受動変形を許容するモジュラートラスロボットの開発と有限要素法に基づく制御
Development of a Deformable Modular Truss Robot
Abstract
宇宙探査ロボットには、ペイロードの制約から小型・軽量化が要求され、同時に様々な動作も行える必要があることから、ロボットを再構成可能なモジュラーロボットとして構成することが効果的であると考えられる。また、宇宙空間では物体が地球上より減速しにくく、衝突事故の発生頻度が高いと予想されることから、ロボットが受動変形を許容する構造を持ち、事故時の自身や衝突相手の損傷リスクを軽減することも重要である。一方、受動変形を許容するモジュラーロボットは複数開発されている が、これらは実験やシミュレーションから求めた制御入力-変形関係を用いて制御を行っている。このため、トポロジや動作、外力・自重の作用状態の数だけ実験やシミュレーションを行う必要があり、多様なトポロジや動作を実現することが困難である。この問題は、制御アルゴリズム中でロボットの力学モデルを構成し、逆解析により制御入力を算出することで解決可能であるが、使用するモデル化手法にはロボットの変形特性を考慮でき、かつ入力データの変更のみで多様なトポロジや動作に対応できるものが望ましい。本研究では、このような特徴をもつモデル化手法として有限要素法に着目した。以上の背景から本研究では、受動変形を許容する再構成可能なモジュールで構成され、有限要素法を用いて制御されるロボットの開発を目指し、1 次元伸縮モジュールで構成されるトラスロボット(Deformable Modular Truss Robot: DMTR) と、トラス要素を用いた有限要素法に基づく制御アルゴリズムを開発した。
In this paper, a deformable modular truss robot (DMTR) for space exploration, along with the control algorithm is developed. The robot can perform various tasks in various topology and consists of modules which can elongate and contract passively and actuated by electromagnets. The control algorithm is based on the finite element method, in which each module is modeled as a truss element. The algorithm computes currents for electromagnets through solving a stiffness equation. This paper also shows the optimal shape design for the electromagnet, followed by an explanation of the control experiment using developed DMTR.