概要:
ロボット工学は、各分野の専門知識と技術を集大成したものである。今年度から通年科目に変更されたが、それでも各分野の知識、技術を網羅することは不可能である。そこで、この授業の前半では、メカトロニクス技術に重点をおき、ロボットで使われている代表的なセンサとアクチュエータについて述べる。後半はロボットの機構解析とロボット制御の概要について述べる。
授業の進め方・方法:
授業で使う教科書は説明がかなり不親切で、理解するには他の教科書の助けや解説が必要である。しかし、ロボットに関する知識、技術をバランスよく取り上げており、ロボットの教科書の中ではまとまりが良い。この授業では、この教科書で説明が足りない部分を教材ファイルやプリントで補足しながら、ロボットの機構解析やロボットの制御の大筋を理解してもらう。
注意点:
総合的科目なので関連科目は多数あるが、特に、三角関数、行列、ベクトル解析などの数学やモータの駆動回路、制御工学に関する基本知識が必要である。
原則として、前期定期試験、後期定期試験の２回を実施し、両者の平均が60点以上のとき合格とする。
再試は、前期定期試験、後期定期試験それぞれに対して少なくとも1回行う。
再試の成績は60点を超えても60点とする。
諸注意：授業で学んだことを各自で十分に復習すること。
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
| 前期 |
| 1stQ |
| 1週 |
ロボットに使われている代表的なセンサⅠ |
ロボットに使われている代表的なセンサを理解できる。
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| 2週 |
ロボットに使われている代表的なセンサⅡ |
ロボットに使われる代表的なセンサを理解できる。
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| 3週 |
アクチュエータ |
ロボットに使われるアクチュエータを始めとして、様々なアクチュエータがあることを理解できる。
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| 4週 |
DCモータの駆動回路Ⅰ(電圧制御と電流制御) |
DCモータの電圧駆動と電流駆動を理解できる。
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| 5週 |
DCモータの駆動回路(リニア駆動とPWM駆動、Hブリッジ回路) |
リニア駆動、PWM駆動、Hブリッジ回路を理解できる。
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| 6週 |
ＤＣサーボモータのトルク制御、速度制御、位置制御 |
モータのトルク制御、速度制御、位置制御を理解できる。
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| 7週 |
速度指令方式によるモータの位置制御、偏差カウンタ方式サーボ |
モータの位置制御に速度指令方式があること、また偏差カウンタ方式サーボの構成、原理を理解できる。
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| 8週 |
中間試験 |
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| 2ndQ |
| 9週 |
ACサーボモータ |
同期型ACモータ、誘導型ACモータおよびコントロールユニットの概要について理解できる。
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| 10週 |
ステッピングモータⅠ |
ステッピングモータの長所、短所、ステッピングモータの種類と回転原理を
理解できる。
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| 11週 |
ステッピングモータⅡ |
ステッピングモータの励磁シーケンス、
負荷トルクとパルスレートの間の特性線図を理解できる。
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| 12週 |
ＤＣモータのモデリング(伝達関数) |
電圧駆動、電流駆動時のDCモータの伝達関数を理解できる。
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| 13週 |
機械系を駆動するDCモータのモデリング(等価慣性モーメントの導入) |
運動エネルギーから等価慣性モーメントを求めてDCモータの伝達関数を求める
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| 14週 |
ＤＣサーボモータの位置制御の簡易設計法 |
メカトロ系でのDCサーボモータの簡易設計法(極配置法)を理解できる。
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| 15週 |
機械共振と位置ゲインとの関係 |
機械系の共振を理解できる。機械系の共振のために位置ゲインに上限があることを理解できる。
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| 16週 |
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| 後期 |
| 3rdQ |
| 1週 |
座標変換とベクトルの回転Ⅰ |
基底変換行列から座標変換行列が派生することを理解できる。
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| 2週 |
座標変換とベクトルの回転Ⅱ、DHパラメータ |
座標変換行列とベクトルの回転行列の関係を理解できる。
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| 3週 |
ロボットアームの順運動学Ⅰ |
座標変換を用いたロボットアームの順運動解析を理解できる。
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| 4週 |
ロボットアームの順運動学Ⅱ |
ベクトルの回転を用いたロボットアームの順運動解析を理解できる。
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| 5週 |
ロボットアームの逆運動学(数式解法) |
数式解法による逆運動学を理解できる。
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| 6週 |
ロボットアームの逆運動学(分解速度制御法) |
ヤコビ行列を用いた分解速度制御法を理解できる。
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| 7週 |
ヤコビ行列とロボットアームの特異姿勢 |
ロボットアームの特異姿勢とヤコビ行列との関係を理解できる。
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| 8週 |
中間試験 |
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| 4thQ |
| 9週 |
ロボットアームの運動方程式 |
２リンクロボットアームの運動方程式の立て方を理解できる．
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| 10週 |
ラグランジュの方程式の立て方 |
2リンクロボットアームを例にとってラグランジュの方程式の立て方を理解できる。
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| 11週 |
ロボットの軌道生成の概要 |
台形加減速軌道とS字加減速軌道、PTP制御、CP制御の概要を理解できる。
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| 12週 |
ロボットの制御法の概要Ⅰ |
フィードフォワードを併用したフィードバック制御，2自由度制御法，外乱オブザーバ等の概要を理解できる。
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| 13週 |
ロボットの制御法の概要Ⅱ |
速度分解法，トルク計算法，分解加速度法の概要を理解できる
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| 14週 |
ロボットの力制御、インピーダンス制御、バイラテラル制御 |
ロボットの力制御、インピーダンス制御の目的、概要を理解できる。
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| 15週 |
ロボットの二足歩行 |
静歩行と動歩行、ZMPの原理に基づいた歩行、受動二足歩行を理解できる。
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| 16週 |
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| 分類 | 分野 | 学習内容 | 学習内容の到達目標 | 到達レベル | 授業週 |
| 専門的能力 | 分野別の専門工学 | 機械系分野 | 力学 | 加速度の意味を理解し、等加速度運動における時間と速度・変位の関係を説明できる。 | 3 | 前7 |
| 運動の第二法則を説明でき、力、質量および加速度の関係を運動方程式で表すことができる。 | 3 | 後9,後10 |
| 周速度、角速度、回転速度の意味を理解し、計算できる。 | 3 | 前1,前2 |
| 剛体の回転運動を運動方程式で表すことができる。 | 3 | 前13,後9,後10,後11 |
| 計測制御 | 計測の定義と種類を説明できる。 | 3 | 前1,前2 |
| 代表的な物理量の計測方法と計測機器を説明できる。 | 3 | 前1,前2 |
| 自動制御の定義と種類を説明できる。 | 3 | 後11,後12,後13,後14 |
| フィードバック制御の概念と構成要素を説明できる。 | 3 | 前4,前6,前7,前14,後11,後12,後13,後14 |
| 基本的な関数のラプラス変換と逆ラプラス変換を求めることができる。 | 3 | 前12,前13 |
| ラプラス変換と逆ラプラス変換を用いて微分方程式を解くことができる。 | 3 | |
| 伝達関数を説明できる。 | 3 | 前6,前12,前13 |
| ブロック線図を用いて制御系を表現できる。 | 3 | 前6,前12,前13,前14,後11,後12,後13,後14 |
| 制御系の過渡特性について説明できる。 | 3 | 前14 |
| 制御系の定常特性について説明できる。 | 3 | 前14 |
| 制御系の周波数特性について説明できる。 | 3 | 前15 |
| 安定判別法を用いて制御系の安定・不安定を判別できる。 | 3 | |
| 電気・電子系分野 | 電子回路 | ダイオードの特徴を説明できる。 | 3 | 前5 |
| バイポーラトランジスタの特徴と等価回路を説明できる。 | 3 | 前4,前5 |
| 電力 | 直流機の原理と構造を説明できる。 | 3 | 前3 |
| 誘導機の原理と構造を説明できる。 | 3 | 前3,前9 |
| 同期機の原理と構造を説明できる。 | 3 | 前3,前9 |
| 計測 | 計測方法の分類(偏位法/零位法、直接測定/間接測定、アナログ計測/ディジタル計測)を説明できる。 | 3 | 前1,前2 |
| 制御 | 伝達関数を用いたシステムの入出力表現ができる。 | 3 | 前12,前14 |
| ブロック線図を用いてシステムを表現することができる。 | 3 | 前7,前12,前14,後12,後13,後14 |
| システムの過渡特性について、ステップ応答を用いて説明できる。 | 3 | 前14 |
| システムの定常特性について、定常偏差を用いて説明できる。 | 3 | 前14 |
| システムの周波数特性について、ボード線図を用いて説明できる。 | 3 | 前14 |