不整地における移動機構としての柔らかいクローラの開発

不整地における移動機構とし
ての柔らかいクローラの開発
第14回レスキューロボットコンテスト　講演会1 2014年 8月 10日
岡山理科大学
工学部機械システム工学科
衣笠哲也

目次
•  はじめに
–  研究のきっかけ
–  従来のクローラ式移動機構
•  柔軟全周囲クローラ
–  直列クローラから湾曲モノクローラへ
–  湾曲モノクローラの歴史
•  柔軟全周囲クローラの実現
–  第１試作機RT02-WORMY
–  機械的問題とその解消
•  さらなる発展
•  おわりに
第14回レスキューロボットコンテスト　講演会 2014年 8月 10日 2

目次
•  はじめに
•  おわりに

はじめに．
2014年 8月 10日第14回レスキューロボットコンテスト　講演会4
1995年1月17日午前5時46分52秒
兵庫県南部地震
•  当時，大阪府立大学（堺市）のM1生
•  木造２階建のアパートの１階で寝てい
ました．
•  天井がうねっていたのを覚えてます．
•  大阪府北部に住んでいたらどうなって
いたかわかりません．

何か役に立つ研究は？

はじめに.
迅速で安全な情報収集
火災の発生
有毒ガスの漏洩
倒壊の危険性, etc…
二次災害の発生
情報伝達の遅れ
状況不明確な状態での救助
瓦礫の散乱する不整地

目次
•  はじめに
•  おわりに

偉大なる先人の知恵に学ぶ

湾曲旋回型（直列連結型）
第14回レスキューロボットコンテスト　講演会
u 特徴
Ø 湾曲姿勢によって旋回
Ø 細長い機体が実現可
Ø 狭隘空間へ進入可
2014年 8月 10日 9

連結クローラの問題点
•  非駆動部の乗り上げによるスタック
•  突起物の挟み込みによるスタック
•  連結数増加による重量増加
•  連結数増加による機構の複雑化
2014年 8月 10日 10

2004年3月研究室配属
大谷：レスキューロボット作りたいです．
衣笠：じゃあクローラでなんか作ろうか．
　　連結，パドル，いろいろ考えてみる．
衣笠：なんかひねらんとねぇ
2006年9月
計測自動制御学会中国支部講演会準備
大谷：こんなんどうでしょう？
瓦礫内探査レスキューロボットのための移動機構の試作
大谷，衣笠，吉田，計測自動制御学会中国支部学術講演会論文集(2006)

目次
•  はじめに
•  おわりに

柔軟全周囲クローラ (FMT)
FLEXIBLE MONO-TREAD MOBILE TRACK
単一ベルトによって被覆された状態で，
全身を柔軟に湾曲可能なクローラ機構
側面も容易に被覆可能で瓦礫内外の走破性が向上

衣笠：おー，いいやん！
　　　で，ほんとに新しいのか？
（注：時系列的には前後します）

目次
•  はじめに
•  おわりに

湾曲旋回クローラ US PATENT
Hackny (1917):
差動旋回による路面損壊防止目的
左右湾曲二本一対のクローラベルト
H.E.Best (1970):
湾曲旋回モノクローラ
クローラベルト２本
差動旋回と湾曲旋回

柔軟ベルトによる湾曲モノクローラ
壁面清掃用ロボット
（名大：福田ら1995）
u  特徴
ü  上下左右湾曲（各１自由度）
ü  ゴムによる湾曲ベルト
ü  壁面での清掃が目的
u  問題点
ü  屈曲角度が小さい
AURORA(Schemph, 2002)
l  ±６０°の広範囲湾曲
l  ２つの能動回転関節による左右湾曲
ü  複雑な機構
l  段差乗越のためのパドル
ü  上下湾曲は不可能
ü  乗越可能段差は体高の約半分

2006年9月
衣笠：で，どうやって柔らかい
　　　クローラをつくる？
2007年2月
大谷：こんなんできました．
（2006年度岡山理科大学大学院修士論文）
2007: ２自由度全周囲クローラKYKLOSに関する研究
（2006年度神戸大学大学院修士論文）
2007年2月（神戸大学）
吉田：大須賀先生，こんなんできました．

目次
•  はじめに
•  改良機としてのRT03-LIPAN
•  おわりに

1200[mm]
200[mm]
200[mm]
重量：12.4[kg]
柔軟全周囲クローラ
FLEXIBLE MONO-TREAD MOBILE TRACK (FMT)
PROTOTYPE RT02-WORMY
20 第14回レスキューロボットコンテスト　講演会 2014年 8月 10日
Ø FMT：
柔軟構造による３次元的な
湾曲可能なクローラ

21 第14回レスキューロボットコンテスト　講演会 2014年 8月 10日
Ø FMT：柔軟構造による
３次元的な湾曲
Ø 脊椎構造
Ø 上下左右の能動湾曲
ü  拮抗駆動
椎体：箱状構造
椎間板：円筒ゴム
もしくは球面関節とバネ

ガイドレール
可湾曲ベルト（コンベアベルト）
コンベアベルト
椿本チェインTPU
回転寿司の搬送テーブル

23 第14回レスキューロボットコンテスト　講演会
PROTOTYPE RT03-LIPAN
2014年 8月 10日
Ø FMT：柔軟構造による
３次元的な湾曲
Ø 脊椎構造
Ø 上下左右の能動湾曲
ü  拮抗駆動
Ø 湾曲ベルト
Ø 湾曲旋回は路面を損
壊しにくい
Ø 側面を被覆可
Ø 凹凸面へなじむ

柔軟全周囲クローラRT02-WORMY

2007年4月
衣笠：問題は無いの？
土師：ベルトがガイドに
　　　ひっかかりますねぇ（干渉）．
　　　脱線することもあります．

目次
•  はじめに
•  RT04-NAGA, RT06
•  おわりに

ベルトの脱線 RT03-LIPAN

機械的問題：ベルトの干渉・脱線
開口部（椎間板）
u 浮上防止タブより大きい
Ø  開口部の低減
u 開口部でベルトがたるむ
Ø  ベルトの支持機構
u ガイドレール両端でベルト干渉
Ø  湾曲部のベルト経路設計
u 椎間板のゴムが縮む
Ø  中心線が不変な構造
原因：ベルトガイド開口部
ガイドレール

2010年
曲がり方を簡単にして
ベルト経路を計算し隙間を減らす

回転関節におけるベルト経路
2014年 8月 10日第14回レスキューロボットコンテスト　講演会
ガイドレール
ガイドレールの上面はベ
ルト上板の経路で決定さ
れる
各関節におけるガイドレール開口部を低減
上下湾曲関節
左右湾曲関節
下方湾曲時の上面
（上方湾曲時の下面）
30

湾曲時のベルト経路設計
Guide rail
履板の上板
履板下板
浮上防止タブ下方湾曲
上方湾曲
31

RT04-NAGA (2011)
全長：1255mm
全幅：220mm
高さ：160mm
重量：20kg
最高速度：1.1m/s
干渉，脱線問題の解消
走行性能
斜度40°程度の階段
螺旋階段
段差550mm
溝650mm
32

RT04-NAGA
33

衣笠：隙間を減らすだけじゃなくて
　　　すべらないようにもっと滑ら
　　　かに曲げたいなぁ
2013年
土師：こんなんできました．

積層構造の導入
FMTの胴体を積層構造に
ü MDF板 (5.5 mm，47枚)
ü ゴムスポンジ板 (10 mm, 45枚)
u ガイドの開口部はほと
んど無くなる．
u 湾曲姿勢は，より円弧
に近くなる．
MDF plate (brown)
Rubber sponge
plate (black)

積層構造FMT: RT06 (松江高専)
Drive segment
Idler segment
Control segment
1200 mm
200 mm
200 mm
Total weight: 9kg
3kg lighter than WORMY
Layered segment
Layered segment

階段昇降
RT02-WORMY
RT04-NAGA
RT06
RT02-WORMY
RT06

目次
•  はじめに
•  おわりに

カメラはどこに？

履板に内設する複数カメラによる
遮蔽領域補完(和歌山大学)
RT03-LIPAN
RT03-LIPAN
蒼龍V（広瀬ら）
履板に内設
履板が視界を遮る
側面から突起
障害物への干渉
衝撃による振動
複数カメラによる
領域補完

実機への適用
41
FMT RT04-NAGA
【実験条件】
•  実験環境：室内
•  撮影対象までの距離：3[m]
•  USBカメラ2台

いつでも滑らないの？
滑ったらどうなるの？

FMTの数学モデル
Γ=+ θθθθθ !!!! ),()( CJ
平面内の運動方程式
仮定：
Ø  各リンクの重心に荷重が集中
Ø  リンク長手方向に沿って履帯が移動
Ø  履帯は常に路面に対して滑る
Ø  リンクを結合する関節は能動関節

リンク重心の滑り速度
履帯の運動方向を示す単位ベクトル
it
履帯の対路面相対速度ベクトル
tiivt−
giv リンク重心速度（ベルト速度を除く）
siv リンク重心速度（ベルト滑り速度を含む）

履帯の運動を考慮した摩擦力
gmv
v
v
f isi
si
si
i )(
||
µ−=
)1()( ||
0
siva
si ev −
−= µµ
［山川, 渡辺, 機論C, 2001，Z. Janosi, 1961］
滑り速度の関数としての摩擦係数

円旋回特性，低速(1M/S 以下)
u 旋回半径と湾曲半径が一致
u 運動開始後，加速中はアンダーステ
ア傾向を示し，前進速度が時間の経
過と共に飽和するにつれてニュートラ
ルステアに近づく．
u 最終速度の変化に対して旋回半径は
変化しない．
u 一般の一対の履帯を用いる装軌車
両低速円旋回において初速の上昇と
ともに旋回半径が増大
u 連結型装軌車両は，一定の操舵角に
対して走行速度が旋回半径に影響し
ない

円旋回特性（高速）
u 旋回中心が閉軌道を描いたのち，
定位置で円運動を行う
u オーバーステア傾向に向かい，最
終的にスピンする
u オーバーステア状態では，車両先
頭を重心軌道の内側に向け，尾
部は外側に流れながら旋回を行う

低速および高速円旋回実験
円旋回実験(0.31 m/s(前半)，1.45 m/s(後半)

円旋回特性（実験結果）
0.31 m/s
1.45 m/s

目次
•  はじめに
•  おわりに

おわりに．
•  柔軟全周囲クローラを開発
–  湾曲可能な一本のクローラ
•  クローラで側面以外被覆
•  滑らかな湾曲による旋回：路面を損壊しにくい．
–  受動関節と拮抗駆動の導入
•  駆動装置の低減
•  脊椎構造・積層構造による滑らかな湾曲
•  回転関節による干渉・脱線問題の解決
•  カメラシステムの開発
•  高速旋回特性の解析

FMT試作機RT02〜06
柔軟全周囲クローラの実現
RT02-WORMY
脱線の改善に挑戦（失敗）
RT03-LIPAN
回転関節の導入による脱線
問題解消 RT04-NAGA
より滑らかな湾曲
RT06
薄型化
脱線問題
回転関節導入
脱線問題解消高速旋回
カメラ
システム
積層構造導入
最新試作機RT05-COBRA

おわりに．
2011年3月11日14時46分
東北地方太平洋沖地震
•  岡山理科大学で仕事中．
•  揺れには気がつかず．
•  仙台空港へ津波が押し寄せている
中継をWebでみて初めて気がつく．
2011年3月12日15時36分
福島第一原子力発電所１号機建屋爆発
•  テレビ中継中(予想を超える大事故)
2011年3月14日11時01分
福島第一原子力発電所２号機建屋爆発
•  鹿児島にてロボティクスシンポジア
参加中．

研究者として
•  自分の無力さを改めて痛感
•  本当に実用的な研究・開発をすべきか？
– 必要である．
– 自分の研究の現状は実用化からほど遠い．
•  現在のFMTに関する興味
– 様々な機構（脊椎，積層，回転関節…）
– 湾曲による旋回特性とその制御

「実用化研究」即是「基礎研究」
「基礎研究」即是「実用化研究」
大須賀公一：大学における災害対応ロボットの研究スタンス，
日本ロボット工業会, ロボット, NO.206, PP. 14~19(2012.5)

自分の興味と関心を大事にしながら，
しかし，
「役に立つ」という方向性も忘れずに，
がんばりたいと思います．
ぶれぶれですが．．．

ご静聴ありがとう
ございました．
2014年 8月 10日 57
研究協力：消防研：天野久徳様，松江高
専：土師貴史先生，岡山理科大学：吉田浩
治先生，赤木徹也先生，鹿児島大学：林良
太先生，和歌山大学：徳田献一先生，大阪
電気通信大学：入部正継先生，大阪大学：
大須賀公一先生，東京電機大学：栗栖先生
大谷君をはじめとする岡山理科大学の学生
諸君
技術協力：サンリツオートメイション
（株），（有）ナカタテクスタ，ウィング
ス，オークラ輸送機（株）．
研究補助金：文部科学省，CIIC，ウエスコ
学術振興財団

不整地における移動機構としての柔らかいクローラの開発

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

不整地における移動機構としての柔らかいクローラの開発