人工の手の手動制御およびシーケンス制御

人工の手の手動制御およびシーケンス制御

工 藤 和 ^{在 *}J~

Hand C o n t r o l  and S e q u e n c e  C o n t r o l   o f  t h e  A r t i c i f i c a l  Hand 

by 

Kazuhiko KUDO 

(Mechanical Engineering) 

The a r t i f i c i a l   hand i s   divided i n t o  t h r e e  c l a s s  i n  i t s   o b j e c t .   1  Experimental a r t i f i c i a l  hand that i s   t o  aim high contro l 1 a b i l i t y .   2  I n d u s t r i a l  manipulator. 

3  A r t i f i c i a l  hand t o  f i l 1   up a function o f   the physically handicapped person. 

The i n d u s t r i a l  manipulator i s   used t o  diminish the manpower ，  t o  work i n  the bad environ‑

ment and t o  i n c r e a s e  work e f f i c i e n c y .  

When the manipulator works under the human c o n t r o l l e r  we must a n a l y s i s  the system including  the man. I t   i s   often c a l l e d  Man‑Machine system and the a n a l y s i s   i s   not s o  easy a s  the param‑

e t e r s  

o f  the man change continually  with~times.

I t  i s   known that the Man‑Machine system becomes unstable  when the c h a r a c t e r i s t i c s  o f   the  machine beyond the f a c u l t y  o f   sensation o f  the man. 

I t   i s   one o f  the o b j e c t  o f  t h i s  r e p o r t  t o  analysis the Man‑Manipulator system. 

Next we made the sequence c o n t r o l l e r  o f   the manipulator. 

I t s  r e s u l t  shows that even the simple c o n t r o l l e r  can do the simple c y c l i c  works f a i r l y  w e l l .  

1 .

人工の手を使用目的に従い大別すると 1 .   高度の制御機能をもっ実験的な人工の手 2 .   工業用マニピュレータ

3 .  

i

ζ分けられる.とのうち 2 . の工業用マニピュレータ は省力化，悪環境における作業，作業の高速化等の目 的のために最近著しい発展をとげてきた.しかし一般 にロボット等と呼ばれていて過大の期待を持たれてい るせいもあって，種々の要求に必ずしも十分に答えて いない状態である.工業用マニピュレータはまた

1 .   操縦式

2 .   繰返し式(記憶型〉

と分けられ， 1 の操縦式においては，マニピュレータ は，人間一機械系(マン・マシンシステム)の一部と

*機械工学科

して働らき，系の全体の特性としては人聞を含んだ形 で考えられねばならない.人間一機械系として例えば クレーンの制御

，電算機システムとの対話(

等 の検討が行われているが一般に人間は記憶，学習，洞 察機能等を持っているためペラメータが時間とともに 変化するシステムであり，解析は困難さを伴う.

また機械の部分の持つ特性が人間の感覚器官が受容 できる能力を越えていたり，特性の理解ができるまで は ，

間一機械系は不安定な系となるととが知られて いる.例えばクレーンの制御や自動車の運転等は熟錬 者でないと危険である.

乙の報告の目的のひとつは人間一機械系の対象とし て工業用マニピュレータを取上げてその解析を行った ことである.

また上の手動制御の系を 2 . の繰返し式として働く

人工の手の手動制御およびシーケンス制御

^17・

ように制御装置を試作した．このように自動化を行う とフィードバックループ中に人間の高度な判断力を持 込めなくなる．そのため一般にはサーボ機構，検：出装 置等を高級化して精度，制御性を改良する方法がとら れる．こうすれば安定で十分に良好な特性を持つ系が 得られるが反面それだけコストが上昇し，実際に現場 に導入する際に問題となる．ここでは比較的簡単な繰 返し作業を自動化する際に必要な制御装置がどの程度

のものであるか検討した．

2．人間一機械系としての解析

 人工の手（マニピュレータ）の制御入力を全て人間 が指示し，その状態のフィードバックを人間の感覚器 官（目，耳，手等）で受けめるとき，この系は人間憎機 械系と呼ばれる．マニピュレータのモデルをFig・1 に示す．マニピュレータの動力は油圧（140kg／cm2）

であり，手操作シリンダ（直動型および回転型）への 管路の途中にソレノイドバルブが設けられ，ここで圧 油，排油の制御を行う．バルブへの信号は制御盤に設 けられた電磁スイッチを操作して送る．

 マニピュレータの特性は線型化してFig．2のよう に表わされる．この系を人間が制御する場合Fig．3 のようになるが，ここでは人間を簡単に時間遅れを伴 った三位置を持つ非線型の制御動作を行うと考えてい る．図では6種の操作のうち1つだけを取上げている．

操作シリンダの特性は

窃r愛撫（ん．θ一τ181マT、3）3    （1）

で表わされる．

 また人間は操作しながら制御対象の動きを目でとら え，目標値との誤差が小さくなったらスイッチをOFF にする．この場合の特性は

      1ノーφ（の一一2マ・一τ2 〔SIGN（・・＋・・）＋SIGN

  （60十κo）〕       （2）

となる．ただしSIGN（κ）ニκ／iκ【      （5）

300

碑緯

／

 （1），（2）式を組み合わせたFig 3の系の定常偏差に ついて考える．（1）式より操作シリンダの特性は一次遅 れ系に積分要素が加わったものであるから，Fig 4に 示すようにある時間幅 1を持った入力に対し図のよ うな応答を示す．この場合τ1，T1の影響がなくなっ て

・（つ一K・∫114・一K・ ・   （4）

となる．Kを一定と考えると κ（のは 1に比例する ことになる．これはむを正確に与えればκは誤差を 生じないことを示す．

 また人間の特性を示す②式において，入力6が

蛭

Fig．1Manipula七〇r

  θo・＝卜κ（≧κo）       （5＞

で与えられ人間が②式に従ってスイッチを＋側（ク＝1）

にして，次に60＝・r一κ◇oとなってスイッチをOFF にするまでを考える．

 人間のもつ時間遅れによりスイッチはτ2秒だけ長く 信号を出している．（1）式にも時間遅れが入っている ので系全体として

  τ＝τ1＋τ2（580）        （6＞

の遅れを持つことになる．

 またκoの値は人聞が系を実際に操作して，習熟する

9 1十71S

K

1一旦

κ

τ1：time delay  （abou七〇．3〜0．6SEC）

T1：七ime coIls七an七（abou七〇．4SEC）

］i（；gain         （depend on on each freedom）

y：inpu七signa1  （十1，0，一1）

x：ou七pu七displacemen七（mm）

 Fig．2Block diagram of七he manipula七〇r        ，

・2：七im・d・1・y   （・b・u七〇．5〜1．OSEC）

T2：七hinking七ime undifined （SEC）

xo：swi七ching value      （mm）

 Fig．3 Block diagram of七he man−machine      system

1

Input

血k←一一一」1一    一一・＞t 伽

 K  rc＼一

   ＼＼       l

          ドミ

   1    ミ・国

墜一一1一→〜T戸

 このときτによってκが影響される量をκ（τ）と

して，（2），（4）式より

      4κ

  ・（・）＝万・τ＝K・τ    （ワ）

  ・・＝・（・）諏（・1＋・2）＝K・（・1＋・2） （8）

即ち，κoの値として（8）式の値が把握できれば正確な 操作ができることになる．

 この場合逆にτ1＋τ2・＝ooπ5 ．と考えるとん。と：K は比例する．人間は目測によって6＝7一κをとらえ，

既に頭の中に設定しているκ0と比較して60＝κ0と なったときにスイッチの切換を行なう．θは目標値と 現在の手の位置との差であるから，これが小さいほど 正確に6を目測することができる．即ちKが小さいほ ど誤差を小さく押さえることができる．

 しかしKに系の速度に直接影響するパラメータであ り余り小さければ応答速度が遅くなってしまって，実 際の役に立たない．

 次にスイッチをOFFにして後を考える．

 出力κが丁度目標値と一致していれば制御は終了す るが．もし誤差61＝γ一κ（＜κo）を生じていた時はこ れに対する修正が必要である．この場合 1＜κoであ るからフィードバックを利用することはできない．そ れまでの経験により得てきた系のゲインKを用いて

・・趨」農L＠）  （，）

     4

を計算し，スイッチをSIGN（61）側に七1 sθビだけ押 すことになる．この場合七1の計算および設定は人間が 行うので誤差を伴う．この結果生じる誤差を砲とす ると再び

K言1

output

騨←一tl一一学3T潮

Fig．4 Response of七he manipula七〇r

・につれて修正されてゆくものであり，一定していない．

オペレータが熟練して系の定常偏差60＝卜κが0に なるよう制御できるようになったときを考える．

  ，。一1θ2L■・・L

    一璽   K  （5θ6）       （10）

     ∂オ

を計算し，スイッチをSIGN（62）側に免5θoだけ押す．

この過程をくり返して誤差が許容範囲4より小さくな ったところで制御を終わる．

 この場合もK：が小さいほど が大きくなって，

586だけスイッチを押すさいの誤差の影薯は相対的に 小さくなることになる．

 このように制御を行ったとき．系が最：終的に落ちつ くまでの時間Tは

T＋砲＋？＋・覧）＋か・＋砲＋

    1弩1＋・T・＋T・）・  （II）

  T：制御に必要な時間

  τi＋τ2：人間一機械系の全体の遅れ

人工の手の手動制御およびシーケンス制御 ¹⁹

S士碑t

Re￠己↑，x

Se地r砦・二Slq制（で一ズ）

〉 置21：×：・

50七皆＝0

く

回：三

乙

士雲μ1／K

re七㍗s玲（三一りζ）    士Se，c。

E碗義

     6＝質一

     E：皿axi皿um， error

Fig．5 Con七rol Algori七hm of七he opera七〇「

学・第三の制御の時のスイ・チを入れて

いる時間

3T1：1次遅れ系の整定時間 π：修正動作の繰返し回数 T2：人間の1酬／Kの計算時間

染止・第・回目の制御の時のスイ・チを入れ

  ている時間．

ユつの自由度をこのように制御すると．自由度観の系 は1つの動作を完了するのに麗。T時間が必要になる．

こうして考えた制御系を図で示すとFig．5のように

なる．

 3．工業用マニピュレータの手動制御

 ここでFig．1に示す実際のマニピュレータについ

て 考える．

 τ1はスイッチのリレー系統による遅れと配管系の 途中に用いてあるフレキシブ）レホースの伸縮による遅 れが組合わさったものである．またτ2は入間が目で 見たものを頭の中で分析して手に出力動作を起させる までの遅れである．

 ：Fig．1のマニピュレータにおいて，人間が操作する きとの特起酷測定した．上述のように熟練するに従い

κo，πの値が変化する様子を時系列として観測した。

 この場合，影響するパラメータとして

  1．オペレータの個人差｝また同じ人間において    も過去の経験（熟練度）

  2．作業の種類，作業台とオペレータの位置関係．

   障害物の有無等

  5． 作業の要求する精度（許容範囲）

が考えられる．

 これらの各々について測定を行った結果を示す．

 作業はマニピュレータを基準の位置からスタートさ せ，机上の材料をつかませて，他の点に移動させて手を 放し，基準の位置に戻るまでを1サイクルとしている、

自

＝

 1V00

6 A     table height

a ^b

一750

work table

PB

ooo一     一

a

b

oo卜

1000 Control

狽≠b撃

800

  table he三ght：

下H・o1：繍     or

L ^＿⊥＿

a

1150 ControI

@table

Fig．6 0pera七ion A，B，C

ぐ _う

↓撚

：Fig．7 0pera七ional miss

D㌻

X

D−150φl

@  l ^Xこ21x−27

Fig．8 Precision of七he opera七ion

 作業の種：類としてFig．6に示すA， B， cの5種を 設定した．Aと：Bは作業台と作業者の位置関係が異 り，Cは障害物として5方に壁を設けている・それぞ れ2点a，bの間で対象物を移動させる．取扱う対象

として鉄製の円柱を用いた．手先部で握るときFig．ワ のような握り方をしたら，拘束が不完全であるのでエ ラーとした．また対象物を握るとき大きくずらしたり，

放すとき倒したものもエラーとする．

 オペレータとしてかなり取扱いに馴れたものと操作 方法だけを教えたものとを使った．作業精度の設定と

して，Fig．8のように机上に目標恒を中心に円を描き その大きさを指示した．従って移動途中の径路は特に 指定していないが．障害物に当ったらエラーとする．

 1 作業の種類 A：横向き作業          B：縦向き作業

         C：縦，横向き作業（障害物あり）

  2 オペレータ M1：熟練者          M2こ未熟練者   5 作業精度  X：精度高          Y：精度低

 上のようなパラメータを組合わせで作業をさせた．

結果をFig．9〜セに示す． Fig・13はそれぞれの作 業中に起きたエラーの回数をまとめている．

  Fig．14には別に計測した機械部分の特性をもとに  して．人間が介在しないでn＝o即ち1回で制御が行 われるときの作業に必要な時間を示す．これらの結果

から手動制御について次のようなことが言える．

現象的に見ると

 1． 同じ作業でも作業位置によって所要時間，エラ   一の数が違う．この場合AとBではB作業の   ほうが成績がよい．

 2． オペレータの熟練度によって作業所要時間及び   ばらつき，エラーの数がかなり異る．しかし熟練   者でもある程度のばらつきがありエラーもなくな   りはしない．

 3．作業精度はもちろん低いほうが作業しやすい．

  この場合エラーの数も減っでくる．

 4． いずれの作業も：Fig．14で示した値より数倍の   時間を実際には必要とする．・

 これらの理由を考えてみると

 1．作業位置によりオペレータから死角が生じて，

  同じ作業でも位置により必要時間が変る．どうし   ても死角が避けられない時には，IT▽あるいは   鏡等を利用したり，補助員をつけたりして作業す   ればよい．即ちオペレータヘブイードバックする   情報量がなるべく多くなるように系を設計する．

 2．握る際のエラーを観察してみると上の死角の問   題に大きな関連があることが分った．オペレータ   に手先部が現在対象物をつかんでいる状態を知ら   せるような感覚器官を備えれば握りなおしができ   る．

   また，それと別に機構的に見てこのマ三ピュレ   四王は人間が手首の自由度を固定して物体を取扱    う場合と同じ動作をする．この手首に当る部分の   自由度がかなり重要な役割を果していると思われ   る．これがないと円柱を斜に握ったり，正確に手   の中央部に握れないことが起る．

 5．（8），（9），（10）式等でK：の値が操作性に影響   することを述べた．このマニピュレータではK：

   が一定（圧油の流量が一定）のため，操作部を微    動させることが難しい．即ちK，τ1，Ti等のパ    ラメータの大きさを人間が経験的に推定して操作    するが，感覚的にうまく捕えられないため修正動    作が何回も必要になる．熟練者といえども一回の    操作で目標値に達することは少い．

    （11）式で整定するまでの時間の式を示している    が．τ2やT2等の人間が消費する時間が他の値    に比べ数倍の大きさを取り，これが理論値と実験    値を大きく違わせる主な原因となっている．

  4．以上より，手動制御でマニピュレータを作動さ    せる際は，作業に要する時間とその作業精度，エ    ラーの防止等が相対する要素となることを考える    必要がある．

time

〔SEC）

60

40

20

．／

ご

●、．

／x＼^x

   ／x1＼o

O Ml A X

● M1・A Y

△ Ml B X

▲ Ml B Y

× ERROR

▲

入工の手の手動制御おタびシーケンス制御

XXX

O

M

●

箆

time

（SEC）

60．

40

20

2        number1

46810test

90pera七iOI1七ime

＜

冠

ム

  o

△ 、β、

      ▲

      X

×愉1鈴1

      ●

OMI C X．耳■

●MIC Y芦1

△Ml C X H2

▲Ml C Y H2

×E虫OR

Fig．

21

2   4   6   8 Fig． 10  0peration七ime

10test

  nUmber・

ODera七〇r opera七ion P「eclslon 七able heigh七 mean work   七ime

s七andard devia七ion

number

of error

sec sec

M1 A X

｛

8．1

M1 A ^Y

一

5．6

M1 B x ｛ 40．6

^5．5 7

M1 B Y

一

^−8．4

M1 C X

^H：1

^4．3

M1 C Y

^H：1

^{4．2 1}

M1 C X ^H2

^{51．6 10．3 5}

M1 C

Y

^{3．8  1}

M2

A

^{一 21．3 4．3}

M2

A

一 15．3 2．3

M2

B

^{一 17．0 2．3}

M2 B Y

一 13．7 1．9 1

M2 C X ^H1

^{28．3 4．1}

M2 C Y H1

^{24．2 3．3}

M2  ． C X ^{H2 31．0}

^{4．6 5}

1M 2

@

28．8r

1．6

Fig．13甲Mean opera七ion七ime and i七s s惚ndard de∀ia七ion

4． 工業用マニピュレータのシーンケス制御  繰返し作業を自動化する方式として種々のものが考 えられるが，実用化されているものの大部分はフィー

ドバックループを備えているか，ピンボード，ドッグ 板等を用いたシ7ケンス制御を行なっている．f  フィ」ドバック制御はもちろん正確な制御が行なえ

るが，検出部，制御部がかなり複雑になりコストにも 大きく影響し，また各部の点検整備も十分注意する必 要がある．

 これに対しシーケンス制御は制御対象のパラメータ

・を十分把握しておけば，実用上十分な精度を持った制 御部を簡単な装置で実現することができる．

・一ﾂの試みとして（7）式を考えたときK＝oo競・ならば 逆に

      ポ      ぶ

   τ『璽『r     （12）

     4≠

となりτが求められ，このτをスイッチに設定して やれば任意のκが得られることを利用することを考え

る．

 τの設定法としてタイマー，リレー等の要素が考え られるが，もっと簡単には一定速度で回転するドラム 上にスイッチの断続を記録してそれを読取る方法が考 えられる．

 こうすれば一種のプログラム制御となり，ドラム上 の記録を変えれば任意の仕事が設定できる．

 この考えに基いて：Fig 15に示す回転ドラム式の制

御盤を試作した．

 全てのスイッチを手動スイッチの代りに制御盤上の リミットスイッチに結線し，リミットスイッチはドラ ム上の記録紙の穴の有無に従い回路を断続させる．記 録紙上には予め作業の種類に従い各スイッチの開閉時 間を（12式より計算して穿孔しておけばよい．

 この装置の運転結果をFig．16に示す．

作業は3で述べた作業Cを行なった．

 手動制御と比較した値を示すが，作業精度Yならば 一度もエラーが起きなかった．一連の実験を考察して みると，

 1． シーケンス制御として，時間制御を行なう簡単   な装置であるがかなりの精度で制御を行なうこと   ができる．

   但し作業精度には制御盤の回転速度，マニピュ   レータの油温等が大きく影響するのでこれらのパ   ラメータを一定に保つよう留意する必要がある．

 2． この装置の場合，同じ作業なら手動制御の％〜

  ％の時間で行なうことができる．

   これは人間は各部を同時にせいぜい2カ所しか   監視，操作できないのに対し，プログラム制御で   は予盾しない範囲で何系統でも制御できることと，

  τ9，τ2，1嗣／K：等の時間が不要なことによる・

  また作業時間のぱらつきは殆んどなく，エラーも   起さない．

 5．反面，作業を切替るとき，記録紙をそのつど用

t｛me

・〔seCl

 60

40

20

○

◎

△

△

×

M2 A X M2 A Y M2 B X M2 B Y ERROR

time

（sec）

60

10 test

40

20

2

6 8

 △

       o

 △   o

。＿。一！＼◎

   O M2 C    ◎ M2 C    △  M2 C    ▲  M2 C    × ERROR

X Y X Y

＼

 ム

 ／ ●

HlHl H2H2

Fig．11 0pera七ion七ime

2 4 6 ^8，

Fig．12 0pera七iQn七ime

  test

人工の手の手動制御およびシーケンス制御 25

operation

A B

C   H1 C   且2

theoretical opera七ion time

、駅l

18

7．O  sec 9．1  sec

一島

L18

9．4  sec

mean  ORト  tlme ；18，7sec

lfo 20

薫

number

Fig．16 Position error of the sequellce controller

10．1  sec Fig．14 Theoretical operation time

1……響野

撃纏欝鎌．睡、』

   Fig．15 sequence con七roller

面しなければならず，記録紙の作成も簡単ではな い．即ちくり返し作業にのみ効果的であり，不定 の作業には用いられない．また装置の暴走を防ぐ ための安全装置を十分考慮しておかねばならなび．

5．結    言

入間一機械系として手動制御を行う工業用マニピュ

レータを取り上げ，ON−OFF制御系として解析を試．

みた．人間の特性は個人差，時間的変化が大きく一定 の値を求めるのは困難で統計的に広い範囲で示す必要 がある．

 また繰返し作業には，簡単なシーケンス制御装置で も作業時間の短縮，精度の向上等に効果がある．

 本実験に協力を得た勝見哲幸（三菱製鋼（株）），田 中正志（（株）日立製作所），星徹（（株）日立プラント 建設），機械科流体研究室，三菱製鋼長崎工場設計課 の諸氏に謝意を表します．

 参 考 文 献

1．井［］雅一；クレーンの制御に関する研究（1），機学会講  演論文，S．47．4， PP．9〜24

2。工藤和彦；対話形式のディジタルアナログシミュレータ，

 九大工学集報，S．45， vo 145， No 2

5．人工の手研究会；バイオメカニズム，東大出版会  1972 4．D． E． WHITNEY；State Space Models of Remote  Manipulation Tasks， IEEE Trans． on A． C．，vol

 AG・14， No．6， Dec 69