2020 Fiscal Year Annual Research Report
Serpentine Robot Flying by Fluid Jet in Confined Space
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19H00748
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
田所 諭 東北大学, 情報科学研究科, 教授 (40171730)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
昆陽 雅司 東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (20400301)
多田隈 建二郎 東北大学, タフ・サイバーフィジカルAI研究センター, 准教授 (30508833)
安部 祐一 東北大学, 工学研究科, 助教 (90778622)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | レスキューロボット / 索状ロボット / 消火 / 飛行 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，流体を噴射して閉鎖空間を飛行するホースロボットの研究開発を目指しており，ホースロボットを長尺化するために必要なそれぞれの要素技術の研究を行った．
長尺なホースの高次モードの動的安定性の確保を目標に，分布的流体力が長尺のホースに及ぼす動的挙動について基礎実験を行った．先端にノズルを付けた比較的剛性の固い梁ロボットを試作し，内部に流体を流し，先端ノズルの鉛直位置を流体反力でＰＤ制御した．この時，流体は散逸効果を及ぼし，高次の振動モードを抑える効果を及ぼすことが分かった．本結果は論文として来年度投稿予定である．
ホースが曲げによってねじれると，ノズルユニットの姿勢が変わってしまい，浮上に十分な力を実現できず制御が破綻する恐れがある．本年度は，ノズルユニットの力の実現性を考慮した（ねじれを減らすことも含む）形状制御方法を提案し，シミュレーションで実装した．しかし，この解決策では，衝突などによる意図しない形状変化が起きた際に制御が破綻しうる．そのため，平行して，本問題を根本的に解決できる，ホースのねじれの影響を受けないノズルユニットの開発に取り組んだ．ノズルユニットとホースを受動回転軸で連結し，ノズルユニットで内向き方向に流体を噴射して合力を実現することで，合力の方向をユニットが自動的に追尾する．これによりホースのねじれの影響を受けずに合力を実現することができる．単一のノズルユニットを試作し，本原理が正しいことを検証した．本結果はIEEE RA Lettersに論文が採択された．
ホースを経路に沿って曲げながら運動させることを実現させるために，本年度は空飛ぶホース根本の台車を用いた能動化，ＲＯＳを用いたシミュレーションの構築に取り組んだ．台車を用いることで4ｍのホースの遠隔操作に成功した．本結果は論文として来年度投稿する予定である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の計画では，「分布的流体力が長尺のホースに及ぼす動的挙動」については，実際の柔軟索状体にたいして及ぼす効果についてまで分析する予定であった．しかし，新型コロナ感染症により研究室が閉鎖となり，その後もフルに研究室での実験ができなかったため，梁モデルによる簡易実験が今年度後半にまでずれ込み，柔軟体についての分析まで進まなかった．「ホースのねじれの影響最小化のための形状生成手法」についても，今年度中に実機検証まで行う予定であったが，同じ理由で実機検証までは進まなかった．
実績の概要で述べたように、研究成果は高いレベルで順調に出ている。ところが一方で、コロナの影響によって実施を計画していた研究項目の一部に進捗の遅れがあり，実施できていない事項が残ってしまっている．
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| Strategy for Future Research Activity |
1）本年度得た高次モードの動的挙動についての基礎実験をもとに，柔軟なロボットへとモデルと制御手法を拡張し，流体効果による制振効果についての実機検証を行う．
2）本年度得たホースのねじれの影響を最小化する制御方法と新規開発したノズルユニットを実際のロボットに実装し，提案手法の妥当性を評価する．
3）ホースを経路に沿って曲げながら運動させるために，シミュレータを構築し，目標とする経路を追従する手法を提案する．特に台車の運動によって空飛ぶホースが安定性を崩さないことが重要であり，ホースの安定性を考慮した台車の制御方法も提案する．シミュレータ上で6ｍのロボットの経路計画を実装し，実機実験によってその妥当性を検証する．
4）壁・床・天井等の障害物との接触時でも安定性を維持することを目的に，以下の2点に取り組む．(1) 障害物を回避して経路を計画する方法．(2) ロボットに大きな外乱が加わった際に墜落を防ぐための制御方法を提案する．
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