新しい 6 自由度柔軟関節肩義手(木下ロボットアームⅠ)の
開発
木下

敏治*

平田

一真**

Development of new flexible Shoulder Disarticulation Prosthesis (SDP)(Kinoshita Robot ArmⅠ)with 6 degrees of freedom.
Toshiharu KINOSHITA , Kazuma HIRATA

Abstract
I use the RC servo motor, we propose a practical high torque SDP. RCB-4HV is used with
control circuit (manufactured by Kondo Kagaku), I can provide a simplified total system of aserial servo control method. The flexible joint SDP have 6 degrees of freedom (θ1: shoulder
rotation angle, θ2: shoulder flexion-extension angle, θ3: humeral rotation angle, θ4: elbow
flexion-extension angle θ5: wrist rotation angle, θ6: hand prehension angle). Movement of the
SDP was measured by a potentiometer using the Rcb4CommandGenerator. A improved model
flexible joint SDP (Flexible joint Robot Arm 1.6Kg) can make by new vibration control
theory.θ2 aluminum channel changed carbon channel. Thrust bearing is used θ1 and θ3 . A Risetime, A Fall time, Settling time and Steady-state deviation using control engineering is possible
to solve from the fundamental GL900’s data. As a result, vibration of prehension part of flexible
joint SDP is stopped by principle of conservation of energy.

Keywords: Flexible joint, Unit step response, Robot Arm, RCB-4HV control circuit

1. まえがき
厚生労働省の調査では、全国18歳以上の身体障害者点が多く、実用に至るには、軽量化等の問題を解決する数（在宅）は、348万3000人（平成18年7月度）と推計

29日朝日新聞の1面に詳しく述べられている。動力前腕されており、
その中で肢体不自由者は全体の50.5％を占義手の使用者数がヨーロッパなどと比べると非常に少めている。また前回調査（平成13年6月度）と比較してないことが書かれている。また、肩義手の実用化されても、肢体不自由者は0.6％増と年々増加傾向となっていいるものについては赤澤先生が参考文献に示している。

る。肢体不自由者のための義手、義足の中で、肩義手はGoogle検索で「肩義手ロボット」とキーワードで入力す

前腕義手などの他の義手、義足に比べて開発が遅れてると現在の研究室レベルの研究現状が詳しくわかる。

いる。その中で電動式前腕義手は、手の開閉の制御に筋バイオメカニズム学会誌2014年Vol.38 No.1 P3よりP9電を利用して操作する方式で実用化されている。一方に電気通信大学の下条誠先生は「人工の手の研究開発

で、電動式肩義手は実用化が遅れている。肩義手は手先

動向」という解説を書いている。アメリカのDARPA’まで含めると自由度が非常に多いため制御が複雑にな

s Prototype2 Bionic Handが義手の研究開発の例とし

り、駆動させるアクチュエータの数が増え、重量が重くて詳しく述べられている。解説の「おわりに」の章で「人なる。現状、電動式肩義手は制御方式や重量などの問題

間のように器用な手」の工学的実現は難しいが、その大必要がある1)。義手研究の現状については2013年12月

いなる有用性から革命的な価値を持つと多くの研究者*香川高等専門学校詫間キャンパス電子システム工学科に励ましの文章を示している。

**ドコモエンジニアリング四国株式会社99

香川高等専門学校研究紀要 5(2014)

2. 研究概要
本研究では、日常生活においてスプーンでものを食

腕拳上部に用いている厚さ1mmのアルミニウム製チャ

べる、コップで水を飲む等の食事動作、電話に出る等の厚さ1.2mmのアルミニウム板とRCサーボモータとの机上動作を実現することを目的として6自由度柔軟関

接合部に金属疲労が見られた。

ンネルにも歪みが生じていることが分かった。各部の節肩義手を試作してきた。2007年度の試作機2)は7個のRCサーボモータを協調動作制御し、300gのものを安定に移動できる。約3年間耐久テストを繰り返した後、朝3.2. 解決法
図3.1の様に上腕水平回転部RCサーボモータと上腕

9時から夕方5時まで手先に持ったボールを投げるなど

拳上部アルミニウム板との間にスラストベアリングをの各種協調動作を実行する実験を繰り返し、義手の破挟むことで接合面積を広げRCサーボモータ回転軸、取壊テストを行った。その結果、最高速度でボールを投げり付け部にかかる負荷を軽減する。図3.2の様に通常の続けても本体の構造の変形は少し（上腕回旋部のアルM2.6-6mmより長いM2.6-12mmのネジで上腕拳上部

ミニウム板が約3°曲がった）しか生じず、正常な動作のアルミニウム板と内径21mm、外径35mm、厚さを翌日実現できた3)。よってこの構造は柔軟関節肩義手

10mm、重量38gのスラストベアリングを共締めして取として使用可能であると判断した。また、エネルギー吸

り付けている。スラストベアリングの内径がRCサーボ

収ボックスと名付けたアルミニウムできた入れ物にア

モータのフリーホーン部の外径21mmより僅かに大きクチュエータをぴったりとネジ止めすることで、あらいためスラストベアリングが大きくずれることはない。

ゆる振動モードはエネルギー吸収ボックスの弾性限界

また、新しく製作する肩義手では各部に用いるアルミ

内の歪みによりアルミニウムの表面振動エネルギーはニウム板をMg含有率が高い強度のあるものに変更す熱エネルギーに変換され刻々と放出される。このエネる。

ルギー吸収ボックスを上腕水平回転角(θ1)、上腕拳上角(θ2)、上腕回旋角(θ3)、肘屈曲角(θ4)に用いること

上腕水平回転部で安定な制御を実現した。そして2007年度の試作機をスラストベアリング

ベースに2009年度に製作した高トルクなRCサーボモ

上腕拳上部ータを用いた重量1.45kgの軽量な6自由度柔軟関節肩義手にて500gの水の入ったペットボトルを持たせて繰り返し動作実験を行った結果、強度的問題が存在する
ことが明らかになった。そこで2009年度に製作された

図3.1 スラストベアリング取り付けの様子

肩義手を実験用の肩義手として、肩義手の構造、用いる素材を見直すための基礎実験を行った。それらのデー
タを元に新たな6自由度柔軟関節肩義手を製作し、動作

上腕水平回転部
回転部

実験として上腕拳上角(θ2)に取り付けた回転式ポテン
スラストベアリング

ショメータとGRAPHTEC製のデータロガーGL900を用いてステップ応答波形を測定した4)。その後、協調動作制御である「フォークでものを刺して食べる」動作パ
ターンを作成した。実験結果を元に本研究で開発した肩義手が実用可能であるか判断する．
3. 肩義手の構造、素材の検討

上腕拳上部

ネジ

図3.2 スラストベアリング取り付け方法

上腕拳上部のアルミニウム製チャンネルの歪みに関

3.1. 強度的問題点
2009年製の6自由度柔軟関節肩義手において、最も負荷の掛かる上腕水平回転角RCサーボモータ(近藤科学
製KRS-6003HV)のフリーホーン部(回転部)と上腕挙上部アルミニウム板との接合部分、上腕水平回転角RCサーボモータの回転軸に歪みが生ずることが明らかになった。次に負荷の掛かる上腕回旋部と肘屈曲部の間にも同様の歪みが生ずることが明らかになった。また上100

して重量増を最小限に抑え強度を上げるために繰り返
しの変形にも耐えるドライカーボン製チャンネルを用いることとした。上腕拳上部の構造は図3.3に示す断面図の様にチャンネル形状のドライカーボンを2つ重ねたものである。従来のアルミニウム製チャンネルの寸法はa=27mm、b=15mm、c=1mmである。また今回使用するドライカーボン製チャンネルの寸法はa=30mm、
b=14mm、c=2.3mmである。本来はアルミニウム製チ木下敏治 他 : 新しい６自由度柔軟関節肩義手(木下ロボットアームⅠ)の開発

ャンネルと同寸法のものを用意すべきであるが、特注

負荷無し、100g、200g、…と水を入れたペットボトル品となり高価となるため今回は最も寸法の近いものをを500gまで肩義手に持たせマジックテープで固定し、用意した。縦方向の長さは207mmである。アルミニウ

上腕拳上角(θ2)を0～120°まで30°刻みで振り上げ

ム製チャンネル、ドライカーボン製チャンネルの重量る。そして測定したステップ応答波形より定常偏差、立は、それぞれ28g、38gである。より寸法の近いドライ

上り時間、立下り時間、立上り整定時間(±2%)、立下り

カーボン製チャンネルを用意することができれば、重整定時間(±2%)を求める。柔軟関節構造において重要量増を抑えることができる。図3.4の点線で囲まれていな手先の振動が止まっていることを確認し素材としてる部分が上腕拳上部に取り付けたドライカーボン製チ

使用可能か判断するため重要な整定時間について述べャンネルである。

る。
ステップ応答波形より求める定常偏差などの定義につc

いては第5章で説明する。上腕拳上角に使用している
KRS-6003HVは最高スピードに設定している。

a

RCサーボモータの仕様、制御システムに関しては第4b

章で説明する。
3.3.2. 結果・考察
立上り整定時間(±2%)をまとめたグラフを図3.5に、立下り整定時間(±2%)をまとめたグラフを図3.6に示す。

図3.3 上腕拳上部の断面図

実験結果より立上り整定時間に関して角度が大きくなれば整定時間が長くなっている。またグラフの傾きが小さいことから負荷の影響は少なくRCサーボモー
タのトルクは十分であると言える。立下り整定時間に関しては重力の影響が強く肩義手の取り付け用ラックの強度の問題があるため負荷が大きく、角度が大きくなれば整定時間が長くなっていることが分かる。
また全てにおいて手先の振動が止まっていることを確

207(mm)認し、ドライカーボン製チャンネルが肩義手の素材として使用可能と判断した。

図3.4 上腕拳上部のドライカーボン製チャンネル
3.3. ドライカーボン製チャンネルの検討
3.3.1. 実験方法
2009年度に製作された6自由度柔軟関節肩義手を用

図3.5 立上り整定時間(±2%)

いる5)。上腕拳上部のアルミニウム製チャンネルをドラ
イカーボン製チャンネルに置き換え上腕拳上角(θ2)に取り付けた回転式ポテンショメータとデータロガー
GL900を用いてポテンショメータの出力電圧から10μ

secのサンプリングタイムでステップ応答波形を測定する。
最も負荷の掛かる姿勢つまり腕を伸ばしきった状態で101

図 3.6 立下り整定時間(±2%)

香川高等専門学校研究紀要 5(2014)

3.4. スラストベアリングの検討

4.1. 設計・製作
本研究では、日常生活においてフォークでものを刺3.4.1. 実験方法
ドライカーボン製チャンネルを取り付けてある2009

して食べる、コップで水を飲む等の食事動作、電話に出

年度製作の肩義手の上腕水平回転部と上腕拳上部の間にスラストベアリングを取り付けた(図3.1)。
そしてドライカーボン製チャンネルの実験と同様の方法でステップ応答波形を測定した。

る等の机上動作を実現することを目的に肩義手を製作した。
義手の長さは、日本人男性の平均身長173cmに合わせてある。義手の長さの計算は、舟久保先生の「医用精密工学-生体へのアプローチ」，丸善株式会社，p.21-22を参考にして求めた。

3.4.2.
表4.1に示す様に上腕長は0.19×身長≒330mm、前腕長
3.4.3. 結果・考察
立上り整定時間(±2%)をまとめたグラフを図3.7に、 の長さは0.15×身長≒260mmとした。
立下り整定時間(±2%)をまとめたグラフを図3.8に示 手の長さは0.11×身長≒190mmとなるが、今後、佐藤技研製の長さ150mmの装飾用グローブを取り付けるす。

ことを考慮し手の長さは160mmで設計した。
その結果、前腕長と手の長さの合計は420mmとなった。
指の曲げ方で形が変わるため実際には440mmである。
また、肩義手を取り付けるラックも強度のあるものに変えてある。新しく製作した肩義手を図4.1に示しており図4.2の概要図に対応している。各部の重量は表4.1に示す通りである。
図3.7 立上り整定時間(±2%)

全重量(g)
横の長さ(mm)
縦の長さ(mm)

上腕部
1194
115
330

前腕部と手
410
95
440

表4.1 寸法と重量

(θ1)
(θ2)

図3.8 立下り整定時間(±2%)
実験結果より立上り整定時間は角度が大きくなれば長くなっていることが分かる。
また図3.8より負荷が大きく、角度が大きくなれば立下り整定時間も長くなっていることが分かる。スラスト
ベアリングを取り付けることで上腕水平回転角(θ1)と上腕拳上角(θ2)のエネルギー吸収ボックスの動きが制限され整定時間が長くなる心配があったが、図3.5、図

(θ3)
(θ4)
(θ5)

3.6と比較しても分かる様にスラストベアリング取り付けの前後で整定時間に大きな変化がないことからスラ
ストベアリングを肩義手の素材として使用可能と判断した。
4. 製作した 6 自由度柔軟関節肩義手(θ6)

図4.1 新しく製作した肩義手

102

全体
1604
115
770

木下敏治 他 : 新しい６自由度柔軟関節肩義手(木下ロボットアームⅠ)の開発

上腕水平回転角(θ1)
上腕挙上角

上腕挙上角

(θ2)

(θ2)

上腕回旋角(θ3)
肘屈曲角

図4.3 KRS-6003HVフリーホーン部(θ4)
前腕回旋角(θ5)
手の開閉角(θ6)
図4.2 肩義手の概要図

図4.4 KRS-6003HV取り付け部

4.2. 改良点
4.2.1. 工作精度
ドリルでアルミニウム板に穴を空けるときにドリルの刃先が板に接触すると僅かに刃先がずれる場合があ

4.2.2. スラストベアリング、ドライカーボン製チャンネル
第3章で検討したスラストベアリングを図3.2の取りる。これを防ぐためにポンチで事前に小さな穴を空け、 付け方法で上腕水平回転部と上腕挙上部の間に取り付
ドリルの刃がずれないようにした。ディジタルハイト けた。また次に負荷がかかる上腕回旋部と肘屈曲部のゲージを用いて0.01mm単位で印を付け、更に予定の穴間にも図4.8の様にスラストベアリングを取り付けていより1mm大きく穴を空けることで、穴の間隔を正確にる。取り付け方法は図3.2と同様である。また上腕挙上することができた。また、複数の同じ大きさの板の同じ部にはドライカーボン製チャンネルを用いている。

位置に穴をあける場合、上下左右の基準面を決めその位置から計って印をつけることで板の大きさによる誤差の影響を無くすことができた。
結果、図4.4の丸で囲んである部分のRCサーボモータ

4.3. 構造
肩義手の素材であるアルミニウム板を従来のAlMg(0.2-0.8%)合金より強度の強いAl-Mg(2.2-2.8%)合を取り付けるネジを増やすことができた。従来RCサー

金に変更した。RCサーボモータの取り付けに関し、柔ボモータのフリーホーン部(回転部)周辺のアルミニウ

らかい厚さ1mmのアルミニウム製チャンネルを用いてム板をコの字にカットしてフリーホーン部をかわす様

モータ部と外枠を結合することで、小さな外力によるにしていたが、今回は図4.3に示す様にアルミニウム板

変形はアルミニウム製チャンネルの板バネとしての能にフリーホーンより1mm大きい22mmの穴を開けフリ

力で対応し、より大きな外力に対しては外枠のアルミーホーン部を通してRCサーボモータを取り付けていニウム板が板バネとして働くように設計してある。つる。

まり外枠のアルミニウム板に強度の強いAl-Mg(2.22.8%)合金を用いることで、より弾性変形後の復元力の大きな構造になったと考えられる。また図4.2に示した
概要図の様に垂直方向の回転中心が手先を真下に下ろ103香川高等専門学校研究紀要 5(2014)

した状態で一直線上になるように工作を工夫した。新
しく製作した肩義手の各自由度の拡大写真を図4.5～図4.10に示す。

(θ4)

スラストベアリング(θ1)
図4.8 肘屈曲角(θ4)

図4.5 上腕水平回転角(θ1)(θ5)
スラストベアリング

(θ2)

(θ2)

図4.9 前腕回旋角(θ5)

図4.6 上腕拳上角(θ2)

(θ6)

(θ3)

図4. 10手の開閉角(θ6)
4.4. 制御システム
システムの構成図を図4.11に示す。
肩義手の制御には

図4.7 上腕回旋角(θ3)

シリアル制御方式を用いており、肩義手をコントロー

θⅠ～θ6の工作の概略は図4.5～図4.10を見てもらうと理解できると思います。図4.5に示すようにアルミルするのに必要なものはパソコン、電源、近藤科学製のロボットコントロールボードRCB-4HV(図4.12 ,重さチャンネルで小さな外力及び外側のアルミ板で大きな12g)及び6自由度に必要な7個のRCサーボモータであ

外力を板ばねとして吸収する構造である。

る。RCサーボモータに対応したコントロールボード104

木下敏治 他 : 新しい６自由度柔軟関節肩義手(木下ロボットアームⅠ)の開発

RCB-4HVのCOMポートをパソコンにUSBで接続し、7個のRCサーボモータを同時に協調動作させることがこれらのRCサーボモータはシリアルサーボ制御方式（モータ内のポテンショメータの位置情報をAD変換可能である。COMポートとパソコンの通信速度は最大する精度が13ビットに改良されたため213通り(＝約1.25Mbpsである。肩義手に使用している7個のRCサー8000)に分割できる)を用いているので6自由度柔軟関節

ボモータは数珠つなぎで接続した。数珠つなぎはシリ

肩義手は、滑らかに動作する。

アルRCサーボモータの最大の特徴と言える。そして、SIOポートを1個使用するようにしてθ1から順にRC
サーボモータにIDを設定した。
電源
10.0V

GND

5.1. 実験方法
新しく製作した6自由度柔軟関節肩義手の動作実験

上腕水平回転角(θ1)

として、前章で述べたスラストベアリングやドライカ

上腕拳上角1(θ2)

ーボン製チャンネルの実験と同様に負荷無し、100g、上腕拳上角2(θ2)
PC

RCB-4HV

200g、…と水を入れたペットボトルを500gまで肩義手

上腕回旋角(θ3)に持たせマジックテープで確実に固定する。そして上肘屈曲角(θ4)

腕拳上角(θ2)を0～120°まで30°刻みで振り上げて前腕回旋角(θ5)
COMポートSIOポート5. 動作実験

ステップ応答波形を測定する。そしてステップ応答波

手の開閉角(θ6)

形より定常偏差、立上り時間、立下り時間、立上り整定

図4.11 システムの構成図

時間(±2%)、立下り整定時間(±2%)を求める。
5.1.1. 回転式ポテンショメータとデータロガー
340°で5Vを出力する回転式ポテンショメータを上SIOポート電源
9～12V

腕拳上角(θ2)に取り付け、データロガーGL900にて10μsecのサンプリングタイムで出力電圧の波形を測定す
COM
ポート

AD
ポート

る。図5.1の様に回転式ポテンショメータはカーボン板とゴム板の圧着により軸のみを固定して半田付けした配線の付いた本体ごと回転させるように取り付けている。また、回転式ポテンショメータの軸はモータの回転
軸の真上になるよう正確に取り付けを行った。図5.2に

図4.12 RCB-4HV

示しているGRAPHTEC製のデータロガーGL900の分

4.5. RC サーボモータ
使用しているRCサーボモータの仕様表を表4.2に示

解能は16ビットに対応しており、画面の縦軸を電圧軸とすると216(65536)分割できる。

している。2009年度に製作された肩義手と同様にθ1からθ5には高トルクなKRS-6003HVのシリアルRCサー
ボモータを使い、θ6の手先の開閉角には軽量な近藤科
学製のKRS-4034HVのシリアルRCサーボモータを使用している。
KRS-6003HV
KRS-4034HV
重量(g)
100.8
61.2
最大トルク
67
41.7
(kg・cm)最高スピード0.22
0.17(s/60°)
最大動作角
270
270
(度)
電源電圧(V)9～12
9～12
寸法(mm)
32×51.5×39.5
43×32×32.5
表4.2 RCサーボモータ仕様表

図5.1 θ2の回転式ポテンショメータ

105

香川高等専門学校研究紀要 5(2014)

RCサーボモータが実際に動いた角度との差のことである。測定に340°で5Vに達する回転式ポテンショメータを用いるので以下に示す①式より実際に動いた角度X°が求まる。また、ポテンショメータの滑りがない
ことを確認しているので立上り時の定常偏差を示す。
角度 X°=(340°×出力電圧 V)/5V…①

測定結果より求めた定常偏差をまとめたグラフを図5.4に示す。図5.4より定常偏差は最大でも約3.3°であ

図5.2 GRAPHTEC GL900

る。また、マイナス方向の定常偏差は目標角を通り過ぎていることを示している。これは、RCサーボモータの5.1.2. RC サーボモータの制御方法
スピードを最大に設定してあるためだと考えられる。
図5.3がRcb4CommandGeneratorの操作画面である。 全ての角度において右上がりのグラフになっているこ
個々のRCサーボモータを一個ずつ制御でき、ICS3.0にとから肩義手の精度は高いと言える。

対応した高精度な制御用ソフトである。7500をモータの0°(ニュートラル)としている。動かしたいRCサーボ
モータのIDに対応したICS番号にチェックを入れ赤枠の箇所に－4000(－135°)～4000（+135°）の8000通
りで数値入力し、コマンド生成をクリックし送信すれば、指定されたRCサーボモータは目標値まで動作しようとする。
図5.4 定常偏差
5.2.2. 立上り時間、立下り時間
ステップ応答で立上り時の出力の10%～90%に対する時間を立上り時間といい、立下り時の出力の90%～10%に対する時間を立下り時間という。立上り時間をまとめたグラフを図5.5に、立下り時間をまとめたグラフを図5.6に示す。

図5.5 立上り時間

図5.3 Rcb4CommandGenerator操作画面
5.2. 結果・考察
5.2.1. 定常偏差
定常偏差とは目標角と肩義手の上腕拳上角（θ2）の

106

図5.6 立下り時間

木下敏治 他 : 新しい６自由度柔軟関節肩義手(木下ロボットアームⅠ)の開発

図5.5のグラフを見ると全ての角度において右上がりまでの時間を立上り整定時間とした。また、立下り整定のグラフになっており最大でも立上り時間は1秒以内

時間も同様の方法で求めた。測定した立上り整定時間に収まっている。立下り時間も同様に右上がりのグラ(±2%)を図5.9に示し、立下り整定時間(±2%)を図5.10

フになっており最大でも0.45秒以内に収まっている。
表に示す。

4.2のKRS-6003HVの最高スピードが60°で0.22秒であり、肩義手の全重量が1604gであることを考えると上
記時間は理解できる値である。
5.2.3. 立上り整定時間(±2%)、立下り整定時間(±
2%)
整定時間とは、ステップ応答が定められた許容範囲内（±2％や±5％）に入り、この時点以降は再び許容範

図5.9 立上り整定時間(±2%)

囲を越えなくなるまでの時間である。今まで立上り、立下り後、全ての振動波形が±2%や5%の範囲内に収まっていた場合、整定時間0秒としていたが、より厳密にするために以下の方法で測定した。

3.39V
3.00V

図5.10 立下り整定時間(±2%)

2.54V

まず目標値で静止していることが図5.7の波形データ

2.00V

より確認できる。立上り時や立下り時に振動波形が見られるが、一番大きな振動が生ずると考えられる負荷
500g、目標値120°でも立下り整定時間は1.6秒以内に0sec 2sec 4sec 6sec

図5.7 θ2=60°、水500gの時の収まっている。

ステップ応答波形
6. 協調動作制御
6.1. 協調動作制御システム
協調動作制御とは複数のモータを同時に制御するこ

3.46V

3.39V

とである6)。コントロールボードにはRCB-4HVを用い±2%の範囲ており、モーションの作成をHeart To Heart 4にて行
3.32V

った。各RCサーボモータの目標角は目標の値を入力す
るかスライドバーにて設定する。またHeart To Heart
2sec

3sec

4sec

4の教示機能「Smart Teach」を用いることで手動にて5sec

肩義手を動かし、その時のRCサーボモータの位置情報

図5.8 立上り部分の拡大図を目標角として取り込むことができる。
図5.7は負荷500gの水の入ったペットボトルを持たのを確認した後に振り下げた場合のステップ応答波形

6.2. 教示機能
RCサーボモータの回転軸を直接手で回し目標角をである。そして立上り部分(図5.7の丸の部分)を拡大し設定する機能である。目標角を決めたいRCサーボモーたものが図5.8である。そして、点線で挟まれた範囲がタを選択する。そのRCサーボモータは姿勢が勝手に変電圧差の±2%の範囲である。この場合、立上った後全わらない程度の保持力を残し回転軸を手で回すと回るての振動波形が±2%の範囲に収まっていることが分ようになる。このときRCサーボモータは現在の位置情かる。この場合整定時間は0秒とするのではなく、立上報をソフト側に送る。この位置を元に各RCサーボモー

せθ2(上腕拳上角)を60°まで振り上げ振動が止まった

り始めから１つ目の振動波形の最大値(図5.8点の部分)

107

タの目標角を決めることができる。図6.1がHeart To

香川高等専門学校研究紀要 5(2014)

Heart 4のポジション(目標角)設定画面である。θ1～θ

6までのRCサーボモータの目標角が表示されている。

6.3. モーションの作成
義手を装着しても実現が難しい動作パターンが多い

スライドバーでの目標角の編集も可能であるが、肩義のは、更衣動作、入浴動作などである。また、他人の助手は6自由度あるため、一度に複数のRCサーボモータ

けを要せず、自力で行うことのできる動作パターンがの目標角を決定できる教示機能「Smart Teach」を用い多いのは洗面動作、食事動作、机上動作などである。協た。図6.1で目標角を設定するRCサーボモータには色が調動作制御で、最も適当なテスト用動作パターンは、食着いている。(θ4とθ5)そして「TEACH」ボタン(教示

事動作であると判断した。食事動作について、ADL表ボタン)をクリックすることで選択したRCサーボモー
タの回転軸がフリーになり手動で動かすことが可能に(日常生活動作評価表)からフォークでものを刺して食べる動作を例にとり説明する。図6.3がHeart To Heartなる。そして、この状態で選択したRCサーボモータを

4のモーション編集画面でありフォークでものを刺し

図6.2の様に手動にて動かし任意の場所で固定する。そて食べる動作を再現したものである。Pos0～Pos4にはの後「TEACH」ボタン(教示ボタン)をもう一度クリッ

それぞれRCサーボモータの目標角を示すポジション

クすることで、この時のRCサーボモータの位置を目標

データが入っており再生ボタンをクリックすると左か角として決定することができる。

ら順に再生される。またPos0～Pos4をそれぞれダブル
クリックすることで各RCサーボモータの目標角を編集することができる。今回は先に説明した教示機能を教示ボタン用いてPos0～Pos4を作成した。
作成した各RCサーボモ

目標角ータの目標角を表6.1に示しており、RCサーボモータのスライドバー

回転方向は第4章の図4.2を肩義手を正面から見た図として考え、矢印の方向を正の方向としている。手の開閉は閉じる方向を正としている。肩義手を正面から見た設定するサーボモータ

時のモーション再生の様子を図6.4に示している。表6.1、
図6.4それぞれの①～④はPos1～Pos4に対応しており、Pos0は全てのRCサーボモータの目標角を0°としているため省略してある。

ホームポジション

再生ボタン

図6.1 Heart To Heart 4ポジション設定画面
再生

図6.3 Heart To Heart 4モーション編集画面
上腕挙上角

上腕回旋角

肘屈曲角

前腕回旋角

手の開閉角

図6.2 教示の様子

上腕水平回転角
①
②
③
④

θ1
(度)
0
0
0
0

θ2
(度)
0
0
0
64

θ3
(度)
0
0
27
68

θ4
(度)
0
128
91
128

θ5
(度)
0
89
96
-81

θ6
(度)
69
69
69
69

表6.1 各RCサーボモータの目標角108木下敏治 他 : 新しい６自由度柔軟関節肩義手(木下ロボットアームⅠ)の開発

る機能である。コントロールボードRCB-4HVのADポートには最大で10個のアナログセンサを接続することができる。ミキシング機能を用いることで肩義手の顔面方位制御システムを実現できる可能性がある。
7.2. 顔面方位制御システム
顔面方位制御システムとは、人間が手を動かす時に①②は一般的に目は手先の目標を見ているという点に注目④③

して、顔の方向を視線の方向と近似し、手先をその直線

図6.4 フォークでものを刺して上に拘束するものである7)。図7.1に示すL1(上腕の長さ)、

食べる動作の再生の様子

L2(前腕の長さ)、L3(肩から頭の中心線までの長さ)、

6.4. 動作実験
製作した肩義手を、より実際の使用に近い形で評価

L4(L3の端から目までの長さ)、L5(目から仮想の目までするために、上腕拳上角(θ2)に取り付けてある回転式
ポテンショメータとデータロガーGL900を用いて作成した協調動作(フォークでものを刺して食べる動作)の
上腕拳上角(θ2)位置情報に対応するポテンショメータの電圧波形を測定した。図6.5が実際に測定した波形である。Pos4で2秒停止した後、全てのRCサーボモータの目標角が0°に戻る様にしており、この波形では2回動作させている。また、θ2が動くのはPos3からPos4に移る時であり、この波形より実際に測定した角度を第5章の①式より求めると67.32°となり目標角64°との誤差率は5.19%である。そして、測定波形より手先が振動していないことが分かる。今回は実際にフォークでものを刺していないため、今後より実際の食事動作に近い形で測定を行う予定である。また、各種動作パター
ンや負荷を変えてのデータを測定し、問題点がないか検討する予定である。
5.00V
4.00V
3.07V
2.08V
1.00V
0.00V
18sec

22sec

26sec

L3 の端から目までの長さ

30sec

図6.5 フォークでものを刺して食べる
協調動作パターンの電圧波形

7. センサ制御
7.1. ミキシング機能
ミキシングとはHeart To Heart 4のポテンショメー
タなどのアナログセンサでRCサーボモータを制御す

109

図7.1 上肢系の数学的モデル

香川高等専門学校研究紀要 5(2014)の長さ)を決定する。次にΦ3(頭部の方位角は、頭部の水平回転角と同じ意味で使用する)、Φ4(頭部の仰角は、頭部の垂直回転角と同じ意味で使用する)を求めるため、頭にセンサーを装着する。さらに両肩の上下前後の動作でθ3～θ6は装着者の意志で動かせるように設計する。具体的には、右肩の上下の位置情報(σ1)でθ3、右肩の前後の位置情報(σ2)でθ4、左肩の上下の位置情報(σ4)でθ6、左肩の前後の位置情報(σ3)でθ5を動かす
図7.4 入力電圧とθ2角度の関係

ことができる。それらの値からニュートン・ラプソン法
を用いて、視線の方向に手先を拘束するようにθ1、θ2を関係式から近似し、その値に従って肩義手が動くシ

また、図7.4よりアナログセンサからの入力電圧に対してθ2の角度が一定の割合で増えていることがわか

ステムである。

る。顔面方位制御を実現するためには両肩の4自由度、

7.3. 基礎実験

頭部の2自由度の動きを測定するため、最低でも6個の7.3.1. 実験方法
図7.2に示す様に、RCB-4HVのA/Dポートにθ2を制御するアナログセンサとして直線式ポテンショメータを接続する。そして直線式ポテンショメータを動かし，
直線式ポテンショメータからの入力電圧とθ2に取り付けた340°で5Vを出力する回転式ポテンショメータ

アナログセンサが必要である。今後は複数個のアナロ
グセンサをRCB-4HVに接続し基礎実験を行い、顔面方位制御を実現する。
8. まとめからの出力電圧の変化をデータロガーGL900を用いて

8.1. おわりに重量に関しては2009年製の肩義手に比べて1604gと測定する。

約150g増えた結果となった。
一つ38gのスラストベアリ
ングを取り付けたこと、上腕拳上部に関して従来のア
肩義手

直線式ポテンショメータ

ADポート

ルミニウム製チャンネルと同じ寸法のドライカーボン
製チャンネルを使用しなかったこと、強度的問題があRCB-4HVる場所に関して1.2mm厚から1.5mm厚のアルミニウ
電源
10.0V

ム板に変更したことで重量が増えたと考えられる。強

GND度に関しては動かした回数と、出た不具合を記録する

図7.2 センサ制御基礎実験の構成図

様にしている。製作した6自由度柔軟関節肩義手の動作

7.3.2. 結果・考察
図7.3に測定した入力電圧と出力電圧の電圧波形を示
す．入力電圧と出力電圧が同じタイミングで変化していることがわかる。つまりアナログセンサを用いた肩義手のリアルタイム制御が可能であることがわかる。

実験では工作精度が上がったことにより立上り、立下り整定時間(±2%)共に1.6秒以内に収めることができた。また教示機能を用いてフォークでものを刺して食べる動作を再現し、最も負荷の掛かる上腕拳上部(θ2)
において目標角と実際の動作角との誤差率を約5%にすることができ、実用化に近づいた。アナログセンサを用いて肩義手のリアルタイム制御が可能であることを確
認した。

出力電圧

8.2. 今後の課題
今回製作した肩義手には、装飾用グローブが着いて2.1V

おらず改良して取り付ける必要がある。もし装飾用グ

入力電圧

0V

ローブを取り付けることができれば、肩義手はペット
0sec

ボトルやフォークをマジックテープなどのサポート無10sec 20sec 30sec 40sec

しで持つことができる可能性がある。それでも把持で図7.3 入力電圧と出力電圧きなければ、手先のRCサーボモータも高トルクで軽量なものに交換することを検討する。

110木下敏治 他 : 新しい６自由度柔軟関節肩義手(木下ロボットアームⅠ)の開発

上腕水平回転角RCサーボモータのフリーホーン部と上腕挙上部のアルミニウム板を繋ぐネジが緩み易い。
実験中は毎回締め直していたが、実際に使用するとなると問題となる。そこでネジロック剤の使用や、スラス
トベアリングの種類の変更及び取り付け方法などを検討する必要がある。顔面方位制御の実現に向けてアナ
ログセンサの個数を増やす必要がある。
9. 謝辞
共和工業、佐藤技研、緑測器、近藤科学、ＺＭＰ社の各株式会社には研究に協力していただき深く感謝しています。研究に協力してくれた木下研究室の竹内博希
君、林直人君、前田悠哉君に感謝します。
参考文献
1) 赤澤堅造

他：“動力義手・装具の研究開発の現状と将来”，BME（医用電子と生体工学），
Vol.13,No.2,p.34-41(1999)

2) 木下敏治, 高橋慎弥, 久本将貴, 西山 功一：“高トルク・軽量な RC サーボモータを用いた

6 自由度肩義手の開発”, 詫間電波工業高等専
門学校研究紀要第 35 号 p.45-52(2007)

3) 木下敏治, 西原大樹, 久本将貴, 三好敦士：“6自由度肩義手の協調動作制御システム用モーション作成の研究”, 詫間電波工業高等専門学
校研究紀要第 37 号 p.69-85(2009)4) 木 下 敏 治 , 平 田 一 真 , 篠 原 稜 , 坂 井 剛 士 ：“RCB-4HV による新しい６自由度柔軟関節
肩義手(ロボットアーム 1.6kg)の開発”, 香川

高 等 専 門 学 校 研 究 紀 要 第 ４ 号 p.121134(2013)5) 木下敏治, 平田一真, 坂井剛士, 篠原稜：“高トルクな６自由度柔軟関節肩義手(ロボットアーム)の改良”, 香川高等専門学校研究紀要第４号 p.109-120(2013)6) 木下敏治，山口彰大：“高トルクなシリアル RC
サーボモータを用いた６自由度自由肩義手の協調動作制御システム”，香川高等専門学校研究紀要,第１号,p.131 -138（2010）7) 木下敏治, 川井由宇, 山口彰大, 香川悠, 久本

将貴：“肩の 2 自由度に柔軟関節を用いた 6

自由度柔軟関節肩義手のモーションプロセッ
サ 2HV を使用した顔面方位制御システムの開発”, 香川高等専門学校研究紀要第１号 p.113130(2010)111