この「機械の爪」は、まるで人間の手のように、卵をつかんだり、紙を切ったり、チップを挟んだりすることができます。

ロボットハンドが人間の手と同じ機能を実行できれば、タスクを実行する際に高度な器用さを発揮することになります。

しかし、人間のような器用さや握力などの重要な機能を維持しながら、追加の駆動部品を必要としない統合型ロボットハンドを開発することは困難です。駆動コンポーネントのせいで、これらのロボットを既存のロボットアームに統合することが難しく、広範囲にわたる適用が制限されます。

今、新たな解決策が登場しました。韓国の研究チームは、ILDAと呼ばれるリンク駆動機構をベースにした統合リンク駆動を備えた器用な擬人化ロボットハンドを開発した。このロボットハンドは、15 自由度 (20 関節)、34 N の指先力、コンパクトなサイズ (最大長: 218 mm)、追加部品不要、1.1 kg の軽量、触覚センシング機能を備えています。

興味深いことに、このロボットハンドは既存の市販のロボットアームに直接取り付けることができ、卵をつかむことからハサミやピンセットを使うことまで、さまざまな作業を実行できると、Nature Communications の論文は報告している。

図｜ILDAロボットハンド指の柔軟性のデモンストレーション（出典：Nature Communications）

ロボットソリューションは強みを補完する

効果的な把持動作を実現するために、業界では実際に、いくつかの物体を適応的に把持できる比較的器用な擬人化ロボットアームを数多く開発してきました。この論文では、研究者らは、高い器用さを備えた多自由度ハンドの分析と開発に焦点を当てました。器用なロボットハンドの代表的なコア要素は、直接モーター駆動、腱駆動、コネクティングロッド駆動機構に分けられます。

モーターダイレクトドライブ機構をベースに開発されたハンドは、モーターを関節に対して直感的に配置して、関節を直接駆動したり、ギアやタイミングプーリーを使用したりできる一般的な構造です。この構造により、関節の駆動効率が高く、関節を所望の位置に容易に配置することができる。

図 |ジョンズホプキンス APL 研究所が開発した MPL ロボットアーム (出典: ジョンズホプキンス大学)

具体的な例として、ジョンズ・ホプキンス APL 研究所が開発した MPL v2.0 ロボット ハンドは、高い器用さを誇り、22 のアクティブ自由度を持ち、コンパクトな設計で、アクチュエータと電子機器が統合されており、人間レベルの自然な動きと触覚フィードバックが可能です。ただし、手のサイズとパフォーマンスは、モーター、特に指に大きく依存します。ハイエンド仕様のモーターや駆動伝達部品を使用するとコストが増加します。また、モーターの重量により指の慣性も大きくなり、複雑な制御機構が必要になります。アクチュエータ技術の革新がなければ、小型化、軽量化、高性能化を実現することは困難です。

図｜Shadow Robot ロボットアーム（出典：Shadow Robot）

腱をベースとした手の作動機構は、人間の手の作動機構に最も似ています。通常、アクチュエータは前腕に配置され、駆動力を伝達するために腱を介して関節に接続されます。 NASA が開発したロボットハンド、DLR が開発した David ハンド、Shadow Robot が開発した Shadow 器用なハンドなどが、そのような機構を備えた代表的なものとして挙げられます。これは単一のヒューマノイド ロボットを開発するのに非常に適したアプローチですが、このタイプのロボット ハンドのアクチュエーターと電気部品は非常に大きいため、これらのロボット ハンドを多くの既存の市販ロボット アームと組み合わせることは困難です。

コネクティングロッド駆動機構は、私たちの日常生活でよく使われる機構です。この機構に基づいて開発されたハンドは、アクチュエータからの動力を伝達するために複数のリンクを組み合わせることができる構造により、関節の所望の方向への動きを促進します。このタイプのロボットハンドには、関節の双方向制御、堅牢性、製造とメンテナンスの容易さなどの利点があります。しかし、特に指などのシリアルロボットハンドでは、多自由度動作を実現し、広い作業スペースを維持することが困難です。腱は細くて柔軟性があるため、回転軸を介して各関節を独立して作動させることができますが、リンクは比較的太くて硬いため、この構成を実現するのは困難です。

研究者らは、既存のロボットハンドソリューションの分析を通じて、ロボットハンドには柔軟性、指先の力、制御性、堅牢性、低コスト、低メンテナンス性、コンパクト性などの利点がなければならないという結論に達しました。さらに、すべてのコンポーネントをハンド自体に埋め込むことができ、上記のすべての機能を備え、統合されたリンク駆動型の器用な人型ロボットハンド (ILDA) を開発できる必要があります。

図 | ILDA の概要、構成には指先センサーを備えた 5 本のロボット指、統合アクチュエーターを備えた手のひら側、コントローラー、アクセサリが含まれます (出典: Nature Communications)

この新しいソリューションは、並列機構と直列機構の融合によって構築され、コネクティングロッドの組み合わせにより中手指節関節（MCP）の2自由度動作と近位指節間関節（PIP）の1自由度動作を実現し、各関節で役割を果たす小さな部品の選択、配置、構成により必要な自由度動作と駆動角度を実現するとともに、高い指先力とそのバック駆動能力を得るための効率的な動力伝達構造も実現しています。手の力感知機能は、指先に 6 軸力/トルク (F/T) センサーを取り付けることで確保されます。研究者たちは、設計された指を使って、15の自由度と20の関節を持つ5本指のロボットハンドを開発した。

図｜ロボットの指の構造（出典：Nature Communications）

実際のアプリケーションでは、回路基板のレイアウトと配線の問題を解決して構築され、電子機器のコンパクトさを保証します。すべてのモーターが手のひらに統合されており、5本の指と指先センサーがあり、簡単な接続構成で一般的なロボットアームに簡単に接続できます。

実験では、この新しいロボットハンドは、さまざまな形状の物体をつかむことができ、強力な把持力を発揮し、把持時の精度を確保することができました。最後に、日常生活で人間の手が行う道具操作を再現し、はさみで紙を切ったり、ピンセットで小さな物を拾ったりする実験を通じて、手の高い利用率が検証されました。

図 | ILDA ロボットハンドの柔軟な把持能力 (出典: Nature Communications)

新たなレベルのパフォーマンス

研究者らはILDAロボットの性能に関する分析を行った。リンク駆動機構に関しては、ロボットハンドの器用さを確保するために、指サイズの狭い作業空間で人間の指と同様の 3 自由度動作を備えたリンク駆動ロボット指機構を実現することが設計の鍵となります。

ほとんどのリンク駆動型ロボット指は、2 つの関節に依存した 1 または 2 の自由度の動きしか実現できません。研究者らは、3 つの直動関節での直線変位を通じて、回転モーターとボールねじの組み合わせによって 3 つの直線変位を生成する、指の 3 自由度動作の組み合わせを開発しました。 3 つのモーターは同時に 3 自由度の動きを生成し、高い出力を生み出すことができます。

図 |ロボット指機構の運動構造（出典：Nature Communications）

設定された目標要件を達成するために、研究者は主に以下の要素を考慮しました。(1)必要な運動の自由度を達成するために適切なサイズの部品を選択して構成する：指の形状の狭いスペースで上記の運動モデルの機能を実現するには、モデルの構成に適切な調整を行う必要があります。したがって、デザインの観点から適切なサイズのウィジェットを選択することは非常に重要です。 （２）組立部品間の摩擦を最小限に抑える効率的な動力伝達構造。高い指先力を実現するためには、動力伝達部の摩擦を最小限に抑えながらコンパクトな構造が求められます。 （３）製造・組み立てが容易である。開発されたマニピュレータの市場浸透を高めるためには、コストとメンテナンスの観点から評価することも重要です。したがって、シンプルで堅牢なマニピュレータ構造を設計することが非常に重要です。

図 |ロボットハンドの詳細な寸法（出典：Nature Communications）

最後に、すべての動力伝達部品とモーターを手のひら側に統合し、構成された指アセンブリの各指先に 5 つの F/T センサーを取り付け、指の動きを妨げないようにセンサーの配線を完了し、最大長 218 mm、重量わずか 1.1 kg の統合型ロボット ハンドが完成しました。

ILDAハンドの性能を検証するために、研究者らは3つの側面から評価した。(1)作業空間内での器用さ。 （２）指先の力（３）触覚知覚

実験では、MCP 関節は 0° から 90° まで駆動でき、PIP 関節も 0° から 90° まで操作できます。さらに、PIP 関節は MCP 関節とは独立して動作でき、指の外転角度と内転角度は ±35° です。

図｜パフォーマンス分析（出典：Nature Communications）

接触点における接触力の大きさは指先センサーによって決定され、同じ力が指先と基準センサーに適用されます。指で加えられる力は連続的に増加し、25 mA の電流は 2 秒ごとに増加します。この指によって加えられる最大の力は、伸ばした姿勢で 28 N、曲げた姿勢で 34 N であり、これは指によって加えられる静的力の精度を検証し、平均誤差は 0.9 N です。応答は一般によく一致しており、重大な誤差はなく、繊細なタスクを実行する際に力の制御を実現する大きな可能性を提供します。

図 |ロボットはさまざまな把持テストと細かい操作を実行します（出典：Nature Communications）

テスト段階では、開発されたハンドを使用してアルミ缶を潰し、各指に測定された最大力は 25 N でした。このハンドは、卵を潰さずに安全に掴むのにも使用できます。日常生活においてハサミで紙を切るという動作は高度な器用さが求められる作業であるため、ロボットハンドで道具を操作することの実現可能性を確認するために、市販のロボットハンドに接続して紙を切る実験を行った。

最後のテストでは、ピンセットを使って小さな物体をつかんで動かすという課題がありました。マニピュレータは、ピンセットの先端が小さなチップを保持できるように移動しました。手で掴む動作をすると、ピンセットがチップのカバーを剥がしてチップを掴みます。次に、対象物を別の場所に移動させ、ピンセットを離して操作を完了しました。すべてがスムーズに行われました。

図 |ロボットがピンセットでチップを拾う（出典：ネイチャー・コミュニケーションズ）

商用利用のハードルを下げる

研究者らは、リンク駆動機構に基づく器用な人型マニピュレーターILDAは、関節の双方向制御、堅牢性、製造とメンテナンスの容易さなど、リンク駆動機構本来の利点を保証すると述べた。同時に、20 個の関節による 15 自由度のアクティブ動作、指間の十分な作業スペース、および高い指先の力を確保します。また、軽量でコンパクトなため、センサーを統合するためのスペースも確保されています。

ILDA ロボット ハンドは、追加部品を必要とせずに、既存の市販のロボット アームや開発中のロボット アームに簡単に取り付けることができます。主な利点は、ハンドが高いパフォーマンスを発揮し、部品構成がハンド自体と統合されていることです。

ロボットは物体の形状に応じてさまざまなタイプの把持を実行できます。はさみやピンセットは日常生活における道具操作の可能性を判断するために使用され、はさみを使用した道具操作における手の有効性を正確に定量化することは困難ですが、手の複数の自由度を使用し、関節の双方向制御を通じて複合的な動きを実行します。

超高自由度を備えた器用な擬人化ロボットハンドの開発は、科学的および工学的観点からの継続的な研究を必要とする未解決の問題のままです。しかし、この研究では、研究者たちはあらゆる面でロボットのパフォーマンスを最大化することを目指しました。

これまで業界では比較的器用なロボットハンドが数多く開発されてきたが、複雑な製造工程とメンテナンスの難しさから生じる高コストにより、商業利用が制限されてきた。このILDAロボットハンドは、機能とコストの総合的な最適化により、実用的な研究分野や多くの産業用途への応用が拡大され、ロボットハンドのさらなる研究が促進されます。

このような柔軟なロボットアームは将来、障害を持つ人が日常の動作をこなすのを助けるために人間に使用されるようになるのでしょうか?待って様子を見ましょう。

参考文献:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27261-0

執筆者: Cooper 編集者: Kou Jianchao レイアウト: Li Xuewei

出典: アカデミックヘッドライン