1 3 0  Fig.5.12

Proposed method  R e s u l t s  of TPBVP 

l n i t i a l  and f i n a l  p o s i t i o n  of t e a c h e r  d a t a  

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Ability of tbe neural network for long trajectory  Fig.5.13 

131 

第 6章 研 究 の 総 括

本 研 究 で は ， 海 洋 に お け る 動 作 環 境 に 応 じ た ， 苛 酷 な 環 境 で 使 用 さ れ る 海 洋 ロ ボ ッ ト 用 マ ニ ピ ュ レ ー タ の 制 御 シ ス テ ム に つ い て 基 礎 的 な 技 術 を 得 る こ と を 目 的 と し て 研 究 を 行 っ た。

本 論 文 は 大 き く 2部 に 分 か れ ， 2章 か ら 3章 ま で の 前 半 で は ， 与 え ら れ た 制 御 目 標 を 精 度 良 く 実 現 す る た め の 制 御 シ ス テ ム つ い て 述 べ ， 4章 以 降 の 後 半 で は ， 海 洋 ロ ボ ッ ト の 動 作 環 境 を 考 慮 、 し ， か つ オ ン ラ イ ン 制 御 を 可 能 と す る 目 標 軌 道 の 設 定 法 に つ い て 述 べ た。

第1章 で は ， 研 究 の 目 的 と 背 景 お よ び 研 究 の 概 要 に つ い て 述 べ た口

第2章 で は ， 海 洋 ロ ボ ッ ト 用 マ ニ ピ ュ レ ー タ を 簡 単 の た め に2自由 度 マ ニ ピ ュ レ ー タ と し て モ デ ル 化 を 行 い 運 動 方 程 式 を 導 い た。そ し て マ ニ ピ ュ レ ー タ の 制 御 に 学 習 型 フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド コ ン ト ロ ー ラ を 使 用 し ， 位 置 と 力 の ハ イ ブ リ ッ ド 制 御 に 使 用 で き る よ う 拡 張 を 行 い ， 良 好 な 制 御 性 を 実 現 し た。ま た 学 習 型 フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド コ ン ト ロ ー ラ の 学 習 に お い て ， 結 合 荷 重 の 学 習 方 程 式 に 比 例 的 な 修 動 作 を 付 加 す る こ と に よ り 学 習 速 度 を 速 め る こ と を 試 み ， 学 習 速 度 に 関 す る パ ラ メ ー タ に つ い て 設 定 指 針 を 得 た口さ ら に ， 学 習 型 フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド コ ン ト ロ ー ラ を 使 用 し た 制 御 シ ス テ ム の 安 定 性 に つ い て 解 析 を 行 い そ の 特 性 を 明 ら か に し た。

第3章 で は ， 垂 直 多 関 節 型2自 由 度 マ ニ ピ ュ レ ー タ の 模 型 を 製 作 し て 実 験 を 行 い ， 学 習 型 フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド コ ン ト ロ ー ラ の 制 御 性 能 に つ い て 確 認 し ， 摩 擦 な ど の 未 知 の 要 素 を 有 す る マ ニ ピ ュ レ ー タ に 対 す る 学 習 型 フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド コ ン

ト ロ ー ラ の 有 効 性 を 明 ら か に し た。

第4章 で は ， 制 御 シ ス テ ム に 与 え る 制 御 目 標 軌 道 の 設 定 法 に つ い て 研 究 を 行 い ， 海 洋 ロ ボ ッ ト の 動 作 環 境 を 考 慮 、 し て ， 操 作 エ ネ ル ギ ー 量 を 評 価 基 準 と す る 目 標 軌 道 設 定 法 に つ い て 研 究 し た口操 作 エ ネ ル ギ ー 最 小 化 軌 道 を 動 的 最 適 化 問 題 と し て 定 式 化 し て 数 値 的 に 解 き ， エ ネル ギ ー 消 費量 の 削 減 効 果 を 確 認 し ， 操 作 エ ネ ル ギ ー 最 小 化 軌 道 の 特 徴 に つ い て 検 討 を 行 っ た。

第5章 で は ， 第4章 の 方 法 で 得 ら れ る 操 作 エ ネ ル ギ ー 最小 化 軌道 を 近 似 的 に 生 成 し ， 実 時 間 の 制 御 に 使 用 で き る よ う な 実 用 的 軌 道 設 定 法 に つ い て 研 究 し た。 ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク を 使 用 し た 軌 道 設 定 法 の 近 似 精 度 と 未 学 習 デ ー タ に 対 す る 汎 化 能 力 に つ い て 検 討 し ， さ ら に 教 師 デ ー タ 数 に 対 す る 学 習 回 数 の 関 係 、 を 明 ら か に す る こ と に よ り 本 軌 道 設 定 法 で 使 用 す る ネ ッ ト ワ ー ク の 構 成 に つ い て

指 針 を 得 た。

研 究 の 結 果 ， 以 下 の こ と が 明 ら か に な っ た。

(1)学 習 型 フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド コ ン ト ロ ー ラ を マ ニ ヒ。ュ レ ー タ の 制 御 に 使 用 す る こ と に よ り ， 動 特 性 の 非 線 形 性 や 制 御 対 象 の 動 特 性 変 動 お よ び 環 境 の 変 化 に 対 す る 適 応 性 を 有 す る 制 御 系 を 構 成 す る こ と が 可 能 で あ る 。

(2)学 習 型 フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド コ ン ト ロ ー ラ を ， マ ニ ピ ュ レ ー タ の 姿 勢 ・手 先 位 直の 制 御 に 加 え て 作 業 対 象 に 加 え る 力 の 制 御 に 応 用 す る こ と に よ り ， 良 好 な 位 置 と 力 の 制 御 性 が 得 ら れ る 。

(3)学 習 型 フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド コ ン ト ロ ー ラ の フ ィ ー ド パ ッ ク 誤 差 学 習 に ， 比 例 的 な 動 作 を 付 加 す る こ と に よ り ， 数 回 の 学 習 で 学 習 を 完 了 さ せ る こ と が で き ， 制 御 対 象 の 特 性 変 動 に 対 し て 素 早 く 対 応 す る こ と が 可 能 で あ る ロ (4)位 置 制 御 目 標 軌 道 設 定 に お い て 消 費 エ ネ ル ギ ー 量 を 評 価 基 準 と す る こ と に

より，始点 ・終 点 聞 を 直 線 で 結 ぶ 軌 道 と 比 較 し て 最 大 で 40%程 度 エ ネ ル ギ ー 消 費 量 の 少 な い 制 御 を 行 う 事 が で き る 。

(5)ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク を 使 用 し た 近 似 軌 道 設 定 法 に よ り ， 数 パ ー セ ン ト 以 内 の 誤 差 で 操 作 エ ネ ル ギ ー 最 小 化 軌 道 が 実 時 間 で 得 ら れ ， ヱ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク を 使 用 し て い る た め 未 学 習 デ ー タ に 対 し て も 対 応 す る 能 力 が あ る ロ

操 作 エ ネ ル ギ ー 最 小 化 軌 道 お よ び そ の 近 似 軌 道 設 定 法 に お い て は ， マ ニ ピ ュ レ ー タ の 動 特 性 が 大 き く 変 化 し た 場 合 に つ い て は 動 特 性 に 応 じ て 軌 道 を 再 計 算 す る 必 要 が あ る 。こ の よ う な 場 合 ， 本 論 文 で 使 用 し て い る 学 習 型 フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド コ ン ト ロ ー ラ は ， 制 御 対 象 の 動 特 性 を 同 定 す る 機 能 を 有 し て お り ， 制 御 を 行 い な が ら 制 御 対 象 の 動 特 性 を 同 定 す る 事 が で き る 。そ こ で コ ン ト ロ ー ラ の 品 習 終 了 後 に サ ブ シ ス テ ム お よ び 結 合 荷 重 の 情 報 を 使 用 し て 制 御 対 象 の 動 特 性 を 知 る こ と が で き ， 結 果 を 利 用 し て 操 作 エ ネ ル ギ ー 最小化 軌 道 を 再 計 算 し て 新 し い 軌 道 が 得 ら れ る 口

今 後 の 課 題 と し て ， 潮 流 な ど の 外 乱 に よ り ロ ボ ッ ト本 体 が 動 揺 し た と き の 補 償 方 法 と ， 目 標 軌 道 設 定 に お い て 軌 道 中 に 障 害 物 が 存 在 す る と き に こ れ を 回 避 し て 軌 道 設 定 す る 方 法 を 開 発 す る 必 要 が あ る が ， 本 研 究 に よ っ て そ の た め の 基 礎 技 術 を 得 る こ と が で き た。

133 

謝 辞

へ 研 究 を ま と め る に あ た り ， 長 期 に わ た り 指 導 教 官 と し て ご 指 導 ご 支 援 い た だ き ま し た 九 州 大 学 工 学 部 教 授 小 川 原 陽一先 生 に は 心 よ り 感 謝 の 意 を 表 し ， 厚

く 御 礼 申 し 上 げ ま す。

本 論 文 を 作 成 す る に あ た り 九 州 大 学 工 学 部 教 授 福 地 信 義 先 生 ， 九 州 大 学 工 学 部 教 授 毛 利 彰 先 生 に は 有 益 な 助言 を 戴 き ま し た。こ こ に 深 く 謝 意 を 表 し ま す。

ま た ， 研 究 を 進 め て い く う え で 貴 重 な 助言， 励 ま し の お 言葉 を 戴 き ま し た 九 州 大 学 工 学 部 助 教 授 新 開 明 二先 生 ， 九 州 大 学 工 学 部 助 手 岩 本 才 次 先 生 に 厚 く お 礼 を 申 し 上 げ ま す。

広 島 大 学 工 学 部 教 授 藤 本 由 紀 夫 先 生 に は あ た た か い 励 ま し の お言葉 ， ご 援 助 を 戴 き た い へ ん お 世 話 に な り ま し た。こ こ に 深 く 謝 意 を 表 し ま す口

ま た ， 九 州 大 学 船 舶 海 洋 シ ス テ ム 工 学 科 教 官 な ら び に 職 員 の 皆 様 に は ， 御 指 導，修11助 言 を い た だ き 心 よ り 感 謝 申 し 上 げ ま す。

な か で も ， 実 験 装 置 作 製 に あ た り ， 貴 重 な 助言 と ご 援 助 戴 き ま し た 九 州 大 学 学 部 技 官 山 本 昭 夫 氏 に は 深 く 感 謝 申 し 上 げ ま す。

さ ら に ， 九 州 大 学 工 学 部 船 舶 海 洋 シ ス テ ム 工 学 科 シ ス テ ム 計 画 学 研 究 室 の み な さ ん ， 特 に 技 官 の 竹 本 浩 也 氏 ， 卒 業 生 の 吉 永 浩 志 氏 ， 向 井 幸 司 氏 ， 平 方 勝 氏 ， 大 学 院 学 生 の 新 英 夫 氏 に は 実 験 お よ び 図 面 を 作 成 す る う え で 協 力 し て 戴 き ， 文 面 図 面 の 作 製 ・整 理 で は ， 藤 野 容 子 女 史 に お 世 話 に な り ま し た 。こ こ に 深 く 感 謝 の 意 を 表 し ま す。

最 後 に ， 広 島 大 学 エ ン ジ ニ ア リ ン グ シ ス テ ム 教 室 の 教 官 な ら び に 職 員 の 皆 様 に は ， 待p指 導 ， 励 ま し の言葉 を い た だ き 心 よ り 感 謝 申 し 上 げ ま す。

参 考 文 献

[ 1 ]

極 限 作 業 ロ ボ ッ ト 技 術 研 究 組 合 ; 工 業 技 術 院 大 型 プ ロ ジ ェ ク ト 極 限 作 業 ロ ボ ツ ト 研 究 開 発 成 果 発 表 会 予 稿 集 (1989)

[2]吉 川 恒 夫 ; ロ ボ ッ ト 制 御 基 礎 論1初 版 コ ロ ナ 社 ，(1988)

[ 3 ]

五 百 井 清 : 伊 藤 憲 治:水 中 マ ニ ピ ュ レ ー タ の モ デ リ ン グ と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 、 日 本 ロボット学会誌、， Vo1.6，No.2，(1988)，pp.160‑168 

[ 4 ]

小 山 健夫 ? 藤 野 正 隆 ? 前 田 久 明 : 船 体 と 海 洋 構 造 物 の 運 動 学3改 訂 初 版 ? 成 山 堂 書 庖，(1992)，pp.141‑144.

[ 5 ]

小川 原 陽‑ 1新 宅 英 司 ほ か : 海 洋 ロ ボ ッ ト 用 マ ニ ピ ュ レ ー タ の 学 習 型 フ ィ ー ド フ オ ワ ー ド 方 式 に よ る 位 置 と 力 の 制 御 ? 西 部 造 船 会 会 報 ， No.85，(1993)，pp.101‑110. 

[6]川 ￨ 人 光 男 ; 中 枢 神 経 系 の 非 線 形 演 算 と 学 習 運 動 制 御 ; シ ス テ ム と 制 御 ， Vol.  31，  No. 31 (1987): pp.189‑197 

[7]  Kawato， M.， Furukawa， K.

， 

& Suzuki， R. ; A hierarchical neural‑network model for control  and learning of voluntary movement， Biological Cybernetics， No.57 (1987)， pp.169‑185 

[ 8 ]

藤 原 敏 勝 ; ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク を 用 い た 高 速 学 習 型 フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド 制

御， SICE '90， 計 測 自 動 制 御 学 会

[9]吉 川 ￨ 恒 夫 ; マ ニ ピ ュ レ ー タ の 力 制 御 ? 計 測 と 制 御 ， Vo1.30， No.5， (1991)， pp.383‑388  [10]村 奈 嘉 与一? 松 井 頼 夫 ? 高 橋 正 和 ? 木 下 源一郎 ; 板 ば ね を 使 用 し た6軸 力 覚 セ ン

サ の 開 発 日 本 ロ ボ ッ 卜 学 会 誌 ， Vo1.10， No.2， (1992) pp.208^戸215

[11]渡 辺 理 ; ひ ず み ゲ ー ジ と そ の 応 用 ? 日 本 工 業 新 聞 社 ; 初 版 ， (1968) 

[12]宇 野 洋 二; 川 ￨ 人 光 男 ; 鈴 木 良 次 : ロ ボ ッ ト マ ニ ピ ュ レ ー タ の 最 適 軌 道 に 対 す る 繰 返 し 学 習 制 待

1

計 測 自 動j制 御 学 会 論 文 集 ， Vo1.24，No.8，(1988)，pp.837‑843 

[13]  T.Flasb

， 

N.Hogan: The Coordination of Arm Movements: An Experie叫allyConfirm ed  Matbematical Model， The Journal of Neuroscience， Vo1.5，No.7，(1985)，pp.1688‑1703 

[14]加 藤 寛 一郎 : 工 学 的 最 適 制 御 ? 初 版 ? 東 京 大 学 出 版 会 ， (1991)，pp.79‑102 

135 

[15]新 宅 英 司 ? 小 川 原 陽一: 海 洋 ロ ボ ッ ト 用 マ ニ ピ ュ レ ー タ の 操 作 エ ネ ル ギ ー 最 小 化 軌 道 制 御 に 関 す る 研 究3西 部 造 船 会 会 報 ， No.87，(1994)，pp.201‑209 

[16]新 宅 英 司3小 川 原 陽 一: ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク に よ る 海 洋 ロ ボ ッ ト 用 マ ニ ピ ュ レ ー タ の エ ネ ル ギ ー 最 小 化 軌 道 の 実 時 開 設 定 法1 西 部 造 船 会 会 報1

No・

8 8 ， ( 1 9 9

^L

l ) ，

pp.135‑143 

[17]矢 川 元 基 : 計 算 力 学 とCAEシ リ ー ズ12 ニューラルネットワーク:初版，(1992): 培 風 館:pp.133

[18]八 名 和 夫 ? 鈴 木 義 武 : ニ ュ ー ロ 情 報 処 理 技 術 ? 初 版 ，(1992)，海文堂出版，pp.29‑4 [19]中 野 肇:入 門 と 実 習 ニ ュ ー ロ コ ン ピ ュ ー タ ; 初 版 ，(1989)，技術評論社，pp.63‑84

付 録 1 流 体 抵 抗 お よ び 付 加 質 量

Fig.2.2の よ う に ， 第

t

リ ン ク に お い て ，関 節 軸 を 座 標 原 点 と し 回 転 軸 庁 向 に z を と り ， リ ン ク の 長 さ 方 向 にz軸 を と っ て ，リ ン ク 固 定 座 標 系 を 定 義 す る 口こ の と き ， 空 間 固 定 座 標 系 か ら 見 た マ ニ ピ ュ レ ー タ の 第

t

リ ン ク 上 の 任 意 の 点pで の 速 度 0勺zは 以 下 の よ う に 表 さ れ る 。

0̲̲  0 

Vp'i二 ViトωiX Xp  (A1.1) 

た だ し ，O ULは リ ン ク 固 定 座 標 系 原 点 の 空 間 固 定 座 標 に お け る 並 進 速 度 で あ り ， 的 は リ ン ク 固 定 座 標 系 の 空 間 固 定 座 標 に お け る 角 速 度 で あ る 。Xpは リ ン ク 固 定 座 標 系 原 点 か ら 任 意 の 点pま で の 位 置 ベ ク ト ル で あ る 。

Fig.2.1で 定 義 し た2自 由 度 マ ニ ピ ュ レ ー タ で は ， ωtは

(A1.2) 

と 表 さ れ， O ULは ﹃

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‑L  

一 一

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u nu  (A1.3) 

と な り ， 各 リ ン ク と も に 関 節 軸 か ら zの 位 置 に あ る リ ン ク 上 の 点 は，

Xp = 

[ x  0  0 ]  

^(A1.4) 

と 表 さ れ る の で(A1.1)，(A1.2)， (A1.3)， (A1.4)か ら z位 置 の 点 で の 流 速OVpiは 以 下 の よ う に 求 め ら れ る。

寸l

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一 一

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引u

n u  (A1.5) 

(A1.5)式 の

ν

方 向 成 分 が ，(2.7)， (2.8)式 の Vyiに 相 当 す る 。

1 3 7 

(1)流 体 抵 抗

第tリ ン ク に 働 く 流 体 抵 抗 力 Fdiお よ び 抵 抗 力 に よ る モ ー メ ン ト Ndiは (A1.6)， (A1.7)式 に よ っ て 表 わ さ れ る 。

Fdz =

「

^{C D}

PLdl j L μ

^包

)  .t. 

N d‑i = lf11

坐 ヱ ^{d x}

)0α:ε 

(A1.6) 

(A1.7) 

こ れ ら は ， リ ン ク の 運 動 状 態 に よ っ て さ ら に 次 の よ う に 場 合 分 け さ れ る 。

[1]  リンクが平行運動している場合 (ωZ~二 0)

Fd'i  ^ー αx'i・'Ux'i

I 

Fd.iν  ^ー αν.i. 'U仰 い れIli Ndi  1 ) 2 

ー αν'i. 'Uy'i l'Uy'i 

I 

~ .li 

(A1.8) 

(A1.9) 

(A1.10) 

た だ し ， 各 物 理 量 の 添 え 字x

，

y

，

zは そ れ ぞ れ そ の x

，

y

，

z方 向 成 分 を 表 わ し ， 係 数 αzは 以 下 の よ う に 与 え ら れ る 。

1  7f Di²  αx'i = C D' ~ pg^一一二一

ゐ 2'， J 4 

‑CDlP9Dt 

[2]  リ ン ク が 回 転 運 動 し て い る 場 合(ωzi

i ‑

0) 

(A1.11) 

空 間 固 定 座 標 系 か ら 見 た 第tリ ン ク の 回 転 中 心 か ら 回 転 軸 ま で の 距 離 を

tt=‑ 2 1 ? ωZ'Lヂ0

Wzi 

(Al.12) 

と す る と き 第 iリ ン ク に 作 用 す る 抵 抗 力 Fんd'iのy成 分 お よ び 低 抗 力 に よ る モ 一 メ ン ト i八

N

_d

以 下 に 示 す よ う に3通 り に 分 け ら れ る 。

従 っ て ， 各 場 合 で の 抵 抗 力 お よ び モ ー メ ン ト は ， 以 下 の よ う に な る 。 (i)九三 0 第

t

リ ン ク の 回 転 中 心 が 第 i‑1リ ン ク 側 に あ る 場 合

んtν 二 一α

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^{;‑t?均 ￨ 山2dx} 

‑ayiW

山

^iI 

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^{{ (l'i ‑ ti) 3} 

⁺ 

^ti 3 } 

138 

(Al.13) 

ドキュメント内 海洋ロボット用マニピュレータの制御システムに関 する研究 (ページ 135-147)