並列的解法を用いたロボット機構のフィードフォワード制御
Feed-Forward Control of a Robotic Mechanism Using Parallel Solution Scheme

Abstract


 近年様々な分野でロボットの研究が進んでいる。ロボットは日々進化を続けており、人間生活において身近な存在となる日も近いと思われる。しかし、ロボットに高速で複雑な動作をさせようとする際、遠心力やコリオリ力など非線形力項の影響が無視できなくなる。したがって、安定した制御を行うためには、これらの非線形力項を考慮したトルクをフィードフォワード的に入力することが有効となる。
 従来は、ニュートン・オイラー法などを用いて動力学方程式を導出し、逆動力学計算を行ってきた。導出される動力学方程式はトルクの厳密解を得ることができるが、各リンクの情報が相互に依存し合うため、方程式は系固有のものとなる。そこで、系の自由度数が多くなればなるほどその動力学方程式は長く、かつ複雑なものになってしまい、解の算出が困難になってしまう。
 一方、連続体力学に基づく数値解析手法として広く用いられている有限要素法(FEM)は、一般的に絶対的な直交座標系に基づいて定式化され、系全体を微小要素に離散化し、それぞれの情報を全体方程式に集約して解を求めるという手法である。この特徴を利用し、並列的に求められた節点力を力学的な関係に基づいて関節トルクに変換する並列的逆動力学計算法(以降,並列的解法と記す)が開発された。本解法の節点力‐トルク換算式では、節点力に関する成分、座標変換に関する成分、部材の長さに関する成分が個々のマトリックスに分割されて表現されるため、機構の変化に対しても入力データの変更により柔軟に対応することができる。また、柔軟リンク系や枝分かれリンク系など、複雑なダイナミクスを有する系に対しても適用可能であることが確認されている。しかし、その適用例は実験用のリンク系に留まっていた。
 そこで本研究では、並列的解法の実用性を高めることを目的とし、実際のロボット機構のフィードフォワード制御に適用した場合の有効性について検証した。


In this paper, the parallel solution scheme is applied to the inverse dynamics computation of a robotic mechanism, and is implemented into a control system. This paper explains the process of the joint torque calculation by the parallel solution scheme and the outline of the robotic mechanism. Some control experiments are carried out on the robotic mechanism, with feed-forward plus feedback control, in comparison with single feedback control system. The results indicate the validity of the parallel solution scheme in feed-forward control of actual robotic mechanism.


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