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2020 年度 実施状況報告書

食品の高速ハンドリングのための非線形モデルの構築

研究課題

研究課題/領域番号 20K04406
研究機関立命館大学

研究代表者

王 忠奎  立命館大学, 総合科学技術研究機構, 准教授 (50609873)

研究分担者 川村 貞夫  立命館大学, 理工学部, 教授 (20186141)
平井 慎一  立命館大学, 理工学部, 教授 (90212167)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード食品ハンドリング / 粘弾性 / 摩擦係数 / 計測装置
研究実績の概要

2020年度は、主に食品計測装置の設計、製作、食品粘弾性のモデリング、粘弾性パラメータ推定、摩擦係数の計測手法、食品計測実験などに関する研究を行った。具体的な実績は下記の通りである。
1.ロボットハンドリングの状況を再現した食品粘弾性と摩擦係数を計測できる計測装置を設計、製作した。計測装置は主にラックピニオン機構で駆動するロボットハンド、6軸力センサ、滑りを引き出すための押し付け棒、ハンドと棒の上下運動を実現するためのリニアスデージで構成される。ハンドは力制御と位置制御の両方を実現可能とした。2.食品の粘弾性を3要素モデルで表し、定式化を行い、シミュレーションを行った。ロボットハンドリングのために推奨する把持領域を見つけた。3.計測実験で1回だけの把持及び保持テストでパラメータ推定を可能とする粘弾性パラメータ推定の手法を確立した。4.摩擦係数の推定について、引き出した滑りの際に計測した法線力と接線力の比で行う。有限要素シミュレーションでこの手法を確認した。5.食品計測実験を5種類の天ぷらを用いて行った。把持力と把持速度の影響を実験で調べた。6.摩擦力だけで把持困難な水産物や重たくて滑りやすいものをハンドリングするために、掬いこむハンドを提案と試作し、様々の食品の把持実験を行った。
これらの研究成果を基づいて、論文誌論文7本、国際会議論文4本、国際発表4回、国内発表11回の研究実績があった。

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

2020年度新型コロナウイルス感染症の影響で、研究進捗が一時的に遅延などが発生したが、緊急事態宣言が解除された後に、様々な対策を実施しながら研究開発の遅延を挽回した。現状はおおむねに研究を順調に進めている。国際会議や国内の学会講演会などもすべでオンライン開催となっているので、研究発表も順調に行っている。また、以前国際会議や国内の講演会に参加する際の出張がなくなったので、出張時間を研究開発に活用することによって研究の進捗に役に立った。

今後の研究の推進方策

2021年度の研究計画は下記の通りと考えている。
1.当初の計画により新しく加えた研究内容である。粘弾性と摩擦係数の他、食品の3D形状の計測も視野に入れた。3D形状データと粘弾性、摩擦特性が揃えば、物理シミュレーションエンジンなどを用いて、だれでも食品ハンドリングをシミュレーション上で確認することができる。
2.様々な食品の計測を行う。弁当食材、農産物、水産物などを含め、数多くの対象物の3D形状、粘弾性、摩擦係数を計測する。計測したデータをグループ化することによって、ロボットハンドリングのための食品特性データベースを構築する。さらに、各グループの中の代表的な食品を用いて既存のロボットハンドの把持性能を評価し、食品とロボットハンドの対応付けを行う。
3.計測した食品の特性を基づいて、食品を高速でハンドリングする際に必要となる条件を検討する。動力学モデルを構築し、食品の粘弾性と摩擦特性を考慮した高速ハンドリングの条件を定式化する。さらに、物理シミュレーションエンジンを用いて、食品高速ハンドリングの動力学シミュレーションを行う。
4.摩擦力のみでハンドリング不可能な滑りやすい水産物を対象物とした掬い込みハンドを改良する。現在使っている薄い板と圧縮ばねの組み合わせた構造を廃棄し、板ばねのような構造で対象物を掬い上げる。伸縮糸の代わりに切り紙などを利用した薄い膜を用いて対象物を包み込む。そうすることによって、グリッパの構造をさらに単純化でき、実用化しやすくなる。

次年度使用額が生じた理由

次年度使用額が生じた理由は新型コロナ感染症の影響で出張費用が大幅に激減したことである。使用計画について、今年度の出張や論文投稿料などとして利用したいと考えている。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] A Soft Needle Gripper Capable of Grasping and Piercing for Handling Food Materials2021

    • 著者名/発表者名
      王忠奎, Yui Makiyama, and Shinichi Hirai
    • 雑誌名

      Journal of Robotics and Mechatronics

      巻: 33 ページ: -

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A Soft Robotic Hand Based on Bellows Actuators for Dishwashing Automation2021

    • 著者名/発表者名
      王忠奎, Takao Hirata, Takanori Sato, Tomoharu Mori, Masaru Kawakami, Hidemitsu Furukawa, Sadao Kawamura
    • 雑誌名

      IEEE Robotics and Automation Letters

      巻: 6 ページ: 2139~2146

    • DOI

      10.1109/LRA.2021.3061063

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Scooping-Binding Robotic Gripper for Handling Various Food Products2021

    • 著者名/発表者名
      王忠奎, Haruki Furuta, Shinichi Hirai, Sadao Kawamura
    • 雑誌名

      Frontiers in Robotics and AI

      巻: 8 ページ: -

    • DOI

      10.3389/frobt.2021.640805

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Artificial Cutaneous Sensing of Object Slippage using Soft Robotics with Closed‐Loop Feedback Process2021

    • 著者名/発表者名
      Tomohito Sekine, Yi-Fei Wang, Jinseo Hong, Yasunori Takeda, Reo Miura, Yushi Watanabe, Mai Abe, Yoshiki Mori, 王忠奎, Daisuke Kumaki, Fabrice Domingues Dos Santos, Atsuhsi Miyabo, Sadao Kawamura, and Shizuo Tokito
    • 雑誌名

      Small Science

      巻: 1 ページ: 2100002~2100002

    • DOI

      10.1002/smsc.202100002

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 3Dプリンタを利用した空気圧駆動ソフトハンドの製作2021

    • 著者名/発表者名
      王忠奎,和田晃,森佳樹,川村貞夫
    • 雑誌名

      日本ロボット学会誌

      巻: - ページ: -

  • [雑誌論文] Relationship between Photoelasticity of Polyurethane and Dielectric Anisotropy of Diisocyanate, and Application of High-Photoelasticity Polyurethane to Tactile Sensor for Robot Hands2020

    • 著者名/発表者名
      Masahiko Mitsuzuka, Yuho Kinbara, Mizuki Fukuhara, Maki Nakahara, Takashi Nakano, Jun Takarada, 王忠奎, Yoshiki Mori, Masakazu Kageoka, Tsutomu Tawa, Sadao kawamura, Yoshiro Tajitsu
    • 雑誌名

      Polymers

      巻: 13 ページ: 143~143

    • DOI

      10.3390/polym13010143

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Circular Shell Gripper for Handling Food Products2020

    • 著者名/発表者名
      王忠奎, Ryo Kanegae, Shinichi Hirai
    • 雑誌名

      Soft Robotics

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1089/soro.2019.0140

    • 査読あり
  • [学会発表] Easily Fabricatable Shell Gripper for Packaging Multiple Cucumbers Simultaneously2020

    • 著者名/発表者名
      Ryo Kanegae, 王忠奎, and Shinichi Hirai
    • 学会等名
      2020 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics
    • 国際学会
  • [学会発表] A Pneumatic Needle Gripper for Handling Shredded Food Products2020

    • 著者名/発表者名
      Yui Makiyama, 王忠奎, and Shinichi Hirai
    • 学会等名
      2020 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics
    • 国際学会
  • [学会発表] Novel Quick Return Mechanism and Dish Shape Deformable Body Structure for Circular Jumping Robot2020

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Matsuno, Tatsuro Katsuma, 王忠奎 and Shinichi Hirai
    • 学会等名
      2020 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics
    • 国際学会
  • [学会発表] 3D printing an assembled biomimetic robotic finger2020

    • 著者名/発表者名
      Maryam Tebyani, Ash Robbins, William Asper, Sri Kurniawan, Mircea Teodorescu, 王忠奎, and Shinichi Hirai
    • 学会等名
      2020 17th International Conference on Ubiquitous Robots (UR)
    • 国際学会
  • [学会発表] RepRap SWIM-ER を用いたゲル食品サンプル2020

    • 著者名/発表者名
      亀岡 将成, 渡邊 洋輔, エムディ ナヒン イスラム シブリ, アジット コースラ, 小川 純, 川上 勝, 古川 英光, 王 忠奎, 平井 慎一
    • 学会等名
      4DFF研究会(日本画像学会)
  • [学会発表] 突き刺し把持と摘まみ把持が可能なニードルグリッパの開発と突き刺し動作の性能評価2020

    • 著者名/発表者名
      巻山結, 王忠奎, 平井慎一
    • 学会等名
      第38回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2020)
  • [学会発表] 食器回収後積み重ね状態平皿の取り出し作業 自動化法の提案2020

    • 著者名/発表者名
      平田高央, 森智晴, 佐藤貴風, 川上勝, 古川英光, 王忠奎, 川村貞夫
    • 学会等名
      第38回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2020)
  • [学会発表] ベローズ伸縮を用いた負圧駆動グリッパ2020

    • 著者名/発表者名
      盛影大樹, 王忠奎, 平井慎一
    • 学会等名
      第38回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2020)
  • [学会発表] 食品ハンドリングのための粘弾性と摩擦特性の計測2020

    • 著者名/発表者名
      王忠奎, 井上昇悟, 橋本泰隆, 川村貞夫
    • 学会等名
      第38回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2020)
  • [学会発表] 掬い込みバインディングハンドの提案2020

    • 著者名/発表者名
      古田晴規, 王忠奎, 平井慎一
    • 学会等名
      第38回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2020)
  • [学会発表] きゅうりの箱詰め作業を目的とした接着レス薄型平面シェルグリッパの開発2020

    • 著者名/発表者名
      鐘江崚, 王忠奎, 平井慎一
    • 学会等名
      ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2020(ROBOMECH 2020)
  • [学会発表] 包み込みグリッパによる粒状食品把持量の安定化2020

    • 著者名/発表者名
      栗山佳之, 王忠奎, 平井慎一
    • 学会等名
      ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2020(ROBOMECH 2020)
  • [学会発表] 時間軸変換を用いた柔軟体の特性推定2020

    • 著者名/発表者名
      竹村亮祐, 王忠奎, 坂上憲光, 川村貞夫
    • 学会等名
      ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2020(ROBOMECH 2020)
  • [学会発表] 食品ハンドリングのための力学特性計測装置2020

    • 著者名/発表者名
      橋本泰隆, 王忠奎, 川村貞夫
    • 学会等名
      ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2020(ROBOMECH 2020)
  • [学会発表] 突き刺しと把持が可能なニードルグリッパの開発と評価2020

    • 著者名/発表者名
      巻山結, 王忠奎, 平井慎一
    • 学会等名
      ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2020(ROBOMECH 2020)

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公開日: 2021-12-27  

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