冗長マニピュレータ有する冗長性の動力学的利用のための動力学特性の解明

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K14705
• Research Institution: Wakayama National College of Technology
• Principal Investigator: 岡部 弘佑 和歌山工業高等専門学校, 電気情報工学科, 准教授 (40758132)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 冗長マニピュレータ / 動力学特性

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の研究目的は「運動学的冗長マニピュレータの有する冗長性の動力学利用のための動力学特性の導出とその検証」である．具体的にはマニピュレータの動力学特性を表す動的可操作性多面体を作業空間とその零空間の和集合である拡張作業空間に拡張し，拡張作業空間上の速度による動的可操作性多面体の並進について導出．その特性が事実であるかを実機実験により検証する．
研究代表者は冗長自由度1に限定されるが既に作業空間の零空間の基底ベクトルをグラスマン代数を用いることで導出し，冗長自由度1のマニピュレータについて動力学方程式の導出を完了している．そのため，初年度に冗長自由度1のマニピュレータに関する動力学特性についての実機検証を行い，2年度3年度目では冗長自由度2以上の一般化されたマニピュレータに関する拡張作業空間上の変数を用いた動力学方程式の導出を行う．最終年度では導出された一般化マニピュレータに関する動力学方程式についての実機検証を行う．これにより冗長マニピュレータの動力学特性が明らかとなり，作業の高速化や省エネルギー化といった冗長性を動力学的に利用した動作の計画が可能となる．
初年度の研究計画としては，まず研究代表者の研究室で有する平面3関節冗長マニピュレータを用いて，動的可操作性多面の並進現象について検証実験を行う．この実験装置はサーボモータの出力軸にハーモニックギアが接続されており，ギヤの弾性や回転子の慣性モーメントによるパラメータ誤差等の影響を受けるため，動的可操作性多面体の並進を観測することは可能であるが，正確な動的可操作性多面体の計測を行うことはできない．そのため，この実験と同時に減速機の出力軸にトルクセンサが内蔵されたROBOTECH製のUNISERVOを調達し，関節駆動トルクを正確に計測可能な平面3関節冗長マニピュレータを構築・実機検証を行う．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究課題の初年度における研究進捗状況は以下のとおりである．
研究代表者の研究室で所有する通常のサーボモータで構成された平面3関節冗長マニピュレータを用いた動的可操作性多面体の並進現象について実機実験を行い，大まかな動的可操作性多面体の形状を保ったまま，動的可操作性多面体の並進の観測に成功した．
しかしながら，出力軸にトルクセンサが内蔵されたROBOTECH製のUNISERVOを用いた平面3関節冗長マニピュレータの構築作業に遅れが生じている．現状としては平面3関節冗長マニピュレータの設計・製作が完了し，動作回路の動作確認まで終了しているが，マニピュレータの制御プログラムの作成やUNISERVOを用いた冗長マニピュレータによる検証実験については未だ完了していない．
研究の進捗状況に遅れが生じた原因としては，新型コロナウイルス感染症による影響が大きい．研究初年度当初は新型コロナウイルスが流行し始めた時期にあたり，研究代表者の所属する和歌山高専では学生たちに対する登校禁止処置や遠隔講義といった対応を取った．また登校禁止措置解除後も研究代表者の研究室に所属する学生たちの就職活動が難航し，本格的な研究活動開始時期に大幅な遅れが生じてしまった．さらに，研究初年度を通して新型コロナウイルス感染症対策を要求されたため，学内行事等々が例年通り行えず，すべてに対して新たに感染症対策を講じる必要性が生じた結果，研究代表者の和歌山高専における校務が増大してしまい，研究遂行に割り当てられる時間が減少したためUNISERVOを用いた平面3関節冗長マニピュレータの構築に遅れが生じた．

Strategy for Future Research Activity

本研究課題の研究方策として，従来通りまず冗長自由度1のマニピュレータおける動的可操作性多面体の並進に関する実機検証を行い，その後，冗長自由度2以上の一般化マニピュレータに関する拡張作業空間上の変数を用いた動力学方程式の導出を行う．また，動力学方程式の導出と同時にUNISERVOを用いた冗長マニピュレータの平面4関節冗長マニピュレータへの拡張を行い，最後に一般化マニピュレータにおける動的可操作性多面体の並進に関する実機検証を行う．
初年度の研究進捗状況として遅れた生じているため，研究計画について以下のように一部変更を行う．
2年度は初年度に構築作業が完了しなかったUNISERVOを用いた平面3関節冗長マニピュレータの構築を完了させ，冗長自由度１の平面3関節冗長マニピュレータを用いた動的可操作性多面体の並進に関する実機検証を行う．また並行して冗長自由度2以上の一般化されたマニピュレータに関する拡張作業空間上の変数を用いた動力学方程式の導出を行うことで，初年度の研究進捗状況遅延の修正を図る．
3年度には2年度に引き続き一般化したマニピュレータに関する動力学方程式の導出を行い，同時に一般化したマニピュレータに関する動的可操作性多面体の並進に関する実機実験の準備作業として，MTL製のマイクロダイレクトドライブモータを1台調達し，UNISERVOを用いた平面3関節冗長マニピュレータに追加することで平面4関節冗長マニピュレータを構築する．これにより，一般化したマニピュレータに関する動的可操作性多面体の並進に関する実機検証が可能になると共に，初年度における研究進捗状況遅延の修正を図る．
最終年度には拡張した平面4関節冗長マニピュレータを用いた動的可操作性多面体の並進に関する実機検証を行い．本研究課題の研究目標を達成したいと考える．