玉乗りロボットの周波数応答特性の測定および外乱に対するロバスト性の解明

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K04032
• 研究機関: 東北学院大学
• 研究代表者: 熊谷 正朗 東北学院大学, 工学部, 教授 (70323045)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 玉乗りロボット / 倒立振子 / 外乱応答 / 平面加振機

研究実績の概要

本研究の目的は玉乗りロボットへの外乱応答の定量評価をすることであり、本課題では床面の揺動による外乱の入力への周波数応答を得ることを目的としている。背景として、東日本大震災の際に多少の余震の揺れでは玉乗りロボットの制御に目立った影響が見られなかった一方で、特定の外乱を加えると短時間で制御が失敗し、転倒落下する、という実験的知見があった。
このために制御された平面３自由度の外乱入力、すなわち水平２方向の並進と面内の回転の揺動を可能とするパラレルリンクによる加振プレートを開発することとした。モータ・減速機からなる駆動軸にアームをとりつけ、キャスタ支持したプレートの四隅にリンクを接続する。本研究では小型のロボットから、最終的には人間が搭乗した機体までの評価を計画しているが、このアームの長さにより、加速度・速度重視の設定と大質量対応の設定を目的に応じて調整する。
まず、主要部である駆動系の設計の一環として、アクチュエータの選定と評価を行った。当初計画ではACサーボモータとハーモニックドライブからなる駆動系の開発を想定していたが、コスト高となるものの機構まわりの設計製造評価も簡素化されるインテリジェントアクチュエータを採用し、その加振目的への適応性を検証した。この方式上、減速比が高くなるため、相対的にモータロータのイナーシャの影響が出ること、モータ出力が低めになる制約はあったものの、使用可能と判断して設計を進めている。
今後、実装を行い、加振機としての動作試験と、ロボットの評価研究に移行する。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

もとより本課題の期間中に予定されていたことであるが、ほぼ半年にわたって所属機関のキャンパス移転（自実験室の引越）および全学的な教育課程の更新、キャンパス統合に伴う実務対応などに関わり、研究開発環境が停止していた。この影響を過小評価しており、見込みより大幅に遅れが生じている。年度を越してなお、環境の回復再構築作業を進めている。一方で、アクチュエータの変更検討により、機構部の設計製造に関しては期間短縮できている。

今後の研究の推進方策

前記進捗の通り、遅れが出ているが、基本設計から詳細設計を進め、まずは加振機の開発を進める。研究計画そのものについては、現時点では大きな変更を必要とは考えていないが、いまだ平常時には戻っておらず、今後の大学業務の状況によっては、研究期間の延長が必要になると考えている。

次年度使用額が生じた理由

当初予定では１年目に駆動系と、動作計測用の力覚センサの一部を購入する計画であったが、アクチュエータの変更に伴ってアクチュエータの費用が大きくなった（アクチュエータは同特性のものが複数必要であることから、先に数量をそろえた）こと、および研究計画の遅れから力覚センサの購入を本年度は見送ったことが理由である。次年度（２年目）は装置の開発を進め、それに伴いセンサの選定と調達を行う。