2020 年度実績報告書

内部力補償により微小操作力のみで変位を極高把持力へ超連続的変換可能なグリッパ機構

研究課題

研究課題/領域番号	20J20184
研究機関	東北大学
研究代表者	清水杜織東北大学, 情報科学研究科, 特別研究員(DC1)
研究期間 (年度)	2020-04-24 – 2023-03-31
キーワード	機構学 / 磁気機構 / 補償機構 / アクチュエータ / 可変剛性
研究実績の概要	応答性・所要時間・消費電力の観点から、ロボットグリッパは「物体に接触前は指が高速に接近し、接触後は高把持力を維持」という状態切替を単一アクチュエータで実現することが理想である。これにより工場ラインの高効率化や独立電源で稼働するロボットの長稼働時間化が達成される。これをトグルにより複雑な電子制御抜きに達成する負荷感応増力機構が提案されてきたが、動作状態が二値的なため把持力が調整不可能である課題を有した。本研究は解決策として、永久磁石とその吸着対象面で物体を挟み、磁気吸着に連動して把持力が自発的に増大するグリッパ機構を提案する。これは磁石-吸着面距離の制御により把持力を連続的に調整可能である。さらに、吸着力がモータ負荷を増大させぬよう、同一の距離特性のばねの反発力により磁石を変位によらず力の平衡点に置く「内部力補償型磁気吸着機構（広瀬ら、1984）」の概念を発展的に適用した。本年度は、原理実証を目的として、単一の高速小出力モータで駆動可能な構成を持つ考案機構を構築した。磁石の吸着力特性に追従すべく多数の線形ばねを組み合わせる複雑な最適化過程を要した補償用ばねについても、磁気ばねや円錐コイルばねの非線形性に着目することで設計性と補償精度の両立を目指し、機構構造の大幅な小型化により同じ磁石による前試作機の1/10にまで軽量化を達成するなど、基本構成を洗練した。具現化した実機により評価実験を行った結果、指間最小把持幅と把持対象物幅の差（モータ駆動の送りねじによる指押付量）が小さい範囲においても磁石が高把持力生成を補助し、一方でばねの補償により把持過程における消費電力のモータ単体駆動時からの増加は抑制された様子が測定された。具体的には、最適条件にて消費電力増分は11.8 %に留まるも最大把持力は292.2%にまで増幅され、電力比把持力を2.6倍へ向上させる高効率化を達成した。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由新型コロナウイルス感染拡大防止策の一環で大学封鎖や研究室の入室制限が敷かれ、研究活動への多大な支障が継続して生じていたものの、最大限の工夫を重ねたことで考案機構の原理実証実機の試作と評価試験を進め、上述のような成果を以てロボティクスの主要ジャーナルおよび付随する査読付き国際学会発表への投稿を完遂できた（Tori Shimizu, Kenjiro Tadakuma, Masahiro Watanabe, Eri Takane, Masashi Konyo, and Satoshi Tadokoro, "Amplification of Clamping Mechanism Using Internally-Balanced Magnetic Unit", IEEE Robotics and Automation Letters with International Conference on Intelligent Robots and Systems 2021 option, Received: February 24, 2021）。年度計画で予定していた把持幅調整機能の構造の検討については、第一段階として固定幅であることを活用したブレーキ機構への応用に留めることで、把持力増幅の基礎特性の観察に注力した。新年度ではこれに基づいて上記機能の実装を目指す。その過程として考案原理を一般化し、機構内部に加わるばね張力を釣り合わせることで弾性体の変形量を微小操作力で制御可能とした「変位-力変換機」についての研究を行い、同様にジャーナルと国際学会発表の受理まで進めた。これを柔剛切替機構を駆動するワイヤテンショナーに応用したように、機械的コンプライアンスの可変化という側面を有する本研究の把持機構へこの変換器の構造をフィードバックできると見込んでおり、把持幅可変化実現への準備を整えた。
今後の研究の推進方策	次年度は、フレーム剛性など試作で明らかとなった実装上の要改善点の修正や、上述の把持幅可変化機構の実装を進めるとともに、以下の研究を行う予定である。 ◎動作モデルの確立　・・・考案機構では、磁石接近による吸着力増大とばね圧縮による補償力増大、そして把持指・対象物の変形による弾性力増大とが相互作用的にアクチュエータ負荷を増減させつつ把持過程が進行するため、動作モデルの構築が困難である。機構をばね-質点系とみなし対象物形状・材料特性・指送り量から生成把持力を推定可能とする動作モデルを構築したり、変形量と応力が循環解を与える把持力理論式の数値解を計算機での構造解析によって明らかにしたりすることで、アクチュエータによる操作入力と把持力の相関の推移について理論値と実測値を比較し損失係数を算出する。これらにより、ロボットシステムからの目標把持力の入力のみによって制御可能なグリッパシステムとして包括することを目指す。 ◎制御下実環境への導入　・・・部品点数削減や材料選定による高剛性化により損失低減と把持力の予測性向上を行う。一般的なロボットアームへ統合し、工場など制御下にある環境における動作検証と応答性・消費電力・耐久性の評価を行い，既存手法との性能比較と設計の実用的最適化を進める。また、最終年度に予定する実地試験では、モデルと耐久性の評価を行うだけでなく、磁気シールドにより砂鉄付着を防ぐといった非制御下環境特有の問題を観察することを重視する。見出される課題に対策する過程を重ね、災害現場や長時間反復といった過酷な条件での実用に堪えるための知見を現場で得る。
備考	いずれも所属研究室ホームページ。