計測自動制御学会東北支部第 281回研究集会 (2013.
6.
21)
資料番号 281・19

パラダイストピヘピの飛行メカニズムのロボティクスによる検証
VerificationbyRoboticsF
lightMechanismofC.
paradise
O佐藤恭輔，村中彰，石山優樹，

藤津隆介

oKyosukeSATO，
Akir
aMURANAKA，
Yu
kiISHIYAMA，R
yusu
keFUJISAWA

八戸工業大学
HachinoheI
nstituteofTechnology

キーワード:C.
paradise，Grider
連絡先:干 031・0814 青森県八戸市妙字大関 88番地 l号

八戸工業大学工学部機会情報技術学科佐藤恭輔

E‑
mail:g101038@hi‑
tech.
ac.
jp

1 はじめに
1.
1ノミラダイストピヘピについて
東南アジア地域の熱帯雨林に生息するパChη砂広S
ラダダ、イストピへピ(学名伊Opeleaて‑
pαぽαrdis
吟『iぱi吟)は天敵から逃れるために樹上から飛び降りることが知られている.体長50・120cm ほどの小型のヘピである.このへピの特徴は空中で肋骨を広げ，体を扇平にすることで空気抵抗を受ける面積を広げることが出来る.滑空をしている際はただ落ちるのではなく，ある程度なら進路を調整することが出来，その飛距離は 100mに及ぶことも1]. アメリカ，パージニア工科大学のある [生物学研究者である Sochaらは，トビ、へビの大きさや滑空中の行動が，滑空のパフォーマンスに及ぼす影響について研究が進められている.彼らは，実際に高所からトビヘビを滑空させ，その様子を撮影し，分析を行った.
分析は，身体データ(長さ，質量，投影面積，翼面荷重，翼面荷重の平方根)と滑空中の変数(離陸速度，滑空角度，落下速度，滑空時間，加速度，最大速度，滑空距離)を調査することにより行われた.その結果，大きさがより小さいヘピ，振幅がより大きいへピが滑空性能が高いと結論づけている [1]1
ム研究目的
パラダイストピ、ヘピがなぜ安定した滑空を生み出すことができるのかという点においてはいまだ詳細な結論が出ていない.前述
した Sochaらの研究では，実際のへピを用いた実地実験を行なっていた.そこでは，トピヘビの離陸運動や空カ特性に焦点を当てて調査されていたが飛行メカニズムについては深く研究がなされていない.特に，へビのような円筒形の物体が安定した滑空を作り出すことができるかという問題については未解決のままである.本研究では，トビヘピの滑空動作を，動的な運動をする多リンクへピ、型ロボットで再現することで，滑空動作のメカニズムを検証する.実物のトピ、ヘピは生物であるため，実験を行う際に常に同じ初期状態を維持できないため，正確なデータをとることが難しい.しかし，ロボットを用いることで，より正確な実験データが得られる.
トビ、ヘピは滑空中に蛇行運動を行うことによって，滑空距離を伸ばしていると考えられる.ヘピ型ロボットが滑空する際，直線状態で滑空する場合よりも，蛇行運動を行いながら滑空する場合のほうが滑空距離は伸びると考えられる.

2. ヘピ型ロボットの仕様
2.1.ロボット構成
トピヘピの滑空を再現するために，複数の関節を持つヘピ型ロボットを開発した.開発
したヘピ、型ロボットは，ヘピが体を扇平状態にする滑空時の半円筒形となるように F
ig.
1のフレームユニットを 10ユニット直列に連結したものである.基本仕様として，直径2.5mmのカーボンロッドと ABS製樹脂のジョイントで構成されている. 10ユニット連結後の全長は 26.05mであり，重量は 7.96kgである.ユニット聞にはサーボモータを直交させた状態で連結し，ピッチ運動とヨー運動を実現した.ここに角度や角速度などの指令を送ることでへピの蛇行運動を再現できるようになっている.10ユニットの関節数は 9個であり，それぞれピッチとヨーの 2軸ある
ためサーボモータを 18個使用する.

‑そ¥

rk:;
JA:ぐトー》

2.
2. システム構成

Signalline

¥
1'>
1.
均B
2D
ynamixel(tSMPS
2D
ynamixel③iO
ynamixelRX・28停電源④Fig.3:Systemconfigurationofdevelopedrobot
Fig.
3 にシステム構成図を示す.各関節の制御は VisualStudioで開発した C++コンソー
ルアプリケーションとサーボモータを USB経由で接続することで、行なっている.各サーボモータ聞を通信用のケープ、ルで、繋ぎ，命令とフィードパックを繰り返すことで関節として動作させている.各サーボモータの電力は ACアダプターから SMPS2Dynamixelを介して供給している.

3. 実験設定
3.1.実験概要

Fig.
2:

Balloondev
elopedFig.
2にバルーン構成図を示す.ロボット
hdのフレーム内にの落下速度調整のため， Fアルミ蒸着フィルムを円筒形に組み合わせたバルーンを入れる. 1ユニット当たり lつのバルーンをフレーム内に入れ，バルーン内部にヘリウムガスを充填し浮力を得る.大きさは縦 1900mm，横 1260mm，高さ 630mmで 1
3個当たりの容量は 1.
27mとなっている (Fig2).
バルーンにヘリウムガスを限界まで充填した場合の最大浮力は 1.
33kgである.ユニッ0個なので、バルーンも 10個用いるこ
ト数は 13.
35kgとなととなる.その場合での浮力は 1っている.

本研究の目的は蛇行運動が滑空にもたらす影響を調査することである.低速で降下するようにヘリウムガスで浮力を調整したロポットを一定の高さから水平方向に牽引することで初速度を与えて水平に投射し，その滑空距離を計測する実験を行う.実験はロボットの姿勢と動作を直線・屈曲・蛇行の 3つのパターンとし，パターンごとに結果を計測，記録していく.結果を分析することで，屈曲による滑空距離の増加分と蛇行運動による滑空距離の増加分を求めることができる.これにより，体勢によって生まれる空力と蛇行運動が滑空に及ぼす影響を調べることができると考えられる. Fig.3は実験のパターンを簡略的に図示したものであり，影の部分は初期位置，矢印は滑空中の先端ユニットの軌道を示している.蛇行運動を行うパターン 3では，関節をくねらせながら前へ進んでいくため，矢印が体軸に沿って曲がっている.

・4

圏直園田園園田園闇図Fig.6: Outlineofexperimentalenvironment。
図

Pa
位置m1

Paltom2Pat
tom3

S卸ヨight

CurveWindingFig.4:Pattemofg
liding3.
2. 実験装置の作成
滑空前の初期位置のために，ロボットを上から吊り下げることで支持ができる Fig.
5:
OveI
ViewFjgureF以)(泊。rFig.
5の装置を製作した.最大 4mの伸縮ポールで製作した Peラインによってロボットの各ユニットをギャラリーの両側から吊り下げることでロボットを中央に配置する.また，ロボットと Peラインの聞にはユニットと Peラインの切り離しのために，ソレノイドを用いた解放機構を搭載した (Fig5). ロボットを初期位置まで支持する手順を Fig6に示す.まず， Peラインを床まで垂らした上に解放機構とロボットを接続したものを乗せる.その後，全てのユニットを段階的にリールで Peラインを巻き上げることで初期位置の高さを保つこととする.
抑 制

rwOFF

3.3計測
空中移動の様子を記録する方法として 4台の 5mm広角カメラを使用することにした.
計測の仕組みとして，カメラと一緒に取り付けた照明でロボットを照らし，反射した位置の空間座標を元にロボットの 3 次元的な動きをデータ化することができる.このことから，撮影環境として室内を暗い状態にし，ロボットに反射板を取り付ける必要がある.手I}
頂として先に 4台のカメラで lつの空間を作り出すために，キャリブレーションを行う必要がある.そのため，三脚に取り付けた状態のカメラを実験ごとに持ち運びするとなると座標が変わってしまうことから，その都度キャリプレーションを行う必要がある.そこで，カメラを常時固定した状態にすることにし，キャリプレーションを一度に済ませることにした.広範囲を観察できる位置に取り付けなければならないため、 Fig7に示す赤い位
置の柱にギャラリーから高さ約 6000mm の位置にカメラと照明を取り付けた.

附 向w
er ON

Ivecover‑‑&iIdeDullev

L:
Iri
1SOI~::

Fig.
7:Gymnasiumtopview

4. 剛性検証
Fig.
5:Ov
erv
iewFigurePel:
陥GaUety圃争円∞r

Floor

実験前に関節のフレームが歪むことが懸念されていた.関節のフレームの歪みにより，曲げトルクが吸収され伝達されずにサーボモータに過大な負荷がかかること，曲げトルクが吸収され伝達しないことからへピの蛇行運動を再現できない可能性があるため剛性検証を行った.ロボットを床に置いた状態でのボディ剛性試験では， F
ig.
8に示す.

①Neu
甘'al

②Left

③Rig
ht

Fig.
8:View合omt
hetopjointFig.
8 のように曲げトルクが吸収され，ユニットに伝達しないことからへピの蛇行運動を再現できなかった.しかし，これは床と設置する摩擦によるものではなし、かと考えられた.そこで空中で、の岡'J
I性検証を行った.
実験装置が全て揃っていないことから 3ユニットだ、けの剛性検証になったが，フレームは一切歪むことなく曲げトルクがユニットまで伝達することを確認することができた.

5. 結言
剛性検証の結果，空中で曲げトルクがユニットまで伝達することを確認することができたため，関節フレームの強化は必要ないと判断できた.現在は実験装置の開発を行い，量産する段階である.今後，試作した実験装置の量産を行い，順次実験を行っていく予定
である.
参考文献
[1]JohnJ.
Socha.G
ligingf
1iteinchr
ysopelea:turning a snakei
ntoaw
ing.
，
Integ
r
ativ
eandComparati‑veB
iologyVo.
I
51，No.6，pp.
969‑
982，2011.
[2]JohnJ.
SochaMichaeILaberbela.
E釘ect
sof
sizeandbehav
ioronaer
ialperformanceo
f
twos
pe
cieso
ff
1
yingsnakes(Chrysopelea)
.
l、
heJou
malof
Exper
imentalB
iologypp.
1835・1847，2005.
208，