2021 Fiscal Year Research-status Report
Position-Commanding Sliding Mode Control Theory for Industrial Robotic Devices with Enhanced Affinity to Humans
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21K04122
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
菊植 亮 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (90362326)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 産業用ロボット / 協働ロボット / スライディングモード制御 / 力制御 / 位置制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今日の産業用ロボットの多くは専用のサーボアンプで制御されており，上位計算機からの位置指令にもとづいて動作する．これらは技術的にもコスト的にも成熟しているが，力の制御が必要な人間中心環境での応用には不向きである．本研究では，トルク指令型の従来制御技術群を改変し，産業用位置制御デバイスへの実装を前提とした「位置指令型スライディングモード制御」の実用技術群と基盤理論体系を創出する．
2021年度では，新規に導入した位置・速度指令型の商用協働ロボット（Universal Robots社製UR3e）をテストベッドとして，外力に対して安全な応答をする制御則構築を目的とした．具体的には，通常時には位置制御器として振る舞うが，外力がある大きさを上回った場合にはインピーダンス制御器のように振る舞い，穏やかに，オーバーシュートを起こさずに，目標位置に復帰するような制御則の実現を目指した．開始時の様々な試行錯誤を通して，専用コントローラからのフィードバック信号には大きな遅延があり，通常のインピーダンス制御技術を適用すると容易に不安定化するということが分かった．
何通りもの手法を試した結果，「電流測定値」「電流指令値」の２つを入力とし，指令速度を出力とする制御則によって，比較的安定したインピーダンス制御を実現することができた．安定化のために，微分代数包含式から導出した加速度と速度に制限を加えるための新たなアルゴリズムが有効であることが分かった．また，躍度（指令位置の３階微分）を監視することによって仮想粘性を動的に変動させる手法も安定化に有効であることが示された．
なお，速度と加速度に制限を付ける手法は，トロリーが位置制御される天井クレーンの制振制御にも応用できる．系を安定化するための汎用的な加速度・速度リミッタロジックの実現のために，位置制御型クレーンをテストベッドとした実験も行った．
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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
2021年度においては，まず最初に，Universal Robots 社製の6自由度商用協働ロボットアーム『UR3e』を購入し，実験環境を整えた．このロボットは専用コントローラに対してユーザからの位置指令と速度指令を受け付けることができ，また，位置とモータ電流の測定値および「電流指令値」をユーザへフィードバックする機能を持つ．この専用コントローラの応答特性や制御アルゴリズムは開示されていないため，直接的で高周波の力制御は難しい．また，動作中に外力を加えると即座に非常停止する特性を持つ．これらは，ほとんどの商用ロボットに共通する特性である．
まず，フィードバック信号を用いて外力を監視し，非常停止が発生する前に位置指令を適切にずらすことによって，疑似的な力制御を行うことを試みた．試行錯誤の過程で様々な知見が得られたものの，専用コントローラの内部制御則の同定は非常に困難であり，外力情報を位置信号から抽出することは困難であることが分かった．一方で，モーターの電流信号の測定値を取り出すことによって外力情報の推定ができるようになった．しかしながら，専用コントローラ内の様々なリミッタやローパスフィルタなどによって，即時的な力信号は得られず，従来のインピーダンス（アドミッタンス）制御則を用いて安定な力制御を実現することは簡単ではないということが分かった．
結果としては，ユーザー制御則からの速度指令値に対して，速度信号そのもののとその微分量（加速度）にリミッタを加えることが安定化に有効であることが分かった．この手法は，ある種の微分代数包含式の後退オイラー差分から導出した新たなアルゴリズムを用いるものである．また，躍度（指令速度の二階微分）を監視することによって仮想粘性を動的に変動させる手法も安定化に有効であることが示された．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は，2021年度に試行錯誤的に得られた結果を理論的観点から整備する計画である．速度・加速度制限によって無駄時間を含むフィードバック系が安定化する現象は，線形制御理論からは説明しにくい．これらの現象を理論的に解明した上で，位置制御ベースの力制御系全般へ適用できる汎用的な信号処理技術として確立するのが2022年度の目標である．現在，学術論文の投稿準備を進めるとともに，2022年9月の日本ロボット学会学術講演会での発表を予定している．
さらにこれらの手法をベースとして，より遅延の大きい位置信号を用いた力制御を安定して実現する手法も構築する．多くの産業用ロボットは電流値信号をユーザ制御則にフィードバックする機能を持たないため，位置信号を用いた制御則は汎用性という観点から重要である．
2023年度には，作業空間（三次元空間での手先の位置・姿勢を用いた表現）での安全で滑らかな位置・力制御を実現するための手法を確立する．より具体的には，モーターの速度・加速度・発生力を関節空間と作業空間の両方で制限した上で，手先の外力に対する応答特性や接触力・接触モーメントの制限を作業空間内で設定する手法を確立する．このために，順逆運動学の計算を適切に制御アルゴリズム内に組み込む手法を確立する．
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