生産と技術

第59巻第４号（2007）

生物模倣型水中ロボットの開発と数値シミュレーション
鈴 木 博 善＊研究ノート

Development of Biomimetic Underwater Vehicle and Numerical Simulation
Key Words：CFD, Mechanical Pectoral Fin, Biomimetic,
Underwater Vehicle, Active Pneumatic Fin

１．はじめに

２．魚の胸鰭運動

水棲生物は，何億年もの間，環境に適応しながらこれまでの生物学的研究から，魚の胸鰭動きは，進化し，それぞれの環境のもとで様々な運動形態を上下振動を主体したものと前後振動を主体としたも獲得しながら生き続け，今日を迎えている．それだのに分類できることがわかっている．
前者は，胸鰭を前後方向にほぼ水平に保ち，それけに我々が，環境に適応した水棲動物たちが持つ機にひねりを加えながら，上下方向に８の字を描くも能から学ぶことは多い．
水棲生物のうち，魚に注目してみよう．さんご礁のである．胸鰭から発生する上下方向の揚力の前進や岩礁地帯で魚が遊泳する様子を観察すると，波浪方向成分を推力として用いていることから，揚力型や潮流等の外乱が存在する流れの中でも, 非常に高とも呼ばれる．一方，後者の胸鰭運動は，胸鰭を後い操縦性能を示すことはよくご存じであろう．

ろに掻いたとき（パワーストローク）に前後方向にほぼ鉛直に起てた胸鰭に加わる抗力を利用して推力

このように，魚が持つ機能を機械，とりわけ水中を発生させることから，抗力型と呼ばれる．

ロボットに応用しようという試みが広く行われており，大阪大学大学院工学研究科地球総合工学専攻船３．胸鰭運動装置

舶海洋工学部門でも，私の属する加藤教授のグループと戸田教授らのグループが，それぞれ魚の胸鰭を推進装置として用いる水中ロボット，イカの側鰭を魚の胸鰭の運動は，鰭自体が変形するものを除く模した推進機構を有する水中ロボットの研究開発をと，Rowing運動，Feathering運動，Flapping運動行っている．

で構成される（Fig.１）．

ここでは，これまでに私たちの研究室で行われた研究のうち，魚の胸鰭運動を模擬する装置（３軸胸鰭運動装置）による流体力計測の結果，これを搭載した水中ロボットに関する研究，および，これに深く関連する研究の一端を紹介する．

＊Hiroyoshi SUZUKI

1966年12月生
大阪大学大学院工学研究科船舶海洋工学専攻博士前期課程修了（1992年）
現在，大阪大学大学院工学研究科地球総合工学専攻船舶海洋工学部門，准教授，博士（工学），海洋工学、数値流体力学
TEL：06-6879-7589
FAX：06-6879-7594
E-mail：suzuki̲h@naoe.eng.osaka-u.ac.jp

Fig.１ Fin motion of a fish

私たちの研究室では，実際に生きた魚の胸鰭の動きを観察することで，これらの運動が鰭の運動中心からのオイラー角（Fig.２および式（１））で表現
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Fig.４ Time-averaged Hydrodynamic coefficient distribution

ただし，鰭は抗力型で作動している状態で，式Fig.２ Coordinate system and Euler's angles（１）の角度パラメターφ R0，φ RA，Δφ R，φ FE0，
φR＝φR0−φRA・COS（ωfin・t）

φFEA，φFL0，φFEA，φFL0，φFLA，ΔφFEは，それぞ

φFE＝φFE0−φFEA・COS（ωfin・t＋ΔφFE）（１）

れ30 ，30 ，0 ，-30 ，30 ，0 ，20 ，90 とし，位相φFL＝φFL0−φFLA・COS（ωfin・t＋ΔφFL）

差ΔφFLを-180 〜150 まで変化させている．ωfinは４○○○

○

○○

○

○

○○

π（１/sec）である．
○

ただし，ローイング角をφR，フェザリング角を次にΔφFLを0 にした場合の実験値とCFDによる計

φFE，フラッピング角をφFLとし，それぞれの角度算値の比較を示す．の添字０は初期角度，Aは振幅である．ωfinは振動周波数であり，ΔφFE，Δφ FLはRowing角からのFeathering角，Flapping角の位相差を示す．
これらの鰭運動を３軸で表現する装置（３軸胸鰭運動装置：BIRDFIN）（Fig.２参照）を開発し，胸鰭による流体力を計測し，その流力特性を明らかにした１）．

Fig.５ Time-varied hydrodynamicforce coefficient distribution

ここで，Fig.４中のKは無次元周波数で，一様流速を U ，鰭のコード長を c としたとき， K ＝ω fin・c/Uとして定義し，流体力係数は，計測された流体力をFX，水の密度をρ，鰭の面積をSとするとき，CX＝FX/（１/２・ρSU２）として定義した．
実験結果より，鰭運動の位相差を変更するだけでFig.３ Mechanical pectoral fin device BIRDFIN

前進後退できること，無次元周波数が大きくなれば，同時に，この３軸胸鰭運動装置を計算モデルとし（周囲の流体の速度が遅ければ）大きな流体力を発てCFD解析や可視化実験も行い，推力発生のメカ生することなどがわかる．流体力の時系列についてニズム，流場の特徴などを検討した．以下に，計測は，前半の0〜0.25秒の間がパワーストロークにあとCFDによる鰭が発生する時間平均流体力を示す．

たるので，この間は大きな推力が得られるのに対し，紙面の関係上，推進方向の流体力のみとする．

後半の0.25〜0.5秒の間は，抵抗を小さくしながら初2

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期位置に鰭を戻す動作（リカバリーストローク）を

このほか，PLATYPUSには，深度センサー，姿行うのみであるため，推力は発生せず，抵抗が発生

勢センサー（３軸角速度，３軸傾斜角），胸鰭根元する．に力センサー，レーザー距離計，位置計測用ピンガーが装備されている．

CFDの結果は，計測値をよく説明することがわ

PLATYPUSの推進性能や運動性能の確認のため，かる．

大阪大学船舶海洋試験水槽や他の施設で静止流体中
４．水中ロボット PLATYPUS２）での推進性能と旋回性能，平水中／潮流中で海洋構造物に見立てた円柱周りの運動制御実験を行った．

胸鰭で推進，運動制御を行う水中ロボットは，そ実験結果の一例として，潮流中で海洋構造物に見立の高い運動性能，操縦性能から，いままでの水中ロてた円柱周りの運動制御を行った結果を示す．潮流

ボットでは難しいとされてきた潮流中や波浪中におは水槽中で船外機（５台）を作動させることによりける港湾構造物まわりの遊泳を可能にするものと期再現している．

待される．

Fig.７は，PLATYPUSの重心の軌跡である．潮複雑な構造物あるいは波浪中で動揺するブイ等に流の上流側から円柱の周り検査し，潮流を利用しなダイバーが接近するのは危険であり，これをロボッがら，一旦下流側まで移動してから上流に戻り，再トが代行することにより，作業の安全性の向上およ度検査を開始するという繰り返し動作を行うようなびメンテナンスの効率化が図ることができる．

制御アルゴリズムを用いている．この場合，このような目的のため，前記の３軸胸鰭運動装置

PLATYPUSの頭部に取り付けられたレーザー距離を２対用いて開発された水中ロボットがPLATY-計が指し示す円柱上の点はFig.8のようになる．

PUSである．これは，初期形状がカモノハシに似て実際は，レーザー距離計ではなく水中カメラやソいたことから名付けられた名称であるが，現在は改ナー等のある程度撮像範囲が広いものが用いられる造のため，カモノハシには見えにくい．PLATY-であろうから，円柱の半周をほぼ検査可能であるとPUSの写真と主要目をぞれぞれFig.６とTable.１に考えられる．

示す．

Fig.６ A photo of underwater vehicle PLATYPUS
Fig.７ Trajectory of PLATYPUS in water current
Table.１ Principal particulars of PLATYPUS

５．水中ロボット周りの流れ解析と運動シミュレーション３）
胸鰭を有する水中ロボットの実用化を目指すには，効率の良い設計手法が必要である．すなわちロボット全体に加わる流体力の推定を行い，水中ロボットの運動シミュレーションが可能になれば，制御
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ルをrとした．

Fig.９ Computational grid of PLATYPUS
Fig.８ All the hit points by the laser range finder during the
1st and 2nd routines of the guidance and control.

４枚の鰭に同じ動作をさせた場合の運動シミュレーションの結果を示す．それぞれ胸鰭を揚力型と抗性能を考慮した水中ロボットの精度の高い設計が可力型で作動させた場合である．実機実験で4枚の胸能となる．

鰭を抗力型で作動させると，鰭により回頭モーメン

このため，胸鰭運動装置付き水中ロボットのモデトが発生し旋回する．揚力型の場合は，回頭モーメ

ルとして前述のPLATYPUSを考え，胸鰭運動装置ントが発生しないので直進する．数値運動シミュレ付き水中ロボットのためのCFDを基礎とした運動ーションでは，これらの様子がよく再現できているシミュレーション手法の開発を行ってきているが，と考えられる．

いずれは設計ツールにしたいと考えている．
これの支配方程式は，下記のような流場の支配方程式（NS方程式，連続の式）と６自由度の運動方程式であるが，これらは，水中ロボットに固定した座標系（機体固定座標系）で定義され，解かれることとなる．

Fig.10 Trajectory of PLATYPUS with thedrag-based swimming mode

ここで，水中ロボットの質量をm，水中ロボットの速度ベクトルをV，角速度ベクトルをω，水中ロボットに働く流体力をF，流体力モーメントをG，角運動量をh（=I0×ω），慣性テンソルをI0，流体の速度ベクトルをu，圧力をρ，レイノルズ数をRn，水中ロボットの運動を示す体積力をK，位置ベクト4

Fig.11 Time series of the heading angle of PLATYPUS
with the drag-based swimming mode

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ソフトに扱える，が挙げられる．上記の特徴から
Fig.14に示すようにシリコンゴム製のチューブ内に３つ空気室を持っており，チューブ周りに繊維を巻くことによって幅方向への膨張を拘束している．３
つの空気室内の圧力を制御することによって，FMA自体の伸縮運動を含む３自由度を持つ．

Fig.12 Trajectory of PLATYPUS
with the lift-based swimming mode
Fig.14 Flexible Micro Actuator

これを３セット用いて鰭としたものがFig.15に示す空気圧アクチュエータ鰭である．

Fig.13 Time series of the heading angle ofPLATYPUS with the lift-based swimming mode

最近では，このCFDコードにファジーアルゴリズムを付け加え，簡単な制御もコンピュータ上で行

Fig.15 Active Pneumatic Actuator Fin

うことができるようになった．計算時間や計算精度

空気圧アクチュエータ鰭は３本のFMAとその３に，未だ改良の余地があるが，とりあえずの枠組み本を覆うシリコン膜および水掻き部と翼根部から構は示すことができたと考えている．

成されている．鰭の根元部分からシリコンゴム製のチューブが出ており，FMAの各空気室に繋がって６．空気圧アクチュエータ鰭４）いる．チューブに圧搾空気を送り込むことにより屈曲・伸展運動を発生させることができる．

胸鰭が進化を遂げれば，手や腕になるであろう．

これを用いた把持実験はまだ行っていないが，鰭そのように考えれば，胸鰭に把持機能を持たせることしての推力発生の確認は実施した．Fig.16に一様とに，何の不思議もない．このような観点から胸鰭流中での推力計測結果を同条件下で鰭装置のモータ自体の作動を実現させるべく，アクチュエータとしのみで運動を行った場合，剛体平板の鰭による最適てFMA（Flexible Micro Actuator）を使用したも化された揚力型鰭運動を行った場合の推力係数ととのを紹介する．

もに示す．図中のFlapping motion+Feathering

FMAは，岡山大学の鈴森教授によって開発されmotionが，Flapping運動を前述の胸鰭運動装置で行た空気圧アクチュエータの一種である．これにはい，Feathering運動は，空気圧アクチュエータ鰭を様々な種類のものがある．その中でもFMAをはじ作動させることで実現したもの，Flapping motion

めとする空気圧ゴム人工筋は，軽量かつ高出力であは，鰭は空気圧アクチュエータ鰭であるが，これはり，ロボットハンドや管内移動ロボットに応用され何の動作もせず，Flapping運動を胸鰭運動装置で行ている．FMAの特徴として，１）構造が簡単で小ったもの，Lift-based swimming mode by a rigid fin型化が容易である，２）衝動部がないため動作が滑とあるのは，鰭として剛体平板を用いたものである．

らかである，３）動きが柔軟で，壊れやすいものを

Fig.17は静水中での推力計測実験の結果である．
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これらの計測結果から一様流中での推力係数 C X，７．おわりに静水中での推力係数CX0ともに剛体平板の鰭を用いた場合の推力係数より小さい値をとることがわかる．

これまで私たちの研究室で実施してきた生物模倣型水中ロボットに関する研究の一端を紹介させていただいた．これらのロボットが水中で自由自在に泳ぐ姿を夢想しながら，本稿を終わることにする．
参考文献
１）H. Suzuki, N. Kato,

A Numerical Study on

Unsteady Flow Around a Mechanical Pectoral
Fin,

International Journal of Offshore andPolar Engineering, Vol.15, No.3, 2005, pp.161-167.
２）Y.Ando, T.Shigetomi and N.Kato,

Biology-inspired Precision Maneuvering of Underwater

Fig.16 Experimental results in uniform flow

Vehicles-Part 4 ,The Proceedings of The
Fifteenth（2005）International OFFSHORE
AND POLARENGINEERING CONFERENCE,
pp557-564,2005
３）H. Suzuki, N. Kato, T. Katayama, Y. Fukui,
Motion Simulation of an Underwater Vehicle
with Mechanical Pectoral Fins Using a CFDbased Motion Simulator , Proceedings ofUnderwater Technology '07, pp384-390,2007
４）有吉友和，加藤直三，鈴木博善，安藤義人，
鈴森康一，神田岳文，遠藤聡， 生物模倣型水中ロボットのための弾性体胸鰭アクチュエー
タ ，日本船舶海洋工学会論文集第5号（投稿中）
Fig.17 Experimental results in still water

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