Abstract
従来のロボットは、そのほとんどが剛体と剛体とをジョイントで接続し、モータを駆動源として動かすため、反応が鈍く、動作がぎこちないといった欠点をもつ。そこで本研究では、高速反応性を示す圧電アクチュエータを多数連結することにより、従来のロボットでは難しかった滑らかな動きをする圧電アクチュエータ集合体ロボットの開発を目指し、その基盤となる圧電アクチュエータ集合体モジュールのリアルタイム制御法の開発をおこなう。制御法としては、主に構造や流体などの数値解析をおこなう手法として用いられるFEM（有限要素法）を使用する。FEMを使用することにより、個々のアクチュエータを有限要素で離散化し、剛性マトリックスに個々の情報を盛り込むことによって全体の挙動を把握することが可能であり、不慮の故障などに対処する冗長性をもたせることができる。しかしFEMは、一般的には要素数の細分化により解の精度を高める必要があるため、リアルタイム処理には不適当である。そこで、曲げ型の面内変位モードを含むことで、少ない要素数でも精度の良い解が得られる非適合要素を導入し、解析時間を短縮しリアルタイム性を実現した。
前報告では、圧電アクチュエータに印加される電圧が大きくなるにつれてヒステリシス（履歴）の影響が生じ、目標変位の追従性に若干誤差が生じた。そこで本報告では、実験的考察から時間依存性のあるクリープ、残留変位の経験式を導出し、それをFEMによる逆解析アルゴリズムと融合させることにより、リアルタイム性を損なうことなく材料特性を精度良く考慮した。
In this paper, the Finite Element Method (FEM) is proposed for application to an optimum real time control system of connected piezoelectric actuators, assuming an actuator as finite elements, which are mainly used in the field of computational mechanics. The FEM is capable of expressing the state of an entire system by stiffness equations, and can cope flexibly with lack or disability of constituent elements of the system by controlling the stiffness matrices. An inverse analysis program using the FEM, combined with the empirical formulae considering time-dependent characteristics of the piezoelectric material, is implemented into an optimum control system. The system is verified by the experiments on quasi-static displacement control of connected piezoelectric actuators. The results show the possibility of highly accurate, real-time control of the actuators using the FEM.