狭隘空間内への超網羅的供給・回収作業を可能とするヒモムシ規範型展開機構の研究
| Project/Area Number |
22KJ0191
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| Project/Area Number (Other) |
21J21802 (2021-2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 20020:Robotics and intelligent system-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 知也 東北大学, 情報科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
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| Keywords | ソフトロボティクス / バイオミメティクス / 流体駆動型機構 |
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| Outline of Research at the Start |
崩れやすい狭隘空間を探索する必要のある災害現場における探索ロボットとして，柔らかいシート素材で構成される先端伸展型ソフトロボットを開発している．このような長い紐状のソフトロボットにおいては外部の物体を傷つけないという柔らかさの利点と好きな形状に変形し，形を維持したいという剛性の両立が求められる，提案機構は従来の空気ではなく，液体を用いて駆動し自重による地面との摩擦を利用してこの問題を解決した．今年度は伸展する方向を選択するための方式を改良し，内部の機構によって自由に伸展方向を制御する手法を開発する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度の研究実績に関して特筆すべき点は２つある．
まず操舵機構の開発について国内学会での一件の発表と発表賞を二件受賞した．これは提案した液体駆動式の先端伸展型ソフトロボットの伸展方向を変更するための方式についての研究である．2021年に我々が発表したロボットではチューブとワイヤを用いたシンプルな構造で操舵動作を実現できたが，最小曲げ半径や最大伸展長さなどの動作可能範囲が制限されていた．本年度はこの課題が操舵機構に用いられているチューブが原因だと考え，この問題を解決するべく，操舵機構の根本的な見直し，及び設計変更に取り組んだ．従来の根本までつながるチューブ機構の代わりに自走式のモータで駆動する曲げ機構を搭載した操舵機構を開発し，実機に導入した．これらの成果を国内学会で発表し，様々なロボット研究者からアドバイスを貰うことができた．そしてこれら一連のアイデアが評価され日本ロボット学会および情報科学研究科第28回博士後期課程学生発表会での研究賞の受賞につながった．
次に3次元空間内での剛性や安定性を高めるために，柔らかい膜構造内部に硬い多関節リンクを組み合わせる構造を開発した．柔らかい膜構造は内圧を高めていくことで剛性を高めることができるが，一方で外部の物体に対しての馴染み変形など柔らかさによる利点も失われる．液体を使う場合，床面との接触によって形状を固定するため床面との接触がない箇所では動作が難しい．そこで柔らかい膜構造と硬いリンク構造を組み合わせた先端伸展構造を提案した．リンク構造に曲げ性能や柔剛切り替えの機能を持たせることで，単なる操舵動作のみならず耐荷重性を向上させることで物を持ち上げるなどのタスクも実現可能であり，提案する先端伸展構造のさらなる適応範囲拡大に寄与できる．このリンク機構の設計と基本特性に関してはIEEE RALに採択されICRA2023で発表予定である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
以下に現在の進捗項目を示す．
・ヒモムシからの機能抽出：ヒモムシからの要素抽出としてすでに分岐構造の具現化およびヒモムシが体液で先端伸展構造を駆動していることから着想を得た液体駆動方式の考案およびその有用性の検討を行った．まず分岐構造に関してはヒモムシを参考に伸展しつつ経路が複数本に枝分かれするような構造をすでに具現化している．次にこのヒモムシの多くが体液を用いて吻を駆動していることに着目し，駆動流体を従来の気体から液体に変更したところ今まで困難だった形状を維持したままでの伸縮動作が可能となった．当初原理検証のみを目的とした実機を作製し実験を行っていたが，2021年にはこの手法をもとに自由に先端の伸展する向きを変更できる長尺移動体を実機具現化した．床面との摩擦に着目した先端伸展構造は世界でも他になく，論文採択や学会賞の受賞などその成果は大きく評価されている．またこれは本研究が目標とする狭隘空間内の探査動作を実現するコンセプトとしては十分なものであった．
・実機具現化：上記で説明したとおり，液体駆動式の先端伸展型のソフトロボットの初期のプロトタイプを具現化している．初期のデザインは少ない要素数でシンプルに構成することを目指し，チューブやワイヤ駆動などを用いて人の手のみで動くものであった．一方で動作可能範囲などの実現場における性能は十分ではなく，機構面での改良が必要となった．2022年には動作範囲拡大のために伸展方向を切替える機構を新規に開発し，またより高性能な柔軟シート素材やその製法を取り入れるためにStanford大学に留学し，機構の構成全体を見直すことで性能を向上させることにつながった．これらの変更により機構面では十分に開発が進んでいるが，一方で操作方法が確立されていないため，操作時間が必要以上にかかっているという課題がある．今後はこれらの実用性の向上に取り組む予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方針として以下の2つを考えている．
・先端カメラ機構の統合：前述の通り先端に取り付けるカメラやグリッパなどの機構と操舵機構を統合する．そのために常に先端にカメラが移動するような機構の開発及び操舵機構との連結部分の設計を行う．こちらは個別の要素として実機具現化できているが操舵機構との統合が未完了である．
・伸展可能範囲の3次元方向のへの拡大
提案機構は基本的に床面との接触を前提とした原理で駆動しており，小さな段差や床面との接触が保証される坂道などの限定条件では動作が可能であるものの，接触が全くない3次元空間での伸展は困難であった．より広範な範囲や複雑な環境での探索を可能とするためにはこの課題を解決する必要がある．そこで重い液体と軽い気体の両方を用いて駆動することによって2次元平面上での操舵性能と3次元空間への伸展能力を両立させる手法の確立を目指す．空気圧による加圧では柔軟膜構造を軽量かつ高剛性化できるが，一方で曲げ形状を保持したり，伸展方向を制御したりすることは難しい．そこで膜構造内部において液体で加圧される範囲と気体で加圧される範囲を両立することで両者のメリットを併せ持つ機構を目指す．これを達成するために気体と液体両方を駆動することが可能なポンプ，排気や吸気を切り替えられるバルブなどの機構面での改良とこれらを制御して伸展方向を選択するための制御系の開発を今年度の目標とする．
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Report
(2 results)
Research Products
(9 results)
