Development of mobile working robot inspired from the helical spring Slinky by expanding the deformation mechanism of Origami and its applications

受螺旋弹簧Slinky启发，扩展Origami的变形机制开发移动工作机器人及其应用

• 批准号: 22K04024
• 负责人: 程島 竜一
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Saitama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04024/
• 关键词: スリンキー; 粗密波運動; 折紙工学; クレスリング折り; ワイヤ駆動; 伸縮屈曲機構; 移動作業ロボット; 人工物規範; 折紙変形機構; クレスリングパターン

人工物のスリンキーの波状運動の特性を把握するために，計算機シミュレーションを行い運動の解析を行った．スリンキーの運動を解析するための数理モデルを，剛体リンクと捩りばねによる回転関節により構築した．そして段差を自由移動する場合について，構築した数理モデルを使い多体動力学に基づいた運動方程式およびMATLABにより解析を行った．この解析では，スリンキーの波状運動に大きく関係していると予想したばね定数，段差高さ，初速度，リンク姿勢などをパラメータとして扱い，運動の変化や運動の安定性を調査した．次に，開発する実験機の仕様を参考にして数理モデルのパラメータを再設定し，および捩りばねを能動的に制御できる関節と置換して，数理モデルを再構築してシミュレーションを行うことで，実験機の運動制御方法を模索した．低速度では関節を位置制御することにより良好な結果が得られたが，モデルの速度が遅く本来のスリンキーの運動とは大きく異なる結果となった．逆に大きい速度帯では関節へのトルク入力が有効であると予想し，モデルの速度を上げると同時に，トルク入力による制御を試みたが，実際のスリンキーの様なダイナミックな運動を再現するには至っていない．次年度以降で引き続き，検証が十分でないCPGやSLIPなどの手法を順次試していく予定である．さらに，次年度の実験機の開発準備として，駆動系以外のクレスリング折りに関連するロボット構造を3Dプリンタ等で試作し，構造設計を検討した．直接的に，クレスリング折りを剛体でモデリングしようとすると構造が複雑になるため，クレスリングパターンを修正した等価モデルを考案し，構造を簡略化した．クレスリング折りを忠実に模倣した再現モデルよりも簡略化した等価モデルの方が屈曲率や縮み率が大幅に向上したため，次年度の実験機の構造には等価モデルを採用することにした．

为了了解人造物体Slinky的波浪运动特征，我们进行了计算机模拟并分析了其运动。使用刚性连杆和扭力弹簧的旋转关节构建了用于分析 Slinky 运动的数学模型。然后，针对跨步自由运动的情况，利用所构建的数学模型，基于多体动力学和MATLAB来分析运动方程。在此分析中，我们使用弹簧常数、步高、初始速度和连杆姿势等参数来研究运动的变化和运动的稳定性，这些参数预计与 Slinky 的波浪运动显着相关。接下来，我们参考待开发的实验机的规格重新设置了数学模型的参数，将扭力弹簧替换为可主动控制的关节，重构了数学模型，并进行了仿真研究。一种控制实验机运动的方法。在低速时，通过控制关节位置获得了良好的效果，但模型速度较慢，结果与原始的Slinky运动有显着差异。另一方面，我们预测关节的扭矩输入在高速范围内会有效，因此我们尝试使用扭矩输入来控制模型，同时提高模型的速度，但无法再现关节的动态运动实际的 Slinky 尚未达到。从明年开始，我们计划继续测试CPG、SLIP等尚未得到充分验证的方法。此外，为了准备明年的实验机的开发，除了使用3D打印机等的驱动系统之外，我们还原型了与折痕环折叠相关的机器人结构，并检查了结构设计。如果我们尝试使用刚体直接对水芹环折叠进行建模，结构会变得复杂，因此我们通过修改水芹环图案来设计等效模型以简化结构。由于简化的等效模型比忠实模仿水芹环褶的复制模型显着改善了弯曲率和收缩率，因此我们决定明年的实验机结构采用等效模型。

项目成果

埼玉大学 設計工学研究室

埼玉大学设计工程实验室