2019 Fiscal Year Research-status Report
受動ストレージ要素を用いたマルチボディシステムの省エネルギー駆動法の拡張と実用化
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17K06242
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| Research Institution | Fukuoka University |
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Principal Investigator |
岩村 誠人 福岡大学, 工学部, 教授 (90341411)
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2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ロボット / 省エネルギー / マルチボディダイナミクス / 受動ストレージ要素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，機械システムに対して省エネルギー化の要求が非常に厳しくなっている．研究代表者は，先の研究でシリアル型ロボットに適用可能な「受動ストレージ要素を利用した省エネルギー駆動法」を提案した．そして，提案手法に基づいて省エネルギー型SCARAロボットを試作し，従来よりも大幅に消費エネルギーを低減できることを確認した．しかし，位置決め精度が不十分，境界条件の変更が困難などの課題を残していた．また，提案手法はシリアル型ロボットに対してしか適用できないという問題があった．本課題では，これらの問題を解決し，提案手法を応用範囲の広い実用的な技術として確立することを目的としている．
平成29年度は，位置決め精度の向上を図るために，適応制御法，および計算トルク法とディープラーニングを併用する制御法を提案した．また，境界条件設定の制約を緩和するために，関節剛性を自由に変更し，系の固有振動数を任意に調整できる機構を考案した．
平成30年度は，前年に考案した剛性可変機構を実際に製作してその有効性を確認するとともに，新たに二つのタイプの剛性可変機構，すなわち生物の二関節筋を模した機構，およびリンクに付加した錘の位置を変化させる機構も考案した．さらに，提案手法を閉ループ構造のシステムにも適用できるように理論の拡張を試みた．
令和元年度は，平成30年度に製作した剛性可変機構を省エネルギー型SCARAロボットに実装し，実験により有効性を検証した．また，提案手法をパラレル型ロボットにも適用できるように拡張した理論の検証を行うため，DELTAロボットの試作も行った．さらに，これまではロボットに固有振動を生じさせるために関節からモータを外して自由関節としていたが，モータのゼロトルク制御により関節を近似的に自由回転状態にできることが明らかになったため，それを利用した提案手法の実装法についても新たに検討した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
提案する省エネルギー駆動法は，関節部にばねを付加し，系の固有振動を利用して省エネルギー化を図るものであるため，関節は自由に回転できる必要がある．そこで，関節からモータを取り外し，リンク上の適当な位置にリアクションホイールを設置してトルクを印加する方法を採用した．また，2本の引張ばねと特殊なスプリングホルダーによって関節に剛性を付与する方法を考案した．提案手法では，境界条件が変更されると系の固有振動を変える必要があるため，平成29年度に，スプリングホルダーのばね取付け点をスライドさせられるようにして剛性を調整する方法を提案した．そして，平成30年度にその剛性可変機構を実際に製作し，剛性可変機構単体の実験により有効性を確認した．さらに，提案手法を，閉ループ構造を有するシステムにも適用できるように理論拡張することを試みた．
令和元年度は，平成30年度に製作した剛性可変機構を，先の研究で製作していた省エネルギー型SCARAロボットに実装し，実験により有効性を検証した．また，提案手法をパラレル型ロボットに対しても適用できるように拡張した理論の妥当性を評価するため，閉ループ構造を有する平面DELTAロボットを製作した．これまでの研究では，ロボットに固有振動を生じさせるために関節からモータを取り外して自由関節をつくっていたが，モータのトルクをフィードバックし，近似的にゼロトルク，すなわち自由回転状態になるように制御できることが明らかになったため，その制御法を利用して提案する省エネルギー駆動法を実現する方法についても検討を行った．
新たなアイデアが次々に得られたため，その検証・実現のために研究期間の延長を行うこととなったが，本研究課題の当初の目的はほぼ達成できており，それ以上の成果が得られつつあるため，研究は順調に進展していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度は，考案した二つの剛性可変機構，すなわち生物の関節にみられる二関節筋を模した剛性可変機構，およびリンク上に設置した錘をスライドさせることによって固有振動数を調整する剛性可変機構を省エネルギー型SCARAロボットに実装して，それらの有効性を検証する．
また，提案している省エネルギー駆動法をシリアル型ロボットだけでなく任意構造を有するシステムにも適用できるように拡張しているため，令和元年度に製作した閉ループ構造を有する平面DELTAロボットに適用してその妥当性を確認する．
これまでの研究では，ロボットに固有振動を生じさせるために関節からモータを取り外して自由関節とし，リンクの適当な位置にリアクションホイールを設置してトルクを印加していた．しかし，リアクションホイールを利用した制御は遅れが生じやすく，位置決め精度低下の要因となっていた．それに対して，モータのトルクをフィードバックし近似的にトルクをゼロにして関節を自由回転状態にできることが明らかになったため，それを利用すれば位置決め精度の向上や全体構造の簡略化につなげられる可能性がある．そこで，本年度はこの手法について重点的に検討していく予定である．
以上の研究成果を国内学会，国際会議で発表し，論文としてまとめて学術雑誌に投稿する．また，開発したロボットをロボット産業振興展やロボット産業マッチングフェア等に出展する．
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| Causes of Carryover |
本研究では，先に提案しているマルチボディシステムの省エネルギー駆動法の拡張と実用化を目的としているが，提案手法を実システムに応用するための機械設計・制御法として当初考えていたものよりも良いアイデアが研究計画最終年度に次々に得られた．そのため，本課題を継続し，それらの新しいアイデアを具現化・実用化したい．また，得られた研究成果を論文として投稿したいため研究期間の延長を希望した．そのために予算の一部を使用せず，次年度に繰り越している．具体的には，関節に設置したモータのゼロトルク制御による省エネルギー駆動法の実現・検証のために主に予算を使用する予定である．
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Research Products
(2 results)
