論文要約：Aerobat プラットフォームにおける翼リンク機構の調整による推力制御と、圧電スリップ・スティック作動器の開発

論文タイトル: Thrust Regulation Through Wing Linkage Modulation on the Aerobat Platform: Piezoelectric Slip-Stick Actuated Regulator Development
著者: Luca Ciampaglia (ノースイースタン大学 ロボティクス専攻 修士論文)
発表日: 2026 年 4 月

1. 研究の背景と課題 (Problem)

Aerobat プラットフォームの限界:
Aerobat は、ノースイースタン大学の Silicon Synapse Lab で開発されたコウモリ型フラッピング翼ロボットです。その特徴は、単一のモーターとギア trains を介して駆動される「計算構造（computational structure）」と呼ばれる剛性リンク機構にあり、これにより複雑な翼の拍動（上下運動、肘の屈伸、膜の形態変化）を生成します。この設計は重量を最小化し、MIMIC（Morphing via Integrated Mechanical Intelligence and Control）フレームワークの原則に従っていますが、重大な制御上の欠点があります。

• 非対称推力制御の欠如: 左右の翼が単一のモーターに結合されているため、各翼の推力を独立して制御できません。モーターの回転数を上げても下げても、両翼は対称的に動作します。
• 機動性の制限: このため、ロール（横転）制御や方向転換などの非対称な空力力が必要な機動が不可能です。
• ペイロードの制約: 現在のプロトタイプは約 25g で、翼の推力は約 35g です。残るペイロード余裕は約 10g であり、追加の制御機構は極めて軽量で、高パワーウェイト比を持つ必要があります。従来のサーボモーターやケーブル駆動は、この重量制約を満たすことができません。

研究課題:
Aerobat の重量制約（約 10g のペイロード余裕）内で、各翼の推力を独立して制御し、ロール制御を可能にするための軽量な推力調整機構の開発。

2. 手法とアプローチ (Methodology)

基本コンセプト:
翼の「計算構造」内の最初の半径リンク（R1）の有効長を変更することで、翼の拍動軌道（ストローク振幅や角度）を変化させ、推力を調整するアプローチを採用しました。これは、リンクの幾何学的な微調整を通じて空力出力を制御する MIMIC フレームワークの具体化です。

実験的検証プロセス:

1. 静的なリンク長変化の影響評価:

   • FDM 3D プリントで作成した、異なる長さ（28.58mm, 29.33mm, 30.08mm）の R1 リンクを Aerobat Delta（片翼プロトタイプ）に装着。
   • 6 軸ロードセルに固定し、3Hz, 4Hz, 5Hz の異なる拍動周波数でテスト。
   • リンク長の変化が揚力と拍動タイミングに与える影響を定量化。

2. 作動方式の選定と評価:
   目標変位は 1.5mm、必要作動力は約 235gf（2.3N）と推定されました。以下の 3 つの作動方式を順次評価・試作しました。

   • String Tension Actuation（張力式）: ポリウレタン製の糸とプーリー、モーターを使用。
     • 結果: 失敗。炭素繊維リンクのたわみやプーリーの遊びにより、糸の張力が制御できず、非対称な荷重で糸が外れるなどの問題が発生。
   • Micro-Servo Actuation（マイクロサーボ式）: 0.5g 以下の超小型サーボモーターを使用。
     • 結果: 失敗。モーター基板の脆弱性、ギアの破損、PWM 信号への応答不良により、構造強度と信頼性が不足。
   • Piezoelectric Slip-Stick Actuation（圧電スリップ・スティック式）: TULA-50 圧電リニアアクチュエータを採用。
     • 選定理由: 超軽量、高パワーウェイト比、静止時の保持力（摩擦による）、コンパクトさ。
     • 機構設計: 当初は「単一三角形リンク機構」で機械的利得（4:1 以上）を確保しようとしたが、摩擦や部品の破損により失敗。最終的に「ダイレクトドライブ方式」へ簡略化し、摩擦を最小化して動作確認を行った。

3. 最終プロトタイプ:

   • SLA 3D プリント（樹脂）の脆さと FDM プリント（フィラメント）の表面粗さ（摩擦）の問題を克服するため、FDM 印刷部品をサンドペーパーで研磨し、鋼線ピンで組み立てたダイレクトドライブ機構を完成させた。

3. 主要な貢献 (Key Contributions)

1. リンク長変調による推力制御の実証:
   • 固定長の印刷リンクを用いた静的実験により、R1 リンク長を 1.5mm 増加させるだけで、ピーク揚力が 37% 増加し、最大揚力発生タイミングがダウンストロークの 23% から 40% へとシフトすることを実証した。
2. Aerobat 向けの作動方式の体系的評価:
   • 張力式、マイクロサーボ式、圧電スリップ・スティック式の 3 つの方式を、重量、ストローク、力、統合性の観点から評価し、それぞれの失敗要因と設計教訓を文書化した。
3. 圧電スリップ・スティック作動器による可変長機構の設計・製作:
   • 1.5mm のストロークを実現する圧電駆動のプリズム関節機構を設計・製作し、Aerobat の翼構造への統合を試みた。
4. MIMIC フレームワークの具体化:
   • 低消費電力の「プライマー作動器」が計算構造の幾何学を微調整することで飛行制御を実現するという概念を、実際のフラッピング翼ロボットで実装した。

4. 結果 (Results)

• 静的テスト: リンク長の 1.5mm の変化が、翼の軌跡（ウィングチップの掃引範囲）を明確に変化させ、推力の大きさとタイミングに統計的に有意な影響を与えることが確認された。
• 機構開発:
  • 張力式とマイクロサーボ式は、それぞれ構造のたわみとモーターの脆弱性により、動的テスト（羽ばたき中）での動作に失敗した。
  • 圧電スリップ・スティック式（TULA-50）は、ベンチトップテストにおいて機構の伸縮動作を確認したが、最終的なダイレクトドライブ設計では機械的利得が 1:1 になり、羽ばたき中の負荷（約 296gf が必要）に耐えられず、完全な作動範囲をカバーできなかった。
  • 材料面では、FDM プリントの表面粗さが摩擦の原因となり、SLA プリントの樹脂は脆すぎて破損する傾向があった。

5. 意義と今後の展望 (Significance and Future Work)

意義:
本研究は、極小重量（25g 級）のフラッピング翼ロボットにおいて、従来のモーターやサーボに依存せず、圧電スリップ・スティック作動器を用いて翼リンクの幾何学を動的に制御する可能性を示唆した。特に、リンク長の変化が推力だけでなく、力発生タイミングにも影響を与えるという知見は、より高度な飛行制御アルゴリズムの基礎となる。

限界と課題:

• 最終的なプロトタイプは、羽ばたき中の動的負荷に耐えうる十分な力を出力できなかった。
• 3D プリント材料の摩擦と強度のバランスが課題となった。
• Aerobat の構造自体の剛性不足（リンクのたわみ）が、制御機構の性能を阻害した。

今後の展望:

• アクチュエータのアップグレード: 出力力の大きい TULA-70 などのモデルへの切り替え。
• 製造プロセスの改善: 3D プリントではなく、炭素繊維複合材料（CNC 加工）を用いた部品製作による、摩擦低減と強度向上。
• 双翼機への統合: 両翼に独立した調整機構を搭載し、ロール制御を含む完全な飛行制御の実現。
• 他のリンク部位への適用: 翼の他のセグメントにも調整機構を組み込み、より多様な自由度での飛行制御が可能か検討する。

総じて、本研究は「リンク長の動的制御」というアプローチの有効性を立証し、微小飛行ロボットの制御アーキテクチャにおける圧電アクチュエータの新たな応用可能性を提示した点で重要な貢献を果たしています。