パンタグラフと慣性ロータを用いた転がりロボットの回転・跳躍・歩行動作の実現

• Project/Area Number: 22K14230
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 20020:Robotics and intelligent system-related
• Research Institution: Kagoshima National College of Technology
• Principal Investigator: 瀬戸山 康之 鹿児島工業高等専門学校, 電子制御工学科, 准教授 (60780963)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 慣性ロータ / パンタグラフ / リアクションホイール / 転がり移動 / 移動ロボット

Outline of Research at the Start

慣性ロータで駆動する転がりロボットにおいて、移動ロボット本体を目標位置に制御すると慣性ロータに角運動量が残留する問題が生じる。そのため、慣性ロータに残留する角運動量を減少させることが必要になる。本研究では、慣性ロータに蓄えられる運動エネルギーを利用し、残留角運動量の問題を解決する制御法を提案する。そして、慣性ロータとパンタグラフを用いた新しい移動機構を開発し、転がりロボットの回転・跳躍・歩行動作を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

令和４年度は，リアクションホイールで駆動する転がりロボットとパンタグラフ式伸縮脚の製作を目標として以下の研究を行った．
１）．１軸方向に回転しながら移動する転がりロボットを対象に，簡易な数学モデルからリアクションホイールの回転角速度と転がりロボット本体の移動距離の関係を明らかにした．また，環境との摩擦の影響により，リアクションホイールの回転が止まると，転がりロボットは初期位置に戻る現象が起こることを数値シミュレーションにより確認した．さらに，リアクションホイールが回転しているときに転がりロボット本体を物理的に止めることで，リアクションホイールの回転が止まったときに転がりロボットが任意の目標位置で静止する制御法を提案した．
２）．内部にリアクションホイールが１基取り付けてある転がりロボットを試作した．ここでリアクションホイールと転がりロボット本体は，重心を通る鉛直な回転軸に対称な形状をしている．そして，試作した転がりロボットを用いて，リアクションホイールを用いた転がり移動の実施可能性を検証実験により示した．また，リアクションホイールの回転が止まると，転がりロボットは初期位置の方向に戻る現象について確認した．
以上の研究成果については，令和５年３月に開催された日本機械学会九州支部第５４回学生員卒業研究発表講演会で発表を行った．
３）．回転と伸縮を同時に行うことができるパンタグラフ式伸縮脚を試作した．転がりロボット本体側面に垂直に取り付けられたモータの回転軸に左右対称なリンクを取り付けることで，回転軸の回転を妨げることなく軸方向へのパンタグラフの伸縮運動を可能とした．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和４年度は，リアクションホイールで駆動する転がりロボットとパンタグラフ式伸縮脚の製作を目標としていた．転がりロボットの駆動装置としてリアクションホイールを用いる場合，転がりロボットの重心位置とリアクションホイールの回転中心の位置を揃える必要がある．転がりロボット本体の設計を３Dプリンタで行うことで，重心位置を調整しながら転がりロボットの製作を行った．また，パンタグラフ式伸縮脚の回転軸にバネを取り付けることで素早い伸縮動作を可能とし，次年度以降の実験に必要な動作が可能な機構を製作できた．さらに次年度に向けて，提案する制御法の有用性を数値シミュレーションにより確認できている．
よって，令和４年度はおおむね目標通りに研究を遂行することができ，次年度に向けての準備も整っている．

Strategy for Future Research Activity

令和４年度に試作した装置をもとにして，令和５年度は以下を目標として研究を行っていく．
１）．側面にパンタグラフ式伸縮脚を2基取り付けた転がりロボットの試作と動作試験を行い，提案する制御法を実現するために必要な動きが可能か確認する．
２）．試作した転がりロボットを用いて，提案する制御法の実施可能性を確認する．提案する制御法を実現するには，転がりロボット本体が回転しないように固定する必要がある．そこで，転がりロボット本体側面に取り付けたパンタグラフ式伸縮脚を伸ばすことで回転を止めるためのストッパーとして利用することを考える．
３）．パンタグラフ式伸縮脚を用いた旋回動作が実現可能かを確認する．転がりロボット本体側面に取り付けたパンタグラフ式伸縮脚１基を地面に接触させることで，地面との接触点を中心とした旋回動作が可能であるか検証を行う．

Research Products

• [Presentation] リアクションホイールを用いた転がり移動ロボットの動作に関する一考察 (2023)
  • Author(s): 藤原琉聖，瀬戸山康之
  • Organizer: 日本機械学会九州支部第５４回学生員卒業研究発表講演会