2022 Fiscal Year Annual Research Report
表裏異方弾性履帯の形状適応により複雑凹凸地形でも超高走破性を示す単輪クローラ機構
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21J22877
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小澤 悠 東北大学, 情報科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 移動ロボット / クローラ / 災害ロボティクス / 非線形梁 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はこれまで研究してきた単輪クローラ機構に適用して移動能力を向上させるための機構として、「表裏異方弾性ベルト」を提案し、これを国際会議IROSにて発表した。本機構は板バネ等の弾性体で構成されるベルトの表もしくは裏の片側の面に多数の弾性体小片を配置したものであり、ベルトが表または裏いずれかの方向に曲がるときのみ弾性体小片も一体となって曲がることで、曲げる方向によって異なる剛性を発揮する。この表裏異方剛性ベルトの両端をつなげて円環状にしたものに荷重をかけると、凸に曲がる部分と凹に曲がる部分で剛性が異なるために、通常の円環状弾性体とは異なった変形をすることが分かった。弾性体小片が内側になる場合、集中荷重をかけられた円環は荷重周辺の狭い範囲が深くへこむ一方、弾性体小片が外側になる場合、円環は荷重周辺が広く浅くへこみ、全体として横に長く伸びた形に変形した。さらに、表裏異方剛性ベルトを単輪クローラ機構の履帯に適用し段差乗り越え実験を実施したところ、弾性体小片を外側に配置した履帯は、段差垂直面に押し付けられた際に縦に細長く伸びることによって小片を内側に配置したものより高い段差を乗り越えることが出来た。外側に小片を配置した履帯は溝渡り実験においても横に細長く伸びることによってより大きな溝を渡ることが出来た。さらに、外側配置の履帯内側配置の履帯よりも大きな牽引力を発揮することが実験によって明らかになった。これらの実験から表裏異方剛性が単輪クローラ機構の不整地移動能力を向上させる可能性が示唆された。また。EU HORIZON2020 / JST SICORP の日欧共同研究の枠組みで実施した災害捜索のための情報統合システムの開発プロジェクトにて開発してきた単輪クローラ機構を利用した移動ロボットが完成し、屋外実験により高い不整地移動を有することが確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は単輪クローラ機構の発展させる機構として「表裏異方弾性ベルト」を提案し、国際学会IROSで発表を行った。本機構は帯状の弾性体の片面に弾性体小片を配置することで、一方に曲げた時のみ高い剛性を発揮する性質(表裏異方弾性)を与えるものである。これを円環状にしたものは荷重を受けた際の変形の仕方が通常の円環状弾性体と異なり、特に弾性体小片を円環外側に配置したものは、外力により細長く伸びることが分かった。これを単輪クローラ機構に適用することで履帯の変形特性が変わり、より高い不整地走行性が得られる可能性が実験により示唆された。本研究はIEEE Robotics and Automation Society Japan Joint Chapter Young Award (2022)を受賞するなど、高い評価を受けた。また、前年度の主な研究テーマであった単輪クローラの履帯の変形解析を扱った論文がジャーナル誌にアクセプトされた。また、EU HORIZON2020 / JST SICORP の日欧共同研究の枠組みで実施した災害捜索のための情報統合システムの開発プロジェクトCURSORが本年度2月に完了した。プロジェクト内で開発した単輪クローラを装備した探査ロボットは共同実験において、その移動能力をファーストレスポンダ(消防・警察・救急など、災害時に現場で初動対応にあたる人)や他の研究者から高く評価された。新しい研究も順調に進んでおり、これまでの研究が成果として形になった一年であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度はこれまで研究してきた単輪クローラ機構をロボットに搭載した場合の挙動をシミュレーションを用いて三次元空間で動的に解析する。具体的には板状の剛体を弾性ジョイントで接続した多リンク体で単輪クローラ機構を近似し、これを2ユニット装備した探査ロボットを様々な地形の上で走行させ、走行中の履帯がどのように変形するか検証する。走行環境としては少数のパラメータ(高さ、傾斜、角の角度等)で定義される障害が一つ配置された直線的なコースとそれらがランダムに多数配置された平面的なコースの2種類を用意し、パラメータを様々に変えてシミュレーションを行う。また、これらの環境を走行するロボットの履帯の設計パラメータ(弾性ジョイントの剛性、履帯の幅、履帯の長さ、スプロケットの大きさ等)も変えて実験を行うことで、単輪クローラ機構の各設計パラメータが機体の走行性能にどのような影響を与えるのかを調査する。その上で、走行性能(コースの踏破可否、安定余裕、エネルギー効率等)を評価値として設計パラメータを最適化することで、より不整地移動の高いロボットの設計を得る。さらに、シミュレーション結果から走行に大きく影響を与えることが分かった設計パラメータについて、異なる複数の条件で実際にロボットを制作し走行実験を行い、実環境においてそれらのパラメータが与える影響を検証する。シミュレーション結果と実測値には差がある事が予想されるので、その差を与える要因について考察する。
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| Remarks |
EU HORIZON2020/JST SICORPの日欧共同研究の枠組みで実施した災害捜索のための情報統合システムの開発プロジェクトCURSOR(https://www.cursor-project.eu/)における共同研究
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