園芸の世界では、特に魅力的なブドウの木があります。成長すると、木の蔓はフェンスや木全体を倒すのに十分な力で障害物に巻きつきます。
MIT とスタンフォード大学のエンジニアは、蔓のねじれる粘り強さにヒントを得て、ガラスの花瓶やスイカなど、さまざまな物体をねじったり持ち上げたりできるロボット グリッパーを開発しました。これは、従来のグリッパー設計よりも穏やかなアプローチを提供します。ロボット触手の大型バージョンは、人をベッドから安全に持ち上げることもできます。
新しいボットは、ターゲット オブジェクトの近くに配置された加圧ボックスで構成されており、そこから長いつる状のチューブが靴下を裏返したように膨張して成長します。蔓が伸びると、蔓は物体の周りをねじったり回転したりしてから、箱に向かって戻り続けます。そこで自動的に所定の位置に固定され、再び巻き上げられて、柔らかいスリングのようなグリップで物体を優しく持ち上げます。
研究者らは、つるロボットがさまざまな重くて壊れやすい物体を安全かつ安定して持ち上げることができることを実証しました。このロボットは、狭い部品をすり抜けたり、乱雑な物体をかき分けて目的の物体に到達して掴むこともできます。
研究チームは、このタイプのロボットグリッパーが農作物の収穫から重い荷物の積み降ろしまで、さまざまなシナリオで使用できることを想定しています。同グループは、短期的には、柔らかく膨張可能なロボットつるが人をベッドから優しく持ち上げるのに役立つ、高齢者介護現場への応用を検討している。
「人をベッドから移すのは、介護者が行う作業の中で最も肉体的に負担の大きい作業の一つです」と、MIT機械工学科の博士課程候補者ケンタロウ・バルヒット氏は言う。 「このタイプのロボットは、セラピストにとっては作業を容易にし、患者にとってはより穏やかで快適になる可能性があります。」
Barhidt 氏は、スタンフォード大学の最初の著者である O. Godson Osele 氏およびその同僚とともに、本日、新しいロボットの設計を雑誌で発表します。 科学の進歩。この研究の著者は、マサチューセッツ工科大学フォード工学部教授のハリー・アサダ氏とスタンフォード大学のリチャード・W・ウェイランド教授のアリソン・オカムラ氏、スタンフォード大学のサララ・コダーリー氏とコスミア・デュ・ペスキエ氏、そして元MIT大学院生で現在フロリダ大学ゲインズビル校のチェイス・ハートクイスト氏である。
開いた状態と閉じた状態
クレジット: 研究者提供
岡村氏率いるスタンフォード大学のチームの共同研究者たちは、先端から伸びる蔓にインスピレーションを得たソフトロボットの開発の先駆者となった。これらの設計のほとんどは、制御された空気圧で成長して膨張する、薄くても強力な空気圧チューブで構成されています。成長するにつれて、チューブは周囲でねじれ、曲がり、ねじれ、狭く混雑した空間を突き抜けます。
研究者らは主に、安全検査や捜索救助活動に使用するつるロボットを研究してきた。しかし、マサチューセッツ工科大学で、高齢者向けのロボットヘルパーを開発しているグループのバルヒット氏とアサダ氏は、つる植物からインスピレーションを得たこのようなロボットが高齢者の介護における特定の課題、特に人をベッドから安全に持ち上げる課題に取り組むことができるのではないかと疑問に思った。多くの場合、看護やリハビリテーションの現場では、この移乗プロセスは患者リフトを使用して行われます。この移乗プロセスは介護者によって操作され、まず物理的に患者を横向きに移してから、ハンモック状のシートに戻す必要があります。セラピストはシートを患者の周りに巻き付け、機械式リフトに接続します。これにより、ハンモックやラックを吊るすのと同じように、患者をベッドから静かに持ち上げることができます。
MITとスタンフォード大学のチームは、その代替案として、セラピストが患者を物理的に操作することなく、つるのようなロボットが患者の下や周りを優しくひねって独自のパチンコを作り出すことを構想した。しかし、ラックを持ち上げるには、既存のつるロボットの設計に欠けている要素を追加する必要があることに研究者らは気づきました。つまり、基本的にループを閉じる必要があるということです。
つるをヒントにしたロボットのほとんどは「開ループ」システムとして設計されており、さまざまな構成で伸ばしたり曲げたりできる開いた紐として機能しますが、閉ループを形成するために何かに固定するようには設計されていません。 Barhidt 氏は、ゲフィン ロボットを開ループから閉ループに変形させることができれば、物体の周囲でスリングに変形し、掴んでいる物や物体と一緒に自らを引き上げることができるのではないかと仮説を立てました。
Barhydt 氏、Osele 氏らは新しい研究で、開ループ操作と閉ループ操作を組み合わせた、つるにヒントを得た新しいロボット グリッパーの設計について説明しています。オープンループ構成では、ロボットの蔓が成長して物体の周りをねじり、しっかりとしたグリップを作成できます。ベッドに横たわっている人の下にも潜ることもあります。一度掴みがかかると、つるはその源に向かって伸び続けてその源にしがみつき、物体を回収するために引き戻すことができる閉じたループを作成します。
「人々は、何かを掴むには手を伸ばして掴むだけだと思っているかもしれません」とバーヒット氏は言う。 「しかし、位置決めや保持など、さまざまな段階があります。開ループと閉ループを切り替えることで、両方の形状のそれぞれの段階の利点を活用して、新しいレベルのパフォーマンスを達成できます。」
優しいサスペンション
新しいオープンクローズドループの概念のデモンストレーションとして、チームは人をベッドから安全に持ち上げるように設計された大規模なロボットシステムを構築しました。このシステムには、架空柱の両端に取り付けられた一組の加圧ボックスが含まれています。ボックス内のエアポンプが膨張し、ベッドの頭と足に向かって細いつるのようなチューブがゆっくりと伸びます。空気圧を制御して、ボックスに戻る前に人の下や周りでチューブを優しく動かすことができます。次に、蔓をクランプ機構に通し、蔓を各ボックスに固定します。ウインチがつるを箱に向かって巻き戻し、作業中に人をゆっくりと持ち上げます。
「人体のような重くてもろい物体を、現在のロボットハンドで掴むのは困難です」と浅田氏は言う。 「私たちは、物体を包み込み、優しく安全に吊るすことができる蔓状の成長ロボット ラッチを開発しました。」
「デザイン空間全体が存在しており、この研究が私たちの同僚たちにインスピレーションを与え、探求を続けることを願っています」と筆頭著者のオスラは言います。 「特に医療患者の移送要請への影響を楽しみにしています。」
「私は、このようなロボットを使用して移動困難な人々を身体的に支援するという将来の研究に非常に興奮しています」と共著者の岡村氏は付け加えた。 「ソフトロボットは、人型ロボットなどの他のアプローチとは異なり、比較的安全で低コストで、特定の人間のニーズに合わせて最適に設計できます。」
チームの設計は高齢者の介護における課題をもとに進められましたが、研究者らは新しい設計が他の掴み作業にも適用できることに気づきました。大規模なシステムに加えて、市販のロボット アームに取り付けられる小型バージョンも構築しました。このバージョンでチームは、つるロボットがスイカ、ガラスの花瓶、ケトルベル、金属棒の束、遊び場のボールなど、さまざまな重くて壊れやすい物体をつかんで持ち上げることができることを示しました。蔓は、荷物を積んだ箱の中を曲がりくねって、目的のアイテムを取り出すこともできます。
「このようなロボットの設計は多くの用途に適応できると考えています」と Barhidt 氏は言います。 「港湾や倉庫のクレーン操作の自動化など、重工業への応用も考えている」。
この研究は、国立科学財団とフォード財団によって部分的に支援されました。
