有限要素法を用いた動力学シミュレータの開発

Development of Dynamics Simulator using Finite Element Method

Abstract

　近年，ロボット産業の発展に伴い，宇宙空間や被災した原子力発電所内など，人間が作業を行うには危険な場所で運用されるロボットの要求が高まっている．しかし，このようなロボットを開発する上で，実験環境を構築することは困難である．一方で，計算工学の発展により，計算機上で構造解析や動力学計算を行い，実機での動作を再現することが可能となった．これにより，無重力空間などの実験環境を再現することが困難な場合でも，高度な要求に対応したロボットを開発・検証することができる．一般に知られる動力学シミュレータとしては，DADS，ADAMS等の市販されている汎用の機構解析ソフトや従来の順動力学計算を基に開発された動力学シミュレータがある．前者は様々な機構を汎用的に計算できる反面，計算コストが高いという特徴がある．また後者は，厳密解に従うため計算コストが低く精度も高い反面，部材の剛性は別に取り扱う必要があるという特徴がある．本研究では，リンク機構を有するロボットへの適用を想定して3次はり要素を用いた動力学シミュレータを開発し，その妥当性について検証・評価を行うことを目的とする．3次はり要素は，微小変形領域では1部材1要素で曲げ変形に対して高精度な解を得られるため，少ない計算コストで剛性を考慮したシミュレーションが可能と考えられる．本研究では，その基礎段階として，与えたトルクに対し目標軌道通りに動作を実現していることを確認する．具体的には，剛性と減衰を考慮しない剛体リンク系の実機をモデル化し，動作解析を行い，結果を目標軌道および実験結果と比較することで再現性を確認する．

The purpose of this study is to develop a dynamics simulator using the finite element method based upon a beam element and to investigate its validity. It is confirmed that the analysis of a rigid link system is enabled with small calculation cost as an advantage of using this simulator. The analysis code uses a finite-element analysis code of an existing framework structure. First of all, a rigid link system activated in the horizontal plane is modeled and analyzed when torque is given. Then, it is confirmed that the simulator works efficiently by comparing the analysis result with a target motion. It is confirmed from the result that a precise solution of the motion can be achieved.