• ジャイロを用いた高速鉄道の安定化制御法の開発
• センサレス自励発振法の研究
• マイクロエネルギーハーベスターの開発
• モード連成を利用した超微小質量計測法の開発
• 宇宙構造物におけるダイナミクスの研究
• 宇宙用劣駆動マニピュレータの運動制御
• 原子間力顕微鏡による生体計測法の開発
• 高周加振とその応用
• 自動車ワイパーのダイナミクスと払拭性能の研究
• 超高速ロータのダイナミクスとコントロールの研究
• 皮膚粘弾性測定装置の開発
• 流体構造連成系のフラッタ-と安定化制御法の研究
• 劣駆動マニピュレータの運動制御の研究

 

   ジャイロを用いた高速鉄道の安定化制御法の開発

Stabilization of Hunting Motion by Gyroscopic Damper

鉄道車両は高速で走行すると蛇行動と呼ばれる自励振動を生じる。自励振動の発生を回避することが超高速鉄道開発の鍵になる。ダンパーの装着は発生回避の一方法であるが、曲線通過性能の低下を招く。本研究室ではジャイロを用いた全く新しい方法を提案し、超高速鉄道の実現を目指している。

研究成果

(1) 走行する一車輪軸に生じる蛇行動の非線形安定性解析
（軌条輪試験装置による検討）\par
(2001，土木学会鉄道力学論文集，5, pp. 43-48.)
藪野浩司，岡本拓人，青島伸治

(2) Stabilization Control for the Hunting Motion of a Railway Wheelset
(2001, Vehicle System Dynamics, 35，pp. 41-55:
ICTAM, Selected papers from the 20th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, Chicago, 28 August – 1 September 2000, edited by Peter Lugner and Karl Hedrick.)
Yabuno, H., Okamoto, T, and Aoshima, N.\par

(3) Effect of Lateral Linear Stiffness on Nonlinear Characteristics of Hunting Motion of a Railway Wheelset
(2002, Meccanica, 37-6， pp. 555-568.)
Yabuno, H., Okamoto, T., and Aoshima, N.

(3) Stabilization Control of Hunting Motion of Railway Vehicle Wheelset Using Gyroscopic Damper
(2008, Journal of Vibration and Control, 14, pp. 209-230: Special issue of Journal of Vibration and Control honoring Prof. Fabrizio
Vestroni in his 60th birthday.)
Yabuno, H., Takano, H., and Okamoto, H.\par

(4)ジャイロを用いた鉄道車両に生じる蛇行動現象の安定化
(2008，日本機械学会論文集C編，73-728，pp. 1005-1011.)
岡本浩典，小谷学，Shihpin LIN, 藪野浩司、須田義大

  センサレス自励発振法の研究

自励振動と呼ばれる共振現象はその独特な共振特性から、近年アクチュエータや計測装置に盛んに用いられるようになった。本研究では容易に自励振動を発生させるためのセンサレス発振法の研究を行っている。

  マイクロエネルギーハーベスターの開発

 Energy harvester based on parametric resonance

 

 マイクロマシーン技術をもちいて、携帯型のエネルギーハーベスター（エネルギー発生装置）の開発研究を行っている。パラメータ―励振と呼ばれる特殊な共振現象に注目して、エネルギー発生効率のよい携帯型のエネルギーハーベスターの研究を行っている。

 

研究成果
(1) Nonlinear Amplitude Control of Parametrically Excited Simply-Supported Beam by Passive Linear Stiffness, 11th International Conference on Vibration
Problems, Lisbon, Portugal, 9-12 September, 2013.

  モード連成を利用した超微小質量計測法の開発

Self-Excited Oscillation of Coupled Cantilever without mass

 

Self-Excited Oscillation of Coupled Cantilever with mass

 

微小質量計測（アトグラムオーダーの質量計測）の実現に向けた弱モード連成振動の利用が大きな注目を集めている。いかにして質量効果によるモードシフトを正確に測定するかが、さらなる微小質量計測の精度向上のカギになる。これまでは強制振動法による測定が主流であり、正確なモードを測定することは困難であり、粘性の影響を受けやすい例えば粘性液中における微小質量計測（共振ピークが存在しない場合）は不可能であった。我々の研究グループでは、自励振動を利用して測定環境を選ばない微小質量計の開発を行っている。

 

【産業技術総合研究所との共同研究】

 

研究成果

(1)Self-excited coupled cantilevers for mass sensing in viscous measurement environments, (2013, Applied Physics Letters, 103, 063104, 5 pages)

Yabuno, H., Seo, Y., and Kuroda, M.

  宇宙構造物におけるダイナミクスの研究

宇宙構造物の柔軟性は、剛性の低さに起因して、地球上の構造物とは異なる特徴的なダイナミクスを持つ。とくに小さな摩擦力でも、剛性の低さからその効果が際立ち、地球上の構造物では無視し得た（これまでは解析の対象とされてこなかった）、複雑な現象の解明が急務になってきた。本研究室では、集合値関数、微分包含理論を用いて、宇宙構造物のダイナミクスを詳細に解析するとともに、実験によってその妥当性を確かめる研究を行っている。

 

研究成果

(1) Effect of Coulomb Damping on Buckling of a Two-Rod System
(1998, Nonlinear Dynamics, 15-3, pp. 207-224.)
Yabuno, H., Kurata, Y., and Aoshima, N.

(2) Effect of Coulomb Damping on Buckling of a Simply Supported Beam\par
(1999, September, Las Vegas NV,
Proc. of Symposium on Nonlinear Vibrations at the 17th ASME Biennial Conference
on Mechanical Vibration and Noise, CD-ROM.)
Yabuno, H., Ohwada, R., and Aoshima, N.

(3) Suppression of Parametric Resonance in Cantilever Beam with a Pendulum (Effect of Static Friction at the Supporting Point of the Pendulum)
(2004, Transaction of ASME Journal of Vibration and Acoustics, 126, pp. 149-162.)
Yabuno, H., Murakami, T., Kawazoe, J., and Aoshima, N.

(4）Identification of Coulomb Friction at Supporting Points of a Hinged-Hinged
Beam\par
(2007, JSME Journal of System Design and Dynamics, 1-2, pp. 352－361.）
Yabuno, H. and Koda, T.

(5)　Analysis of the van der Pol System With Coulomb Friction Using the Method
of Multiple Scales\par
(2008, Transaction of ASME Journal of Vibration and Acoustics, 130, pp. 041008-1-041008-7.)
Yabuno, H., Kunitho, Y., and Kashimura, T.

   宇宙用劣駆動マニピュレータの運動制御

Underactuated Space Manipulator

自由度の数に対して、アクチュエータの数が少ないマニピュレータは一般に劣駆動マニピュレータと呼ばれる。本研究室で提案したフィードバック制御が不要な運動制御法を応用し、スピン衛星に働く遠心力を利用した劣駆動マニピュレータの運動制御に関する研究をおこなっている。

研究成果

(1) Reachable Area of an Underactuated Space Manipulator Subjected to Simple Spinning: Application of Bifurcation Control under High-Frequency Excitation
(2008, Nonlinear Dynamics, 51, pp. 345-353.)
Hattori, M. and Yabuno, H.

  原子間力顕微鏡による生体計測法の開発

Van der Pol Type Self-Excited Microcantilever Probe

マイクロカンチレバープローブに働く原子間力を測定して、生体観察を行う方法の開発を行っている。生体観察を可能にするためには、（1）マイクロカンチレバーが粘性環境中でも振動を持続すること、（2）マイクロカンチレバーを試料に接触せずに測定できること（完全非接触計測）が大きな課題であったが、本研究ではマイクロカンチレバープローブにvan der Pol Oscillatorと同様なダイナミクスを非線形フィードバックにより持たせることにより、これらの課題を克服できることを理論および実験によって明らかにしている。

 

【産総研との共同研究】

 

研究成果

(1)ファンデルポール型自励発振を用いたAFMカンチレバーの振幅制御

(2007, 日本機械学会論文集C編，73－732，pp. 2225-2231.）

林圭一，芦田極，藪野浩司，黒田雅治

(2)Van der Pol Ttype Self-Excited Micro-Cantilever Probe of Atomic Force　Microscopy

(2008, Nonlinear Dynamics, 54, pp. 137-149.)

Yabuno, H., Kaneko, H., Kuroda, M., and Kobayashi, T.

(3)　タッピングモード原子間力顕微鏡への応用に向けたカンチレバーの衝突振動と制御

(2008，日本機械学会論文集C編，74-742，pp. 1409-1415.)

沼津匡俊，Andrew DICK，藪野浩司，黒田雅治，

Balakumar　BALACHANDRAN

(4)Van der Pol Ttype Self-Excited Micro-Cantilever Probe of Atomic Force　Microscopy

(2008, Nonlinear Dynamics, 54, pp. 137-149.)

Yabuno, H., Kaneko, H., Kuroda, M., and Kobayashi, T.

  高周加振とその応用

Indian Rope Problem

 

Stabilization of Inverted Pendulum under High-Frequency Excitation

 

Stabilization of Buckled Beam under High-Frequency Excitation

高周波加振による静的不安定平衡点の安定化は，1908年のStehensonによる実験的な発見以来多くの研究者によって実験的ならびに理論的な解析が行われてきた。本研究室ではその現象がピッチフォーク分岐の一種であり、加振の方向によりその完全性が破られて、安定な平衡点が移動することを理論的ならびに実験的に示した。このような現象を利用して、様々な機械システムに対して、フィードバク制御を用いない高度運動制御法の構築に取り組んでいる。

 

研究成果

(1) Bifurcation in an Inverted Pendulum with Tilted High-Frequency Excitation (Analytical and Experimental Investigations on Symmetry-Breaking of the Bifurcation)

(2004, Journal of Sound and Vibration, 273，pp. 493-513.)

Yabuno, H., Miura, M., and Aoshima, N.

 

 (2) Experimental Investigation of a Buckled Beam under High-Frequency Excitation

(2007, Archive of Applied  Mechanics, 77, pp. 339-351)

Yabuno, H. and Tsumoto, K.

  自動車ワイパーのダイナミクスと払拭性能の研究

Reversal Behavior of Wiper Blade

払拭性能を向上させるため、ワイパーとウインドウとの摩擦特性を詳細に考慮した、ワイパーのダイナミクの解析を数理的な手法と実験により行っている。

研究成果
(1) Bifurcation Phenomena of the Reversal Behavior of an Automobile Wiper Blade(2012, Nonlinear Dynamics, 69, pp. 1111-1123.)
Sugita, M., Yabuno, H., and Yanagisawa, D.
(2) Mode Coupling-Type Instability of a Beam Subjected to Coulomb Friction
(2013, Journal of Vibration and Acoustics, 135, 064502 (7 pages).)
Seo, Y., Yabuno, H., and Kono, G.

  超高速ロータのダイナミクスとコントロールの研究

One Half-Oder Subharmonic Resonance in Rotor

エネルギー効率を飛躍的に向上させるため、ローターの超高速回転が期待されている。しかしながら、低速時には発生しなかった特殊な不安定現象の発生が予測され、そのダイナミクスの詳細な解析および制御が喫緊の課題となっている。本研究ではロータの超高速回転時に発生する不安定現象を理論と実験により明らかにし、その安定化法の構築を行っている。

 

研究成果

(1)水平支持されたジェフコットロータにおける主共振の非線形特性\par

(2008，日本機械学会論文集C編，73-728，pp. 1005-1011.)\par

鹿志村琢磨，藪野浩司，井上剛志，石田幸男

 

(2) Nonlinear Normal Modes and Primary Resonance of Horizontally Supported

Jeffcott Rotor\par

(2011, Nonlinear Dynamics, 66-3, pp. 377-387.)\par

Yabuno, H., Kashimura, T., Inoue, T., and Ishida, Y.

  皮膚粘弾性測定装置の開発

Nonlinear Hardness Sensor

皮膚表面の粘弾性（いわゆる「皮膚のハリ」）を測定する装置を開発している。これまでの方法とは異なり、非線形振動理論にもとづいた非線形フィードバックによる新たな測定手法を開発し、従来法では正確に測定することが困難であった、非線形粘弾性の測定に取り組んでいる。

 

研究成果

（1）Hardness Detection Sensor for Cubic Nonlinear Elasticity Using Nonlinear Self-Excited Oscillation,

(2013, August 4-7, 2013, Portland, Oregon, Proc. of IDETC/CIE 2013 ASME International Design Engineering Technical Conferences $\&$ Computers and Information in Engineering Conference, CD-ROM (DETC2013-12745).)

Kokubun, Y. , Yabuno, H., Kuroda, M., and Yamamoto, Y.,

  流体構造連成系のフラッタ-と安定化制御法の研究

Stabilization of Flutter in Fluid-Conveying Pipe

 

流体―構造連成システムはその非自己随伴性から非保存系になるためエネルギーの流入が発生し不安定振動現象を引き起こす。その不安定振動はシステムに含まれる非線形性によって本質的に特徴づけられるため、ダイナミクスの把握には非線形解析が必須であり、工学的な観点からのみならず、数理物理学的にも世界的レベルで活発に研究がおこなわれている。本研究室では現象解析にとどまらず、非線形振動現象の安定化制御に関する研究を理論的ならびに実験的に展開している。

 

研究成果

内部流による弾性送水管の非線形横振動：管下端がばね支持されている場合の非線形安定性

(2010，日本機械学会論文集C編，76－762，pp．236－243．

 山下　清隆，網代　惇治，元木　新，廣瀬　裕己，藪野　浩司，吉沢　正紹

  劣駆動マニピュレータの運動制御の研究

Underactuated Manipulator

 自由度の数に対して、アクチュエータの数が少ないマニピュレータを一般に劣駆動マニピュレータと呼ぶ。従来の劣駆動マニピュレータの運動制御に関する研究はフリージョイント（アクチュエータが存在しないジョイント）の角度情報を利用したフィードバックによりアクティブリンク（アクチュエータが存在するジョイントに接続されたリンク）に適切なトルクを加えることにより行われてきた。これは、アクチュエータが故障してフリージョイントになってしまった場合において、フリージョイントに接続されたアームの制御法を与えるものである。すなわち、フリージョイントの角度情報は得られるものとして、制御法が構築されているため、センサーは故障していない状況を想定している。

これに対し、我々のグループではアクチュエータのみならずセンサーも故障した（従ってフィードバックは使えない）場合の運動制御法の開発を行っている。

研究成果

(1) Swing-Up and Stabilization of an Underactuated Manipulator without State Feedback of Free Joint
(2004, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 20，pp. 359-365.)
Yabuno, H., Goto, K., and Aoshima, N.
(2) Reachable and Stabilizable Area of an Underactuated Manipulator Without State Feedback Control
(2005, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 10-4, pp. 397-403.)
Yabuno, H. Matsuda, T., and Aoshima, N.
(3) Swing-up Control of a Three-Link Underactuated Manipulator by High-Frequency Horizontal Excitation
(2013, Transaction of ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, 8, 011002, 8 pages.)
Endo, T and Yabuno, H.