編組グレーティングファイバの非対称性制御によるソフトマテリアルの形状認識

• 研究課題/領域番号: 21K03989
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分20020:ロボティクスおよび知能機械システム関連
• 研究機関: 岐阜工業高等専門学校
• 研究代表者: 熊崎 裕教 岐阜工業高等専門学校, その他部局等, 嘱託教員 (70270262)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2021年度)
• 配分額: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2023年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2022年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
• キーワード: グレーティングファイバ / FBG / 形状認識 / ソフトマテリアル / 非対称性 / 三つ編み

研究開始時の研究の概要

高い信頼性や安定性、再現性、低消費電力特性の他に、面での触覚計測に適合し、アクチュエータとの一体化においても光ファイバセンサは１本の光ファイバに複数のセンサを持たせられ、電磁干渉の影響を受けないなど大きな利点がある。そこで、反射中心波長の異なる複数のFBGを縒り線状態とし、その中心にも別のFBGを配置して固定したものをソフトマテリアルに埋めこみ、形状認識および接触センサとして提案する。手の各指関節の動作の測定を行えるグローブ型センサ等へ適用できるだけでなく、リハビリ指導、スポーツ解析、手話への応用、ロボットアームやゲーム用の操作コントローラなど多目的に使用できる光学式センサとなる可能性がある

研究実績の概要

触覚センサのなかでも力覚センサは力（圧力）やトルクの大きさ、向きを検出するセンサであり、静電容量式、圧電式などが一般的である。本研究では 3 本の FBG（Fiber Bragg Grating, 反射中心波長:1550±0.5 nm、グレーティング長：5 mm）を三つ編みにし、ソフトマテリアルで硬化したものを光学式触覚センサとして提案し、基礎的な実験を行った。
FBG3 本（FBG_A、FBG_B、FBG_C）のグレーティング領域を長手方向にABC の順に5 mmずつずらながら連続するように配置し、長さ15 mm、直径約 2 mmのセンサ部とするようソフトマテリアルで硬化した。グレーティング領域の10 mm手前から2.5 mm間隔で計15 点に対し0.2Nの力を、フォースゲージ（接触部面積：0.016 mm^2）により加えながら各FBGの反射光スペクトルを測定した。センサ部の構造として以下の三つの場合について同様の実験を行った。
(1)FBG3 本を直線的に配置しソフトマテリアルのみで硬化
(2)FBG3 本を三つ編みにしてソフトマテリアルのみで硬化
(3)FBG3 本を三つ編みにして局所的に接着剤で硬化後にソフトマテリアルで硬化
荷重印加による反射中心波長の最大変化量は(1)0.40 nm(-0.22~0.18 nm) (2)0.73 nm(-0.29~0.44 nm) (3)0.93 nm (-0.64~0.29 nm) であり、直線形状よりも三つ編み形状の方が、また同じ三つ編み形状でも局所的に接着剤による硬化を行った方が反射中心波長は大きく変化した。三つ編み形状にすることで、また、ヤング率の大きな接着剤で局所的な硬化を行うことでセンサの非対称性が増加したことが起因したと考えられる。実際、反射光スペクトルの半値幅の変化は局所的な硬化を行った(3)の場合にのみ確認された。