2020 Fiscal Year Research-status Report
囲い込み制御理論の進展と安全接触可能な高応答多リンクシステムの開発と応用
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20K05016
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| Research Institution | Kurume National College of Technology |
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Principal Investigator |
南山 靖博 久留米工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (20549688)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | MRブレーキ / 安全接触 / 本質的安全設計方策 / 空気圧ゴム人工筋 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
市販されていたMRブレーキは種類が少なく大型であり，また，生産が中止されたため，独自にMRブレーキを設計し，各実験装置に適したMRブレーキの作製を行った．これまでは固定円盤と本体，回転円盤と軸とがブレーキトルクに耐えられずに滑ってしまい性能が良くなかったが，それぞれにキーを入れるように設計改善し作製した結果，滑りを無くし大きなブレーキトルクを得ることが出来た．また，磁束密度を集中させるため，強磁性体と非磁性体を効率よく配置しており，非磁性体の部品作製に３Dプリンタを使用することで簡単に複雑な形状の部品を作製することが出来た．そのMRブレーキを使用し，軸を持ち上げ方向に回転させ，本体にアームと錘を取り付けることで，電圧を上げるとアームが持ち上げ方向に回転し，電圧を下げると重力により下げられる実験装置を作成し，連続位置決めと正弦波軌道追従制御の実験を行い，良好な結果が得られた．
また， MRブレーキ２つを作製して組み合わせ，水平方向の２つの異なる回転をそれぞれに与え，各ブレーキの印加電圧を制御することにより，水平方向の回転を制御する実験装置を作製し，制御実験を行った．こちらにはキーを入れていないため，小さな制動トルクしか発生せず，制御性能があまり向上しなかったが，プログラムを工夫することで，ある程度の制度を得ることが出来た．
その他，市販されていたMRブレーキと空気圧ゴム人工筋を使用し，1対（2本）の人工筋で2軸の制御が可能な装置の開発を行った．通常，1軸に対してそれぞれ1対以上の人工筋が必要なため，2軸を駆動させるためには2対（4本）の人工筋が必要であるが，２つMRブレーキによって駆動させる軸を切り替えることによって1対の人工筋で2軸を駆動させ，各軸の連続位置決めと2次元平面上の円及び直線軌道追従制御を行った．
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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
いくつかMRブレーキを設計製作し，性能実験を行うことによって良好な実験結果を得ることが出来ている．今後はこれまでの内容を基に実験装置の用途に合ったMRブレーキを設計製作していく．
しかし，ブレーキの性能・効率についてはまだ追及できていない．現在，シールによってMR流体が漏れないようにしているが，シールの摩擦により印加電圧ゼロにおける摩擦トルクが市販のMRブレーキよりも大きいため，シール部品の変更等を検討している．また，強磁性体と非磁性体との組み合わせにより，磁束密度をMR流体に集中させることができるが，現在は感覚的にそれぞれを配置しているところを，磁場解析ソフトを使用し，細かく計算することにより，小さなエネルギーで大きなブレーキトルクを発生させられるMRブレーキの開発を行う必要がある．
高応答多リンクシステムの開発は次年度（令和3年度）に行う予定であったが，市販のMRブレーキを使用し，2リンクの実験装置を作製しており，各リンクの連続位置決め及び2次元平面上の円及び直線軌道追従制御を行った．今後は，置き換えられるMRブレーキを設計製作し，同様の実験を行うことによって性能の比較実験を行う予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは，現在完成している実験装置については，追加実験を行い，プログラムの改善等により制御性能の向上を図る．その後，自作のMRブレーキとして十分な性能が得られているアームの持ち上げ装置については，2リンクシステムへの適用を行う．
MRブレーキ２つで水平方向に回転する装置については，現在の実験装置にキーを入れるよう改良し，性能の向上を図る．
人工筋の装置については，現在は市販のMRブレーキを用いているため，新たなMRブレーキを設計製作し，MRブレーキを取り換えることにより，性能の比較実験を行う．
また，MRブレーキの性能・効率の向上を図るため，シール部分の改良，磁場解析ソフトを使用し，磁場をMR流体に集中させるには，強磁性体と非磁性体をどのようにして配置させるかを検討する．
当初，実験は制御則をMATLAB/Simulinkによってプログラミングし，MATLABコントローラによって実装する予定だったが，1セット150万円するため，複数購入することが困難であった．実装の装置が1台のみであると，異なる実験を同時に行うことが不可能であり，違う実験をするために配線を繋ぎ変えるのは大変であるため，実験の小型化も考慮し，Arduinoを複数個購入し実装した．制御性能は劣るものの十分な成果を得ることが出来た．しかし，処理速度が遅く，負の電圧が入力できない等の問題があるため，Raspberry Pi等への変更を検討している．
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| Causes of Carryover |
当初，実験は制御則をMATLAB/Simulinkによってプログラミングし，MATLABコントローラによって実装する予定だったが，1セット150万円するため，複数購入することが困難であった．実装の装置が1台のみであると，異なる実験を同時に行うことが不可能であり，違う実験をするために配線を繋ぎ変えるのは大変であるため，実験の小型化も考慮し，Arduinoを複数個購入し実装した．Arduinoは１つ3000円ほどなので，予算を大きく余らせてしまう事となった．
また，コロナの影響により学会発表が遠隔で行われたため，全体的に旅費の使用額が少なくなっている．
使用計画としては，実装の装置としてRaspberry Pi等への変更を検討しているのでそれを複数購入し，当初の計画通り安全性の検証のための力センサや動ひずみ測定器を購入する．また，2軸拡張や新たなMRブレーキ作製に必要なアクチュエータや部材を購入する．そして，磁束密度の解析を行うために磁場解析ソフトを購入する．さらに実験結果の分析解析を行う学生増員に伴い，解析用ＰＣを追加購入する．
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