2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of brittle star type robot moving on water-bottom for long term survey and monitoring
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21K03982
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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, 教授 (20397045)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
内田 史朗 千葉工業大学, 工学部, 教授 (50761095)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ソフトロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和3年度は，クモヒトデ型ロボットの移動に必要な螺旋捻転運動の螺旋式の構築と，実際の開発に必要な弾性体の構造解析について行った．
クモヒトデの推進方法としては，初期のコンセプト通りに螺旋捻転運動で移動を行うものとし，腕部が螺旋状に変形する際の形状を求めた．従来は常螺旋式をモデルとして螺旋捻転を実現する予定であったが，その場合は基部も常螺旋と同じ直径の円軌道を移動する必要があり，実機を設計するためには螺旋捻転運動に必要なアクチュエータの他に基部を回転させる回転要素が必要となる．その問題を解決するために基部が一点から始まり，最終的に常螺旋へ収束する螺旋式が必要となる．本研究では一点から始まる円錐螺旋と常螺旋を連続的に結合するために，常螺旋式へ収束する円錐螺旋式を構築した．また腕部は短い腕骨が連結した状態の多リンクモデルとして扱う必要があるため，求めた螺旋式から多リンクモデルへの近似をし，螺旋が再現可能であることを証明した．螺旋に沿って端からリンクを配置すると誤差が蓄積して理想の螺旋軌道から外れてしまうため，収束計算を用いて逆運動学を解き，リンクを配置することによって解決した．
外骨格アクチュエータの開発を目的とした弾性体のシミュレーション環境の構築と基礎実験を行った．外骨格型空気圧アクチュエータはマッキベン型人工筋肉 をモデルとし，繊維部分を熱可塑性ポリウレタンで製作する．また膨張要素をゴムチューブとすることにより気密性を担保する．このアクチュエータの弾性要素は変形が大きく，通常のシミュレータでは解析が難しい．そこで本研究ではSOFA (Simulation Open Framework Architecture) を採用し，ダイアモンド形状，六角形状，矩形形状の各モデルで解析結果と試験片を用いた実験との比較を行い，有用性を確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和3年度はクモヒトデ型ロボットの開発に必要な基礎的な研究を行ってきた．螺旋捻転運動を基本動作として移動を実現するために，これまでは屈曲ユニットの開発として空気圧駆動方式とワイヤ駆動方式を並行して進めてきた．空気圧駆動は高出力の屈曲動作を実現できるが，同じ姿勢で静止する場合は気室同士の圧力の釣り合いや，外骨格である弾性体の復元力との釣り合いが必要となり，剛性のみを向上させることができない．その点に関しては，ワイヤ駆動方式はワイヤ同士の釣り合いのでみであるため，全てのワイヤに掛かる張力を大きくすれば剛性を向上させることも可能である．しかしワイヤ駆動様式は各節（腕骨）を貫通してワイヤを配置する必要があるため，ワイヤガイドでの摺動抵抗の蓄積が問題となり，腕部の全長が長くなると高出力を得ることが難しくなる．どちらの駆動方式が最適であるかは現時点では見極められていないので，外骨格型空気圧アクチュエータとワイヤ駆動型アクチュエータの開発を並行して進め，各アクチュエータについて再設計を行った．特にワイヤ駆動方式においては，円錐螺旋と常螺旋が再現可能な屈曲機構を再設計し，試作を行った．
本研究の全体としての進捗状況としては，腕部の動作を実現するための屈曲ユニットの開発とその設計に必要な解析環境の構築を行ってきたが，今後はより発展させた腕部の試作を行い，ロボット全体での移動の実現を目指す．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでは螺旋捻転運動による移動の実現を目指してきたが，螺旋状の変形だけではロボット全体の移動に必要な推力が発生できない可能性があるため，移動方法について再検討を行う予定である．本研究で開発するクモヒトデ型ロボットは，クモヒトデの移動を省自由度で実現することが目的であり，そのために実際の生物の動きを完全に模倣する必要は無い．しかし胴体の移動や長い腕部を地面との摩擦を軽減させて移動させる方法などは生物を参考にする必要がある．通常の脚型ロボットは常に脚によって胴体を支える必要があるが，水中での使用を考えると，常に中性浮力によって胴体の重さを0にすることができるため特に支える必要はない．そのため胴体と腕部を交互に地面から離して移動させる方式の方が省自由度化が可能である可能性がある．しかし，その場合は螺旋捻転運動とは異なる方式にする必要があるため，今後は移動方式にあった腕部の構成を再検討する予定である．
また，これまでは各腕部で行う螺旋捻転運動を生成するアクチュエータを胴体の内部に全て配置する予定であったが，水中での使用を考慮すると腕部も中性浮力となるように開発することができるので，アクチュエータを腕部の中も含めて分散することが可能となる．それに伴い腕部を駆動する機構の再設計が必要となるため，アクチュエータのレイアウトとその際の駆動力を腕部の把持まで伝播する方法の検討を行う．
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| Causes of Carryover |
年度末に論文の採録が決定したが投稿料の請求が年度内に間に合わなかったため，また柔軟タイプUVレジンの購入を予定していたが納期未定のため，次年度使用額が生じた．
次年度使用額は，論文投稿料と，研究に必要な柔軟タイプUVレジンの購入に充てる予定である．
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