粘弾性流体を充填した指先をもつロ ボットハンドで何ができるのか？ -壊れやすい物体把握金沢大学 理工研究域 機械工学系 准教授 渡辺 哲陽 流体指をもつロボットハンド 硬いものから柔らかいものまで 研究目的 ・壊れやすく脆い物体の把持などが可能なロボット指の開発 ・壊れやすい物体の把持だけでなく，通常の物体も把持可能 ・壊れやすい物体の把持を行うため，指内部に粘弾性特性を 持つ流体を充填するという方法を提案する ・二層構造からなるロボット指とそれを使った把持戦略 gel 3 関連研究 M1 • Kim and Song らのグリッパ：接触剛性 可変という特徴 良：生卵などの把持が可能 悪：イレギュラーな形状の対象物や より柔らかい物体の把持は困難 • Brown ら：コーヒー豆を中に入れてジャミン グ効果により物体把持 良：イレギュラーな形状の対象物 悪：壊れ易い物体の把持は困難 w4 M17 • Simoga ら：ジェル指の良さを紹介 ⇒ どのようにジェル指を使うかは不明 開発した指先の構造 指先 (詳細図) 製作した指先 【特徴】 • 指先部と制御ユニットに分けて設計 ⇒ハンドの小型軽量化のため • 圧力センサを内蔵 • 二層構造 ジェル層 ： 壊れやすい物体 ⇒ シリコーン層 ： その他 5 開発した指先の圧縮特性 【圧縮実験】 指先に負荷された圧力と変形量の関係を調査. ζ 近似曲線 : f = C∆d (N. Xydas and I. Kao, 1997.) Gel layer ∆d 10 Silicon layer 15kPa 9 8 F 10kPa Initial pressure 5kPa (when there is not contact) Force [N] 0.00 N 7 Contact area 6 5 4 3 Fingertip 2 Force gauge 1 Flat Plate 0 0 1 2 3 4 5 6 Deformation [mm] 7 8 9 10 6 開発した指先の接触圧力分布 【 圧力分布測定実験 】 感圧紙を用いて圧力分布を測定． ⇒ シリコーン指とジェル指の圧力分布特性を比較 ジェル指 シリコーン指 Force gauge 10N 0.00 N ジェル指 中心部ほど圧力が高い ジェル指 Pressure sensitive 圧力分布は位置によらずほぼ一様 paper Fingertip ： 把持対象物に対して局所的な圧力が加わることがない 壊れやすい物体を把持する際に有効である 壊れやすい物体を把持する際に有効である. を把持する際に有効である Prescale mat 7 把持実験 把持実験(1) : 壊れやすく脆い物体 把持対象物 : ポテトチップス 破壊が突然起こるような脆い物体 ⇒ 破壊しない接触圧力で把持 把持実験(2) : 壊れやすく柔らかい物体 把持対象物 : 絹ごし豆腐 破壊までに変形が起こるような物体 ⇒ 破壊の兆候を検知して把持 把持実験(3) : 比較的重い物体 把持対象物 : ジュース入りペットボトル 破壊の心配がないような物体 ⇒ 指先の汎用性の検証 8 壊れやすく脆い物体の把持 対象物 (1) : ポテトチップス 破壊実験 9 M6 壊れやすく脆い物体の把持 対象物 (1) : ポテトチップス 把持実験 10 壊れやすく柔らかい物体の把持 対象物(2) : 絹ごし豆腐 破壊実験 11 壊れやすく柔らかい物体の把持 対象物(2) : 絹ごし豆腐 (1)初期破壊を検知するまでグリッパを閉じる. (2)初期破壊を検知した瞬間にグリッパを停止させ，圧 力を維持する． (3)接触圧力が維持されるよう制御を行いながら 自動ステージにより持ち上げる． 12 重い物体の把持 対象物(3) ： 500mlの飲料入りペットボトル M9 13 実用化に向けた課題 •絹ごし豆腐把持の場合，局所的な破壊が生じ ることがある →より早い段階での破壊検知法の必要性 •現在，豆腐の変性を活用した，より早い段階で の破壊検知法を開発中 •柔らかい表皮の剛性などの影響は不明 •変性の詳細は不明 •実用化先（ターゲット）を明確にする必要あり →ターゲットに応じた戦略の開発が必要 現在進行中の研究 より早い段階での破壊検知法 豆腐破壊実験 押込み量 初期位置 1mm/s 押込み力：ロードセルの値 指内圧：（ 指内圧：（現在の内圧）－（初期内圧） 実験で使用した指先 1.5[kPa] 未充填 4.0[kPa] 充填 押し込み力/指の内圧 指内圧 [kPa] 4.0[kPa] 1.5[kPa] 5mm 10mm 15mm ・収束する付近で豆腐に傷がつく． ・1.5 [kPa]（未充填）の指の方が （未充填）の指の方が 早く収束する． 押込み量 [mm] フェーズチェンジ 豆腐を潰す際にいくつかの現象が見られた フェーズ 0： 指の未充填の部分が押し 込まれる。（1.5[kPa]のみ） フェーズ 1： 指が豆腐を押し込む。 フェーズ 2： 豆腐が硬くなり、 押し込まれにくくなる。 フェーズチェンジ検出 フェーズが変わる場所＝圧力の上昇率が変わる場所 RMSE (Root Mean Square Error)： ２乗平均平方根誤差 ௬ଶ ௬ଷ が大きく変化する場所をフェーズが変わる場所とする． ２次多項式 ３次多項式 ∆大きい ∆小さい フェーズチェンジの様子（4.0[kPa]） フェーズ 1 (1回目) フェーズ 2 (1回目) フェーズ 1 (2回目) 破壊 フェーズチェンジ検出（4.0[kPa]） ∆RSME [kPa] 1 1 2 フェーズ 1 フェーズ 2 2 1 押込み量 想定される用途 •食品運搬やその調理 •医療手術中において，思いかけない組織の 破壊などを防ぐ •廃炉など危険領域での作業における作業場所の 危険度チェック •遺跡発掘で誤って発掘物を損傷しないようにする 企業への期待 •未解決の表皮の影響については，ゴム製袋の 開発技術により克服できると考えている •様々な柔らかい表皮を開発できる技術を持つ 企業との共同研究を希望 •医療手術分野への展開を考えている企業には， 本技術の導入が有効と思われる 本技術に関する知的財産権 •発明の名称 ：対象物保持方法、および、当接機構 •出願番号 ：特願2013-151087 •出願人 ：金沢大学 •発明者 ：渡邊 哲陽、丸山 量志、内田 真裕 お問い合わせ先 金沢大学ティ・エル・オー 山田 光俊 ＴＥＬ 076-264-6115 ＦＡＸ 076-234-4018 e-mail [email protected]
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