超高繊細な力覚伝達機能を有する遠隔型人・機械協調システムの開発・研究

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25820100
• 研究種目: 若手研究(B)
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 元井 直樹 神戸大学, 海事科学研究科(研究院), 講師 (10611270)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: モーションコントロール / バイラテラル制御 / ハプティクス / 遠隔・自律融合システム / 力制御 / 制御工学 / 電気機器工学

研究概要

本研究は、多種多様な製品生産に適した生産性・安全性を有する超高繊細な力触覚伝達機能を有する遠隔型人・機械協調システムの研究開発を目的とする。平成２５年度においては主として次のような成果を得た。
１）力触覚伝達機能を有する人・機械協調運動制御手法の研究においては、操作者が操作するマスタシステムと、遠隔地で動作するスレーブシステムが有する自由度が異なる場合における運動制御技術の基礎理論の確立を行った。特に、スレーブシステムが有する自由度がマスタシステムの有する自由度より多い場合に着目した。スレーブシステムの第１タスクとしてマスタシステムからの指令による遠隔操作を、第２タスクとしてスレーブシステムの冗長自由度を用いた第１タスク補助のための自律操作を行い、遠隔・自律融合による基礎実験を実施した。また、遠隔操作により抽出した人動作情報を再現するための可変ゲインを有する力制御ベースコンプライアンス制御器についての検討も行った。次年度においては、システム多機能化に向け制御器の可変構造化に取り組む予定である。
２）システムが有する内界センサであるエンコーダと外界センサであるビジョンセンサのセンサ統合により、システムにおいて実現可能タスクの高機能化を行った。複数のセンサ情報をもとに、タスク実現のための未知パラメータ推定手法を提案し、基礎実験により有効性を実証した。
３）力触覚伝達機能を有する人・機械協調運動制御手法確立のための基礎実験を実施するために、ハプティクス伝達機能を有する直動型モータによる試作機を製作した。試作機設計においては、人が感じる力覚帯域を再現するためにパワーエレクトロニクスの観点から各種ドライバ、計測器の選定を行った。また、１）において開発した制御器を用いて、人・機械協調システムの開発技術に対する基礎評価試験を実施した。

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

平成２５年度における申請書記載の研究計画通り研究を実施し、１）力触覚伝達機能を有する人・機械協調運動制御手法における基礎運動制御理論の確立、および可変ゲインを有する力制御ベースコンプライアンス制御器の基礎検討、２）複数のセンサ情報によるシステム内未知パラメータ推定基礎手法の確立、３）ハプティクス伝達機能を有する試作機の試作を実施し、それぞれの提案手法に対する検証実験により有効性を確認した。
以上より、本研究は申請書記載の研究計画通りに順調に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

申請書記載の計画通り、平成２６年度の研究計画を着実に実施していく予定である。
１）力触覚伝達機能を有する人・機械協調運動制御手法の研究開発では、システム多機能化のために必須となる状況に応じた対応が可能な運動制御理論の確立を行う。また、可変ゲインを有する力制御ベースコンプライアンス制御器においては、柔軟かつ適切なゲイン修正を実現するための、ゲイン修正手法の確立を行い、有用性を向上させる。
２）複数のセンサ情報によるセンサフィージョン技術を改良し、ダイナミクスを伴う動作実現時での各種パラメータの実時間推定手法を確立する。
３）力触覚伝達機能を有する人・機械協調システムを用いてより多くの機能を実現するために、試作システムの改良および多自由度化を実施する。
また、本研究課題で得られた知見・提案された各々の手法を国内/国際会議において発表するとともに、学術論文誌への投稿を実施し、広く社会に対して本研究成果の還元を行う予定である。

次年度の研究費の使用計画

横浜国立大学から神戸大学への異動が年度内に生じたことにより、科研費使用が一時停止したためである。しかしながら、申請書記載の研究計画通りに研究は実施されており、異動に伴う研究遅延は生じていない。
平成26年度においても、申請書記載の研究計画を着実に実行する予定である。なお、平成25年度の繰越分については、2014年2月に発行された米国電気学会学術論文誌論文（N. Motoi et.al., “Task Realization by a Force-based Variable Compliance Controller for Flexible Motion Control Systems”, IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 61, No. 2, pp. 1009-1021, 2014.）の支払い（2014年5月に支払い予定）に用いる。

研究成果

• [雑誌論文] Task Realization by a Force-based Variable Compliance Controller for Flexible Motion Control Systems (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Motoi, T. Shimono, R. Kubo, and A. Kawamura
  • 雑誌名: IEEE Transaction on Industrial Electronics 巻: 61 ページ: 10091-021
  • DOI: 10.1109/TIE.2013.2251738
  • 査読あり
• [雑誌論文] An Estimation Method of Kinematic Relation betweeb Multiple Robots ant Their Grasping Tool (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Motoi, Y. Hatta, T. Shimono, and A. Kawamura
  • 雑誌名: IEEJ Journal of Industry Applications 巻: 3 ページ: 146-155
  • 査読あり
• [雑誌論文] 操作性向上のための機能分解による異自由度ロボット間バイラテラル制御 (2013)
  • 著者名/発表者名: 元井直樹，下野誠通，久保亮吾，河村篤男
  • 雑誌名: 日本ロボット学会誌 巻: 31 ページ: 651-658
  • 査読あり
• [雑誌論文] Switching Control Method for Stable Landing by Legged Robot Based on Zero Moment Point (2013)
  • 著者名/発表者名: N. Motoi, K. Sasahara, and A. Kawamura
  • 雑誌名: Journal of Robotics and Mechatronics 巻: 25 ページ: 831-839
  • 査読あり
• [学会発表] Design Method of Variable Compliance Gain for Force-based Compliance Controller (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Motoi, T. Shimono, R. Kubo, and A. Kawamura
  • 学会等名: IEEE International Symposium on Industrial Electronics
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 20140527-20140531
• [学会発表] 力制御ベース可変コンプライアンス制御器に基づく人動作再現手法に関する一考察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 元井直樹，下野誠通，河村篤男
  • 学会等名: 平成25年電気学会産業計測制御/メカトロニクス制御合同研究会
  • 発表場所: 東京, 日本
  • 年月日: 20140310-20140311