| 研究課題/領域番号 |
19K04288
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分20020:ロボティクスおよび知能機械システム関連
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| 研究機関 | 宇都宮大学 |
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研究代表者 |
中林 正隆 宇都宮大学, 工学部, 助教 (50638799)
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| 研究分担者 |
嶋脇 聡 宇都宮大学, 工学部, 教授 (10344904)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
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| キーワード | バイオミメティクス / バイオメカニクス / ソフトロボット / SMA / 人工筋肉 / 流体内推進機構 / アクチュエータ / 流体力学 / フレキシブルアクチュエータ / 最適化アルゴリズム |
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| 研究開始時の研究の概要 |
真核生物の高度な変形能力を規範とした格子配列リニアソフトアクチュエータの協調運動を用いた流体内推進機構の開発を目的とする．本構造は複合繊維嚢，リニアソフトアクチュエータ，高分子ビーズ，熱交換器で構成されており，高度な柔軟性と変形能力を維持すると共に環境への安全性が考慮されている．制御・計測系は開発システムLabVIEWで構築し，アクチュエータの同期制御，推進力の計測を同時に行う．本研究期間ではこれを用いたBCF推進運動と蠕動運動を同時に実現する運動機構の開発を目的し，推進力変化，平均推進力，流れ場を計測することで推進特性を評価する．更に統計解析ソフトを用いることで更なる推進性能の向上を図る．
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| 研究実績の概要 |
本研究課題はリニアソフトアクチュエータを用いて高自由度の変形性能を実現，任意の遊泳形態で遊泳する流体内推進機構の開発を目的としている．今年度の実施内容を次に示す．
1.駆動用リニアソフトアクチュエータの製作・評価: 前年度の代替アクチュエータの問題から新らたなアクチュエータの導入が検討された．研究推進方策の通りナイロン人工筋の導入のため，その製造装置を製作した．この結果，人工筋自体の評価を踏まえて機構に導入する前段階に至った．メーカ製のSMA繊維束の採用は断念し，試験的に素材からSMA人工筋を自作した．この発生力と変位を計測したところ，本機構への採用可能性が高いことが分かった．
2.バイオミメティクスの再考と新たな駆動機構の提案と試作: 前年度の外骨格構造は高自由度を有し目標動作に近い変形の実現可能性が示唆されたが，自由度の高さから変形形態の切替の対応が困難であった．これを受けて，ユーグレナの構造に立ち返り，表皮帯構造と同様の並列層配置と滑走機構を用いた高自由度の変形機構を提案・試作した．表皮帯となる弾性平線は2種類の剛性が異なるウレタンフォームで構築，その間には滑走機構として低摩擦シートを鱗状に被膜した薄板構造を配置した．これを複数連結多層化することで表皮帯と同様の滑走構造を実現した．
3.表皮帯構造を規範とした変形機構の評価: 自作したSMA人工筋が発生力・変位ともに有効可能性が認められため，上述の弾性平線構造にSMAを配置して実変形の計測試験を行った．その結果，単体の構造では実際のユーグレナと同様の屈曲変形を実現できたが，多層化すると素材の弾性と形状の問題から充分な変形が出来なかった．しかし，滑走構造は有効に働いているなど，今後採用する技術と今後の解決すべき問題が明らかになった．これと合わせて，3D変形シミュレーションを試験的に行うことで機構の改善点も見え始めた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
導入予定のリニアソフトアクチュエータ，即ちメーカ製のSMA線維束が所望の性能を示さなかったため，モータを利用した代替人工筋を製作した．これを当初の研究計画通りに弾性外骨格内部に配置して挙動を計測したが，微少な変形しか得られなかった．この問題に際して，アクチュエータの配置と外骨格構造を再考した結果，高自由度の変形性能が得られたが，材質・構造の問題に直面し，この方法に関しても断念せざるを得なかった．
これらの問題に際して，次の対応を行ってきた．アクチュエータに関しては，安価なナイロン人工筋とSMA人工筋の自作を検討した．この結果，ナイロン人工筋については製造装置が開発され，その人工筋の性能評価から機構に導入する前段階に至った．また，自作されたSMA人工筋も性能が評価され，本機構への採用可能性が高いことが示された．構造・材質の問題に関しては，ユーグレナの表皮帯構造に関して再考し，表皮帯の並列層配置と滑走機構に着目した．表皮帯となる弾性平線構造と低摩擦シートを備えた伸縮構造をもつ滑走機構を作製した．この弾性平線の側面に自作したSMA人工筋を内蔵し，滑走機構を介して複数連結多層化し伸縮パターンを制御することで任意の変形を実現できると考えた．初めの試みとして，3層連結した機構を作成し，BCF推進の様な屈曲駆動試験を行ったところ，これが実現できた．しかし，その変形量は微少であった．この問題は人工筋の発生力の不足と変形構造の自由度だと分かった．本機構はこれまでの弾性フレーム型に比べ安定しており，滑走機構は所望の性能を発揮している．さらに，本設計で得られた3Dデータから所望の変形をシミュレートした結果，今後の改良点まで明らかになりつつある．これらの改良方法は既に見通しが経っており，遅滞なく研究が進めば目標であるBCF推進時に見られる屈曲動作と蠕動運動の両方が実現できる可能性が十二分にある．
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| 今後の研究の推進方策 |
表皮帯を摸した弾性平線とそれを連結する滑走機構を製作し，その内部に自作したSMA人工筋を内蔵し，ユーグレナと同様の変形に近い原理で動作する機構が実現できた．現在，弾性平線の構造は，ウレタンフォームで構成された線状の六角ブロック構造であり，この各側面に対して長軸方向に収縮するSMAを配置することで，その収縮が弾性平線を屈曲させる機能を有している．これが側面で滑走機構を介して連結された構造を持つことにより，各弾性平線の屈曲が機構全体の変形に寄与するのである．しかし，SMAの出力不足，変形時における機構の自由度の問題から，更に大きな変形を得るには，本機構の駆動力と構造を改良しなくてはならないことが分かった．
SMAの出力不足の問題に関しては自作SMA人工筋の量産によって線維束にする方法があるが労力の問題から現実的ではない．ナイロン人工筋の単体では出力不足であるため複数本組み合わせた人工筋を組み込む予定である．しかし，本人工筋は熱入力方式であるため，制御システム的の問題についても議論しなければならず，これが困難な場合は外部から牽引収縮する機構を製作して対応する．
構造の問題については，表皮帯を摸した弾性平線を設計した際に作成された3Dデータから，その変形シミュレーションが行われた．この結果，おおよそ必要な自由度が明らかになりはじめた．①滑走機構を連結するために設けたフレーム部が過大であって変形を阻害する．②表皮帯を摸した弾性平線の自由度が低い軸が存在する．これら2点を踏まえた上で，次の対応を行う．先行研究の表皮帯の数値シミュレーションモデルを元に実機モデルを構築し，3Dスキャナによる表皮帯の屈曲角度を算出し，本機構に適用するための基礎データを得る．これを元にして弾性平線のブロック構造を改良し，BCF推進時の屈曲変形と蠕動運動時の収縮膨張と伸長変形の両方ができる機構を開発する．
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