2018 Fiscal Year Annual Research Report
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18H03764
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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)
植村 充典 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (00512443)
坂上 憲光 東海大学, 海洋学部, 准教授 (20373102)
堤 治 立命館大学, 生命科学部, 教授 (00313370)
岡田 志麻 立命館大学, 理工学部, 准教授 (40551560)
和田 晃 立命館大学, 理工学部, 助教 (60802121)
Zhu Mingzhu 立命館大学, 立命館グローバル・イノベーション研究機構, 研究員 (50806180)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 軽量柔軟ロボット / インフレータブル構造 / 時間軸変換 / 光弾性 / 液晶エラストマー / ウェアラブルセンシング / ヒューマン-マシンインターフェース / 運動制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
インフレータブル（Inflatable以下IFと記述）構造の数理モデル構築に向けて，対象の実用IF構造を一定範囲に限定するため，モデル指標となるロボット性能を実証した．繰り返し学習制御と時間軸変換による動特性解析では，理論モデル整理，解析，実験システム構築を実施した．
IFアクチュエータ/リンク受動要素の設計・製作では，可搬重量増加，リンク/関節での必要な剛性/粘性確保による振動抑制実現のために，駆動力の空気圧を高圧印加可とする高強度ポリオレフィン織布（三井化学より提供）により，製造法を確立した．ロボットアームを構成し，視覚・圧力フィードバックにより高精度位置制御法を提案した．移動台車に搭載し，物品受け渡しタスクを実現した．IFを並べて構成する場合での固定方法や制御方法も検討中である．
IFロボット用センサ設計・製作では，(1)ポリウレタン光弾性センサ，(2)高分子応力色変化センサの開発に重点を置いた．(1)は，実用性を高める組成及び構造を最適化した．せん断力の応答性を確保するポリオール成分と芳香族イソシアネートからなるポリウレタンが適することを実験的に示した．(2)は，材料であるキラル液晶エラストマーを大面積かつ均一にする製作法を開発し，ひずみ-反射波長の相関をまとめた．センサの粘弾性設計をポリジメチルシロキサンゴムと組み合わせることで可能なことを示した．
IF構造ロボットシステム設計・製作では，(A)ウェアラブルリハビリ装具，（B）ワイヤ駆動，(C)複数IFアクチュエータ/センサの制御を検討した．(A)は，低拘束とする筋電位・前腕変形の計測具をIF基盤で開発した．(B)は，軽量・柔軟な化学繊維ロープにより手先把持力と自重を補償する機構を提案・実証した．(C)は，空気袋内圧利用多軸センサをIFアクチュエータと組み合わせて制御して，マッサージ用途などでの利用を検討した．
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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
全体として，個々の基盤技術/システムの構築に取り組み，おおむね順調に進展している．
開始時期に全体ミーティングを開催し，本プロジェクトの重要点/各グループの保持技術やこれまでの研究成果などを共有した．以下に各項目の進捗を示す．
IF構造の数理モデル構築では，モデル指標となるロボット性能を実証した．繰り返し学習制御と時間軸変換によるセンサ受動要素などの動特性解析では，理論値，解析値，実験値を照合して，妥当な理論モデルを調査中である．IFアクチュエータ/リンク受動要素の設計と製作では，IFにより物品受け渡しタスクを実証した．IFを並べて構成する場合の製作方法と制御を実験的に検証し始めた．
IFロボット用センサ設計/製作では，特に(1)ポリウレタン光弾性センサ，(2)高分子応力色変化センサの製作法における基盤を整えた．(1)は，4-シアノ-4ペンチルビフェニル（5CB）等の液晶を数％程度添加，複素光弾性装置の改良によって複素光弾性の広範囲測定が可能となったことにより，安定製造を実現した．(2)は，大面積・均質な安定製造法を確立，ひずみ-反射波長の相関を解明し，おおむね当初の計画通りに進んでいる．次年度，IFロボットへ実装して性能評価を行い，得られた結果に基づき材料物性の最適化をしていく．2018年度に新材料設計の指針もみいだしているので，この指針とこれまで得られた知見を活用することで，期間内に目標を十分に達成できると確信する．
IF構造ロボットシステム設計・製作では，(A)ウェアラブルリハビリ装具において，センシング手法をおおまかに確立できた．共同研究者間でリハビリ機器情報を共有して，現状の方向性で問題ないことを確認した．おおむね順調であると判断できる．(C)複数IFアクチュエータ/センサの制御は，目標となるマッサージ運動を測定器により取得して，運動生成は試作機にて実証段階にある．
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度は，前年度に得られた成果を基盤として最終目標に向かって核心にせまる．2018年度に得られた成果を情報共有し，それを考慮した具体目標を再度決定する．現状での具体的な不足事項，その対応策などを下記に示す．
IF構造の数理モデル構築では，2018年度の成果を数理モデルに反映し，数値シミュレータを開発する．同時に，ロボットシステムの問題点を挙げ，並行して改良する．繰り返し学習制御と時間軸変換による動特性解析では，妥当な理論モデルを示し，複数の粘弾性体の計測結果から一定の結論を導く．IFアクチュエータ/リンク受動要素の設計と製作では，より最適なアクチュエータ配置を具体タスクごとに実験的に決定していく．
IFロボット用センサ設計/製作では，(1)ポリウレタン光弾性センサは，液晶添加物としてベンチルビヘニル（5B）などによって組成比を変え，応答の高速化を目指す．(2)高分子応力色変化センサは，ひずみ応答性を高感度化するために，原料（液晶モノマー，キラルモノマーなど）の分子構造と比率を最適化する．高分子圧電材料センサの実用に取り掛かり，この瞬間せん断力を測定可とし，ウレタン光弾性センサと組み合わせ，実用性の高いせん断センサ材料を具現化する．これをセンサとして把持実験を通して最適化する．また，特定の方向に高感度なカーボンナノチューブセンサや，接触判定に摩擦帯電センサの利用を検討して有用なセンサフィードバック系を構築する．
IF構造ロボットシステム設計・製作では，(A)ウェアラブルリハビリ装具は，センシングを前腕から上腕にかかわる関節角度，曲げ計測まで拡張すること，筋電位や形状変形などの情報と統合してニューラルネットワークより最適な身体情報を算出することを目標とする．（B）ワイヤ駆動は，系のさらなる軽量化を構造最適化解析と炭素繊維３Dプリンタにより実現する．
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| Remarks |
[セミナー] 機能材料の物性は分子の並び方で決まる?,堤治,信州大"最新の科学情報"(2018). 他, Assiut Univ. (Egypt)(2018),東工大(2019),IITH(India)(2019).
[新聞他] 1.ゴムフィルム 伸縮・光反射で色変化, 日経産業新聞, 2018/10/12朝刊6面. 2.研究現場最前線,"立命館大 堤研",液晶,23,56-57,2019.
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