化学繊維ロープを用いた長尺多関節ロボットアームの研究

使用化纤绳的长关节机器人手臂研究

基本信息

批准号：
21J14027
负责人：
高田敦
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology (2022)Tokyo Institute of Technology (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J14027/
关键词：
ロボットアームワイヤ駆動高強度化学繊維

项目摘要

本研究では長尺な腱駆動ロボットアームで課題となるロープの伸びに起因する関節角制御の不安定性に対処し，腱の強度だけでなく安定性を加味した長尺アームの設計を目指した．2021年度では，1)全長10 mロボットアーム基部の腱を巻きとるモータに位置制御を導入した．これによりロープの伸びを可観測となった． 2)アームの機構的特徴を活用して，腱の負担を分散させた組み合わせを求める手法を定式化した．3)ロープの剛性を考慮したアーム動力学シミュレーションを行い，特にアームの体幹が上向きの姿勢ではこの不安定性が大きく，腱弾性による関節剛性を凌駕して関節角の不安定挙動を発生させることが分かった．この成果から，当初，腱素材の選定や剛性を補う機構を長尺化方策としていたが，有効な手段とはなり難いと結論付けた．そこで，本年度から，アームの制御をダイナミクスベースト制御の枠組みで行った．これは，アームは腱の剛性によって生成されるポテンシャルに従って動くと解釈するもので，目標の姿勢がポテンシャルの谷になるように腱の巻取りを制御するものである．そして，メカ的手段では解決できない不安定性への対処として次の3つに取り組んだ．4)ロボットアームのある姿勢における安定性を指標化した．具体的には，腱の弾性によるポテンシャルとロボットアームに働く重力ポテンシャルをそれぞれ定式化し，それらの和がどれくらい凹の安定平衡点であるかを評価式とした．5)不安定な挙動が発現しない関節角経路の計画法を提案した．開始位置から目標位置までを繋ぐ10個の関節角の経路には無数の選択肢がある．この中から4)で定式化した安定性指標が損なわれないように事前に安全な経路を探索するアルゴリズムを提案した．6)ペイロード5 kgを保持した実機を用いて5)で提案したアルゴリズムによる経路で不安定な挙動なくゴール地点にたどり着けることを確認した．

在这项研究中，我们解决了由绳索延伸引起的关节角控制的不稳定性，这是长期肌腱驱动的机器人臂的挑战，旨在设计一个长臂，不仅要考虑肌腱的强度，而且要考虑稳定性。在2021财年，将位置控制引入电动机中，该电动机包裹着机器人臂底部的肌腱。这使观察绳索的延伸成为可能。 2）我们制定了一种计算组合方法的方法，其中通过使用臂的机械特征分布肌腱上的应变。 3）考虑到绳索的刚度，手臂动力学模拟考虑到绳索的刚度，发现这种不稳定性很大，尤其是当手臂的躯干向上向上，并且关节角度不稳定行为超过肌腱弹性引起的关节刚度。基于这些结果，我们最初决定使用肌腱材料和机制的选择来补偿刚度作为延长度量，但我们得出的结论是，这不是有效的措施。因此，从今年开始，在基于动态的控制的框架内进行了手臂控制。这被解释为手臂根据肌腱的刚度产生的电势移动，并控制肌腱的绕组，从而使目标姿势成为电势的山谷。然后，我们解决了以下三件事，以解决无法通过机械手段解决的不稳定性。 4）索引带有机器人臂的位置的稳定性。具体而言，制定了由于肌腱的弹性和作用在机器人臂上的重力电位引起的电势，并使用评估公式来确定凹入的稳定平衡点的总和。 5）我们提出了一种计划未表现出不稳定行为的关节角路径的方法。对于10个关节角路径，有无数的选项将起始位置连接到目标位置。其中，提出了一种算法来提前搜索安全途径，以免4）中提出的稳定性指数。 6）使用持有5公斤有效载荷的真实机器，我们确认提出的路线5）能够在不稳定行为的情况下达到目标。