ロボットにおける特定部位の運動エネルギを最大化する慣性と弾性のエネルギ分配計画法

最大化机器人特定部位动能的惯性和弹性能量分配规划方法

基本信息

批准号：
12J03085
负责人：
本堂貴敏
金额：
$ 1.73万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J03085/
关键词：
直列弾性要素非線形力学多関節ロボット制御時間反転積分法

项目摘要

本年度は、前年度に提案した、関節を駆動するモータと駆動される慣性との間に弾性要素を持つシステム（以下直列弾性関節システム）における「時間反転積分法」の、重力の影響を受けるシステムへの拡張と本アルゴリズムの様々な構成のアーム型ロボットによる実証的検証を行った。時間反転積分法は、投擲・蹴球・打撃運動などの「非周期スイング運動」において、系の力学的エネルギを単調に増加させながら、かつ目標とする終端状態（投擲運動では投擲対象リリース時の姿勢・速度など）を実現するための制御入力時系列の計算法である。このアルゴリズムでは、通常の運動方程式を時間反転させたシステムに対して、エネルギを減らすような制御入力関数を適用することで、初期状態として実現可能な速度がほぼ0の状態から目標とする終端状態までの軌道および制御入力を計算する。このとき、「エネルギを減らすような制御入力関数」をいかにして設計するかが重要である。本年度は、重力も含めた平衡位置を基準とするエネルギを考慮した制御入力関数の設計により、重力や弾性要素を最大限活用しながら目標とする終端状態を実現するアルゴリズムを提案した。本手法では、まず重力トルクと弾性トルクの符号に応じて平衡点の移動速度を仮決定し、それを平衡点移動速度をモータ速度に変換する。この段階ではモータの動特性や電源電圧などを考慮していないため、実際には実現不可能なモータ速度が計算され得る。これらを考慮し、実現可能なモータ軌道および入力電圧時系列を計算する。本手法により、2関節アームによって重力を活用した投擲運動が可能であることを実験的に示した。また、重力を考慮することによって3次元的な運動も可能となる。3自由度直列弾性関節アームによるアンダースロー運動や打撃運動を実現し、重力・弾性要素だけでなく多関節システムの非線形な動特性（遠心力など）を活用できる可能性が示唆された。

今年，我们将介绍一种在驱动关节的电机和驱动关节的惯性之间具有弹性元件（以下简称串联弹性元件）的系统中，使用“时间反转积分法”受重力影响的系统。关节系统），我们在去年提出了这个算法，并使用各种配置的臂型机器人进行了实证验证。时间反转积分法用于在投掷、踢球、击球等非周期摆动运动中单调增加系统的机械能，同时确定目标终端状态（在投掷运动的情况下，投掷物体释放时的姿势）。・这是一种计算控制输入时间序列以实现速度等的方法）。在该算法中，通过将减少能量的控制输入函数应用到正常运动方程时间反转的系统，可实现的速度从几乎为 0 的初始状态变为目标终端状态，计算轨迹并进行控制。输入最多。这时，如何设计“降低能量的控制输入功能”就很重要了。今年，我们提出了一种算法，通过设计考虑基于平衡位置（包括重力）的能量的控制输入函数，在最大限度地利用重力和弹性元件的同时实现目标最终状态。该方法首先根据重力力矩和弹性力矩的符号初步确定平衡点的移动速度，然后将平衡点移动速度转换为电机速度。在这个阶段，没有考虑电机的动态特性、电源电压等，因此可能计算出实际上不可能达到的电机速度。考虑到这些，我们计算了可实现的电机轨迹和输入电压时间序列。使用这种方法，我们通过实验证明可以使用两关节臂利用重力来执行投掷动作。此外，考虑到重力，三维运动也是可能的。利用三自由度串联弹性关节臂可以实现下翻运动和冲击运动，不仅利用重力和弹性元件，还利用多关节系统的非线性动态特性（如离心力）力量）。

项目成果

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Kinetic Energy Maximization on Elastic Joint Robots Based on Feedback Excitation Control and Excitation Limit Hypersurface

基于反馈激励控制和激励极限超曲面的弹性关节机器人动能最大化

DOI：
发表时间：
2013
期刊：
Journal of Robotics and Mechatronics
影响因子：
1.1
作者：
M. Matsumoto;Y. Masao;H. Imanishi;T. Shindo ;T. Yamada;K. Izui;S. Nishiwaki;尾木野弘実;尾木野弘実;Takatoshi Hondo and Ikuo Mizuuchi
通讯作者：
Takatoshi Hondo and Ikuo Mizuuchi

重力・弾性ポテンシャルエネルギを考慮したフィードバック励振制御系の解析

考虑重力和弹性势能的反馈励磁控制系统分析