2024年度 学院等開講科目 工学院 機械系
メカトロニクス演習
- 開講元
- 機械系
- 担当教員
- 髙山 俊男 / 石田 忠 / 金 俊完
- 授業形態
- 演習/実験等 (対面型)
- メディア利用科目
- -
- 曜日・時限
(講義室) - 月5-10 (石川台3号館 201C号室)
- クラス
- -
- 科目コード
- MEC.I332
- 単位数
- 011
- 開講時期
- 2024年度
- 開講クォーター
- 4Q
- シラバス更新日
- 2025年3月14日
- 使用言語
- 日本語
シラバス
授業の目的（ねらい）、概要
本演習では，簡単な3自由度ロボットアームを用いて，メカトロニクス機器の構成要素を理解し，座学で学んだ制御理論をコンピュータ制御で実践する演習・実験である．ロボットアームを構成するメカトロニクス要素（減速器，アクチュエータ，センサなど）の基礎知識を提供する．制御のために必要なデータの取得方法と，モータの駆動方法を提供する．逆運動学，コンプライアンス制御といった産業用マニピュレータに求められている制御方法を提供し，これらを用いて3自由度ロボットアームの動作と制御を実践させる．
メカトロニクスは機械工学と電気工学を融合させた学問であり，これにより機械要素だけでは実現できない機能を電子回路，センサ，アクチュエータ，コンピュータなどと組み合わせることで可能とする．構成要素を一見して確認できるシンプルな3自由度ロボットアームを用いることで，メカトロニクス機器の構成が理解できる．学生自ら作成した位置制御プログラムを用いてロボットアームを動作させることで，メカトロニクス機器の機能と動作が理解できる．座学では直観的に理解しにくいPID制御の各役割はプログラム中のパラメータを変化させることで体感できる．
「メカトロニクス工学」や「モデリングと制御」の講義で学んだことに関して，次の点を中心に演習と実験を実施し，レポートにまとめる．
１．ロボットの構成要素
２．制御の基礎
３．制御系の設計
４．逆運動学
５．障害物回避制御
６．コンプライアンス制御
７．重力補償
到達目標
本演習を履修することによって以下の能力を修得する．
１．ロボットの構成要素であるエンコーダ，モータ，モータドライバ，アナログ-デジタル変換回路，制御用プログラム言語などを理解できる
２．PID制御の比例制御，積分制御，微分制御を学び，各制御法の役割と違いを理解できる．
３．ロボットのステップ応答実験から伝達関数を求め，PID制御系のパラメータを設計できる．
４．ロボットの逆運動学問題を理解し，ロボットの位置決め制御ができる．
５．ロボットの逆運動学の数値解を求め，ロボットの障害物回避制御ができる．
６．ロボットアームの力を制御するコンプライアンス制御ができる．
７．ロボットの重力補償を行い，補償の効果を理解できる．
キーワード
PID制御，運動学，逆運動学，ヤコビアン，コンプライアンス制御
学生が身につける力
- 専門力
- 教養力
- コミュニケーション力
- 展開力 (探究力又は設定力)
- 展開力 (実践力又は解決力)
- この科目は，学修目標の 1. 【専門力】基盤的な専門力 3. 【コミュニケーション力】論理的に表現でき，尊重しあうことができる力 5. 【展開力】（実践力又は解決力）基本的な問題を解決できる力 の修得に対応する．
授業の進め方
各回の前半で理論と原理を講義し，後半で講義内容に関する演習・実験に取り組んでもらいます．各回の学習目標をよく読み，課題を行って下さい．
授業計画・課題
| 授業計画 | 課題 | |
|---|---|---|
| 第1回 | ロボットの接続方法と制御方法 | ロボットの制御に必要な装置の概要について学ぶ． |
| 第2回 | PID制御の基礎 | PID制御について学び，PIDそれぞれの役割を体感する． |
| 第3回 | PID制御系の設計 | PID制御系のパラメータを決定し，PID制御系を設計する． |
| 第4回 | ロボットの逆運動学問題とPTP制御 | ヤコビアンの有用性を学ぶ． |
| 第5回 | 逆運動学問題の数値的解法と障害物回避制御 | 動作範囲内に障害物があった場合の回避方法を学ぶ． |
| 第6回 | ロボットのコンプライアンス制御 | 外力が加わった場合に柔らかく関節を逃がす制御方法を学ぶ |
| 第7回 | ロボットの重力補償 | ロボットにかかる重力を計算し，重力補償を行う． |
準備学修(事前学修・復習)等についての指示
学修効果を上げるため，教科書や配布資料等の該当箇所を参照し，「毎授業」授業内容に関する予習と復習（課題含む）をそれぞれ本学の学修規程で定められた時間を目安に行う。
教科書
配布資料を用いて講義します．
参考書、講義資料等
講義資料はT2SCHOLAにアップロードする．
参考書：基礎メカトロニクス，培風館/システム制御の基礎と応用，数理工学社
成績評価の方法及び基準
各週の実験・演習への出席とそのレポートにより評価する．
・実験と演習の取組状況40%，レポート60%．
関連する科目
- MEC.I331 ： メカトロニクス工学（機械）
- MEC.I312 ： モデリングと制御
履修の条件・注意事項
MEC.I331 ： メカトロニクス工学（機械）とMEC.I312 ： モデリングと制御を履修していること，あるいは，それに相当する知識を有することを条件とする．プログラムが組めること．数式処理が主となるので特定の言語に精通している必要はない．実験装置の数が限られているため，希望人数が多い場合には，これらの授業を履修している者から優先的に選抜いたします．履修単位数に余裕をもって履修計画を立ててください．
機械系に所属していない学生は履修できません．
2024年度は，2023年4月1日以降に入学した学生(23B～)は履修できません．