圧電ロボットマニピュレータにおける非線形変位制御と力推定

2025-03-11 Tue
学術的背景工学や材料科学の分野において、ロボットマニピュレータの変位と力を正確に制御することは、特に非線形粘弾性変形を示す物体の力学特性を研究する上で重要です。例えば、繊維、航空宇宙、医療、エネルギー生産などの分野では、テキスタイルの力学特性が設計や性能に重要な影響を与えます。従来の引張/圧縮機械は通常、変形速度を制御することで力を測定しますが、この方法では物体の弾性限界、塑性変形、破断点などの重要な変形点を直接観察することができません。この制限を克服するため、近年ではロボットシステムが位置/変形制御による物体の特性評価に使用されています。しかし、微小な力と変形を扱う場合、産業用ロボットには限界があり、高分解能と高帯域幅を備えた圧電ロボットマニピュレータが理想的な選択肢となっています。ただし、圧電アクチュエータの強力なヒステリシス非線形特性は、正確な制御に課題をもたらします。本研究はこの問題を解決し、ヒステリシスモデルと状態オブザーバを組み合わせた新しい制御戦略を提案し、圧電ロボットマニピュレータの正確な変位制御と力推定を実現し、物体の力学特性評価に新たな方法を提供します。
論文の出典本論文は、Texas A&M International UniversityのRaptor Labに所属するGerardo Floresと、University of Technology of TarbesのLaboratoire Génie de Productionに所属するMicky Rakotondrabeによって執筆されました。論文は2025年2月17日に受理され、Nonlinear Dynamicsジャーナルに掲載されました。DOIは10.1007/s11071-025-11019-0です。
研究の流れ1. 問題のモデル化と目標本研究の対象は、非線形粘弾性変形を示す物体の特性評価に使用される圧電ロボットマニピュレータです。著者らは、古典的なBouc-Wenヒステリシスモデルを使用して、マニピュレータの非線形ダイナミクスを近似し、その固有のヒステリシス挙動を捉えました。研究の主な目標は、出力フィードバック制御則を設計し、マニピュレータの位置参照追跡精度を確保し、さらに状態オブザーバを使用してマニピュレータの状態と変形物体との相互作用力を推定することです。推定された相互作用力と制御された位置データを組み合わせることで、物体の力-変形特性を分析し、物体のモデルパラメータの識別に役立てます。
2. コントローラとオブザーバの設計研究では、2種類のオブザーバが提案されました。1つは全擾乱（ヒステリシス状態と外部力を含む）を推定するためのもので、もう1つはヒステリシス状態を推定するためのものです。具体的な手順は以下の通りです：
- 全擾乱オブザーバ：システムの第一階のダイナミクス方程式に基づいて、全擾乱Δ(t)を推定する拡張オブザーバを設計しました。このオブザーバは、補正項μを導入することで、推定誤差のグローバル一様有界性（GUB）を確保します。
- ヒステリシス状態オブザーバ：Bouc-Wenモデルに基づいて、ヒステリシス状態hを推定する指数オブザーバを設計しました。このオブザーバは、Riccati-like方程式を解くことで、オブザーバ誤差のグローバル指数安定性を確保します。
- 力の推定：全擾乱とヒステリシス状態の推定値を利用して、外部力fの推定値を導出し、物体の力学特性評価のためのデータを提供します。
3. 出力フィードバック制御則上記のオブザーバの推定結果に基づいて、出力フィードバック制御則を設計し、マニピュレータの変位yが所望の参照信号ydを追跡することを保証します。制御則は、制御ゲインkを導入することで、追跡誤差のグローバル一様有界性を確保します。
4. シミュレーションによる検証提案された制御戦略とオブザーバの有効性を検証するために、著者らは2つのシミュレーション実験を行いました：
- 第一のシミュレーション：物体モデルを使用せず、力fを外部擾乱として扱い、制御技術とオブザーバの性能を検証しました。シミュレーション結果は、制御則とオブザーバが所望の参照信号を効果的に追跡し、全擾乱を推定できることを示しました。
- 第二のシミュレーション：力fを物体モデル（例：亜麻繊維織物の粘弾性モデル）と接続し、制御技術と力オブザーバが物体の特性評価において有効であることを検証しました。シミュレーション結果は、制御則とオブザーバによって得られた力-変形特性が物体モデルの自然な挙動と一致することを示し、この手法の有効性を証明しました。
主な結果オブザーバの性能：全擾乱オブザーバとヒステリシス状態オブザーバは、どちらも良好な推定性能を示し、シミュレーション中に推定誤差が迅速に収束し、オブザーバの有効性が証明されました。
制御性能：出力フィードバック制御則は、マニピュレータの変位が所望の参照信号を正確に追跡することを保証し、外部擾乱が存在する場合でも、追跡誤差は小さな範囲に保たれました。
物体の特性評価：シミュレーション実験を通じて、提案された制御戦略と力オブザーバが物体の力-変形特性を正確に評価できることが検証され、物体モデルパラメータの識別に信頼性の高いデータを提供しました。
結論と意義本研究は、Bouc-Wenヒステリシスモデルと状態オブザーバを組み合わせた新しい制御戦略を提案し、圧電ロボットマニピュレータの正確な変位制御と力推定を実現しました。この手法は、圧電アクチュエータのヒステリシス非線形性を効果的に補償するだけでなく、物体モデルを必要とせずに物体の力学特性を正確に推定することができます。この研究成果は、微小な力と変形の正確な制御に新たな方法を提供し、特に繊維、医療、マイクロ・ナノ操作などの分野で広範な応用が期待されます。
研究のハイライト革新的な制御戦略：本研究は初めてBouc-Wenヒステリシスモデルと状態オブザーバを組み合わせ、新しい出力フィードバック制御則を提案し、圧電アクチュエータのヒステリシス非線形性の問題を効果的に解決しました。
物体モデル不要：提案された制御戦略と力オブザーバは、物体の事前知識を必要とせず、多様な物体の力学特性評価に適用可能です。
高精度とロバスト性：シミュレーション実験は、外部擾乱やノイズが存在する状況下でも、この手法が高精度の変位制御と力推定を維持できることを示しました。
その他の価値ある情報本研究のシミュレーションファイルとコードはGitHub上で公開されており、他の研究者がダウンロードして使用できるようになっています。これにより、関連分野の研究と応用がさらに推進されることが期待されます。また、本研究の一部は2024年7月にカナダのトロントで開催されたAmerican Control Conferenceで発表されました。