| 研究課題/領域番号 |
22K04024
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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 | 埼玉大学 |
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研究代表者 |
程島 竜一 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (10432006)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
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| キーワード | スリンキー / 折紙型変形機構 / クレスリング折 / ワイヤ駆動 / 接地機構 / 二次元RCM / 粗密波運動 / 折紙工学 / クレスリング折り / 伸縮屈曲機構 / 移動作業ロボット / 人工物規範 / 折紙変形機構 / クレスリングパターン |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，外力により運動するばね形状の人工物スリンキーの運動形態を規範とした革新的な移動作業体の創製および配管点検などの産業応用への展開を目的とする．具体的な研究目的は以下の通りであり，本研究を通し新たな機械設計論と運動制御論を体系化してまとめあげる．
1. 数理モデルによるスリンキーの受動歩行メカニズムの力学特性の把握
2. 屈曲伸縮機構による能動関節を有するスリンキー規範型ロボットの運動生成法の構築
3. 折紙の変形機構を拡張した屈曲伸縮機構による移動作業体の実験機の開発
4. 階段昇降などの移動や物体操作などの作業の基礎実験および配管検査などの応用実験
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| 研究実績の概要 |
人工物のスリンキーを規範とした移動作業ロボットの実験を行うために，実験機の設計開発を行った．
まず，スリンキー型ロボットの構造を構築するために，ねじれ運動が圧縮・伸展・屈曲運動に変換するクレスリング折に基づいた軽量でトラス構造である可動構造を設計した．実際には，設計の易化および回転可動部の剛性を考慮してクレスリング折の形状に変更を加えて，回転軸とクレスリング折の折線構造を増やし，簡易な可動軸構造で可動範囲が広いクレスリング折型の可動構造を実現した．また，スリンキーの最大の特徴である全身のばねによる弾性を再現するために，この可動軸およびトラス構造を成す支柱にばねを用いた復元力を生成する機構を導入した．
次に，ロボットの運動を生成するための駆動機構に関しては，ワイヤとプーリーを用いた駆動機構を設計した．軽量化を図るため一つの関節ユニットを三本のワイヤで協調駆動する構成とし，構造が圧縮された時のワイヤ脱落を防止するガイドを設けた．加えて可動範囲の拡大と重心分布の均一化を目指して，駆動機構を関節機構の中央に配置しその両側にクレスリング折型可動構造を対称に設置した二重関節構造とした．
続いて，ロボットの運動を補助するために，両端に設置する計画であった接地機構も設計した．二つのリモートセンター機構を組合せることにより，二方向可動の二次元リモートセンター機構を設計し，定荷重ばねを導入することで初期位置への素早い復帰とロボットの自重を保持する機能を設けた．
当初の計画から変更し，二つの関節機構を組み合わせることでスリンキー型ロボットの試作機を実現し，基礎的な動作実験を行った．試作機全体の伸縮・屈曲運動は確認できたものの，実際のスリンキーが行う運動を実現するには至っていないため，次年度への課題となった．
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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
研究計画で予定していた実際のスリンキーが行う運動を実現するには至っていないものの，当初に計画していた関節機構，駆動機構，接地機構および試作機の設計開発を行えたため，本年度に実施した研究はおおむね計画通りに進展している．
具体的には，第一にねじれ運動が伸縮運動に変わるクレスリング折を規範とし，伸縮・屈曲運動が可能な可動トラス構造とそれらを複数組み合わせた関節構造，第二に三本のワイヤを協調駆動させることにより関節構造を駆動する関節駆動機構，第三にロボットの運動を支援するための二次元リモートセンター機構を導入した接地機構をそれぞれ設計した．また，個々に開発したこれらの機構を統合することによりロボットの試作機も開発し，スリンキーの運動を実現するための基本的な伸縮・屈曲運動を達成した．
試作機によりロボットの基本的な運動が実現できたものの，準静的な移動運動や玩具のスリンキーが行う動的な移動運動は実現できておらず，これらの移動の実現に関しては引き続き検討が必要となっている．ただし，計算機シミュレーション等でスリンキーの基礎的な運動は前年度および今年度で調査済みであり，試作機にアルゴリズムを実装しスリンキー様式の移動を実験にて調査する見通しは立っている．
このように，計画の一部に関しては予定より進捗がやや遅れている項目があるが，これらの遅れている項目に関しては次年度に予定している研究計画と平行して行えるため，全体の研究計画の進行度には大きく影響しない．
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| 今後の研究の推進方策 |
現在までの進捗状況はおおむね順調に進展していると判断していることから，来年度も申請書の計画に従い研究を遂行していく予定である．
今年度に実施した試作機の開発では，基本的な運動の実現を目標に設計を行い基本動作を達成し，スリンキーの運動に関する実験の準備も整っている．一方で，機構の特徴を実現するための設計に注力し，機構の最適化などに関して不十分な部分も認められるため，試作機には改良すべき点も多い．例えば，試作機の軽量化や構造部材の高剛性化，試作機の弾性機能を決定する各種可動部に導入したばねに関するばね定数の最適化，接地機構の可動範囲の拡大や復帰速度の向上，などを考えている．これらの課題については，スリンキーの移動に関する実験と平行して行う予定であり，また実験結果を設計にフィードバックすることにより相補的に研究を進めていく予定である．
さらに，当初に計画した来年度に予定している作業性能の検証および応用技術の開発については，基本的には計画通りに進めていく予定である．産業用ロボットのように，マニピュレーションを行うための把持機構の設計開発や姿勢制御技術の開発，および配管点検などの産業へのアプリケーションを模索するための実証実験を行う予定である．
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