2018 Fiscal Year Research-status Report
High Backdrivable Arm Robot for Human Cooperation
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18K13741
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
横倉 勇希 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (70622364)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | モーションコントロール / パワーエレクトロニクス / 力制御 / バックドラバビリティ / 逆駆動性 / 電流制御 / 協働ロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，協働ロボットのための高逆駆動性モータ駆動システムを開発することにある。近年，様々な用途においてロボットの利用が急拡大しているものの，人間の生活空間で人間とロボットが直接接触して協働するまでには至っていない。その主たる原因は，モータ駆動システムの「逆駆動性の低さ」にあり，人間を殺傷してしまう事故が実際に起きていることにある。逆駆動性とはモータ駆動システムの外部からの動かしやすさを示し，現状のモータ駆動システムの逆駆動性を低下させている大きな要因として，減速機とオイルシールの摩擦，共振振動の抑制制御，位置制御や遅い力制御での駆動の3つが考えられ，高い逆駆動性とは程遠いモータ駆動システムの設計と制御がなされていることが挙げられる。
そこで本研究では，それら3つの問題の解決を目的として，先進的なモーションコントロール技術と最先端のパワーエレクトロニクスを融合させ，ロボット各軸に搭載される減速機付きACサーボモータの逆駆動性を制御的および回路的に高めることで，人間との協働に必要となる高逆駆動性モータ駆動システムを開発している。
高逆駆動性の実現方法として，方法①摩擦トルク成分の能動的アシスト手法と方法②逆駆動性を低下させない共振振動の抑制手法を提案しており，方法①ではオイルシールの非線形摩擦をモデル化することなく補償する手法を開発した。方法②では負荷側加速度制御という新たな制御手法を提案した。さらに，高逆駆動性の実現方法③として広帯域電流制御をベースにした広帯域力制御を新たに開発し，実証実験を行い，有効性を明らかとした。
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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
高い逆駆動性を達成するためには，ロボットの外界からの力（トルク）に瞬時に反応できる力（トルク）制御が求められる。そのためには，力（トルク）のアウターループ内に存在するマイナーループの電流制御系を広帯域化する必要がある。そこで初年度においては，永久磁石同期モータ（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）に対する広帯域電流制御の実現に注力した。本研究では，広帯域化のための新しい電流ベクトル制御系を提案した。
実機実験により，およそ2サンプルで電流指令に追従し，時定数が約40μsであり，4 kHzの電流制御が可能となったことが確かめられた。従来のサーボアンプでは，パルス幅変調（Pulse Width Moduration, PWM）のキャリア周波数が10 kHz～20 kHzで設定されている場合，ベクトル電流制御の制御帯域は1 kHz～2 kHz程度が限界とされる。一方で，新たな提案手法を実装することで，PWMキャリア周波数とサンプリング周波数は20kHzに設定したままであっても，4 kHzの電流制御帯域を達成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
逆駆動性向上方法①においては，摩擦トルク成分の能動的アシスト手法を開発しており，次に述べる方法②との統合を行う。逆駆動性向上方法②では，逆駆動性を低下させない共振振動の抑制手法の理論的解析と制御実装を行っており，次年度から実証実験を実施する予定である。
逆駆動性向上方法③では，広帯域電流制御をベースにした広帯域力制御の研究開発を進める。初年度の開発ではシリコン電界効果トランジスタ（Si-MOSFET）で実験を行ったが，次年度からはインバータを窒化ガリウム（GaN）のものに換装し，キャリア周波数40 kHz，電流制御帯域8 kHz を実現し，さらなる逆駆動性の向上を目指す。
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