2021 Fiscal Year Annual Research Report
Research and Development of Positioning Controller for Collaborative Robots Considering Safety and Fast/Precise Performances
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19H02160
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
岩崎 誠 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10232662)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前田 佳弘 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70769869)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | メカトロニクス / モーションコントロール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
〔負荷軸角度・トルクセンサフィードバックによる制御性能の向上と垂直多関節ロボット制御への展開〕
2021年度では，20年度から準備した負荷軸角度センサ（減速機出力にエンコーダスケールを設置）に対して，負荷軸トルクを検出するセンサを搭載してフルフィードバック制御に適用することで，負荷トルクの直接フィードバックによる高感度化と，高速高精度性のさらなる向上を，垂直4軸ロボットのシミュレータおよび実機よって以下を実施・検証した。
１．ロボット制御系設計においては，20年度に引き続き，安全性と拘束高精度を両立する運動制御として，「ロボットと人との衝突に対する，衝撃 力モデル作成と緩和制御系の検証」を実施した。具体的には，ロボットと環境との接触および衝突に対する「安全性」を，ロボットアーム側からみたバックドライバビリティ性能の向上と関連付け，上記トルクセンサフィードバックと併せて外乱の推定と補償，さらにロボットアーム側のインピーダンス制御による衝撃力の緩和を目指した。
２．衝撃力の事前解析および評価に際しては，ヘルツの接触応力式に基づき，人のインピーダンスモデルを用いた衝撃力の定式化を試みた。そして，衝撃力の緩和制御により，センサおよび推定器による衝突時点の検出，衝突後のインピーダンス制御への切り替えとアーム食い込み動作の回避，安全な距離へのアーム離脱を，それぞれ検証した。
３．以上の制御アルゴリズム開発，数値シミュレーションによる特性解析，実機検証を，垂直4軸ロボットに展開しながらそれぞれ有機的に組み合わせ，22年度も引き続いて実施予定である。
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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
申請時の2021年度研究計画・方法に従って，20年度の継続研究として，負荷軸角度・トルクセンサフィドバックによる制御性能の向上と垂直多関節ロボット制御への拡張に関して，20年度までに用いた負荷軸角度センサに併せて，負荷軸トルクを検出するセンサを搭載してフルフィードバック制御に適用することで，負荷トルクの直接フィードバックによる高感度化と，高速高精度性のさらなる向上を，垂直4軸ロボットのシミュレータおよび実機検証も併せて提案手法の有効性を示してきた。これまでの3年間の成果は以下のように纏められ，本研究は現在までにおおむね順調に進展していると評価できる。
１．セミクローズド制御系とフルクローズド制御系の特性比較を，周波数領域ならびに時間領域の各指標に着目し，安定性，外乱抑圧性，ロバスト性と，追従性，制定性，制振性の性能改善の具体的なアプローチを提示した。
２．フルクローズド制御を前提とした負荷側状態量を含めたインピーダンス制御の導入により，所望のバックドライバビリティを実現した。
３．上記のインピーダンス制御を発展させ，トルクセンサフィードバックと併せて外乱の推定と補償を行うことで，アーム衝突時の衝撃力緩和制御を実施した。そこでは，ヘルツの接触応力式に基づき，人のインピーダンスモデルを用いた衝撃力の定式化を試みた。そして，衝撃力の緩和制御により，センサおよび推定器による衝突時点の検出，衝突後のインピーダンス制御への切り替えとアーム食い込み動作の回避，安全な距離へのアーム離脱を，それぞれ検証した。
これら一連の設計論と実験検証に対して，以降に示す学術論文や学会口頭発表により，その成果を公表できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
〔負荷軸角度・トルクセンサの新規開発による制御性能の向上と垂直多関節ロボット制御への拡張〕
これまで用いてきた負荷軸角度センサに対して，レゾルバの角度検出原理と磁歪効果を応用した角度とトルクを同時検出するセンサを新規開発・試作してフルフィードバック制御に適用することで，負荷トルクの直接フィードバックによる高感度化と，高速高精度性のさらなる向上を，垂直4軸ロボットのシミュレータおよび実機によって検証する。 ロボット制御系設計においては，昨年度に引き続き，安全性と高速高精度を両立する運動制御として，「ロボットと人との衝突に対する，衝撃力モデル作成と緩和制御系の検証」を実施する。具体的には，ロボットと環境との接触および衝突に対する「安全性」を，ロボットアーム側からみたバックドライバビリティ性能の向上と関連付け，上記トルクセンサフィードバックと併せて外乱の推定と補償，さらにロボットアーム側のインピーダンス制御による衝撃力の緩和を目指す。衝撃力の事前解析および評価に際しては，ヘルツの接触応力式に基づき，人のインピーダンスモデルを用いた衝撃力の定式化を扱う。そして，衝撃力の緩和制御により，センサおよび推定器による衝突時点の検出，衝突後のインピー ダンス制御への切り替えとアーム食い込み動作の回避，安全な距離へのアーム離脱を，それぞれ実現する。以上の制御アルゴリズム開発，数値シミュレーションによる特性解析，実機検証を，垂直4軸ロボットに展開しながらそれぞれ有機的に組み合わせて実施する。
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