柔らかく、握りやすく、かつてないほどスマート：空気圧ロボットの台頭

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要約と1 はじめに

関連作品2

2.1 空気圧駆動

2.2 空気圧アーム

2.3 ソフトロボットの制御

3 PAUL: デザインと製造

3.1 ロボット設計

3.2 材料の選択

3.3 製造

3.4 パフォーマンスバンク

4 データ収集とオープンループ制御

4.1 ハードウェアのセットアップ

4.2 ビジョンキャプチャシステム

4.3 データセット生成: テーブルベースモデル

4.4 オープンループ制御

5 件の結果

5.1 最終PAULバージョン

5.2 ワークスペース分析

5.3 テーブルベースモデルのパフォーマンス

5.4 曲げ実験

5.5 重量運搬実験

6 結論

資金調達情報

A. 実施した実験と参考文献

関連作品2

2.1 空気圧駆動

空気圧アクチュエータの設計と構築にはさまざまな可能性があります。ソフトロボットでは一般的ですが、生物に着想を得たアクチュエータが存在します。 [21]では、空気圧と腱の両方を組み合わせてタコの腕の挙動を模倣しようとするアクチュエータが提示されている。最終的な操作は人間の指にヒントを得たものですが、[22]の作品と似ています。これは、膨らむ 3 つの一次元の弁で構成されており、指骨の動きを模倣します。

ただし、最も一般的な生物に着想を得た空気圧アクチュエータは、空気圧人工筋肉 (PAM) です。これらは、筋肉と同様に、空気室の伸縮を実現することに基づいています。チャンバーの壁は通常、非常に薄く柔軟な膜で作られており、空気の流れをほとんど取り入れずに大きな変形を可能にします[23]。いくつかのアクチュエータは膨張時に縦方向に伸びるが[24]、一般的なアプローチはマッキベン筋を利用するもので、編組メッシュに挿入された膀胱で構成され、膨張すると膀胱の動きが制限され、全体が収縮する[25]。 2つのPAMセグメントからなるアームが[26]で設計されモデル化されている。

近年特に重要性を増しているもう一つの選択肢は、[27]で初めて導入されたPneunet型アクチュエータです。このタイプのアクションを使用するマニピュレータは、フィン付きビームタイプの構造と、場合によっては剛性の異なる材料で構成されます。グリッパー[28, 29]、ソフトグローブ[30]、人体部位のモデリング[31]などに広く使用されています。

さまざまな著者がこの構造の進化を提案してきました。 [32]では形状の最適化が行われていますが、[33]ではビームの断面を可変にすることでPneunetのコンセプトを進化させたPneuFlexアクチュエータが紹介されています。一方、[34]と[35]の研究では、双方向曲げ機能を備えたこのアクチュエータをベースに空気圧セグメントを設計する方法が示されている。

ジャミングは、当初はソフトグリッパー[36]に使用されていましたが、ビーム形状のマニピュレーターを作成するためにも使用できます[37]。その機能は空気圧の逆で、自然な状態では曲がっており、負圧が加えられると硬くなります。 [38]では、圧力または真空を適用できるTPUプリントセグメントが導入されています。

2.2 空気圧アーム

アクチュエータの設計に加えて、空気圧ソフトロボットは、さまざまな自由度を持つアームの構築のためにアクチュエータを統合するという課題に直面する必要があります。 [26]のような以前の研究のいくつかは確かに小火器を形成しているが、マニピュレーターの構築にはいくつかの代替手段が開発されている。

最初の選択肢はハイブリッドアプローチです。これは、剛性要素と純粋に柔らかい要素の両方を組み合わせたもので、簡単な方法で比較的安定したメカニズムを実現できます。この例としては、拮抗的に作動するPAMペアを使用して7自由度の剛性ビームアームを動かす研究[39]が挙げられます。 [40]でも非常によく似た手順が踏まれている。ロボットが人間に危害を加えるのを防ぐために、腕に膨張式スリーブが追加されています。

[41]では、剛性ベースを備えた空気圧セグメントが開発されている。これは 6 本のチューブで構成されており、その形状により、3 本ずつ膨らませると、ベースに対して垂直な軸を中心にアセンブリが回転できるようになります。ロボットアーム全体が開発されるのではなく、1 自由度の部分のみが開発され、完全に柔らかいロボットアームに統合されます。同じ著者らは以前にも、長さ85cmのセグメントから6自由度のロボットアームを開発しており、最大3kgの荷物を持ち上げることができる[42]。

一方、[43]の研究では、TPUで作られた折り紙ロボットアームが紹介されている。これは空気圧作動によって膨張および収縮しますが、その位置は腱によって制御され、システムの速度は低下しますが、精度は大幅に向上します。 3Dプリントロボットの中で、[44]は3自由度のセグメントを提示しており、その動きは3本の空気圧チューブのうち1本以上を膨張または収縮させることによって実現されます。また、拮抗筋の役割を果たしてマニピュレータの動きを強化するケーブルも備えています。その動作原理は[1]の研究と非常によく似ています。

また、印刷可能で展開可能なロボットの哲学に基づいて、[45、46]はハニカム空気圧ネットワーク（HPN）アームを提示しています。内部にエアバッグを備えたTPUハニカム構造を連結して構築されています。論文ではいくつかのプロトタイプが紹介されており、そのうちの 1 つは 4 つのセグメントを結合すると長さが 600 mm に達することができます。その利点のいくつかが議論される一方で、誇張ではなく重量が重いという問題があります。すべてのチューブを考慮すると、アームの重量は 4.4 kg になります。

[47]のロボットは2つのセグメントで構成され、それぞれに3本の空気圧チューブが付いています。理論的には 6 つの自由度が与えられますが、コントローラーは上部モジュールのみを担当し、すべての位置と方向を自由に固定することはできません。

STIFF-FLOPマニピュレータは[48]で導入されました。これは、内部に一連の空気圧チャンバーを備えたエラストマーシリンダーで構成されており、その膨張と収縮によってシリンダーが変形し、ロボットが動きます。この設計にはさまざまなバリエーションがあり、[31]で実証されている補強腱を備えたSTIFF-FLOPセグメントなどがある。

このラインでは、[49]で紹介されているSoPrAは、それぞれが円錐形の胴体のような形をした3つの繊維強化シリコンセグメントを組み合わせて作られており、ロボットの端はベースよりもはるかに狭くなっています。著者らが指摘するように、円錐台形は上部セグメントにより多くのトルクが必要で、内部により多くのチューブを保持できるため有利であるが、テーパーを実現するために使用される製造プロセスにより、ロボットに新しいセグメントを簡単に追加することができない。

[50]では、シリコンゴムを使用して3セグメントのアームが構築されています。各セグメントの長さは 110 mm、直径は 45 mm で、従来の STIFF-FLOP 構造とは異なり、4 つの膨張可能な空洞が装備されています。これは、セグメントごとに 3 つの自由度しかない場合と比較して冗長性が高まるため、重量が増加し、制御が難しくなることを意味します。