ロボットハンド製作によるメカトロニクス継続教育の検討（PDF）

ロボットハンド製作によるメカトロニクス継続教育の検討

寺内 美奈

* 見城 尚志**

Examination of Robot Hand as a Tool

for Continuing Mechatronics Education

Mina TERAUCHI* Takashi KENJO**

This article discusses the design and fabrication of a robot hand and its controls using a PC, within the context of a robotic engineering course. We describe an ongoing training course, in which students showed great enthusiasm, and discuss the role that such courses can have in mechatronics education. Furthermore, a specialized training course and international refresher course for technical instructors were offered and received by the trainees, Japanese and foreign, with great interest. Our experience in robotic engineering using a robot hand points out the effectiveness of such instruction in expanding and exploring the boundaries of actuator and control technology, and highlights the role it can offer in promoting continuing mechatronics education.

Keywords: continuing education, refresher training, mechatronics, actuator, robotics, control technology

１．はじめに

メカトロニクス(mechatronics)は，1960 年代に日本で 生まれた用語で，今では世界中にひろまり大学の学科 の名称にも使われている。著者の一人は小論[1]におい て “mechatronics” の起源とその発展をレビューしてこ の科学技術の課題を指摘した。当初，メカトロニクス は機械工学と電子工学の知見を融合させたものである とされたが，図1 に示すように近年は制御工学，情報 工学さらには従来の電気工学などを含めた総合技術と なり，その進歩発展が分化している。 技能五輪国際大会や技能五輪全国大会の一種目とな っていることにも注目したい[2,3]。そのような中，こ の方面の教育や職業訓練に携わる者には常に新鮮な意 識が求められる。そのためには，指導員を目指す学生 や現役の指導員に対して，系統だった継続的な訓練が なされる必要がある。 ロボットは，機械構造，アクチュエータ，センサ， 電子回路，マイコンなど多くの技術要素を包含してお り，メカトロニクス教育のテーマとして利用価値が高 い。そのため，教育用レゴマインドストーム[4]やロボ ット学習キットMA-VIN[5]，KIROBOMR-9132[6]など 数多くの実習教材が市販され，活用されている。 図1 メカトロニクスと関連分野 * 職業能力開発総合大学校 電気システム工学科 Department of Electrical System Engineering

我々は，2001 年度長期課程 3 年生を対象とした 「ロボット工学実習Ⅰ」を開講するにあたり，新 しい試みとして，ロボットハンドを対象とした。 当時，二足歩行ロボットが脚光を浴びていたが， 人間の手もまた対象として魅力的であると考え， 物を把持する機械的な特性よりも，手指の動きに よる情報伝達，あるいは手話の動きを可能とする ロボットハンドを選定した。そして，学生が設計 と製作に加えてパソコンを使った制御まで行える 実習を目標とした[8-10]。その後，試行錯誤しなが らも，より効果的な実習を実現するために改定作 業を進めながら，内外の職業訓練指導員の研修 (refresher training)にも展開した。 本論文では，この実習や研修の経緯を，内容と あわせて報告し，これを継続的メカトロニクス教 育の有効な手段とする意義を提起する。

２．ロボットハンド工学実習の運営

長期課程のロボット工学実習Ⅰは 2001 年度か ら2005 年度までの５年間実施された。半期の 15 日間（各週1 日＝8 コマ）にわたる実習である。 ここでは，2005 年度に実施した内容を中心に，ロ ボットハンドの構造，電子回路およびマイコンI/O インタフェースを解説する。 2.1 テーマの選定および実習項目 ロボットハンドは，工業用やエンターテイメン ト用など様々な種類が研究・開発されている。従 来の大学教育の考え方に基づくならば，より精密 で信頼性が高く，耐久性に優れたロボットハンド 製作が求められる。しかし，実習時間の制約があ り，さらに学生の学習意欲を高めるためには大き な壁となってしまう。そこで，学生の創作意欲を 高めつつ，メカトロニクスの要素技術（機械，電 機，電子回路，コンピュータプログラム）を総合 的に学べるテーマとして，指文字を表現できるロ ボットハンドの製作とした。 学生にはロボットハンドのプロトタイプと解剖 学の参考書を参考にしつつ，自分の手を見ながら 機構設計を行わせた。この段階で，学生は自分の 手が複雑な動きをすること，その動きを実現する ための骨格構造が複雑であることを理解するとと もに，ロボットハンドで人間の手に近い動きを再 現するためにはさまざまな創意工夫が必要である ことを認識する。さらに，機構，小型モータ，電 子回路，コンピュータ制御などの要素技術を学ぶ ことの重要性を実感することができる。 2.2 部材の選定 この実習では，学生自身が自ら製作し，制御・ 駆動する経験をさせることが主目的である。完成 された市販品を用いるのではなく，教師が必要あ るいは適切と考える部材(図２参照)を提供し，そ れらを活用し，自由に設計させることに意義があ る。機械工学系であれば，機構設計・製作はカリ キュラムに組み込まれているだろうが，電気・電 子系の学生に短時間でこれを習得させ精度や強度 に配慮した実習をさせるのは必ずしも適切ではな い。ここではメカトロニクス機器開発における機 械設計の重要性を電気・電子の学生に認識させる きっかけになればよいと考え，小型のボール盤と 帯鋸および手工具を使って部品を制作して組み立 て，パソコンを使ったディジタル制御まで体験さ せることに意義があると考えた。 自由な設計に力点を置くならば，部材選定も学 生にさせるのが適切という考えがあって 2001 年 度では部材選定を自由にさせたところ，ゼロから 設計，製作，制御までを全てこなすには時間が不 足した。また，ゼロからのスタートは逆に学生の 学習意欲を低める結果となった[10]。この経験か ら，2003 年度には，(例えば図 3 に見るような)プ ロトタイプを提示することで設計の方向性を示し た。また，過去の年度に製作されたロボットハン ドのメンテナンス作業も行わせた。この作業は機 構を参考にするのみではなく，先輩たちが作り上 げたものより，さらに良いものを作ろうという競 争意識を持たせるのに効果的であった。 ロボットに使用する部材は，指本体部のアルミ 製コの字型チャネル，駆動用の小型モータ8 個， 関節部に使用するギヤやダイアルコードを指定す ることにした。 金属やプラスティックのパイプなど コ・L 型断面アルミ材 特製冠歯車を取り付ける構造と市販の傘歯車の使用 図2 主な供給部品 職業能力開発総合大学 第40号A （理工学・技能編） 職業能力開発総合大学校紀要 第40号A （理工学・技能編）

2.3 実習グループの編成 この実習では，事前調査と観察および自己分析 票などを活用したグループ編成をすることで，学 生の協調性と競争意欲が発揮された。 ロボットハンド製作実習を行うに当たり，まず， 大きく3 つの要素技術作業を設定した。 (1)メカニズム（機構部） (2)エレクトロニクス（制御用電子回路部） (3)ソフトウェア（制御プログラム部） まず，実習の始めにアンケート調査を行い，各学 生に自己分析を行わせ，上記3 つの作業分野の中 で得意とする，あるいは関心をもてる作業を選ば せた。人数が偏ることも考慮し，作業分野は第２ 候補まで選ばせた。この自己分析結果をアンケー ト調査し，また１年次のプログラミング実習や他 の実習での学習態度や成績，性格などから教師が 判断し，各作業担当者が2～3 人になるようグルー プを編成した。編成後は，グループリーダーを決 めさせ，各グループの実習運営を管理させること とした。なお，各人が担当分野のみを行うだけで はなく，必要に応じてディスカッションし，互い の作業を補助することも行わせた。 本実習では各人が同じことを行うというもので はなく，チームワークによって仲間内のコミュニ ケーションをはかりながら一つのシステムを完成 する訓練ともなる。実際，普段コミュニケーショ ンの機会が少ない相手とも一生懸命に話し合い， あるいは熱く討論する姿をみることができた。ま た，グループを越えて協力している場面もあった。 このグループ編成による作業は，学生が自己分析 を行うことで自分自身の適性・特性を認識するこ とができるため，その後の就職活動にも役立てる ことができた。各年度における実習状況について は，文献[10]を参照されたい。 2.4 ロボットハンドの動作目標 ロボットハンドの完成イメージは図３に示され るような形である。このモデルを参考に各グルー プでより良いものを製作し，手指の動きによりジ ャンケンや指文字などのメッセージを伝達(情報 発信)することを目的とする。各グループの設計概 念により，手の形や個性を表すことがあり，その ことは学生が楽しくかつ熱心に実習に取り組むき っかけを与えることができる。 各グループは自分たちのロボットハンドで表 現したい複数の指文字を，図４に示す日本語版指 文字一覧表から複数選択し，それらを表現するた めの機構設計を行うようにした。 人間は手を動かす時に，脳から発生した電気信 号が筋肉にその動作をさせる。それと同じことが できるロボットハンドを作ろうとすると容易では なく，ある程度類似した動きを実現することにな る。このことを検討することは，メカトロニクス における各要素技術を組み合わせると予想外のこ とが実現できることもあるし，逆に限界を認識す ることができるが，学生の創造性をくすぐること ができる。これが，実習の活性化につながった。 図3 ロボットハンドのプロトタイプ 図4 指文字一覧表 2.5 ロボットハンドの構造と使用モータ この実習では指を中心として作成する。学生に は例えば図５をみせながら手の骨構造と各関節の 名称などを説明する。手を構成する骨は総数 27 個(片手) ある。手指の関節は，先端より遠位指節 間関節(以下DIP 関節)，近位指節間関節(PIP 関節)， 中手指指節関節(MP 関節)という。しかし，拇指 は他の指とは関節構造が異なり，指節間関節(IP 関節)，中手指指節関節(MP 関節)，手根中手関節 (CM 関節)という。 示指から小指の４本指の基本構造の場合，当然 ながらMP 関節，PIP 関節，DIP 関節すべてが屈伸 する。これを機構化する場合，１本の指の構造を 製作すれば，他3 指の大きさ(主として長さ)と手

掌上の配置の調整により形成することができる。 使用するモータ数をできるだけ少なくするために， 図６に示す屈伸構造原理をつかって3 つの関節が 連動して屈伸するようにさせた。例えば図７の写 真に示すように，MP 関節に 1 個のモータを配置 して，傘歯車によって回転軸を90 度変換して屈伸 す る 方 法 を 推 奨 し た 。 こ の 構 造 に は ，S.T.L. JAPAN 製ギヤ付き DC モータ栄 42 HS-GM21-DLG と，やすり加工が容易なプラスティック傘歯車の 組み合わせが適切だった。なお，DIP 関節の伸展 動作において，ダイアルコードのみでは複雑にな るので，トーションスプリングを設置して，戻り 動作を補助するようにした。 拇指の構造設計は，他の４指とは異なる。図８ に示すように拇指はCM 関節が鞍関節構造を有す るため3 関節 4 自由度をもち，この構造により掌 側への内転外転，指の腹どうしを向かい合わせる 対向動作を実現している(図９)。拇指の運動機能 をロボットハンド上でどのように再現するかの基 本的な発想にはいくつかあるだろうが，これが機 構設計に大きな影響を与える。つまり，関節を鞍 関節構造にすると，現在入手できるモータでは拇 指全体が大きくなってしまう。解剖学上のCM 関 節の動作は掌側外転と橈側外転の2 自由度である が，1 関節で 2 自由度を機構的に再現することは 困難である。拇指のロボット化はこのように容易 でないことは知りつつ，各グループにそれぞれの 試みをさせた。本実習ではモータ2 個の利用をプ ロトタイプとしているが，同じ構造のモータを 3 個使って3 自由度を実現しようとするとグロテス クになりやすい。いわば生命と知のアクチュエー タである自分の拇指をメカトロニクス化するのは 大きな挑戦課題であることを学生は知る。 手指によるコミュニケーションを目的とするな らば，運動に着目し，対向動作(掌側外転)が可能 な拇指部の設計をすることが肝要である。それは 2 個のモータで何とかなると筆者らは考えた。 2.6 駆動回路と制御方式 多くの場合，ロボットの腕や指をモータで動か すとき古典的なフィードバック制御を先ず考える かもしれない。繊細なつくりをしたサーボモータ と回転角センサを使うのだが，センサ関連の配線 で大変なことになる。学生にとってそれよりも面 白いのがコンピュータによる学習機能を伴ったシ ーケンス制御である。これには，最も簡単な構造 のDC モータとギアヘッドの利用が適している。 図5 指の屈伸構造の原理 図6 指の屈伸構造の原理：モータ 1 個とプーリ とコードの組み合わせにより指の屈伸をさせる。 コードにはダイアルコードが柔らかいが伸びず， 大きな張力に耐えるので適切である。 図7 モータ配置の例 図8 拇指の鞍関節構造 図9 拇指の運動 職業能力開発総合大学 第40号A （理工学・技能編） 職業能力開発総合大学校紀要 第40号A （理工学・技能編）

通常は嫌われるコギングトルクと歯車に介在する 摩擦係数の相乗効果によって無通電による位置の 保持ができる。このモータを駆動する原理は表 1 に示すH ブリッジをつかう簡単なオン・オフ制御 であり，ディジタル処理の基本に通じる。 表１H ブリッジ TA7291 を用いたモータの制御機能能 初期の実習では，指の伸びきりや曲がりきりを 過電流で検出する原理とそれを実現するためのヒ ステリシスコンパレータ回路を学習させた。しか し，初期の年度でユニバーサル基板に回路を制作 させたところ無駄な配線ミスやハンダ不良への対 処が実習の目的遂行の障害となったので，専用プ リント基板を筆者らが設計して業者に作らせた。 図10 は指１本分のモータ駆動回路である。 H ブリッジモジュールとして東芝製 TA7291 を 選定したのは，この実習の次のステップとして D/A 変換をとりいれると指の動きを自動的に調整 する学習機能を構築することができるためである。 つまり，各指の伸びきりや曲がりきりに至る時間 を プ ロ グ ラ ム で 計 測 し て 適 正 な 駆 動 電 圧 を TA7291 の#8 端子にフィードバック指令すること ができる。 2.7 パソコンとの I/O インタフェース モータの制御は，パソコンで行った。例えば Visual BASIC による指文字発生のシーケンス制御 プログラムとC 言語の組み込みによるバス制御の 組み合わせを試みた。現代の若者が興味を示すの がこのようなコンピュータを使うアクチュエータ 制御の初歩の部分であり，メカトロニクスの基本 的要素である。 モータ駆動制御は大きく分けて，３つの要素に 分解することができる。 (1) パソコンと H ブリッジモジュールとの インタフェース部 (2) H ブリッジへと電源およびモータとの 接続部 (3) 過電流検出と入力ポートへのフィード バック部 パソコンとのI/O インタフェースとして，今で は古典的ではあるが PCI バス（昭和電業社製 Kentac pcp 2）を使用した。なお，PCI バスを装着 できない場合を想定し，パラレルポートによる接 続も可能となるように設計してある。図10 に示さ れているI/O インタフェース部のコネクタ 40 ピン はPCI バス用，30 ピンはパラレルポート用である。 これに代わる新規な方式としては USB コネクタ 対応などがあるが，指導員研修ではパソコンのI/O 関連の知識を有する先生方が多いために新しい応 用問題としていただいている。 図10 ロボットハンド指のモータ駆動回路およびインタフェース IN1 IN2 状 態 機 能 H (1) L (0) 正転（CW） H (1) H (1) 短絡制動 L (0) H (1) 逆転（CCW） L (0) L (0) 開放；自然制動 註：ギアヘッドが付いた小型モータでは自然制動と短絡制 動の違いは小さいのでソフトウェアのコード化ではどちら を使用してもよいとした。

2.8 レポート作成およびプレゼンテーション 15 日にわたる実習の最終段階では，正常に駆動 することを確認後，各グループは製作したロボッ トハンドについてプレゼンテーションをする。レ ポート作成では，各要素に対応する演習課題も含 めさせる。この実習までに他の科目で学んだこと を活かしつつ，課題に取り組むことで，学生はロ ボットハンド製作が様々な知見を必要とするもの であることを認識できると考える。プレゼンテー ションでは，コンテスト形式，あるいは自分達の ロボットハンドの機能・特徴などの紹介形式と年 度により方式を変更した。2005 年度のコンテスト 形式では学生が互いのロボットハンドを見ながら 長所・短所について批評しあっていたことが印象 に残った。紹介形式では，いかに相手に理解して もらうか，あるいは質問に答えるかというところ に各グループの個性をみることができた。いずれ の方式においても，各グループ内の協力体勢が重 要であることを学生に認識させるとともに，互い の班の競争意識が高くなることでより高い機能を もつロボットハンド研究の足がかりを得られるま でに到達することができた。

３．さらなる発展のために

ロボットの設計において手首を含む手指は永 遠の課題であることをみてきた。そこには単に精 密な機構とかサーボモータのアナログ/ディジタ ル制御という技術的な側面を越えて生命と知性と いう要素がある。その一端が指文字の発生という テーマで浮かび上がってくる。ロボットハンドの 製作によって，未だメカトロニクスが人の手に及 ばないことや，科学技術の発展は独創よりも個性 をもつ多くの人の協力によってなされること(つ まり共創)によって可能であることを認識すると 同時に，互いの班の競争意識が高くなることでよ り高い機能をもつロボットハンドができることを 知る。 ここに報告した実習は教師の研究意欲の促進 にもなった。たとえば，騒音が発生しないハンド を目指した別研究として，形状記憶合金を用いる ロボットハンド製作につながっていった[12]。 これと平行してより高度なIT 環境での制御と してインターネット利用なども試みたが[13]，こ れは継続教育を前提とすれば次の段階の探索研究 であったといえよう。 筆者の一人は2005 年に民間の研究所に転じて 小型で強力なブラシレスモータを開発し，それを 使ったイタリア人パイロットが 2010 年の電動飛 行機の世界レースで優勝を遂げた。この5 年間の 小型・高速・高出力・高効率モータの進歩には目 を見張るものがあった。それに比べると，手指の 制御に使われるモータの進歩が予想外に遅い。も し，手話ロボットハンドの競技会があればモータ だけなく種々の部品・要素の進歩と制御法が急速 に進展し，新しいメカトロニクス産業と雇用が生 まれるに違いない。その方面の人材育成を支える のがロボットハンド製作の継続教育ではないだろ うか。

参考文献

[1] T.Kenjo and J.Lorrriman: Creating a new paradigm – Mechatronics and future challenge,

http://kn.theiet.org/magazine/rateit/control/ [2] http://www.worldskills.org/ [3] http://www.javada.or.jp/ [4] http://www.legoeducation.jp/mindstorms/ [5] http://www.kyoshin.ne.jp/ [6] http://www.elekit.co.jp/product/promo/kirobo/ [7] M.Terauchi, et al.: Nimble Handrobot as a Tool for

Continuing Mechatronics Education, 9th IACEE World Conference on Continuing Engineering Education， Tokyo(2004)

[8] 見城，寺内他：教育用メカトロニクス・ソフトの開 発 : 能開総合大国際コースでの試み，工学・工業教 育研究講演会講演論文集，pp.285-288(2002) [9] M.Terauchi, et al.: Trial of IT Education Centering on

Motion Control Technique of Robot Hands, Proceed- ings of International Conference on Information Technology Based Higher Education and Training -CD-ROM-(2001) [10] 寺内，見城，梶：メカトロニクス継続教育のため のニンブルロボットハンド，雇用問題研究会 技能 と技術，Vol.2005, pp.62-69(2005) [11] 藤原：体表解剖学，医歯薬出版株式会社(1983) [12] 寺内，前場，島田：形状記憶合金とモータを併用 したロボット指の実現，電気学会論文誌D， Vol.128, No.5,pp. 654-660(2008) [13] 見城：ロボットハンドの設計・試作から学ぶ実践 メカトロニクス，機械設計，日刊工業新聞社，2005 年9-11 月号(2005) 職業能力開発総合大学 第40号A （理工学・技能編） 職業能力開発総合大学校紀要 第40号A （理工学・技能編）