スーパーメカノシステム:制御と機構の融合による新機能創出

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09CE2004
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 古田 勝久 東京工業大学, 大学院・情報理工学研究科, 教授 (10016454)
• 研究分担者: 長松 昭男 東京工業大学, 工学部, 教授 (70016640) ; 美多 勉 東京工業大学, 工学部, 教授 (60092102) ; 原 辰次 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (80134972) ; 小野 京右 東京工業大学, 工学部, 教授 (40152524) ; 廣瀬 茂男 東京工業大学, 工学部, 教授 (70108215)
• キーワード: Super-mechano System / Control System / Design of New Mechanisms / Integrated Design of Control and Mechanism / Function Model / Quadruped Robot / Space Robot / Non-holonomic System

研究概要

21世紀に向けて開発すべき機械システムは,産業の発展と福祉に貢献し,さらに,環境保全も考慮した人類にとって真に有益なものでなくてはならない.本COEではこのような機械システムを「スーパーメカノシステム(Super Mechano-System,SMS)」と呼び、それを「目的に合わせて、高い機能・性能を実現するように自己組織的に形態を変えることのできるマシン」と定義した.そして、先端機械技術と先端制御技術の有機的結合により、制御系を考慮した機械システム設計学の構築,新しい要素技術の導入,新しい動的機能設計理論の構築,などの研究を推進し,SMSの設計理論の体系化と具体的開発を遂行することを目的としている。より具体的には、環境適応機能を持つ超冗長自律分散型機械システムの開発(サイバーメカニズムの開発)、新機能機械要素の創出(ネオファンクションの創出)、機械システムの動的機能設計理論の体系化の3つを研究の柱として研究を実施し、最後にそれらの成果をスーパーメカノシステム学として体系化するものである.各サブグループでの本年度の主たる研究経過は以下の通りであり,概ね予定通りに進行している.
1.サイバーメカニズムの開発
冗長自由度度を有する機構として、歩行型、群型、蛇型、腕型の機構をとりあげ、その機構と制御に関して研究を進めてきた。歩行型機構については環境適応機能を持ち、地雷探索・撤去,急傾斜地での建設作業などを行う4足歩行ロボットを取り上げ、その機械構成法と制御原理を開発し、第1次モデルの試作を行い、有用性を確認した。群型機構に関しては協調型自律分散作業を行なう6車輪型車両と蝶番型の二つの群ロボットの設計を行い、不整地走行、回転移動という二つの機能をもつSMSを開発した。腕型機構に関しては、超冗長機械の制御を分布定数系として扱う場合の安定化制御則を導出し、柔軟アームの実験にてその有効性を確かめるとともに、宇宙ステーション用超冗長多関節ロボットの基本設計を行った。
2.ネオファンクションの開発
宇宙船の姿勢制御装置、手の平操り機構をノンホロノミック拘束系制御という観点から開発し、さらに、ノンホロノミク拘束系の制御則の展開という観点から鉄棒の大車輪運動の最適軌道解析を行った。また、固有モード自励駆動による調和運動制御機能の実現という目的の下で、非対称フィードバック制御法を提案し、揺動型水上推進機構と2足ロボットの自律歩行制御に適用し、シュミュレーションによってその有効性を確かめた。歩行型ロボットに走行、ジャンプ機能を備えるため、衝突方程式を基礎にしたインパルス制御というものを提案し、ジャンプ可能な4足ロボットの1号機を試作した。さらに、受動性の立場から複数台のロボットアームシステムの協調制御システムを完成した。更に、複数台移動ロボットシステムからなるノンホロノミック系の制御方式も開発中である.
3.動的機能設計理論の体系化
構造と制御系の同時設計の基礎理論として、機械システムの共振/反共振周波数、極、および零点に着目し、それらが制御性能の限界とどのような関係にあるかを調べ、反共振-共振パターンの方が共振-反共振パターンよりも性能がよいことを明らにするとともに、同時設計や別途提案している同相制御の意義について検討した。また、センサやアクチュエータが分布的に与えられるような理想的な機構を想定し、最適制御を実現していくために本質的に必要となるセンサ分布およびアクチュエータ分布を検討した。一方、新機能を創出する機械を設計するためには、実体がなく構造も決まらない段階でも機能を検討し、最適化するためのモデルがしばしば必要である。そこで、機能モデルという新しい概念を提唱し、これを使うと構造から離れた機能の表現が可能となること、機能が同一ならば異なる物理系が同じ方法で表現できることを、適用事例により示した。

研究成果

• [文献書誌] 広瀬茂男: "完全自律型索状能動体“ACM-R1"の開発" ロボティクス・メカトロニクス講演会'97講演論文集. 309-310 (1997)
• [文献書誌] 広瀬茂男: "地雷撤去作業を行う作業型4足歩行ロボット用マスタ・スレイブアームの開発" ロボティクス・メカトロニクス講演会'97講演論文集. 893-894 (1997)
• [文献書誌] 広瀬茂男: "新しいロボットメカニズムの創造(機能効率向上化設計の事例)" ロボティクス・メカトロニクス講演会'97講演論文集キ-ノート. 1239-1242 (1997)
• [文献書誌] 広瀬茂男: "生物型多関節マシン(SMS snake-robot)の研究" 第12回「大学と科学」公開シンポジウム論文集. 26-28 (1997)
• [文献書誌] 小林彬: "適応型計測システムの構成論" 計測と制御. 36・7. 472-475 (1997)
• [文献書誌] Yoshiki MATSUO: "A Wheel-Shaped Multi-Actuator System as a Test Bed for Autonomous Decentralized Motion Control" 電気学会論文誌C分冊. 117C・12. 1840-1847 (1997)
• [文献書誌] 松尾芳樹: "YJBKパラメトリゼーションに基づく完全並列型マルチコントローラシステム-アクティブキャブサスペンションへの適用の検討-" 計測自動制御学会論文集(投稿中). (1998)
• [文献書誌] Fumitoshi MATSUNO: "Experimental Study on Robust Force Control of a Flexible Arm with a Symmetric Rigid Tip Body" Proc.IEEE Int.Conf.on Robotics and Automation. (1997)
• [文献書誌] Fumitoshi MATSUNO: "Optimal Path Planning of Two Manipulators of a Space Robot with Considering Obstacles" Proc.2nd Asian Control Conference. 445-448 (1997)
• [文献書誌] Fumitoshi MATSUNO: "Distributed parameter control of large space structures with lumped and distributed flexibility(A Case Study of Two Flexible Beams Connected by a Spring)" Proc.IEEE Int.Conf.on Decision and Control. 269-274 (1997)
• [文献書誌] 小野京右: "自励駆動による2足歩行運動の創成" 日本機械学会第75期通常総会講演会講演論文集. (1998)
• [文献書誌] 小野京右: "揺動アーム機構の固有振動モードの同相化設計によるヘッド位置決め機構の高帯域化" 日本機械学会論文集(4月号掲載予定). 64・C-620. (1998)
• [文献書誌] Kyosuke Ono: "Inphase Design of the Two Lowest Natural Modes of vibrations of Swing-Arm for High Frequency Bandwidth Head Positioner" Proceedings of the International Conference on Micromechatronics for Information Equipment(MIPE'97). 44-49 (1997)
• [文献書誌] Tsutomu Mita: "Analysis and Design of Running Machines by Impulsive Control" TITech COE/Super Mechano-Systems Workshop '98(発表予定). (1998)
• [文献書誌] Tsutomu Mita: "Extended H_∞ control Solving H_∞ servo and estimation problems" Proc.of 36th IEEE Conference on Decision and Control. 4653-4658 (1997)
• [文献書誌] Tsutomu Mita: "H_∞ Control vs DisturbanceObserver Based Contol" IEEE Trans.IE(掲載予定). (1998)
• [文献書誌] Tsutomu Mita: "Invertible Systems Based on a Direct Design of Interactors" 37th IEEE Conference on Decision and Control,to appear. (1998)
• [文献書誌] Mitsuji Sampei: "A Control of a Class of Nonholonomic Systems Subject to Velocity Constraints Using Acceleration Inputs" AACC Proc.of1997 American Control Conferenc. 2301-2302 (1997)
• [文献書誌] Masaki Yamakita: "An Extension of Passive Field Control to Cooperative Multiple Manipulator Systems" Prof.IROS'98. 11-16 (1997)
• [文献書誌] 山北昌毅: "Passive Velocity Field Controlを用いた複腕協調制御" 電気学会論文誌C分冊. 21-28 (1998)
• [文献書誌] Masaki Yamakita: "Decentralized Cooperative Controller for Multiple Robotic Systems Based on Passive Velocity Field Control" Proc.of ISIAC'98. (to appear). (1998)
• [文献書誌] 大熊政明: "MatLab プラットフォームによる実験的特性行列同定法システムプログラム(Ver.1)の開発" 日本機械学会機械力学計測制御部門講演会D&D97. 97-10-A. 22-25 (1997)
• [文献書誌] 大熊政明: "実験的特性行列同定法の開発(開発理論と基礎的検証)" 日本機械学会論文集C編. 63・616. 4171-4178 (1997)
• [文献書誌] Masaaki Okuma: "Experimental Spatial Matrix Identification Method(Presentation of Current Theory and Fundamental Verification)" Proceedings of the 5th International Congress of Sound and Vibration. 1555-1562 (1997)
• [文献書誌] 大熊政明: "モード指示関数によるモード減衰比の近似推定" 日本機械学会論文集C編. 63・616. 4166-4170 (1997)
• [文献書誌] Shinji Hara: "Relating H_2-and H_∞-Norm Bounds for Sampled-Data Systems" IEEE Trans.on Automatic Control. 42・6. 858-863 (1997)
• [文献書誌] 長松昭男: "製品開発のための新しいモデル化手法(機能モデルの基本概念)" 日本機械学会論文集、C編,. (掲載決定). (1998)
• [文献書誌] Tetsuya Iwasaki: "Critical Open-loop Properties for Closed-loop Performance" Proc.Titech COE/SMS Workshop. (発表予定). (1998)
• [文献書誌] Tetsuya Iwasaki: "Robust Stability Analysis with Quadratic Separator:Parametric Time-varying Uncertainty Case" Proc.IEEE Conference on Decision and Control. 5. 4880-4885 (1997)
• [文献書誌] Tetsuya Iwasaki: "The Dual Iteration for Fixed Order Control" IEEE Transactions on Automatic Control,. (to appear). (1998)
• [文献書誌] Tetsuya Iwasaki: "Well-posedness of Feedback Systems:Insights into Exact Robustness Analysis and Approximate Computations" IEEE Transactions on Automatic Control,. (to appear). (1998)