圧電アクチュエータ集合体のFEMによる静的オープンループ制御
Static Open Loop Control of Connected Piezoelectric Actuators by using FEM

Abstract


 従来のオープンループ制御では、実験データに基づいたマッ ピングにより実施するのが主流であったが、実験の困難な環境下での制御、および多リンク形状を持つ系の制御などについては必然的にフィードバック制御が必要となった。また、フィードバッ ク制御を行う際には各種センサの搭載によるシステムの肥大化が免れず、高い精度は要さないが細かい動きを必要とする 医療用触手などの制御には不向きである。そこで一連の研究の中で、 未知環境下の複雑系の挙動をある程度的確に把握可能である有限要素法(FEM)を、圧電アクチュエータ集合体の制御法として使用す ることを提案した。系全体を有限要素で表現することにより、 系の中で機能を失ったアクチュエータが発生した場合でも、その 部分の有限要素の材料定数を変化させて剛性方程式を再構築する ことにより、系全体の機能を把握した柔軟な制御が可能となることが考えられる。
 圧電アクチュエータ集合体をロボットとして機能させるには、 必然的に個々のアクチュエータの動きを把握した制御が必要とな る。そこで本研究では、圧電アクチュエータロボットの基礎となる圧電アクチュエータ単体、および数個の圧電アクチ ュエータで形成される集合体のFEMによるリアルタイム制御法を開発することを目的とした。


In this paper, Finite Element Method (FEM) is proposed to apply for the real time control system of connected piezoelectric actuators, assuming an actuator as finite elements, which are mainly used in the computational mechanics field. Conventional control system has necessity to change state equations slightly, depending on the shape of the system or the quantity of the linked members. Meanwhile, FEM is capable of expressing the state of the total system by stiffness equations, and can cope flexibly with lack or disability of constituting members of the system by controlling stiffness matrices. An inverse problem theory, to calculate required electric voltage for obtaining target displacements, is applied to the control analysis of connected actuators. Noncompatible finite element, which allows in-plane bending mode by fewer numbers of elements, is used in the FEM control program to make the real time control possible. As a result, the possibility of controlling piezoelectric actuators by the newly proposed methodology has been confirmed.