ツインドライブシステムの高性能化とそのモーションコントロールへの応用

氏名       大場 譲
学位の種類    博士(工学)
学位記番号    博甲第419号
学位授与の日付  平成19年3月26日
学位論文題目   ツインドライブシステムの高性能化とそのモーションコントロールへの応用
論文審査委員   主査 教 授       大石  潔
         副査 教 授       近藤 正示
         副査 助教授       野口 敏彦
         副査 助教授       伊東 淳一
         副査 慶應義塾大学教授  大西 公平

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論文目次

第1章 序論                                  1
 1.1 研究背景                                1
 1.2 研究目的                                5
 1.3 論文の構成                               6

第2章 ツインドライブシステムによる摩擦フリーモーション            9
 2.1 はじめに                                9
 2.2 ツインドライブシステムによる摩擦補償                  10
 2.3 ツインドライブシステムの諸特性                     16
 2.4 まとめ                                 20

第3章 1次共振周波数を考慮したツインドライブシステムのモデル化とその制御法  23
 3.1 はじめに                                23
 3.2 2慣性共振モデルを用いたツインドライブシステム             25
 3.3 制振制御系を利用したツインドライブシステムの広帯域化          28
 3.4 ツインドライブシステムの不平衡摩擦補償                 36
 3.5 既約分解表現を用いたロバスト速度制御系                 39
 3.6 まとめ                                 48

第4章 2次共振周波数まで考慮したツインドライブシステムの制御法        51
 4.1 はじめに                                51
 4.2 3慣性共振モデルを用いたツインドライブシステム             52
 4.3 2慣性状態フィードバックによる2次共振モードの抑圧            56
 4.4 2慣性状態フィードバックによる制振制御系の設計結果           65
 4.5 実験結果                                67
 4.6 まとめ                                 70

第5章 ツインドライブシステムを用いた摩擦フリーバイラテラルシステム      73
 5.1 はじめに                                73
 5.2 バイラテラルシステム                          74
 5.3 まとめ                                 87

第6章 既約分解表現を用いたロバスト加速度制御系                89
 6.1 はじめに                                89
 6.2 制御剛性                                90
 6.3 加速度制御系                              92
 6.4 既約分解表現を用いた加速度制御系                    95
 6.5 既約分解表現を用いたロバスト制御系のリニアモータシステムへの実装    97
 6.6 まとめ                                105

第7章 結論                                 107
 7.1 本研究による成果                           107
 7.2 今後の課題                              109

付録A 非線形摩擦特性                            111
 A.1 物体の静止時に働く摩擦                        112
 A.2 物体の動作時に働く摩擦                        113
 A.3 摩擦による問題とその補償法                      114

付録B 2慣性共振系への既約分解表現を用いたロバスト制御系を設計する際の
    注意点                                117


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論文要旨

 高性能広帯域ロボットモーション制御では、摩擦の影響の無いアクチュエータが望まれ
る。摩擦や共振の影響のないアクチュエータとして、リニアモータが近年盛んに用いられ
ているが、その可動範囲とパワーレートの問題からすべてのシステムに適用するのは困難
である。そのため通常のロボットでは減速機と回転型サーボモータが用いられるのが一般
的である。回転型サーボモータに摩擦フリーシステムを提供するツインドライブシステム
と呼ばれる機構が提案されてきた。ツインドライブシステムを用いることで、減速機を用
いた回転型サーボモータでも摩擦フリーシステムを実現できる。しかしながらその高性能
広帯域化はツインドライブシステムが共振特性を持つため難しい問題であった。本論文で
は、その問題を解決するためツインドライブシステムの詳細モデルを作成する。提案する
詳細モデルは共振現象やパラメータ誤差を考慮しているモデルであり、本モデルを用いる
ことでさらなる性能向上を見込むことができる。また本論文では作成したモデルに対し、
振動現象を抑圧する制御系を新しく提案する。本制御法によって多くのロボットシステム
に適用できる高性能摩擦フリーアクチュエータが実現可能となる。ツインドライブシステ
ムを用いた実機実験により、その有効性を検証した。
 第1章では、本研究の背景となる技術的な歴史および目的を述べ、本研究の意義、位置
づけを明らかにした。
 第2章では、非線形摩擦特性について述べ、その補償方法について述べている。非線形
摩擦がモーションコントロールに与える影響について、その摩擦の作動原理から述べ、摩
擦特性について明らかにする。またその摩擦特性を補償する制御技術について例を挙げ、
制御による摩擦補償の有効性と問題点を述べる。次に機構的に摩擦の補償を行えるツイン
ドライブシステムについて説明する。ツインドライブシステムによる摩擦補償についてそ
の基本構造と、制御方法について述べ、シミュレーション及び実験により有益性を確認す
る。
 第3章では、第2章で理想形として扱ってきたツインドライブシステムの特性について言
及する。通常ギアを用いたシステムでは、その軸剛性の低下から共振現象を起こすことが
よく知られている。本章ではツインドライブシステムを1次共振のみを持つ、2慣性系であ
るとしてモデリングを行い、その妥当性を検証する。そして提案するモデルに対してその
振動現象を押さえる制御系を提案しその有効性を確認する。また第2章においては、使用
するモータパラメータがすべて同一である前提で行ってきたが、実際にはそのようなこと
はまれであり、パラメータ誤差が摩擦補償性能に影響を与える。本章ではパラメータ誤差
がシステムに与える影響について考察し、そこでパラメータ誤差が最小となるようなツイ
ンドライブシステムの駆動法を提案する。 
 第4章では、第3章で提案した2慣性モデルをさらに詳細なモデルとし、3慣性モデルによ
るツインドライブシステムを提案する。3慣性系でツインドライブシステムをモデル化す
ることによりシステムの2次共振の影響まで考慮することができる。本章では3慣性系でモ
デリングしたシステムに対して、制御器の次数を上げずに2次共振の影響までを抑圧でき
る制振制御系を提案する。提案する制振制御系は2慣性モデルに対して設計した制振制御
系の構造と同構造をとっており、これにより制御系の次数を上げることなく、振動を抑え
ることができる。提案する制振制御系はCDM(係数図法)を応用して制御器を設計すること
で、安定度と応答速度の両方の面から設計しやすくしている。本提案法の有効性は実験に
より示している。
 第5章では、前章までに提案してきたツインドライブシステムをバイラテラルシステム
に応用する。まずバイラテラルシステムの基本的理論について述べ、制振制御を行ったツ
インドライブシステムを力帰還型バイラテラルシステムに応用することで、その有効性を
確認する。また本章では加速度制御を中心としたバイラテラル制御に関する諸理論を説明
し、その有効性について論じる。加速度制御系を中心とした諸理論の有効性をシミュレー
ションにより確認し、さらなる帯域の向上が可能であることを提示する。
 最後に第6章において本論文を総括し、提案する制御法の有効性と問題点をあげ、今後
の課題についてまとめる。
 以上の結果よりツインドライブシステムの高性能化技術を確立したことは、工学的、社
会的に意義のあるものである。


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論文審査の結果の要旨

 本論文は、「ツインドライブシステムの高性能化とそのモーションコントロールへの応
用」と題し、7章より構成されている。
 第1章では、本研究の背景となる技術的な歴史および目的を述べ、本研究の意義、位置
づけを明らかにしている。
 第2章では、非線形摩擦特性について述べ、機構的に摩擦の補償を行えるツインドライ
ブシステムについて説明している。より高性能な制御を目指し、ツインドライブシステム
の周波数特性、摩擦補償特性を示し、実験機により検証を行っている。
 第3章では、理想形として扱ってきたツインドライブシステムの共振周波数を考慮した
モデルを提案している。本章ではツインドライブシステムを1次共振のみを持つ、2慣性系
であるとしてモデリングを行い、その妥当性を検証している。提案するモデルに対してそ
の振動現象を押さえる制御系を提案しその有効性を確認検証している。また本章ではパラ
メータ誤差がシステムに与える影響について考察し、パラメータ誤差が最小となるような
ツインドライブシステムの駆動法を提案している。 
 第4章では、第3章で提案したモデルをさらに詳細なモデルとし、2次共振周波数を考慮
した3慣性モデルによるツインドライブシステムを提案している。本章では3慣性系でモデ
リングしたシステムに対して、制御器の次数を上げずに2次共振の影響までを抑圧できる
制振制御系を提案している。提案する制振制御系は2慣性モデルに対して設計した制振制
御系の構造と同構造をとっており、これにより制御系の次数を上げることなく、振動を抑
えることを可能としている。本提案法の有効性は実験により確認されている。
 第5章では、前章までに提案してきたツインドライブシステムをバイラテラルシステム
に応用している。制振制御を行ったツインドライブシステムを力帰還型バイラテラルシス
テムに応用することで、本論文の有効性を確認している。
 第6章では既約分解表現を用いた加速度制御を説明し、その有効性について論じている。
加速度制御系を中心とした諸理論の有効性をシミュレーションにより確認し、さらなる帯
域の向上が可能であることを提示している。
 最後に第7章では本論文で得られた研究成果をまとめ総括している。
 以上のように、本論文ではツインドライブシステムの新しいモデルと制御法を確立し、
より高性能なモーション制御システムを実現している。よって、本論文は工学上及び工業
上貢献するところが大きく、博士(工学)の学位論文として十分な価値を有するものと認
める。


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