2018 Fiscal Year Annual Research Report

軟弱狭隘空間で超安定走破性を実現する全方向面状クローラ機構の研究

Research Project

Project/Area Number	17J02818
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	髙根英里東北大学, 情報科学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2017-04-26 – 2020-03-31
Keywords	機構設計 / 全方向 / 移動機構 / 災害対応ロボット / クローラ機構
Outline of Annual Research Achievements	「面状全方向クローラ機構」は，走行面などの接触対象に対して，１点で任意方向に駆動力を伝達可能な「2軸交差駆動機構」である．「2軸交差駆動機構」の観点から本研究の立ち位置を明らかにし，他の2軸交差駆動機構と比較分類することにより，さらなる伝達機構のアイデアに拡張・発展させる．以上の内容を国内会議SCI’18で発表した．また，測方向踏破性向上のための履帯脱離低減機構・テーパ状履帯構造の設計・具現化を行った．これを実装した面状全方向クローラ機構で，雪上での走行試験を行い，雪上での任意方向走行を可能とした．以上の内容を国内会議Robomech2018にて発表した．さらに，方向切替進行時の路面乱動抑制効果を提案した手法を用いて評価した．軟弱地上では，並進・旋回ともに路面がある程度荒れることが定性的に知られているが，これまで移動体の走行により路面が，どの程度荒れるのか（路面乱動性と定義する）の定量・数値化および砂の流れの状態を実時間把握することが困難であった．そこで，これまで不明確だった砂利上でのクローラ旋回時における水平面内の砂の流れのリアルタイム計測を提案・実施した．特に，クローラの旋回動作と並進動作での，進行方向切替え時の路面乱動性を，走行時の砂利の動きを底面から観察可能な実験装置を用意して，画像処理により砂利の移動量を計測し比較定量評価をした. その結果，提案手法で砂利の動きを数値化可能であることを証明した．また，旋回動作は並進動作の約３倍，路面乱動させていることが分かった．以上により，並進動作は旋回動作より，路面の荒らし具合が少なく進行方向を切り替えることが可能であることが定量的に明確となった．以上の内容を，国際学術誌RA-Leterと国際会議IROS2019に投稿し，現在査読中である．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 去年度までに，ラックチェーンを用いた２つのアクチュエータのみの駆動方式を考案し，小径履帯を複数配置した面状全方向クローラ移動体の設計・試作，実機実験を行い，駆動方式の原理の有効性を示した．さらに，旋回動作を可能とさせる左右２履帯構成を具現化し，実機を用いて旋回動作の確認を行った．無限軌道上の無限軌道体に駆動力伝達可能な，ラックチェーン機構を搭載した履帯ユニットを，左右に２つ配置した実機を具現化した．側方向段差踏破性能向上のため，小径履帯はテーパ形状を有している．１つの履帯ユニットにモータは2つ使用し，左右合計4つのモータが搭載されている．左右2つの大径履帯ユニット間の回転数の差により旋回動作を行う．また，方向切替進行時の路面乱動抑制効果を提案した手法を用いて評価した．軟弱地上では，並進・旋回ともに路面がある程度荒れることが定性的に知られているが，これまで移動体の走行により路面が，どの程度荒れるのか（路面乱動性と定義する）の定量・数値化および砂の流れの状態を実時間把握することが困難であった．そこで，これまで不明確だった砂利上でのクローラ旋回時における水平面内の砂の流れのリアルタイム計測を提案・実施した．特に，クローラの旋回動作と並進動作での，進行方向切替え時の路面乱動性を，走行時の砂利の動きを底面から観察可能な実験装置を用意して，画像処理により砂利の移動量を計測し比較定量評価をした. その結果，提案手法で砂利の動きを数値化可能であることを証明した．また，旋回動作は並進動作の約３倍，路面乱動させていることが分かった．以上により，並進動作は旋回動作より，路面の荒らし具合が少なく進行方向を切り替えることが可能であることが定量的に明確となった．
Strategy for Future Research Activity	これからは，極限環境への導入を目的に，駆動原理や設計手法に関しての一般化を行う．具体的には，目的の移動速度・経路を実現するために，どのような制御手法が必要であるかを検討する．機体モデルを構築し，回転アクチュエータの入力角速度から出力される機体全体の移動速度を導出する．また，導出した運動学の機体モデル式の実験的検証を動作解析により行う．さらに，走行性能と設計寸法の関係式を確立する．特に，最大段差踏破高さは，履帯の直径，接地幅，重心など機体寸法に大きく依存する．現在構築している「面状全方向クローラ機構」は最大段差踏破高さに異方性があり，これを解明することにより，凹凸地の多い極限実環境への導入が容易となる．また，段差高さだけでなく，通過可能な経路幅や溝幅も議論する．また，防滴機能を鑑みた設計・試作を行い，屋外環境での走行を安定化させる．機体性能向上とともに，「無限軌道上の回転体に動力伝達する機構を拡張・発展させていく予定である．