人との協働を目的としたスマート・アシスト機の開発 ～ロボット要素技術としての可変自重補償機構～

＊1

産業技術センター 自動車・機械技術室（現産業労働部 産業振興課次世代産業室）

＊2

産業技術センター 自動車・

機械技術室 ＊

3産業技術センター 自動車・機械技術室（現総合技術支援・人材育成室）

研 究 論 文

人 と の 協 働 を 目 的 と し た ス マ ー ト ・ ア シ ス ト 機 の 開 発

～ ロ ボ ッ ト 要 素 技 術 と し て の 可 変 自 重 補 償 機 構 ～

木 村 宏 樹

＊1

、 酒 井 昌 夫

＊2

、 竹 中 清 人

＊2

、 児 玉 英 也

＊2

、 島 津 達 哉

＊3

Development of Smart Assist Machine for Cooperation with Human

-Variable Gravity Compensation Mechanism as Robotics Elemental Technology-

Hiroki KIMURA

_{, Masao SAKAI}

_{, Kiyoto TAKENAKA}

_,

Hideya KODAMA

_{and Tatsuya SHIMAZU}

Industrial Research Center *1～3

ロ ボ ッ ト の 本 質 安 全 に つ な が る 要 素 技 術 と し て 、 対 象 物 の 重 量 を バ ネ の 弾 性 力 で 支 え 、 そ の 支 持 力 を 重 量 に 応 じ て 調 整 す る こ と が で き る 方 法(可 変 自 重 補 償 機 構)を 考 案 し た 。 こ の 可 変 自 重 補 償 機 構 の 実 証 モ デ ル と し て 、 対 象 物 の 重 量 に 応 じ て 支 持 力 を 自 動 調 整 す る ス マ ー ト ・ ア シ ス ト 機 を 開 発 し た 。 開 発 し た 機 構 に 対 し 、 支 持 荷 重 特 性 を 評 価 し た 結 果 、 重 量 変 化 に 対 す る 応 答 性 に つ い て は 改 善 が 必 要 で あ る も の の 、 対 象 物 の 重 量 に 対 し て 一 定 荷 重 の 支 持 力 を 発 現 す る こ と を 確 認 し た 。

１．はじめに

製造 現 場や 生 活、 介 護の 場 な どに お いて 、 人と ロ ボッ トが 協 調し て 作業 を する こ と が期 待 され て いる 。 この よ うな 場 では 安 全確 保 が重 要 で ある た め、 産 業用 ロ ボッ ト は国 際 安全 規 格ISO10218 (JIS B 8433)で、 生 活支 援 ロ ボッ ト はISO13482 (JIS B 8445)で 安全 要 求事 項 につ い て規 定 され て いる と おり 、 設 計者 が リス ク アセ ス メン ト を実 施 し、 危 険源 に 対す る リ スク を 保護 方 策に よ り許 容 可能 な 水準 に 低減 す る必 要 が ある 。

例 え ば 、ロ ボ ッ ト の 出 力 を 低 減 (搭 載 す る ア ク チ ュ エ ータ の 低出 力 化)す る こと は 、本質 安 全に つ なが る ため リ スク を 低減 す る効 果 的な 保 護 方策 で ある 。 しか し 、産 業 用ロ ボ ット で は、 ロ ボッ ト の 出力 を 低減 す ると 作 業対 象 であ る 部品 を 軽量 な もの に 制 限す る こと に なり 、 ロボ ッ トが 担 える 作 業を 減 らす こ と にな る 。 こ の 課題 を 解決 す る方 法 の一 つ とし て 、作 業 対 象の 重 量を ロ ボッ ト では な く、別の 装 置で 支 える (自 重 補償 す る)方 法 が考 え られ る。

自重 補 償の 方 法と し ては 、 様 々な 方 法が 提 案さ れ てお り

1)

、 バラ ン サー や 専用 機 な どの 装 置が 実 際に 工 業で 利 用さ れ てい る

2)3)

。これ ら の多 くは 、単 一 の重 量 物の み を 支え る こと を 目的 と する も の 、電 動 式や エ アー 式 のア ク チュ エ ータ を 搭載 し たも の で ある が 、多 種 の部 品 を扱 う セル 生 産の よ うな 場 では 、 部 品重 量 に応 じ て支 持 力を 調 整 す る こ と が で き る こ と 、 安 全 面 か ら 低 出 力(無 動 力)で ある こ とが 求 めら れ る。

当セ ン ター で は、 自 重補 償 の 方法 に つい て 、 こ れ まで 引張 バ ネと カ ムを 用 いて 支 持 力を 発 現す る 方法 を 提案 し てき た

4)

が 、 幾何 計 算の 簡 単 化に よ る誤 差 やワ イ ヤー の 伸び に 起因 す るヒ ス テリ シ ス 特性 な どの 支 持荷 重 誤差 が 生じ る 課題 が あっ た

5)

。 本 研 究で は 、こ の 課題 の 解決 を 狙い 、 圧縮 バ ネと 定 荷重 バ ネ 、円 形 のフ ォ ロア を 用い る 新た な 方法 (可 変 自重 補 償機 構)を 考案 し 、こ の 可変 自 重 補償 機 構の 実 証モ デ ルと し て 、対 象 物の 重 量に 応 じて 支 持力 を 自動 調 整す る スマ ー ト ・ア シ スト 機 を開 発 した 。

本稿 で は、 新 たに 考 案し た 可 変自 重 補償 機 構と 開 発し たス マ ート ・ アシ ス ト機 の 概 要 及 び その 支 持荷 重 性能 の 評価 結 果に つ いて 報 告す る 。

２．スマート・アシスト機 と要素技術

としての可変自重補償機構

開発 し たス マ ート ・ア シ スト 機の 外 観 を図 １に、 構 成 と機 構 モデ ル を図 ２、図 ３に 示す 。従 前の 課 題で あ る支 持荷 重 誤差 の 要因 で あっ た カ ムと ワ イヤ ー の代 わ りに 円 形の フ ォロ ア とス ラ イド ガ イ ド を 用 い、 広 い可 動 範囲 の 確保 の ため に 引張 バ ネの 代 わ りに 圧 縮バ ネ 、定 荷 重バ ネ を用 い るこ と で、 従 来の 方 法 と比 べ て剛 性 が高 ま り、 支 持荷 重 特性 の 向上 が 期待 で き る。 具 体的 に は、 図 ２に 示 すと お りで 、 スマ ー ト・ ア シ スト 機 の可 変 自重 補 償機 構 は、 リ ンク と フォ ロ ア、 ス ラ イド ガ イド 、 圧縮 バ ネ、 定 荷重 バ ネ、 サ ーボ モ ータ で 構 成さ れ る。 平 行リ ン クア ー

ム の 先 端 に 荷 重 (Mg)が 作 用 す る と ア ー ム が 傾 き 、 連 結 され た フォ ロ ア① が スラ イ ド ガイ ド ①を 押 し上 げ 、定 荷

重バ ネ ①を 引 張り 、 併せ て 圧 縮バ ネ を圧 縮 する 。 同時 に

もう 一 方の フ ォロ ア ②が 、 ア ーム の 傾斜 角 度に 対 し、 歯

車を 介 して ２ 倍の 角 度回 転 し 、ス ラ イド ガ イド ② を押 し

上げ 、 定荷 重 バネ ② を引 張 る 。対 象 物の 重 量に よ りア ー

ム の 回 転 軸 に 作 用 す る ト ル ク τgと 定 荷 重 バ ネ と 圧 縮 バ

ネ の 弾 性 力 に よ る ア ー ム の 回 転 軸 に 生 じ る ト ル ク τK

フォロア①

定荷重バネ① サーボ

モータ

Mg

≒350mm

≒

5

5

0

mm

≒550mm スライド

ガイド①

圧縮バネ

平行リンク

アーム

フォロア②

定荷重バネ② スライド

ガイド② エンコーダ 力センサ

歯車 ボールねじ

図 ２ ス マ ー ト ・ ア シ ス ト 機 の 構 成

θ

Mg

τ

L

τ

R

r

x

x

K

r

R

F

F

F

x

mg

l

m

g

m

g

m

g

m

g

m

g

m

g

2θ

τ

+

τ

図 ３ ス マ ー ト ・ ア シ ス ト 機 の 機 構 モ デ ル �� = ��� sin � + ��� sin � + �1��1sin � − �2���sin � − �3���sin 2�

−(��1+ ��2)���sin � − �����sin 2�

= {(� + �)� + �1�1− (�2+ ��1+ ��2)��}� sin � − (�3+ ��)���sin 2� 式(1) �� = ���1+ ���2+ ���

= [�{��(�) + �0} + ��0]��sin � + ��0��sin 2� = {���(1 − cos �) + ��0+ ��0}��sin � + ��0��sin 2�

= ���(��+ �0+ ��0⁄ ) sin � + {�� �0��− (���2⁄ )} sin 2�2 式(2) �0 = {(� + �)� + �1�1− (�2+ ��1+ ��2)��}� (��⁄ �) − ��− ��0⁄� 式(3) � = 2��{��0+ (�3+ ��)�} �⁄ �2 式(4)

図 １ ス マ ー ト ・ ア シ ス ト 機 の 外 観

が釣 り 合う こ とで 、 自重 補 償 を実 現 する 。 対象 物 の重 量

によ る トル クτg、バ ネ の弾 性 力に よ るト ル クτkはそ れ ぞ

れ図 ３ 中の 式(1)、(2)で 与え ら れる 。図 ３中 の 各記 号 を表

１に定 義 する 。

式(1)、(2)よ り 、τgと τKの 釣 り合 い 条件 と して 式(3)、 (4)が 得ら れ る。こ れ らか ら 機 構が 満 たす べ き関 係 式と し

て、式(4)に よ り圧 縮 バネ の バ ネ定 数 が、式(3)に よ り圧 縮

バネ の 初期 圧 縮量 が 求ま る 。 本ス マ ート ・ アシ ス ト機 で

は、 対 象物 の 重量 変 化に よ る 自重 補 償に 対 応す る ため 、

アー ム の先 端 の力 セ ンサ に よ り、対象 物 の重 量 を検 知 し、

低 出 力 な サ ー ボ モ ー タ(出 力 6W)に よ り ボ ー ル ね じ を 回

転し 、 圧縮 バ ネの ス ライ ド ガ イド を 上下 さ せる こ とで 、

圧縮 バ ネの 初 期圧 縮 量を 調 整 する 。

リ ン ク部 質 量や ア ーム 長 さ 、円 形 のフ ォ ロア 半 径な ど

の各 設 計パ ラ メー タ は表 １ の 設計 値 のと お り定 め た。 ア

ーム 角 度に 対 する 自 重に よ る トル クτgと 圧 縮バ ネ 、定 荷

重バ ネ によ る トル ク の関 係 を図 ４に示 す 。圧縮 バ ネに よ

るト ルクτKa1、定 荷 重バ ネ ① によ る トル クτKa2、 定荷 重

バネ ② によ る トル ク τKbが 合 成さ れ るこ と で、 自 重ト ル

クを 打 ち消 す よう に 作用 し 、 自重 補 償を 実 現し た 。

３．制御システム

スマ ー ト・ ア シス ト 機の 制 御 シス テ ム の 構 成と 使 用機

器を図 ５に 示す 。対象 物 の重 量を 力 セン サ で計 測 し、I/O

ボー ド を介 し て制 御用 PCに 取り 込 む。 制 御ソ フ トウ ェ

アに よ り 、式(3)に 基づ き 、自 重補 償 のた め に必 要 な圧 縮

バネ の 圧縮 量 を算 出 し、 目 標 値と す る。 サ ーボ モ ータ に

よりI/Oボ ー ド、 制 御ボ ッ ク スを 介 して ボ ール ね じを 回

転、 圧 縮バ ネ の圧 縮 量を 目 標 値に 追 従さ せ る。 制 御周 期 1msで 、 サー ボ モー タ を位 置 制御 (PID制御)す る。

４．支持荷重特性評価

スマ ー ト・ ア シス ト 機の 支 持 荷重 調 整性 能 、自 重 補償

特性 の 評価 を した 結 果を図 ６に示 す 。なお 、図 中 の※1、

※2 の 区間 で は、 錘 の増 又 は 減に 対 し、 力 セン サ で検 知

した 重 量に 釣 り合 う よう に サ ーボ モ ータ で バネ の 圧縮 量

を調 整 して い る。

4.1 支 持 荷 重 調 整 性 能 の評価

対象 物 の重 量 変化 に 対す る 支 持荷 重 調整 性 能を 評 価す

るた め 、錘 を ＋0.5kg→＋1.0kg→ ＋1.0kg→－1.0kg→ － 1.0kg→ －0.5kg の 順 で 増減 させ る 実験 を 行っ た 。な お、

アー ム 先端 に は0.85kgの 吊 り具 を 吊り 下 げて い るた め、

錘 と 吊 り 具 を 合 わ せ た 試 験 重 量 の 増 減 は 1.35kg→ 2.35kg→3.35kg→2.35kg→1.35kgの5段 階に な る。

バネ 圧 縮量 の 推移 を 示し た 図 ６(c)を 見る と 、目 標 値に

対し 、 バネ 圧 縮量 は 一定 時 間 経過 後 に追 従 する も のの そ

の 応 答 性 は 十 分 で は な い 。 こ の こ と は 、 図 ６(a)の ※1、

※2 の 区間 で 錘の 増 又は 減 直 後に ア ーム 角 度が 急 激に 変 項

目

内容 設計 値

m リン ク 部質 量 1.42 [kg]

m1 〃 1.72 [kg]

m2 フォ ロ ア① 部 質量 0.36 [kg]

m3 フォ ロ ア② 部 質量 0.34 [kg]

ma1 バネ ・ 機構 部 質量 0.71 [kg]

ma2 スラ イ ドガ イ ド① 部 質量 0.88 [kg] mb スラ イ ドガ イ ド② 部 質量 0.70 [kg]

g 重力 加 速度 9.8 [m/s2]

L アー ム 長さ 400.0 [mm]

l1 アー ム 重心 位 置 200.0 [mm]

Ra フォ ロ ア① 半 径 20.0 [mm]

Rb フォ ロ ア② 半 径 25.0 [mm]

K 圧縮 バ ネ定 数 17.31 [N/mm]

Fa0 定荷 重 バネ ① 69.6 [N]

Fb0 定荷 重 バネ ② 128.4 [N]

θ アー ム 回転 軸 角度 -

x0 圧縮 バ ネの 初 期圧 縮 量 -

0 5 10 15 20

0 20 40 60 80 100

関

節

ト

ル

ク

τ [

N

m

]

アーム角度θ [deg] τg

τka1 τka2 τkb

τg

τKa1

τKa2

τKb

図 ４ ト ル クの 関 係

図 ５ 制 御 シス テ ムの 構 成

表 １ 可 変 自重 補 償機 構 の設 計パ ラ メー タ

化し て いる こ とか ら も分 か る 。こ の ため 、 現状 で はバ ネ

の圧 縮 量が 目 標値 に 達す る ま で ア ー ムを 手 で保 持 する 必

要が あ る。図６(a)の ※1区 間 内に お いて 目 標値 に 追従 す

る前 に アー ム 角度 の 変化 が 無 くな っ たの は 、追 従 遅れ に

よる 支 持荷 重 不足 に 対し て ア ーム が 下が る のを 手 で保 持

して 補 った た めで あ る。 ま た 、 ※2区間 内 にお い て目 標

値に 追 従す る 前に ア ーム 角 度 の変 化 が無 く なっ た のは 、

錘の 減 少に 対 して 追 従遅 れ に よる 支 持荷 重 過多 と なり ア

ーム が 上が っ たた め であ る 。 これ ら の応 答 遅れ は 、ボ ー

ルね じ の駆 動 トル ク を確 保 す るた め にサ ー ボモ ー タの 減

速比 を 大き く 設計 し たこ と が 要因 で あり 、 応答 性 の改 善

のた め には 、 サー ボ モー タ の 駆動 ト ルク を 確保 し つつ 減

速比 を 小さ く する こ とが 必 要 とな る 。

4.2 自 重 補 償 性 能 の 評 価

自重 補 償性 能 を評 価 する た め 、バ ネ の圧 縮 量が 目 標値

に追 従 した 後 の区 間(※1、※2以 外 の区 間)にお い て、ア

ーム 部 を手 で 上下 へ 押し 引 き して 動 かし 、 任意 の アー ム

角度 で 手を 放 す操 作 を数 回 繰 り返 す 実験 を 行っ た 。手 を

放し た 際、 そ の時 の アー ム 角 度を 維 持す れ ば 、 一 定荷 重

の支 持 力を 発 現(自 重 補償)で きて い るこ と にな る 。

アー ム 角度 の 推移 を 示し た 図 ６(a)から 、 上下 へ 押す・

引く 操 作の 間 はア ー ム角 度 が 変化 し 、手 を 放す と アー ム

角度 が 変化 せ ずに そ の角 度 を 維持 し てい る こと が 分か る。

この こ とか ら 、対 象 物の 自 重 によ る トル ク と機 構 が発 現

する バ ネに よ るト ル クが 釣 り 合い 、 自重 補 償で き てい る

こと が 確認 で きた 。

以上 の こと か ら、 高 減速 比 に よる 応 答遅 れ を改 善 すれ

ば、 ス マー ト ・ア シ スト 機 は 、重 量 変化 に 対し て 自重 補

償性 能 を確 保 でき る と考 え ら れる 。

５．結び

圧縮 バ ネと 定 荷重 バ ネ、 円 形 のフ ォ ロア を 用い る 新た

な方 法 (可変 自 重 補償 機 構)を 考案 し た。この 可 変自 重 補

償機 構 の実 証 モデ ル とし て 、 対象 物 の重 量 に応 じ て支 持

力を 自 動調 整 する ス マー ト ・ アシ ス ト機 を 開発 し 、対 象

物 の 重 量 に 応 じ て 一 定 荷 重 の 支 持 力 を 発 現(自 重 補 償)す

るこ と を確 認 した 。 しか し 、 対象 物 の重 量 変化 に 対す る

応答 性 につ い ては 、 十分 に 追 従で き てお ら ず、 今 後、 改

善す る 必要 が ある 。

謝辞

本 研 究は 、 人工 知 能研 究 財 団の 研 究助 成 によ り 行わ れ

たも の であ り 、関 係 各位 に 対 し、 こ の場 を 借り て 感謝 申

し上 げ ます 。

文献

1） 武居 直 行： 日 本ロ ボ ット 学 会 誌，29(6)，508(2011) 2） 村 山 英 之 ，藤 原 弘 俊 ： 日 本 ロ ボ ッ ト 学 会 誌 ，29(9)，

783(2011)

3） 村 上 英 之 ， 武 居 直 行 ， 松 本 邦 保 ， 鴻 巣 仁 司 ， 藤 本 英

雄： 日 本ロ ボ ット 学 会誌 ，28(5)，624(2010) 4） 木村 宏 樹，石榑 康 彦，毛利 哲 也，川﨑 晴 久，伊藤 聡 ，

西本 裕 ，青木 隆 明：第23回 バイ オ メカ ニ ズム シ ンポ

ジウ ム 予稿 集 ，291(2013)

5） 木村 宏 樹， 酒 井昌 夫 ，竹 中 清 人： あ いち 産 業科 学 技

術総 合 セン タ ー研 究 報告 ，5，52(2016)

※1 ※1 ※1 ※2 ※2 ※2

(a) ア ー ム角 度 の推 移

※1 ※1 ※1 ※2 ※2 ※2

(b) 支 持 荷重 値 の推 移

※1 ※1 ※1 ※2 ※2 ※2

(c) バネ 圧 縮量 の 推

図 ６ ス マ ート ・ アシ ス ト機 の支 持 荷重 特 性