トリムヘリコイド：高精度、大きな作業領域、およびコンプライアント相互作用を有するアーキテクチャソフト構造

2024-06-03 Mon
トリムヘリコイドソフトロボット高精度大きな作業領域コンプライアント人間-ロボット相互作用
修整螺旋体：一种具高精度，大工作空间和顺应性相互作用的软结构背景介绍近年、バイオインスパイアードによって、多くの研究者が伝統的な硬いロボットのパラダイムを離れ、順応性のある材料と構造を含むデザインに移行しています。象の鼻はこの柔軟なロボットのビジョンの典型的な例で、制御力と作業空間において比類のない能力を持ち、その順応性により多目的なツールとして使われます。しかし、これまでの最も優れた軟体ロボットでも、この自然界の性能に完全には匹敵していません、特に1メートル以上の規模のシステムにおいて。
この限界に対処するために、本研究では構築材料（アーキテクチャードストラクチャー）を利用する解決策を提唱します。これらの構造は材料の特性ではなく、幾何学的形状を通じてその物理特性を調整し、内部のマイクロ構造や複合材料によって特性をカスタマイズするメタマテリアルとは異なります。アーキテクチャードストラクチャーは均一な材料の空間的な不均一性を利用し、単一素材の製造で多くの物理特性を調整することができ、簡単で低複雑性の製造が可能です。これらの構造はアクチュエータ、変形および適応構造などのロボットアプリケーションで既に使用されています。
论文来源この研究はQinghua Guan、Francesco Stella、Cosimo Della Santina、Jinsong Leng、Josie Hughesらの共同研究で、npj Robotics（2023）に発表されました。研究機関にはEPFL、ハルビン工業大学、デルフト工科大学、ドイツ航空宇宙センター(DLR)が含まれます。
研究介绍研究流程1. 裁剪螺线结构设计与分析研究はまず、裁剪螺线構造（trimmed helicoids）に基づくアーキテクチャードストラクチャーを設計し、この構造が曲げと軸方向の剛性を独立して調整できることを示しました。有限要素解析（FEA）と計算解析を通じて、制御性、誤差感度、順応性の間で最適なバランスを実現する形状を選択しました。
具体的なステップは以下の通りです：
軸角度に基づいて構造表面の勾配を設定し、内側の材料が主に軸方向の剛性に寄与し、外側の材料が主に曲げを防ぎます。
径方向の修剪過程を通じて選択的に内側の材料を削除し、軸方向と曲げの剛性の間で特定の比率を達成する構造をデザインします。
螺線構造の厚さを調整することで、剛性の絶対値の制御を提供します。
2. 模块化组合与驱动设计裁剪螺线構造を組み合わせ、駆動方法と組み合わせてメートル級の軟体操作アームを展示し、その性能を検証しました。実験サンプルにはメートル級の軟体操作アームと複数のセクションがあります。
力の伝達システムを設計し、操作アームが異なる方向に圧縮、曲げ、掴む機能を実現できるようにしました。
3. 末端执行器设计エンドエフェクタを設計し、全体構造が大きな作業空間を持つだけでなく、環境や人間とのインタラクションも実現しました。例えば、特定の性能指標、剛性値、幾何形状を選択することで、軟体ロボットは複雑なタスク環境、例えば餌やりや協同物品操作において優れた性能を発揮することができます。
研究结果裁剪螺线结构的刚度特性几何参数与刚度关系：
研究は、幾何パラメータ（螺線の厚さ、幅、螺線の数、およびねじれ角）が軸方向と曲げ剛性に有意な影響を与えることを示しました。
無次元剛性比 λstiff = kaxial r²/kbend を用いて、幅と半径の比 w/r を調整することで、異なる絶対剛性を得ることができます。
优化几何属性与性能：
相対剛性 λstiff を1.3から14の間で調整することで、組み立て後の柔軟性と性能が著しく向上しました。
シミュレーションと実際の製造により、λstiff ≈ 2の柔軟性が他の値よりも顕著に優れていることが確認されました。
软体操纵臂的设计与测试工作范围与控制精度：
実際のモデリングとシミュレーションにより、メートル級操作アームのエンドエフェクタの作業範囲と精度が検証されました。
高さや偏位の異なる環境下での円形、四角形、およびゼロスペースの軌跡が、異なる構成下での性能を示しました。
人机交互任务展示：
実験で、ロボットが人間と協力してトマトの分類とスープの給餌の二つのタスクを行う様子が示され、ロボットは高精度な制御と環境とのインタラクションを通じてこれらの複雑なタスクを完了しました。
これらのタスクで、軟体操作アームは優れた安全性と順応性を発揮しました。
研究结论科学价值与应用价值：
本研究は、軸方向と曲げ剛性を調整できる新しいタイプのアーキテクチャードストラクチャーを示し、大規模軟体ロボットに効果的な制御性能と作業空間を提供しました。
新しいデザイン方法を提供し、将来の軟体ロボットの開発に重要な示唆を与えました。
研究亮点：
本研究は、裁剪螺线構造を通じて軟体ロボットの高い順応性と大作業空間を実現しました。
アーキテクチャードストラクチャーがロボットの構造を最適化する可能性を示し、人機インタラクションの安全性に新たな道を開きました。
有限要素解析と実際の製造を組み合わせ、最適化された幾何パラメータが物理性能に与える影響の顕著を検証しました。
总结与展望研究は、多種多様な複雑なタスク環境に適用可能な新しいタイプの軟体ロボット構造を提案し、未来の研究では、材料の機械性能のさらなる最適化、低粘度材料やモデル駆動手法の探索、およびフィードバックを取り入れた閉ループ制御の実現などが期待されます。これにより、よりインテリジェントな軟体ロボットシステムが実現し得ます。
研究は、高性能の大規模軟体ロボットの空白を埋め、将来のより複雑な応用シーンに強力な理論と方法のガイドラインを提供しました。