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ある程度細かい動きを必要とする 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、我々
は未知環境下の複雑系の挙動を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 部分の材料定数を変化させて再び剛性方程式を組み直すことによ り、系全体の機能を把握した柔軟な制御が可能となる。
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集合体ロボット」 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。制御のリアルタイム化を可能とする ため、非適合モードの形状関数を導入して要素の面内曲げを許容した非適合四節点要素を開発し、要素数の低減化を目指した。この有限要素は、隣接要素との境界上で変位の連続性が保たれないために隙間が生じ、材料が若干軟化する傾向があるが、少ない要素数で十分使用に耐え得る精度を確保することが可能となる。本研究では、バイモルフ型圧電アクチュエータの制御電圧の算出手法として、有限要素法による単純化逆解析理論を取り入れた。
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 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 volts to obtain 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.