RESEARCH

Group-1  Underwater propulsion/ Bio inspired (or mimic) propulsor


　本研究室ではスクリュー プロペラが使用できない喫水の浅い沿岸域や暗渠内でも推進可能な水陸両用の推進機構を研究しています．実水域には流れや波の影響，漂流ゴミによる影響など，さまざまな困難 が待ち構えています．本研究室ではこうした場所で運用できるROVの実現を目指し，多様な推進機構を試作してきました．研究室開設当初の 2008年はまったくノウハウゼロからスタートしたため，教材利用を目標に魚ロボットを作っていましたが，2014年ころから複数魚体に よる流れの干渉を利用した推力向上の工夫やその流体力学的なメカニズムの解明に力をいれています．また最近では不整地走行が可能ならせん スクリュー推進機構の改良や除草機能の追加など，農業利用も考えています．さらに2016年からは新規なテーマとしてメカナムホイールを 用いた水陸両用の推進機構の試作にも着手しています．　　
　（研究は広島大学流体 研・尾形先生や鹿児島大学沿岸環境研究室・西先生との共同研究です）


JELLYFISH LIKE ROBOT for underwater garbage collector.（水中ゴミを捕集するクラゲ型ロボット）
Underwater Thrust Characteristics of a Flexible Spiked Crawler Track（トゲトゲ水陸両用クローラー）
FISH/SEATURTLE LIKE ROBOT for classroom approach.（水生生物を模した教材ロボット）
HELICAL SCREW PROPULSOR, AMPHIBIAN MECANUM WHEEL（水陸用メカナムホイール）
SCHOOLING FISH model 　（群魚推進モデル）
SOFT SPIKED TRACK （柔突起クローラー）


JELLY FISH LIKE UNDERWATER GARBAGE COLLECTOR　2017-
　本研究室ではクラゲ型のロボットが作り出す流れ場に着目した研究を行っています．傘の動きを推力に用いるのではなく，周囲の水塊を取り込んで下方 に吐出する”ポンプ”としての役割に着目しています．このアイデアは他に見られず（2021現在），非常にユニークな研究と言えます．いくつかの学会発表 の他，水中ロボットコンテストでも入賞するなど，これからの発展が期待でき ます．　現在は水中ゴミ回収ロボットとして，定量的な評価を行っています．


ページのトップへ戻る

Underwater Thrust Characteristics of a Flexible Spiked Crawler Track　(2017～）
　市販の電 動クローラーにトゲトゲを付けたロボットです．草が繁茂する斜面の登坂能力もさることながら，実は水中を推進するパドルとしての役割も担います．千鳥配置された円柱群の抗 力係数が大きい点に着目しました．ありそうでなかったクローラーです．国際会議や国内の会議でも面白いとのお声を頂きました．


ページのトップへ戻る


SCHOOLING FISH PROPULTION
　群れを成す魚の推進効率が単独魚に比べて良い結果が生物代謝を調べたDr.Marrasらの報告にあるように，群魚をモデルとしたフィン推進器も 配置によって推力の向上が 見込まれます．沿岸用ROVなどの応用を目指し，本研究室では広島大学尾形研究室と２０１３年から共同研究を行っています．広島大では高 度な数値モデルを，津山高専では簡単な魚ロボットによる水理実験を行い，これまでに２～３体の千鳥状配置において推進効率（投入エネル ギーに対する遊泳仕事）が２割ほどUPすることを確認しました．現在，流体力学的な考察と検証を行っており，後流の流れと推力の関係を調べています．


　最初は市販のロボフィッシュを使って調べてい ましたが，そのうちに色々なヒレを試すための装置を自作しました．魚の推進モデルに関する研究ではLighthill博士からはじまり，複数魚体 についてはDong氏やDeng氏が先駆的に研究を行っています．三次元の計算では尾形先生のグループが多くのケースについて調査をされています．一方で水理実験について は２０１６年現在，細谷らのグループ以外で行っているところは見られません．並列魚ではすでにLi博士のグループがさ れていますが，千鳥状についてはこれからどんどん研究が進むものと思われます．

広島大の計算結果と細谷研のPIV結果です．装置の貧弱さから平均流速場しか出せませんが，ヒレ配置により流れ場が大きく変化する様子が確認できま す．


２０１６年水理実験モデルです．だんだんと魚っぽくなってきました．こうなると，三次元形状モデルと二次元形状モデルとの違いも気になります．現在 ２Dモデルと３Dモデルについて数値実験と水理実験を併行して進めています．
　三体の場合について，PIVによる平均流速場を示します．どうやら前１後２の配置で噴流状の流れが発達するようです．これはなぜでしょう？察する にヒレ後方に負圧場が発達し，流れを拡散しないメカニズムが存在するのではないか？と考えています．２０１６年にIEEEのROBIOにて発表し，海外の 先生方のご意見を聞き，さらに研究を進めたいところです．幸いPIV装置も一新されましたので渦も含めた推力と流れの関係について調べていく予定です．ページのトップへ戻る


HELICAL SCREW, MECANUM SCREW for AMPHIBIOUS PROPLUSOR
　沿岸域や瓦礫と水のある場所，泥地の走行が可能なROVとして，らせんスクリュー推進器を使ったROVについて研究を進めて居ます．２００８年か ら構想を温めておりました が，予算もあたり，２０１５年から本格的に試作に着手しました．らせんスクリュー推進器の課題には色々ありますが，大きなところでは推進 効率が低いことが挙げられます．とりわけ水中での推進効率はプロペラスクリューに遠く及ばす，実水域では進まないこともありえます．そこ で本研究では，らせんに切り込みを入れて小さな翼素の集合体とすることで水中推進効率を飛躍的に向上させる試 みを行いました．特許化も考えましたが，高専機構の審査で落ちましたので，そうそうに学会発表しましたが，企業の方からは権利化した方が 良いと結構コメントを頂き，うーむ．．です．いずれにしても，多数刃で構成するらせんスクリューは推進器としてのみならず水車，食品・材 料搬送装置，粉砕機，除草，土壌撹拌など様々な分野で応用が可能なことから，２０１６年現在，ROVに加えて除草効果と土壌撹拌効果を調査しています．
 

　
２０１３年から２０１５年にかけて試作したROVです．市販のRCを改造したものや自作の１m級のものもあります．このROVの水中推進効率は通常 のらせんよりも２０％ 程向上していますが，期待したほど大きくはありません．流体の乱れや最適翼角の制御など，課題があります．

　本ROVは２０１６年度TECHNOOCEAN水中ロボット競技会のフリースタイル部門に出場しました．


こちらは２０１６年から開発を開始した水陸両用メカナムホイールです．メカナムホイールは平滑な床でも移動できることから，水の流れもある暗渠内の 移動も可能なROVを目 指しています．らせん状に配置されたローラーを翼素に見立てたアイデアですが，どうやら他にはないようです．ノッチのついたホイールにより，凸凹地面，平滑床，水中の フィールドで走行が可能であることを確認しました．今後もこのホイールの研究をすすめていきたいと思います．ページのトッ プへ戻る


SIMPLE FISH-LIKE ROBOTICS   各種実験用簡易水中ロボット　(2009～）

研究室が開設された2008年から数年は学術研究レベルの水中推進機構の研究は難しいため，簡単な水中ロボット（オモチャレベル）の設計から開始し ました．その後の研究に つながるよう，トリッキーなギミックは使わず，趣味人の拘りの強いものを避けるように注意し，卒研指導においてもこの点を重視しました． 制御は簡単なシーケンス制御ですが，PID，CPG制御も行う予定です．
開発されたロボットは工学普及のための公開授業等で活用され，一定の成果が得られました．また簡易なロボット後流の流れ場をPIV計測 により調べたり三分力計で測定したりと，かなりオーバースペックの測定を大真面目にしたことで得られた基礎データはその後に発展した複数 魚体による推力向上メカニズムの解明に活用されています．

  MOVIES of 2008yr-Models（１）， （２）ページのトップへ戻る


揚 力を利用するイルカをモデルに製作した簡易ロボット ( Dolphin type fish-like proplusor)
         
  プロペラと同じ翼素理論に基づき設計されたウミガメ型ロボット ( Sea turtle-like propulsor )
ページのトップへ戻る



CLASSROOM ACTIVITIES   簡易水中ロボット教材の活用 (2009-2014)
　水生生物を模したロボットというにはあまりに簡素すぎる細谷研の水中ロボットですが，教 材利用にはちょうど良いかもしれないと，色々な活動に活用しました．利用方法はいたって簡単．公開授業参加者が各々作ったヒレを付けてスピードを競うゲーム形式の授業に利 用しました．
　２００９年に作ったウミガメ型，イルカ型ロボットです．実は両方とも同じモーター，PICプログラムを使用しています．ヒレの面積は同 じで，ヒレを作って取付けてみましょう．さあ，取り付けて泳がせると・・・あれれれ？なんだか泳ぎ方もスピードも違うぞとなるわけです．


こちらは２０１３年に卒研で作られた光センサに反応するウミガメ型ロボットです．懐中電灯でゴールまで導くゲームに使用しました．操作はなかなか難 しいのですが，参加者は 楽しそうに取り組んでいました．



こちらは２０１４年に卒研で作ったペンギン，ウミガメ型ロボットです．参加者にロボットを安く供給したいと，１個３００円以内で作れとの指令を出し ました．中央の写真は出 前授業の様子です．参加者は好きなデザインに色付けしてオリジナルのロボットを作っていました．やはり愛着がでると取り組みも大きく 異なります．

本研究室の水中ロボットを利用した公開授業はKTOサイバースクールの映像授業としても取り上げられ，学生が講師役となって授業を行う様子が配信さ れました（２０１６現 在は配信が終了しています）


ページのトップへ戻る