成果報告書詳細
管理番号20170000000055
タイトル平成27年度―平成28年度成果報告書 次世代ロボット中核技術開発/(革新的ロボット要素技術分野)次世代機能性材料/コンデンサ化マテリアル基材によるソフトアクチュエータ開発
公開日2017/3/1
報告書年度2015 - 2016
委託先名株式会社ブイ・アール・テクノセンター 国立大学法人岐阜大学
プロジェクト番号P15009
部署名ロボット・AI部
和文要約「次世代ロボット中核技術開発/(革新的ロボット要素技術分野)次世代機能性材料/コンデンサ化マテリアル基材によるソフトアクチュエータ開発」
 DEA実用化に向け、従来数kVの駆動(変形誘起)電圧を必要とするDEAを低電圧駆動させることを念頭に技術開発研究を行った。DEA構造はキャパシタと同じであり、その変形誘起はDEAの貯蔵電荷量に依存する。貯蔵電荷量の増大がDEA大変形誘起につながる。すなわち、DEAの低電圧大変形にはその静電容量増大が一つのカギとなる。DEA駆動部のエラストマーはキャパシタの誘電体相に相当し、その薄膜化、表面積増大によって静電容量増大が可能となるはずである。実際に「DEAのエラストマー部の薄膜化」、「エラストマー表面の凹凸化によるに表面積増大化」よって低電圧による大変形誘起化可能であることを確認した。また、薄膜化による変位量の減少を補てんするため、薄膜化エラストマーを積層した多層DEAの試作を行った。
 また、DEAを大変形させるためには、変形を阻害しない柔軟電極の開発が必要である。そこでDEA用柔軟電極の材料探索を行った。この結果、カーボンナノチューブを分散材とともにエラストマーに混合することにより、エラストマーの電気伝導度を飛躍的に向上させることが出来ることを見出した。
 上記、多層DEAの試作と並行して、シミュレーションの視点からは、多層DEAについて、いくつかの典型的な電気弾性計算を実施し、期待される性能評価を試みた。具体的には、CAEソフトウェアのANSYS R16.2を用いて、誘電体の線形静電場問題と、非圧縮性エラストマーの幾何非線形構造問題をカップリングできる要素により、薄膜化・多層化・電位差・変位量などの関係を確認するとともに、CAE計算時および作成時における問題点の洗い出しを行った。とくに、有限要素メッシュの偏平さの回避と、電界破壊強度への対策が重要なことを確認した。なお、物性値については既往の研究を参考に、比誘電率を4.5、機械的な構成則にYeoh超弾性モデルを用いた.
 DEA性能(変形や力発生)のセルフセンシング制御を目指した性能評価法の確立に関しては、セルフセンシングアクチュエーションとしてセンサ出力を用いる場合に問題となるのが入力電圧とセンサ電圧が測定電圧に混在してしまうことであるが、センサ電圧だけを取り出し測定する方法の一つとしてブリッジ回路を用いることが考えられる。ブリッジ回路要素に抵抗もしくはコンデンサを挿入することによりRCおよびCCブリッジ回路が構成でき、それぞれひずみ速度とひずみに比例したセンサ出力を得ることができる。また、シャント抵抗を用いた電流制御系も選択肢の一つとして考えられるが、それを用いた場合のフィードフォワード制御系、フィードバック制御系、2自由度制御系の構成についても検討を行った。しかしながら、DEAアクチュエータの仕様が定まっておらず、各要素のパラメータが決まっていない状態であるが、理論的には可能であると考えられるが、実験的な検証が必要である。
 DEAの目標値を定めるため、標準的な人の指や腕の筋力と体積を想定し、そこから目標スペックを積算し、提示することができた。また、DEAの評価を行うための治具モデルを提示することができた。さらにDEAのモジュール化のために必要なデバイスや制御手法を検討し、アクチュエータのイメージデザインを提示することができた。このデザインをもとにDEAを実装したロボット開発及び活用を行える企業を国内で48社抽出し、内9社訪問し情報収集することができた。そして、最終的な用途イメージとして、今後必要性が高いサービス分野として生活支援環境市場調査を実施した結果、当該DEAアクチュエータの早期実用化および実用化のインパクトが高いとされる「調理ロボット」を開発候補とする案を提示することができた。
英文要約“Research and development of innovative robotic components and its effective manner of utilization using next generation functional materials: Development of soft actuator based on capacitor materials”
Towards practical uses of DEAs, we aimed at reducing actuation voltage, whose current typical value is several kV. Similar to capacitors, induced deformation of DEA depends on the amount of charge stored. This means that to induce large deformation with low actuation voltage, it is essential to increase capacitance. For this, we made DEAs with thin films of dielectric layers, and ones with large surface area by roughening. We found indeed the both strategy works. In addition, to compensate the decease of the deformation due to thinning of the dielectric layers, we made a prototype of multilayered DEA. Another issue to realize large deformation is to develop flexible electrodes which do not impede deformation of DEAs. For this, we searched for fillers to make elastomers conductive. And, we found that by mixing MWCNT with a dispersant, conductivity of elastomers significantly increased. From computational viewpoint of the DEA in advance, several typical numerical experiments have been performed for manufacturing physical multi-stacking DEA devices. Concretely, relations among membrane-thinning, multi-stacking, electric voltage, and mechanical displacement were verified and various problems for their CAE computing and physical manufacturing have been checked by using finite elements, which are suitable for coupling both linear electro-static problem for dielectric body and nonlinear electro-mechanical problem for elastomer. Especially, it is recognized that finite element meshes should be almost cubic and the breakage of electric field should be adequately treated. Material parameters have been chosen as 4.5 for relative permittivity and ones for Yeoh’s hyper-elastic model of mechanical constitutive law, which are based on values in a literature. We also developed evaluation methods of self-sensing control of DEA. A common problem in using sensor outputs for self-sensing actuation is contaminations of input and sensor voltages into measurement voltages. One way to avoid this problem is to measure only the sensor voltage with a bridge circuit. By making RC and CC bridge circuits by inserting a resister and a capacitor, sensor outputs proportional to strain rate and strain can be measured, respectively. Another choice would be use of current control system with a shunt resistor. We investigated various current control systems with a shunt resistor. The control method is now ready to use, once the multilayered DEA is developed and its physical parameters are identified. Finally, we made an estimate on required performances of the DEA by comparing with human muscles. We also proposed a fixture model to evaluate the DEAs. Considering devices and control methods for modularization of DEA, we designed whole actuator systems. We picked up 48 companies which may be interested in our actuators, and visited 8 companies among them. We propose to develop cooking robots with our DEA actuator, in terms of high demands and immediate impacts on the market.
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