| 研究課題/領域番号 |
18K04017
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| 研究機関 | 岐阜大学 |
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研究代表者 |
川崎 晴久 岐阜大学, 工学部, 特任教授・名誉教授 (40224761)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 昇降ロボット / 不静定問題 / 姿勢制御 / 枝打ちロボット |
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| 研究実績の概要 |
円筒昇降ロボットは、街路灯や電柱等の点検ロボット、森林での枝打ちロボット等幅広い応用がある。自重を利用した昇降ロボットが細りのある円筒を昇ると、細りの影響でロボットの姿勢が変化し、点検や作業が困難となる。この解決のため、上下の車輪間の水平距離を調整する1自由度アームによる姿勢調整機構を設け、下部は姿勢のＰＩＤ制御、上部は下部位置のＰＩＤ制御による姿勢調整法が考案した。しかし、自重を利用した昇降ロボットは、車輪と円筒との接触点での抗力や摩擦力が一意に定まらない不静定問題を抱えているため、昇降中の姿勢調整時に過大な抗力が不規則的に発生し、姿勢調整が困難となる状況が生じていた。
本研究は、この不規則的に生じる過大な抗力の発生の原因を解明し、その解明に基づいて原理的に過大な抗力が生じない姿勢制御を研究することを目的としている。本年度は、その現象を実験室内の細りのある円筒を対象に、静止状態から姿勢調整を行った。その結果、静止時においても制御入力が大きくなるが姿勢が変化しない現象が生じることを確認した。また、制御法をPD制御とすると、過大な抗力の発生は抑制できた。しかし、姿勢角度の誤差が大きくなった。このため、PID制御法が過大な抗力の発生の要因といえる。
自重を利用した昇降ロボットの関連研究として、チェンソーを搭載し螺旋昇降しながら枝打ちする枝打ちロボットへの応用を検討している。通常、チェンソーは直動により枝打ちするが、周回運動中の枝打ちでは切口をチェンソーバーで切り開く力が必要となる。この切り開く力を低減するため、枝に対するチェンソーの最適な設置角度を解析し実験検証した。その結果、従来法と比較し1/4程に低減できた。この結果は、国際会議CEMD2018で講演発表した。
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| 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
平成３０年度は、静止時での姿勢制御を考察するとしていた。室内実験で、静止時に姿勢に初期角度を与え、目標角度0度とすると、はじめは機体が回転することで姿勢調整したるが、途中から目標姿勢に至る前に回転が停止した。実験観察と力学的釣り合い式から、2次元モデルでは、（鉛直方向の車輪間距離／円筒外径）が摩擦係数より小さいときは、常に抗力が増大し、姿勢調整ができなくなることが判明している。その逆のときは、実験では抗力が増加するときと増加しないときがあり、この関係はPID制御法が関係していることが明らかになった。これまでのPID制御は、下部のアームを姿勢角度のPID制御、上部アームを下部アーム角度のPID制御としていた。このため、姿勢制御により下部アームが円筒軸に近づきすぎると、上部アームは円筒表面で車輪が接触して動きが制限され、その結果として大きな入力となっても、姿勢は変化せず大きな抗力が生じていると考える。このため、制御法の改良が必要である。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成３１年度は、二つの制御法を検討する。第一の制御法は，上部アームは下部アームとの角度差のPID制御とし、下部アームは姿勢誤差のみならず上部アームとの角度差を含めたPID制御とする改良PID制御法である。姿勢誤差と角度差のそれぞれの積分ゲインの大小関係により挙動が変化すると予測している。第二の制御法では、上部アームは下部アームとの角度差のPID制御とし、下部アームは上部アームとの角度差のPD制御とする混合PID制御法である。円筒軸とロボット機体中心軸の位置ずれが生じる可能性があるが、過大な抗力は生じない手法である。二つの制御法について、2次元モデルでの解析で有効性の確認後に実験検証する。
平成３２年度は、昇降中における姿勢制御を考察する。接触点では昇降に必要な接線力が加わり、円筒と車輪との間に滑りが生じやすくなるが、抗力が増加すると増加しないときがあり。こうした関係を解析的にあきらかにする。姿勢制御の高精度化と円筒軸と中心軸の位置づれがないことも求められる。姿勢誤差を漸近的に零に収束させながらも抗力が増加しない姿勢制御法を明らかにする。
なお，アームによる姿勢制御のみでは困難なときは、上下の車輪の速度制御との協調による昇降ロボットの姿勢制御を研究する。上下の車輪に速度差を与えると、昇降ロボットが直動上昇と回転の運動の合成により抗力の増加を抑えられる。
さらに、昇降ロボットでは、円筒の突起物との衝突が生じることがあり、この回避が求められる。ロボットの全周に画像センサを設置して突起物を検知する方法は、高価であり直射日光の影響で検出できないときがある。そこで、センサレスのロボット外乱オブザーバによる突起物との接触力と接触位置の推定法を研究する。これまで、外乱オブザーバを用いて接触位置を推定する研究はなく、本課題は昇降ロボットにおけるインテリジェント制御の重要な関連研究である。
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