ソフトロボット開発ガイド

ソフトロボット設計におけるFEM解析の実践：入門向けツールと解析ステップ

はじめに

ソフトロボットの設計は、硬質ロボットと比較して材料の非線形性、構造の複雑な変形、流体との相互作用など、予測が困難な要素が多く含まれます。特に、意図した機能や振る舞いを実現するためには、設計段階でその性能を正確に評価し、繰り返し改善を行うことが重要となります。

このような設計プロセスにおいて、有限要素法（Finite Element Method, FEM）は強力なツールとなります。FEMを用いることで、実際に試作品を製作する前に、構造がどのように変形するか、どの程度の応力が発生するか、といった物理的な応答をコンピュータ上で予測することが可能となります。これにより、試作回数を減らし、開発コストと時間を削減することが期待できます。

本記事では、ソフトロボットの研究・開発を始める方が、FEMを設計ツールとして活用するための基礎的な考え方、一般的な解析ステップ、そして入門向けに利用可能なオープンソースの解析ツールについて解説します。

ソフトロボット設計におけるFEMの役割と活用例

ソフトロボットにおけるFEMの主な役割は、設計した構造が外部からの力や内部の圧力、あるいは自重によってどのように変形するか、材料内部にどのような応力やひずみが発生するかを予測することにあります。この予測結果を設計にフィードバックすることで、性能向上や不具合の回避を目指します。

具体的な活用例をいくつかご紹介します。

• アクチュエータの性能評価: 空気圧ソフトアクチュエータの場合、印加する圧力に対してどれだけ伸長・収縮するか、あるいはどの程度の推力を発生するかを予測できます。これにより、目標とする動作範囲や力特性を持つアクチュエータを設計するための指針が得られます。
• グリッパーの把持力評価: ソフトグリッパーが物体を把持する際に、どのような形状で物体を包み込み、どの程度の把持力を生み出すかを予測できます。これにより、対象物の形状や硬さに合わせた最適なグリッパー形状を設計することが可能となります。
• 構造の剛性・柔軟性評価: リンクや関節のような役割を果たすソフト構造が、特定の負荷に対してどれだけ曲がるか、ねじれるかといった柔軟性を評価できます。これは、ロボット全体のしなやかさや姿勢制御に関わる重要な情報となります。
• 材料・形状パラメータの最適化: FEM解析を繰り返し行うことで、使用する材料の硬さ（ヤング率など）や、構造の肉厚、チャンバーの形状といった設計パラメータが、ロボットの性能にどのように影響するかを調べることができます。これにより、実験的に多数のプロトタイプを作る代わりに、シミュレーション上で効率的にパラメータの探索を行うことが可能になります。

FEM解析の一般的なステップ

FEM解析を進める際の一般的なステップは以下のようになります。

1. プリプロセッシング（前処理）

   • ジオメトリ作成: 解析対象となるソフトロボット構造の3Dモデルを作成します。CADソフトウェアなどを使用します。
   • 材料特性定義: 使用する材料（シリコーンゴムなど）の物理的な特性（ヤング率、ポアソン比、密度など）を定義します。ソフトロボット材料の多くは非線形性を強く示しますが、入門としては線形弾性体として始めることが多いです。
   • 要素分割（メッシング）: 作成した3Dモデルを、有限個の小さな要素（三角形、四角形、四面体、六面体など）に分割します。この要素分割の細かさ（メッシュサイズ）が解析精度に影響します。
   • 境界条件・荷重条件設定: 構造がどのように固定されているか（拘束条件）、どのような力や圧力が加わるか（荷重条件）を設定します。空気圧アクチュエータであれば、チャンバーの内面に圧力を印加するといった設定を行います。

2. ソルビング（解析実行）

   • 設定したジオメトリ、材料特性、要素分割、境界条件に基づき、支配方程式（多くの場合、変形と力のつり合いを表す方程式）をコンピュータで解きます。非線形性が強い場合は反復計算が必要になります。

3. ポストプロセッシング（後処理）

   • 解析結果（変形量、応力分布、ひずみ分布など）を視覚的に確認します。多くの場合、カラーマップやアニメーションとして表示されます。結果を評価し、設計が意図した性能を満たしているか、あるいは問題点がないかを確認します。

これらのステップを繰り返しながら、設計の改善を進めていきます。

入門向けオープンソースFEMツール

ソフトロボットのFEM解析に利用できるツールは商用のものからオープンソースのものまで多岐にわたります。研究室の環境や予算にも依存しますが、ここでは入門として比較的利用しやすいオープンソースのツールをいくつかご紹介します。

• FreeCAD + CalculiX:
  • FreeCADはオープンソースの3DCADソフトウェアです。モデリング機能に加え、CalculiXというソルバーを用いたFEM解析ワークベンチが標準で搭載されています。モデリングから解析までを同一環境で行える点がメリットです。GUI操作が中心で、比較的手軽に始めることができます。非線形解析にも対応していますが、複雑な設定には慣れが必要です。
• FEniCS Project:
  • FEniCSは、偏微分方程式を有限要素法で解くための計算プラットフォームです。PythonまたはC++のコードを記述して解析を進めます。GUIはありませんが、柔軟性が高く、研究用途で複雑な現象をモデル化するのに適しています。ソフトロボットの非線形弾性や流体構造連成といったテーマに進む場合に強力な選択肢となります。プログラミングスキルが必要になります。
• Abaqus Community Edition / Student Edition:
  • Abaqusは非常に強力な商用FEMソフトウェアですが、学習目的であれば機能制限付きのCommunity EditionやStudent Editionが利用できる場合があります（ライセンス条件を確認してください）。GUIが非常に洗練されており、様々な物理現象に対応していますが、オープンソースではありません。

これらのツールの中から、ご自身のプログラミングスキルや解析の目的に合わせて選ぶことができます。まずはGUIベースのFreeCAD+CalculiXなどで基本的な解析ステップを体験してみるのが良いかもしれません。

解析結果の解釈と設計への応用

FEM解析から得られる結果は、単なる数値や色付きの画像ではありません。それらを設計の改善に役立てることが最も重要です。

例えば、アクチュエータの解析で予測される変形量が目標値に達しない場合、形状を変更する（例：チャンバーの数を増やす、肉厚を薄くする）、材料を見直す（例：より柔らかい材料を選ぶ）、といった設計変更のヒントを得られます。また、特定の箇所に応力が集中していることが分かれば、その部分の形状を滑らかにする、補強材を入れるといった対策を検討できます。

ただし、シミュレーションは現実の物理現象を近似したものであり、常に限界があります。特にソフトロボット材料の非線形性、時間依存性、実験的な材料特性のばらつきなどをモデルに正確に反映させることは難しい場合があります。そのため、FEM解析の結果はあくまで「予測」として捉え、実際のプロトタイプによる実験結果と比較しながら、シミュレーションモデルの妥当性を検証し、必要に応じて修正していく姿勢が重要です。

まとめ

ソフトロボットの設計において、有限要素法（FEM）は構造の変形や応力を予測し、効率的に設計を検証・改善するための非常に有用なツールです。ジオメトリ作成、材料定義、要素分割、境界条件設定、解析実行、結果評価という一連のステップを理解し、FreeCAD+CalculiXやFEniCSといったオープンソースツールを活用することで、これからソフトロボットの研究開発を始める方もFEMを実践的に利用することができます。

FEM解析の結果は設計の強力なヒントとなりますが、現実との乖離も考慮し、実験とシミュレーションを連携させながら開発を進めることが成功への鍵となります。まずは簡単な構造からFEM解析を試み、徐々にそのスキルを習得していくことをお勧めいたします。