Soft Robotics Control Engineering by Combining Probabilistic Model-Based Control and Sensor Feedback

• Project/Area Number: 20H00610
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 61:Human informatics and related fields
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 田原 健二 九州大学, 工学研究院, 教授 (80392033)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 入澤 寿平 岐阜大学, 工学部, 准教授 (30737333) ; 木野 仁 中京大学, 工学部, 教授 (50293816) ; 高木 賢太郎 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60392007) ; 佐藤 訓志 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (60533643) ; 舛屋 賢 宮崎大学, 工学部, 准教授 (60796358)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥45,370,000 (Direct Cost: ¥34,900,000、Indirect Cost: ¥10,470,000); Fiscal Year 2023: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2022: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000); Fiscal Year 2021: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2020: ¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000)
• Keywords: 確率モデル / 対数正規分布 / カルマンフィルタ / ソフトロボティクス / 人工筋肉 / 高分子 / 繊維強度 / オブザーバ / 運動増幅 / 補助装具 / ソフトロボット / 可逆モデル / 硬化阻害 / 確率的モデル / 最適制御 / 柔軟関節 / モデル化 / フィードフォワード制御 / セルフセンシング

Outline of Research at the Start

本研究は，確率モデルベースド制御とセンソリーフィードバック制御の融合によるソフトロボットシステム制御手法の体系的な構築を目的とする．
これまでの高分子柔軟材料を利用したソフトロボティクスでは，二値制御など簡易な制御手法が用いられる場合が多く，それがメリットである一方で工学応用として十分とは言い難い．
本研究では，確率モデリングと最適化を用いた制御手法と，状態計測・推定による時間遅れやノイズに頑健なセンソリーフィードバック制御手法を二つの柱として提案し，最終的に統合して一つのソフトロボティクス制御体系を構築する．

Outline of Annual Research Achievements

今年度はまず，これまで構築してきた，確率的な揺らぎを含むソフトロボットフィンガーのモデルについて，その確率モデルを基にした状態推定オブザーバを構築した．基本的にはカルマンフィルタをベースとしているが，ソフトロボットフィンガーの確率分布が正規分布ではなく対数正規分布であったことから，正規分布への変換を行うことでカルマンフィルタを適用可能な状態とし，それを基にカルマンフィルタを構築して状態推定を実現した．具体的には，指の角度をセンサレスで推定することを試みた．モデルに確率的要素が含まれていることから，繰り返しの試行において，ある範囲内での推定が実現可能であることを数値的および実験的にしめした．推定された状態を基にフィードバック制御を行った．状態推定での誤差がそのまま定常偏差として残る形にはなったが，状態フィードバックが可能なことを示した．
また，樹脂の光ファイバーをセンサかつアクチュエータとして利用する人工筋肉アクチュエータを開発し，光ファイバーの計測光量と温度計測値，荷重の情報から変位の推定を行う手法を構築した．さらに波形状に成形した光ファイバーを用いた伸長・屈曲センサを開発し，波形状部における光ファイバの曲げ半径が伸長に伴って変化することで，伸長を計測できること，および光ファイバを2層構造にすることで屈曲の計測が行えることを示した．
また，ナイロン糸人工筋肉のモデル化において，温度に加法的に正規白色雑音が印可される設定の下で確率微分方程式モデルを構築し，非線形オブザーバを利用した温度制御を実装してその有効性を示した．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Tactile sensor-less fingertip contact detection and force estimation for stable grasping with an under-actuated hand (2024)
  • Author(s): Ha Thang Long Doan, Hikaru Arita, and Kenji Tahara
  • Journal Title: ROBOMECH Journal Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/s40648-024-00273-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 確率的表現された粘弾性パラメータを用いた柔軟指の実時間状態推定 (2024)
  • Author(s): 本司 澄空，有田 輝，田原 健二
  • Journal Title: 日本ロボット学会誌 Volume: 未定
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Convergent Conditions of Feedforward Control for Musculoskeletal Systems with Multi 1-DOF Joints Driven by Monoarticular and Biarticular Muscles (2023)
  • Author(s): Hiroaki Ochi, Koichi Komada, Kenji Tahara, and Hitoshi Kino
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 35 Issue: 3 Pages: 751-761
  • DOI: 10.20965/jrm.2023.p0751
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • Year and Date: 2023-06-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Antagonistic Total Torque Control of Rotational Straight Twisted Polymeric Fiber Actuator (2023)
  • Author(s): 吉田 優太郎，林 亮，舛屋 賢，高木 賢太郎，有田 輝，田原 健二
  • Journal Title: Journal of the Robotics Society of Japan Volume: 41 Issue: 6 Pages: 573-576
  • DOI: 10.7210/jrsj.41.573
  • ISSN: 0289-1824, 1884-7145
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Variable end-point viscoelasticity control for a musculoskeletal redundant arm (2023)
  • Author(s): Shoki Tsuboi, Hikaru Arita, Hitoshi Kino, and Kenji Tahara
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 37 Issue: 17 Pages: 1128-1141
  • DOI: 10.1080/01691864.2023.2239880
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stochastic approach for modeling soft fingers with creep behavior (2023)
  • Author(s): Sumitaka Honji, Hikaru Arita, and Kenji Tahara
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 37 Issue: 22 Pages: 1471-1484
  • DOI: 10.1080/01691864.2023.2279600
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Basic study of sensorless path tracking control based on the musculoskeletal potential method (2023)
  • Author(s): Yoshihiro Kinjo, Yuki Matsutani, Kenji Tahara, Hitoshi Kino
  • Journal Title: ROBOMECH Journal Volume: 10 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/s40648-023-00242-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Wire-storage Pantograph Mechanism for Strain and Force Amplification of a Twisted and Coiled Polymer Fiber (2022)
  • Author(s): Ken Masuya, Kentaro Takagi, and Kenji Tahara
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: 7 Issue: 4 Pages: 11094-11101
  • DOI: 10.1109/lra.2022.3197268
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement in rotational performance by periodic tensile change of a torque transmission wire: basic experimental verification using a single straight wire (2022)
  • Author(s): Satoshi Hara, Akinori Tomoda, Hitoshi Kino
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 10 Issue: 10 Pages: 474-487
  • DOI: 10.1080/01691864.2022.2060715
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optimal Muscular Arrangement Using Genetic Algorithm for Musculoskeletal Potential Method with Muscle Viscosity (2021)
  • Author(s): Hitoshi Kino, Hiroaki Ochi, Kenji Tahara
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 33 Issue: 3 Pages: 619-628
  • DOI: 10.20965/jrm.2021.p0619
  • NAID: 130008054305
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • Year and Date: 2021-06-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanism for anisotropic thermal expansion of polyamide fibers (2021)
  • Author(s): Kimura Daisuke、Irisawa Toshihira、Takagi Kentaro、Tahara Kenji、Sakurai Daichi、Watanabe Haruhiko、Takarada Wataru、Shioya Masatoshi
  • Journal Title: Sensors and Actuators B: Chemical Volume: 344 Pages: 130262-130262
  • DOI: 10.1016/j.snb.2021.130262
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Simulation Evaluation for Methods Used to Determine Muscular Internal Force Based on Joint Stiffness Using Muscular Internal Force Feedforward Controller for Musculoskeletal System (2021)
  • Author(s): Matsutani Yuki、Tahara Kenji、Kino Hitoshi
  • Journal Title: Frontiers in Robotics and AI Volume: 8 Pages: 699792-699792
  • DOI: 10.3389/frobt.2021.699792
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Basics of Dynamics and Control for a Parallel-wire Driven Robot (2021)
  • Author(s): 木野仁
  • Journal Title: Journal of the Robotics Society of Japan Volume: 39 Issue: 9 Pages: 811-814
  • DOI: 10.7210/jrsj.39.811
  • NAID: 130008117372
  • ISSN: 0289-1824, 1884-7145
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Novel Twisted and Coiled Polymer Fiber Actuator Fabricated from Polymer-coated Optical Fiber (2021)
  • Author(s): Masuya Ken、Tahara Kenji
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: 6 Issue: 3 Pages: 4883-4890
  • DOI: 10.1109/lra.2021.3070247
  • Peer Reviewed
• [Presentation] テニスストリングへの応用を想定したモノフィラメントの撚糸技術開発 (2024)
  • Author(s): 入澤 寿平, 田中 将智、岩田 颯人
  • Organizer: プラスチック成形加工学会第35回年次大会
• [Presentation] 折り紙構造を利用した形状可変なワイヤ駆動型ソフトロボットの開発 (2024)
  • Author(s): 藤田 航奨, 舛屋 賢
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2024
• [Presentation] Proposal of Feedforward Trajectory Control with Iterative Learning for a Musculoskeletal System (2024)
  • Author(s): Kazuki Senda, Koichi Komada, Tetsuya Morizono, Yuki Matsutani, Kenji Tahara, and Hitoshi Kino
  • Organizer: IEEE 18th Int. Conf. on Advanced Motion Control
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] xternal Sensor-less Fingertip Force/Position Estimation Framework for a Linkage-based Under-actuated Hand with Self-locking Mechanism (2024)
  • Author(s): Ha Thang Long Doan, Hikaru Arita, and Kenji Tahara
  • Organizer: 2024 IEEE/SICE International Symposium on System Integration
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 撚糸状繊維の応力と歪みの相関に関する検討 (2023)
  • Author(s): 岩田颯人, 入澤寿平, 島袋出, 高橋紳矢, 武野明義, 田中将智
  • Organizer: 第36回若手繊維研究会
• [Presentation] 撚糸技術を用いた高分子アクチュエータの開発 (2023)
  • Author(s): 岩田 颯人, 入澤 寿平
  • Organizer: 第36回若手繊維研究会
• [Presentation] LSTMを用いた光ファイバアクチュエータの動作推定 (2023)
  • Author(s): 吉本 貴哉, 舛屋 賢
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023
• [Presentation] Sensorless Angular Position Estimation of Rotational Type Twisted Polymeric Fiber Artificial Muscles (2023)
  • Author(s): C. K. Wong, H. Arita, K. Masuya, S. Satoh, and K. Tahara
  • Organizer: 第24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] 釣糸人工筋の作製時コイリング中の温度が駆動特性に及ぼす影響について (2023)
  • Author(s): 伊藤 蒼大，岡本 岳人，入澤 寿平，舛屋 賢，田原 健二，比留田 稔樹，高木 賢太郎
  • Organizer: 第24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] 筋骨格システムの筋内力フィードフォワード位置制御法における繰り返し学習を用いた軌道制御 (2023)
  • Author(s): 千田 和輝，駒田 洸一，松谷 祐希，田原 健二，木野 仁
  • Organizer: 第41回日本ロボット学会学術講演会
• [Presentation] External Sensor-Less in-Hand Object Position Manipulation for an Under-Actuated Hand Using Data-Driven-Based Methods to Compensate for the Nonlinearity of Self-Locking Mechanism (2023)
  • Author(s): Ha Thang Long Doan, Hikaru Arita, and Kenji Tahara
  • Organizer: 2023 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data-driven-based Stable Object Grasping for a Triple-fingered Under-actuated Robotic Hand (2023)
  • Author(s): Ha Thang Long Doan, and Kenji Tahara
  • Organizer: 2023 IEEE/SICE International Symposium on System Integration
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 確率的表現された粘弾性パラメータを用いた柔軟指の状態推定 (2023)
  • Author(s): 本司 澄空, 有田 輝, 田原 健二
  • Organizer: 第41回日本ロボット学会学術講演会
• [Presentation] 内在筋と外在筋を模した油冷ナイロン糸人工筋肉ロボット指 (2023)
  • Author(s): 山本 修平, 有田 輝, 田原 健二
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023
• [Presentation] テニスガットやアクチュエータへの応用を見据えた撚糸繊維の力学物性に関する研究 (2022)
  • Author(s): 入澤寿平
  • Organizer: 繊維学会東海支部若手繊維研究会
• [Presentation] 共振を利用した釣糸人工筋の高速駆動について (2022)
  • Author(s): 伊藤蒼大，東内裕武，岡本岳人，平良龍吾，舛屋賢，田原健二，入澤寿平，高木賢太郎
  • Organizer: ROBOMECH2022
• [Presentation] 釣糸人工筋とポリウレタン外骨格を用いた手背装着型指先補助装具の開発にむけて (2022)
  • Author(s): 赤松駿，岡本岳人，東内裕武，舛屋賢，田原健二，入澤寿平，比留田稔樹，高木賢太郎
  • Organizer: SI2022
• [Presentation] 釣糸人工筋肉の作製時荷重と駆動変位量の関係について (2022)
  • Author(s): 岡本岳人, 東内裕武, 入澤寿平, 塩谷正俊, 舛屋賢, 田原健二, 比留田稔樹, 高木賢太郎
  • Organizer: SI2022
• [Presentation] 熱駆動釣糸アクチュエータの非線形オブザーバの設計と局所漸近安定化 (2022)
  • Author(s): 佐藤訓志
  • Organizer: 第65回自動制御連合講演会
• [Presentation] ワイヤ貯蔵型パンタグラフを用いた釣糸人工筋肉のひずみ・力増幅 (2022)
  • Author(s): 舛屋 賢, 高木 賢太郎, 田原 健二
  • Organizer: ROBOMECH2022
• [Presentation] 構造的特性に基づいて生成された筋入力パターンによるフィードバック位置決め制御 (2022)
  • Author(s): 越智裕章，木野仁，永田寅臣
  • Organizer: SI2022
• [Presentation] End-Point stiffness and joint viscosity control of musculoskeletal robotic arm using muscle redundancy (2022)
  • Author(s): S. Tsuboi, H. Kino, and K. Tahara
  • Organizer: IEEE/RSJ IROS2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 筋骨格ロボットアームを用いた可変手先粘弾性楕円体による外力適応性の向上 (2022)
  • Author(s): 壷井 翔貴, 木野 仁, 有田 輝, 田原 健二
  • Organizer: RSJ2022
• [Presentation] 回転型釣糸人工筋肉アクチュエータの拮抗型合トルク制御 (2022)
  • Author(s): 吉田 優太郎, 林 亮, 舛屋 賢, 高木 賢太郎, 有田 輝, 田原 健二
  • Organizer: RSJ2022
• [Presentation] 腱駆動ソフトフィンガの集中定数系モデル化とパラメータ推定手法 (2022)
  • Author(s): 本司澄空、有田輝、田原健二
  • Organizer: SI2022
• [Presentation] 熱駆動釣糸アクチュエータの局所漸近安定化制御 (2021)
  • Author(s): 佐藤訓志
  • Organizer: 第64回自動制御連合講演会
• [Presentation] 釣糸人工筋肉の Coil Spring Index と作製時荷重の関係について (2021)
  • Author(s): 岡本 岳人，東内 裕武，入澤 寿平，塩谷 正俊，舛屋 賢，田原 健二，高木 賢太郎
  • Organizer: SI2021
• [Presentation] 誘電エラストマセンサを用いた釣糸人工筋の張力計測に向けて (2021)
  • Author(s): Faruq Aiman，足立 征士，東内 裕武，田原 健二，舛屋 賢，入澤 寿平，高木 賢太郎
  • Organizer: SI2021
• [Presentation] ロボット工学からの筋骨格システム (2021)
  • Author(s): 木野仁
  • Organizer: 第2回電気機器・パワーエレクトロニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] 高分子被膜付き光ファイバを用いた高分子繊維アクチュエータの開発 (2020)
  • Author(s): 舛屋 賢
  • Organizer: 第21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] Model-based control of a novel planar tendon-driven joint having a soft rolling constraint on a plane (2020)
  • Author(s): Ken Masuya and Kenji Tahara
  • Organizer: The 2020 IEEE Int. Conf. on Advanced Intelligent Mechatronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 釣糸人工筋肉を用いた多関節ロボット指の姿勢制御 (2020)
  • Author(s): 岩﨑 政仁，田原 健二
  • Organizer: 第64回システム制御情報学会研究発表講演会
• [Remarks] 九州大学 大学院工学研究院 機械工学部門 ヒューマンセンタードロボティクス研究室
  • URL: https://www.hcr.mech.kyushu-u.ac.jp