2020 Fiscal Year Research-status Report
Clarification of Gliding Mechanism of the Flying Snake and Engineering Application for Aerial Robots
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19K04306
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
程島 竜一 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (10432006)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | トビヘビ / 滑空メカニズム / バイオミメティクス / 機構設計 / システム統合 / 滑空実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当初の研究計画に沿って，生物のトビヘビの滑空運動をロボットで再現することを目標とし，空中での滑空運動を行う滑空ヘビ型ロボットの実験機の設計と開発を行った．
まず，基本的なトビヘビの滑空運動を実現することを目標として平面内で運動可能な二次元機械モデルの開発を行った．実験機の構造として，ユニットとなる体幹をヨー軸関節のみで連結する構成を採用し，そのためのアクチュエータ，構造材，電装系等を選定した．アクチュエータを選定するために，市販されている複数の小型サーボモータについて動作試験を行うことで，実際に発揮できる性能を確認した．そしてモータの動作試験により，実際のトルクや角速度を測定することで各モータの出力重量比を同定し，前年のシミュレーションと簡易実験モデルの結果から実験機に導入するサーボモータを決定した．
続いて，室内飛行機や洋凧の構造を調査し，実験機の構造材としてEPPとカーボンスパーを採用し構造の設計を行った．また電装系として小型マイコン，無線通信ユニット，加速度センサ等をそれぞれ選定し，実験機を開発した．その後，昨年開発した射出装置を用いて性能試験を行い，所期の動作を行えることを確認した．ただし，機体質量が想定よりも大きくなり滞空時間および飛行時間が目標に到達しなかったため，軽量化などの追加措置が今後は必要になってくる．
次に，発展的なトビヘビの滑空運動を実現するために，立体的な運動が可能な三次元機械モデルの設計を行った．機体質量の増大を防ぐため，滑空運動の核となる運動が可能な自由度までサーボモータの数を減らし，軽量化と運動性能を両立するよう機体を設計した．構造や電装系は二次元機械モデルと同様のものを採用しており，現在は開発途中の段階である．次年度では実験を行い，性能の確認および三次元運動による滑空運動への効果を検証する予定である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
前年度の研究成果により得られたロボットの構造材料，アクチュエータ，駆動系，電装系についての知見を元に，研究計画で予定していた滑空ヘビ型ロボットの実験機の開発を行った．研究計画では基本的な滑空運動の再現を目的とした平面運動のみが可能な二次元モデルと発展的な滑空運動の実現を目指した立体的な運動が可能な三次元モデルの開発を予定していたが，感染症拡大の影響により機械加工や実験の施設使用，部品調達，製作作業の制限があり，開発スケジュールに大きな影響があった．
本年度の当初から研究実施に遅れが生じる懸念があったため，確実な計画の遂行を目標として，まずは平面運動を行う二次元機械モデルの開発に注力した．加えて達成すべき機能を絞り，開発すべき要素を最小限に再設定したことにより，二次元モデルの開発は終了し性能試験も実施することができた．研究計画時に予想していた運動性能や機械仕様には及ばない結果とはなったが，実験の結果により機械構造やシステムの改善点も明らかにすることができたので，次年度以降で実験機を改良する見通しは立てられている．
続いて，当初の計画にあった三次元モデルの開発に取り組んだが，三次元モデルの開発に関しては現時点では設計，機械要素の選定，ユニットの試作が終了した段階である．そのため本年度に実施した研究の進捗状況は遅れていると判断している．ただ，次年度に向けての課題は明確になっていることから，本年度の研究の遅れは取り戻せると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの研究の進捗状況が遅れていると判断しているので，次年度は申請した本来の計画に加え，今年度の遅れを取り戻すための計画を追加し，申請した研究を遂行する予定である．
まず，今年度に達成できなかった研究についてであるが，開発した二次元モデルでは機体質量を軽量化する必要性が判明したため，必要な自由度や質量の大きいバッテリの再検討を行うとともに，高高度からの滑空運動を実現するため機体構造を見直す予定である．また，現時点で設計中の三次元モデルに関しては，機構およびシステム設計の詳細を詰め開発を行う．検証実験については，前年度に行ったシミュレーションに改良を加え，滑空に効果的なロボットの立体運動を計画した後に，新たに開発した実験機を用いて行う．
そして，これらの今年度に達成できなかった研究と並行して，本来計画していた生体データとの比較による生物学的な妥当性の検証や，発展的な滑空技術の開発に関する研究を行う．
そのために，研究に従事する人員の増強および研究項目の見直しを行う予定である．例えば，トビヘビの生体データとの比較に使用するロボットのデータ数の見直しによる実験時間の短縮を検討している．また，発展的な滑空技術に関しても，一部は実験による検証ではなく，シミュレーションでの検証に切り替える予定である．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が発生した最大の理由は，感染症拡大の影響により研究計画に遅れが生じたためである．
特に本年度は実験機の開発を計画していたが，予算の大部分を使用する予定であったアクチュエータなどのロボット部品の購入や，ロボットの構造に使用する部材を製作するための機械加工が大きく制限されてしまったため，次年度の使用額が発生してしまった．ただ，本年度で開発する予定であったロボットに関しては，設計の見通しが立っており直ぐに開発に取りかかれる予定である．そのため，次年度の早い段階でロボットを開発する際に，今回発生したこの次年度の使用額を使用する計画である．
また本来請求していた次年度予算に関しては，今年度に達成できなかった研究と並行して本来計画していた研究も次年度に行う予定であるので，使用計画は申請時と変わらず本来の次年度予算の執行に関しては問題がないと考えている．
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