Soft Robotics Control Engineering by Combining Probabilistic Model-Based Control and Sensor Feedback

结合基于概率模型的控制和传感器反馈的软机器人控制工程

• 批准号: 20H00610
• 负责人: 田原 健二
• 金额: $ 29.04万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H00610/
• 关键词: ソフトロボティクス; 人工筋肉; 高分子; 確率モデル; 繊維強度; オブザーバ; 運動増幅; 補助装具; ソフトロボット; 可逆モデル; 硬化阻害; 確率的モデル; 最適制御; 柔軟関節; モデル化; フィードフォワード制御; セルフセンシング

人工筋肉として期待されている撚糸状高分子繊維の力学物性の発現機構に関する研究に取り組んだ．具体的には，撚糸にすることによる弾性率変化の挙動を幾何学的なモデルと実際の繊維の形状因子を用いて理論的に計算をしたほか，撚糸に加工する際に課題であった繊維強度の低下を抑制する繊維加工方法の検討を進めた．撚糸状高分子繊維の人工筋肉等アクチュエータへの適用時の耐久性や出力に関する知見を得ることができた．また，一昨年度の検討成果として，速度・温度依存性を考慮した電気的入力--温度に関する非線形モデルとTCPAの熱伝達係数の速度・温度依存性を考慮した温度--変位に関する非線形モデルの組み合わせを制御対象として，目標値への局所漸近収束を保証する非線形制御系を構成できた．しかし，一昨年度に構成した制御則は状態フィードバックであり，TCPAの変位，変位速度，温度の情報を必要としていた．TCPAへの実装を考慮した際には，変位，変位速度のリアルタイム計測は大きなコストがかかることから，温度情報のみを用いた制御則が望ましい．そこで昨年度の成果として，新たにTCPAの変位，変位速度に関する非線形オブザーバを構成し，温度情報のみから目標値への局所漸近収束を保証する非線形制御系を開発し，開発した制御系の理論的保証を与えることができた．また，ソフトアクチュエータのロボット応用に向けた運動増幅機構の開発に取り組み，成果としてパンタグラフ機構を用いたひずみ・力増幅機構を実現した．さらに，釣糸人工筋アクチュエータの最適な作製方法に向けて作製条件が形状パラメータに与える影響を調査し，高速駆動に向けて共振の利用について検討を行った．一方で応用を目指して柔軟外骨格を用いた手指の運動補助装具を検討した．

我们研究了扭曲聚合物纤维的机械性能机理，这些机理预计将是人造肌肉。具体而言，理论上是使用几何模型和实际纤维形式因素来计算了由扭曲纱线引起的弹性模量变化的行为，我们还研究了一种纤维加工方法，该方法抑制了纤维强度的降低，这在处理到扭曲纱线时是一个挑战。当使用扭曲的聚合物纤维应用于人造肌肉和其他执行器时，我们已经了解了耐用性和输出的知识。此外，由于两年前的研究，我们能够使用非线性温度模型的组合来构建一个非线性控制系统，该系统可以考虑到TCPA的热传递速度和温度转移的非线性模型，并考虑到温度的温度和温度的温度，该系统使用非线性温度模型来保证局部渐近控制系统。但是，两年前构建的控制规则是状态反馈，需要有关TCPA位移，位移速度和温度的信息。在考虑TCPA中的实现时，位移和位移速度的实时测量很昂贵，因此只需使用温度信息的控制规则。因此，由于去年，我们开发了一种新的非线性控制系统，该系统构建了有关TCPA位移和位移速度的非线性观察者，并保证了仅温度信息到目标值的局部渐近收敛性，并能够提供开发控制系统的理论保证。此外，我们还致力于开发一种运动放大机制，以用于软动力器的机器人应用，因此，我们使用pant仪机制实现了应变和力放大机制。此外，我们研究了制造条件对形状参数的影响，以便最佳地制造人造肌肉执行器，并检查了使用共振用于高速驾驶的。另一方面，我们使用灵活的外骨骼进行应用研究了手指运动辅助。

项目成果

Novel Twisted and Coiled Polymer Fiber Actuator Fabricated from Polymer-coated Optical Fiber

由聚合物涂层光纤制成的新型扭曲和卷曲聚合物纤维致动器

• DOI: 10.1109/lra.2021.3070247
• 发表时间: 2021
• 期刊: IEEE Robotics and Automation Letters
• 影响因子: 5.2
• 作者: Masuya Ken;Tahara Kenji
• 通讯作者: Tahara Kenji

誘電エラストマセンサを用いた釣糸人工筋の張力計測に向けて

使用介电弹性体传感器测量人工钓鱼线肌肉的张力

• 发表时间: 2021
• 作者: Nakai Ayaka;Fujiyama Tomoyuki;Nagata Nanae;Kashiwagi Mitsuaki;Ikkyu Aya;Takagi Marina;Tatsuzawa Chika;Tanaka Kaeko;Kakizaki Miyo;Kanuka Mika;Kawano Taizo;Mizuno Seiya;Sugiyama Fumihiro;Takahashi Satoru;Funato Hiromasa;Sakurai Takeshi;Yanagisawa Masashi;Ha;長岡 利;Faruq Aiman，足立 征士，東内 裕武，田原 健二，舛屋 賢，入澤 寿平，高木 賢太郎
• 通讯作者: Faruq Aiman，足立 征士，東内 裕武，田原 健二，舛屋 賢，入澤 寿平，高木 賢太郎

Basics of Dynamics and Control for a Parallel-wire Driven Robot

平行线驱动机器人的动力学和控制基础知识

• DOI: 10.7210/jrsj.39.811
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of the Robotics Society of Japan
• 作者: Shogo Ohsumi;Toshiyuki Amano;木野仁
• 通讯作者: 木野仁

釣糸人工筋肉の Coil Spring Index と作製時荷重の関係について

关于鱼线人工肌肉的螺旋弹簧指数与制作时载荷的关系

• 发表时间: 2021
• 作者: Hideto Kawauchi;Yukoh Wakabayashi;Nobutaka Ono;Keiko Ochi;Keiho Owada;Masaki Kojima;Shigeki Sagayama;and Hidenori Yamasue;長岡 利;岡本 岳人，東内 裕武，入澤 寿平，塩谷 正俊，舛屋 賢，田原 健二，高木 賢太郎
• 通讯作者: 岡本 岳人，東内 裕武，入澤 寿平，塩谷 正俊，舛屋 賢，田原 健二，高木 賢太郎

Mechanism for anisotropic thermal expansion of polyamide fibers

• DOI: 10.1016/j.snb.2021.130262
• 发表时间: 2021-06-11
• 期刊: SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL
• 影响因子: 8.4
• 作者: Kimura, Daisuke;Irisawa, Toshihira;Shioya, Masatoshi
• 通讯作者: Shioya, Masatoshi