2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of bionic design method based on exoskeleton form and its application
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20K04224
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
坂本 二郎 金沢大学, 設計製造技術研究所, 教授 (20205769)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北山 哲士 金沢大学, 設計製造技術研究所, 教授 (90339698)
茅原 崇徳 金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (00582967)
伊藤 誠 金沢大学, 機械工学系, 助教 (30845160) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 生体力学 / バイオ材料力学 / 最適設計 / 計算力学 / データベース |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，外骨格を持つ生物の外骨格形態に基づいて機械の筐体や板殻構造の設計を創出する方法の開発する.そのため，①外骨格構造の力学的最適性や頑健性の解明，②その特徴を反映した機械構造設計手法の開発，③機械構造への応用と有効性の検証を研究目的としている.
令和２年度までの研究では，外骨格としてユニークな形態を持つカニのハサミを対象として，撮影したCT画像から力学解析用の三次元有限要素モデルを作成し，スケーリング則を用いた同等な荷重条件下で力学解析を行い剛性や最大応力を比較して，それらの形状に力学的な最適性が存在する可能性を明らかにした．令和３年度の研究では，異なる形状を持つ複数のカニのハサミの有限要素モデルに対して，同じメッシュパターンの要素分割を与えるメッシュマッチングを行った．メッシュマッチングができれば，ベーシスベクトル法（BV法）を用いた最適設計が可能になるが，動物の骨を対象に開発した既存のメッシュマッチング法が外骨格構造であるカニのハサミに適合しなかったため，得られたメッシュの歪みが大きく解析精度上の課題が残った．令和４年度の研究では，表面点群に対する非剛体レジストレーションを用いたメッシュマッチング法（MM法）によりメッシュの歪みの問題を解決し，外骨格構造にも適用可能なMM法を確立した．同じメッシュパターンを持つ４種類のカニのハサミの有限要素モデルを作成し，BV法と逐次近似最適化を用いた形状合成を行い，カニのハサミ形状に基づく産業用グリッパの最適設計を行った．グリッパの重量と応力のばらつきを最小とする多目的最適化では，従来の単純な形状のグリッパと比較して同重量で応力のばらつきを約30%以上軽減した最適設計が得られた．
以上のように，本研究では生物の外骨格形状に基づく機械構造の最適設計手法を開発し，産業用グリッパの最適設計に応用してその有効性を確立した．
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