2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of a cable-driven parallel robot that realizes high-speed hand movement and high-speed infinite rotation
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18K04068
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
原田 孝 近畿大学, 理工学部, 教授 (80434851)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 知能制御 / ケーブル駆動ロボット / パラレルメカニズム / 機構解析 / 機械設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2018年度は，プーリ組込み手先機構を有する5ケーブル平面4自由度および8ケーブル空間7自由度ロボットに関して，機構の本質を探る数式的な機構解析を行い，全ケーブル張力が正となるWrench Closure条件を満たすケーブル配置の導出する方法を考案し，条件下における動作領域であるWrench-Closure WorkSpaceを計算した．この主たる成果を日本機械学会年次大会(2018/9)で報告した．ケーブルループ機構では，ケーブルとモータ部プーリおよび手先組込みプーリが摩擦力にて動力伝達される．ケーブルの滑りを与えるアイテルワインの式を拡張し，5ケーブル平面4自由度ロボットにおいてケーブルが滑りにくくなるためのロボットの姿勢制御方法を考案した．また，プーリを摩擦駆動する際にケーブルをプーリへスムーズに巻き付かせる溝付き二ドラム多段多巻きエンドレス・プーリを考案し，構想設計を完成させた．これらの主たる成果をケーブル駆動ロボットに関する国際学会CableCon(2019/7)に論文2本が採択された．
本研究に関連して，運動学的冗長性と駆動冗長性を有するパラレルロボットの運動学に関する論文が日本機械学会論文集に採択・掲載され，差動機構を用いた4自由度ケーブル駆動ロボットの設計に関して査読付き国際学会ICMIMT2019(2019/2)に採択され講演を行った．
実験装置の設計に着手し，5ケーブル平面4自由度ロボット用としてMTL社製のダイレクトドライブモータ(定格トルク0.33Nm，最高回転数600rpm)，8ケーブル7自由度ロボット用としてMAXSON社製のDCモータ(定格トルク0.4Nm，無負荷回転数6000rpm)を選定し，ロボット機構部の構想設計を完了した．制御装置としてLinuxCNCを用いる検討を開始し，差動機構を用いたケーブル駆動ロボットへ適用して動作確認まで行った．
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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
2018年度の主たる実施計画である機構解析，ケーブル滑り解析に関しては，先ず，数式解法を用いたケーブル駆動ロボットの動作条件と動作領域の計算方法を考案し，5ケーブル4自由度ロボットおよび8ケーブル7自由度ロボットの機構解析，動作領域を完了させた．また，本研究で特徴的となるケーブル-プーリ間の摩擦駆動に関して，アイテルワインの式をベースした多段多巻エンドレス・プーリに関する滑りを考慮した静力学関係式を導出し，実施計画を完了させることができた．もう一つの実施計画である実機試作に関しては，構想設計から詳細設計に至る段階で，目標動作速度を実現するために必要なアクチュエータの選定を完了させた．以上のことより，実施計画に対しておおむね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画に従って今後の研究を進めていく．
【A】ロボット機構の詳細設計[～2019年度]：学術的な研究として，単巻きケーブルの摩擦伝動で広く知られているアイテルワインの式を多巻きに拡張し，多巻きエンドレス・プーリが滑らないケーブル張力とプーリトルクの関係を数学的に導出している．2019年度に実験的な検証を行い，機構の詳細設計へ反映させる．
【B】ケーブル駆動条件を満たす並進動作範囲を最大とする最適設計[2019年度]： 2018年度に，プーリ組込み手先機構を有する5ケーブル平面4自由度および8ケーブル空間7自由度ロボットに関して，機構の本質を探る数式的な機構解析を行い，全ケーブル張力が正となるWrench Closure条件を満たすケーブル配置の導出方法を考案した．ただし，条件下における動作領域であるWrench Closure Work Spaceの計算は数式解法が困難であることが判明した．そこで，数式解法と数値解法を混合した新しい解析方法により，Wrench Closure条件と2018年度に確立したケーブルが滑らない条件を満たしつつ，動作範囲が最大となる最適設計を行い機構設計へ反映させる．
【C】実機試作[～2019年度]と動作検証：上記【A】【B】の機械要素設計と機構最適設計に基づいて実機を試作して動作検証を行う．動作目標を満たすアクチュエータは2018年度に選定済であり，エンドレス・プーリ，定圧バネ機構などの本研究のロボットを具現化するために重要な機械部品の試作設計を行いながら，ロボット全体の実機試作を完成させる．動作検証のために制御装置としてLinuxCNCを用いる方法を試みる．ただし，LinuxCNCを用いてケーブル駆動ロボットを動作させた前例がないために，低レベルのモータ制御までカスタマイズ可能であるLabViewなどの別の制御装置の適用も併用して検討を行う．
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| Causes of Carryover |
当初，2018年度に開催される国際学会へ論文投稿の予定であったが，ケーブル駆動ロボットに関して非定期に開催される最大の国際学会CableConが2019年7月に開催されることとなり，論文投稿計画を変更した．本研究に関連して，CableConへ論文を2件投稿・採択されたが，学会への支払いが次年度(2019年度)であるために，その参加登録費を繰り越した．
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