A soft biomimetic robotic micro-manipulation system

软仿生机器人微操作系统

基本信息

批准号：
22KF0099
负责人：
新井史人
金额：
$ 1.54万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

サイズが小さく，柔らかいものから硬いものまで様々な対象を高速かつ正確に操作することは未だに困難である．人手では作業が困難な微細な作業は，微細作業と呼ばれている．近年，ロボットを知能化，自律化する試みが，国内外で盛んに行われている．また，ロボットの計測（センサ）・駆動（アクチュエータ）技術は大幅に向上しているが，ハードウェアとして，いまだ多くの研究課題を有している．特に，三次元空間での微細作業においては，ロボットの構造や制御に関して課題が多い．例えば，多様な作業を実行するには，作業ツールを使い分ける必要があり，三次元で，精密な位置や力の制御を行って，ツールをたくみに操作することは難しい．そこで，本研究では，生体を模倣して，ソフトながら微細な作業を顕微鏡下で行うことで，ロボットの適用範囲を微細空間に拡大するために必要な，革新的な操作システムをデザインし，制御理論を構築することを目的としている．まずは，作業ツールを使って微細な作業を行うことが可能なソフト・生体模倣マイクロ操作ロボットシステムの基本設計を行った．空気圧駆動による姿勢２DOFと， DCモータ駆動による３DOFを有する位置決め機構をデザインした．また，この機構の先端にとりつけるエンドエフェクタとして，空気圧駆動による把持機構をデザインした．複数の可動指を有し，作業ツールを把持することが可能とした．この可動指は，生体の構造を参考として，ソフトな構造で変形能を有し，空気圧駆動による小型アクチュエータによって変形することを特色とする．この作業指を複数用いて，作業ツールを持ち替えたり，固定する機能を設計した．可動指の基本構造，FEMを用いた構造解析，加工プロセスデザイン，センサ選定，制御系準備を中心に設計を行った．また，３Dプリンタを用いて可動指の加工を行った．実際に試作したプロトタイプによって基本的な動作を確認した．

快速准确地操纵小物体（从软物体到硬物体）仍然很困难。手工难以完成的精细工作称为精细工作。近年来，日本国内外都在积极开展机器人智能化、自主化的尝试。此外，尽管机器人测量（传感器）和驱动（执行器）技术有了显着提高，但在硬件方面仍然存在许多研究问题。特别是在三维空间进行精细作业时，机器人的结构和控制存在很多问题。例如，为了执行多种任务，需要使用不同的工作工具，并且很难在三个维度上精确控制位置和力量并熟练地操纵工具。因此，在这项研究中，我们将设计和控制一种创新的操作系统，通过模仿生物体并在显微镜下执行柔软但微小的任务，将机器人的应用范围扩大到微观空间，目的是建立一种理论。首先，我们对软仿生微操作机器人系统进行了基本设计，该系统可以使用工作工具执行精细的任务。我们设计了一种定位机构，具有由气压驱动的2DOF姿态和由直流电机驱动的3DOF姿态。我们还设计了一种气动夹紧机构作为末端执行器，连接到该机构的尖端。它有多个可移动的手指，可以抓住工作工具。该可动手指具有基于生物体结构的柔软结构和可变形性，其特征是通过气动压力驱动的小型致动器而变形。我们设计了一个使用多个工作手指来切换和握住工作工具的功能。设计重点是可动手指的基本结构、有限元结构分析、加工工艺设计、传感器选择和控制系统准备。我们还使用 3D 打印机制造了可移动的手指。使用实际原型确认了基本操作。