| 研究課題/領域番号 |
21J20587
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
佐竹 祐紀 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| キーワード | 伸展型ロボット / ソフトロボット / インフレータブル構造 / 熱溶着 |
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| 研究実績の概要 |
2021年度は植物のように成長する伸展型ロボットにおけるピッチアップ動作を行うための新たな機構の開発，およびCAEソフトによる解析や実験的調査に基づいた屈曲インフレータブルチューブの特性モデルの構築を行った．本研究ではロボットのボディを構成するインフレータブルチューブとして，膨張前では左右にマチを作るように折りたたまれたガセット折りチューブというこれまでとは異なる形状のチューブを新たに採用した．このチューブに対し，マチの部分に溶着を施すことで屈曲形状を作成することができ，特に左右のマチの上側を溶着することでロボットの先端を持ち上げるように屈曲しながら伸展を行うピッチアップ動作を実現することが可能となった．これにより障害物を乗り越えての動作や空中での移動可能範囲が拡大し，伸展型ロボットを移動ロボットとして運用した際の移動性能を大きく向上することに成功した．この動作のための機構の開発に伴い，ロボットの動作を予測するためのモデルの構築を行った．熱溶着により屈曲変形したチューブでは屈曲箇所付近にて非常に複雑な3次元変形が生じているため幾何学的な手法によるモデル構築は困難である．そこで，本研究では屈曲変形したインフレータブルチューブを実際に用い，実験的調査に基づいてモデル構築を行った．この実験の結果より，熱溶着により屈曲したチューブに荷重が加わった際の屈曲箇所の変形はトーションばねの変形のように見なすことが可能であることを発見し，屈曲箇所の変形モデルを構築することに成功した．
また，CAEソフトを用いての有限要素解析を行うことにより，溶着形状とチューブの屈曲形状の関係を調査することのできる解析モデルの構築を行った．この解析モデルは本研究で開発している成長するロボットの運用の幅を広げる際に活用されうる設計支援アプリケーションを構築するうえで非常に重要な基礎技術となると考えられる．
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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
当初の予定通り，CAEソフトを用いてのインフレータブルチューブの屈曲形状解析モデルの構築を行い，無負荷状態での基本的な形状において実際のインフレータブルチューブの屈曲形状と精度よく合致する結果が得られることが確認できた．また，スクリプトと組み合わせることによる解析モデルのパラメータの変更機能の実装にも着手しており，伸展型ロボットを設計するうえでの汎用的な設計支援アプリケーションの開発，および解析とパラメータ変更を循環的に行う最適化設計を行うための土台の構築が進められている．
一方，当初の予定にあったより実践的な運用を想定した3次元空間内での軌道計画手法の開発に関しては未だ十分な成果上げられていない．しかし，ロボット実機の機構面において新たにピッチアップ動作を行うための機構の開発に成功した．伸展型のロボットにおいて重力に逆らいつつ屈曲形状を維持する能力は重要な課題の一つであり，この能力を有することにより移動ロボットとしての伸展型ロボットの移動可能範囲は飛躍的に増大する．この機構を開発したことによってロボットの基本となる移動動作を全て実現することができることとなり，軌道計画手法の開発に先んじてこれを達成できたことは大きな進歩である．このピッチアップ動作を取り入れた軌道計画手法の開発により，より伸展型ロボットに適した運用方法の構築が可能となると期待される．
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度構築したCAEソフトを用いての屈曲インフレータブルチューブの基本変形モデルを発展させ，荷重が加わっている条件下における荷重の大きさとチューブの変形の関係を解析するモデルを構築する．この解析モデルを用いることで実際にロボットを動作させる前にロボットの移動可能範囲を推定することが容易となる．これらと昨年度の成果を組み合わせることにより，伸展型ロボットを運用するうえでの要求事項を入力することで必要な設計パラメータが導出されるような設計支援アプリケーションの開発を目指す．これにより，異なるチューブ径を用いた場合や異なる熱溶着形状を用いた場合での伸展型ロボットの設計製作の容易化を図る．また，ロボットの先端部分の各種機構部分に関してCAEソフトを用いての設計最適化を行うことにより先端部分の軽量化を図り，さらなる移動性能の向上を目指す．
昨年度開発したピッチアップ動作を含む各種動作を用いたロボットの軌道計画手法の開発を行う．障害物に遭遇した際に旋回動作により迂回して移動するのか，ピッチアップ動作により乗り越えて移動するのかを選択しロボットの移動コストを抑える最適な動作を実現するアルゴリズムを構築する．また，この軌道計画では既知環境において動作開始地点から目標地点までの軌道を生成する手法のほか，ロボットにセンサ類を搭載して未知環境で動作させることを目的とした手法の2種類の開発を目指す．障害物が多数存在するフィールドにおいてこれらのアルゴリズムを用いてロボットの動作実験を行い，その性能の評価を行う．
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