| Project/Area Number |
24K17250
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 20020:Robotics and intelligent system-related
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
松野 孝博 近畿大学, 工学部, 講師 (40815891)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
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| Keywords | 受動機構 / センサーレス / リンク機構 / 定力把持グリッパ / 劣駆動グリッパ / 定荷重機構 / 構造設計 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，電子的な制御を必要とせずに，受動的に機能を実現する構造体の設計法の確立を目指し，提案する設計手法では，まず，機構学における閉リンクの力学解析を用いて，バネとリンク機構を用いた等価モデルを設計する．等価モデルの各部位に着目し，これらを同等の機能を持つ構造に置き換えたのちに構造同士を接続することで，設計する構造体の初期値を導出する．最適化アルゴリズムを用いて変位－出力関係が目標値と一致するよう構造を最適化する．応用例として，一体の構造物で構成された定力把持をするロボットグリッパを製作する．電子的に力制御するグリッパに対して優位的に活用できる使用目的や条件を客観的に示す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの実績として，主にバネとリンク機構を用いた機械的な機能実現方法を研究してきた．実現した機能として，機構出力部分の変位と反力の関係を設計する方法，特に変位に関わらず一定の反力を出力する機構の設計と実験的な検証を行った．これの具体的な応用例として，把持物体のサイズに関わらず一定の把持力で物体を掴むグリッパを開発した．また，リンクとスライダーで構成した劣駆動機構を開発し，複数の動作を受動的に切り替えられる機構を提案した．この機構を応用し，把持対象物に近接し，接触した後に受動的に把持動作に移行するグリッパを開発した．このグリッパは把持対象物を離す際は，先に物体をリリースしてからグリッパを初期位置に戻すことが可能である．さらに，リンクとバネを用いた双安定性を持つ機構を提案し，二つの形状を推移可能な機構を研究した．この機構を応用し，アクチュエータレスであり外界との接触に応じて受動的にピックアンドプレースをするグリッパを開発した．
本研究課題においては，これらの機構は構造体の設計のための等価モデルとして活用する．現時点では線形ばね要素を構造体で置き換える方法を検証し，構造体を3Dプリンタで製作するための基礎的な検証を行っている．これらの検証成果を基に3Dプリンタでベローズ型の空気バネなど要素部品の製作に成功している．目標とするバネ定数を満たす形状等を検証した．これらの成果を基盤とし，最終的に一体構造物で機能実現をすることが目標である．
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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
これまでにリンクとバネを用いて各種機能を実現する機構の設計法を確立した．これらは本研究における最適化設計のための，初期形状を生成するための等価モデルとして用いられる．また，等価モデルを構造体に変換するために，リンク機構の関節部分やバネ部分を構造物で置き換えるための基本的な原理も既に考案した．現時点では，線形バネと似た挙動を示す構造要素の設計が完了している．当初の研究計画で予定していた進展とおおむね一致している．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，等価モデルを構造体に置き換える方法を確立させる．各要素を単純な形状と数個のパラメータで設計する．各パラメータと弾性係数，反力，可動域などの関係を予め解析し，等価モデルから構造初期値を出力するプログラムを構築する．つづいて，置き換えた構造体を設計の初期値とし，遺伝的アルゴリズムを用いて，構造を最適化するシステムを構築する．MATLABで生成した構造データの読み込み，計算結果の返しを行うプラグインを作成し，有限要素シミュレータに組み込む．シミュレーション結果の評価と構造の更新はMATLABの最適化ツールボックスを使用して構築する．
最終的に，これらの設計手法を応用し，特定の機能を持つグリッパを開発する．グリッパは一体の構造物で構築するものとし，なおかつ受動的に機能を発揮するものとする．現時点では一定の把持力で物体を掴むグリッパへ応用することを想定している．実際にそのグリッパを製作した際の製作時間，材料や加工のコスト，部品点数などをまとめる．またグリッパが設計通りの変位－出力関係を示すか計測し，想定した使用目的通りの運用が可能か模擬環境を用いて検証する．最後に他の手法，例えば電子制御や機構を用いた方法と実験的に比較し，構造的な機能実現の有用性を証明する．その後，他の使用目的や最適化項目の変更，新たなる等価モデルや構造体への変換方法などを検討する．
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