2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of soft deformation robot aiming to support rescue use
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18K04054
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| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
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Principal Investigator |
青木 岳史 千葉工業大学, 先進工学部, 准教授 (20397045)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ソフトロボティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度は，高軟質素材での造形が可能な射出機構を含む3Dプリンタの開発と，空気圧自励弁に用いる2流路シリコンチューブと排気弁の開発を行った．
これまで試作を行ってきた熱可塑性エラストマーは，層間の剥離による空気漏れや，素材硬度により屈曲動作に必要な空気圧が高圧である必要があるという問題点があった．そこで高軟質素材であるPDMSという2液硬化型シリコーンの出力が可能な射出機構の開発を行った．熱可塑性エラストマーはノズルから射出された直後から硬化が始まるため，層間の結合力が低下し，剥離した箇所から空気漏れを発生していた．しかし，シリコーンの硬化はノズルから吐出され，各層の上に乗りながら硬化が始まるため，層間の結合力を高くすることができる．また高軟質素材という特性上，低圧での加圧でも大きく膨らむことができるため，低圧での動作が可能で，屈曲の変位を増大させたモジュールを開発することができる．
屈曲機構に内蔵し，進行波の生成を自励的に行う自励弁の開発を行った．現在は柔軟変形移動体の外部に電磁弁を持ち，多数のチューブを各屈曲機構へ接続しているが，移動動作への影響を軽減するために制御弁の内蔵を目指している．これまでに提案されてきた事例振動バルブは流量が少ないという問題点があったため，これを解決するために大流量で動作可能な自励弁の開発に着手した．これまでにシリコーン製の2流路チューブとステンレスバネを用いた排気弁を開発した．
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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
2液硬化型シリコーンの射出機構は，空圧シリンジと素材攪拌用スタティックミキサーで構成する．2液硬化シリコーンの材料となる同量のA剤とB剤を空圧シリンジによって押し出し，スタティックミキサーの内部で静的に攪拌され，ノズルの先端から射出する．そして開発した射出機構を3Dプリンタに実装し，スタティックミキサーより射出されたものをヒートベッド上に積層し，造形を行った．またノズルの先端にヒートブロアを実装し，射出された2液硬化シリコーンへ加熱した熱風を当てることで硬化が促進した．
開発した射出機構を用いて，2液硬化シリコーンの造形実験を行った．実験よりスタティックミキサーでの2液攪拌，およびヒートブロアによる硬化促進の影響を確認することができたが，正常な造形を行うことはできなかった．2液硬化シリコーンでの造形では，液体から固体へ変化する際の転移点を温度により緻密にコントロールする必要があり，今後の課題とする．
開発を進める自励弁は，気室内への給気を切り替える2流路シリコーンチューブと排気弁で構成する．接続する2つの気室の圧力に応じて排気弁を切り替えることにより，2つの気室を交互に加圧することができ，気室へ流入する空気の圧力差によって，給気側の2流路を切り替える．排気弁は両側から圧縮されて座屈状態にある板バネをダイヤフラムとし，排気口からの圧力に応じて板バネの座屈方向が不連続的に切り替わり，2つの排気口を交互に開閉する．2流路シリコーンチューブは3Dプリンタで造形したPVA製の型にシリコーンを流し込み，硬化させて製作する．
試作した自励弁を用いて動作実験を行った．実験の結果より，圧力に応じた排気弁の切り替えを確認するはできたが，2流路シリコーンチューブの切り替えを確認することはできなかった．給気側の制御弁の開発については今後の課題とする．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究当初に想定していた材料の熱可塑性エラストマーは材料自体の伸びは無く，屈曲モジュールの表面積が拘束条件となって変形をさせていた．しかし，高柔軟素材である2液硬化型シリコーでの造形が可能となると，材料自体の伸びも考慮した大変形を実現する事ができる．ただ現在までの装置では屈曲機構の配管や制御弁などの細部まで造形する事ができないため，材料を射出した後のヒートブロアによる加熱時間の最適化を行う必要がある．また2液硬化型シリコーは屈曲モジュールの心材としては柔らかすぎるため，変形を考慮して各部で使用する材料を組み合わせる必要があると考える．
自励弁の開発については，排気弁については良好の実験結果が得られたので，この設計を基にして給気弁の開発を進めたいと考える．排気弁では排気口の圧力に応じて板バネが切り替わっていたが，吸気弁に関しては気室の圧力に応じて板バネを押す機構の追加が必要である．また制御弁自体の構造を見直し，よりシンプルな構成とすることによって，屈曲モジュールへの内蔵を目指したい．
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