プラスティック材料による軽量・柔軟インフレータブルロボットアーム

~プラスティックシート利用のインフレ-タブルロボットの空気圧駆動による高精度位置決め実現~

理工学部 ロボティクス学科
先端ロボティクス研究センター

教授 川村 貞夫

研究概要

プラスティックシートのインフレータブル構造によって、リンクとアクチュエータを構成する軽量・柔軟なロボットアームを実現した。人の腕と同程度の大きさ・可動範囲でありながら、自重約500g、可搬重量1kgである。リンクおよびアクチュエータはインフレータブル(中空)構造で、空気圧駆動による柔軟なつくりとなっている。また、相対誤差に基づく視覚フィードバック制御法により、柔軟な構造にも関わらず手先位置精度は1mm以下となっている。ロボットアームはすべてプラスティックで構成され、金属を利用していない。なお、リンクおよびアクチュエータ内部の空気を抜くことにより、ロボットのコンパクト化も可能としている。

従来のロボットは、高出力・高精度・高速化を実現するため、構造材料として金属が使用される場合が多い。その一方で高重量・高剛性となるため、人や対象物との機械的接触時にダメージを与える恐れがあった。そこで我々の研究室では、新しい材料の利用を検討し、プラスティックシートのインフレータブル構造を用いることで軽量かつ柔軟なロボットアームを実現した。ゴム材料よりもヤング率の高いプラスティックを利用して、必要とされる剛性を達成しつつ軽量化を図っている。また、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのシートからリンクやアクチュエータの3次元構造体を作る方法を開発している。


プラスティック製ロボットアーム

図1 IR-Arm(4関節・グリッパ)

実現しているIR-Arm(インフレータブルロボットアーム)では、人と同程度の大きさと可動範囲を有し、自重約500g可搬重量1kgとなっている。

リンク・ハンド・アクチュエータ -インフレータブル構造-

図2 IR-Arm 各部構成

軽量かつ柔軟であり、各関節は空気圧駆動により柔軟となっている。関節部には、3Dプリンタで製作した構造部を開発し、アクチュエータの力伝達の方向を一致させ、力伝達効率を向上させている。全体が軽量・柔軟であるため、人や対象物との機械的接触時にも問題を発生せずに利用できることが期待される。

位置制御 -相対位置誤差基盤の視覚フィードバック制御法-

図3 視覚フィードバック制御結果

2自由度のロボットアームにおいて柔軟構造であるにも関わらず手先位置精度0.3mmを実現した。

活用例・応用例

図4 ピック&プレイス作業

柔軟化・軽量化のメリット

  • ●人やモノへ機械的接触作業など
  •  (福祉・人との共同作業など)
  • ●エンターテイメント用
  • ●片持ち構造の検査用


オールプラスティック化のメリット

  • ●MRI等の磁場環境での作業
  • ●食品等水洗い洗浄作業(図4)


コンパクト化のメリット

  • ●宇宙ロボットアーム (軽量化も利用)
  • ●狭隘空間からのロボット投入

セールスポイント

  • ・4自由度ロボットで自重約500g
  • ・柔軟構造であるにも関わらずビジュアルフィードバック制御によって手先位置精度は1mm以下
  • ・ロボットを低価格で実現できる可能性


特許情報

特願2014-040893/特願2014-516847/特開2014-020462

研究キーワード

インフレータブル構造 ・プラスティック材料 ・相対位置誤差基盤制御 ・空気圧駆動 ・軽量柔軟 

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