機械的機能を電気的機能に置き換えた力覚を有する次世代型ロボットの開発

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05871
• 研究機関: 高知工科大学
• 研究代表者: 立花 邦彦 高知工科大学, 総合研究所, 助教 (10747794)
• 研究分担者: 井上 喜雄 高知工科大学, 総合研究所, 教授 (50299369) ; 岡 宏一 高知工科大学, システム工学群, 教授 (10160649) ; 渡橋 和政 高知大学, 教育研究部医療学系臨床医学部門, 教授 (70204295)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: マスタ・スレーブ / 力覚 / 位置制御 / バイパス回路

研究実績の概要

昨年度に実施した構成品の基礎実験により得ることができた知見をもとに、試作機の詳詳細設計および製作、および基本的な作動確認を行った。
マスタ側（操作側）は人が実際の反力と同じような力を感じることができるようにしなければならないが、それを実現させるためにはマスタ側で使用するモータをある程度の出力を有するものとしなければならず、極小モータでは実現できないため、操作する機構の重量が重くなってしまう。バランス機構を組み合わせることで操作力を低減することは可能であるが、機構そのものの構造が複雑となってしまうため、今回の試作では採用していない。対策として、重くなってしまった操作ハンドルをつり下げることで、操作者が操作を行う際に、重く感じることがないような対策を実施した。
基本的な作動確認において、これまでは問題としていなかった事が原因で、新たな問題として確認された。具体的には、モータが発生する力を電圧の変化によって可変するのであるが、モータへの印加電圧を可変する方法としてＰＷＭ方式を採用しているが、ＰＷＭの変化量と電圧の変化量が非線形であるため、操作力が小さな時には軽く感じるが操作力が大きくなるのに従い、余計に重く感じるようになる。この問題の解決策として、非線形であるＰＷＭと電圧の変化量が線形となるような補正を行うこととし、実験を行っている。また、操作によってはスレーブ側で遅れが生じる時も発生したことから、制御系の見直しを実施し、遅れ補償をおこない、追従性が向上するのかの実験も行っている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画設計していた試作機に対し、基礎実験により得ることができた知見を反映させ、製作設計を行い製作を実施したが、図面上では確認されなかった部品の干渉や、可動範囲の制限などが発生し、一部の部品に関しては作り直しとなった。運動学からすると剛性を上げないと、不要な振動が発生することが分かっているが、重量増加とのトレードオフとなることから、剛性を上げることを優先する部位と、軽量化を優先する部位とに分け製作設計を行い、これにより試作機の製作を行った。
制御系では、これまで問題視していなかった事が、試作機による実験で明らかになり、対策を進めている。力のフィードバックが直線的でないという事象に関しては、手動の手先効果器における操作者の感じ方と違いが生じることになるため、補正を行うための計算を制御プログラムの中に追加し、有効性の検証を進めている。

今後の研究の推進方策

試作機の機構に関して、残された期間および費用から大幅な変更は困難であるが、今後さらに問題が生じた時点で、速やかに可能な範囲で対応することで、少しでも完成度を高める。制御に関しては、現在進行中の制御方法で問題がないことを確認する。
最終年度であり、当初の研究目的であった、機械的機能を電気的機能で置き換え、「移動量の拡大や縮小を任意に設定可能な機構と制御則」および「操作者に対する力覚を任意に設定可能な機構と制御則」を確立することができるように、研究を進める。

次年度使用額が生じた理由

予め最終年度に必要になる実験用消耗品費や、試作機の小改造が必要になった場合の材料費等であり、計画上の金額である。

次年度使用額の使用計画

計画通りに実験用消耗品を購入することは既に予定されており、ほぼ当初の申請金額に近い額が支出されることになる。