2015 Fiscal Year Research-status Report

振り子・倒立振り子併用式チャイルドベッドに関する基礎研究

Research Project

Project/Area Number	24560279
Research Institution	Kanagawa Institute of Technology
Principal Investigator	川島豪神奈川工科大学, 工学部, 教授 (70186089)
Project Period (FY)	2012-04-01 – 2017-03-31
Keywords	機械力学・制御 / 衝撃制御 / 乗員保護装置 / 幼児用補助装置 / 衝撃緩和 / 振り子 / 倒立振り子 / 衝突実験装置
Outline of Annual Research Achievements	車に乗せられている幼児の安全確保のため、振り子式のチャイルドベッドを倒立振り子のようにアームで支え、そのアームの回転減衰をセミアクティブ制御で調整することにより、衝突時の幼児に作用する衝撃力を許容値以下に抑える安全装置の開発が最終目的であり、本研究の目的は数値シミュレーションにより基礎的なデータを集めて設計指針を得ると共に、模型実験によりその有用性を確認することである。衝突初期に衝撃力を緩和できる振り子式の特徴と動き出し難さから寝台の移動距離を抑えることのできる倒立振り子式の特徴を併せ持つ点、車上の装置であることから充分なエネルギー供給が得にくい状況を考慮してセミアクティブ制御により衝撃力を緩和する点が提案する装置の特徴である。本年度は寝台に作用する加速度を直接制御できる加速度フィードバック制御則を、スライディングモード制御を適用して構築し、マルチボディダイナミクスソフトウエアによるシミュレーションと模型実験により以下の成果を得た。１．シミュレーション結果より、-30 Gの加速度が車両に作用する衝突時に、寝台に作用する加速度を目標値の-25 Gに保て、自動車内という限られた空間において寝台に作用する加速度を効果的に抑えられることを確認した。さらに、制御則に含まれる積分計算の安定性に注意する必要はあるものの、車両減速度に関する制御則のロバスト性を確認した。２．制御実験の結果より、振り子を構成するアームのバックラッシュを改良する必要があるものの、本研究の特徴であるサンプリング周期1 msでの制御が可能であり、平均的ではあるが寝台に作用する加速度を台車加速度より抑えられることを確認した。３．昨年度のシミュレーション結果をまとめた論文が英文ジャーナルに掲載されると共に、模型実験で得られた知見を国内会議で発表し、ホームページを更新した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 本年度までの研究目的に対する達成度は以下のとおりである。１．衝突の際、幼児の背中に衝撃力を作用させることで体が複雑に曲がることを防ぎ、衝撃力を零から徐々に増加させて一定値に抑えることのできる振り子・倒立振り子併用式チャイルドベッド、およびそのセミアクティブ制御則の提案は、当初の目的に加えて加速度フィードバック制御則を提案しており、計画以上に進展している。２．衝突を模擬した数値シミュレーションに関しては、実物大の振り子・倒立振り子併用式チャイルドベッドおよび制御則の有効性を、車内で寝台が移動できる距離を考慮しながら確認し、設計指針を得ている。さらに、模型実験のシミュレーションにより模型のパラメータに関する指針も得ており、ほぼ計画通り達成されている。３．模型実験に関しては、本学自動車工学センターにある衝突実験設備の走路（20 m）に設置されているリニア誘導モータの制御システムを構築してチャイルドベッド模型を搭載した台車を3.8 m/sの速度から15.6 m/s2で急減速させられることを確認し、積層圧電アクチュエータにより自転車用ディスクブレーキを駆動する模型実験用アクチュエータを製作、チャイルドベッド模型を完成させて衝突実験装置の走路で走行させ、ベッドが動くことでベッドに作用する加速度を減少させられること、1 msのサンプリングタイムでの制御が可能であることを確認している。しかし、台車の振動を抑え、アクチュエータで発生可能なトルク範囲で制御するための走行パターンの作成や台車の軽量化に時間を要したことで制御実験の進行が遅れており、この点では達成度がやや遅れている。４．得られた成果の公表に関しては、毎年国際会議または国内会議で発表し、和文論文と英文論文を各１編学術誌に掲載すると共、成果の一部をホームページで公表しており、ほぼ計画通り達成されている。
Strategy for Future Research Activity	基本的には申請書通りの計画で研究を推進していくが、遅れている制御実験および平成２８年度に計画している衝突壁への衝突実験を推進していく。１．現時点では模型実験において雑音などのため寝台に作用する加速度を台車加速度とアーム角度より正確に推定できていない。そこでアーム先端に加速度計を取り付けることにしたが、取り付け方法などの制約で、寝台模型を模擬した錘と加速度計を下端に取り付けた振り子を構成するアームを、常に鉛直となるように倒立振り子を構成するアームとリンクさせている。しかし、リンク機構のバックラッシュのためアームが振動し、寝台に作用する加速度が目標値に一定に保たれるか確認できていない。平成２８年度は、倒立振り子を構成するアームの角度と台車加速度より寝台に作用する加速度を推定する方法を確立すると共に、実験模型に関してバックラッシュが最小限となるようにリンク機構を見直し、振り子を構成するアームが提案どおり倒立振り子を構成するアームの２倍の角度で動くように改良する。そして、模型実験を継続し、提案している制御システムの有効性および実現可能性を確認する。２．本学自動車棟に設置してある衝突実験装置の衝突壁を養生し、実際に台車を衝突させられるようにクラッシャブルゾーンを台車に設置する。そして、平成２８年度の研究実施計画である寝台模型を搭載した台車を実際に衝突実験装置の衝突壁に衝突させ、提案している振り子・倒立振り子併用式チャイルドベッドおよびその制御則の有効性を確認する。３．昨年度の模型実験およびシミュレーションで得られた成果をそれぞれ国際会議で発表すると共に、ホームページでの公開を充実していく。
Causes of Carryover	３月分の人件費（４月分給与）の見積り額と支払い額に多少の差が生じたこと、および制御実験がやや遅れていることから実験模型の改造費に次年度使用額が生じた。
Expenditure Plan for Carryover Budget	やや遅れている制御実験を推進して計画通り進めるため、次年度分の消耗品費に加算して使用する。
Remarks	本年度は、制御実験風景のショートムービーを更新し、掲載された論文および発表した国際会議録を参考文献としてリンクした。