17_1019 人と接触するロボットのための安全な力制御技術

九州大学・科学技術振興機構（JST）共催，新技術説明会，2017年10月19日(木)．

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1. 1 人と接触するロボットのための 人と接触するロボットのための 安全な力制御技術 安全な力制御技術 http://home.hiroshima-u.ac.jp/kikuuwe/ http://www.youtube.com/kikuuwe/ 菊 植 亮 き く 　 う え りょう 2017年9月30日まで：九州大学 大学院工学研究院 准教授 2017年10月1日から：広島大学 大学院工学研究科 教授
2. 2 ロボットと環境の間の接触力の制御 ロボットと環境の間の接触力の制御 力制御（広義） インピーダンス制御（狭義） アドミッタンス制御 力制御（狭義） インピーダンス制御（広義） 接触力そのものの制御 接触力に対する応答特性 （重さ，粘っこさ，硬さ）の制御 運動入力・力出力型 力入力・運動出力型
3. 3 インピーダンス制御（広義） インピーダンス制御（広義）  指定の「目標インピーダンス」（慣性／粘性(／剛性)，重さ ／粘っこさ(／硬さ)）をもった「仮想物体」を想定．  ロボットの手先に外力が加わったときの応答（＝動き）を，そ の「仮想物体」の応答と一致させる．  ロボットの手先を押し引きすると，あたかもその重さ／粘っこ さ(／硬さ)の物体を触っているかのような感覚が得られる．  接触力の目標値を指定することもできる．（「狭義の力制 御」の機能も実現できる．） 外力 運動 目標接触力 外力
4. 4 外 界 外 界 ロボットの 位置 接触力 位置 指令 位置 制御器 位置 制御器 トルク 指令 仮想物体 仮想物体 外力 ＋ ＋ ＋ アドミッタンス制御 アドミッタンス制御  インピーダンス制御（広義）の 一種  別名：「位置制御ベース・イン ピーダンス制御」・「仮想モデル 追従制御」など  力センサが必要 f Mv Bv  目標インピーダンスを持つ「仮想物体」と，「位置 制御器」から成る  ロボが仮想物体に追従できれば，ロボの見かけの インピーダンスが「目標インピーダンス」に近くなる
5. 5 アドミッタンス制御：利点 アドミッタンス制御：利点 Moog Simodont Dental Trainer 力制御スピニング加工機 [Arai, 2006, ICRA] ウィンドウ搭載支援ロボット [トヨタ自動車・村山ら] リハビリテーション [Moog, HapticMaster]  「力学的に透明でない」ロボットでも力制御が可能！  ＝ モーターの力がそのまま手先に伝わらないロボット  関節に減速機を持つもの，リンク慣性が大きいものなど 外 界 外 界 ロボットの 位置 接触力 位置 指令 位置 制御器 位置 制御器 トルク 指令 仮想物体 仮想物体 外力 ＋ ＋ ＋
6. 6 アドミッタンス制御の危険性：その１ アドミッタンス制御の危険性：その１  力センサへの外力のみに反応． 力センサ外での外力には反応し ない． （位置制御器が位置を保持）  力センサ外で物体や人に接触 すると，破損や事故の可能性 外 界 外 界 ロボットの 位置 接触力 位置 指令 位置 制御器 位置 制御器 トルク 指令 仮想物体 仮想物体 外力 ＋ ＋ ＋
7. 7 発生トルクに制限をかけても危ない 発生トルクに制限をかけても危ない  仮想物体位置が外力に反応 しない ⇒ 外力が取り除かれると，ロ ボットが仮想物体位置に戻ろ うとする！  ロボットを抑えて力センサに力 を加えると，仮想物体が予期 せぬ動きをしてしまうことも 外 界 外 界 ロボットの 位置 接触力 位置 指令 位置 制御器 位置 制御器 トルク 指令 仮想物体 仮想物体 外力 ＋ ＋ ＋
8. 8 アドミッタンス制御の危険性：その アドミッタンス制御の危険性：その2 2  硬い環境に接触したときに振動 (不安定化)する．  トルク制限をかけられないので， 振動の大きさも制限できない．  指定インピーダンス（粘性・慣 性）を大きくすると振動は抑制 できるが，動きが鈍重になる．  産業用ロボットにも実装できるというアドミッタンス制 御の利点を残しながら，トルク制限をかける手法が 必要！！
9. 9 新しいアドミッタンス制御技術 新しいアドミッタンス制御技術  アドミッタンス制御器の発生トルクに上限を付与． トルクが上限値以下のときには，通常のアドミッタン ス制御と等価  トルク飽和時にも，仮想物体とロボットが乖離せず， バネのような復元力が発生しない  トルクが制限されているので振動的になっても， 影響は小さい
10. 10 提案手法の制御則（数学的表現） 提案手法の制御則（数学的表現）  不連続関数（多価関数）を含んだ連立微分方程 式（微分代数包含式）として表現される 外 界 外 界 ロボットの 位置 接触力 指令 位置 位置 制御器 位置 制御器 トルク 指令 仮想物体 仮想物体 外力 ＋ ＋ ＋ － 微分代数包含式を用いた 制御系設計：菊植のオン リーワン技術！
11. 11 提案手法の制御則（実際のアルゴリズム） 提案手法の制御則（実際のアルゴリズム）  計算コストは特に大きくない 定数： 微分代数包含式 を離散化して変 形：菊植のオン リーワン技術！
12. 12 実装：力センサ外接触に対する応答 実装：力センサ外接触に対する応答  重力補償と摩擦補償を施した系に対して，上限値 1.5Nm～6Nm程度のアドミッタンス制御を適用．  力センサ外の外力がある程度大きくなると降伏．
13. 13 実装：力センサ外接触に対する応答 実装：力センサ外接触に対する応答 従来手法（旧） 提案手法（新）  リンクに外力 旧：ロボットが仮想物体から 乖離．その後，戻るので危険 新：仮想物体はロボットに追 従  リンクを押さえて力セン サに外力 旧：仮想物体が遠くへ飛んで いく．そのあとロボットが追従 してしまって危険 新：仮想物体はロボットととも に留まる．
14. 14 接触力の制御 接触力の制御 トルク制限なし（旧手法） トルク制限あり（新手法） スポンジ アルミポール スポンジへの押し付けにあわせてパラメータ（目標慣性・粘性）を調整 それより硬い対象物に押し付けると振動的になる 新手法（トルク制限あり）だと，振動が抑えられる 力 力 位 置 位 置 力 力 位 置 位 置
15. 15 新技術の特徴・従来技術との比較 新技術の特徴・従来技術との比較  不連続性を含む連立微分方程式として制御則を構築する というアプローチは，世界的にもオンリーワン技術  「透明でない」ロボットの力制御において，トルクに制限かけ る本質安全を実現  従来のアドミッタンス制御は  力センサ部でしか接触しない  トルク飽和しない という前提での利用に限られていた．その前提を除去する ことができる．  不安定化したときの危険性も小さくなる．
16. 16 FAQ1 FAQ1 質問：  他の制御則でも同様の応答特性を実現可能か？ 回答：  可能かもしれないが，おそらく複雑な条件分岐を含 んだ制御則が必要になる．条件が切り替わるときの 速度，加速度，トルクの連続性を保つためには注意 深いプログラミングが必要．複雑な条件分岐はプロ グラムのバグや信頼性の低下につながるので望ま しくない．
17. 17 FAQ2 FAQ2 質問：  関節にトルクセンサがついていれば，この制御則は 必要ないのでは？ 回答：  その場合でも，モータートルクに明示的に上限を設 けるために，この制御則は有効です．
18. 18 想定される用途 想定される用途  直感的なロボットティーチング  ティーチングペンダントで数値で指定するのではなく， ロボットを直接手でつかんで動かして動きを教示  人と作業スペースを共有する産業用ロボット  作業時にロボットと人間が接触しても安全  人間と協調作業するロボット  重量物の位置決め／組み立て作業など  人間の動作を支援するロボット／メカトロニクス機器  脚，腰，腕などのリハビリや，パワーアシストなど
19. 19 実用化に向けた課題 実用化に向けた課題  純粋に技術的な課題はないはず．しかし・・・  ほとんどの産業用ロボットは，メーカーの長年のノウ ハウが詰め込まれた専用位置制御器（関節角度制 御器）で制御される．  本技術の実装では位置制御器自体を改変する必 要があるため，若干，敷居が高いかもしれない．  そこをなんとかクリアしていただければ，簡単に実装 可能です．（本技術に限らず，さまざまな力制御技 術も実装可能になります！！）
20. 20 企業様への期待 企業様への期待  まずは実装して試してみてください！  できるだけ制御周期の短い，トルク指令型のコントローラ が望ましい．  必要ならばお手伝いします．  具体的な適用先の候補やアイデアをお持ちであれ ば，ぜひお知らせください．  新たな研究テーマや制御則改良のヒントにもなります．  適用先に合わせたカスタマイズも可能です．  座標系の設定，多次元化など，関節トルクセンサへの 対応など
21. 21 本技術に関する知的財産権 本技術に関する知的財産権  発明の名称：力制御装置，力制御方法及び 力制御プログラム  出願番号　 ：特願2017-136283  出願人　　 ：九州大学  発明者　　 ：菊植 亮
22. 22 これ以外にも様々なメカトロ制御技術を これ以外にも様々なメカトロ制御技術を 保有しています．ご相談ください． 保有しています．ご相談ください． http://www.youtube.com/kikuuwe/
23. 23 お問い合わせ先 お問い合わせ先  九州大学学術研究・産学官連携本部 知的財産グループ  TEL: 092-832-2128  FAX: 092-832-2147  E-mail: transfer@airimaq.kyushu-u.ac.jp