2021 Fiscal Year Research-status Report
Membrane-less Jamming Gripper
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21K19807
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| Research Institution | Kobe City College of Technology |
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Principal Investigator |
清水 俊彦 神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (30725825)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池本 周平 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (00588353)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 磁性粉体 / ジャミンググリッパ / センシング / 磁場回路 / インフラ検査ロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
膜袋に粉体が充填されたジャミンググリッパは，粉体の充填密度を変化させることで柔剛状態が切り替わるジャミング転移により多様な商品を把持できる万能グリッパである．下図左のように，柔軟状態で把持対象物に押し付け，その形状に慣わせた後，袋内を負圧にすると粉体が詰まり硬化し，対象物の形状・姿勢を問わず把持できる．膜が柔軟であるほど把持性能は向上するが，耐久性とトレードオフの関係があり，特に膜破断による機能不全が問題となった． またセンシング機能を持たないため，カメラなどの補助が必要であった．
本研究では発想を転換し，粉体のみで構成されたジャミングセルグリッパを提案する．磁場中に存在する磁性粉体を自在に操作する方法論を構築することで，膜袋という物理的制約を廃し，従前のジャミンググリッパにはないセンシングを実現する．さらには，複数のジャミングセルグリッパを結合することにより，形状自在にアクチュエータやセンサを連結できる分散型グリッパシステムを実現し，超多品種を把持できる万能グリッパを実現する．
本年度の研究実績として，粉体基礎特性およびグリッパ応用が挙げられる．粉体基礎特性の解明では，混合粉体による荷重特性曲線，粉体素材による圧電特性評価，磁性粉体の磁場回路作成を述べる．またグリッパ応用では，微小磁性粉体を用いた凹凸面対応の陣食う吸着グリッパを試作開発，壁面移動ロボットおよび吸着ドローンへの応用を述べる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
粉体基礎特性について報告する．SALD2200を用いた鉄粉を粒度分布を測定し，自動粉体抵抗測定システムMCP-PD600を用いて，圧力に対する粉体の各種特性，すなわち応力，充填率，導電率の測定を実施した. 鉄に加えて，アルミ，銅，黒鉛など比較的入手性の高い素材を用いて，圧電特性を計測した．その結果，ロボットハンドで使用される低荷重領域，本研究では1Nから100Nにおいて線形の挙動を確認した. また混合粉体による圧電特性についても調査を実施した．粉体の混合比により，圧力に対する導電率を調整することが可能であることが確認された．次に混合粉体による圧電特性を調査した．従前の導電粉体を単一で用いる場合，ある荷重に達した段階で，粉体充填量に変化がなくなり，計測が困難となる問題が見られた．そこで導電粉体に非導電粉体を混ぜた混合粉体とすることで，荷重の計測範囲を拡大することが可能となった．また磁性粉体の磁場回路作成について，円筒形状のネオジム磁石およびヨーク回路を用いて開発を行った．
グリッパ応用であるヨーク回路を用いた真空グリッパの試作を行った．凹凸面に対応する吸着グリッパは，社会インフラを検査する壁面移動ロボット，吸着ドローンなどにも応用されている．凹凸面での空気漏れを塞ぐため，柔軟なリップ部を用いてシール性能の向上が図られてきたが，柔軟部の耐久性が問題となっていた．そこで磁性粉体を用いた真空吸着グリッパを試作した．本グリッパは微小な磁性粉体をリップ部にもつ真空吸着グリッパであり，凹凸面に対して，磁場を制御することで粉体の剛性を制御することでなじみ，微小粉体であるため側面からの空気漏れを防止するグリッパである．さらに鉄粉を磁場により変形・硬化させる方式であるため，従前のグリッパで問題となった，耐久性の向上が可能で，特に突起物などがある領域での耐久性が高いことが示唆された．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず磁性粉体の操作法を確立する．粒径の異なる粉体を瓶に詰め振ると，重力方向に粒径が小さい順に層分布する，という“ブラジルナッツ効果”が知られている．上図中央に示すジャミングセルグリッパは粉体に磁力で遠隔作用力を与える．グリッパセルには永久磁石と電磁石を設置し，セル磁場を粉体の共振周波数で変化させることで粉体層が形成される．粉体部が分断され，脱落部の向きを考えずに吸着しても共振により修復できる．
次に各粉体層の粉体に特性を与え，グリッパを多機能化する．銀などで粉体をコーティングした導電層は電流印可により電磁場分布を形成する．セルから延びる電極先端を導電層と同じ粒径にし，セルと電気的やり取りを行う．高周波スイッチにより電極ペアからなる粉体回路網をスキャンし，外力による粉体抵抗率変化から疑似触覚を実現できる．
次の課題は疑似触覚に基づく物体把持と操作である．層形成後，把持対象物に押し付けて変形させる際，電磁石によりセル磁場を弱め，グリッパを柔軟にする．また対象物に応じて粉体回路網に電流を印可し，粉体磁場を発生させることで剛性分布を制御する．物体操作も同様に手中で物体を操り，組立作業や位置決め精度を向上する．
ここでニューラルネットワーク（以降NN）による触覚と把持操作のモデル学習を行う．グリッパ姿勢，対象物，把持操作などにより，粉体回路網に加える制御電流，触覚情報とグリッパ変形の動画像をNNにより学習する．観測される動画像は深層学習を用いて状態空間を再構成する．具体的には低次元化した動画像と触覚情報を用いた状態ベクトルを構成して順モデル学習を行う．
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| Causes of Carryover |
コロナによる影響を受け，研究開発の実施に支障が出ている．特に磁性粉体に対する磁場回路の開発を実施するにあたり，半導体周りの入手が困難となった影響で回路開発が大きく遅れている．3月ごろより徐々に回路関係の部品を入手可能となったため，本年度に磁場回路開発を進める．
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