| 研究課題/領域番号 |
19K04288
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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 – 2022-03-31
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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 / 人工筋肉 / アクチュエータ / 流体内推進機構 |
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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格子状に配置した構造を用いることで，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を開発することを目的としている．今年度の実施内容を次に示す．
1.代替リニアソフトアクチュエータの製作:流体内推進機構の原動力として採用した形状記憶合金(SMA)繊維束から成る人工筋肉だが，前年度，制御系や構造など多くの改良が為されたが所望の性能を発揮しなかった．この代替となるアクチュエータについて再度選定を試みたが，実績の無い技術で開発が遅延することは避けたい．そこで本研究の基盤となる研究で採用されてきたモータとコイルバネによる弾性収縮機構を代替として本実験機用に再設計し導入を試みた．開発されたアクチュエータの最大収縮率は約32%, 運動周波数は約0.25 - 0.5Hzまで対応可能である．
2.流体内推進機構の外装の試作:人工筋肉を内挿する流体内推進機構外装であるが，実装の結果，繊維嚢のみではその形状を維持することが困難であった．この対応策として弾性をもつステンレスケーブルとポリビニルシートを用いた外骨格構造を作成，その外装として使用することで形状の維持することを試み，その構造は飛行船の枠組構造のようなものとなった．この製作された構造の自由度は高く，魚類のBCF推進の形態や蠕動運動に類似した動作の実現可能性が示唆された．
3.代替リニアソフトアクチュエータを備えた流体内推進機構:上述の1.，2.を組合せ代替リニアソフトアクチュエータの協調運動を用いた生体規範型流体内推進機構を試作した．外装構造の内部に代替アクチュエータを格子状に上下二段5列（計10台）配置された構造である．本実験機の後端部を揺動運動させるBCF推進に類似した動作を実現させるため，本研究の基盤となる先行研究を元に動作させたがその運動は微少なものであった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本年度・前年度の実績報告にも記載したが，当初使用を計画していたリニアソフトアクチュエータは考え得る改良を加えても所望の性能を発揮しなかったため，その代替を検討しなくてはならなくなった．本年度の研究期間では弾性収縮機構をリニアソフトアクチュエータの代替として再設計し，動力源として推進機構に搭載した（以降，本代替を便宜的に代替アクチュエータと呼称）．制御系には前年度構築した人工筋用の制御回路に改良を加えたものを使用するものとした．また，これらを搭載する流体内推進機構をステンレスケーブルによる弾性的な骨格構造で構築することで，代替アクチュエータの重量を保持するだけの剛性と高自由度の変形を可能にする弾性を同時に持たせることを可能にした．
上記，2つを組み合わせることで,格子配列リニアソフトアクチュエータを用いた流体推進機構の変形構造のみを試作機として構築した．推進機構の変形性能について検討するためのはじめの試みとして，先行研究で実現した後部のみを揺動させる運動条件を採用し，動作解析を行ったが，その変形量は微少であった．この問題の原因は骨格構造が疎で有りすぎたために変形の伝搬が困難であったこと，また構造を覆うシートの剛性が高すぎたために変形を阻害したことが原因であったと考えられた．
これらのことから推進機構の基盤となる変形機構の基礎的な構造と動作するための制御システムまでは構築することができたが，その高度な運動性を実現するには至っていない．また多くの問題点が浮き彫りになったことから，構造上の問題から再度検討する必要があると考えられる．
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| 今後の研究の推進方策 |
流体内推進機構の変形構造を代替アクチュエータとステンレスケーブルの外骨格構造によって試作した．代替アクチュエータとして用いられた弾性収縮機構は所望の収縮率と収縮力を発揮したが，このままの仕様ではソフトアクチュエータによって駆動する推進機構とは言いがたい．またアクチュエータの配置についても，これまでの先行研究で得られた設計内容をそのまま流用する方法では，魚類の遊泳形態の一つであるBCF推進や蠕動運動に対応することは困難であった．これらのことから，代替アクチュエータとは別にこれまで開発してきた制御システムをそのまま流用できるソフトアクチュエータの導入，そして，その配置位置に関しても外骨格の構造と合わせて設計内容について再度検討していく必要がある．
ソフトアクチュエータについては，これまで採用しようとしてきたSMAアクチュエータと同じく熱による相変態で変形するナイロン人工筋を用いることを検討しており，既に試作段階で一定の性能を発揮している．これに改良を加えれば実装しても所望の動作に対応できると考えられる．制御系もこれまで製作してきたものを流用できるため実現可能性は高い．また同時に外装の外骨格構造とアクチュエータの配置についてだが，アクチュエータからの力の伝達に対する変形の連動性を向上させ全体の運動能力の向上を試みており，その変形形態についても代替アクチュエータを使うことで幾何学的に妥当な動作になるかを実験的に明らかにしようと試みている．
今後はこれらの技術をそれぞれ確立することで三次元的な動作も可能にする変形構造を開発，流体内推進機構としての防水能力を備えた設計も実現していく予定である．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
（理由）
当初，利用しようとしたリニアソフトアクチュエータに替わる代替アクチュエータとして同機能を有する弾性伸縮機構が再設計され製作がなされた．また，これを搭載する弾性的な外装骨格も同時に製作した．これらを構築するための電子部品や制御基板，そして弾性素材などが今年度の主な購入品目であった．しかし昨年度はコロナ禍にあったことから納期の乱れや在宅勤務，シフト制の導入などがあり実質的に研究に従事できる日数には限度があり，フルタイムで問題解決に向けた行動が抑制されている状態にあった．このため研究計画や実施状況に乱れが生じ，今後の方針の決定に時間を要することになった．こうした点から予算にはある程度の余裕を持たせ，今後のソフトアクチュエータ開発や実機外装の製作に割り当てるべきだと判断した．その分の予算が次年度使用額となって計上されたことが主な理由である．
（使用計画）
代替となるソフトアクチュエータとしてナイロン人工筋の開発を進めているため，その製造装置の製造部品やその原材料，弾性収縮機構による流体内推進機構の骨格構造を開発するための弾性素材や駆動系などの部材に利用していく予定である．
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