2018 Fiscal Year Research-status Report

Study of Dynamic Control Method for Parallel Wire Suspending Mechanism based on Slack Model of Wire

Research Project

Project/Area Number	17K14629
Research Institution	Nihon University
Principal Investigator	遠藤央日本大学, 工学部, 専任講師 (50547825)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	懸垂式パラレルワイヤ機構 / ワイヤリール機構開発 / 張力制御 / パッシブ位置決め制御
Outline of Annual Research Achievements	本申請では研究例の少ない懸垂型パラレルワイヤ機構によるあやつりを対象とし，その動作の過程で発生するワイヤのたるみをモデル化することを目的とする。また、実験を通してモデルを同定、検証する。構築したモデルをもとに、たるみの発生条件を検討し，最終的には従来技術の適用可否を実験より明らかにし、たるみを積極的に利用し，懸垂型機構においてけん玉やブランコのような動的な物体のあやつりに取り組むことを目的としている．具体的な研究の計画として A)懸垂型機構動作時のワイヤ挙動を計測し結果を物理式とマッチングしモデル化すること，B)静的/動的状態におけるワイヤ挙動と張力および力を計測し、たるみ発生条件を解析すること，C)過拘束型機構の従来研究を懸垂型機構に適用し、実験より応用の可否を検討すること，D)ワイヤ挙動モデルをフィードフォワード的に用い、たるみを積極的に用いて物体を操作することを上げている．初年度においてはAのモデル化に取り組み，平成３０年度においてはBのモデル妥当性とたるみ条件解析と，Cの過拘束型パラレルワイヤ機構での制御理論等の応用を確認するための実験装置の開発に取り組んだ．初年度のAの結果より，懸垂型パラレルワイヤ機構では当初想定していた位置決めのロバスト性が発揮できないことがわかった．そのため，検証実験装置として研究計画で想定していたリール長さを調整可能な単純なリール機構では検証ができず，ワイヤ張力が調整可能なリール機構が必要となった．本年度はこのリール機構の研究・開発に取り組んだ．設計，製作したリール機構は従来研究では力やトルクのセンサにより計測した情報をフィードバックすることで調整していた張力を，カウンタウエイトを用いてパッシブに調整可能な機構であり，従来にないシステムである．また，制御手法も新規的でありパラレルワイヤ機構の新たな構築法を実現できるものである．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 初年度に取り組だワイヤのモデル化および懸垂式パラレルワイヤ機構の理論的性能評価より，当初想定していた位置決めの性能が得られないことが明らかとなった．従来の制御手法では複数のワイヤから懸垂された物体の目標位置から各ワイヤの必要長さを算出し，この必要長さを目標としてワイヤ長を実現するようリールの角度を制御する．この手法では，ワイヤ長は幾何学的に決まり，そのときに発生するワイヤ張力はリール軸周りの制御則に基づいて決まる．しかし，物体の位置が静止しているときには各ワイヤのみから力が加わり，それらの力が釣り合いに状態になることで静止する．また，たるみが発生する条件はワイヤの張力が０になる瞬間に発生する．すなわち，幾何学的条件ではなく力学的条件であることがわかった．そのため，従来のワイヤ長を制御する幾何学的手法では，物体の位置を決めること，ワイヤのたるみを発生させること，外力が加わったときの位置決めなどが実現できないことが明らかになった．そこで本年度は，過拘束式ならびに懸垂式のパラレルワイヤ機構ともに張力を調整可能な新しいリール機構の研究・開発に取り組んだ．リール機構の設計および製作は，一般的な幾何学的位置決めシステムを想定し，初年度下期から本年度上期に計画していた．このため，計画に遅延が発生している．本年度下期に計画していた，たるみ条件の検証および過拘束式パラレルワイヤ機構理論の応用の検証は未着手である．しかし，従来にない張力調整型のリール機構が新たに開発できたため，やや遅れていると評価した．
Strategy for Future Research Activity	進捗の遅れを取り戻すため，本課題では最大７本のリール機構により空間の位置・姿勢の６自由度を制御するよう計画していたが，簡単化し位置の３自由度に対象を絞ることとする．位置の次元の議論とすることで問題を簡単化できるが，たるみの発生条件や位置決めの検証については，回転を含めた６次元のコンフィグレーション空間で考えると，回転の３次元を拘束し位置の３次元で検証することとなる．そのため，回転については単純に３次元拡張することとなるため，位置の３次元を対象とした検証で理論的には等価であると言える．したがって，検証内容を簡単化できるが十分な成果を得られる．上期に基礎制御およびたるみ条件の発生の検証および理論の応用に取り組み，下期において動的な操りに取り組むよう計画する．
Causes of Carryover	研究計画の変更にあるように，当初想定していたワイヤ長を幾何学的に操作するリール機構ではなく，新規にワイヤ張力を力学的かつ受動的に操作するリール機構を新規開発，設計した．そのため，物品の調達タイミングが遅れ，次年度使用額が生じた．今後，従来の計画通り実験システムを整備していくため，順次繰越した額を支出してく予定である．