低融点合金の相変化を利用した浸水リスクゼロの水中マニピュレータ

• 研究課題/領域番号: 21K14120
• 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: 東北大学
• 研究代表者: 情野 瑛 東北大学, 工学研究科, 学術研究員 (20851223)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2021年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 水中ロボット / ロボット機構 / 低融点合金 / 誘導加熱

研究開始時の研究の概要

海底鉱物資源の開拓，水中生物や海洋環境調査などを目的とした水中ロボット設計の大きな技術課題は，浸水リスクの低減である．サンプル回収のためのマニピュレータを持つ水中ロボットは，可動部がロボットの外に露出しているため浸水による故障の可能性が非常に大きい．
本研究では，関節の防水処理を施さずに水中で利用できる新しい方法として，関節に低融点合金と誘導加熱を用いた水中マニピュレータを開発する．

研究実績の概要

水中ロボット設計において必ず避けなければならないリスクは浸水であり，浸水による故障によりロボットは水中で動かなくなり回収が難しくなる．特に資源のサンプル回収等の調査のために水中ロボットに搭載されるマニピュレータは，可動部が外部（水中）に露出しているため浸水のリスクが大きい．従来の水中マニピュレータは，浸水を防ぐためにケースやパッキン等で関節を密閉して防水処理を施し，水中で駆動させている．そこで本研究では，関節の防水処理を施さずに水中で利用できる新しい水中マニピュレータの実現を目的として研究を実施した．
令和３年度では，１関節モデルを用いた要素技術の設計に取り組んだ．水中で使用可能な関節構造を設計するために，ガラスエポキシを用いてロボットフレームを構成し，関節に強磁性体であるブリキ板，低融点合金としてはんだを用いた簡易的な１関節モデルを作成した．コイルによる誘導加熱が水中で可能か確認するために，まず始めに作成した１関節モデルを水に濡らした状態で誘導加熱を行い，関節の相変化が可能か確認を行ったところ，問題なく相変化が可能であることを確認した．次の段階の実験として，１関節モデルを水没させた状態で誘導加熱を行った．関節の温度上昇は確認されたが，はんだに相変化を起こすほどの大きな加熱を行うことができなかったため，関節から熱が水中へ逃げていかないような断熱設計やコイルの最適化を行う必要があることがわかった．