Development and Experimental Validation of Nonlinear Control Theory for Tower Cranes

タワークレーンの制御には、安全性を維持し、高速・正確な吊り荷の位置決めを実現しつつ、過渡時の吊り荷の振動と残留振動を抑制することが重要であるが、その滑車の並進運動とアームの回転運動のみで、非駆動である吊り荷の位置決めと揺れの制御に多くの挑戦的課題がある。本年度では、以下の主な研究成果を挙げた。１．旋回式クレーンの振れ止め制御：旋回式クレーンを対象とし、先行研究と異なり、線形近似をせずに、その非線形動特性や構造を活かした非線形制御則に関する設計・解析法を構築し、その妥当性・有効性を実機実験により実証している。２．nリンク振子型クレーンシステムの振り止め制御：nリンク振子型クレーンシステムの振り止め制御問題において、クレーンシステムの全機械エネルギーを分解し、受動性特性を持つ新しいエネルギーを構築することで、駆動トロリーと非駆動nリンク振子間の結合を強化する振り止め制御則を提案し、トロリーの位置決めとnリンク振子の揺れ制御の目標達成が理論的に証明している。また、二重振子型クレーンの実験装置を用いて、提案された制御則の有効性を実機実験により実証している。３. 複数の非駆動関節を持つ2つの多リンクロボットシステムの線形可制御性:本研究では、まず、垂直平面上の台車に取り付けられた一般的なnリンク倒立振子について、台車が所望の位置にあり、各振子が垂直位置にあるという平衡点の周りで、台車が駆動される場合に限り、台車と振子の物理パラメータに関係なく線形可制御であることを証明している。次に、水平平面上の固定した台に取り付けられた第1関節を持つnリンク劣駆動平面ロボットについて、ロボットの各関節がまっすぐ伸びて一定の角速度で回転する軌道の周りで、その物理パラメータおよび残りの関節の駆動または劣駆動に関係なく、第1関節が駆動される場合に限り、線形可制御であることを証明している。

タワークレーンの制御には、安全性を維持し、高速・正確な吊り荷の位置決めを実現しつつ、過渡時の吊り荷の振動と残留振動を抑制することが重要であるが、その滑車の並進運動とアームの回転運動のみで、非駆動である吊り荷の位置決めと揺れの制御に多くの挑戦的課題がある。本年度では、以下の主な研究成果を挙げた。１．旋回式クレーンの振れ止め制御：旋回式クレーンを対象とし、先行研究と異なり、線形近似をせずに、その非線形動特性や構造を活かした非線形制御則に関する設計・解析法を構築し、その妥当性・有効性を実機実験により実証している。２．nリンク振子型クレーンシステムの振り止め制御：nリンク振子型クレーンシステムの振り止め制御問題において、クレーンシステムの全機械エネルギーを分解し、受動性特性を持つ新しいエネルギーを構築することで、駆動トロリーと非駆動nリンク振子間の結合を強化する振り止め制御則を提案し、トロリーの位置決めとnリンク振子の揺れ制御の目標達成が理論的に証明している。また、二重振子型クレーンの実験装置を用いて、提案された制御則の有効性を実機実験により実証している。３. 複数の非駆動関節を持つ2つの多リンクロボットシステムの線形可制御性:本研究では、まず、垂直平面上の台車に取り付けられた一般的なnリンク倒立振子について、台車が所望の位置にあり、各振子が垂直位置にあるという平衡点の周りで、台車が駆動される場合に限り、台車と振子の物理パラメータに関係なく線形可制御であることを証明している。次に、水平平面上の固定した台に取り付けられた第1関節を持つnリンク劣駆動平面ロボットについて、ロボットの各関節がまっすぐ伸びて一定の角速度で回転する軌道の周りで、その物理パラメータおよび残りの関節の駆動または劣駆動に関係なく、第1関節が駆動される場合に限り、線形可制御であることを証明している。