2019 Fiscal Year Research-status Report

薄型柔軟素材で被覆された多関節ロボットの力学特性の解明

Research Project

Project/Area Number	19K04317
Research Institution	Kindai University
Principal Investigator	柴田瑞穂近畿大学, 工学部, 准教授 (70454519)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	多関節ロボット / 薄型柔軟素材 / 摺動特性 / パッキング
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，薄型柔軟素材で被覆された多関節ロボットの力学モデルを構築し，その力学特性を明らかにする．食品・服飾・リネンサプライなどの生活用品を扱う工業においては，扱う物体の多くが水分を含み不定形であり，扱う際に汚れが付着してはいけないという制約がある．この背景から，生活用品をハンドリングする分野では産業用ロボットの導入が進んでいない．人の作業に倣い，ロボットにもゴムや樹脂フィルムなどの薄型柔軟素材を被覆することで作業が可能になると考えられるが，ロボットと被覆した薄型柔軟素材は摺動すべきか，ハンドリングする対象物体と被覆した薄型柔軟素材は摺動すべきかなど，その力学構造は未知の部分が多く，設計論が確立していない．本研究では，真空包装技術を利用することで，シリアルリンクロボットを樹脂フィルムで被覆する．この試作機を通してモデルの妥当性を検証する．平成31年度／令和1年度では，主に，ロボットと被覆した素材との摺動特性の評価するために，力学モデルを構築した．薄型柔軟素材を材料力学的観点から薄型の平板としてモデル化し，リンクの回転運動に必要なトルクを解析した．その結果，被覆した樹脂フィルムとリンクの間に滑りがない場合，リンクを回転させるために必要なトルクは，樹脂フィルムを伸ばすために必要なトルクが主となることが分かった．また，被覆した樹脂フィルムとリンクの間に滑りがある場合，リンクを回転させるために必要なトルクは，摩擦係数に依存することが分かった．この結果に基づき，樹脂フィルムを利用する場合には，樹脂フィルムとリンクの間に滑りを許すことで，発生するトルクが小さいモータでも回転運動が実現できることが明らかになった．この解析結果の妥当性を，単関節リンクを樹脂フィルムで被覆した試作機を通して実験的にも確認した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 平成31年度／令和1年度では，主に，ロボットと被覆した素材との摺動特性の評価するために，力学モデルを構築する予定であった．当初の予定では，薄型柔軟素材を受動関節で結合された多リンク構造としてモデル化し，この多リンク構造をモータ等で駆動する能動関節で変形させることを想定していた．しかしながら，モデリングの物理的意味の把握のしやすさから，材料力学的観点を踏まえ，薄型柔軟素材を梁構造としてモデル化し解析を進めた．その結果，被覆した樹脂フィルムとリンクの間に滑りがない場合，リンクを回転させるために必要なトルクは，樹脂フィルムを伸ばすために必要なトルクが主となることが分かった．また，被覆した樹脂フィルムとリンクの間に滑りがある場合，リンクを回転させるために必要なトルクは，摩擦係数に依存することが分かり，摺動の状況により，どの物理特性が主となるかが明確になった．特に，樹脂フィルムは一般に，伸びにくく，曲がりやすいという特性を持つため，シリアルリンクを被覆する材料として樹脂フィルムを利用する場合には，樹脂フィルムとリンクの間に滑りを許すことで，発生するトルクが小さいモータでも回転運動が実現できることが明らかになった．この解析結果の妥当性を，実験を通して確認した．当初から購入予定であった，古川製作所製小型真空包装機 FVCⅡを利用し，単関節リンクを樹脂フィルムで被覆した試作機を作成した．実機を用いた実験からも，樹脂フィルムとリンクの間に滑りを許すことで，発生するトルクが小さいモータでも回転運動が実現できることが支持された．このように，計画からモデリング手法から変更はあったものの，予定していたシリアルリンクロボットと被覆した素材との摺動特性の評価が実施できたことから，本研究はおおむね順調に進展しているといえる．
Strategy for Future Research Activity	令和2年度は，被覆素材と物体の摺動特性の評価するために，接触モデルを構築する．特に，扱う物体が水分を含んでいることを想定し，被覆素材と物体の水中での摩擦特性を評価する．また，ロボットの被覆素材としてエンボス加工など表面修飾が施された樹脂フィルムも利用し，計測された摩擦特性から構築する接触モデルを補強する．主として被覆素材と環境との摺動特性評価にかかわる機器や消耗品を購入する．特に，摩擦特性評価装置製作を見込む．令和3年度では．得られた成果を実ロボットへ適用し，モデルの有効性を再度評価する．特に，ロボットハンドへの適用を通して，生活用品との接触をともなうロボットの実現を目指す．主としてロボット製作および運動特性評価にかかわる消耗品を購入する．特に，ロボットハンドの製作および運動特性評価装置の製作を見込む．また，それぞれの年度の進捗状況に合わせ，得られた成果を広く社会に発信するために，日本ロボット学会学術講演会，IEEE International Conference on Robotics and Automation等，国内外の然るべき学術講演会にて発表し，研究を公知するととともに，広く情報を収集する．また，得られた成果は，日本ロボット学会誌，Advanced Robotics等，然るべき学術論文誌に投稿し，公知を図る．
Causes of Carryover	使用を予定していた真空包装機が購入した時期により，予定よりも1割程度安く購入することができた．また，真空包装機導入にともなう電源ケーブルの購入も予定より安価に済み，予定とは差額が生じた．令和2年度は，これまでに得られた結果に基づき，主として被覆素材と環境との摺動特性評価にかかわる機器を選定・製作する必要がある．特に，リンク表面と環境との接触は面接触となるため，面接触を評価できる装置を選定する必要があると考えられる．今後この機器や消耗品を購入する予定である．