任意の形状に変形し保持可能なロボットの可変剛性リンク
九州工業大学

大学院生命体工学研究科
生体機能応用工学専攻
准教授 高嶋 一登
2023年12月5日

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研究背景
近年，ロボット技術が工場だけでなく，介護・福祉などさまざまな分野に適用
人と接触するので柔軟性が必要

正確性向上，大出力変形するので，正確な作業が難しい

従来の金属製の産業用ロボット

ソフトロボット

柔軟，自由度増

リンク部に着目用途に応じて，形状・剛性などの異なるロボット開発が必要

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従来技術とその問題点• 従来は様々な状況で使用するためには，使用状況に応じたリンクの交換が必要で，手間や複数種のリンクを準備するための費用の問題• 従来技術だと，複雑な形状に変形させるためには，関節やアクチュエータの追加が必要で，構成が複雑になる問題

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新技術の概要• 温度によって材料の柔軟性が変化
し，形状記憶特性を有する形状記
憶材料とジャミング転移現象を組み合わせ，温度，圧力変化により剛性，形状を変更可能なリンクを開発• リンクとしてだけでなく，対象物を引っ掛けたり，表面に固定するなどしての搬送も可能

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ジャミング転移現象
流体的状態

固体的状態

従来

負圧
粒子

ロボット
アーム

対象物

外膜
流体的

流体的

正圧

固体的

剛性を大きく変更できる機構

固体的• グリッパとしての応用は多い
が，リンクへは応用されていない• 形状回復できない• ジャミング転移現象＋形状記憶材料• リンクへ応用

排気• 形状記憶合金（SMA）• 形状記憶ポリマー（SMP）

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形状記憶合金（SMA）
SMAの利点1. 形状回復力が高い（SMPの100倍程度）
2. 熱伝導率が高い（SMPの80倍程度）
3. 直接通電加熱が可能
低温側のマルテンサイト相
弾性率： 28-41 GPa

加熱すると硬くなる

加熱

高温の母相であるオーステナイト相
弾性率：75-83 GPa

任意形状に保持でき，初期形状に復元できる材料

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リンクのコンセプト
常温
冷却
非ジャミング(1)初期状態

冷却
非ジャミング(2) 変形状態
外力によって任意形状に変形可能

冷却ジャミング加熱
非ジャミング加熱ジャミング(3) 形状固定状態
エネルギー供給なしで任意形状に固定可能
中心線だけでなく断面形状も(4) 回復状態
SMAの特性により初期形状に復元剛性の異なる4状態（s3’>s3>s4>s1, s2）に変更可能

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形状記憶ポリマー（SMP）
・Tg 以上で柔らかく大変形させることができ，そのままTg 以下にするとその任意の形状を保持し硬く変形しにくくできる（形状固定性）

形状記憶合金に比べて，・形状回復力は小さいものの（1/10）
形状回復ひずみが極めて大きい（数100%）・軽い（1/10）
・低温で硬く，加熱すると軟らかい・複雑形状に加工しやすい

ガラス転移領域
弾性率

・ガラス転移温度（Tg ）以上に加熱す
ると元の形状に回復（形状回復性）（数GPa）

約1/100〜1/1000

ガラス領域

ゴム領域
（数MPa）
Tg

温度

室温付近に設定可能

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Particle

SMPリンクのコンセプト

Force

Heating Jig
Tg以上
非ジャミングS2
Cooling
S3
Heating(1)初期状態

VacuumTg以下
ジャミング
Atmospheric pressure

Cooling

SMP sheet
Membrane

・低温で硬く，加熱すると軟らかい⇒加熱・冷却のタイミングが異なる
・形状回復ひずみが極めて大きい（数100%）(2) 変形状態 ・複雑形状に加工しやすい

Tg以下
非ジャミングS1

外力によって任意形状に変形可能(3) 形状固定状態

エネルギ供給なしで任意形状に固定可能(4) 回復状態

S4

Tg以上
非ジャミング

SMPの形状回復性により初期形状に復元

S3

Tg以上
ジャミング

剛性の異なる4状態（S3>S3’>S1>S2, S4）に変更可能

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可変剛性リンクについて
外観

粗挽きコーヒー粉

結束バンド

74 mm × 31 mm × 1.5mm，Tg=45℃

外膜

治具

SMA フィルタ チューブ

プラグ

SMP
64 mm

内部
外膜（シリコンゴム，外径：40 mm，厚さ：2 mm，長さ：100 mm）

SMA wire

温度センサ

電熱線

外径：1.0 mm，As=60℃
As：マルテンサイトからオーステナイトにかわり （K. Takashima et al., J. Robotics Mechatron., vol.34, no.2, 2022）
始める温度

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一連の動作の評価
冷却
非ジャミング冷却
非ジャミング
冷却
ジャミング（SMAを使用）

提案したコンセプトを実証することができた

加熱
非ジャミング11一連の動作の評価
SMP

形状回復時の先端変位の経時変化

SMA

リンクの最終形状どちらも元の形状に回復

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可変剛性性能の評価
SMP（シートを曲げる方向）

ロードセル

SMA
冷却
加熱

冷却
加熱

試作リンク
50 mm

自動ステージジャミング

非ジャミングジャミング

非ジャミング

剛性を4状態に変更が可能
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形状固定性能の評価

レーザ
変位計

50 mm

錘
試作リンク

同じ形状に長時間固定可能であることを確認

大きな変形なく固定可能
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Displacement [mm]

錘（2 kg）を載せ変位を測定

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荷重をかけた直後は43

先端が大きく変形

210020Time [min]常温，ジャミング時（SMAを使用）

406014

ロボットアームに搭載して評価型

対象物対象物を引っかけて搬送する動作
形状を変更することで位置決め精度向上（SMAを使用）15可搬重量の評価
形状を対象物に応じて変更

対象物の重量Weight (g)Weight 1
Weight 2

WithWithout
搬送する動作を11回
motion (ⅱ)
motion (ⅱ)

Weight 3

320
640
990

Object 1

可搬重量が増加
Object 2（各11回試行）

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グリッパとしての評価
従来のジャミンググリッパと同様にさまざまな対象物を把持可能グリッパとして応用可能

スパナ

ばね

キャップ

ボール
ペン

ペン

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グリッパとしての評価
冷却非ジャミング

変形特性を利用
把持形状に合わせた形状へ

冷却
非ジャミング
冷却
ジャミング

接触面積が増加

接触面積大
把持力大
冷却
ジャミング

把持が容易に落下

接触面積小把持力小18

新技術の特徴・従来技術との比較
新技術は，従来はできなかった以下の機能を持つ• 複雑な任意の中心線，断面形状に変形し，その形状を保持可能• 変形後，初期形状に回復可能• 剛性を4状態変更可能

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想定される用途• ロボットアームなどのリンク，骨組み• ロボットなどのハンド，
グリッパ

様々な状況で使用される場合

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実用化に向けた課題• 基本的なコンセプト・特性の評価，応用先の提案は行ったが，リンク構造や材料の最適化はできていない．
• 状態を①どのようにして正確に切り替えるか？
②どのタイミングで切り替えるか？
を明確にする必要性．
• 今後，応用先を決め，仕様を明確にしていく．

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企業への期待• 実際に応用して評価していただける
各種ロボットメーカー• 仕様に適した材料を提供していただ
けるメーカーなどとの共同研究を希望

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：ロボット用構造体• 出願番号 ：特願2021-009698• 出願人：九州工業大学• 発明者：高嶋 一登，今澤 俊貴

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お問い合わせ先
九州工業大学
先端研究・社会連携本部
産学イノベーションセンター 荻原康幸

ＴＥＬ 093－884－3499
e-mail chizai@jimu.kyutech.ac.jp

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