2016 Fiscal Year Research-status Report
高バックドライバブルな円形油圧シリンダの開発と制御系設計
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16K06410
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Research Institution | Saitama University |
Principal Investigator |
境野 翔 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (70610898)
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Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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Keywords | 油圧アクチュエータ / バックドライバビリティ / 人間支援ロボット |
Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度は大別して二つの研究を行った。 第一に球体関節駆動型油圧アクチュエータの設計である。申請時には円形油圧シリンダを設計することで高バックドライバブルな油圧アクチュエータを開発できると考えていたが、この発想を更に推し進めた結果2自由度駆動可能な球体関節アクチュエータとできることを見出した。現在、仕様決定とCADによる設計を行い、3Dプリンタによる試作機を設計した段階にある。おおよそ仕様通りの動作ができることを確認した一方で、作動油のリークが大きいことが判明したため今後は作動油のリークを低減させる機構を開発する。 第二に圧力損失モデルの確立とそれを用いた反力推定技術である。これは当初の予定では平成29年度に達成する予定であったが、研究が著しく順調であったため当初より前倒しした。この結果、作動油の圧力損失が作動油の圧力、油圧モータの角速度と角加速度で記述される非線形関数であることを確認した。この圧力損失を重回帰分析を用いてモデル化した結果、反力推定の推定誤差を従来と比較して70%以上削減することに成功した。正しい反力を推定することは外力へ倣う高バックドライバブル化制御には必須である。実際、このモデル化に用いた油圧モータは無制御時での始動トルクが26Nmであったが、提案した反力推定手法を用いた力制御を実装することで4.2Nmまでに低減することに成功した。 このようにハードウェア、ソフトウェアの両方の側面から当初の研究目標を大幅に上回る成果を獲得した。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
申請時の予定では、平成28年度の研究は円形油圧シリンダの設計と解析のみであった。しかし、以下のように当初の予定を上回る2つの結果を得た。 1.1自由度駆動可能な円形油圧シリンダではなく2自由度駆動可能な球体関節駆動形油圧アクチュエータとできることを発見し、その設計と解析を行った。既に3Dプリンタを用いた試作も行っており、仕様通りの2自由度駆動が可能なことをあきらかにしている。一方、作動油のリークが大きいことが判明したためその解決策を研究協力者櫻井久稔らと協議した。その結果、シリンダの可動部にベーンと呼ばれる羽をつけることにより作動油のリークを大幅に低減できること、アクチュエータに外殻をつけることで外部リークを回収できること、以上の2点の改良策を見出した。現在これらを取り入れて再設計している段階にある。 2.平成29年度に達成予定であった圧力損失モデルを確立することに成功し、圧力損失が油圧モータの慣性力と圧力効率の低下の二者によって発生していたことをあきらかにした。そこで、慣性力を角加速度情報より推定し、圧力効率を重回帰分析を用いて圧力と角速度の非線形関数としてモデル化することにより圧力損失モデルを確立した。当該圧力損失モデルを用いた高精度反力推定技術を確立し、従来手法と比較して70%以上の反力推定誤差を低減することに成功した。さらに、提案した反力推定技術を用いて高バックドライバブル化制御を実装した結果、油圧モータの始動トルクが26Nmから4.2Nmまで低減した。本研究課題での最終目標の一つは始動トルクを十分の一以下とすることであるため、初年度にして既に最終目標達成まであと僅かな地点まで到達したのである。
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Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は、球体関節駆動型油圧アクチュエータの第二試作機の完成と、共振を考慮した広帯域高バックドライバブル化制御の確立を目指す。 球体関節駆動型アクチュエータは平成28年度に見出した二つの改良を実装する。既に設計は開始しており、平成29年8月までに3Dプリンタを用いた実証試験を行う。リーク等の問題が解決されたならば、アルミニウムから削り出し加工することで第二試作機を完成させる。この削り出しには高度な工作技術が必要であるため、研究協力者櫻井久稔らの所属する国内油圧メーカに外注する。半年ほどの納期で完成する予定であるため、平成30年2月より実証試験を開始できる。球体関節駆動型油圧アクチュエータの各駆動軸の周波数応答・入力の干渉・圧力損失・作動油リークを計測し、詳細なモデル化を行う。 球体関節駆動型油圧アクチュエータを外注している期間において、共振を考慮した広帯域高バックドライバブル化制御を確立する。平成28年度に得られた制御系はあくまで始動トルクを低減するものであり、広帯域の制御系を実現するものではなかった。これまで研究代表者が世界で初めて解明したように閉回路方式の油圧アクチュエータは作動油の圧縮性によって生じる二慣性共振特性を有するため、制御帯域が共振周波数によって制限されていた。そこで、共振によって遅れてしまった位相を回復するために、作動油の圧縮性を二つの位置センサを用いてリアルタイム計測してフィードバックする。これまですでに位置制御においては二つの位置センサを用いて位相を回復できることを実証しているため、本年度ではこれをさらに力制御へと拡張することで広帯域高バックドライバブル化制御を獲得することを目指す。同時に圧力損失や作動油のリークを複数のセンサ情報を統合することでリアルタイム計測し、フィードバックすることで、制御系の高精度化も同時に狙う。
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Research Products
(8 results)