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学生編集委員会企画:第39回日本ロボット学会学術講演会レポート(一般セッション:フレキシブルロボット(2/2))


 2020年9月8日から10日にかけてオンライン開催された第39回日本ロボット学会学術講演会セッション参加レポートをお届けします.

 今回レポートするセッションは9月10日の午後に開かれた「2J4:フレキシブルロボット(2/2)」です.
 このセッションでは合計6件の発表が行われました.まずはその内容を簡単にご紹介します.
 1件目は東京工業大学の研究グループによる,「固体高分子膜による水の可逆化学反応を利用したホースレス空圧移動ソフトロボットの試作」です.この発表では,ガス圧供給のためのホースを必要としない流体圧駆動型移動ロボットの開発について報告しています.
 2件目は九州工業大学の研究グループによる,「テンセグリティ構造を利用した連続体マニピュレータ」です.この発表では,狭義のテンセグリティ構造(圧縮材と引張材からなる立体構造の内,圧縮材同士が互いに隣り合うことなく接続されている構造)に基づき連続的な湾曲姿勢をとることができるテンセグリティマニピュレータの構成方法を提案しています.
 3件目は立命館大学の研究グループによる,「非対称に膨張するマルチマテリアル柔軟膜の計算論的設計」です.この発表では,流体圧などによって膨張する膜アクチュエータの設計を目的とした,複数の材料を含むことで非対称に膨張する面アクチュエータの材料パラメータを決定する方法を提案しています.
 4件目は東北大学の研究グループによる,「流体感応式可変抵抗機構」です.この発表では,流体の通過前後において,抵抗が切り替わる流体素子の考案と具現化について報告しています.
 5件目は九州大学の研究グループによる,「極軽量インフレータブルロボットアームの関節剛性を考慮した手先位置制御」です.この発表では,インフレータブル構造(袋状の構造物に空気などを注入することで支持する構造)を有した3自由度のロボットアームの振動低減などを目的とした手先位置と剛性の制御方法を提案しています.
 6件目は立命館大学・東京大学の研究グループによる,「拮抗駆動式2リンク跳躍ロボットにおける接触モデルと跳躍動作の関係の数値解析」です.この発表では,コメツキムシなどの昆虫を規範とした2リンク跳躍ロボットに関するロボットの形状と地面との接触条件を変更した時のシミュレーション結果について報告しています.

 これらの中から,私が特に興味を持った1件目の「固体高分子膜による水の可逆化学反応を利用したホースレス空圧移動ソフトロボットの試作」と6件目の「拮抗駆動式2リンク跳躍ロボットにおける接触モデルと跳躍動作の関係の数値解析」について,詳しくレポートします.

 

「固体高分子膜による水の可逆化学反応を利用したホースレス空圧移動ソフトロボットの試作」(東京工業大学)

この発表では,固体分子膜を利用することで,エアーコンプレッサを必要としないガス圧駆動ロボットを開発することを目的としています.
従来のガス圧駆動ロボットは,コンプレッサにより圧縮されたガス(空気)をエネルギ源としていました.このコンプレッサは,電磁アクチュエータやエンジンなどで機械要素を物理的に運動させることで,圧縮空気を生成します.
しかしながら,機械要素の物理的な運動により,ガスを圧縮するためには,力や圧縮面を大きくする必要があり,コンプレッサは小型・軽量化が困難でした.さらに,ガス圧の調整のための付属機器が必要であり,圧縮空気の生成・制御システムは大型・大重量となっていました.そのため,空気圧アクチュエータの高い出力重量比(軽くても発生できる力が大きい)特性を生かしたモバイルロボットの開発が難しい状況でした.
この研究では,Fig. 1に示すような固体分子膜による水の電気分解/合成反応により高圧ガスを生成する,小型・軽量なガス圧制御系の開発を目的としています.この固体分子膜は,電流値により制御された高圧水素気体を発生できます(Fig. 1の左図).一方で,発生したガスを吸収する水合成反応時(Fig. 1の右図)には,電流が逆に流れエネルギを回収できる,優れものです.
この発表では,先行研究において開発された固体分子膜のガス圧制御系を応用し,複数の固体分子膜を連結・駆動した移動ロボットを開発しています.まず,発表者らは,電圧と電流値の関係と反応による気泡の発生を実験より確認しました.さらに,開発した圧力変化により変形する複数のセグメントを連結した移動ロボット(Fig. 2)に電圧を印可することで移動可能なことを確認しました.加えて,この発表では,ロボットの移動速度向上のために,発生した高圧ガスをロボットのセグメントの内部体積(ガス圧が発生するチャンバ)を小型に変更しました.このとき,電気分解の反応を阻害しないねじを利用するなどの工夫についても報告されました.
この発表を受けて,私も空気圧を利用したロボットの開発に携わっており,空圧機器全体の小型・軽量化の必要性は多いに感じていたため,大変興味がわきました.この研究が発展し,手軽に持ち運べる空気圧アクチュエータが開発されることに期待したいと思います.

 


Fig. 1 固体高分子膜による水の分解,合成反応(予稿原稿 [1] より転載)

 


Fig. 2 固体高分子膜によるロボットの膨張収縮実験(予稿原稿 [1] より転載)

 

「拮抗駆動式2リンク跳躍ロボットにおける接触モデルと跳躍動作の関係の数値解析」(立命館大学・東京大学)

 この発表では,固体分子膜を利用することで,エアーコンプレッサを必要としないガス圧駆動ロボットを開発することを目的としています.

 従来のガス圧駆動ロボットは,コンプレッサにより圧縮されたガス(空気)をエネルギ源としていました.このコンプレッサは,電磁アクチュエータやエンジンなどで機械要素を物理的に運動させることで,圧縮空気を生成します.
 しかしながら,機械要素の物理的な運動により,ガスを圧縮するためには,力や圧縮面を大きくする必要があり,コンプレッサは小型・軽量化が困難でした.さらに,ガス圧の調整のための付属機器が必要であり,圧縮空気の生成・制御システムは大型・大重量となっていました.そのため,空気圧アクチュエータの高い出力重量比(軽くても発生できる力が大きい)特性を生かしたモバイルロボットの開発が難しい状況でした.
 この研究では,Fig. 1に示すような固体分子膜による水の電気分解/合成反応により高圧ガスを生成する,小型・軽量なガス圧制御系の開発を目的としています.この固体分子膜は,電流値により制御された高圧水素気体を発生できます(Fig. 1の左図).一方で,発生したガスを吸収する水合成反応時(Fig. 1の右図)には,電流が逆に流れエネルギを回収できる,優れものです.
 この発表では,先行研究において開発された固体分子膜のガス圧制御系を応用し,複数の固体分子膜を連結・駆動した移動ロボットを開発しています.まず,発表者らは,電圧と電流値の関係と反応による気泡の発生を実験より確認しました.さらに,開発した圧力変化により変形する複数のセグメントを連結した移動ロボット(Fig. 2)に電圧を印可することで移動可能なことを確認しました.加えて,この発表では,ロボットの移動速度向上のために,発生した高圧ガスをロボットのセグメントの内部体積(ガス圧が発生するチャンバ)を小型に変更しました.このとき,電気分解の反応を阻害しないねじを利用するなどの工夫についても報告されました.
 この発表を受けて,私も空気圧を利用したロボットの開発に携わっており,空圧機器全体の小型・軽量化の必要性は多いに感じていたため,大変興味がわきました.この研究が発展し,手軽に持ち運べる空気圧アクチュエータが開発されることに期待したいと思います.

 


Fig. 3 (a) 跳躍ロボットの基本モデル,(b) コメツキムシを模した外殻の接触モデル(予稿原稿 [6] より転載)

 


Fig. 4 接触モデルの違いによる跳躍動作の変化(予稿原稿 [6] より転載)

 

 以上で「2J4:フレキシブルロボット(2/2)」のセッションレポートを終わります.この他にも,「1H4:移動ロボット」「2J3:フレキシブルロボット(1/2)」のセッションについてもレポートしていますので,そちらも是非御覧ください.

 

参考文献

[1] 黄振善,難波江裕之,遠藤玄,鈴森康一,“2J4-01 固体高分子膜による水の可逆化学反応を利用したホースレス空圧移動ソフトロボットの試作,“日本ロボット学会第39 回学術講演会予稿集,2J4-01, 2021.
[2] 塚本健太,池本 周平,“テンセグリティ構造を利用した連続体マニピュレータ,”日本ロボット学会第39 回学術講演会予稿集,2J4-02, 2021.
[3] 三森友貴,平井慎一,“非対称に膨張するマルチマテリアル柔軟膜の計算論的設計,”日本ロボット学会第39 回学術講演会予稿集,2J4-03, 2021.
[4] 釼持優人,高橋景虎,恩田一生,阿部一樹,渡辺将広,多田隈建二郎,昆陽雅司,田所諭,“流体感応式可変抵抗機構,”日本ロボット学会第39 回学術講演会予稿集,2J4-04, 2021.
[5] 竹中孝太,河村晃宏,倉爪亮,“極軽量インフレータブルロボットアームの関節剛性を考慮した手先位置制御,”日本ロボット学会第39 回学術講演会予稿集,2J4-05, 2021.
[6] 松野孝博,新山龍馬,平井慎一,“拮抗駆動式2リンク跳躍ロボットにおける接触モデルと跳躍動作の関係の数値解析.”日本ロボット学会第39 回学術講演会予稿集,2J4-06, 2021.

 

伊藤文臣 (Fumio Ito)

2021年中央大学大学院博士前期課程修了後,同大学博士後期課程入学.同年より日本学術振興会特別研究員 DC1,日本ロボット学会学生編集員.現在に至る.
生物を規範とした外骨格型瞬発力発生機構や,蠕動運動による管内移動ロボットに関心を持つ.
IEEE graduate student member,日本機械学会学生会員.