and Shinichi Hirai
    • Journal Title

      IEEE Robotics and Automation Letters

      Volume: 2/2 Pages: 624-631

    • DOI

      10.1109/LRA.2017.2650149

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Chamber Dimension Optimization of a Bellow-Type Soft Actuator for Food Material Handling2018

    • Author(s)
      王忠奎 and Shinichi Hirai
    • Organizer
      The First IEEE-RAS International Conference on Soft Robotics (RoboSoft 2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Design and Fabrication of a Soft-Bodied Gripper with Integrated Curvature Sensors2017

    • Author(s)
      Mingzhu Zhu, 王忠奎, Kawamura Sado, and Shichichi Hirai
    • Organizer
      IEEE 24th International Conference on Mechatronics and Machine Vision in Practice (M2VIP2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Soft Robotic Gripper for Packaging of Japanese Lunch Box2017

    • Author(s)
      王忠奎 and Shinichi Hirai
    • Organizer
      The 13th Joint Workshop on Machine Perception and Robotics (MPR 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Prestressed Soft Gripper: Design, Modeling, Fabrication, and Tests for Food Handling2017

    • Author(s)
      王忠奎, Yuuki Torigoe, and Shinichi Hirai
    • Organizer
      2017 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fabrication and Performance Comparison of Different Soft Pneumatic Actuators for Lunch Box Packaging2017

    • Author(s)
      王忠奎, Mingzhu Zhu, Sadao Kawamura, and Shinichi Hirai
    • Organizer
      2017 IEEE Int. Conf. on Real-time Computing and Robotics (IEEE RCAR 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Real-time Curvature Estimation of Printable Soft Gripper using Electro-conductive Yarn2017

    • Author(s)
      Takahiro Matsuno, 王忠奎, and Shinichi Hirai
    • Organizer
      2017 IEEE Int. Conf. on Real-time Computing and Robotics (IEEE RCAR 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Soft Gripper Dynamics Using a Line-Segment Model with Optimization-Based Parameter Identification Method2017

    • Author(s)
      王忠奎 and Shinichi Hirai
    • Organizer
      2017 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Morphological Computation in Tactile Sensing: The Role of Wrinkle2017

    • Author(s)
      Van Ho, Hideyasu Yamashita, 王忠奎, Shinichi Hirai, Koji Shibuya
    • Organizer
      2017 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] A 3D printable soft gripper

    • URL

      https://www.youtube.com/watch?v=02tnVn5_CJQ

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 空気圧アクチュエータ及び空気圧アクチュエータを備えたグリッパ2017

    • Inventor(s)
      平井慎一,王忠奎
    • Industrial Property Rights Holder
      「学校法人 立命館」
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2017-186729

URL: 

Published: 2018-12-17  

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