ヒトの筋構造模倣がもたらすロボット制御系の簡素化

先端ロボティクス研究センターシンポジウム 「フィールドと製造業への新しいロボットシステムを目指して」ヒトの筋構造模倣がもたらすロボット制御系の簡素化岡山県立大学　情報工学部井上貴浩

製造工程における人の関わり • ＦＡの時代（産業用ロボットによる無人化） • 人の役割の多くは自動化できない部分

ロボットとの共存社会 • 一家に一台 • 製造現場では，多数の人と多数のロボット • 不意の衝突においても怪我をしない • 関節軸にAC/DCモータ • ギヤ比が大きいので，衝撃力が大きい駆動系に他のアクチュエータを導入しなければならない

他のアクチュエータ • 空気圧（ゴム，シリンダ），油圧，電動（腱，シリンダ） 3関節ロボットバネとワイヤを拮抗配置

腱駆動ロボット

アクチュエータの弾性特性

メリット・デメリット • デザイン性 • 弾性要素により衝撃力を緩和 • 冗長関節＆非冗長関節のロボットでも共通した制御則が可能 • ヤコビ行列，逆運動学，重力補償も不要 • 特異姿勢を意識する必要はない • 振動的挙動 • 線形バネに起因した一定の関節剛性 • アクチュエータ数が倍増⇒制御ルール

制御則（手先位置制御） 仮想目標軌道

本制御則の着想（1自由度対柔軟指ハンド） 仮想目標軌道

ビジュアルフィードバック実験 • 同じ制御則（重力補償なし） • マニピュレータの手先位置決め制御に適用

非冗長関節ロボット 特異姿勢の概念が当てはまらない遅い例速い例井上，平井，”2 リンクアームにおける逆運動学を利用しない手先位置制御－仮想目標軌道とベル型速度プロファイル―”, 日本ロボット学会誌, Vol.32, No.3, 掲載予定,2014

冗長関節ロボット（実験） 特異姿勢の概念が当てはまらない

冗長関節ロボット（モデル） 水平姿勢衝撃

衝突時の挙動 • 20Nのステップ外力印加 • 制御則の変更一切なし

衝撃時の挙動 • 20Nのステップ外力印加（100ms）衝撃を検知すると・・・ • （１）目標値を垂下姿勢に変更 • （２）トルク上限を設定

衝撃時の挙動（A，B，C，D） B A C D

衝撃時の挙動（結果比較） • トルク上限なし⇒反動で鋭い動き⇒危険（C, D） • 目標値垂下姿勢なし⇒元姿勢まで戻る⇒危険（B, D）トルク制限をかける新たな目標姿勢設定により非危険な状態に戻す

繰り返し衝突時の挙動（指令タスクに回復） • 20Nのステップ外力印加（1s繰り返し） • ゲイン一切変更せず，積分Cの蓄積をゼロに戻す • 4sで目標姿勢に収束

結論 • 2指ロボットハンドの「物体操り制御則」を改良し，ロボットアームの手先位置制御に適用 • ヒト上肢の筋構造を模倣した簡易な粘弾性モデルを導入した冗長多関節ロボットのモデルとシミュレーションと実機の制作 • 冗長・非冗長の両機構において共通制御則 • ⇒（１）仮想目標PD制御，（２）I－PD制御 • 手先位置制御だが，ヤコビ行列不要，重力補償不要 • 実機での衝突緩和の検証 • 高剛性の拮抗駆動メカニズム • 空気圧，油圧駆動の採用

ヒトの筋構造模倣がもたらすロボット制御系の簡素化

ヒトの筋構造模倣がもたらすロボット制御系の簡素化

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