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板バネとDDモータによる周期運動のための高効率小型並列弾性アクチュエータの研究

研究課題

研究課題/領域番号 19K14949
研究種目

若手研究

配分区分基金
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
研究機関立命館大学

研究代表者

加古川 篤  立命館大学, 理工学部, 講師 (50755486)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワード並列弾性アクチュエータ / 共振 / 板バネ / 周期運動 / 変分法 / ダイレクトドライブモータ / 有限要素解析
研究開始時の研究の概要

本研究では,DDモータ(ダイレクトドライブモータ)と板バネを組み合わせることにより,エネルギー損失を抑えた小型の並列弾性アクチュエータの設計理論および制御理論の構築を行う.これを達成するため,DDモータの電気的動特性や機械的動特性,ロボットの剛体が持つ動特性などを考慮した動作周波数や板バネの曲げ剛性のモデル化などを行い,並列弾性アクチュエータ全体の力学および制御モデルを構築することにより,効率向上のための動作周波数と板バネの板幅,板厚などの関係を理論的に明らかにする.最後にヘビ型ロボットを構成し,周期的な蛇行運動時における最適な動作周波数,板バネなどのパラメータの導出と実験による検証を行う.

研究成果の概要

板バネ式並列弾性アクチュエータを用いたヘビ型ロボットのエネルギー効率をシミュレーションと実機実験により検証した.まず,板バネの剛性をRBSM法(Rigid Body Spring Model)と呼ばれる離散モデルと数値計算によってモデル化し,ヘビ型ロボットの動力学モデルを構築した.これらを用いて,関節トルクを最小化するような,板バネの剛性,ロボットの移動速度などをシミュレーションにより明らかにした.最後に,ヘビ型ロボットを開発し,運動効率をCoT(Cost of Transport)と呼ばれる指標によって評価した.最大で約50%のエネルギー効率向上を達成した.

研究成果の学術的意義や社会的意義

周期運動を伴うロボットに弾性体を取り付けて運動を効率化する並列弾性アクチュエータはこれまでも数多く研究されてきたが,本体が複雑化,大型化する傾向にあった.一方,本研究で提案した板バネ式並列弾性アクチュエータは薄板金属である板バネを取り付けるだけなので構造がシンプルでほとんど大型化せずに済む.また,板バネは薄い長方形という単純な形状でありながら,板厚,長さ,幅,材料などを変更するだけで簡単に剛性を変化させられるため,低価格化や設計自由度の向上などにもつながる.本研究の成果により,ピックアンドプレイス,歩行,蛇行などの往復運動を行う小型のロボットや機械装置の高効率化が期待できる.

報告書

(3件)
  • 2020 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 3件) 図書 (1件) 産業財産権 (3件)

  • [雑誌論文] Plate-springed Parallel Elastic Actuator for Efficient Snake Robot Movement2021

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Kakogawa, Taihei Kawabata, and Shugen Ma
    • 雑誌名

      IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

      巻: Accepted 号: 6 ページ: 3051-3063

    • DOI

      10.1109/tmech.2021.3052037

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Shadow-Based Operation Assistant for a Pipeline-Inspection Robot Using a Variance Value of the Image Histogram2019

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Kakogawa, Yuki Komurasaki, and Shugen Ma
    • 雑誌名

      Journal of Robotics and Mechatronics

      巻: 31 号: 6 ページ: 772-780

    • DOI

      10.20965/jrm.2019.p0772

    • NAID

      130007769591

    • ISSN
      0915-3942, 1883-8049
    • 年月日
      2019-12-20
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 並列弾性アクチュエータを用いたヘビ型ロボットの低速運動時におけるエネルギー消費抑制2019

    • 著者名/発表者名
      加古川篤,川端泰平,馬書根
    • 雑誌名

      システム制御情報学会論文誌

      巻: 32 号: 6 ページ: 227-233

    • DOI

      10.5687/iscie.32.227

    • NAID

      130007706928

    • ISSN
      1342-5668, 2185-811X
    • 年月日
      2019-06-15
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] バイナリ制御を用いたヘビ型ロボットの高効率な運動の検討2020

    • 著者名/発表者名
      勝間洋平,加古川篤,馬書根
    • 学会等名
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Plate Springed Parallel Elastic Actuators for Efficient Movement of a Planar Snake Robot2019

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Kakogawa, Taihei Kawabata, and Shugen Ma
    • 学会等名
      IEEE/ASME Int. Conf. Advanced Intelligent Mechatronics (AIM 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Joint Angle Control of an 8-inch Gas Pipeline Inspection Robot to Pass through Bends2019

    • 著者名/発表者名
      Sera Fumiya, Atsushi Kakogawa, and Shugen Ma
    • 学会等名
      The 2019 International Conference on Advanced Mechatronic Systems (ICAMechS 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] An In-pipe Inspection Module with an Omnidirectional Bent-pipe Self-adaptation Mechanism using a Joint Torque Control2019

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Kakogawa and Shugen Ma
    • 学会等名
      IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems (IROS 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Control System Design for the Quadruped Walking Platform TITAN-VIII2019

    • 著者名/発表者名
      Guoteng Zhang, Yang Tian, Shugen Ma and Atsushi Kakogawa
    • 学会等名
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] ベルヌーイの原理を利用した非接触水中壁面吸着機構の吸着力のモデル構築2019

    • 著者名/発表者名
      柴田大地,馬書根,加古川篤
    • 学会等名
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 水中における偏心パドル機構の新たな水泳方法の提案2019

    • 著者名/発表者名
      沈雅怡,馬書根,加古川篤,田陽,張国騰,井上脩也
    • 学会等名
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 8インチガス管内検査ロボットの曲管走行のための関節角度制御2019

    • 著者名/発表者名
      世良文哉,加古川篤,馬書根
    • 学会等名
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 把持と引き上げ動作が可能な空気圧グリッパーの開発2019

    • 著者名/発表者名
      海津祐貴,加古川篤,馬書根
    • 学会等名
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [図書] Robotic Search and Rescue through In-pipe Movement2019

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Kakogawa and Shugen Ma
    • 総ページ数
      14
    • 出版者
      IntechOpen "Unmanned Robotic Systems and Applications"
    • ISBN
      9781789845679
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [産業財産権] 管内走行装置2019

    • 発明者名
      馬書根・加古川篤
    • 権利者名
      学校法人立命館
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2019-102358
    • 出願年月日
      2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [産業財産権] 把持装置2019

    • 発明者名
      馬書根,加古川篤,海津祐貴
    • 権利者名
      学校法人立命館
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2019-213940
    • 出願年月日
      2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [産業財産権] 弾性機構並びにそれを用いたアクチュエータ及び関節機構2019

    • 発明者名
      川村貞夫,加古川篤,松井琢磨
    • 権利者名
      学校法人立命館
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2020-030044
    • 出願年月日
      2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2022-01-27  

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