機構と制御系の最適設計を指向した低重心型同軸平行二輪ビークルの開発

以机构和控制系统优化设计为目标开发低重心同轴并联两轮车

• 批准号: 22K14209
• 负责人: 佐郷 幸法
• 金额: $ 1.83万
• 依托单位: National Institute of Technology, Toyota College
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14209/
• 关键词: 同軸平行二輪ビークル; 移動ロボット; 重心移動; 姿勢制御; メカトロニクス; 機械力学

申請者はこれまでに，車両の走行制御には車輪の駆動力を用い，車体の倒立制御にはビークルの重量物を重りとして移動させる重心移動を用いる「低重心型同軸平行二輪ビークル」を開発している．低重心型同軸平行二輪ビークルは経験的・実験的に製作されてきたため，様々な用途に適用を拡大するには仕様に合わせて寸法や重量，重心位置の制限，重心移動を行うアクチュエータなどの機構を最適に設計する必要がある．また，申請者のこれまでの研究において，本ビークルの機構だけでなく搭乗者や搬送物の寸法や質量，重心位置の違いにより，車体揺動の減衰比や固有角周波数などの挙動特性がそれぞれ異なることが明らかになっており，搭乗者や搬送物を含めた本ビークルの挙動特性の変化に対応した最適な制御系設計が必要である．令和4年度では，搭乗者や搬送物に相当する重りを様々に変更できる機構を低重心型同軸平行二輪ビークルに構築した．従来研究では，移動方向と同一方向の1軸駆動で重りを移動させて重心位置を変化させた. 本研究では，ビークルの移動方向である前後方向に加えて上下方向の駆動を増加させた2軸方向に駆動可能な「2自由度重心移動機構」を構築した．前後方向の移動はラックギヤとピニオンギヤ, 上下方向の移動はボールねじをそれぞれ使用し，DCギヤードモータを接続して駆動させる．重りの位置は高分解能のロータリエンコーダにより計測可能である．令和4年度に開発した「任意の質量の重りを任意の位置に設置可能な機構」と様々に変更可能な重りを使用することで機構や制御系の最適設計の条件に与える影響を定量的に評価することが可能になった．また，有線操作のケーブルが車体の揺動に与える影響を考慮して，無線による遠隔操作システムを構築した．

申请人目前已开发出一种“低重心同轴两轮车”，利用车轮的驱动力来控制车辆的行驶，并利用重心移动来移动车辆的重物作为配重，以实现车辆的行驶。控制车辆的倒转。低重心同轴并联两轮车辆已经通过经验和实验生产出来，因此为了将其应用扩展到各种用途，有必要限制尺寸、重量、重心位置以及移动车辆的执行器等机构。有必要根据规格进行优化设计。另外，在申请人之前的研究中发现，不仅由于该车辆的机构不同，而且由于尺寸、质量的差异，导致车体摇摆的阻尼比和自然角频率等行为特性发生变化。 ，以及乘客和运输物体的重心显然存在差异，因此有必要设计一个适应该车辆（包括乘客和运输物体）行为特征变化的最佳控制系统。 2020 财年，我们在低重心的同轴平行两轮车辆中构建了一种机构，使我们能够以各种方式改变与乘客和运输物体相对应的重量。在之前的研究中，通过使用单轴驱动器沿与车辆运动方向相同的方向移动配重来改变重心位置。在本研究中，除了纵向方向外，我们还增加了垂直方向的驱动器，这是车辆运动的方向2。我们构建了一个可以沿轴向方向驱动的“2自由度重心运动机构”。纵向运动采用齿条和小齿轮，垂直运动采用滚珠丝杠，连接并驱动直流减速电机。可以使用高分辨率旋转编码器测量重物的位置。通过使用2020年开发的“可以将任意质量的重物放置在任意位置的机构”和可以以各种方式改变重物的机构，我们将定量评估对机构和控制系统的最佳设计条件的影响现在可以评价了。此外，考虑到有线控制电缆对车辆摇摆运动的影响，我们构建了无线遥控系统。