平 成 5 年 度 修 士 学 位 論 文 アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムの インピーダンス 制 御 に 関 する 研 究 指 導 教 員 池 浦 良 淳 教 授 博 士 前 期 課 程 機 械 工 学 専 攻 システム 設 計 研 究 室 相 根 祥 吾

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1 Master's Thesis / 修 士 論 文 アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 シ ステムのインピーダンス 制 御 に 関 する 研 究 相 根, 祥 吾 三 重 大 学, 14. 博 士 前 期 課 程 機 械 工 学 専 攻 システム 設 計 研 究 室

2 平 成 5 年 度 修 士 学 位 論 文 アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムの インピーダンス 制 御 に 関 する 研 究 指 導 教 員 池 浦 良 淳 教 授 博 士 前 期 課 程 機 械 工 学 専 攻 システム 設 計 研 究 室 相 根 祥 吾

3 目 次 第 1 章 緒 言 1.1 研 究 背 景 1 1. 研 究 目 的 本 論 文 の 構 成 7 第 章 アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムの 構 造 と 制 御 原 理.1 アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムの 基 本 構 造 8. 本 機 構 の 制 御 原 理 1 第 3 章 直 列 弾 性 駆 動 システムのインピーダンス 制 御 と 提 案 手 法 の 応 答 性 のシミュレ ーションによる 比 較 検 証 3.1 シミュレーション 方 法 シミュレーション 条 件 シミュレーション 結 果 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 のシミュレーション 提 案 手 法 によるシミュレーション 各 シミュレーションの 応 答 性 の 比 較 検 証 7 第 4 章 アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムのインピーダンス 制 御 の 有 効 性 検 証 4.1 使 用 するアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 装 置 8 4. アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 装 置 での 実 験 31

4 4..1 実 験 目 的 実 験 方 法 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 の 実 験 結 果 提 案 手 法 による 実 験 結 果 実 験 結 果 の 考 察 と 提 案 手 法 の 有 効 性 の 検 証 37 第 5 章 結 言 5.1 まとめ 今 後 の 課 題 39 参 考 文 献 4 謝 辞 4

5 第 1 章 諸 言 1.1 研 究 背 景 現 在 の 日 本 では 少 子 高 齢 社 会 化 が 進 行 している Fig.1.1に1 年 までの 日 本 の 総 人 口 の 推 移 を 示 す この 図 の 縦 軸 は 日 本 の 総 人 口 [ 千 人 ]を 示 し 横 軸 は 年 を 示 している 1 年 時 点 での 日 本 の 総 人 口 はおよそ1 億 751 万 5 人 であるが この 図 からわかるように 11 年 以 降 日 本 の 総 人 口 が 減 少 に 転 じている また Fig.1.に 年 代 別 の 人 口 を 示 す こ の 図 の 縦 軸 は 各 年 代 別 の 人 口 [ 千 人 ]を 示 し 横 軸 は 年 を 示 す また 青 線 は 歳 から14 歳 までを 示 す 年 少 人 口 赤 線 は15 歳 から64 歳 までの 年 代 を 示 す 生 産 年 齢 人 口 緑 線 は65 歳 以 上 の 年 代 を 示 す 老 年 人 口 を 指 す この 図 から5 年 以 降 老 年 人 口 が 増 加 しているこ と 5 年 以 降 生 産 年 齢 人 口 及 び 年 少 人 口 が 減 少 していることがわかる これらつの 事 象 より 現 在 の 日 本 は 労 働 力 の 減 少 がすでに 始 まっていると 考 えられる [1] また 内 閣 府 潜 在 成 長 率 専 門 チームがまとめたところによると 3 年 の 労 働 力 人 口 は5666 万 人 まで 減 少 し 全 人 口 に 対 する 老 年 人 口 の 割 合 は31.6%まで 上 昇 するとされている [] こ の 日 本 の 労 働 力 の 減 少 を 解 決 するために 様 々な 分 野 でロボットの 活 躍 が 期 待 されてい る 現 在 の 日 本 は 様 々な 工 場 で 産 業 用 ロボットが 導 入 されており その 稼 働 台 数 は 世 界 一 とされている [3] しかし 経 済 産 業 省 の 次 世 代 ロボットビジョン 懇 談 会 が 報 告 したと ころによると 5 年 の 人 間 とロボットが 共 存 する 社 会 のビジョンは 産 業 に 限 らず 国 民 生 活 や 公 共 分 野 でロボットを 幅 広 く 活 用 して 日 本 の 次 世 代 社 会 のテーマである 少 子 高 齢 化 などの 問 題 解 決 に 役 立 てていくことは 現 実 的 かつ 効 果 的 な 方 策 であると 提 言 し 1

6 ている [4] このように 今 後 の 日 本 では 医 療 や 介 護 の 分 野 などといった 人 と 協 調 し て 働 く 分 野 でのロボットの 活 躍 が 期 待 されている そのため これからのロボットに 求 められる 性 能 の 一 つとして 重 い 物 を 取 り 扱 う 際 に 柔 らかな 動 きが 可 能 なアームを 持 つ ことが 考 えられる これを 受 け ロボットアームの 駆 動 方 法 や 制 御 方 法 について 様 々な 手 法 が 提 案 されて きた [5][6][7][8] 人 と 協 調 して 働 く 際 に 人 との 接 触 時 の 力 の 作 用 を 考 え 低 いインピーダ ンスのほうが 良 いとされ ロボットアームにはダイレクトドライブが 採 用 されることが 望 ましいとされる しかし 低 いインピーダンスの 動 きをダイレクトドライブモータの みで 行 った 場 合 高 いトルクのモータを 使 用 する 必 要 があり モータ 自 体 が 大 型 化 する ためロボットに 適 用 できないという 課 題 があった これに 対 して モータを 小 型 化 し かつ 高 出 力 を 得 るために 高 い 減 速 比 のギアを 装 着 したモータによる アームの 直 接 駆 動 が 採 用 されてきた [9][1] しかし この 駆 動 方 法 でインピーダンス 制 御 を 適 用 した 場 合 駆 動 部 の 剛 性 が 高 く 制 御 で 柔 らかさを 表 現 しないといけないため 外 部 環 境 と 接 触 し た 際 に 不 安 定 になりやすい そのため 高 い 減 速 比 のギアを 装 着 したモータを 使 い 低 いインピーダンスの 動 きを 実 現 するために 一 つのモータとアームの 間 にばねを 使 用 する 直 列 弾 性 駆 動 システムが 採 用 された [11] [1][13] このシステムでは 荷 重 に 対 してばね 要 素 で 幾 何 形 状 を 変 えるこ とができる そのため このシステムでインピーダンス 制 御 を 適 用 した 場 合 アーム 直 接 駆 動 に 比 べて より 柔 らかさは 表 現 される しかし 高 い 減 速 比 のギアを 取 り 付 けた モータでは 遅 れが 発 生 するので 弾 性 要 素 を 含 んだ 目 標 インピーダンスが 完 全 には 表 現 されないという 課 題 があった この 課 題 を 解 決 するために 直 列 弾 性 駆 動 システムにもう 一 つモータを 付 加 したアク チュエータシステムが 着 目 されている このシステムの 実 現 に 向 け 各 種 研 究 がこれま でに 進 められてきた Zinnらは 高 減 速 のモータとばねによる 直 列 弾 性 駆 動 システムに 応

7 3 答 の 早 いモータを 付 加 する 機 構 を 提 案 した [14][15] このアクチュエータシステムは 高 出 力 モータとばねによる 基 礎 アクチュエータを 低 周 波 数 帯 でのアームの 動 力 源 としてロボ ットアームの 付 け 根 部 分 に 配 置 し 応 答 の 早 いモータによる 関 節 アクチュエータは 高 周 波 数 帯 でのアームの 動 力 源 としてアームの 関 節 部 分 に 配 置 している このようにするこ とで 直 列 弾 性 駆 動 システムに 見 られる モータの 遅 れによるアームの 応 答 遅 れを 抑 え ることができる しかし このシステムは 入 力 トルクに 対 してシステム 全 体 がトルク 制 御 されているため インピーダンス 制 御 については 考 えられていない Fig.1.1 日 本 の 総 人 口 の 推 移 総 人 口 [ 千 人 ] 年

8 人 口 [ 千 人 ] 年 少 人 口 生 産 年 齢 人 口 老 年 人 口 年 Fig.1. 日 本 の 各 年 代 別 人 口 の 推 移 Fig.1.3 アーム 直 接 駆 動 採 用 ロボット RIBA [9] 4

9 Fig.1.4 直 列 弾 性 駆 動 システム 採 用 ロボット TWENDY-ONE [11] Fig.1.5 直 列 弾 性 駆 動 システム 採 用 ロボット Baxter [1] 5

10 1. 研 究 目 的 これから 活 躍 が 期 待 されるロボットは 人 と 協 調 して 働 く 能 力 が 求 められており 重 い 物 を 持 った 際 でも 柔 らかい 動 きが 可 能 であることが 重 要 であると 考 えられる 小 型 のモ ータで 大 きな 力 を 発 生 するには 高 い 減 速 比 のギアを 使 用 する 必 要 があり 高 い 減 速 比 の ギアを 取 り 付 けたモータだと 遅 れが 発 生 するので 弾 性 要 素 を 含 んだアームの 動 特 性 を 完 全 に 制 御 できない また 大 きな 力 を 発 生 し 柔 らかい 動 きを 実 現 するためには 高 いトルクを 発 生 できる 大 型 のアクチュエータを 使 用 する 必 要 がある このような 大 型 の アクチュエータを 使 用 するとロボット 自 体 も 大 型 化 してしまい 実 際 に 運 用 することを 考 えたとき 活 動 できるスペースというのは 限 られている 場 合 が 多 く 汎 用 性 を 持 たせる ことが 難 しくなる そのため 求 められるアクチュエータシステムは 大 きな 力 発 揮 する ことはもちろんだが より 小 型 であり 低 いインピーダンスの 動 きができることを 求 め られる この 課 題 に 対 し 本 研 究 では 小 型 で 高 出 力 のアクチュエータの 実 現 を 目 指 し アク チュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムでアームを 低 インピーダンスで 駆 動 させ ることを 目 的 として 本 機 構 に 対 してインピーダンス 制 御 を 適 用 することを 提 案 する これにより 直 列 弾 性 駆 動 システムの 課 題 であった モータの 遅 れに 起 因 するシステム の 応 答 の 遅 れや 弾 性 系 による 振 動 の 発 生 を 抑 制 することを 目 指 す 本 論 文 では 一 つの モータとばねで 構 成 される 直 列 弾 性 駆 動 システムのインピーダンス 制 御 と アクチ ュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムのインピーダンス 制 御 のアームの 応 答 性 をシミュレーションにより 比 較 する また 実 験 装 置 をシミュレーションと 同 じ 条 件 で 駆 動 させた 際 の 応 答 性 を 検 証 する 以 上 の 手 法 からアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムのインピーダンス 制 御 の 有 効 性 を 検 証 する 6

11 1.3 本 論 文 の 構 成 本 論 文 の 構 成 を 以 下 に 示 す まず 第 章 で 本 研 究 で 使 用 するアクチュエータを 付 加 し た 直 列 弾 性 駆 動 システムの 基 本 構 造 と 本 機 構 に 適 用 する 制 御 原 理 について 述 べる 第 3 章 では 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 とアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 のアームの 動 きのシミュレーショ ンの 結 果 を 示 し 応 答 性 を 比 較 する 第 4 章 では 実 際 に 使 用 する 実 験 装 置 について 述 べ シミュレーションと 同 じ 条 件 で 実 際 に 装 置 を 駆 動 させた 際 の 応 答 性 を 検 証 する 最 後 に 第 5 章 では 本 研 究 のまとめと 今 後 の 研 究 課 題 について 述 べる 7

12 第 章 アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムの 構 造 と 制 御 原 理 本 章 では 本 研 究 で 使 用 するアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムの 構 造 と 提 案 する 制 御 原 理 について 述 べる.1 節 では 本 研 究 で 使 用 するアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムの 基 本 構 造 について 述 べ. 節 では 本 機 構 に 適 用 する 制 御 原 理 について 述 べる.1 アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムの 基 本 構 造 Fig..1 に 本 研 究 で 使 用 するアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムの 基 本 構 造 を 示 す 本 研 究 室 ではこれまで 受 動 要 素 を 用 いたエネルギー 蓄 積 型 のアクチュエー タシステムの 研 究 がなされていたが 様 々な 課 題 が 残 されていた [16] 中 でも 一 番 大 きな 課 題 は 装 置 の 大 型 化 重 量 化 であった これはシステムの 高 出 力 化 のためにばねを 多 数 使 用 することや 関 節 部 粘 性 の 表 現 のために 油 圧 ダンパーを 使 用 するなどシステム 構 成 部 品 数 が 多 くなり 結 果 として 装 置 の 大 型 化 重 量 化 を 招 いていた これを 改 善 する ためにシステム 構 成 部 品 数 を 少 なくすることで 本 機 構 の 小 型 化 軽 量 化 を 図 る 本 機 構 は 高 減 速 アクチュエータとトーションバーによる 直 列 弾 性 駆 動 に 低 減 速 アクチュエー タを 付 加 した 機 構 でアームを 駆 動 する 本 機 構 は Fig..1 中 の 左 から 高 減 速 アクチュエ ータ 弾 性 要 素 アーム 低 減 速 アクチュエータで 構 成 されている 高 減 速 アクチュエ ータは 高 減 速 比 のギアと 小 型 のモータで 構 成 し ギアにおける 摩 擦 が 大 きいので 位 置 8

13 制 御 とする ここで 使 用 するモータを 位 置 制 御 モータと 呼 ぶ この 高 減 速 アクチュエー タは 弾 性 要 素 を 通 じてアームを 駆 動 させる ここで 使 用 する 弾 性 要 素 はゴムメタル 製 の トーションバーである しかし 直 列 弾 性 駆 動 システムのように この 高 減 速 アクチュ エータとトーションバーだけでアームを 駆 動 させると 使 用 する 位 置 制 御 モータの 応 答 遅 れにより システムの 応 答 が 遅 くなることや 弾 性 系 による 振 動 が 発 生 する そのた め 本 機 構 では 低 減 速 アクチュエータで 遅 れを 補 償 する 方 式 とした 一 つのモータと ばねで 構 成 される 直 列 弾 性 駆 動 システムとの 違 いは この 低 減 速 アクチュエータを 使 用 する 点 である この 低 減 速 アクチュエータは 低 減 速 比 のギアと 小 型 のモータで 構 成 し ギアの 摩 擦 が 小 さいのでトルク 制 御 とする ここで 使 用 するモータをトルク 制 御 モータ と 呼 ぶ これら 二 つのアクチュエータとトーションバーを 組 み 合 わせた 本 機 構 に 高 い 負 荷 に 対 して 低 いインピーダンスでアームを 駆 動 させるために インピーダンス 制 御 を 採 用 する 詳 しい 制 御 原 理 は 次 節 で 説 明 する このシステムには ばね 要 素 としてトー ションバーを 用 いているので このことから 将 来 的 にはあらかじめ 二 つのアクチュエー タを 利 用 してトーションバーをねじっておき 力 を 蓄 えておくことでより 大 きな 力 を 発 生 させることも 可 能 である 高 減 速 アクチュエータ θ e 弾 性 要 素 (トーションバー) θ 低 減 速 アクチュエータ τ アーム τ おもり Fig..1 使 用 するアクチュエータシステムの 模 式 図 9

14 . 本 機 構 の 制 御 原 理 本 機 構 の 制 御 原 理 についてアームが 地 面 と 水 平 な 状 態 からアームの 先 端 に 力 が 加 わ った 場 合 について 模 式 図 と 照 らし 合 わせて 説 明 する まず 初 めに Fig..1 に 示 す 本 機 構 の 運 動 方 程 式 を 以 下 に 示 す I C k( ) mglsin (.1) e ここで アームとおもりの 慣 性 モーメントを I[kg m ] 粘 性 を C[Ns/rad] トーションバ ーのばね 定 数 を k[nm/rad] アームとおもりの 質 量 を m[kg] アームの 重 心 までの 距 離 を l[m] アームの 回 転 角 度 を θ[rad] 位 置 制 御 モータの 回 転 角 度 を θ e [rad] トルク 制 御 モ ータのトルクを τ[nm] 外 部 トルクを τ [Nm]とする この 運 動 方 程 式 を 軸 として 本 機 構 を 制 御 する 1

15 STEP.1 アームの 目 標 回 転 角 度 を 決 め 位 置 制 御 モータの 目 標 変 位 を 決 める 本 提 案 手 法 にはインピーダンス 制 御 を 採 用 する これは 高 い 負 荷 に 対 して 低 い インピーダンスでアームを 駆 動 させるためである 初 めに 以 下 の 式 からアームの 目 標 回 転 角 度 θ d [rad]を 求 める I C ) k ( ) (.) d d d ( d d d d d ここで 目 標 慣 性 モーメントを I d [kg m ] 目 標 減 衰 係 数 を C d [Ns/rad] 目 標 ばね 定 数 を k d [Nm/rad] 目 標 平 衡 点 を θ d [rad]とする なお 外 部 トルク 以 外 にも 目 標 平 衡 点 θ d [rad]を 変 化 させることで アームの 目 標 回 転 角 度 θ d [rad]を 求 めることも 可 能 で ある 後 に 4 章 でも 述 べるが 今 回 の 実 験 はこの 目 標 平 衡 点 θ d [rad]を 変 化 させるこ とでアームを 回 転 させる 次 にアームの 目 標 回 転 角 度 θ d [rad]を 式 (.1)に 対 して 式 (.3)のように θ を θ d に 置 き 換 え θ e を 位 置 制 御 モータの 目 標 回 転 角 度 θ ed [rad]として 求 める この 位 置 制 御 モ ータの 目 標 回 転 角 度 を 位 置 制 御 指 令 値 として 位 置 制 御 モータに 入 力 する I C k( ) mglsin (.3) d d d ed d PC 位 置 制 御 モータ 目 標 回 転 角 度 θ ed 位 置 制 御 モータ トルク 制 御 モータ θ ed θ d Fig.. アクチュエータシステムの 制 御 手 法 1 11

16 STEP. トルク 制 御 モータの 必 要 トルクを 決 める 位 置 制 御 モータに 搭 載 されたエンコーダから 位 置 制 御 モータの 実 際 の 回 転 角 度 θ e [rad]を 計 測 し 位 置 制 御 モータの 目 標 回 転 角 度 θ ed [rad]と 実 際 の 回 転 角 度 θ e [rad] の 差 より トーションバーのばね 定 数 k[nm/rad]をかけ 以 下 の 式 を 構 成 する ( ) d k ed e (.4) 上 記 の 式 でトルク 制 御 モータの 目 標 トルク τ d [Nm]を 求 める この 目 標 トルク 値 をト ルク 制 御 指 令 値 としてトルク 制 御 モータに 入 力 する PC トルク 制 御 モータ 目 標 トルク τ d 位 置 制 御 モータ 位 置 制 御 目 標 回 転 角 度 θ ed モータ トルク 制 御 モータ 位 置 制 御 モータ 実 際 の 回 転 角 度 θ e θ e θ d τ d Fig..3 アクチュエータシステムの 制 御 手 法 1

17 STEP.3 アームが 実 際 に 駆 動 する 位 置 制 御 モータの 実 際 の 回 転 角 度 θ e [rad]に 対 して トルク 制 御 モータの 実 際 のト ルク τ[nm]で 位 置 制 御 モータの 遅 れを 補 い アームが 実 際 に 駆 動 する この 時 のア ームの 動 きをトルク 制 御 モータに 搭 載 されたエンコーダから 計 測 する このように 位 置 制 御 モータの 遅 れをトルク 制 御 モータにより 補 うことでシステムの 応 答 改 善 を 狙 うのが 提 案 手 法 の 特 徴 である なお Fig..5 に STEP.1 から STEP.3 までの 制 御 の 流 れを 表 した 図 を 示 す PC トルク 制 御 モータ 目 標 トルク τ d 位 置 制 御 モータ 位 置 制 御 目 標 回 転 角 度 θ ed モータ 位 置 制 御 モータ 実 際 の 回 転 角 度 θ e θ e θ トルク 制 御 モータ τ アームの 実 際 の 回 転 角 度 θ Fig..4 アクチュエータシステムの 制 御 手 法 3 位 置 制 御 τ 式 θ d 式 θ ed θ e モ ー タ の (.) (.3) 動 特 性 式 (.4) τ d トルク 制 御 モータの 動 特 性 τ アームと トーション θ バーの 動 特 性 Fig..5 本 機 構 の 制 御 系 13

18 第 3 章 直 列 弾 性 駆 動 システムのインピーダンス 制 御 と 提 案 手 法 の 応 答 性 のシミュレーションによる 比 較 検 証 本 章 ではアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムのインピーダンス 制 御 に おけるアームの 応 答 性 について 直 列 弾 性 駆 動 システムと 提 案 手 法 のシミュレーション を 行 うことで 比 較 検 証 し 結 果 を 記 載 する 3.1 節 ではアームの 応 答 性 検 証 のためのシ ミュレーション 方 法 について 述 べる 3. 節 ではアームの 応 答 性 検 証 を 行 う 際 のシミュ レーション 条 件 について 述 べる 3.3 節 では 直 列 弾 性 駆 動 システムにおけるインピーダ ンス 制 御 でのシミュレーション 結 果 を 記 載 し 3.4 節 では 提 案 手 法 におけるシミュレー ション 結 果 を 記 載 するとともに 直 列 弾 性 駆 動 システムのシミュレーション 結 果 と 比 較 することで 提 案 手 法 でのアームの 応 答 性 について 検 証 する 3.1 シミュレーション 方 法 本 研 究 で 提 案 するアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピー ダンス 制 御 が 有 効 であることを 検 証 するために まずシミュレーションを 行 った 提 案 手 法 によるアームの 駆 動 のシミュレーション 方 法 は 前 章 で 述 べた 制 御 原 理 を 用 いて 位 置 制 御 モータの 目 標 回 転 角 度 及 びトルク 制 御 モータの 目 標 トルクを 求 め シミュレー ションを 行 う 式 (.3)で 求 めた 位 置 制 御 モータの 目 標 回 転 角 度 θ ed [rad]に 対 して 位 置 制 御 モータの 14

19 動 特 性 を 以 下 の 式 で 表 現 する ed T 1 e e (3.1) この 時 位 置 制 御 モータの 実 際 の 回 転 角 度 を θ e [rad] 位 置 制 御 モータの 時 定 数 を T 1 [ms] とする 式 (.3)で 求 めた 位 置 制 御 モータの 目 標 回 転 角 度 θ ed [rad]と 式 (3.1)で 求 めた 位 置 制 御 モ ータの 実 際 の 回 転 角 度 を θ e [rad]を 使 用 して シミュレーションでは 式 (.4)を 構 成 し ト ルク 制 御 モータの 目 標 トルク τ d [Nm]を 求 める 式 (.4)で 求 めたトルク 制 御 モータの 目 標 トルク τ d [Nm]に 対 して トルク 制 御 モータの 動 特 性 を 以 下 の 式 で 表 現 する T d (3.) この 時 トルク 制 御 モータの 実 際 のトルクを τ[nm] トルク 制 御 モータの 時 定 数 T [ms] とする 以 上 のようにして 求 めた 位 置 制 御 モータの 実 際 の 回 転 角 度 θ e [rad] とトルク 制 御 モ ータの 実 際 のトルク τ[nm]を 用 いて 本 機 構 の 運 動 方 程 式 (.1)を 構 築 し アームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[rad]を 導 出 することでシミュレーションを 行 う 3. シミュレーション 条 件 物 体 を 保 持 した 状 態 でアームを 地 面 と 水 平 にして その 状 態 でアームの 先 端 に 外 部 ト ルクが 加 わった 場 合 を 想 定 し その 際 のアームの 応 答 性 を 検 証 する アームの 初 期 位 置 は 地 面 と 水 平 であり これをトーションバーで 維 持 できるように 式 (.)の θ d の 初 期 値 を 設 定 する シミュレーション 開 始 後 に 外 部 トルクによりアームが 回 転 したことを 再 現 するために 式 (.)の θ d を 初 期 値 から 3 度 回 転 させるステップ 入 力 を 与 える 本 機 構 のアームにおもりをつけない 状 態 と 5kg 1kg kg 3kg 4kg のおもりをつけた 15

20 状 態 を 想 定 したシミュレーションを 行 い アームとおもりは 一 体 とする おもりを 段 階 的 に 増 やす 理 由 は 実 験 装 置 を 駆 動 させる 時 に 安 全 面 を 考 慮 して 段 階 的 におもりを 増 や していくためである 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 でアームを 駆 動 させることを 想 定 したシミュレーション 1 本 機 構 によるインピーダンス 制 御 でアームを 駆 動 させる 提 案 手 法 を 想 定 したシミュレーション の 二 つのシミュレーションを 行 い 両 手 法 の 応 答 性 を 比 較 検 証 する シミュレーションで 使 用 する 式 は 式 (.1)~(.4) 及 び 式 (3.1)~(3.)であり これらの 式 で 使 用 する 各 パラメータを Table3.1 から Table3.5 にまとめる この 中 で 目 標 慣 性 モー メントと 目 標 ばね 定 数 は 実 際 のアームとおもりの 慣 性 モーメントならびにトーション バーのばね 定 数 と 同 じ 値 を 設 定 し 目 標 減 衰 係 数 C d [Ns/rad]は 臨 界 減 衰 とする Table3.1 おもりなしでのシミュレーションで 使 用 した 各 パラメータ I d 目 標 慣 性 モーメント.414[kg m ] C d 目 標 減 衰 係 数 [Ns/rad] k d 目 標 ばね 定 数 139.4[Nm/rad] θ d 目 標 平 衡 点 1.578[rad] I アームの 慣 性 モーメント.414[kg m ] C 粘 性 1.636[Ns/rad] k トーションバーのばね 定 数 139.4[Nm/rad] m アームの 質 量 3.64[kg] l アームの 重 心 までの 距 離.3175[m] T 1 位 置 制 御 モータの 時 定 数 4[ms] T トルク 制 御 モータの 時 定 数 3[ms] 16

21 Table3. おもり 5kg のシミュレーションで 使 用 した 各 パラメータ I d 目 標 慣 性 モーメント.1335[kg m ] C d 目 標 減 衰 係 数 [Ns/rad] k d 目 標 ばね 定 数 139.4[Nm/rad] θ d 目 標 平 衡 点 1.578[rad] I アームとおもりの 慣 性 モーメント.1335[kg m ] C 粘 性 1.636[Ns/rad] k トーションバーのばね 定 数 139.4[Nm/rad] m アームとおもりの 質 量 1.36[kg] l アームの 重 心 までの 距 離.486[m] T 1 位 置 制 御 モータの 時 定 数 4[ms] T トルク 制 御 モータの 時 定 数 3[ms] Table3.3 おもり 1kg のシミュレーションで 使 用 した 各 パラメータ I d 目 標 慣 性 モーメント 3.45[kg m ] C d 目 標 減 衰 係 数 [Ns/rad] k d 目 標 ばね 定 数 139.4[Nm/rad] θ d 目 標 平 衡 点 1.578[rad] I アームとおもりの 慣 性 モーメント 3.45[kg m ] C 粘 性 1.636[Ns/rad] k トーションバーのばね 定 数 139.4[Nm/rad] m アームとおもりの 質 量 15.36[kg] l アームの 重 心 までの 距 離.486[m] T 1 位 置 制 御 モータの 時 定 数 4[ms] T トルク 制 御 モータの 時 定 数 3[ms] 17

22 Table3.4 おもり kg のシミュレーションで 使 用 した 各 パラメータ I d 目 標 慣 性 モーメント 6.7[kg m ] C d 目 標 減 衰 係 数 [Ns/rad] k d 目 標 ばね 定 数 139.4[Nm/rad] θ d 目 標 平 衡 点 1.578[rad] I アームとおもりの 慣 性 モーメント 6.7[kg m ] C 粘 性 1.636[Ns/rad] k トーションバーのばね 定 数 139.4[Nm/rad] m アームとおもりの 質 量 5.36[kg] l アームの 重 心 までの 距 離.486[m] T 1 位 置 制 御 モータの 時 定 数 4[ms] T トルク 制 御 モータの 時 定 数 3[ms] Table3.5 おもり 3kg のシミュレーションで 使 用 した 各 パラメータ I d 目 標 慣 性 モーメント [kg m ] C d 目 標 減 衰 係 数 [Ns/rad] k d 目 標 ばね 定 数 139.4[Nm/rad] θ d 目 標 平 衡 点 1.578[rad] I アームとおもりの 慣 性 モーメント [kg m ] C 粘 性 1.636[Ns/rad] k トーションバーのばね 定 数 139.4[Nm/rad] m アームとおもりの 質 量 35.36[kg] l アームの 重 心 までの 距 離.486[m] T 1 位 置 制 御 モータの 時 定 数 4[ms] T トルク 制 御 モータの 時 定 数 3[ms] 18

23 Table3.6 おもり 4kg のシミュレーションで 使 用 した 各 パラメータ I d 目 標 慣 性 モーメント [kg m ] C d 目 標 減 衰 係 数 [Ns/rad] k d 目 標 ばね 定 数 139.4[Nm/rad] θ d 目 標 平 衡 点 1.578[rad] I アームとおもりの 慣 性 モーメント [kg m ] C 粘 性 1.636[Ns/rad] k トーションバーのばね 定 数 139.4[Nm/rad] m アームとおもりの 質 量 45.36[kg] l アームの 重 心 までの 距 離.486[m] T 1 位 置 制 御 モータの 時 定 数 4[ms] T トルク 制 御 モータの 時 定 数 3[ms] 3.3 シミュレーション 結 果 3.3. 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 のシミュレ ーション Fig.3.1 におもりなしの 時 Fig.3. におもり 5kg の 時 Fig.3.3 におもり 1kg の 時 Fig.3.4 におもり kg の 時 Fig.3.5 におもり 3kg の 時 Fig.3.6 におもり 4kg の 時 のシミュレ ーション 1 の 結 果 を 示 す 図 の 縦 軸 は 上 からアームの 回 転 角 度 [deg] 位 置 制 御 モータ の 回 転 角 度 [deg]を 示 し 図 の 横 軸 は 全 て 時 間 [s]を 示 す 図 中 の 赤 線 はアームの 目 標 回 転 角 度 θ d [deg] 青 線 はアームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg] 緑 線 は 位 置 制 御 モータの 目 標 回 転 角 度 θ ed [deg] 紫 線 は 位 置 制 御 モータの 実 際 の 回 転 角 度 θ e [deg]を 示 す シミュレーション 結 果 より 本 機 構 の 目 標 平 衡 点 θ d が 変 化 した 直 後 から 位 置 制 御 モ ータの 応 答 の 遅 れにより アームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg]がアームの 目 標 回 転 角 度 19

24 Motor angle[deg] Arm angle[deg] Motor angle[deg] Arm angle[deg] θ d [deg]から 遅 れていることが 分 かる この 結 果 より 直 列 弾 性 駆 動 システムにインピー ダンス 制 御 を 適 用 した 際 に 位 置 制 御 モータの 応 答 遅 れによるアームの 回 転 角 度 の 遅 れ が 問 題 点 であることが 考 えられる θ d θ Time[s] Fig.3.1 おもりなしでのシミュレーション 1 結 果 θ ed θ e θ d θ Time[s] Fig.3. おもり 5kg でのシミュレーション 1 結 果 θ ed θ e

25 Motor angle[deg] Arm angle[deg] Motor angle[deg] Arm angle[deg] θ d θ Time[s] Fig.3.3 おもり 1kg でのシミュレーション 1 結 果 θ ed θ e θ d θ Time[s] Fig.3.4 おもり kg でのシミュレーション 1 結 果 θ ed θ e 1

26 Motor angle[deg] Arm angle[deg] Motor angle[deg] Arm angle[deg] θ d θ Time[s] Fig.3.5 おもり 3kg でのシミュレーション 1 結 果 θ ed θ e θ d θ Time[s] Fig.3.6 おもり 4kg でのシミュレーション 1 結 果 θ ed θ e

27 3.3. 提 案 手 法 によるシミュレーション Fig.3.7 におもりなしの 時 Fig.3.8 におもり5kgの 時 Fig.3.9 におもり 1kgの 時 Fig.3.1 におもり kg の 時 Fig.3.11 におもり 3kg の 時 Fig.3.1 におもり 4kg の 時 のシミュ レーション の 結 果 を 示 す 図 の 縦 軸 は 上 からアームの 回 転 角 度 [deg] 位 置 制 御 モー タの 回 転 角 度 [deg] トルク 制 御 モータのトルク[Nm]を 示 す 図 中 の 横 軸 は 全 て 時 間 [s] を 示 す 図 中 の 赤 線 はアームの 目 標 回 転 角 度 θ d [deg] 青 線 はアームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg] 緑 線 は 位 置 制 御 モータの 目 標 回 転 角 度 θ ed [deg] 紫 線 は 位 置 制 御 モータの 実 際 の 回 転 角 度 θ e [deg] 黒 線 はトルク 制 御 モータが 発 生 させる 目 標 トルク τ d [Nm] 茶 線 はト ルク 制 御 モータが 発 生 させる 実 際 のトルク τ[nm]を 示 す 提 案 手 法 の 場 合 本 機 構 の 目 標 平 衡 点 θ d が 変 化 した 後 も アームの 目 標 回 転 角 度 θ d [deg]の 軌 道 と アームの 実 際 の 回 転 角 度 の 軌 道 θ[deg]が 重 なっていることがわかる これによりアームの 実 際 の 回 転 角 度 はアームの 目 標 回 転 角 度 通 りに 回 転 していることが 示 された 3

28 Torque[Nm] Motor angle[deg] Arm angle[deg] Torque[Nm] Motor angle[deg] Arm angle[deg] θ d θ θ ed θ e - -4 τ d -6 τ Time[s] Fig.3.7 おもりなしでのシミュレーション 結 果 θ d θ θ ed θ e - -4 τ d -6 τ Time[s] Fig.3.8 おもり 5kg でのシミュレーション 結 果 4

29 Torque[Nm] Motor angle[deg] Arm angle[deg] Torque[Nm] Motor angle[deg] Arm angle[deg] θ d θ θ ed θ e - -4 τ d -6 τ Time[s] Fig.3.9 おもり 1kg でのシミュレーション 結 果 θ d θ θ ed θ e - -4 τ d -6 τ Time[s] Fig.3.1 おもり kg でのシミュレーション 結 果 5

30 Torque[Nm] Motor angle[deg] Arm angle[deg] Torque[Nm] Motor angle[deg] Arm angle[deg] θ d θ θ ed θ e - -4 τ d -6 τ Time[s] Fig.3.11 おもり 3kg でのシミュレーション 結 果 θ d θ θ ed θ e - -4 τ d -6 τ Time[s] Fig.3.1 おもり 4kg でのシミュレーション 結 果 6

31 3.4 各 シミュレーションの 応 答 性 の 比 較 検 証 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 でアームを 駆 動 させることを 想 定 した 各 シミュレーション 結 果 とアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムによ るインピーダンス 制 御 でアームを 駆 動 させる 提 案 手 法 を 想 定 した 各 シミュレーション 結 果 を 比 較 すると アームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg]の 軌 道 に 差 がみられる 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 の 場 合 では 本 機 構 の 目 標 平 衡 点 θ d が 変 化 した 直 後 から 位 置 制 御 モータの 応 答 の 遅 れにより アームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg]がアーム の 目 標 回 転 角 度 θ d [deg]から 遅 れているのに 対 して 提 案 手 法 の 場 合 では アームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg]はアームの 目 標 回 転 角 度 θ d [deg] 通 りに 回 転 していることが 示 された 以 上 の 結 果 から 提 案 手 法 によりアームの 応 答 性 が 改 善 されていることが 示 され 提 案 手 法 が 有 効 である 可 能 性 が 確 認 された 7

32 第 4 章 アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムのインピーダンス 制 御 の 有 効 性 検 証 本 章 ではアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 装 置 を 使 い 提 案 手 法 の 有 効 性 を 検 証 する 4.1 節 では 本 研 究 で 使 用 するアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 装 置 を 紹 介 する 4. 節 で 実 際 の 装 置 を 使 った 実 験 について 実 験 方 法 や 実 験 結 果 を 述 べる 4.3 節 では 実 験 結 果 に 基 づいて 提 案 手 法 の 有 効 性 について 述 べる 4.1 使 用 するアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 装 置 Fig.4.1 に 本 研 究 で 使 用 するアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 装 置 を 示 し Fig.4. に 本 機 構 の 拡 大 部 分 を 示 す また Fig.4.3 に 実 験 システムの 構 成 図 を 示 し Table4.1 に D/A ボードの 仕 様 を Table4. にカウンタボードの 仕 様 を 示 す 本 実 験 装 置 の 主 要 構 成 部 品 は 位 置 制 御 モータ 中 空 減 速 機 トーションバー アーム 減 速 機 トルク 制 御 モータである 位 置 制 御 モータは AC サーボモータ SGMJV-A を 使 用 し 出 力 は W である この AC サーボモータにはエンコーダが 搭 載 されており パルス 数 は 48[P/Rev]である エンコーダで 計 測 された 値 はサーボアンプ SGDV-1R6A を 経 由 してそれぞれ PC に 搭 載 された D/A ボード PCI-3341A とカウンタボード PCI-65C に 接 続 されている この 位 置 制 御 モータをナブテスコ 製 の 中 空 減 速 機 に 組 み 込 むことで 高 減 速 アクチュエータを 構 成 する この 中 空 減 速 機 は 遊 星 歯 車 機 構 で 減 速 比 は 43 であ る また トルク 制 御 モータは AC サーボモータ SGMJV-4A を 使 用 し 出 力 は 4W 8

33 である この AC サーボモータにもエンコーダが 搭 載 されており パルス 数 は 48[P/Rev]である エンコーダで 計 測 された 値 はサーボアンプ SGDV-R8A を 経 由 して それぞれ PC に 搭 載 された D/A ボード PCI-3341A とカウンタボード PCI-65C に 接 続 さ れている このトルク 制 御 モータを 先 ほどの 中 空 減 速 機 とは 別 の 減 速 機 に 組 み 込 むこと で 低 減 速 アクチュエータを 構 成 する ここで 使 用 する 減 速 機 も 遊 星 歯 車 機 構 で 減 速 比 が 1 である トーションバーはゴムメタルという 素 材 で 製 作 している このゴムメタ ルとは 豊 田 中 央 研 究 所 が 開 発 した 素 材 であり 低 弾 性 率 ながらも 高 強 度 を 誇 る 巨 大 弾 性 変 形 能 を 有 するチタン 合 金 である [17][18] 高 減 速 アクチュエータとトーションバーとの 締 結 はパワーロックを 使 用 し 締 結 する また トーションバーとアームの 締 結 はカップリ ングを 使 用 して 締 結 しており アームと 低 減 速 アクチュエータは 減 速 機 とアームが 直 接 接 続 している アームにはダンベルが 取 り 付 けられるようになっており 使 用 するダン ベルは 市 販 品 で 最 大 で 4kg までおもりを 装 着 することができる アームの 全 長 は.635m であり アームの 回 転 中 心 からダンベルの 取 り 付 け 部 までの 長 さは.5m である なお 安 全 性 を 考 慮 し アームの 最 上 点 及 び 最 下 点 にストッパーを 配 置 し 装 置 全 体 をアルミフレームで 支 える 構 造 となっている Fig.4.1 実 験 装 置 全 体 9

34 Fig.4. 本 機 構 部 分 拡 大 図 D/Aボード PC カウンタボード サーボアンプ サーボアンプ 位 置 制 御 モータ トルク 制 御 モータ アーム Fig.4.3 実 験 システム 構 成 図 3

35 Table4.1 D/A ボード PCI-3341A の 仕 様 チャンネル 数 8 分 解 能 出 力 レンジ 出 力 インピーダンス セトリングタイム 汎 用 出 力 1bit ユニポーラ:V~+1V バイポーラ:±5V, ±1V 1Ω 1μs TTL Table4. カウンタボード PCI-65C の 仕 様 チャンネル 数 8 分 解 能 最 大 入 力 周 波 数 電 源 仕 様 4bit MHz DC+5V 4. アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 装 置 での 実 験 4..1 実 験 目 的 本 実 験 は 実 験 装 置 に 装 着 されたアームをインピーダンス 制 御 で 駆 動 させ シミュレ ーション 結 果 と 同 様 の 傾 向 がみられるか 調 査 することで 提 案 手 法 の 有 効 性 を 検 証 する この 時 シミュレーションと 同 じ 条 件 のもとアームを 駆 動 させることで アームの 応 答 性 の 検 証 を 行 う そのため 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 と 提 案 手 31

36 法 によりアームを 駆 動 させる なお 直 列 弾 性 駆 動 システムを 本 装 置 で 再 現 するために 位 置 制 御 モータとトーションバーのみでアームを 駆 動 させることとする 詳 細 な 実 験 方 法 は 次 項 で 述 べる 4.. 実 験 方 法 物 体 を 保 持 した 状 態 でアームを 地 面 と 水 平 にして その 状 態 でアームの 先 端 に 外 部 ト ルクが 加 わった 場 合 を 想 定 し その 際 のアームの 応 答 性 を 検 証 する 今 回 の 実 験 では シミュレーションと 同 じ 条 件 とするので 外 部 トルクによりアームが 回 転 したことを 再 現 するために 式 (.)の θ d を 初 期 値 から 3 度 回 転 させるステップ 入 力 を 与 える また アームの 先 端 におもりを 取 り 付 けない 状 態 と 5kg のおもりを 取 り 付 けた 状 態 で 実 験 を 行 う これは 3 章 でも 述 べように 安 全 面 を 考 慮 したうえで 上 記 の 状 態 で 実 験 を 行 う 位 置 制 御 モータとトーションバーによる 直 列 弾 性 駆 動 でのインピーダンス 制 御 でア ームを 駆 動 させる 実 験 1 本 機 構 でのインピーダンス 制 御 でアームを 駆 動 させる 提 案 手 法 での 実 験 の 二 つの 実 験 を 行 い 両 手 法 の 応 答 性 を 比 較 検 証 する 本 実 験 は 式 (.)~(.4)を 用 いてアームの 目 標 回 転 角 度 θ d [rad] 位 置 制 御 モータの 目 標 回 転 角 度 θ ed [rad] トルク 制 御 モータの 目 標 トルク τ d [Nm]を 求 め アームを 駆 動 させる 各 式 で 使 用 するパラメータはシミュレーションと 同 じ 値 を 使 用 し Table4.3 および Table4.4 にまとめる 3

37 Table4.3 おもりなしでの 実 験 で 使 用 した 各 パラメータ I d 目 標 慣 性 モーメント.414[kg m ] C d 目 標 減 衰 係 数 [Ns/rad] k d 目 標 ばね 定 数 139.4[Nm/rad] θ d 目 標 平 衡 点 1.578[rad] I アームの 慣 性 モーメント.414[kg m ] C 粘 性 1.636[Ns/rad] k トーションバーのばね 定 数 139.4[Nm/rad] m アームの 質 量 3.64[kg] l アームの 重 心 までの 距 離.3[m] Table4.4 おもり 5kg の 実 験 で 使 用 した 各 パラメータ I d 目 標 慣 性 モーメント.1335[kg m ] C d 目 標 減 衰 係 数 [Ns/rad] k d 目 標 ばね 定 数 139.4[Nm/rad] θ d 位 置 制 御 モータの 平 衡 点 1.578[rad] I アームとおもりの 慣 性 モーメント.1335[kg m ] C 粘 性 1.636[Ns/rad] k トーションバーのばね 定 数 139.4[Nm/rad] m アームとおもりの 質 量 1.36[kg] l アームの 重 心 までの 距 離.486[m] 4..3 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 の 実 験 結 果 Fig.4.1 はおもりなしの 時 Fig.4. はおもり 5kg の 時 の 実 験 1 の 結 果 を 示 す 図 の 縦 軸 は 上 からアームの 回 転 角 度 [deg] 位 置 制 御 モータの 回 転 角 度 [deg]を 示 し 図 の 横 軸 は 全 て 時 間 [s]を 示 す 図 中 の 赤 線 はアームの 目 標 回 転 角 度 θ d [deg] 青 線 はアームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg] 緑 線 は 位 置 制 御 モータの 目 標 回 転 角 度 θ t [deg] 紫 線 は 位 置 制 御 33

38 Motor angle[deg] Arm angle[deg] モータの 実 際 の 回 転 角 度 θ e [deg]を 示 す 実 験 結 果 より シミュレーションと 同 様 本 機 構 の 目 標 平 衡 点 θ d が 変 化 した 直 後 か ら 位 置 制 御 モータの 応 答 の 遅 れにより アームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg]がアームの 目 標 回 転 角 度 θ d [deg]から 遅 れていることが 分 かる この 結 果 より シミュレーション 結 果 から 考 察 した 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 でアームを 駆 動 させる 際 の 問 題 点 つまり 位 置 制 御 モータの 応 答 遅 れによるアームの 回 転 角 度 の 遅 れが 実 証 さ れ この 問 題 点 を 改 善 しなければならないことが 確 認 された θ d θ Time[s] Fig.4.1 おもりなしでの 実 験 1 結 果 θ ed θ e 34

39 Motor angle[deg] Arm angle[deg] θ d θ Time[s] Fig.4. おもり 5kg での 実 験 1 結 果 θ ed θ e 4..4 提 案 手 法 による 実 験 結 果 Fig.4.3 におもりなしの 時 Fig.4.4 におもり 5kg の 時 の 実 験 の 結 果 を 示 す 図 の 縦 軸 は 上 からアームの 回 転 角 度 [deg] 位 置 制 御 モータの 回 転 角 度 [deg] トルク 制 御 モータ のトルク[Nm]を 示 す 図 中 の 横 軸 は 全 て 時 間 [s]を 示 す 図 中 の 赤 線 はアームの 目 標 回 転 角 度 θ d [deg] 青 線 はアームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg] 緑 線 は 位 置 制 御 モータの 目 標 回 転 角 度 θ ed [deg] 紫 線 は 位 置 制 御 モータの 実 際 の 回 転 角 度 θ e [deg] 黒 線 はトルク 制 御 モー タが 発 生 させる 目 標 トルク τ d [Nm]を 示 す 提 案 手 法 の 場 合 アームの 回 転 角 度 が 88 度 近 辺 からアームの 動 きが 収 束 するまでは アームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg]の 軌 道 が 目 標 回 転 角 度 θ d [deg]の 軌 道 と 異 なる 動 きをしているが アームの 目 標 回 転 角 度 θ d [deg]の 軌 道 と アームの 実 際 の 回 転 角 度 の 軌 道 θ[deg]が 重 なっている 部 分 もあることから 応 答 が 速 くなっていることは 示 された ただし アームの 動 きだしにおいて 目 標 回 転 角 度 θ d [deg]よりも 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg]が 若 干 速 く 応 答 していることも 見 られる 35

40 Torque[Nm] Motor angle[deg] Arm angle[deg] Torque[Nm] Motor angle[deg] Arm angle[deg] θ d θ θ ed θ e τ d Time[s] Fig.4.3 おもりなしでの 実 験 結 果 θ d θ θ ed θ e τ d Time[s] Fig.4.4 おもり 5kg での 実 験 結 果 36

41 4.3 実 験 結 果 の 考 察 と 提 案 手 法 の 有 効 性 の 検 証 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 でアームを 駆 動 させた 各 実 験 結 果 とアクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 でアー ムを 駆 動 させた 提 案 手 法 による 各 実 験 結 果 を 比 較 すると 直 列 弾 性 駆 動 システムによる インピーダンス 制 御 より 提 案 手 法 において アームの 実 際 の 回 転 角 度 の 軌 道 がより 目 標 回 転 角 度 の 軌 道 に 沿 っていることが 分 かり アームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg]の 応 答 性 が 良 くなっていることが 確 認 された これにより 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピー ダンス 制 御 に 比 べ 提 案 手 法 は 応 答 性 が 改 善 され 提 案 手 法 が 有 効 である 可 能 性 を 示 す ことができた しかし 提 案 手 法 でアームを 駆 動 させた 際 アームが 動 き 出 した 直 後 は 目 標 回 転 角 度 θ d [deg]よりも 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg]の 方 が 若 干 速 く 応 答 しているという ことが 発 見 された また アームの 回 転 角 度 が 88 度 近 辺 からアームの 動 きが 収 束 する までは アームの 実 際 の 回 転 角 度 θ[deg]の 軌 道 が 目 標 回 転 角 度 θ d [deg]の 軌 道 と 異 なる 動 きをしており 完 全 に 目 標 回 転 角 度 θ d [deg]の 軌 道 を 追 従 しなかった 以 上 の 二 点 につい てはシミュレーションでは 見 られなかった 動 きであり 今 後 原 因 を 追 究 し さらなる 改 善 を 図 らなければならないことが 確 認 された 37

42 第 5 章 結 言 5.1 まとめ 本 研 究 では 小 型 で 高 出 力 のアクチュエータの 実 現 とともに 直 列 弾 性 駆 動 システム における 課 題 であった 高 い 減 速 比 のギアを 取 り 付 けたモータでアームを 駆 動 した 際 の 遅 れにより 弾 性 要 素 を 含 んだ 目 標 インピーダンスが 完 全 には 表 現 されないという 点 に 対 して アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムにインピーダンス 制 御 を 適 用 することを 提 案 し 応 答 性 の 改 善 に 着 目 することで 提 案 手 法 の 有 効 性 の 検 証 を 目 的 とし て 研 究 を 行 った 本 機 構 は 高 減 速 アクチュエータを 位 置 制 御 とし 弾 性 要 素 を 通 じてアームを 駆 動 さ せ 低 減 速 アクチュエータをトルク 制 御 して 遅 れを 補 償 する 方 式 を 採 用 した その 際 高 い 負 荷 に 対 して 低 いインピーダンスでアームを 駆 動 させるために インピーダンス 制 御 を 採 用 することとした アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダンス 制 御 の 有 効 性 を 検 証 するために シミュレーションと 実 験 を 行 った 初 めに 直 列 弾 性 駆 動 システ ムにおいてインピーダンス 制 御 を 適 用 しアームを 駆 動 させるシミュレーションと アク チュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムにおいてインピーダンス 制 御 を 適 用 しア ームを 駆 動 させるシミュレーションを 行 い 応 答 性 を 比 較 検 証 した 結 果 本 機 構 にお けるインピーダンス 制 御 の 方 がアームの 応 答 が 速 くなることを 示 した 次 に アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 装 置 を 用 いて シミュレーションと 同 38

43 じ 条 件 のもと 実 験 を 行 い 応 答 性 の 検 証 を 行 った 結 果 シミュレーションと 同 様 に 本 機 構 におけるインピーダンス 制 御 によりアームの 応 答 の 速 さが 改 善 されていることが 示 された 以 上 の 結 果 から アクチュエータを 付 加 した 直 列 弾 性 駆 動 システムによるインピーダ ンス 制 御 が 有 効 である 可 能 性 を 示 すことができた 5. 今 後 の 課 題 本 研 究 では 実 際 の 装 置 を 使 った 実 験 においてアームに 取 り 付 けるおもりは 5kg まで しか 装 着 しておらず 今 後 はおもりを 増 やしていき 引 き 続 き 検 証 を 行 う また 今 回 の 研 究 では アームの 先 端 に 外 部 トルクがかかりアームが 回 転 することを 再 現 するために 目 標 平 衡 点 θ d [rad]を 変 える 手 法 をとったため 今 後 はアームに 力 センサーを 取 り 付 け 実 際 に 外 部 トルクを 与 えて 実 験 を 行 い アームの 応 答 性 を 検 証 する 必 要 がある さらに 今 回 の 研 究 では 目 標 慣 性 モーメント 及 び 目 標 ばね 定 数 は 実 際 の 数 値 と 同 じ 値 を 使 用 し たので 今 後 は 目 標 慣 性 モーメント 及 び 目 標 ばね 定 数 を 変 化 させて シミュレーション ならびに 実 験 を 行 い 提 案 手 法 の 評 価 を 行 っていかなければならない そして 将 来 に はトーションバーの 性 質 を 生 かして トーションバーをあらかじめねじっておくことで 力 を 蓄 え アーム 駆 動 時 により 大 きな 力 が 発 揮 できるような 制 御 原 理 を 構 築 していきた い 39

44 参 考 文 献 [1] 総 務 省 統 計 局 : 人 口 推 計 ( 平 成 4 年 1 月 1 日 現 在 ) [] 内 閣 府 : 経 済 社 会 構 造 に 関 する 有 識 者 会 議 潜 在 成 長 率 専 門 チーム 会 議 第 4 回 会 議 資 料 [3] 一 般 社 団 法 人 ロボット 工 業 会 : 世 界 の 産 業 用 ロボット 稼 働 台 数 [4] 経 済 産 業 省 次 世 代 ロボットビジョン 懇 談 会 : 5 年 の 人 間 とロボットが 共 存 する 社 会 に 向 けて [5] 田 中 大 資, 中 村 太 郎 : 人 工 筋 肉 マニピュレータの 剛 性 制 御, 日 本 機 械 学 会 ロボティ クス メカトロニクス 講 演 会 講 演 概 要 集, 1A-M(1-4) (9) [6] 斎 藤 創, 佐 藤 拓 史 : 先 端 質 量 の 変 動 に 対 するフレキシブルロボットアームの 振 動 制 御, 第 55 回 自 動 制 御 連 合 講 演 会, pp (1) [7] 岡 崎 安 直, 山 本 正 樹, 小 松 真 弓, 津 坂 優 子, 足 達 勇 治 : 空 気 圧 人 工 筋 による 人 に 対 し て 安 全 な 多 自 由 度 ロボットアーム 技 術 の 開 発, 日 本 ロボット 学 会 誌, Vol.8, No.3, pp.3-31 (1) [8] 西 堀 賢 司, 天 野 良 紀 : 磁 性 流 体 アクチュエータを 用 いたロボットアームのトルク 制 御, 日 本 機 械 学 会 東 海 支 部 第 56 期 総 会 講 演 会 講 演 論 文 集, No.73-1, pp.5-6 (7) [9] 向 井 利 春, 平 野 慎 也, 中 島 弘 道, 境 田 右 軌 : 介 護 支 援 ロボット RIBA の 安 全 対 策 と 移 乗 作 業 の 実 現, ロ ボ テ ィ ク ス メ カ ト ロ ニ ク ス 講 演 会 講 演 概 要 集 1, 1A1-E4(1)-1A1-E4(4) (1) [1] 日 本 バイナリー 株 式 会 社, フォース 制 御 ロボットアーム WAM Arm, 日 本 バイナリ ー 株 式 会 社 ホームページ 4

45 [11] 菅 野 重 樹, 岩 田 浩 康, 菅 岩 泰 亮 : 人 間 共 存 ロボット TWENDY-ONE のデザイン, ロ ボティクス メカトロニクス 講 演 会 講 演 概 要 8, No.8-4, A1-D3(1)-A1-D3() (8) [1]Rethink Robotics, baxter, Rethink Robotics 社 ホ ー ム ペ ー ジ [13] 冨 樫 淳 輝, 水 戸 部 和 久, 小 野 寺 健 斗, 富 沢 健 児 : 低 剛 性 の 腱 駆 動 による 筋 骨 格 ロボ ットアーム 研 究, 計 測 自 動 制 御 学 会 東 北 支 部 第 75 回 研 究 集 会, 75-8, pp.1-5 (1) [14]Michael Zinn, Bernard Roth, Oussama Khatib, J. Kenneth Salisbury: A New Actuation Approach for Human Friendly Robot Design, The International Journal of Robotics Research, Vol.3, No.4 5, pp (4) [15]Michael Zinn, Oussama Khatib, Bernard Roth, J. Kenneth Salisbury: A New Actuation Concept for Human-Friendly Robot Design Playing It Safe, IEEE Robotics & Automation Magazine, pp.1-1 (4) [16] 三 島 一 洋 : 受 動 要 素 を 用 いたアクチュエータシステムの 構 築 とエネルギー 蓄 積 及 び 開 放 による 制 御 手 法, 三 重 大 学 修 士 学 位 論 文 (1) [17] 西 野 和 彰 : 多 機 能 新 合 金 ゴムメタル, 日 本 機 械 学 会 誌, Vol.16, No.1, p.899 (3) [18] 株 式 会 社 ニ ッ セ イ,GUMMETAL, 株 式 会 社 ニ ッ セ イ ホ ー ム ペ ー ジ 41

46 謝 辞 本 研 究 を 遂 行 するにあたり 所 属 研 究 室 であるシステム 設 計 研 究 室 池 浦 良 淳 教 授 に は 学 部 四 年 から 修 士 二 年 までの 三 年 間 の 間 実 力 不 足 だった 私 が 何 度 も 質 問 に 伺 い その 都 度 丁 寧 なご 説 明 ご 指 導 を 親 身 になって 行 って 頂 いたことに 深 く 感 謝 し 厚 く 御 礼 申 し 上 げます また 大 変 お 忙 しい 中 本 論 文 を 査 読 して 頂 くとともに 多 数 のご 教 示 ご 助 言 を 賜 りました 本 学 メカトロニクス 研 究 室 矢 野 賢 一 教 授 に 厚 く 御 礼 申 し 上 げます 加 えてこの 三 年 間 研 究 だけでなく 先 生 の 持 たれている 様 々な 知 識 や 経 験 談 を 話 してい ただき ご 指 導 をいただいた 所 属 研 究 室 であるシステム 設 計 研 究 室 早 川 聡 一 郎 准 教 授 に 深 く 感 謝 し 厚 く 御 礼 申 し 上 げます 研 究 についての 問 題 点 やこれまでしてこられた 研 究 からの 経 験 や 実 際 に 実 験 装 置 を 作 られてきた 方 の 立 場 からのご 意 見 やご 指 導 をい ただいた 澤 井 秀 樹 技 官 に 深 く 感 謝 し 厚 く 御 礼 申 し 上 げます 本 研 究 で 使 用 する 実 験 装 置 の 製 作 にあたり 多 大 なご 協 力 をいただきました シンフォニアテクノロジー 株 式 会 社 有 賀 信 雄 様 石 田 泰 介 様 に 深 く 感 謝 し 御 礼 申 し 上 げます 研 究 の 進 め 方 や MATLAB の 使 い 方 研 究 室 での 生 活 について 様 々なアドバイスや 指 導 をいただいた 研 究 室 の 先 輩 方 皆 さんに 深 く 感 謝 します また 同 じ 研 究 グループと して 共 にシミュレーションや 実 験 装 置 の 組 み 立 て 実 験 をしてくれた 高 橋 俊 也 君 安 田 佳 祐 君 に 深 く 感 謝 します そしてこの 研 究 室 で 学 部 の 時 から 数 えて 三 年 間 皆 で 楽 しく 研 究 内 容 は 違 う 中 で 情 報 交 換 をしながら 共 に 過 ごした 同 期 の 後 藤 翔 平 君 佐 橋 光 君 辻 裕 介 君 堀 木 亮 佑 君 に 深 く 感 謝 申 し 上 げます 最 後 となりましたが 学 部 修 士 の 計 六 年 間 もの 間 常 に 惜 しみない 援 助 を 送 ってく れた 父 と 母 のお 陰 で 充 実 した 学 生 生 活 を 送 ることができました ここに 感 謝 の 気 持 ちを 述 べることで 謝 辞 の 最 後 とさせていただきます 4