[論文レビュー] Generalized Flexible Hybrid Cable-Driven Robot (HCDR): Modeling, Control, and Analysis

Ronghuai Qi, Amir Khajepour+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 37被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、正確なシステム表現と制御を可能にする統合的動的モデルフレームワークを備えた一般化された柔軟性を持つハイブリッドケーブル駆動ロボット（HCDR）を提示する。冗長性解消、剛性最適化、および新規の三アーキテクチャ制御戦略を組み合わせることで、特に柔軟性がありマルチボディ構成をとる場合に、エンドエフェクタの振動を顕著に低減し、軌道追従精度を向上させる。

ABSTRACT

This paper presents a generalized flexible Hybrid Cable-Driven Robot (HCDR). For the proposed HCDR, the derivation of the equations of motion and proof provide a very effective way to find items for generalized system modeling. The proposed dynamic modeling approach avoids the drawback of traditional methods and can be easily extended to other types of hybrid robots, such as a robot arm mounted on an aircraft platform. Additionally, another goal of this paper is to develop integrated control systems to reduce vibrations and improve the accuracy and performance of the HCDR. To achieve this goal, redundancy resolution, stiffness optimization, and control strategies are studied. The proposed optimization problem and algorithm address the limitations of existing stiffness optimization approaches. Three types of control architecture are proposed, and their performances (i.e., reducing undesirable vibrations and trajectory tracking errors, especially for the end-effector) are evaluated using several well-designed case studies. Results show that the fully integrated control strategy can improve the tracking performance of the end-effector significantly.

研究の動機と目的

• シリアルアームとケーブル駆動プラットフォームを組み合わせた柔軟性のあるハイブリッドケーブル駆動ロボット（HCDRs）に対する包括的な動的モデリングおよび制御戦略の欠如に対処する。
• 特に結合された柔軟性を持つシステムにおいて、従来の剛性最適化および振動制御手法の限界を克服する。
• 冗長性、剛性、エンドエフェクタの軌道追従を同時に管理する統合的制御アーキテクチャを構築し、振動と誤差を最小限に抑える。
• 他のハイブリッドロボット構成（例えば、移動プラットフォーム上に設置されたロボットアームや航空機など）へのモデリング手法の一般化を可能にする。
• システムの精度と安定性を向上させるため、モデリング、最適化、制御を統合したフレームワークを提供する。

提案手法

• 構造行列（例：$ A_m $）を用いた一般化された動的モデリング手法を提案し、従来の手法の欠点を回避するとともに、さまざまなハイブリッドロボットタイプへの拡張を可能にする。
• 従来の手法（最小2ノルム張力やソフトテスト方向剛性最大化など）の限界を克服する剛性最適化アルゴリズムを導入し、より良い全体的剛性を確保する。
• 冗長性解消、剛性最適化、振動制御を統合した3つの異なる制御アーキテクチャを提案し、事例研究を通じて評価する。
• 簡略化された行列式（$ ilde{A}_m $）と力ベクトル（$ ilde{T} $）を用いてマルチコプターの動的特性を簡素化し、HCDR全体の動的特性を効率的に計算可能にする。
• ボディ固定座標系と回転行列（$ R_g^m $）を用いて、移動プラットフォームおよび接続されたアームの姿勢とケーブル力伝達をモデル化し、正確な動的表現を確保する。
• 式（26）および（30）の運動方程式を用い、$ A_m $ と $ T $ を $ ilde{A}_m $ と $ ilde{T} $ に置き換えることで、制御設計に向けた完全なHCDR動的特性を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のモデリング技術の限界を回避し、他のハイブリッド構成への容易な拡張を可能にする、柔軟性のあるHCDRsのための一般化された動的モデルをどのように構築できるか？
• RQ2 最小2ノルム張力やソフトテスト方向剛性最大化といった従来の手法の欠点を克服し、特に全方向にバランスの取れた剛性を実現する、HCDRsの全体的剛性を向上させる効果的な剛性最適化戦略は何か？
• RQ3 特に冗長性解消、剛性最適化、振動制御を統合した制御アーキテクチャは、エンドエフェクタの軌道追従性および振動抑制にどのように影響を与えるか？
• RQ4 提案された制御戦略は、柔軟性がありマルチボディ構成をとるHCDRシステムにおいて、エンドエフェクタの振動をどの程度低減し、位置決め精度を向上させられるか？
• RQ5 導出された動的モデルおよび制御フレームワークは、移動プラットフォーム上に設置されたロボットアームや航空機などの実世界のハイブリッドシステムに効果的に適用可能か？

主な発見

• 提案された一般化された動的モデリング手法は、運動方程式の導出に成功し、有効なシステムモデリングを可能にする証明を提供する。この手法は、航空機搭載アームなどの他のハイブリッドロボットにも容易に拡張可能である。
• 従来の手法の限界を克服し、特に全方向にバランスの取れた剛性を実現する点で、従来の手法よりも優れた性能を示す剛性最適化アルゴリズムを実現した。
• 冗長性解消、剛性最適化、振動制御を統合した完全な制御戦略は、個別に適用された制御アプローチと比較して、エンドエフェクタの軌道追従性能に顕著な向上を示した。
• 事例研究では、提案された制御アーキテクチャが、移動プラットフォームとシリアルアームの間で動的結合が生じ、振動が増幅される柔軟性のあるケーブル駆動システムにおいて、望ましくない振動を効果的に低減していることが示された。
• $ ilde{A}_m $ と $ ilde{T} $ を用いた簡略化された動的式は、先行研究（例：[46]）の結果と一致しており、提案されたモデリングフレームワークの正しさと実用性を検証した。
• 制御コンponentsの統合により、軌道追従誤差が測定可能な程度に低減され、システムの安定性が向上した。これにより、包括的制御設計の有効性が確認された。