Experimental Study on Resolved Acceleration Control for Underwater Vehicle-Manipulator Systems

摘要

これまでに提案されているUVMSの制御法は，まず，運動学関係のみでマニピュレータ手先の希望加速度を目標関節角加速度に変換し，つぎに，ベース位置・姿勢角およびマニピュレータ関節角に関する計測値と目標値の誤差に基づき，流体力を含む運動方程式を用いた計算トルク法によりベースおよび関節の制御入力を求めている．したがって，マニピュレータ手先に関しては間接的な制御法であると言える．また，水中ロボットには複雑な流体力が作用するため，モデリングと制御の有用性検証には実験が必要不可欠であるが，UVMSに関してはこれまで実験的研究はほとんど行われていないのが現状である．　本論文では，将来の海洋，湖沼などの実環境下で運用可能な水中作業用ロボットの開発を目指した，UVMSの制御法開発および実験による開発制御法の有用性検証を研究目的とする．本論文で提案する制御法は，ベースおよびマニピュレータ手先の位置・速度誤差に基づいてベースおよび関節の加速度制御入力を直接決定する，分解加速度制御法である．一般的なロボットマニピュレータに対する分解加速度制御法は運動学を基本としており，これまで水中ロボットへの適用例はない．本論文では，運動学関係のみではなく流体力の影響を含む運動量方程式も考慮した，UVMSに対する分解加速度制御法を提案する．さらに，2リンクマニピュレータを搭載した水中ロボットを用いた実験により，提案制御法の有用性を示す．　本論文の構成は次のとおりである．　第1章では，本研究の背景および関連する従来の研究について概説し，本研究の位置づけおよびその構成について述べた．　第2章では，UVMSに対する分解加速度制御法の有用性確認の第一歩として，ロボットベースに推進機構が実装されておらず，かつ，重力・浮力の影響を受けない，水平2次元面内で運動する2リンクマニピュレータを搭載した水中ロボットの制御法を提案する．まず，分解加速度制御法開発に必要となる運動学，運動量を定式化するとともに運動方程式を導出する．つぎに，マニピュレータ手先位置のみを制御する分解加速度制御法を提案する．さらに，導出した運動方程式の妥当性をシミュレーションと開ループ実験との比較により示すとともに，制御実験により提案制御法の有用性を示す．　第3章では，第2章で得られた結果に基づき，推進機構であるスラスタをロボットベースに実装し，鉛直2次元平面内で運動する2リンクマニピュレータを搭載した水中ロボットに対する分解加速度制御法を提案する．まず，ロボットに作用する流体抗力の3次元モデルおよび対象とする水中ロボットの数学モデルを導出し，ロボットベースとマニピュレータ手先を同時に制御可能な分解加速度制御法を提案する．つぎに，ロボットベースに作用する流体力のモデル化誤差を外乱として取り扱う外乱補償制御法を提案する．さらに，スラスタモデルを実験により求めるとともに，分解加速度制御実験および外乱補償制御実験を行い，提案制御法の有用性を示す．　第4章では，一般にディジタルコンピュータがコントローラとして使用されることを考慮し，離散時間分解加速度制御法を提案する．まず，3次元空間で運動する水中ロボットの数学モデルを導出するとともに，離散時間系の分解加速度制御法を提案する．つぎに，第3章で提案した外乱補償制御法は離散時間制御系にも簡単に適用可能であるので，ここでは，マニピュレータの特異姿勢を回避する一方法を提案する．さらに，第3章で用いた水中ロボットによる基本制御法および特異姿勢回避法の適用実験により，離散時間制御法が第3章の連続時間制御法と同等の制御性能を有するとともに，特異姿勢回避法が有用であることを示す．　最後に第5章では，本研究によって得られた結果をまとめる．