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Hiroki Shigemune

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Hiroki Shigemune

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Hiroki Shigemune

  1. 1. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 印刷法を用いたロボット作製法とその数理 早稲田大学 総合機械工学科 菅野研究室 博士1年 重宗 宏毅
  2. 2. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 1.研究背景 2.研究目的 3.提案手法 3.1 Design and development of printed paper robot  H. Shigemune, S. Maeda, Y. Hara, N. Hosoya and S. Hashimoto, “Origami Robot: A Self-folding Paper Robot with an Electrothermal Actuator Created by Printing,” in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics , vol. 21, no. 6, pp. 2746-2754, Dec. 2016. 3.2 Development of printed robot using desktop printer and cutting plotter  H. Shigemune, S. Maeda, Y. Hara, U. Koike and S. Hashimoto, “Kirigami robot: Making paper robot using desktop cutting plotter and inkjet printer,”, 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Hamburg, 2015, pp. 1091-1096. 3.3 Development and actuation of self-folding wiring board  H. Shigemune, S. Maeda, V. Cacucciolo, Y. Iwata, E. Iwase, S. Hashimoto and S. Sugano, “Printed paper robot driven by electrostatic actuator,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 2, pp. 1001-1007, Apr. 2017. 4.全体のまとめ  印刷法  折り紙  紙  折り紙ロボット
  3. 3. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  ペーパーメカトロニクス シート材料に各要素を印刷することでロボットを作製 印刷法による自動作製の特徴  簡便・迅速な印刷法の特徴による生産性の向上  ロボット作製時の特定の技術の自動化  二次元印刷パターンとロボット機能というロボットの見方を提案 1.印刷 2.組み上がり 3.駆動
  4. 4. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 印刷 紙 折り紙 ロボット ペーパーメカトロニクス
  5. 5. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 印刷 紙 折り紙 ロボット ペーパーメカトロニクス
  6. 6. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷法の歴史 筆写だった文章を簡便に複製する手段として発明された 紙の発明 文献 http://www.timetw.com/40650.html 蔡倫が発明(105年) 印刷の発明 文献 http://www5b.biglobe.ne.jp/~tanzawa/matsu/photo/029.jpg 世界最古の印刷物(764年) 百万塔陀羅尼(日本) 参考文献 早わかり印刷の知識: “版式の原理”から“デジタル技術”の基礎まで
  7. 7. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017
  8. 8. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 有版式印刷 利点  大量生産性が高い  様々なインクが印刷できる (粘度、表面張力、粒径など) 欠点  工数が多い  異なるパターンを印刷するのに 新たな版を作る必要がある 有版印刷の例 (スクリーン印刷)
  9. 9. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 無版式印刷 利点  初期費用が小さい  初期工数が小さい  手軽 欠点(特にインクジェット)  大量生産性に劣る  インクの特性が極端に限られる 小ロット・多品種生産 無版印刷の例 (インクジェットプリンタ) (カッティングプロッタ)
  10. 10. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 必要な時に素早く作製
  11. 11. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  2次元インクジェット印刷  産業用インクジェットプリンタ 利点 ヘッドを調整・交換可能 ⇒ インクを作りこむ必要なし ⇒ ヘッドを交換可能 欠点 高価(~数百万)  家庭用インクジェットプリンタ 利点 安価・簡便 欠点 ヘッドを調整・交換不可 ⇒ インクの作りこみが必要 ⇒ ヘッドが壊れたら本体ごと交換 Dimatix DMP-2850, Fujifilm PIXUS iP7230, Canon
  12. 12. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 印刷 紙 折り紙 ロボット ペーパーメカトロニクス
  13. 13. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  メカトロニクスの構成要素 • 制御部 アクチュエータへの動作指令を行う部分 • センサ 機構の状態を計測し、制御部に受け渡す装置 • エネルギー源 アクチュエータのパワー源 • 構造(メカニズム) アクチュエータによって操作される運動系 • アクチュエータ 機構を動かす駆動装置
  14. 14. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷法を用いたメカトロニクスの構成要素の開発 • 制御部 アクチュエータへの動作指令を行う部分 • センサ 機構の状態を計測し、制御部に受け渡す装置 • エネルギー源 アクチュエータのパワー源 • 構造(メカニズム) アクチュエータによって操作される運動系 • アクチュエータ 機構を動かす駆動装置 プリンテッド エレクトロニクス T. Takenobu et al., Applied Physics Express, (2009). プリンテッドメカニクス 構造・動きを付与することによる 更なる機能の向上
  15. 15. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷デバイスの紹介(制御部) T. Takenobu et al., Applied Physics Express, (2009). 印刷カーボンナノチューブトランジスタの駆動特性 トランジスタとしての 性能を確認 • ゲート電圧 • ドレイン電流 • ON/OFF比 • ヒステリシス 電極:金 基板:シリコン 産業用インクジェットプリンタ ⇒ CNTは低分散 印刷カーボンナノチューブトランジスタの例
  16. 16. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷デバイスの紹介(制御部) T. Takenobu et al., Applied Physics Express, (2009). フレキシブル印刷CNTトランジスタの例 電極:金 基板:シリコン 産業用インクジェットプリンタ ⇒ CNTは低分散 ポリイミド基板上に 形成することでフレキシブルな トランジスタを開発 印刷カーボンナノチューブトランジスタの例
  17. 17. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷デバイスの紹介(センサ) T. Hashizume et al., UbiComp2016, (2016). 家庭用インクジェットプリンタを用いた 配線印刷 家庭用インクジェットプリンタで 圧力センサを印刷 可撓性が高く、安価な紙に印刷 ⇒ IoT, ウェアラブルデバイス との親和性が高いと考えられる コイルを使って非接触で測定可能
  18. 18. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷デバイスの紹介(エネルギー源) L. Hu et al., PNAS, (2009).  紙/CNT 電源 K. Sun et al., Advanced Materials, (2013).  3D printed Li-ion battery 正極用材料:LFP 負極用材料:LTO 3Dプリンタ用インクを開発し ~ 1mm のLiイオン電池を作製 電極:CNT 基板:紙 紙面上に電源を作製 プラスチック材料と比較して インクが基板に定着する
  19. 19. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷法を用いたメカトロニクスの構成要素の開発 • 制御部 アクチュエータへの動作指令を行う部分 • センサ 機構の状態を計測し、制御部に受け渡す装置 • エネルギー源 アクチュエータのパワー源 • 構造(メカニズム) アクチュエータによって操作される運動系 • アクチュエータ 機構を動かす駆動装置 プリンテッド エレクトロニクス T. Takenobu et al., Applied Physics Express, (2009). [1] プリンテッドメカニクス 構造・動きを付与することによる 更なる機能の向上
  20. 20. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷デバイスの紹介(構造)  折り紙  3Dプリンタ Personal 3Dprinter MakerBot Y. Liu et al., Soft Matter., (2011). H. Sugihara, “Ready to Crawl” E. Hawkes, PNAS, (2009).
  21. 21. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷デバイスの紹介(アクチュエータ) C. Wang et al., Mat. Res. Lett., (2012). A. S. Chen et al., ICRA, (2014). Paper zipper actuator 高分子フィルムの熱膨張によって駆動  2D Printed actuator ロボットの駆動
  22. 22. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷デバイスの紹介(アクチュエータ)  3D printed composites R. MacCurdy et al., ICRA, (2016). S. Sundaram et al., Advanced Materials Technologies, (2017).
  23. 23. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 印刷 紙 折り紙 ロボット ペーパーメカトロニクス
  24. 24. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  紙  紙の種類  新聞紙  印刷紙  包装紙  衛生用紙 • トイレットペーパー  雑種紙 • トレーシングペーパー • 書道の半紙 • 和紙  紙の特徴  表裏  厚み  強度 • 引張 • 圧縮 • 破断  透明度  紙目(縦目・横目)  保存性  印刷適性 参考:筑波大 江前先生, “紙の基礎と印刷適性-構造・物性・加工・印刷品質評価-.” 株式会社 宗次 “紙の特性,” http://www.munetsugu.co.jp/tips/property.html 様々な特徴を持つ紙が大量生産されている
  25. 25. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  紙デバイス  Memory  Analysis sytem  Display  Microscope グルコース測定機器 従来 : $ 50 + $ 0.30 * n 提案 : $ 0.05 * n 大量生産に強いL. Hong et al., Low cost microfluidics in healthcare. J. Cybulski et al., PLOS one, (2014) . ・最大50時間 ・頑丈 ・1 $/unit 様々なタイプの方式を適用可能(明暗視野、蛍光) 感染症の元となる寄生虫の観察・特定 D. Lien et al., ACS nano, (2014) . 可燃、裁断可 ⇒ 使い捨て ⇒ 高保守性 S. Olberbing., UIST2014, (2014) .
  26. 26. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 印刷 紙 折り紙 ロボット ペーパーメカトロニクス
  27. 27. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  折り紙の歴史と産業応用 https://shikinobi.com/wp-content/uploads/2016/07/tsuru2.jpg Robert Lang, https://www.youtube.com/watch?v=DJ4hDppP_SQ http://www.langorigami.com/article/crease-patterns-art
  28. 28. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  折り紙の歴史と産業応用 ORIPA, 筑波大, 三谷先生, https://youtu.be/F89Qrp89q4U. 明治大, 萩原先生, http://www.meiji.net/magazine/knowledge/vol50_ichiro-hagiwara. ナマコ折りを応用した 血管ステント 北大,繁富先生 http://www.nikkei.com/article/DGKKZO 82327920T20C15A1MZ9000/ 東大, 舘先生, https://youtu.be/GAnW-KU2yn4.
  29. 29. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  様々な折り方 http://www.athome- academy.jp/archive/mathematics_physics/0000001014_all.html  三浦折り  吉村パターン 折ることで 強度が増す 缶に応用 折り紙研究ノート(三谷純), http://mitani.cs.tsukuba.ac.jp/origami/main.html https://www.youtube.com/watch?v=nw5RLvN7fYA  なまこ折り http://mitani.cs.tsukuba.ac.jp/origami/main.html
  30. 30. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 印刷 紙 折り紙 ロボット ペーパーメカトロニクス
  31. 31. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  Folding in robotics (2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems workshop) Sam Felton, Mike Tolley, Robert Wood. Harvard University Kyu-Jin Cho Seoul National University Jamie Paik EPFL Duncan Haldane Florida State University Daniela Rus MIT Self-assembly Deployable Rapid-prototyping Scalable Light weight
  32. 32. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  Folding in robotics Sam Felton, Mike Tolley, Robert Wood. Harvard University Felton, S., Tolley, M., Demaine, E., Rus, D., & Wood, R. (2014). A method for building self-folding machines. Science, 345(6197), 644-646. マイクロコントローラで折り順序を制御
  33. 33. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  Folding in robotics B. An et al. An End-to-End Approach to Making Self-Folded 3D Surface Shapes by Uniform Heating., ICRA2014, pp. 1466-1473, (2014).
  34. 34. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  Folding in robotics B. An et al. An End-to-End Approach to Making Self-Folded 3D Surface Shapes by Uniform Heating., ICRA2014, pp. 1466-1473, (2014). 屈曲する原理 ギャップと角度の関係
  35. 35. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  Folding in robotics (2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems workshop) Daniela Rus Group MIT 障害物も踏破可能 S. Miyashita et al. An untethered miniature origami robot that self-folds, walks, swims, and Degrades., ICRA2015, pp. 1490-1496, (2015).
  36. 36. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 印刷 紙 折り紙 ロボット ペーパーメカトロニクス
  37. 37. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  ペーパーメカトロニクス シート材料に各要素を印刷することでロボットを作製 印刷法による自動作製の特徴  簡便・迅速な印刷法の特徴による生産性の向上  ロボット作製時の特定の技術の自動化  二次元印刷パターンとロボット機能というロボットの見方を提案 1.印刷 2.組み上がり 3.駆動
  38. 38. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  研究の構成 Chapter 1 Chapter 2 構造 自動立体構造 形成法の確立 自動切断した紙の 構造形成 配線 ペン・ヘラを用いた 直接塗布 インクジェットプリンタを 用いた配線形成 アクチュエータ 印刷法を用いた紙電気熱 アクチュエータの開発 高応答・大変形する 紙電気熱アクチュエータ Chapter 3 1枚の紙面上での 構造と配線の同時設計 静電接着を利用した 静電アクチュエータ
  39. 39. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 Chapter. 1 Design and development of printed paper robot  H. Shigemune, S. Maeda, Y. Hara and S. Hashimoto, “Design of paper mechatronics: Towards a fully printed robot,” 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Chicago, IL, 2014, pp. 536-541.  H. Shigemune, S. Maeda, Y. Hara, N. Hosoya and S. Hashimoto, “Origami Robot: A Self- folding Paper Robot with an Electrothermal Actuator Created by Printing,” in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics , vol. 21, no. 6, pp. 2746-2754, Dec. 2016.
  40. 40. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  紙面上に印刷法を用いて、構造形成とアクチュエータの搭載を行う 高揮発性インクによる 紙の構造形成  インクとの相互作用による 紙の自動立体構造形成  印刷法を用いた機構とアクチュエータの開発と統合 紙を基板とする 電気熱アクチュエータ  紙面上で駆動する 印刷アクチュエータ 印刷紙ロボットの駆動
  41. 41. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  紙面上に印刷法を用いて、構造形成とアクチュエータの搭載を行う 高揮発性インクによる 紙の構造形成  インクとの相互作用による 紙の自動立体構造形成  印刷法を用いた機構とアクチュエータの開発と統合 紙を基板とする 電気熱アクチュエータ  紙面上で駆動する 印刷アクチュエータ 印刷紙ロボットの駆動
  42. 42. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  インクジェットプリンタを用いた構造形成 紙の自動立体構造形成 5 cm ×64 Size of paper:148×105 mm Hydro-fold by Christophe Guberan C.Guberan, dezeen magazine, 2012, http://www.dezeen.com/2012/04/13/hydro-fold-by-christophe-guberan/. H. Shigemune et al., “Design of paper mechatronics: Towards a fully printed robot,” IROS2014, pp. 536-541, (2014).
  43. 43. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  印刷線幅  紙の厚さ  湿度  紙目  結果  制御パラメータ 解析手法 画像解析ソフトを用いて 上手の角度を3回測定し平均を取る  折れ角度の制御についての実験  角度の測定法 H. Shigemune et al., “Origami Robot: A Self-folding Paper Robot with an Electrothermal Actuator Created by Printing,” in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics , vol. 21, no. 6, pp. 2746-2754, (2016).
  44. 44. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  紙面上に印刷法を用いて、構造形成とアクチュエータの搭載を行う 高揮発性インクによる 紙の構造形成  インクとの相互作用による 紙の自動立体構造形成  印刷法を用いた機構とアクチュエータの開発と統合 紙を基板とする 電気熱アクチュエータ  紙面上で駆動する 印刷アクチュエータ 印刷紙ロボットの駆動
  45. 45. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  アクチュエータの構成  電気熱アクチュエータの原理  カーボンアクチュエータ カーボンアクチュエータ 導電層(印刷法) カーボン (スパチュラで塗布) 導電率[𝐦−𝟏 𝛀−𝟏 ] 4.0 × 102 熱膨張層(印刷法) エポキシ (メイヤーロッド法) 熱膨張係数[℃−𝟏 ] 8.7 × 10−5概念図 断面図 H. Shigemune et al., “Design of paper mechatronics: Towards a fully printed robot,” IROS2014, pp. 536-541, (2014).
  46. 46. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 1. 一様な電流に伴う均一な温度分布 2. 断面積の増加に伴う抵抗値の減少 低温かつ低電圧での駆動が可能 導電率の高い銀ペーストを長辺に塗布  カーボンアクチュエータの構成 アクチュエータ温度測定 完成図 赤外線サーモグラフィ使用 H. Shigemune et al., “Design of paper mechatronics: Towards a fully printed robot,” IROS2014, pp. 536-541, (2014).
  47. 47. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  カーボンアクチュエータの特性解析  実験条件 紙厚 [mm] 樹脂厚 [mm] 樹脂 A 0.064 0.047 エポキシ 薄い B 0.082 0.086 エポキシ 厚い C 0.064 0.046 ポリウレタン 膨張率の 高い樹脂 紙厚・印刷厚・樹脂を調整 異なる特徴を持つアクチュエータを作製  解析方法 • 実験 • 有限要素法解析 • 解析解 1 R∞ − 1 𝑅0 = 6𝛼𝑇 𝐸1 ′ ℎ1 2 − 𝐸2 ′ ℎ2 2 2 𝐸1 ′ 𝐸2 ′ ℎ1ℎ2 ℎ1 + ℎ2 + 4 ℎ1 + ℎ2 Autodesk Simulation MultiPhysics 静解析 • 紙厚は従来技術で調整可能 • 樹脂厚は印刷法で調整可能 オーブンに投入 平衡状態 画像解析で変位を測定 H. Shigemune et al., “Origami Robot: A Self-folding Paper Robot with an Electrothermal Actuator Created by Printing,” in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics , vol. 21, no. 6, pp. 2746-2754, (2016).
  48. 48. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  カーボンアクチュエータの特性解析  実験条件 紙厚 [mm] 樹脂厚 [mm] 樹脂 A 0.064 0.047 エポキシ 薄い B 0.082 0.086 エポキシ 厚い C 0.064 0.046 ポリウレタン 膨張率の 高い樹脂 紙厚・印刷厚・樹脂を調整 異なる特徴を持つアクチュエータを作製  解析方法 • 実験 • 有限要素法解析 • 解析解 H. Shigemune et. al., IEEE Transactions on Mechatronics 物性値を内挿することで 3つの結果をフィッティング 材料 熱膨張係数 [℃−1 ] 紙 5.6 × 10−5 ポリウレタン 1.1 × 10−4  実験結果 推定した物性値
  49. 49. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  紙面上に印刷法を用いて、構造形成とアクチュエータの搭載を行う 高揮発性インクによる 紙の構造形成  インクとの相互作用による 紙の自動立体構造形成  印刷法を用いた機構とアクチュエータの開発と統合 紙を基板とする 電気熱アクチュエータ  紙面上で駆動する 印刷アクチュエータ 印刷紙ロボットの駆動
  50. 50. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 0 5 10 15 20 25 0 100 200 300 400 500 Displacement(mm) Time (s) 1ステップ 6.7 mm (80秒) 紙ロボット前足部の変位の時間変化 ×64 2 cm 印刷パターン 駆動の様子 印刷したアクチュエータを用いて 印刷した構造から運動を生成 電圧:8.3 -8.8 V 電流: 0.80 A H. Shigemune et al., “Design of paper mechatronics: Towards a fully printed robot,” IROS2014, pp. 536-541, (2014).
  51. 51. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 Chapter. 2 Development of printed robot using desktop printer and cutting plotter  H. Shigemune, S. Maeda, Y. Hara, U. Koike and S. Hashimoto, “Kirigami robot: Making paper robot using desktop cutting plotter and inkjet printer,”, 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Hamburg, 2015, pp. 1091-1096.
  52. 52. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  簡便・迅速・安価にロボットの構造・アクチュエータ・配線を作製 自動切断した紙の 構造形成  カッティングプロッタを用い た紙の自動立体構造形成  インクジェットとカッティングプロッタを用いたロボットの作製 銀ナノ粒子を用いた 電気熱アクチュエータ  高応答・大変位の 印刷アクチュエータ開発
  53. 53. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  簡便・迅速・安価にロボットの構造・アクチュエータ・配線を作製 自動切断した紙の 構造形成  カッティングプロッタを用い た紙の自動立体構造形成  インクジェットとカッティングプロッタを用いたロボットの作製 銀ナノ粒子を用いた 電気熱アクチュエータ  高応答・大変位の 印刷アクチュエータ開発
  54. 54. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 切断した紙の自動構造形成 4 cm ×64 約15分で紙の構造形成が完了 紙のサイズ:297×210 mm  カッティングプロッタを用いた構造形成 カッティングプロッタを応用することで 多様な立体構造に対応可能に 切断 印刷 H. Shigemune et al., IROS2015, (2015). H. Shigemune et al., “Kirigami robot: Making paper robot using desktop cutting plotter and inkjet printer,” IROS 2015, pp. 1091-1096, (2015).
  55. 55. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  カッティングプロッタを用いた構造形成 線の太さで角度を制御 曲面形状 多数の折り目 両面印刷 H. Shigemune et al., “Kirigami robot: Making paper robot using desktop cutting plotter and inkjet printer,” IROS 2015, pp. 1091-1096, (2015).
  56. 56. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  簡便・迅速・安価にロボットの構造・アクチュエータ・配線を作製 自動切断した紙の 構造形成  カッティングプロッタを用い た紙の自動立体構造形成  インクジェットとカッティングプロッタを用いたロボットの作製 銀ナノ粒子を用いた 電気熱アクチュエータ  高応答・大変位の 印刷アクチュエータ開発
  57. 57. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  アクチュエータの構成  電気熱アクチュエータの原理  銀インクアクチュエータの特性 カーボンアクチュエータ 銀インクアクチュエータ カーボン (スパチュラで塗布) 導電層(印刷法) 銀 (インクジェット印刷) 4.0 × 102 導電率[𝐦−𝟏 𝛀−𝟏 ] 1.1 × 106 エポキシ (メイヤーロッド法) 熱膨張層(印刷法) ポリウレタン (メイヤーロッド法) 8.7 × 10−5 熱膨張係数[℃−𝟏 ] 1.1 × 10−4 H. Shigemune et al., “Kirigami robot: Making paper robot using desktop cutting plotter and inkjet printer,” IROS 2015, pp. 1091-1096, (2015).
  58. 58. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 カーボンアクチュエータ 銀インクアクチュエータ 断面図断面図 上部からの写真 上部からの写真 電圧 [V] 電流 [A] スイッチング 時間 [s] 7.3 0.80 50/50 電圧 [V] 電流 [A] スイッチング 時間 [s] 3.1 0.21 15/15 2 cm 最大変位量 7.5 mm 最大変位量 3.9 mm ×64 ×16 H. Shigemune et al., “Kirigami robot: Making paper robot using desktop cutting plotter and inkjet printer,” IROS 2015, pp. 1091-1096, (2015).
  59. 59. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  簡便・迅速・安価にロボットの構造・アクチュエータ・配線を作製 自動切断した紙の 構造形成  カッティングプロッタを用い た紙の自動立体構造形成  インクジェットとカッティングプロッタを用いたロボットの作製 銀ナノ粒子を用いた 電気熱アクチュエータ  高応答・大変位の 印刷アクチュエータ開発
  60. 60. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 ×16 5 cm 印刷・切断パターン 駆動の様子 構造形成用 配線・アクチュエータ用  構造形成法 構造形成用紙の構造形成を利用して 異なる性質を持つシートの構造形成に利用  印刷適用範囲  配線  アクチュエータの 導電層  構造形成 配線の構成 を同一の インクジェットプリンタ で設計可能 H. Shigemune et al., “Kirigami robot: Making paper robot using desktop cutting plotter and inkjet printer,” IROS 2015, pp. 1091-1096, (2015).
  61. 61. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 H. Shigemune et al., “Kirigami robot: Making paper robot using desktop cutting plotter and inkjet printer,” IROS 2015, pp. 1091-1096, (2015).
  62. 62. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 Chapter. 3 Development and actuation of self-folding wiring board  H. Shigemune, S. Maeda, V. Cacucciolo, Y. Iwata, E. Iwase, S. Hashimoto and S. Sugano, “Printed paper robot driven by electrostatic actuator,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 2, pp. 1001-1007, Apr. 2017.
  63. 63. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 変形の曲率が制限される 従来研究:二種の紙の貼り合わせ 従来研究:電気熱アクチュエータ 熱拡散現象に起因する 熱アクチュエータの応答性 2 cm  これまでの研究の欠点 1枚の紙に構造・配線を印刷 Scratch Drive Actuator MEMSで利用 されている原理で 静電接着を 用いて駆動 剥離 接着 H. Shigemune et al., “Printed paper robot driven by electrostatic actuator,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 2, pp. 1001-1007, 2017.
  64. 64. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 64 目的:インクジェット印刷で作製される立体紙回路基板の開発 ・簡便・迅速な立体回路基板作製法の提案 ・印刷ロボット(ペーパーメカトロニクス)の基盤となる技術 A. Islam et. al., J. Manuf. Technol., (2009). Voxel8, Harvard University. S. Felton et. al., Science, (2014). Molded interconnect device Multi-material 3D printer Self-folding robot ・ 射出成型 ・ 複数の工程 ・ 3Dプリンタの開発 ・ 3次元実装  立体回路 ・ 構造形成に熱を利用 ・ 構造形成用の配線 形状と電子回路の一体化(軽量・コンパクト) PCB origami ・ 折れるプリント基板 ・ 手で構造形成 Y. Sterman et. al., J. Mech. Design, (2013). 構造ベース 回路ベース 従来の平面加工技術を応用可能 H. Shigemune et al., “Printed paper robot driven by electrostatic actuator,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 2, pp. 1001-1007, 2017.
  65. 65. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  1枚の紙に対して構造と配線を印刷、静電アクチュエータによって駆動 自動構造形成する 立体紙回路基板の開発  1枚の紙の上に 構造と配線を印刷  立体紙回路基板の開発と駆動 静電アクチュエータによる 印刷ロボットの駆動  静電接着・剥離による 従来より高速な駆動
  66. 66. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  紙基板の自動立体構造形成 66
  67. 67. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  紙基板の自動立体構造形成 67
  68. 68. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  紙基板の自動立体構造形成 68
  69. 69. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  紙基板の自動立体構造形成 変形の曲率が制限される 自発的に手首に 巻きつくコイルパターン 立体紙回路基板 ⇒ 低コスト、軽量、フレキシブル ⇒ ウェアラブルデバイスへの展開 従来研究:二種の紙の貼り合わせ 印刷順序
  70. 70. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  立体紙基板を利用した静電印刷ロボット 従来研究:電気熱アクチュエータ 熱拡散現象に起因する 熱アクチュエータの応答性 2 cm 最大速度: 8.94 mm/s 印刷順序 印刷物 5 mm
  71. 71. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  振動で駆動するロボットの解析 Scratch Drive Actuator MEMSで利用 されている原理で 静電接着を 用いて駆動  1ステップの変位量  駆動に必要な電圧 早川 他, T.IEE Japan, Vol.118-E, No. 3, (1998). 𝛿𝑥 ≈ 27𝜖0 𝜖 𝑟,𝑖ℎ6 4𝐸𝑑𝑡3 1 4 𝑉 𝑉𝑝 ≈ π 4 2 𝐸 𝜖0 𝜖 𝑟,𝑖 ∙ 𝛿0 3 𝑡3 12𝐿4 SDAの模式図 𝜖0:真空の誘電率, 𝜖 𝑟,𝑖:絶縁膜の比誘電率 ℎ:ロボットの高さ, 𝐸:紙のヤング率 𝑑:絶縁膜の厚み, 𝑡:紙の厚み, 𝑉:印可電圧 𝜖0:真空の誘電率, 𝜖 𝑟,𝑖:絶縁膜の比誘電率 𝛿0:ロボットの高さ, 𝐸:紙のヤング率 𝐿:ロボット後部長さ, 𝑡:紙の厚み 変位 電圧 引き込むために 必要な電圧 𝑉𝑝 M. Brenner et. al., NSTI conference, (2004). Zipper actuatorのモデルを 利用して引き込み電圧を計算 𝑉𝑝 ≈ 3950 駆動電圧: 4 kV 𝛿𝑥 ≈ 9.5 mm When ℎ = 10 mm 𝛿𝑥 = 36 μm Experimental value 𝛿𝑥 ≈ 39 μm When ℎ = 4.1 mm
  72. 72. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  研究の構成 Chapter 1 Chapter 2 構造 自動立体構造 形成法の確立 自動切断した紙の 構造形成 配線 ペン・ヘラを用いた 直接塗布 インクジェットプリンタを 用いた配線形成 アクチュエータ 印刷法を用いた紙電気熱 アクチュエータの開発 高応答・大変形する 紙電気熱アクチュエータ Chapter 3 1枚の紙面上での 構造と配線の同時設計 静電接着を利用した 静電アクチュエータ
  73. 73. 2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017  研究の構成 Chapter 1 Chapter 2 構造 自動立体構造 形成法の確立 自動切断した紙の 構造形成 配線 ペン・ヘラを用いた 直接塗布 インクジェットプリンタを 用いた配線形成 アクチュエータ 印刷法を用いた紙電気熱 アクチュエータの開発 高応答・大変形する 紙電気熱アクチュエータ Chapter 3 1枚の紙面上での 構造と配線の同時設計 静電接着を利用した 静電アクチュエータ

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