ヒューマノイドロボットにおけるTPU素材の応用

TPU（熱可塑性ポリウレタン）柔軟性、弾力性、耐摩耗性などの優れた特性を持つため、ヒューマノイドロボットの外装カバー、ロボットハンド、触覚センサーなどの主要部品に広く使用されています。以下は、権威ある学術論文や技術レポートから抜粋した詳細な英語資料です。1. **人型ロボットハンドの設計と開発TPU素材** > **概要**：本論文は、擬人化ロボットハンドの複雑さを解決するためのアプローチを提示する。ロボット工学は現在最も進歩している分野であり、常に人間のような動作や行動を模倣しようとする試みがなされてきた。擬人化ハンドは、人間のような動作を模倣するためのアプローチの一つである。本論文では、15自由度と5つのアクチュエータを備えた擬人化ハンドを開発するというアイデアを詳述するとともに、ロボットハンドの機械設計、制御システム、構成、および特性について議論した。このハンドは擬人化された外観を持ち、人間のような機能（例えば、把持や手のジェスチャー表現）を実行できる。結果から、このハンドは一体型設計で組み立てを必要とせず、柔軟な熱可塑性ポリウレタンで作られているため、優れた重量持ち上げ能力を発揮することが明らかになった。（TPU）素材、その弾力性により、この手は人間と対話しても安全です。この手は、ヒューマノイドロボットだけでなく義手にも使用できます。アクチュエータの数が限られているため、制御が簡単になり、手が軽くなります。 2. **4次元印刷法を使用してソフトロボットグリッパーを作成するための熱可塑性ポリウレタン表面の修正** > 機能的勾配付加製造を開発するための方法の1つは、熱溶解積層法3D印刷とソフトハイドロゲルアクチュエータを組み合わせることで実現される、ソフトロボットグリッピング用の4次元(4D)印刷構造の作成です。この研究では、熱可塑性ポリウレタン(TPU)製の修正3D印刷ホルダー基板とゼラチンハイドロゲルをベースにしたアクチュエータで構成され、複雑な機械構造を使用せずにプログラムされた吸湿変形を可能にする、エネルギーに依存しないソフトロボットグリッパーを作成するための概念的なアプローチを提案しています。 > > 20%ゼラチンベースのハイドロゲルの使用により、構造にソフトロボットのバイオミメティック機能が付与され、液体環境での膨潤プロセスに応答することで、印刷されたオブジェクトのインテリジェントな刺激応答性機械機能が実現します。アルゴン-酸素環境で90秒間、100Wの電力と26.7Paの圧力で熱可塑性ポリウレタンの表面を標的として機能させることで、マイクロレリーフの変化が促進され、表面の膨潤したゼラチンの接着性と安定性が向上します。 > > マクロな水中ソフトロボットグリッピング用の4Dプリント生体適合性櫛形構造を作成するという実現されたコンセプトは、非侵襲的な局所グリッピング、小さな物体の輸送、水中での膨潤時の生理活性物質の放出を可能にします。したがって、結果として得られる製品は、自己駆動型バイオミメティックアクチュエータ、カプセル化システム、またはソフトロボティクスとして使用できます。 3. **様々なパターンと厚さを持つ3Dプリントヒューマノイドロボットアームの外装部品の特性評価** > ヒューマノイドロボットの発展に伴い、人とロボットのより良いインタラクションのために、より柔らかい外装が必要です。メタマテリアルのオーゼティック構造は、柔らかい外装を作成するための有望な方法です。これらの構造は独自の機械的特性を持っています。3Dプリント、特に溶融フィラメント製法（FFF）は、このような構造を作成するために広く使用されています。熱可塑性ポリウレタン（TPU）は、優れた弾力性があるため、FFFでよく使用されます。この研究では、Shore 95A TPUフィラメントを使用したFFF 3Dプリントを使用して、ヒューマノイドロボットAlice III用の柔らかい外装カバーを開発することを目的としています。 > > この研究では、3Dプリンターで白いTPUフィラメントを使用して、3DPヒューマノイドロボットアームを製造しました。ロボットアームは、前腕部と上腕部に分かれています。サンプルには、異なるパターン（ソリッドとリエントラント）と厚さ（1、2、4 mm）が適用されました。印刷後、曲げ、引張、圧縮の各試験を実施し、機械的特性を分析しました。結果から、リエントラント構造は曲げ曲線に向かって容易に曲げることができ、必要な応力が少ないことが確認されました。圧縮試験では、リエントラント構造はソリッド構造に比べて負荷に耐えることができました。 > > 3つの厚さすべてを分析した結果、厚さ2mmのリエントラント構造は、曲げ、引張、圧縮特性の点で優れた特性を持つことが確認できました。したがって、厚さ2mmのリエントラントパターンは、3Dプリントされたヒューマノイドロボットアームの製造により適しています。 4. **これらの3DプリントTPU「ソフトスキン」パッドは、ロボットに低コストで高感度の触覚を提供します** >イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者たちは、ロボットに人間のような触覚を与える低コストの方法、つまり機械圧力センサーとしても機能する3Dプリントのソフトスキンパッドを考案しました。 > > ロボット用触覚センサーは通常、非常に複雑な電子部品で構成されており、非常に高価です。しかし、私たちは機能的で耐久性のある代替品を非常に安価に製造できることを示しました。さらに、3Dプリンターを再プログラムするだけなので、同じ技術を様々なロボットシステムに簡単にカスタマイズできます。ロボットのハードウェアは大きな力やトルクを伴う場合があるため、人間と直接相互作用したり、人間の環境で使用される場合は、非常に安全に設計する必要があります。この点において、機械安全コンプライアンスと触覚センシングの両方に使用できるソフトスキンが重要な役割を果たすことが期待されています。 > > チームのセンサーは、市販のRaise3D E2 3Dプリンターで熱可塑性ウレタン（TPU）から印刷したパッドを使用して製造されています。柔らかい外層が中空の充填部分を覆い、外層が圧縮されると内部の空気圧がそれに応じて変化します。これにより、Teensy 4.0マイクロコントローラーに接続されたHoneywell ABP DANT 005圧力センサーが、振動、触覚、圧力の増加を検知できます。病院環境でソフトスキンロボットを使用したいと想像してみてください。ロボットは定期的に消毒するか、定期的にスキンを交換する必要があります。どちらにしても、莫大なコストがかかります。しかし、3Dプリントは非常にスケーラブルなプロセスであるため、交換可能な部品を安価に作成し、ロボットの本体に簡単に取り付けたり取り外したりすることができます。 5. **TPU Pneu-Nets のソフトロボットアクチュエータとしての積層造形** > この論文では、熱可塑性ポリウレタン (TPU) の積層造形 (AM) を、ソフトロボット部品への応用という観点から調査します。他の弾性 AM 材料と比較して、TPU は強度とひずみに関して優れた機械的特性を示します。選択的レーザー焼結により、空気圧曲げアクチュエータ (pneu-nets) をソフトロボットのケーススタディとして 3D プリントし、内部圧力に対するたわみに関して実験的に評価しました。気密性による漏れは、アクチュエータの最小壁厚の関数として観察されます。 > > ソフトロボティクスの動作を記述するには、解析的または数値的などの幾何学的変形モデルに超弾性材料の記述を組み込む必要があります。この論文では、ソフトロボティクスアクチュエータの曲げ動作を記述するさまざまなモデルを検討します。機械材料試験を適用して、積層造形された熱可塑性ポリウレタンを記述する超弾性材料モデルをパラメータ化します。 > > 有限要素法に基づく数値シミュレーションをパラメータ化してアクチュエータの変形を記述し、最近公開されたそのようなアクチュエータの解析モデルと比較します。両方のモデル予測をソフトロボティクスアクチュエータの実験結果と比較します。解析モデルではより大きな偏差が達成されますが、数値シミュレーションでは平均偏差 9° の曲げ角度を予測しますが、数値シミュレーションでは計算にかなり長い時間がかかります。自動化された製造環境において、ソフトロボティクスは、リジッドな製造システムをアジャイルでスマートな製造へと変革することを補完できます。