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機構と作業環境に非線形柔軟性を含む産業用ロボットの高速高精度位置決め制御系の開発

研究課題

研究課題/領域番号 23H00181
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分21:電気電子工学およびその関連分野
研究機関名古屋工業大学

研究代表者

岩崎 誠  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10232662)

研究分担者 伊藤 和晃  岐阜大学, 工学部, 教授 (10369986)
八田 禎之  岐阜大学, 工学部, 助教 (80883305)
前田 佳弘  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70769869)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
47,580千円 (直接経費: 36,600千円、間接経費: 10,980千円)
2025年度: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2023年度: 22,230千円 (直接経費: 17,100千円、間接経費: 5,130千円)
キーワードメカトロニクス / モーションコントロール
研究開始時の研究の概要

本研究は,非線形柔軟特性を示す産業用ロボットに特化した高性能制御系設計に関する次の項目を,精密モデルベースの非線形2自由度制御系の適用を前提に,「高性能と環境適応」を両立する制御系の方法論・設計論を,産業界と連携しながら学理に即して開発・実証する。
1)小型軽量化や人協働を目的とした非線形な柔軟要素を内在するロボットを対象に,深層学習併用型モデル予測制御による非線形2自由度制御系設計の方法論を確立する。
2)所望の高性能制御性と環境適応性の指針・仕様を満足する設計論を実験検証しながら展開し,社会実装の実証試験も併せて非線形柔軟ロボットの更なる性能向上を実証する。

研究実績の概要

〔基礎検証フェーズ:非線形柔軟性のモデル化とモデル予測制御による高速高精度制御〕
研究室に現有の水平2軸および23年度の本補助金で整備した試作垂直4軸柔軟ロボットを対象に,機構に内在する非線形柔軟性に対する精密モデリングと,その非線形モデルに基づくモデル予測制御によるロボット手先の高速高精度制御を,以下に従って検証した。なお,その際の目標位置決め制御目標は,空間精度±0.05 mm,位置決め応答帯域は20 Hzである。
1. 共振および軸間干渉を考慮したLagrange方程式ベースの物理モデルと,非線形ばねと摩擦のヒステリシス特性に対するBouc-Wenモデルを組合わせ,非線形柔軟性を含めた精密シミュレータ構築した。その場合,モデルパラメータ数はロボット1軸で20個を超えるため,遺伝的アルゴリズムによる最適化をパラメータ同定に適用した。
2. 上述の2つの制御数値目標を満足する非線形2自由度制御系を,(1)FB補償器は,上記精密モデルに基づく非線形予測モデルと制御入力制約条件を導入した最適化器から構成されるモデル予測制御系として実現し,(2)FF補償器は1次主共振特性に基づいた既約分解表現によって,それぞれ設計した。
3. 以上の非線形モデリングと精密シミュレータの構築,モデル予測制御系設計に対する実機検証においては,備品購入したモーションキャプチャでロボット先端およびアームの絶対変位を直接測定して,空間精度の評価を実施中である。さらに,実機実験では,制御用CADから直接コントローラを実装可能なRCPシステムを使用して制御アルゴリズム実装時間の短縮と研究の加速を図り,プラントを含む制御系の周波数特性はサーボアナライザで直接測定して評価している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

申請時の2023年度研究計画・方法に従って,基礎検証フェーズである非線形柔軟性のモデル化とモデル予測制御による高速高精度制御に関して,
1)機構に内在する非線形柔軟性に対する精密モデリングと,その非線形モデルに基づくモデル予測制御によるロボット手先の高速高精度制御系の設計と実験検証に関して,Lagrange方程式ベースの物理モデルに基づく精密モデリング,非線形ばねと摩擦に対する非線形モデリング,およびそれらのパラメータ同定を実施した。
2)2自由度制御系の設計として,(1)FB補償器を精密モデルに基づく非線形予測モデルと制御入力制約条件を導入した最適化器から構成されるモデル予測制御系として実現,(2)FF補償器を1次主共振特性に基づいた既約分解表現によって,それぞれ設計した。
3)以上のモデリングおよび制御系設計に基づき,本補助金による試作ロボットおよび計測機器を用いて,目標仕様実現に向けた実機検証を開始した。
これら一連の設計論と実験検証に対して,以降に示す学術論文や学会口頭発表により,その成果を公表できた。さらに,2023年度の研究計画に挙げている実機検証項目も,年度前倒しで実施している。

今後の研究の推進方策

〔基礎検証フェーズ:非線形柔軟性のモデル化とモデル予測制御による高速高精度制御〕24年度では,研究室に現有の水平2軸および23年度の本補助金で整備した試作垂直4軸柔軟ロボットを対象に,機構に内在する非線形柔軟性に対する精密モデリングと,その非線形モデルに基づくモデル予測制御によるロボット手先の高速高精度制御を,目標位置決め制御目標を空間精度±0.05 mm,位置決め応答帯域は20 Hzとして実機検証する。制御系設計に際しては,Lagrange方程式ベースの物理モデルと,非線形ばね・摩擦に関する非線形モデルを組合せ,その精密モデルに基づくモデル予測制御系としてフィードバック制御系を構築する。そして,備品購入したモーションキャプチャによるロボット先端およびアームの絶対変位の直接測定による,実機位置決め検証を実施する。
〔応用検証フェーズ:作業環境外乱のモデル化と深層学習併用による高性能外乱圧縮〕25年度から26年度では,減速機出力軸状態量(角度およびトルク)センサ内蔵のアクチュエータを搭載した試作台車付垂直4軸柔軟ロボットを対象に,作業環境外乱のモデル化と深層学習を併用したモデル予測制御による高性能外乱圧縮制御を検証する。
〔社会実装実証フェーズ:人協働ロボットの安全と高速高精度性の両立,アルミ穿孔ロボットの柔軟性と外乱に対する高精度制御〕26年度では,上述の基礎および応用検証に続いて,本提案制御アルゴリズムの社会実装を目指し,実証実験を行う。

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 3件、 査読あり 7件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 11件、 招待講演 7件)

  • [国際共同研究] University of Agder(ノルウェー)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Southeast University/China University of Geosciences/Qingdao University(中国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Vision-Based Target Tracking Controller Design for Asteroid Flyby Problem2023

    • 著者名/発表者名
      Miyata Kikuko、Hara Susumu、Hayashi Kenji、Seki Kenta、Iwasaki Makoto、Otsuki Masatsugu
    • 雑誌名

      IEEJ Journal of Industry Applications

      巻: 12 号: 5 ページ: 914-923

    • DOI

      10.1541/ieejjia.22005866

    • ISSN
      2187-1094, 2187-1108
    • 年月日
      2023-09-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Iterative learning control-based ripple compensation in web handling systems2023

    • 著者名/発表者名
      HOMAN Tomoya、SEKI Kenta、IWASAKI Makoto
    • 雑誌名

      Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing

      巻: 17 号: 4 ページ: JAMDSM0046-JAMDSM0046

    • DOI

      10.1299/jamdsm.2023jamdsm0046

    • ISSN
      1881-3054
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Disturbance Rejection for Stewart Platform Based on Integration of Equivalent-Input-Disturbance and Sliding-Mode Control Methods2023

    • 著者名/発表者名
      Zhou Yujian、She Jinhua、Wang Feng、Iwasaki Makoto
    • 雑誌名

      IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

      巻: early access 号: 4 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1109/tmech.2023.3237135

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Modeling, analysis, and adaptive neural modified-backstepping control of an uncertain horizontal pendubot with double flexible joints2023

    • 著者名/発表者名
      Yan Ze、Lai Xuzhi、Meng Qingxin、Wu Min、She Jinhua、Iwasaki Makoto
    • 雑誌名

      Control Engineering Practice

      巻: 139 ページ: 105647-105647

    • DOI

      10.1016/j.conengprac.2023.105647

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Fast and Precise Positioning With Coupling Torque Compensation for a Flexible Lightweight Two-Link Manipulator With Elastic Joints2022

    • 著者名/発表者名
      Trung Tran Vu、Iwasaki Makoto
    • 雑誌名

      IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

      巻: early access 号: 2 ページ: 1-12

    • DOI

      10.1109/tmech.2022.3213538

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Finite-Time Command Filtered Backstepping Control for Dual-Motor Servo Systems With LuGre Friction2022

    • 著者名/発表者名
      Wang Baofang、Iwasaki Makoto、Yu Jinpeng
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Industrial Informatics

      巻: early access 号: 5 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1109/tii.2022.3182341

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Empirical Transfer Function Estimation with Differential Filtering and Its Application to Fine Positioning Control of Galvano Scanner2022

    • 著者名/発表者名
      Maeda Yoshihiro、Iwasaki Makoto
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Industrial Electronics

      巻: early access 号: 10 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1109/tie.2022.3217616

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Experimental Evaluation of Vision-Based Automatic Imaging Algorithm for Asteroid Flyby Observation2023

    • 著者名/発表者名
      Tsuyohi Aramaki, Kikuko Miyata, Kenta Seki, and Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Motion Control
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental Investigations of Temperature and Vacuum Properties in Solid Lubricated Strain Wave Gearings for Space Applications2023

    • 著者名/発表者名
      Yohei Hashino, Tsuyoshi Aramaki, Kenta Seki, Kikuko Miyata, and Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization (SAMCON2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of Frequency-Shaped Final-State Control Design Focusing on Softening Spring Characteristics of Machine-Stand Vibration2023

    • 著者名/発表者名
      Yuya Watanabe, Kenta Seki, and Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization (SAMCON2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimal Trajectory Planning with Collision Avoidance for Industrial Robots Considering Energy and Time in Operation2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Toki, Naoki Mizuno, and Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization (SAMCON2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Modeling of Hysteresis Characteristics Using Upper Bounded Unparallel Prandtl-Ishlinskii Model2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Aihara, Kenta Seki, and Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization (SAMCON2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ベイズ最適化に基づくパラメータ探索空間算出を利用したフィードバック制御パラメータ自動調整の実験評価2023

    • 著者名/発表者名
      塩原卓矢,前田佳弘,岩崎誠
    • 学会等名
      電気学会メカトロニクス制御研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 負荷共振系の高速・高精度位置決め制御における付加入力フィードフォワード補償のデータ駆動調整2023

    • 著者名/発表者名
      山口大伍,佐藤慎平,前田佳弘,岩崎誠
    • 学会等名
      電気学会電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] GA-Based Optimization in Mechatronic Systems: System Identification and Controller Design2023

    • 著者名/発表者名
      Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      2023 3rd International Conference on Robotics and Control Engineering
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] GA-Based Optimization in Mechatronic Systems: System Identification and Controller Design2023

    • 著者名/発表者名
      Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      2023 4th International Conference on Information Technology and Education Technology
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Practical Motion Control for Industrial Positioning Devices: Controller Implementation to Laser Processing Machines with World-Top Market Share2023

    • 著者名/発表者名
      Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      The 42nd Chinese Control Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High Trajectory Tracking Performance of Industrial Robots by Iterative Learning Control2023

    • 著者名/発表者名
      Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      The 7th International Conference on Automation, Control and Robots
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 外乱オブザーバの展開 振動抑制への展開2023

    • 著者名/発表者名
      岩崎誠
    • 学会等名
      電気学会産業応用部門 産業応用フォーラム リレー講義:外乱オブザーバ大全
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] GA-Based Practical System Identification and Auto-Tuning for Multi-Axis Industrial Robots2023

    • 著者名/発表者名
      Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      The 6th International Conference on Computational Intelligence and Intelligent Systems
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Rolling Friction Model-Based Initial Value Compensation in Fast and Precision Positioning for Industrial Positioning Devices2023

    • 著者名/発表者名
      Makoto Iwasaki
    • 学会等名
      The 25th IEEE International Conference on Industrial Technology
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-06-20  

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