研究背景

近年、ロボット技術の発展に伴い、高速・高精度・高荷重対重量比のロボット構造の応用が産業・航空宇宙分野で注目されています.移動中の関節やリンクの柔軟性効果が高まるため、構造が変形し、作業の精度が低下します.したがって、ロボットマニピュレータの構造的柔軟性を考慮する必要があり、システムダイナミクスも考慮して、柔軟なマニピュレータの高精度で効果的な制御を実現する必要があります.柔軟なマニピュレータは非常に複雑な動的システムです.その動的方程式には、非線形性、強い結合、および実際の変動の特性があります.そのモデルの確立は、フレキシブルアームのダイナミクスを研究するために非常に重要です.フレキシブルマニピュレータは、リジッドフレキシブルカップリングを備えた非線形システムであるだけでなく、電気機械結合を備えた非線形システムでもあります.動的モデリングの目的は、制御システムの説明とコントローラーの設計の基礎を提供することです.一般的な制御システムの説明（時間領域での状態空間の説明と周波数領域での伝達関数の説明を含む）は、センサー/アクチュエーターの配置、アクチュエーターからセンサーへの情報転送、およびマニピュレーターの動的特性に密接に関連しています.

モデリング理論

フレキシブルマニピュレータの動的方程式は、主に2つの最も代表的な方程式、ラグランジュ方程式とニュートンオイラー方程式を使用して確立されます.さらに、変分原理、仮想変位原理、およびケイン方程式が一般的に使用されます.柔軟なボディの変形の説明は、柔軟なマニピュレータシステムのモデリングと制御の基礎です.したがって、フレキシブルボディの変形を記述するために特定の方法が選択され、変形の記述はシステム動的方程式の解と密接に関連しています.

フレキシブルボディの変形は次のように説明できます.

1）有限要素法;

2）有限セグメント法;

3）モーダル合成法;

4）濃縮質量法.

運動方程式

連続動的モデルであろうと離散動的モデルであろうと、それらのモデリング方法は主に、ベクトル力学法と解析力学法の2つの基本的な方法に基づいています.ニュートンオイラー公式、ラグランジュ方程式、変分原理、仮想変位原理、ケイン方程式が広く使用され、成熟しています.

制御戦略

フレキシブルマニピュレータは通常、次の方法で制御されます.

1）厳格な処理.構造の弾性変形が剛体の運動に与える影響は完全に無視されます.たとえば、柔軟なマニピュレータの安定性と端の位置決め精度を損なう過度の弾性変形を回避するために、NASAの遠隔制御宇宙船の最大角速度は0.5度/秒です.

2）フィードフォワード補償法.マニピュレータの柔軟な変形によって引き起こされる機械的振動は、剛体運動に対する決定論的干渉と見なされ、フィードフォワード補償法がこの干渉を打ち消すために使用されます.ドイツのBerndgeblerは、弾性ロッドと弾性ジョイントを備えた産業用ロボットのフィードフォワード制御を研究しました. Zhang Tieminは、ゼロを追加することによって支配的な極とシステムの不安定性を排除する方法を研究し、時間遅延のあるフィードフォワードコントローラーを設計しました. PIDコントローラーと比較して、システムの残留振動をより明確に除去できます. Seering Warren P.や他の学者は、フィードフォワード補償技術に関する詳細な研究を行ってきました.

3）加速フィードバック制御. KhorramifarshadとJainSandeepは、端部加速度フィードバックを使用して、フレキシブルマニピュレーターの端部軌道制御を研究しました.

4）パッシブダンピング制御.フレキシブルボディの相対的な弾性変形の影響を低減するために、振動を制御するためのアームの構造を設計するために、さまざまなエネルギー消費またはエネルギー貯蔵材料が選択されます.または、ダンピングショックアブソーバー、ダンピングマテリアル、複合ダンピングメタルプレート、ダンピングアロイ、または粘弾性の大きなダンピングマテリアルを使用して、フレキシブルビームに追加のダンピング構造を形成することは、パッシブダンピング制御に属します.近年、フレキシブルマニピュレータの振動制御に粘弾性大型制振材を採用することが注目されています.ロッシマウロとワンデビッドは、フレキシブルロボットのパッシブ制御を研究しました.

5）強制フィードバック制御方式.フレキシブルマニピュレータの振動のフォースフィードバック制御は、実際には逆ダイナミクス解析に基づく制御方法です.つまり、逆ダイナミクス解析によれば、駆動端に加えられるトルクは、アームの端で与えられた動きによって取得されます.駆動トルクは、モーションまたは力の検出によってフィードバック補償されます.

6）適応制御.システムは、結合された適応制御を使用することにより、ジョイントサブシステムとフレキシブルサブシステムに分けられます.パラメータ線形化法は、柔軟なマニピュレータの不確実なパラメータを識別するための適応制御ルールを設計するために使用されます.非線形性とパラメータの不確実性を備えたフレキシブルマニピュレータのトラッキングコントローラが設計されています.コントローラーの設計は、リアプノフ法のロバストで適応制御の設計に基づいています.システムは、状態遷移によって2つのサブシステムに分割されます.適応制御とロバスト制御は、それぞれ2つのサブシステムを制御するために使用されます.

7）PID制御.最も人気があり広く使用されているコントローラーとして、PIDコントローラーは、その単純さ、有効性、および実用性から、剛体マニピュレーターの制御に広く使用されています.多くの場合、コントローラーのゲインを調整するか、他の制御方法と組み合わせて複合制御システムを調整してPIDコントローラーのパフォーマンスを向上させることにより、自己調整PIDコントローラーを形成します.

8）可変構造制御.可変構造制御システムは不連続フィードバック制御システムであり、スライディングモード制御が最も一般的な可変構造制御です.その特徴：スイッチング面では、いわゆるスライディングモードがあります.スライディングモードでは、システムはパラメータの変更や外乱の影響を受けません.同時に、その軌道はスイッチング面にあります.すべり現象はシステムパラメータに依存せず、安定した特性を持っています.可変構造コントローラーの設計には、マニピュレーターの正確な動的モデルは必要ありません.モデルパラメーターの境界は、コントローラーを構築するのに十分です.

9）ファジーおよびニューラルネットワーク制御.これは言語コントローラーであり、制御活動における人々の思考特性を反映することができます.その主な特徴の1つは、制御システムの設計には、一般的な意味での制御対象の数学的モデルは必要ありませんが、オペレーターまたは専門家の経験知識と操作データが必要なことです.