2021 Fiscal Year Research-status Report
油圧アームの非線形動力学の特徴を駆使したモデル予測制御高速化
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21K03934
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
酒井 悟 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (90400811)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 油圧ロボット / モデリング / カシミール関数 / 非線形制御 / 機械力学・制御 / 和圧 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
変化の遅い系(例：化学プラント)への実装から変化の速い系(例：剛体アーム)への実装へと高速化が進展するモデル予測制御には，対人・対物安全性保証のため，油圧アームへの実装が期待されている（例えば，米国の著名な油圧ロボットでも，適当な近似を介して，モデル予測制御が実装されている）．
本研究の目的は，油圧アームの非線形動力学の特徴を駆使して，非線形圧力ダイナミクスの近似を介さず「厳密に，かつ，高速に，」モデル予測制御の油圧アームへの実装を解決する提案解法の有効性を実験的に明らかとすることである．
本年度は，４個の手順①から手順④までから構成される提案解法による高速化（汎用計算機を用いた非線形モデル予測制御器の設計と実装）と装置製作（１自由度油圧アームの運動生成）を達成した．実装された汎用計算機は視覚検出器（カメラ）と接続可能であり，かつ，油圧アーム実機は全て市販の構成要素（ピストン，弁，配管など）を有するため，汎用性の点でも世界的に非常に有利と期待される．なお，４個の手順は以下の通りである．手順①：等価変換（圧力より変化の遅い量への座標と入力変換・ハミルトン関数置換），手順②：切り離し（近似を介さず厳密に，制御対象を４次系から３次系に低次元化），手順③：積分器同一視 (近似を介さず厳密に，制御対象を３次系から２次系に低次元化)，手順④：目的関数を含む無次元化(近似を介さず厳密に，制御器の時間と状態を無次元化)．
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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
2021年度当初計画は，手順①と手順②の有効性の実証＋装置製作(１自由度のみ先行)であった．一方，2021年度の進捗は以下の通りであった．
◎手順①と手順②の有効性の実証については，手順①と手順②だけではなく，当初計画を前倒しして，手順③と手順④と同時に有効性を確認した．具体的には，油圧アームの一部と等価なダイナミクスを有するDCサーボモータを対象として，手順①から手順④までに基づく提案制御器を実装（Linux, 3.6GHz, 8GB）した．同時に，油圧アーム実機全体（１自由度）を対象として，手順①から手順④までに基づく提案制御器を実装した．複数回の計算時間を調査した結果，（非線形圧力ダイナミクスを無視していないにも関わらず）目標サンプリング時間1msを満足する（順調に高速化された）結果を確認した．
◎装置製作については，当初計画の旋回１自由度を装置製作を達成した．具体的には，既存装置である鉛直２自由度と組み合わて，過去の実験結果と比較することで，３次元運動生成されたこと(順調に装置製作されたこと）を実験的に確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
世界的に急増している油圧アームの非線形モデル予測制御の報告を確認しつつ，実装された（高速化された）提案制御器と製作された装置から構成される閉ループ系について，拘束条件を満足しつつ，高い制御性能を達成することが最優先である．
同時に，手順④は広い応用範囲を有するため，油圧アームに限らない制御対象（DCサーボモータなど），モデル予測制御に限らない高次制御器（LPV制御器など）の場合を含めて，運動計算高速化と探索計算高速化を同時達成する手法の確立，通常の物理学には存在しなかった目的関数の存在を前提とした視点からπ定理（次元解析のパイ定理）を改良することも優先すべき方策である．
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