2012 Fiscal Year Research-status Report
方向依存性に起因する非線形摩擦と重心のずれを考慮した全方向移動ロボットの軌道制御
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23760380
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
江丸 貴紀 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30440952)
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| Keywords | nonlinear friction / trajectory control / nonlinear compensator |
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| Research Abstract |
本研究は，オムニホイールを用いた全方向移動ロボットマニピュレータで問題となっている，1)オムニホイールの方向依存性に起因する非線形摩擦，2)移動ロボットにマニピュレータを搭載した際の重心のずれ，という大きな2つの課題の解決を目的としたものである。平成24年度は，研究計画に従い以下の観点から研究を行った。
課題1 [オムニホイールの非線形摩擦のモデル化]：平成23年度は，車輪と床面の摩擦について一般的なモデルを構築し，シミュレーションでその有効性を確認した。その結果，特定の床面を仮定した場合における妥当なモデルを構築することができた。平成24年度では，非線形摩擦の影響がより大きくなり低速度領域に着目し，オムニホイール移動ロボットが低速で移動する際の摩擦について機構面から解析を行いモデル化した。さらに，これらのモデルを反映した制御系を構成することにより，制御性能の向上を図った。
課題2 [オムニホイールの非線形摩擦に対してロバストな軌道制御系の提案]：我々が目的とする摩擦は非線形かつ時変特性を持つため，一般的な制御器で精度よく制御することは大変困難である。平成23年度は，既存のPID制御系や最適制御系に対し容易に追加できる非線形補償器の開発を目的とし，これまで提案してきたディジタル加速度制御系（DAC）を改良し，非線形補償器としての性能を向上させる研究を行った。平成24年度では柔軟ロボットアームを制御対象として用いることにより，提案手法の汎用性を検討するとともに提案手法の改良を行った。
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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
研究実績の概要に記載した通り，平成24年度は2つの課題を解決することを目的に研究を実施した。課題ごとの評価は下記の通りである。
課題1 [オムニホイールの非線形摩擦のモデル化]：平成24年度では，非線形摩擦の影響がより大きくなり低速度領域に着目し，オムニホイール移動ロボットが低速で移動する際の摩擦について機構面から解析を行いモデル化した。オムニホイールは，その機構によって特に低速度領域で大きな，そして強い非線形特性を持つことが知られている。そこで，低速度領域にターゲットを絞りモデル化を行うことで，実際のオムニホイールロボットの挙動を精度よくモデル化することに成功した。しかしながら，オムニホイールに固有の問題である方向依存性に起因する非線形摩擦について，実機の挙動と一致するような精度の良いモデリングができたとは言い難い。これからの研究を推進するに当たり，その基礎となる一定の成果を上げることができたため，評価を「(2)おおむね順調に進展している」とする。
課題2 [オムニホイールの非線形摩擦に対してロバストな軌道制御系の提案]：平成24年度は既存のPID制御系と容易に組み合わせることができる非線形補償器について，(1)理論面から解析を行い，既存の制御系との関係を明らかにした，(2)新たなアプリケーションとして柔軟ロボットアームに提案手法を適用することにより，手法の汎用性を確認するとともに問題点を明らかにする，ということを行った。その結果，ここで提案した制御器は移動ロボットのみならず様々なメカニカルシステムの制御に応用が可能であり，さらに既存のPID制御器に組み合わせることにより非線形項が補償できることから有用性が高いと考える。そこで，この評価を「(2)おおむね順調に進展している」とする。
これらを踏まえ，平成24年度全体の自己評価として「(2)おおむね順調に進展している」とする。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25年度は，平成23，24年度の研究によって得られた成果，そして課題を元に研究を実施する。具体的には，平成24年度で残された課題1を解決するとともに，課題3，4という2つの新しい課題を解決することを研究の目標とする。
課題1 [オムニホイールの非線形摩擦のモデル化]：平成24年度で得られた成果をもとに，より汎用的なモデルの構築を目指す。具体的には，モデルにおけるパラメータを決定するための実験を様々な環境下で行うことにより知見を深め，モデルの一般化を目指す。
課題3 [重心のずれのモデル化]：小型高出力のサーボモータを用いることによりマニピュレータを構成し，全方向移動ロボットの車体に搭載する。このマニピュレータを駆動することにより重心のずれが生じるため，これをモデル化し，重心のずれを補償する制御法の構築を目指す。このモデル化は大変複雑であるため，最初の段階としてはロボット上に倒立振子が存在するようなモデルを想定し，モデルの3次元化を目指す。ここで構築する重心のずれのモデルは，全方向移動ロボットのみならず一般的な車両移動型ロボット，クローラ型ロボットなどに対して拡張可能なものでなくてはならず，そのための評価もここで行う。
課題4 [重心のずれに対してロバストな軌道制御系の提案]：強い非線形時変特性を持つ重心のずれに対して，課題2で提案した制御法をまず適用し，それを発展させることにより効率的な研究の推進を図る。このように様々な非線形モデルに対し提案する制御法を適用することにより，汎用的・実用的な非線形補償器を構成するための知見を得る。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初計画では，調査・資料収集のための旅費を160千円計上していたが，国内のみならず国外での調査も必要となり，2012年10月22-26日にPalma, Majorca (スペイン) で行われた「2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Application」に参加したため，当初の予算を超過した額を執行した。本来であれば外国旅費は計上していなかったが，昨年度に予算の一部を成果発表のために繰り越したため，その予算を成果発信のために利用したものである。消耗品費については当初予算よりも大幅に減額した額を執行しているが，これは既に代表者および研究協力者が所有する計測機器などを流用することにより，効率的に研究を行ったためである。
平成25年度については，本研究費によって得られた研究成果を迅速に社会に発信するための旅費を効率的に執行するとともに，その他の設備備品，消耗品などは，研究代表者や協力者が所有する備品・機器などを考慮し，計画に従い効率的に執行する予定である。
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Research Products
(18 results)
