2018 Fiscal Year Research-status Report
人工筋アクチュエータに適したモデルベース制御・管理の統合化技術の開発
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18K04012
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
小木曽 公尚 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (30379549)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西山 悠 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (60586395)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 空気圧アクチュエータ / 経年劣化 / PID制御 / カルマンフィルタ / 非線形システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，人工筋アクチュエータに適したモデルベース制御・管理の統合化技術の開発を目的に，平成３０年度では，課題(1) 柔軟性が調整可能な位置/力制御ロボットアームの開発，および 課題(2) 経年劣化診断システムの実現 に関する研究成果が得られた．まず，課題(1)のロボットアーム開発では，拮抗配置にした人工筋ユニットを制作し，エンドエフェクトの力（回転トルク）と位置（回転角度）を計測また制御可能な検証用計測制御システムを開発した．拮抗配置の人工筋用空気圧バルブに符号反転による制御入力を印加することで，人間の動作（屈伸や腕の曲げ伸ばし）速度より高速な動作を実現できることがわかり，人の動作をアシストできる性能であることを確認した．さらに，力を計測するトルクセンサの代わりにカルマンフィルタを実装することで，センサレス化に成功した．そして，課題(2)に関しては，人工筋の特性差（製品種別など）や，人口筋の繰り返し収縮による人口筋内部のチューブの経年劣化や故障（穿孔）による特性変化を，我々が提案するモデルパラメータで分類できることがわかった（英文誌JCMSI，国際会議CCTA）．さらに，これらのモデルパラメータの効率的な推定法（国際会議 AIM）や収縮量を計測するレーザーセンサをカルマンフィルタに置き換えたセンサレスPID位置決め制御システムの構築にも成功した．これら，パラメータ情報から得られる診断情報をもとに，センサレスで適切な制御ロジックをチューニングできる制御システムの構築および実装が可能になった．
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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
平成30年度の研究課題において，ロボットアームを構成する拮抗配置型人工筋システムの数理モデルは導出できており，その妥当性検証としてカルマンフィルタを用いたエンドエフェクトの力推定値と実験計測値との比較をおこなっている．そして，これら人工筋システムのモデルおよび一連の妥当性に関する検証結果をまとめて，英文誌原稿を執筆中である．ひきつづき，拮抗配置型人工筋システムをもう1ユニット作成してロボットアームを開発している状況である．
経年劣化システムに関しては，拮抗配置型人工筋システムの数理モデルをもとにし，様々な動作状況からパラメータ推定値の変化量を計測中である．この計測結果を用い，国際会議CCTA18にて発表したサポートベクターマシーンを用いたモデルパラメータの分類をおこなうための計算機環境構築をすすめている．ここで，モデルパラメータの数がCCTA18で発表したパラメータ数より多いため，学習および分類を円滑におこなうための高速計算機環境が欠かせない．
そして，これらのロボットアーム型人工筋モデルおよび経年劣化システムに適した多配置人工筋制御ユニットの基礎設計に取り掛かることが重要である．
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| Strategy for Future Research Activity |
多配置人工筋制御ユニットの開発:
3本の人工筋を用いた無骨格人工筋システムを制作し，そのモデル化と位置/力制御システムの開発をおこなう．つぎに，12 本に拡張させた人工筋制御系を作成する．具体的な検討課題は以下の通りである，検討課題(1) 3本・12本の人工筋で構成される無骨格制御ユニットを制作する．これは，人工筋(神田通信工業製 φ10) の両端を円状の継手に等間隔に固定させ，垂直に自立させた構造である．検討課題(2) モデル化と傾斜角度/力制御システムの開発をおこなう．厳密なモデル(人工筋1本)と継手構造から幾何的に無骨格人工筋 (3 本・12 本) システムの数理モデルを導出する．検討課題(3) デモ機の製作および研究成果の情報発信をおこなう．研究成果の情報発信の観点から，制御工学の周知を目的にアウトリーチ活動を企画・実施する．
経年劣化診断アルゴリズムの開発:
平成 30 年度に実施したモデルパラメータの識別結果を受け，平成 31 年度末を目処に，人工筋の経年劣化および状態を診断するためのオンラインアルゴリズムを西山悠氏 (研究分担者) と共同開発する．検討課題(4) 経年劣化の定量評価法を開発する．検討課題(5) 状態とパラメータ推定を同時に推定するオンラインアルゴリズムを開発する．
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