基礎ロボット工学
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第1編
第1章
ブロック線図によって制御系を図示
関連する分野
機構学 : リンク機構、歯車機構
材料力学、機械力学 : ロボットの強度、ロボットの振動
数学 : ラプラス変換、微分方程式/線形代数
運動学、動力学 : ロボット/アームの運動
計測工学 : センサ工学、信号処理
制御工学 : フィードバック制御、シーケンス制御
コンピューター/情報工学 : 信号処理/プログラム、アナログ/デジタル
電子工学 : 信号の増幅/演算、アナログ/デジタル
電気工学 : モータ/スイッチ/配電
第2章
位置と姿勢
位置の表し方
3つの座標系
直行座標系
極座標系
円筒座標系
姿勢
縦揺れ角(ピッチ)
旋回角(ロール)
編揺れ書く(ヨー)
座標系に対応したロボットの構造が3つ、人間の関節に対応した構造が一つ
アクチュエータは、直動するアクチュエータもしくは、回転するアクチュエータ
回転を主とするアクチュエーターの種類として、電気モーターと油圧モーターがある。
直動のアクチュエーターとして、油圧シリンダ、空気圧シリンダ、ゴム人口筋がある
ロボットに用いられる電気モーターは、センサとモーターが一体課されている
エンコーダー : モーターの回転角や回転数を測定するセンサ
ダコメーター : 計測用速度発電機。モーターの回転速度を検出するためのセンサ
大きな出力トルクが必要とされる場合があるので、歯車減速機がついている
回転運動を直動運動に変える方法
ピストン-クランク機構
ラック・アンド・ピニオン
ベルトとプーリ
ボールねじ(パワー・スクリュー)
平行リンク機構
第3章
ロボットを、目的の場所へ持ってくには、検出器などから制御偏差を導き出し、その値に応じてロボットを制御すれば可能となる。しかし、目標値がステップ状に変化する場合、アームの動きが必ず遅れてしまう。なぜなら、モーターのフィードバック制御では、過渡応答を調べる必要があるからである。
積分系と一次遅れ系
入力に加える既知信号として、単位ステップ関数とステップ関数
制御系を構成するシステムに対する伝達関数を求める際、システムを表す微分方程式をラプラス変換する。伝達関数は、初期値を0とした場合の、出力と入力の比である。
ラプラス変換と逆ラプラス変換
コンピューターを使用しロボットを制御するためには、D/A変換、A/D変換が不可欠
A/D変換の分解能、量子化誤差
A/D変換の仕組み
各種の方式
アナログ電圧をいったん時間に変更し、その時間内に一定周波数位のパルスが何個ゲート通過するか数え上げ、その結果をデジタル量とする方法
アナログ電圧をいったん周波数に変換し、その周波数を単位時間内で数え上げる方法
(高速な方法)アナログ電圧をビットごとにコンパレータ(比較器)回路で同時比較するもの。=並列比較系A/D変換器↔逐次比較型A/D変換器
D/A変換の仕組み
重み抵抗型D/A変換器
第4章
ロボットの動きを支えるエレクトロニクス
ポテンションメーターで位置を検出
オペアンプを用いて演算
オペアンプの入力部には、ツェナーダイオードを用い、電圧が常に一定になるようにする
トランジスタを用いて電圧を制御し、モーターの回転を制御する
PNPトランジスタ・NPNトランジスタ両方を用いると、モーターの正転・逆転を制御することができる
アームの回転角の検出は、ロータリエンコーダもしくは、ポテンションメーターで検出した値のA/D変換によって行う
ロボットの5感=センサ
測定対象に直接的または間接的に接触し、対象の物理量をほかの物理量に変換する素子である
センサあるいは変換器の種類
ひずみゲージ(力・圧力測定用)、熱電対(温度測定用)、速度計(速度測定用)、ピトー管(流速測定用)、視覚センサ、サーミスタ(温度センサ)
自身の動きのために必要な内界センサ、環境を認識するための外界センサ
内界センサ
ポテンションメーター、エンコーダー、力センサ、計測用速度発電機(タコメータ・ジェネレータ)
外界センサ
CCDカメラ、超音波センサ、タッチセンサ
アナログ型センサとデジタル型センサ
アナログ型センサ
ポテンションメーター
ベアリングを用いて摩擦トルクを小さくしてあるため測定精度が良い
ラジオやステレオ装置に利用されている音量調節量ボリューム(可変抵抗器)とその動作原理は同じ
回転型の場合はブーリを用いることもある
ホイートストンブリッジ回路を仕込むことにより、偏りのない値を得ることができる
速度センサ(タコメータ・ジェネレータ)
自転車の前輪につけてある照明は、速度センサ・速度発電機
アームの位置決めをしようとして勢い良くアームを動かすと、オーバーシュートする(アームが行き過ぎる)。このような場合に、速度センサ(タコジェネ)を用いてモータの回転速度を制御する
ひずみゲージと荷重変換器(ロードセル)
触覚センサ(タッチセンサ)
デジタル型センサ
エンコーダ=直線変異や回転角度をデジタル信号に変換する変異センサ
増分形エンコーダ
発光素子と受光素子の間にスリットを挟むことで、どれだけのスリットを光が通過したかを検出する
絶対値形エンコーダー
ラインを引く
リニアエンコーダとロータリエンコーダー
視覚センサ