Development of a Coordinate Control Scheme for an Automatic Inspection System with Different Types of Autonomous Marine Robots

不同类型自主海洋机器人自动检测系统坐标控制方案的开发

• 批准号: 21K04503
• 负责人: 平 雄一郎
• 金额: $ 1.75万
• 依托单位: Sojo University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04503/
• 关键词: 海洋ロボット; 自律ロボット; 水中ロボット; 水上ロボット; 協調動作制御; 自動点検システム; シミュレーション解析; 数学モデル; ケーブル動特性

本研究課題では、海中・海面ロボットから構成される船舶・海洋構造物の自動点検システムの実現に必要不可欠である海中・海面ロボットの協調動作制御法の開発を目指している。第一年度には、海中ロボットと海面ロボットの間に結合されたケーブルを多関節剛体リンクサブシステムとみなした海中・海面ロボットシステムの数学モデルを導出した。しかし第二年度前期において、より詳細な数値計算・解析を実施したところ、良好な近似性能を得るためにケーブルサブシステムを高自由度（多リンク・多関節）に拡張した場合には、その数学モデルは格段に複雑な構造を有するものとなり、それを用いた協調動作コントローラのリアルタイム実装は困難であることが予想された。そこで第二年度中期では、ケーブルサブシステムの数学モデルに依存しないコントローラの設計を試みた。まず海面ロボットに対しては、ケーブル張力が計測可能である点に着目し、その張力を直接補償する動作制御法を開発した。つぎに海中ロボットに対しては、張力計測が容易でないことを想定し、ケーブルの影響のために動作制御結果が芳しくないことを前提とした。そして、報告者が提案しているロボット本体の制御性能に関係なく良好な性能が得られる海中マニピュレータ（腕・手）動作制御法を応用することを着想した。具体的には、ケーブルに接続された部分（本来のロボット本体）と、点検用カメラを搭載した部分（マニピュレータ部分）から構成される海中ロボットに対し、前述の動作制御法を用いることにより、ケーブルの影響を受けずに安定した海中点検を実現する手法である。なお、その成果の一部を国際会議において公表した。さらに第二年度中・後期では、当初の計画通り、第三年度における実験解析に向けて、ロボット部品を購入し、実験準備に着手した。

本研究项目旨在开发一种水下和水面机器人的协作运动控制方法，这对于实现水下和水面机器人组成的船舶和海上结构物自动检测系统至关重要。第一年，我们推导了水下/水面机器人系统的数学模型，其中连接水下机器人和水面机器人之间的电缆被视为铰接刚性连接子系统。然而，在第二年上半年，我们进行了更详细的数值计算和分析，发现当将电缆子系统扩展到高自由度（多链路/多关节）以获得良好的近似性能时，该模型的结构要复杂得多，预计使用它的协作控制器的实时实现将会很困难。因此，在第二年中期，我们尝试设计一个不依赖于电缆子系统数学模型的控制器。首先，对于海面机器人，我们关注电缆张力可以测量的事实，并开发了一种直接补偿该张力的运动控制方法。接下来，对于水下机器人，我们假设张力不容易测量，并且由于电缆的影响，运动控制结果会很差。然后，我们提出了应用演示者提出的水下机械臂（臂/手）运动控制方法的想法，无论机器人本体的控制性能如何，该方法都提供了良好的性能。具体而言，通过使用上述的水下机器人的运动控制方法，该水下机器人由连接到电缆的部分（原始机器人本体）和配备有检查摄像机的部分（机械手部分）组成，该方法使得电缆能够在水下稳定地移动。检查不受影响部分结果在国际会议上公布。而且，第二年中下半年，按照原计划，采购了机器人零部件，开始做实验准备，为第三年的实验分析做准备。

项目成果

Modeling and control of an underwater robotic system composed of two different types of autonomous vehicles

由两种不同类型的自主航行器组成的水下机器人系统的建模和控制

• 发表时间: 2022
• 作者: Taira Yuichiro;Sagara Shinichi;Oya Masahiro
• 通讯作者: Oya Masahiro

Motion and force control with a linear force error filter for the manipulator of an underwater vehicle-manipulator system

使用线性力误差滤波器对水下航行器-机械手系统的机械手进行运动和力控制

• DOI: 10.1007/s10015-021-00708-9
• 发表时间: 2021-10-29
• 期刊: Artificial Life and Robotics
• 影响因子: 0.9
• 作者: Y. Taira;S. Sagara;M. Oya
• 通讯作者: M. Oya

Design of a motion and force controller with impedance error for an underwater vehicle-manipulator system with a differently-controlled vehicle

具有不同控制的水下航行器-机械臂系统的具有阻抗误差的运动和力控制器的设计

• 发表时间: 2023
• 作者: Taira Yuichiro;Sagara Shinichi;Oya Masahiro
• 通讯作者: Oya Masahiro