Simultaneous structure and control design of network-type mechanical structures using exponential coordinates

• Project/Area Number: 23K03728
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
• Research Institution: Wakayama University
• Principal Investigator: 長瀬 賢二 和歌山大学, システム工学部, 教授 (70303667)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2027: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2026: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: ネットワーク型機械システム / 指数座標 / 構造設計 / 制御設計 / 最適化

Outline of Research at the Start

ロボットや大型構造物，工場設備などの機械システムには，リンクや梁などがジョイントなどによりネットワーク状に結合された多剛体系とみなせるものが多く存在する．本研究では，その様な機械システムを対象に，位相構造（ジョイントの数，結合関係（分岐の仕方，各枝へのジョイントの配分），など）および幾何構造（リンクの長さ，ジョイントの向き，ジョイントの種類（回転，並進），など），ならびに，制御構造（コントローラ，境界構造，など)を，同時に（大域的に）最適化するための数学モデルの構築法，および，そのような機械システムのための最適化手法の開発を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

ロボットや大型構造物，工場設備などの機械システムには，リンクや梁などがジョイントなどによりネットワーク状に結合された多剛体系とみなせるものが多く存在する．本研究では，その様な機械システムを対象に，位相構造（ジョイントの数，結合関係（分岐の仕方，各枝へのジョイントの配分），など）および幾何構造（リンクの長さ，ジョイントの向き，ジョイントの種類（回転，並進），など），ならびに，制御構造（コントローラ，境界構造，など)を，同時に（大域的に）最適化するための汎用的な数学モデルの構築法，ならびに，最適化手法の開発を目指している．また，その技術の異分野への展開の可能性も合わせて検討している．
指数座標を用いた運動モデル構築法の適用対象の拡大に関しては，浮動システム中でも，特に，工場などの運搬作業で注目されている倒立二輪車両に着目し，本年度は，その第一段階として，最も単純な，脚部のない車体の上部にリンクとジョントをネットワーク状に結合した車両を考え，そのモデル化と制御手法の検討を行った．また，棒やパイプなどの剛体部材が柔結合したシステムへの展開に関しては，切頂八面体テンセグリティと呼ばれる基本ユニットの繰り返し構造を考え，ノードの配置や要素（棒・ケーブル）の結合関係の規則性についての基礎的な検討を行った．ネットワーク型機械システムのための効率的な最適化アルゴリズムの開発に関しては，従来の遺伝的アルゴリズムに変わる新たな最適化アルゴリズムの検討として，多指ハンドロボットによる物体の把握・操り制御系を例に，ベイズ最適化手法の適用可能性について検討した．本年度は，最も単純な状況として，平面運動を行う二指ハンドを対象に，その関節位置（幾何構造）の最適化の検討を行った．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では，リンクや梁などがジョイントなどによりネットワーク状に結合された機械システムを対象に，その位相構造および幾何構造を，同時に最適化するための数学モデルの構築法，および，その最適化手法の開発を行っている．それにより，ネットワーク構造を有する機械システムを大域的に最適設計するための，汎用的な数学的枠組みの構築を目指すとともに，その異分野への展開も検討している．
指数座標を用いた運動モデル構築法の適用対象の拡大に関しては，本年度は，主に，浮動システムの一つとして，車輪が車体に直接結合された倒立二輪車両について検討を行い，基礎的な結果を得た．また，棒やパイプなどの剛体部材が柔結合したシステムへの展開に関しては，機械的メタマテリアルの構成要素として注目されている切頂八面体テンセグリティを繰り返し結合した三次元格子を考え，ノードの配置や要素（棒・ケーブル）の結合関係の規則性についての知見を得た．ネットワーク型機械システムのための効率的な最適化アルゴリズムの開発に関しては，最適化の際に問題となる計算時間の問題に対処するため，最も基本的な平面運動を行う多指ハンドを例に，ベイズ最適化手法の適用可能性について調査し，計算時間が大幅に短縮されることを確認した．

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の展開として，指数座標を用いた運動モデル構築法の適用対象の拡大に関しては，これまでの脚部のない倒立二輪車両の結果を，車体と車輪間に脚リンクを配置した，より現実的な倒立二輪車両へ展開する．また，得られた運動モデルを最適設計へ適用し，問題の抽出を行う．棒やパイプなどの剛体部材が柔結合したシステムへの展開に関しては，切頂八面体テンセグリティの繰り返し構造に対する運動モデルの構築を進める．テンセグリティシステムの運動解析においては，接続行列と呼ばれる(0,±1)要素の行列が重要な役割を果たす．今後，これまでに得られているノードや要素の規則性に着目し，切頂八面体テンセグリティ三次元格子に対する効率的な接続行列の導出を行う．ネットワーク型機械システムのための効率的な最適化アルゴリズムの開発に関しては，ベイズ最適化の適用の可能性の検討をさらに進める．適用例として考えている把握・操り制御系は，三次元運動を行うものへと一般化するとともに，幾何構造に加え，位相構造の最適化も合わせて検討する．

Research Products

• [Presentation] 指数座標を用いた倒立二輪ロボットのモデル化とその移動制御への応用 (2023)
  • Author(s): 生田 輝 , 長瀬 賢二
  • Organizer: 日本機械学会 Dynamics and Design Conference 2023