アダプティブ構造物における駆動要素のばね特性のモデル化

• 研究課題/領域番号: 09750269
• 研究種目: 奨励研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機械力学・制御
• 研究機関: いわき明星大学
• 研究代表者: 高橋 義考 いわき明星大学, 理工学部, 助手 (00285719)
• 研究期間 (年度): 1997 – 1998
• 研究課題ステータス: 完了 (1998年度)
• 配分額: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円); 1998年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 1997年度: 1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
• キーワード: アダプティブ構造物 / マルチボディーダイナミクス / アクチュエータ / 振動特性 / 柔軟構造物 / 有限要素法

研究概要

本研究では、アダプティブ構造物としてロボットマニピュレータを想定し、大変位、運動を伴う2リンクモデルの振動応答解析法を確立した。拘束条件を伴う剛体リンクの運動方程式の導出にはマルチボディダイナミクスの手法を用いた。振動特性に影響を与える駆動装置としてDCサーボモータをモデル化し、外力トルクとしてモータの駆動力を導入した。また、構造物の基礎部の拘束条件に外乱振動波形を加えることで、地震等を想定した外乱入力を行った。剛体の2リンク機構を速度フィードバック制御でコントロールした運動状態の数値シミュレーションと、さらに外乱を受けた場合の数値シミュレーションを行った。結果を比較すると、外乱が2リンクの制御に影響を与えていることが分り、運動している2リンクモデルの振動応答解析ができていることが確認できた。今後、実験による検証が課題として残る。
産業用クレーン構造物や、宇宙構造物のような柔軟なbody要素を持つアダプティブ構造物の動力学解析を行うために、body要素を変形可能な柔軟梁モデルに置き換える必要がある。この手法には、floating frame of reference approach、finite segment approach、large rotation vector approachの3つがある。そして近年、Shabanaらによって新しいアプローチ、absolute nodal coordinate formulationが発表された。この手法は対象物の自由度が多い場合、他の手法と比べて数値計算上、有効となる特徴を持っている。そのため、本研究への適用を検討した。発表された定式化では、質量マトリクスがシンプルであり、時間に対して不変である特徴を持つが、弾性力の導出にローカル座標を設定するため座標変換が必要となり、強い非線形性を持つ。そのため、多くの拘束条件を持つアダプティブ構造物モデルへの適用には問題があると思われる。そこで、弾性力の導出にローカル座標を用いない新しい定式化を提案した。提案した手法では梁の慣性力、弾性力とも全体座標系で定義され、座標変換を必要としないため、シンプルな運動方程式が導かれる。数値計算においても安定しており、計算時間的にも有効であることが分かった。外力トルクの入力法が従来と異なる点が課題として残るが、提案したabsolute nodal coordinate formulationが柔軟多体系の動力学解析に有効であることが分かった。