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1 Katsura Laboratory Integrated Design Engineering Keio University ( 位置 力再現方法および位置 力再現装置 ) Department of Electrical Engineering Nagaoka University of Technology 長岡技術科学大学助教横倉勇希 新技術説明会

2 触覚 力覚情報の伝送 聴覚情報の伝送 視覚情報の伝送 触覚 力覚情報の伝送 研究は少なく, 実用化に至っていない 触覚 力覚情報の伝送に焦点を当てる Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 2

3 触覚 力覚情報の伝送 バイラテラル制御 スレーブ 作用力 反作用力の生成 力情報 位置情報 マスタ モータ位置の同期 触覚 力覚情報 ( 感触 ) の伝送が可能に Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 3

4 触覚 力覚情報の伝送 バイラテラル制御 ( モータ周辺のブロック図 ) 加速度指令 Kfn,, Kf K ; トルク定数 Mn,, M ; モータ慣性 gdis ; フィルタ帯域 外乱オブザーバ力センサレスでモータの外力を推定可能 電流指令 モータ外力 モータ モータの加速度制御系を構成 位置応答 速度応答 推定された力応答 Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 4

5 触覚 力覚情報の伝送 バイラテラル制御 ( 全体のブロック図 ) Quarry 行列 ( 座標変換行列 ) Cf ; 力制御器 Cp(s) ; 位置制御器 Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 5

6 触覚 力覚情報の伝送 バイラテラル制御 可動シャフト 対象物体 マスタ エンドエフェクタ 位置センサ リニアモータ スレーブ オペレータ 位置センサ Bilateral Multilateral Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 6

7 触覚 力覚情報の伝送 バイラテラル制御 Force [N] Position [mm] 6 Master Slave 力応答 Time [s] (a) Master Slave 位置応答 接触動作 Time [s] (b) 作用反作用の法則を人工的に実現! 位置の同期 オペレータが加えた力 対象物体の反力 対象物体の感触が得られる! Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 7

8 触覚 力覚伝送技術の応用 医療分野 遠隔診断 遠隔手術 低侵襲 精密な手術 産業分野 遠隔修理 メンテナンス 原子力分野 建設土木分野 触覚 力覚フィードバック付の建設機械 娯楽分野 触れるテレビ 電話 インターネット オンラインショッピング Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 8

9 ( 人間の動作の保存 再現技術 ) Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 9

10 聴覚情報の保存と再現 保存 視覚情報の保存と再現 保存 保存 再現 再現 再現 触覚 力覚情報を保存 再現する技術は未確立 Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 1

11 モーションコピーシステム 操作者の動作を時間と空間を超えて再現できる Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 11

12 モーション保存システム Quarry 行列 ( 座標変換行列 ) オペレータの力と位置を保存 Cf ; 力制御器 Cp(s) ; 位置制御器 Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 12

13 モーション再現システム オペレータの力と位置を出力 スレーブは動作を模擬 保存された 力情報 と 位置情報 に従って, オペレータの動作を模擬する Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 13

14 モーション保存システム マスタ スレーブ 再現フェーズ 保存された 力情報 と 位置情報 に従ってモータを制御し再現する 保存フェーズ 力応答 と 位置応答 を制御コンピュータのメインメモリもしくは, ハードディスク等々に保存する モーション再現システム スレーブのみ使用 Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 14 MCS

15 モーションコピーシステムの実験結果 力応答 位置応答 Force [N] Position [mm] Time [s] (a) Stored Reproduced Stored Reproduced Time [s] (b) 位置 と 力 の双方を同時に再現できる ( モーションキャプチャ等の従来技術では不可能!) Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 15

16 可変速モーション再現システム 可変速再現アルゴリズム 力情報 動作の再現速度を自由に可変できる Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 16 f 位置情報 x 時間方向への伸縮 位置情報時間方向への伸縮 t t

17 可変速モーション再現システムの実験結果 位置応答 [ m ] 力応答 [ N ] 位置応答 1 倍速再現 仮想マスタシステムスレーブシステム 力応答 時間 [s] 仮想マスタシステムスレーブシステム 時間 [ s] 1/2 倍速再現 Time [s] 触覚 力覚の スローモーション を実現 Position x res [m] Reaction force F ext [N] 位置応答 Virtual Master System Slave System 力応答 Virtual Master System Slave System Time [s] Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会

18 可変速モーション再現システムの実験結果 位置応答 [ m ] 力応答 [ N ] 位置応答 1 倍速再現 仮想マスタシステムスレーブシステム 力応答 時間 [s] 仮想マスタシステムスレーブシステム 時間 [ s] 2 倍速再現 Time [s] 触覚 力覚の 早回し を実現 Position x res [m] Reaction force F ext [N] 位置応答 Virtual Master System Slave System 力応答 Virtual Master System Slave System Time [s] Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会

19 多軸モーションコピーシステム モータ 単軸システム パラレルリンクモデル 多軸システム Motor1 Motor3 エンドエフェクタ Motor4 Target Object Motor2 Master Slave End End effector 多軸 MCS Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 19

20 多軸モーションコピーシステム Position Y [mm] エンドエフェクタの軌跡 Storage Phase Reproduction Phase Position X [mm] Hand MCS 開始位置 アルミ板の表面 X 方向力応答 Y 方向力応答 X 方向位置応答 Y 方向位置応答 多軸の場合でも 位置 と 力 の双方を再現 Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 2

21 想定される用途 熟練者 手術の術者の繊細な動作の保存 再現 熟練技能者の動作を模擬する NC 工作機械 手作業を繰り返し再現する産業用ロボット 未だに手作業に頼っている工程自動化が難しい工程 ( 例えば製品の組立等 ) Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 21

22 実用化に向けた課題 企業への期待 実用化に向けた課題 人間の自然な動作を扱うために, 自由度をさらに増やしていく必要 アクチュエータのトルク不足 問題 パワーウェイトレシオの ( 摩擦の多いギアは使えず, ダイレクトドライブが必須 ) 安全対策問題 ( 産業用ロボットは隔離され, 人と共存できない ) 企業への期待 機構部分についての技術を持つ企業との連携 具体的な応用展開をご提案頂ける企業との連携 現場での技術実証 ( 研究室では動いているが ) Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 22

23 本技術に関する知的財産権 発明の名称 位置 力再現方法および位置 力再現装置 出願番号 特願 公開番号 特開 出願人 国立大学法人長岡技術科学大学 発明者 横倉勇希, 大石潔, 桂誠一郎 Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 23

24 お問い合わせ先 国立大学法人長岡技術科学大学 総務部産学 地域連携課知的財産係須田 住所 : 新潟県長岡市上富岡町 長岡技術科学大学 電話 : FAX : Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology - 新技術説明会 24