2013 Fiscal Year Annual Research Report
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24246032
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| Research Institution | Kinki University |
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Principal Investigator |
矢野 智昭 近畿大学, 次世代基盤技術研究所, 研究員 (90358218)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
芦田 極 独立行政法人産業技術総合研究所, 先進製造プロセス研究部門, 研究グループ長 (10356363)
笠島 永吉 独立行政法人産業技術総合研究所, 先進製造プロセス研究部門, 主任研究員 (40356762)
五福 明夫 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (20170475)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 機能要素 / アクチュエータ / 球面 / 球対称 / 幾何学 |
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| Research Abstract |
多面体にもとづいて球面センサ、球面支持機構、球面減速機を設計・試作し、球面アクチュエータと組み合わせて球面駆動システムを構築する。この過程で、従来のモータの設計・解析・制御理論を3次元ベクトル空間に拡張する。同時に、多面体幾何学を、一般的な電機機械システムの設計・解析・制御理論に拡張する。これらの研究目的に対し、これまでに以下の研究実績が上がっている。
球面センサは２個の光学センサを用いた相対姿勢センサ、ホール素子を用いた絶対姿勢センサ、CCDカメラを用いた絶対姿勢センサの開発を行い、フィードバック制御ができる段階に移行しつつある。球面支持機構は空気浮上支持方式と球体ベアリング支持方式を比較し、摩擦がある球体ベアリング方式が現状では安定していることが判明した。
球面減速機は摩擦球を使用する方式を検討している。平面減速機の理論を単純に３次元空間に拡張できず、数学および幾何学的に非常に興味深い問題を有していることがわかってきた。光学センサ、アクチュエータ、球体ベアリング支持機構、球面減速機を組み合わせた球面駆動システムのプロトタイプを試作し、駆動実験を行った。
基底の取り替え行列を基本として球体姿勢を表現すると、センサ信号処理による姿勢表記が容易になること、球体回転子と電機子巻線の相対位置をパラメータとしてトルクマップを作成すれば球体ロータの姿勢制御が容易に行えることを示し、球面駆動システムの理論体系を確立しつつある。フィードバック制御実験を通じて、３次元空間におけるPID制御理論のアウトラインが明らかになりつつある。３次元空間内におけるPID制御理恵温が完成すれば、ロボットなどの多自由度システムの制御に適用して特性を大幅に改善できる可能性がある。
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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
本研究課題は、以下の２項目の大きな研究目標を達成するモデルケースとして球面駆動システムを組み上げる。(1)多面体幾何学にもとづく3次元空間内の制御理論を構築し、一般的な電機機械システムの設計・解析・制御理論に展開する。(2)トルクや材料特性をスカラー量としているモータの設計・解析・制御理論を3次元ベクトル空間に拡張する。
球面減速機として減速比100程度の磁気減速機の構造を検討していたが、幾何学的制約が厳しく、平成25年度は断念した。次善の策として球面アクチュエータの球形ロータと出力球の間に複数の小球を挟む構造の球面減速機を試作し、実験とモデル解析の両面から基本的な運動解析を行った。実験とモデル解析から、各球体間にすべりが生じること、球体間の摩擦力により出力球の運動方向が大きく異なること、およびロータの回転速度ベクトルと出力球の回転速度ベクトルの大きさと方向が大きく異なり、かつ摩擦力とすべりによりそれらが大きく変動することを明らかにした。球面減速機の開発はおおむね順調に進展している。
理論体系の構築は当初の計画以上に進展している。1次元空間におけるセンシング理論、減速機理論、PID制御理論のそれぞれが3次元空間に拡張するために直感的ではない数学的操作が必要になることを明らかにするとともに、3次元空間への拡張の道筋を明らかにした。これらの理論を体系化できればロボットをはじめとする多自由度システムの特性向上に貢献できる可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)多面体幾何学にもとづく3次元空間内の制御理論を構築し、一般的な電機機械システムの設計・解析・制御理論に展開する。(2)トルクや材料特性をスカラー量としているモータの設計・解析・制御理論を3次元ベクトル空間に拡張する。の大きな研究目標を達成するためのモデルケースとしての球面駆動システムの構築はおおむね順調に進んでいる。平成26年度に球面駆動システム評価装置の試作と並行して、球面センサ、球面支持機構、球面減速機の改良を行い、球面駆動システムの高性能化を目指す。平成27年度に球面駆動システムの特性データを取得する。
理論の構築と体系化に関しては、基底の取り替え行列の導入によりすでに3次元空間内における設計・解析・制御理論の基礎が完成した。平成26年度と平成27年度に3次元空間内の設計・解析・制御理論をまとめて単行本として出版する。
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