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あやかうるしはた
4 years ago
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1 未来を創造するロボットメカトロニクス技術東京電機大学未来科学部ロボットメカトロニクス学科畠山省四朗 (Robotics and Mechatronics)

2 アウトラインロボットメカトロニクスとは? メカトロニクスとは ( 機械工学と違うの )? ハードディスクの話大学のカリキュラムロボットコンテストロボットメカトロニクス分野で学ぶこと事例紹介 : ロボメカ技術の平和への貢献対人地雷探知除去ロボット模擬講義 : ロボティクス 3 年生が実際に受けている講義を体験資料映像 :( 株 )ZMP 提供

ロボットメカトロニクスが築く快適な未来空間未来の生活環境を形成する住空間知的空間動的空間の創造ロボットメカトロニクス情報メディア建築の横断的連携が必須 2025 年における生活支援ロボットの利用シーン例技術シーリングカメラ屋内測位センサ ( スードライトなど ) インターネット 2025 年のイメージ GPS

片付ける床の上の物を認識各物体を任意に位置変更ゴミの選別収集日にゴミ廃棄場所へ運搬ロボットサービスデータベースホームマップ, タウンマップロボットロボットコンフィギュレーションデータベースタスク知能技能健康医療管理生活物資管理掃除ロボット RT ミドルウェア了解しましたハードウェアコンポーネントロボットメカトロニクス技術は未来社会のニーズに合致

3 ロボットメカトロニクスが築く快適な未来空間未来の生活環境を形成する住空間知的空間動的空間の創造ロボットメカトロニクス情報メディア建築の横断的連携が必須 2025 年における生活支援ロボットの利用シーン例技術シーリングカメラ屋内測位センサ ( スードライトなど ) インターネット 2025 年のイメージ GPS ロボットサービスの実現レベルと技術生活モニタ家部屋マップタウンマップ RFID タグテーブルイスを部屋マップに登録部屋の片付けタスク RFID タグ RFID タグここを掴んで下さい RFID タグリーダホームサーバー日常作業支援 1mm 精度の 3 次元視覚 10kg 程度の可搬重量 2kg 程度のハンドリング 5 本指ハンド, 柔軟構造片付ける床の上の物を認識各物体を任意に位置変更ゴミの選別収集日にゴミ廃棄場所へ運搬ロボットサービスデータベースホームマップ, タウンマップロボットロボットコンフィギュレーションデータベースタスク知能技能健康医療管理生活物資管理掃除ロボット RT ミドルウェア了解しましたハードウェアコンポーネントロボットメカトロニクス技術は未来社会のニーズに合致 RFIDタグ component ホームネットワークソフトウェアコンポーネント component 掃除機ロボットさんテーブルの周りを掃除して! 地図自動生成, 移動空間認識汎用ロボットとの協調制御対象物 DB 利用掴む対象認識対象に合わせた把持制御空き空間探索物体方向制御サービスアプリケーションロボットメーカ / サービスインテグレータ出展 : ロボット分野の技術戦略マップ経済産業省

4 ロボットメカトロニクスとは? ロボットだけって思っていませんか? もちろんロボティクスのプロフェッショナルに必須の専門ですバーチャルリアリティ医療機器自動改札コンピュータメカトロニクス郵便機械ビル清掃メンテナンス等々人間と触れ合うシステムは全てメカトロニクスシステムですそれだけって!? 思っていませんか?

5 ロボットメカトロニクスの可能性電気電子神経制御反射運動ロボットメカトロニクス Synergetic Integration 全ての技術領域を俯瞰し社会に役立つあらゆるシステムを創出できる専門分野快適な未来の居住空間自動車航空機鉄道社会インフラシステム可能性は無限大! 情報知能地雷の探知除去など平和への貢献も! 機械骨格

6 Phase [deg] Gain [db] メカトロニクスとは : ハードディスクの事例からメカニクスサスペンションディスク振動アクチュエータエレクトロニクス誤り訂正符号 PRML VITERBI 信号処理リードライトチャネルシステムインテグレーションデータ転送エラーレート制御熱設計インタフェースメカトロニクス40 Frequency Response of Controlled Plant Frequency [Hz] Frequency [Hz]

7 ハードディスクのすごい技術トラック幅ディスク回転数ヘッド浮上量データ転送率 250ナノメートル毎分 1 万 5 千回転 10ナノメートル毎秒 100メガバイト髪の毛の太さは 100 マイクロメートル隙間 1 ミリメートル 1 ミリメートルの幅引用 : 平成 13 年度教育用コンテンツ開発事業時速 400 キロメートル

8 世界最初のハードディスク IBM 350 RAMAC* System 1956年 IBMが製品化自動販売機の1.5倍くらいの大きさ直径24インチのディスク50枚容量は５MB 何と 2007年時点の最先端のハードディスクは記録密度が 7,000万倍以上となっている *Random Access Memory Accounting

9 世界最初のハードディスク : IBM 350 RAMAC* System 1956 年 IBMが製品化自動販売機の1.5 倍くらいの大きさ直径 24インチのディスク50 枚容量は5MB 何と 2007 年時点の最先端のハードディスクは記録密度が 7,000 万倍以上となっている *Random Access Memory Accounting

10 ロボットメカトロニクス分野で学ぶこと

11 ロボットメカトロニクス分野のカリキュラムの例確かな数学力で実現力を! 基礎から徹底的に学ぶコンピュータ科目群専門科目を横断的に統合相乗的に知識を伸ばすコースワーク修士進学も念頭に

12 事例紹介 : ロボメカ技術の平和への貢献 - 地雷探知に関する要素技術の進展 - 地雷の形硬さや部品に着目爆薬や関連物質を探知するプロッダー金属探知器地中レーダー赤外線カメラ振動音波漏洩物質を検知イヌラットブタハチ植物人工嗅覚爆薬自身を探知核四極共鳴 (NQR) 高速中性子励起 (FNA) 熱中性子励起 (TNA) 引用 Journal of Mine Action, Issue 7.3 HiEnergy Technologies, Inc. URL,

13 模擬講義 : ロボティクス ( 第 4 回 ) 運動学 ( リンクパラメータとリンク座標系 : リンク機構を記述する ) 石川潤先生 3 学年後期集中 2 単位選択科目 R3

14 講義の流れ 1. 導入 ( ロボットの機構と制御 ) 2. 運動学 ( 座標系 : 位置と姿勢を表現する ) 3. 運動学 ( 同次変換 : 変換行列で回転と並進を表現する ) 4. 運動学 ( リンクパラメータとリンク座標系 : リンク機構を記述する ) 5. 運動学 ( 順運動学 : 関節変数から手先の位置と姿勢を求める ) 6. 運動学 ( 逆運動学 : 手先の位置と姿勢から関節変数を求める ) 7. 運動学 ( ヤコビ行列 : 手先速度と関節速度の関係とは ) 8. 力学基礎 9. 運動学 ( ヤコビ行列 : 手先に力をかけるには ) 10. 動力学 ( ラグランジュ法で運動方程式を立てる ) 11. 動力学 ( ニュートンオイラー法で運動方程式を立てる ) 12. 制御基礎

15 関節およびリンク番号と関節変数リンク i-1 関節 i q i 関節 2 q 2 関節 3 q 3 リンク 3 関節 i-1 q i 1 リンク i 関節 i+1 q i 1 リンク 1 リンク 0 関節 1 リンクn-1 関節 n-1 q 1 q n 1 関節 n q n リンク n 図 4.1: 関節とリンクの番号付け

16 例題 :7 自由度マニピュレータ以下の7 自由度アームのDH 記法を求めよ 6 5 Y E 4 X E 7 Z E 3 O Z R Y R O R X R 図 D5.1:7 自由度アーム ( 三菱重工汎用ロボットPA10シリーズPA10-7C 総合取扱説明書より )

17 リンクパラメータと Denavit-Hartenberg の記法 i Yi Z i リンク i X i リンク i-1 d i Z i 1 X i 1 a i 1 Y i 1 i 1 図 5.1:DH 記法パラメータとリンク座標系の関係

18 7 自由度アームの DH 記法による表現 Z E l 2 Z 5, Z 7 l E Z 3 Z 6 Z 4 Z, Z Z i a i 1 i 1 d i R 0 0 l R i l l E 0 0 l E l 1 Z R l R

19 制御系はどのように構成されるのか手先をどのように動かしたいか手先の目標軌道生成逆運動学逆動力学高速性を改善フィードフォワード制御追従誤差を圧縮フィードバック制御高速性を改善フィードフォワード制御追従誤差を圧縮フィードバック制御実際の関節変位は? 関節変位センサ各関節はどのように動かせばよいか関節の目標軌道生成実際の関節変位は? 関節変位センサ高速性を改善フィードフォワード制御追従誤差を圧縮フィードバック制御実際の関節変位は? 関節変位センサ

20 一輪車操作熟達支援研究背景人間の操作を必要とする機械が多く存在する. 一輪車操作は, 特に困難である. 初心者は乗車時間が短いため, 連続した練習ができない地面と一点で接しているため, 他の機械操作に比べより不安定一輪車操作の熟達を支援する制御システムの研究開発を行っている.

21 一輪車シミュレータの全体構成 System of Unicycle s Simulator View information is expressed with three projectors using DirectX. Visual System Projector_C IP-3 Projector_L IP-4 Projector_R IP-5 PC PC PC Pos HUB Calculation PC POS=[x,y,z,φ,Θ,ψ] Control Loop IP-2 DualCoreCPU We measure real unicycle operation. From power, acceleration and gyro sensor, we build a real time measurement system. Pos Feed UDP Data Sensor System Controller IP-1 No touch PID Data Unicycle's mathematical model is solved on calculation PC for next reference. Sensor Acceleration Gyro Force 7[Hz] wired

22 一輪車シミュレータ : 人間乗車風景

23 一輪車シミュレータ : 動作風景

24 一輪車シミュレータ : 3DCG 仮想空間風景

25 振子の安定化操作による熟達解析力信号を用いて直接振子を操作力センサ力センサを用いた入力装置 Model-following 制御を用いて振子の反力をフォースフィードバックシミュレータ画面現実のものを操作してるような感覚を与える操作実験を通じて人間の習熟過程を解析

26 考えるって何? 考えるとは基本知識に基づき知識を構造化して整理すること最低限の知識と忍耐が必要ふと生じる様々な疑問を大切にする基本知識 ( 原理法則 ) に基づく自らの思考で解決する意欲と力を養う疑問は各人の経験に基づく個人的なもの時間を掛けて考え心から納得する喜びを味わう決して無理に判ったことにしたり妥協したりしない

27 質問何でもきいてください 1. 確かな土台 ( 基礎力 ) をベースに, 高度な専門力を身につけたい人 2. 数学, 理科が好きで将来国際的に通用する研究者技術者を目指したい人

Microsoft PowerPoint - ロボットの運動学forUpload'C5Q [互換モード]

Microsoft PowerPoint - ロボットの運動学forUpload'C5Q [互換モード] ロボットの運動学順運動学とは座標系の回転と並進同次座標変換行列 Denavit-Hartenberg の表記法多関節ロボットの順運動学レポート課題 & 中間試験について逆運動学とはヤコビアン行列運動方程式 ( 微分方程式 ) ロボットの運動学動力学 Equation of motion f ( ( t), ( t), ( t)) τ( t) 姿勢 ( 関節角の組合せ ) Posture