高剛性受動関節を有する閉ループ柔軟カタパルトと遊泳ロボットへの応用

摘要

筆者らは，閉ループ柔軟カタパルトと名付けた，柔軟物の閉ループ構造に基づいた瞬時高加速度運動を生成するためのロボット要素を提案している．このロボットカタパルトは，たわませた帯状柔軟物の両端を二つの回転関節に固定した，弾性体の機械的な閉ループ構造である．片側の回転関節をゆっくりと前後に駆動するだけで，インパルス状の瞬時高加速度運動を繰り返し生成することができる．閉ループ柔軟カタパルトは一種のフレキシブルマニピュレータであるが，先に述べたHiraiらの円形·球形柔軟ロボットを例外として，柔軟物の閉ループ構造から発現される力学的機能に着目したフレキシブルマニピュレータの研究は皆無である．また，弾性体のこの種のインパルス的動作は，飛び移り座屈(snap-through buckling)として知られているが，本論文で提案するように，この現象をアクチュエータにより積極的に発生させ，インパルス動作を繰り返し生成するために利用しているロボット技術は例を見ない．本稿では，瞬時高加速度運動を繰り返し発生させる特徴を維持したまま，最大トルク一定の条件の下でより大きな弾性エネルギーを蓄え，より大きな瞬時高加速度運動を生成するための新しい閉ループ柔軟カタパルトを提案する．提案するカタパルトは，従来のカタパルトの受動回転関節に高剛性を付加するだけの簡便な構造である点が特徴である．しかし，構造が簡便であるにもかかわらず，蓄えられる弾性エネルギーとともに，発生できる瞬時高加速度も飛躍的に向上することを，数値シミュレーションおよび基礎実験により示す．そして，提案したロボットカタパルトを用いることで，飛び移り座屈による瞬時高加速度を利用して，一定速度の推進はもちろん，静止状態からの素早い移動が可能な新しいタイプの遊泳ロボットを提案し，水中のような分布力を受ける環境においても，提案したロボットカタパルトが効果的に働くことを示す．