モデル予測制御によるMcKibben型空気圧ゴム人工筋の目標値追従制御

McKibben型空気圧ゴム人工筋は,軽量かつ柔軟で,単位重量あたりの出力が大きいという特徴を持つ.このため,人工筋を福祉機器のアクチュエータとして利用することで,機器使用者の負担軽減や安全性の向上が期待できる.このとき,使用者の目的に応じて機器が素早く正確に動作するような,アクチュエータに対する目標値追従制御が求められる.

先行研究で得られた人工筋の非線形切替えモデルは,人工筋の非線形性を考慮し,動作圧力帯域を限定しないため,このモデルに制御系を設計することで,実物の人工筋に対して高い制御性能が得られると考えられる.

本研究では,人工筋の非線形性を考慮した数理モデルに,モデル予測制御を適用することで,目標値追従制御系を構成することを目的とした.まず,人工筋の数理モデルをハイブリッドオートマトンモデルに書き換え,人工筋の非線形ハイブリッドシステムを示した.次に,人工筋システムにモデル予測制御を適用し,シミュレーションでは,モデル予測制御を用いた制御系によって,人工筋システムは異なる様々な圧力帯域で目標値を追従できることを確認した.また,制御器の設計パラメータを固定し,制御器のパラメータの決定に用いた目標値と異なる目標値を与えた場合でも,目標値を追従できることを確認した.さらに,シミュレーションで事前に得た制御入力を,フィードフォワードで実機に与える手法で実機実験を行ない,本実験ではモデル化誤差などの影響で追従誤差が残ることなどの課題を確認した.