当日配布資料（2.58MB）

北海道地区３大学４高専２公設試
新技術説明会【札幌開催】
2015Jan21
軽量・柔軟な機械構造物のための
軽量脱着型振動除去装置
北見工業大学
機械工学科
准教授星野洋平
Laboratory of Bio-Mechatronics
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新技術説明会【札幌開催】
自己紹介
2015Jan21
1976 (S51) 北見市
1995 (H7) 北海道北見北斗高等学校卒業
1999 (H11) 北海道大学工学部機械工学第2学科卒業
2004 (H16) 北海道大学助手
2005 (H17) 北海道大学大学院工学研究科機械科学専攻博士後期課程修了
2007 (H19) 北海道大学助教
・農業機械の振動制御に関する研究
2013 (H25) 北見工業大学助教
2014 (H25) ノーステック財団研究開発助成事業・理事長賞
・「大規模精密農業用農薬散布ブームスプレーヤ高性能除振装置の開発」
2014 (H25) 北見工業大学准教授
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-2-
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新技術説明会【札幌開催】
自己紹介
日本海
オホーツク海
2015Jan21
北見市
札幌から292 km 5時間16分
(札幌駅→北見駅)
夏：３５℃ 冬：－２０℃
玉ねぎ(生産量全国一全国の２５％)
馬鈴薯・ビート・麦
もち米・メロン・いちご・畜産
面積：北海道で１位(北方領土除く) 全国で４位
長さ（石北峠～オホーツク海）、日本最長
太平洋
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新技術説明会【札幌開催】
北見市郊外の風景
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柔軟構造物用回転型除振装置の研究
農業機械の振動抑制に関する研究
2015Jan21
農業従事者の高齢化・減少 → 農地の集約化・大規模化（特に北海道）
ブームスプレーヤ(農薬散布機械)
振動が励起
作業精度 ⇔ 作業速度
搭載型アクティブ制振ユニット
・制振性能
・着脱可能（既存機種への搭載）
高速・高精度化
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共同研究の経緯
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平成16-17年度
複数のセンサ情報を用いた状態推定技術の開発
平成18-19年度
高速作業時における車両搭載型作業機の振動抑制技術の開発
平成20-22年度
大規模農業に向けた走行安定化機能を搭載した高速農作業機械の開発
（北海道重点領域特別研究H20-H22）
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研究グループと役割
産）農業機械メーカー
・実機の設計・製作・ノウハウ
・エンドユーザー（農家）のニーズ集約
官）北海道立工業試験場
[中西洋介（研究主査）、浦池隆文（研究職員）、吉川毅（主任研究員）、鈴木慎一（研究主査） ]
・研究計画の立案と調整（コーディネイト）
・試作機械の設計・調整・実証試験
・メーカーのニーズ（技術的に解決したい点）、大学のシーズの集約
学）北海道大学 [小林幸徳（教授）、江丸貴紀（准教授）、星野洋平（助教・現
・理論解析（農業機械の姿勢安定性・振動制御系）
・これまでの研究成果（シーズ）
・学生によるマンパワーの提供
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北見工業大学准教授）]
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農薬散布用農業機械ブームスプレーヤ
長大・軽量・柔軟なブーム
両翼で数十 m
大幅な構造変更
コスト増大
既存の構造を変更せずに装着
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低コスト
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柔軟構造物用回転型除振装置の研究
農業機械の振動抑制に関する研究
回転型除振装置 Active Wheel Damper (AWD)
モーメント
フライホイール
作用・反作用の法則
モーター
反モーメント
y
M
M
－
lu
• モータが発生するトルク（モーメント）に
対する半モーメントを利用して除振
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試作装置による制振実験
制振装置停止時
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制振装置作動時
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回転型除振装置AWDのメリット
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• 並進方向の運動への影響が小さい
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• 回転型とすることでストロークの制約を回避
• 制御系の設計が容易
固定端
• 除振性能の高いスカイフック制御法を容易に構成できる
• 広帯域の応答性を確保でき、軽量化が可能
• ジャイロセンサを用いることで脱着可能なユニット化できる
自由端
• 作業機への搭載が容易
フライホイール
モーター
ジャイロセンサー
マイコン
制御基板
Flexible arm
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柔軟構造物用回転型除振装置の研究新技術説明会【札幌開催】
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農業機械の振動抑制に関する研究
ブームのたわみ振動モデル
J  C  K   w  d
AWD unit の運動モデル
J uu  w  
フライホイールの運動モデル
J ww  
ブームのたわみ角＝ AWDの回転角
 u (t )   (t )
( J  J u )  C  K    d
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農薬散布シミュレーション
Y
16
y
シミュレーション結果
（不整地走行時）
14
y1
12
Y
x
10
Y [m]
M IZ
振動により農薬の散布ムラが生じる
8
6
4
2
0
0
16
10
Vehicle path
Vehicle position
Y [m]
Y [m]
11
振動のアクティブ制御により
振動が抑制され散布ムラが減少し、
作業効率が向上できる
2
4
9
4
7
5 6
8
2
0
4
6
8
6
10
2
15
10
4
0
10
12
12
6
3
X [m]
14
13
2
5
14
8
0 1
振動制御なし
X
X
8
10
0
X [m]
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振動制御あり
0
5
X [m]
10
15
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回路設計－基板加工機による試作
オペアンプ
1 2 3
OUT
ININ+
OUT
ININ+
ジャイロセンサー
GND
Power signal
1 2 3
+12V
Gyro signal
1 2 3
-12V
Control signal
SIGMAV(motor driver)
47
40
33
9
2
44
Power supply
5
4
3
2
1
-12V
COM
+12V
+5V
GND
SW2
ADXRS(gyro)
6
5
4
3
+24VIN
S-ON
PAO
T-REF
SG
ALM-RST
2
1
ST-1
ST-2
TEMP
RATEOUT
GND
Vcc
モータードライバー
SW
TLP521-2
電源装置
(a) Gain tuning
30k
(b) Gain tuning
(a) Voltage follower
20k
Reference voltage(+2.5V)
Output signal
+
Gyro sensor output
(d) LPF
10k
+
1.8k
500
2k
9
8
P80 9
11
P84 13
P86 15
P20 17
P22 19
P15 21
AVSS
VREFB
VOUTB
SHDN
LDAC
D/A コンバーター
23
25
LED1
560Ω
5
4.7kΩ
H8/3664
CN1
2
4
1000pF
6
8 NMI(SW2)
10 P81
12
14 P85
16 P87
18
20 P14
22
24
26
SW2
H8 3664BP マイコン
560Ω
LED2
500Ω
25
23
21 VCC
19
17
15 P51
13
11
9
7
5 PB1
3
1
LED4
100Ω
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26
24
VCC 22
20
18
16
P50 14
12
10
8
PB0 6
PB2 4
2
SW
NC 6
NC 7
VOUTA
VREFA
6
4
SW
(c) Offset tuning
0.47u
MCP4922
VDD 1
14
13
NC 2
CS 3
12
SCK 4
11
SDI 5
10
7
3
4.7kΩ
Reference voltage(+5 V)
30k
(b) Offset tuning
Output signal
+
0.47u
20k
500Ω
1
3
5
7
8
2
4.7kΩ
Control input signal
CN2
LED3
200k
10k
10k
10k
10k
10k
(c) LPF
10k
1
1kΩ
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機械設計
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柔軟構造物用回転型除振装置の研究
農業機械の振動抑制に関する研究
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試作回転型除振装置の諸元
フライホイール
フライホイールを除くユニット重量
3.8
kg
フライホイールの重量
1.3
kg
ユニットの慣性モーメント
0.0087
kg･m2
フライホイールの慣性モーメント
0.0106
kg･m2
モーター
ブーム
信号増幅回路
ジャイロセンサー
回路基板
マイコン
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柔軟構造物用回転型除振装置の研究
農業機械の振動抑制に関する研究
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制御系の構成
適応外乱相殺制御＋スカイフック制御による高性能振動制御
Gyro sensor
フィードバック
スカイフック制御入力
Sky-hook control
BPF
   fb   ff
制御入力
Adaptive
Notch Filter *
振動周波数推定
Adaptive BPF
フィードフォワード
外乱相殺制御入力
Disturbance freq.
Adaptive Disturbance
Cancellation control
Center freq.
加振力の振動数推定
( J  J u )  C  K    d
y
lu
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M
M
－
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スカイフック制御(フィードバック制御)
m
x
c
k
x0
ダンパーの調整による
振動抑制の特徴
スカイフック制御
c
x
m
k
x0
スカイフック制御によ
る振動抑制の特徴
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ジャイロセンサーの使用により、
簡単に実現可能
-18-
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適応ノッチフィルタによる加振振動数推定
u (k)
+
+
1/2
y (k)
yAPF (k)
APF
H
3
入力信号
frequency[Hz]
2.5
2
1.5
1
0.5
適応ノッチフィルタ
0
0
2
4
Time [s]
6
振動数の推定結果
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8
10
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適応振動相殺制御 (フィードフォワード制御)
モデル

・AWD unit (搭載前単体モデル) J u  w  
・正弦波加振力モデル
  k w  0
w
X  AX  B
 
0 1 / J u
 
X   w, A  0
0
 w 
0  k2
 
加振力推定モデル
推定された加振力 w
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0
1 / J u 

1, B   0 
 0 
0
適応ノッチフィルタにより推定された加振振動数
ˆ 
ˆ
ˆ
X  AX  B  L(   )
加振力の相殺制御
ポイント
除振対象に依存しない
ˆ 
 l1 
 
Xˆ   wˆ , L  l2 
 wˆ 
l3 
 
   wˆ
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適応振動相殺制御 (フィードフォワード制御)
振動の伝達特性
Ju s2
Js 2  Cs  K
W (s) 
D( s) 
T ( s ),
( J  J u ) s 2  Cs  K
( J  J u ) s 2  Cs  K
( s ) 
1
(T ( s )  D( s ))
( J  J u ) s 2  Cs  K
加振力の推定が正確とすると
wˆ  w,    wˆ
Wˆ ( s ) 
振動相殺制御ゲイン 
Ju s2
D( s)
{(1   ) J  J u }s 2  (1   )Cs  (1   ) K
1
( s ) 
   2
{( J  J u ) s  Cs  K }  
Ju s
1 
  1, ( s )  0
2
加振力を完全に打ち消すことができる
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D( s)
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実験装置の構成
2015Jan21
（片持ちの真鍮製ブーム）
Midi logger Servo motor
(GL500)
Motor driver
(SGMAV-04ADA61) (SGDV-2R8F01A)
Micro computer H8/3664F
Fly wheel
Current
Accelerometer
(LS-10C)
Encoder
AWD
Gyro signal
Acceleration
signal
Power supply
(LF-20)
Gyro sensor
Active Wheel Damper unit
Circuit bord
Control signal
Encoder signal
+12 V
- 12 V
+5 V
10 bits A/D
Controller
Digital filter
converter (d) (Adaptive NF, BPF) (e) SWADC
(c)
(f)
Motor
Operation
RC circuit
RC circuit 12 bits D/A
(i) driver
converter (g) amplifier (h) (LPF)
(LPF)
x4
(b)
Operation
amplifier
x5
Gyro
sensor
(a)
1.43 V/(rad/s)
Power source
(PSR-ME15-C2)
RS- 232C
(ADXRS6141)
装置の構成
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PC
Angular velocity
due to deflection
(j) Servo motor
SGMAV
Fly-wheel
(k) 3.82 N⋅m /V
Cantilever beam
Testbed
回転型制振ユニットのブロック図
-22-
北海道地区３大学４高専２公設試
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実験結果
2015Jan21
（片持ちの真鍮製ブーム）
スカイフック制御のみ
Acceleration [m/s 2 ]
非制御
20
10
0
−10
−20
Free
Skyhook control
0
1
2
3
Time [s]
4
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SWADC
5
6
スカイフック制御＋外乱相殺制御
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2.5mアーム実験装置
Motor driver
(SGDV-2R8F01A)
Midi logger GL500
2015Jan21
適応ノッチフィルタ
Motor
(SGMAV-04ADA61)
Accelerometer
(LS-10C)
Torque signal
Gyro signal
Acceleration
signal
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Control signal
Gyro senser
(ADXRS6141)
+12V
-12V
+5V
Hz
Power source
(PSR-ME15-C2)
Power supply LF-20
アームの周波数 1.4Hz
Data Logger
Unit
Power supply
Power source
Hz
Accelerometer
Motor driver
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2.5mアーム(自由振動実験)
非制御
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2015Jan21
スカイフック制御
スカイフック制御＋外乱相殺制御
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トラクター搭載試験
2015Jan21
Left
1.5Hz
Fixed space Gyro signal, Control signal
Left boom
Gyro signal, Control signal
40cm
8cm
Right
Right unit
Acceleration
Left unit
Right boom
Accelerometer
Power,torque signal
Battery
Control box
Power,torque signal
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1.6Hz
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実験結果
2015Jan21
(4.0 m 実験用ブーム、トラクター搭載試験)
非制御
スカイフック制御のみ
スカイフック＋適応外乱相殺制御
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-27-
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実験結果
2015Jan21
(4.0 m 実験用ブーム、トラクター搭載試験)
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-28-
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小型高性能化・コストダウン
現在
更なるコストダウン、小型化のための研究を遂行中
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本技術に関する知的財産権
•
•
•
•
発明の名称
出願番号
出願人
発明者
：柔軟アーム状構造物の除振装置
：特許公開2011-80581
：北海道大学
：星野洋平、小林幸徳
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従来技術とその問題点
2015Jan21
既に実用化されているものには、直線運動型の動吸振器（ダイ
ナミックマスダンパ）、アクティブマスダンパがある。
• 直線運動型動吸振器にはそのストロークに限界により、除振
性能を向上する際の強い制約となる。
• 動吸振器の制振効果を上げるためには、慣性質量を大きく
する必要があるが、除振装置自体の重量が増加してしまう
問題がある。
等の問題があり、軽量で柔軟な構造物の制振には使用するこ
とが難しい。
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新技術の特徴・従来技術との比較
2015Jan21
• ジャイロセンサを用いることで、除振対象に別個にセンサな
どを取り付ける必要が生じないユニット化が可能である。
• さらに、フライホイールを用いて回転型とすることでストロー
クの制約を受けず、質量を増加することなく慣性質量（慣性
モーメント）を変更することが可能である。
• また、フライホイールにモータを直結することで、摩擦による
機械的なエネルギー損失を低減し、効率良く制振効果を得る
ことができる。
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想定される用途
一例を挙げると
• スプレー装置
• 風力発電用風車のポールの振動制御
• クレーンの振れ止め制御
• 人工衛星太陽電池パネルの振動抑制
その他、さまざまな柔軟な構造物の
振動抑制に使用可能
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2015Jan21
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実用化に向けた課題
2015Jan21
• 現在、ほぼ動作が可能な試作機を開発済み。
• 実用化に向けて、コストダウンと小型化に向けて研究を進め
ている。
• 振動エネルギーの回生などで更なる省電力化の可能性があ
るが、
電子回路に関する技術は弱い。
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企業への期待
• 低雑音の信号処理、電力回生の技術を持つ企業
小型高出力モータの技術を有する企業
との共同研究を希望。
• また、軽量化が必要で振動除去が必要な製品を
開発している企業には、
本技術の導入が有効と思われる。
• 北海道産製品としてとにかく実用化し、
普及させたい
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2015Jan21
お問い合わせ先
北見工業大学
産学官連携コーディネータ
内島典子
ＴＥＬ０１５７－２６－４１６８
ＦＡＸ０１５７－２６－４１７１
e-mail
[email protected]
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