触知覚センシングにおける軟組織のダイナミクス・トライボロジー

ソフトフィンガーにおけるセンシング

ソフトフィンガーにセンサを埋め込み，フィンガーの屈曲を検出することを試みた．三次元プリンタによるフィンガーの製作中に，フィルム状の曲げセンサを埋め込み，フィンガーの曲げ変形を測定した．曲げセンサを有する複数のフィンガーから成るソフトハンドを構築し，対象物を把持する実験を行った．対象物を把持できたときと，指と対象物の間に滑りが生じ，把持が失敗したときでは，センサの出力が異なることがわかった（図14）．滑りが生じたときには，曲げセンサの出力が大きく変化し，把持が成功したときには変化が小さい．したがって，ウェーブレット変換等を用いることにより，滑りの検出が可能であると考える．また，ソフトフィンガーの変形のダイナミックシミュレーションを実行し，シミュレーション結果と実験結果を比較したところ，両者が良く一致することがわかった．

図14　ソフトフィンガーに埋め込んだフィルム曲げセンサの出力

柔軟な指先の内部に埋め込むことが可能なセンサとして，永久磁石とホール素子を用いるセンサを構成した．永久磁石は柔軟な指先内部に埋め込まれ，ホール素子は指の底面に固定されている（図15）．指先の変形に伴い，永久磁石とホール素子の相対的な位置関係が変化し，結果としてホール素子の出力が変化する．したがって，ホール素子の出力から，指先に作用する力を推定することができる．

図15　柔軟な指先に埋め込まれた永久磁石とホール素子から成るセンサ

さらに，ソフトフィンガーの曲げ変形を検出する手法として，導電性繊維を用いる手法，複数の導電パターンを用いる手法を提案した．また，MEMSベースの触覚センサを試作し，そのセンサを用いて，布表面のテクスチャーの評価を試みた．

研究発表

ソフトフィンガーの曲げ変形の検出（センサの埋め込み）

Zhongkui Wang and Shinichi Hirai, A 3D Printed Soft Gripper Integrated with Curvature Sensor for Studying Soft Grasping, Proc. 2016 IEEE/SICE Int. Symp. on System Integration (SII 2016), pp.629-633, 10.1109/SII.2016.7844069, Sapporo Convention Center, Sapporo, Japan, Dec. 13-15, 2016
Mingzhu Zhu, Wang Zhongkui, Sadao Kawamura and Shinichi Hirai, Design and Fabrication of a Soft-bodied Gripper with Integrated Curvature Sensors, 2017 IEEE 24th Int. Conf. on Mechatronics and Machine Vision in Practice (M2VIP2017), Massey University, Auckland, New Zealand, Nov. 21-23, 2017 Best Paper Award

ソフトフィンガーの曲げ変形の検出（導電性繊維）

Takahiro Matsuno, Zhongkui Wang, and Shinichi Hirai, Grasping state estimation of printable soft gripper using electro-conductive yarn, Robotics and Biomimetics, Vol.4, No.13, 10.1186/s40638-017-0072-4, Dec., 2017
Helge Arne Wurdemann, Sina Sareh, Ali Shafti, Yohan Noh, Angela Faragasso, Damith Suresh Chathuranga Katudampe Vithanage, Hongbin Liu, Shinichi Hirai, and Kaspar Althoefer, Embedded Electro-Conductive Yarn for Shape Sensing of Soft Robotic Manipulators, The 37th Annual Int. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC 2015), 10.1109/EMBC.2015.7320255, MiCo - Milano Congressi, Milano, Italy, Aug. 25-29, 2015
Van Anh Ho and Shinichi Hirai, Measuring McKibben Actuator Shrinkage using Fiber Sensor, The 24th Int. Symp. on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN 2015), 10.1109/ROMAN.2015.7333585, Kobe Int. Conf. Center, Kobe, Japan, Aug. 31 - Sept. 4, 2015
Takahiro Matsuno, Zhongkui Wang, and Shinichi Hirai, Real-time Curvature Estimation of Printable Soft Gripper using Electro-conductive Yarn, 2017 IEEE Int. Conf. on Real-time Computing and Robotics (IEEE RCAR 2017), pp.5-10, Southern Beach Hotel & Resort Okinawa, Itoman, Japan, July 14-18, 2017 Best Conference Paper Finalist

曲げ変形の検出（複数の導電パターン）

Takahiro Matsuno and Shinichi Hirai, Deformation Estimation of a Plate Spring Using Asymmetric and Symmetric Conductive Patterns, 2017 IEEE/SICE Int. Symp. on System Integration, Howard Plaza Hotel, Taipei, Taiwan, Dec. 11-14, 2017 Finalist for Best Conference Paper Award

ソフトフィンガーの曲げ変形のダイナミックシミュレーション

Zhongkui Wang and Shinichi Hirai, Soft Gripper Dynamics Using a Line-Segment Model with Optimization-Based Parameter Identification Method, 2017 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA 2017), Sands Expo and Convention Centre, Singapore, May 29 - June 3, 2017

永久磁石とホール素子を用いるセンサ

Damith Suresh Chathuranga, Zhongkui Wang, Yohan Noh, Thrishantha Nanayakkara, and Shinichi Hirai, Magnetic and Mechanical Modelling of a Soft Three-Axis Force Sensor, IEEE Sensors Journal, Vol.16, Issue 13, pp.5298-5307, 10.1109/JSEN.2016.2550605, Apr., 2016
Damith Suresh Chathuranga Katudampe Vithanage, Wang Zhongkui, Yohan Noh, Thrishantha Nanayakkara, and Shinichi Hirai, Disposable Soft 3 Axis Force Sensor for Biomedical Applications, The 37th Annual Int. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC 2015), 10.1109/EMBC.2015.7319642, MiCo - Milano Congressi, Milano, Italy, Aug. 25-29, 2015
Damith Suresh Chathuranga Katudampe Vithanage, Zhongkui Wang, Yohan Noh, Thrishantha Nanayakkara, and Shinichi Hirai, Robust Real Time Material Classification Algorithm Using Soft Three Axis Tactile Sensor: Evaluation of the Algorithm, 2015 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS 2015), 10.1109/IROS.2015.7353655, Congress Center Hamburg (CCH), Hamburg, Germany, Sept. 28 - Oct. 2, 2015
Damith Suresh Chathuranga, Zhongkui Wang, Yohan Noh, Thrishantha Nanayakkara, and Shinichi Hirai, A Soft Three Axis Force Sensor Useful for Robot Grippers, 2016 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS 2016), pp.5556-5563, 10.1109/IROS.2016.7759817, Daejeon Convention Center, Daejeon, Korea, Oct. 9-14, 2016

MEMSベース触覚センサによるテクスチャーの評価

荒木凌馬, 安部隆, 野間春生, 寒川雅之, 近接・接触・滑りを検知できるMEMS多軸触覚センサを用いた小型電動マニピュレータ制御, 電気学会論文誌E (センサ・マイクロマシン部門誌), Vol.137, No.7, pp.212-217, 2017
梅木尚, 野沢瑛斗, 奥山雅則, 野間春生, 安部隆, 寒川雅之, 近接覚･触覚コンボセンサにおける周波数変調プローブ光を用いた近接計測手法の検討, 電気学会論文誌E (センサ・マイクロマシン部門誌), Vol.137, No.5, pp.146-150, 2017