Control of Link Mechanism by Using FEM


 環境や作業条件の変化に伴い、制御システムのソフトウェアは変えずにハードウェアのみを様々な形状に再構成する、ロボットの並列制御が近年注目を浴びている。このような環境に対する適応性に優れたロボットシステムの概念はParallel Roboticsと呼ばれ、宇宙、海中、採鉱、建築などの作業状況が時々刻々変化する場での応用が期待されている。これは、システムの小サイズ化のみならず、遠隔操作中に一部の要素が機能を失ったとしても全体系の機能が維持できる、高い冗長性を持つことが大きな特長である。 ニュートン・オイラー法やラグランジュ法などにより運動方程式を導出し、それを使用する従来の制御システムでは、系の形状およびリンク部材の数量などによって運動方程式が変わるため、例えば系の一部が故障した場合、ソフトウェア内の記述を大幅に変更する必要がある。一方、連続体力学に基づく数値解析手法として多用される有限要素法は、系全体を微小要素に離散化して解を求めるため、データを再入力するのみでハードウェアの構成変化に柔軟かつ容易に対応することが可能である。中でも、骨組構造の有限要素解析においてその有効性が立証済みで、数値積分点をあらかじめシフトすることにより塑性ヒンジを正確な位置に表現することが可能なShifted Integration法[1](以下、SI法)は、塑性ヒンの代わりに半剛節を表現すれば、マニピュレータなどのリンク機構の挙動解析に応用可能となる。  本研究では、任意の目標軌道からサーボモータに要求される必要トルクを算出する、SI法を用いた逆解析手法を提案した。さらに、単純なリンク機構に対するシミュレーションを実施し、FEMの制御手法への適用の可能性について検証した。

In this paper, Finite Element Method (FEM) is proposed to apply for a control system of link mechanism. The equations of motion conducted by Newton-Euler method need to be changed when the shape of the system or the quantity of the linked members is suddenly changed in the control process. Meanwhile, as the whole system is considered as a continuum and subdivided into discrete elements in FEM, the control software using FEM become capable of expressing lack or disability of constituting members of the system only by changing input data. Particularly, by applying so called the Shifted Integration technique, a simple link structure of a half pin joint and a rigid bar can be expressed simply by shifting a numerical integration point in a linear Timoshenko beam element.  An inverse problem theory using the Shifted Integration technique is described in this paper along with a simple simulation result. A possibility of using FEM in the field of Parallel Robotics is suggested.

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