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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Explosive morphological evolution of soft-bodied robots inspired by plants, protists, and inorganic materials

Research Project

Project/Area Number 21H01289
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionShinshu University

Principal Investigator

梅舘 拓也  信州大学, 学術研究院繊維学系, 准教授 (60582541)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岩本 憲泰  信州大学, 学術研究院繊維学系, 助教 (30778816)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Keywordsソフトロボティクス / 柔軟梁
Outline of Annual Research Achievements

本研究は,植物,原生生物,無機物(シャボン膜や結晶成長)の形成形態をお手本とし,ソフトロボットの機構設計を提案する.2年目である2022年度は,1年目で行った柔軟梁の設計の成果発表を行うとともに,柔軟梁の設計をもとにシート構造の設計を行うことで,3年目の達成目標である分岐構造を設計に発展させられるような設計基盤の確立を行った.柔軟梁状リンク構造に弾性エネルギを蓄積し,一気に開放することで移動運動を行う「Upside-down Brachiation Robot Using Elastic Energy Stored through Soft Body Deformation」を,IEEE Robotics Automation Letterで出版し,ロボット系トップカンファレンスであるIROS2022に採択され,発表した(採択率48%).また,インハンドマニピュレーションが可能な圧縮変形と曲げ変形が同時に可能なハンド「In-hand Manipulation Exploiting Bending and Compression Deformations of Caterpillar-Locomotion-Inspired Fingers」もIROS2022に採択され,発表した.この発明は,特許として出願した(小野寺智哉,梅舘拓也, "把持装置、把持機構、把持方法、およびロボット装置," 特願2022-039424).加えて,効率的な推進力が発生するように変形する柔軟脚を設計した「Conversion of Elastic Energy Stored in Legs into Propulsive Force on a Hexapod Robot」を国際学会Living Machines2022に投稿,採択され,発表した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

次年度以降に基盤となる2年目までの目標の「柔軟梁の設計」と,それらをもとにした「シート構造の設計」は,概ね順調に進展している.シート構造の設計で,今年度に主に取り組んだものは,変形させても局所座標系が直交座標系であることを保てるロボットを「Planar Conformal Deformation of Robotic S-Isothermic Surface」としてIEEE Robotics and Automation Letterで出版した.また,局面ロボットを作る際には,折り紙構造を用いて形状変形が多く提案されているが,その折り目の破損につながる応力集中を避ける折り目の設計を行った「柔軟材料の曲げ変形に対する断面形状最適化を用いた折りたたみ空気圧アクチュエータの提案」の日本ロボティクス・メカトロニクス講演会2022で発表,さらに発展させて実証実験と加えた内容を英文誌Sensor and Materialsに「Origami-based Invaginatable Soft Vacuum Actuators with Optimized Creases that Avoid Bending Stress Concentration」(Paper No.: SS-4365)として投稿した(現時点で採択済み).加えて,この折り紙構造を使い双安定構造を作成し,それらを直動バネで数珠つなぎにすることで,たった一個のモータで這行運動を生成するイモムシロボット「A Crawling Robot That Utilizes Propagation of Deformation Waves of a Bistable Lattice Actuated by a Single Motor」はIEEE RoboSoft 2023で採択され,口頭発表を行った.

Strategy for Future Research Activity

2023年度は,引き続き変形するシート構造ロボットの開発を行いつつ,シート状柔軟ロボットを基軸に,ソリッド構造や枝分かれ構造を持った柔軟ロボットの設計に発展させる.動的に動く梁にシャボン膜を張って創るシート構造において,面積最小となるシート形状を導き出し,ある形状からある 形状のシート形状に変形さるための柔軟梁の剛性分布を引き続き検討する.これにより,軽量で丈夫かつ「動く」膜構造を設計する.また,この膜構造をシミュレートし,把持や這行時に加わる外力や拘束条件を付与し,膜の設計を行うことで,極めて機能的な膜構造の設計を行う. このシートロボットの作製に併せて,我ら繊維学部の強みを活かし,さまざまな物性値や電気的特性を持つ繊維や,上記梁の設計で作製したセンサ・アクチュエータを自在に編み,織ることで,シートの作製を行う.このシート構造を用いて,面でグリッピングするソフト・ロボットハンドやぬかるみを自在に這行する移動ロボットなどを作製する.加えて,作製したシートを用いて円柱形を作り,その円柱形の分岐構造を作ることで,放散虫のように形状としては複雑だが自然界や日常生活での使用に適したより汎用的なソフト・ロボットを作製する.具体的には,全く異なるロコモーション様式を複数持つ移動ロボット(例えば,椀の屈曲でも移動運動可能で,繊毛の駆動でも動き回れるヒトデロボット)や,パッシブな大自由時系を駆使することで,狭窄空間や開放空間などの環境に応じて,駆動プログラムは同じでも全く別の振る舞いを示すロボットを作製する.また,つる植物が非常に蛇行し複雑な凹凸曲面に匠に絡みつくように,形状が複雑で壊れやすく,表面がつるつると滑るような対象物(野菜,麺類などの食品,稚魚や実験動物等)に対しても把持可能な指を複数持つロボットハンドを作製する.

  • Research Products

    (16 results)

All 2023 2022

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results)

  • [Journal Article] Upside-Down Brachiation Robot Using Elastic Energy Stored Through Soft Body Deformation2022

    • Author(s)
      Kisuke Nonoyama, Masahiro Shimizu, Takuya Umedachi
    • Journal Title

      IEEE Robotics and Automation Letters

      Volume: 7(4) Pages: 11291-11297

    • DOI

      10.1109/LRA.2022.3194947

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Planar Conformal Deformation of Robotic S-Isothermic Surface2022

    • Author(s)
      Noriyasu Iwamoto, Daiki Kusakabe, Takuya Umedachi
    • Journal Title

      IEEE Robotics and Automation Letters

      Volume: 7(4) Pages: 11531-11536

    • DOI

      10.1109/LRA.2022.3203238

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Diverse Behaviors of a Single-Motor-Driven Soft-Bodied Robot Utilizing the Resonant Vibration of 2D Repetitive Slit Patterns2022

    • Author(s)
      Satoshi Iyobe, Masahiro Shimizu, Takuya Umedachi
    • Journal Title

      IEEE Robotics and Automation Letters

      Volume: 7(2) Pages: 992-999

    • DOI

      10.1109/LRA.2021.3136305

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Conversion of Elastic Energy Stored in the Legs of a Hexapod Robot into Propulsive Force2022

    • Author(s)
      Atusushi Kaneko, Masahiro Shimizu, and Takuya Umedachi
    • Journal Title

      Lecture Notes in Computer Science, vol 13548. Springer

      Volume: 13548 Pages: 91-102

    • DOI

      10.1007/978-3-031-20470-8_9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] S-isothermic曲面形状ロボットの各アクチュエータの圧力と半径の関係2023

    • Author(s)
      町田渉,坂本康介,梅舘拓也,岩本憲泰
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2023 in Nagoya
  • [Presentation] 円環状ソフトロボットとシャボン液で構成する曲面形状ロボットの制御2023

    • Author(s)
      宮嶋優,梅舘拓也,岩本憲泰
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2023 in Nagoya
  • [Presentation] カーボンブラックを用いた導電性伸長センサによる円錐台型アクチュエータの半径推定2023

    • Author(s)
      早川翔太,秋山佳丈,梅舘拓也,岩本憲泰
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2023 in Nagoya
  • [Presentation] 空気圧フィンガーをコの字状に配置した境界制御型曲面形状ロボット2023

    • Author(s)
      山田友樹,梅舘拓也,岩本憲泰
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2023 in Nagoya
  • [Presentation] A Crawling Robot That Utilizes Propagation of Deformation Waves of a Bistable Lattice Actuated by a Single Motor2022

    • Author(s)
      Yuto Horioka, Masahiro Shimizu, Takuya Umedachi
    • Organizer
      2023 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] One-Piece 3D-Printed Legs Using Compliant Mechanisms That Produce Effective Propulsive Force for Hexapod Robot Locomotion2022

    • Author(s)
      Atsushi Kaneko, Dai Owaki, Masahiro Shimizu, Takuya Umedachi
    • Organizer
      2023 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Upside-down Brachiation Robot Using Elastic Energy Stored through Soft Body Deformation2022

    • Author(s)
      Kisuke Nonoyama, Masahiro Shimizu, Takuya Umedachi
    • Organizer
      The 2022 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] In-hand Manipulation Exploiting Bending and Compression Deformations of Caterpillar-Locomotion-Inspired Fingers2022

    • Author(s)
      Tomoya Onodera, Noriyasu Iwamoto, Takuya Umedachi
    • Organizer
      The 2022 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Conversion of Elastic Energy Stored in the Legs of a Hexapod Robot into Propulsive Force2022

    • Author(s)
      Atusushi Kaneko, Masahiro Shimizu, and Takuya Umedachi
    • Organizer
      The 11th International Conference on Biomimetics and Biohybrid Systems (Living Machines 2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 円錐台型アクチュエータを連結した曲面形状ロボットのアクチュエータ圧力と半径の変換則導出2022

    • Author(s)
      坂本康介,梅舘拓也,岩本憲泰
    • Organizer
      第23回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
  • [Presentation] 円環状のソフトロボットとシャボン液で構成する曲面形状ロボットの開発2022

    • Author(s)
      宮嶋優,梅舘拓也,岩本憲泰
    • Organizer
      第23回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
  • [Presentation] 複数の変形モードが可能なソフトモジュラーロボットの自律分散制御2022

    • Author(s)
      大橋直和,岩本憲泰,梅舘拓也
    • Organizer
      第35回自律分散システム・シンポジウム

URL: 

Published: 2023-12-25  

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