| 研究課題/領域番号 |
21K18087
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| 研究機関 | 帝京大学 |
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研究代表者 |
福嶋 勇太 帝京大学, 理工学部, 助教 (50754751)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 穿刺 / 針 / ロボット |
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| 研究実績の概要 |
１．穿刺試験機の設計・製作
針に加わる力の計測を行うため、まず穿刺試験機の設計・制作を行った。穿刺試験機は当初５軸であったが、先行研究により針先のカット面の向きによりたわみ量が変化することが明らかとなっていることがわかったため、合計6自由度とした。試験機自体のたわみによる精度低下の影響を少なくするために、３Dプリンタ等で採用される門型の機構を用いた。試験機はボールねじリニアアクチュエータをY軸に２台、Z軸に１台、X軸に１台の合計５台使用した。X軸テーブルにはYaw、Pitch、Rollのモータを配置し、その先端には6軸力覚センサを設置することで針の根本に加わる力やモーメントを計測する。
２．LSTMを用いた静的条件下における針たわみベクトル推定
実際の穿刺時の針のたわみを推定する前に、穿刺を行わない状態において針先に対し、一方向に力を加え、その力およびモーメントの情報から針のたわみ量が推定可能か、およびLSTMのハイパーパラメータ（ルックバック数、学習数、隠れユニット数）の変化による損失率の傾向を調べた。結果、一般的な機械学習と同様に学習数と隠れユニット数はある程度増加させると損失率も一定になった。一方で、ルックバック数を増加させた場合、たわむ量と共に損失率も上昇する傾向が見られた。これは、たわみ量の増加とともに針の変形に非線形成分が生じるためと考えられる。本研究では針が軌道から大きく逸れる前に修正を行うことを目的としているため、一方向に対する大変形は制御の対象としていないが、たわみ量に多少の非線形成分が生じる場合においても、ルックバック数の調整により、ある程度はたわみ量の推定が可能であることが確認された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
穿刺評価試験機を制作し、穿刺動作を伴わない静的条件下における針に加わる力からたわみ量の推定が可能であることを確認した。また、たわみ量に非線形成分が発生した場合でも、ハイパーパラメータの調節により、LSTMで針のたわみ量の推定は可能であることを確認した。
一方で、昨今の半導体不足の影響により実験機材の納期遅れの影響に伴い、当初の計画よりやや遅れている。
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| 今後の研究の推進方策 |
21年度の結果から、LSTMを用いることで針のたわみの推定は可能であることが示唆された。本結果はあくまで穿刺動作を伴わない場合であるため、穿刺動作における針のたわみ量推定の際にはハイパーパラメータの調整を改めて行う。穿刺動作では穿刺対象に外力を加えない状態、一方向および複数方向から穿刺対象に外力を加えた状態における針のたわみ量の推定を試みた上で、穿刺対象の応力変化に伴う針に加わる力とたわみ量の関係をモデル化する。さらに、推定された針のたわみ量から、たわみ量を減少させるためのロボットアームの手先位置を推定するモデル（逆モデル）を構築する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当該年度に穿刺評価試験機の部品を発注したが納品が翌年度4月となった。また磁気式位置計測システムも当該年度に注文はしたが年度内に納品にならなかったために未使用額が発生することとなった。すでに注文はしてあるので納品され次第、次年度の穿刺動作下における針のたわみ量の推定に関する実験を行う。
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