柔軟ロボットアームのオンライン衝突検知と制御に関する研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14750160
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: 澤田 祐一 京都工芸繊維大学, 工芸学部, 助手 (80273548)
• Keywords: 柔軟マニピュレータ / イノベーション過程 / 衝突検知 / 最適制御

Research Abstract

機械的に柔軟な構造をもつマニピュレータ(柔軟マニピュレータ)の使用においては,外界との相互作用,例えば物体(人,物,他のロボットなど)との衝突やマニピュレータが作業対象を把持する時に生じる接触など,は避けて通ることのできない現象である.本研究の目的は,柔軟マニピュレータに対する予測できない衝突や接触を,マニピュレータの挙動の観測データを基に検知し,その情報を基に,マニピュレータを安全かつそのダメージを最小にするように停止させる制御方法を開発することである.
平成15年度は,主として次の2点を中心に研究を行った.
(1)平成14年度に開発した,イノベーション過程を用いた衝突検知法を用い,マニピュレータの制御器を位置制御から緊急停止のための制御器に切り替える方法と,緊急停止のための制御戦略の開発とシュミレーション.
(2)カルマンフィルタを用いた衝突位置の推定方法についての研究をさらに進め,推定精度の向上.
(1)については,マニピュレータの数学モデルにおける非線形項の影響が比較的小さな場合に限定することにより,線形の数学モデルで近似し,それに対応するシステム方程式とカルマンフィルタを得た.このカルマンフィルタのイノベーション過程を用いて衝突検知関数を定義し,ある閾値を超えるかどうかによって衝突のめ有無を判定する.位置制御および停止制御はともにLQG制御理論に基づき設計し,衝突検知器の出力により二つの制御器を切り替えることで,衝突時の検知と停止を達成した.
(2)については,衝突入力の挙動を推定するためのモデルを微分方程式で記述し,マニピュレータの衝突入力を推定した.モード表現した衝突入力の推定値に近い振幅を与えるような衝突位置を逐次アルゴリズムにより探索することによって,衝突位置を推定することに成功した.また,逐次アルゴリズムを改良することによりその推定精度の向上も達成した.

Research Products

• [Publications] Y.Sawada: "Detection of Collisions for a Flexible Beam Subject to Random Disturbance"Proc.of the 41st SICE Annual Conference 2002, Osaka. 268-273 (2002)
• [Publications] Y.Sawada: "Collision Detection for a Flexible Cantilever-beam Subject to Random Disturbance Based on Innovation Process"Proc.of the 2002 IEEE International Conference on Control Applications, Glasgow. 1171-1176 (2002)
• [Publications] Y.Sawada: "Collision Estimation for a Flexible Cantilevered-beam Subject to Random Disturbance"Proc.of the 34^<th> ISCIE International Symposium on Stochastic System Theory and Its Applications, Fukuoka. 183-188 (2002)
• [Publications] Y.Sawada: "Collision Detection of Controlled Flexible Structures with Random Disturbance"Proc.of the 42nd SICE Annual Conference 2003, Fukui. 2246-2251 (2003)