水陸両用ロボット2026/9/15arXiv:2609.17240

手のひらサイズの水陸両用ロボット：舵と二重プロペラによる推力差ピッチ制御

Swim-and-Breach at Palm Scale: A Rudder-Steered Two-Propeller Underwater Robot Platform with Differential-Thrust Pitch Control

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手のひらサイズ（65mm、34g）の水中ロボットを開発し、二重プロペラの推力差とPID制御でピッチを、尾舵でヨーを制御。遊泳から跳躍までシームレスに行い、毎秒13.9体長で泳ぎ、体長の1.6倍の高さと3.7倍の距離を跳ぶ。

詳しい要約

1. どんなもの？

- palm-scale (65 mm, 34 g) の swim-and-breach robot platform - 2つの vertically stacked propellers が propulsion と differential-thrust pitch control を担う - tail rudder が yaw control を追加 - PID loop で pitch を制御 - 水上を泳ぎ、水面から飛び出して barrier や dry gap を越える - 応用先は streams, flooded structures, industrial systems の inspection

2. 先行研究と比べてどこがすごい？

- 従来の underwater robots と比べ、palm-scale で swim と breach を両立 - 13.9 body lengths per second の swim 速度と 209 deg per second の turn 速度は underwater robots の upper limits に相当 - hull は flow simulation で equivalent cuboid 比 5倍の drag 低減 - propellers は B-series modeling と dynamometer measurements で最適化 - seamless cruise-leap-cruise sequence を実現

3. 技術・手法の肝は？

- 2つの vertically stacked propellers による differential-thrust pitch control - PID loop による pitch 制御 - tail rudder による yaw control - hull 形状を flow simulation で評価し drag を低減 - propellers を B-series modeling で設計し dynamometer measurements で検証 - free swimming で任意の nose-up pitch angle に制御し、rudder で exit を安定化

4. どうやって有効だと検証した？

- flow simulation で hull の drag を equivalent cuboid と比較 - dynamometer measurements で propeller 性能を検証 - free swimming で pitch loop が commanded nose-up pitch angle に追従することを確認 - rudder が exit を安定化させることを確認 - cruise-leap-cruise sequence で 1.6 body lengths の高さ、3.7 body lengths の距離を跳躍

5. 議論はある？

- 要旨からは不明 - 具体的な限界や課題、将来の拡張性についての議論は要旨に記載なし

6. 次に読むべき論文は？

- B-series modeling に関する文献 - underwater robot の swim-and-breach に関する先行研究 - PID control を用いた underwater robot の pitch control に関する研究 - flow simulation を用いた hull design の研究 - dynamometer measurements による propeller 評価の研究

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Daehyun Choi, Ian Bergerson, Hengjia Zhu, Tianjun Lan, Saad Bhamla

分類: cs.RO, physics.flu-dyn

原文アブストラクト

We present a palm-scale (65 mm, 34 g) swim-and-breach robot platform. Two vertically stacked propellers provide both propulsion and differential-thrust pitch control under a proportional-integral-derivative (PID) loop, and a tail rudder adds yaw control. The hull, evaluated by flow simulation, reduces the drag five-fold relative to an equivalent cuboid, and the propellers are optimized using B-series modeling validated by dynamometer measurements. The current robot swims at 13.9 body lengths per second and turns at 209 deg per second, corresponding to the upper limits reported for underwater robots. In free swimming, the pitch loop turns the body to any commanded nose-up pitch angle, and, with the rudder stabilizing the exit, the current robot leaps 1.6 body lengths high and 3.7 long in a seamless cruise-leap-cruise sequence. The platform can be used to build small-scale robots that cross barriers and dry gaps between pools for inspection in streams, flooded structures, and industrial systems.

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