2019 Fiscal Year Annual Research Report
Real haptics system without any sensors at slave side
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18H01433
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
大西 公平 慶應義塾大学, グローバルリサーチインスティテュート(三田), 特任教授 (80137984)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ハプティクス / センサレス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在、モーションコントロールやメカトロニクスにおいてエンコーダなどの位置検出器やストレインゲージを用いたトルクセンサなどの力（トルク）検出器なしに位置制御あるいは力制御を行うことは劣悪環境における作業に欠かせなくなってきている。さらに、深海中、真空内、高放射線下などの極限作業現場でも力触覚を伝送しバイラテラル制御を行うことが求められている。劣悪環境下のみならず医療用あるいは精密検査用などでは狭いスペースでの作業が要求されるためエンコーダの占める体積を出来るだけ減らしたいという要求があり、本技術の応用分野の一つになる。しかしながら、センサを使わずにバイラテラル制御を行う技術は実用化の段階に至っておらず早急な実用化が求められている。特に、現在最も多用されているブラシレスＤＣモータ（BLモータ）に対しては、位置や力の検出器を用いない力覚伝送技術の確立が大変重要である。
バイラテラル制御システムにおいてセンサを省いても力覚伝送性能を維持しなくてはならないが、最大の問題点は速度や力の推定精度ではなく時間遅れによるインピーダンス精度の低下である。インピーダンスは速度と力の周波数領域における比であり、両者の同時性が課題である。これまで、BLモータの場合は回転型でもリニア型でも一軸制御においては良好な結果を得た。例えば、256P/Rのエンコーダを実装した場合に比べて、定常状態では位置制御、力制御ともに誤差はなく、過渡状態では位置制御における瞬時最大誤差が1.5倍程度、トルク制御における瞬時最大誤差が1.2倍程度になり通常の使用法では問題ない性能を得た。さらに時間遅れに関する予備実験も行い、推定計算の工夫により実用上その影響が無いことも確認した。多軸システムの場合について新たに実験を試み、実用に供せられる性能が得られるかどうかを検証する段階にある。
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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
令和１年度では、昨年度に引き続きセンサレスでリアルハプティクスを実現するための残された理論の整備と翌年度に向けたいくつかの実験を行った。前年度の研究でブラシレスＤＣモータのホール信号を用いることで超低精度エンコーダと等価な信号を得ることに成功し、これに外乱オブザーバを併用することで性能劣化を最小限に食い止めることに成功した。この方法は電動機のモデルに依らないので、電機子抵抗変化やインダクタンス変動にロバストであることを実証した。力触覚は接触対象物のインピーダンスを感じる能力に他ならないため、周波数領域における（スレーブ側で発生する）力と速度の比により表わされることになる。本研究のような推定プロセスが入る場合、マスターからスレーブに伝達される力信号がｔ1遅れ、次にスレーブからマスターに伝達される速度信号がｔ2遅れると、オペレータが感じるインピーダンスは本来感じるべき時間よりｔ1＋ｔ2遅れた力信号と本来感じるべき時間よりｔ2遅れた速度信号の周波数領域の比となってしまう。このような時間遅れは利得０ｄBで位相だけが回転するシステムとなり、系全体が最小位相推移系ではなくなる。この遅延がマスタースレーブ間に直列に挿入されると、システム全体の位相余裕が失われ系の不安定化につながる。つまり、推定精度が良くても時間遅れがあると性能は劣化することを意味する。BLモータでは力と速度はともにホール信号と時間からインプリシットに同時計算され、その遅れは上述のような計算となるが、推定プロセスが早いと実用上ほとんど問題が無いことが実験的に明らかにできた。これは推定計算により力と速度を同時に計算することを前提としている。もし力と速度を別々のセンサから推定計算すると、それぞれの遅れ時間の差もインピーダンスの誤差に影響するので、センサレスシステムが却って有利になる場合もあることを示唆している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで一軸の高速運動についての研究を行ってきたが、最終年度の令和２年度では、スレーブにセンサを持たない多軸システムに関しての実験的研究を進める。マスタースレーブとも多自由度システム実験装置へのバイラテラル制御の組み込みを行い、推定精度、遅延、およびインピーダンスで表示される被接触対象の物理パラメータ（慣性、粘性、弾性）について推定計算による物理特性値の精度の評価を行うとともに、計算遅延の影響についても調べる。多自由度のスレーブ側にセンサを有せずとも力触覚がマスター側にフィードバックできることは実用上の利点が大きい。産業用として広く使われているブラシレスDCモータについて推定精度とシステムの安定性に関する指標を得ているので、多自由度のマニピュレータで実証実験を行う。多自由度マニピュレータはスレーブ側はセンサレス構造になっているが、マスター側の設計指針についても試作設計を行いながら詳細を詰める予定である。多自由度マスタースレーブによる実験を行い、１コントローラでマスタスレーブの双方を制御する直結型だけではなく、通信路の遅延がある場合についても検討を進める。また、本研究の最終年度に当たるので、成果の発表にも注力する。米国電気電子学会主催のAMC2020、IECON2020、およびICM2021にて発表すると共に、一流論文誌にも原著論文を投稿し研究成果の発信を行う。
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