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RI-MAN の力制御のための腕に加わる外力の検知法
平野 慎也,

板倉 英生*,
早川 義一,

道木 加絵 (愛知工業大学)
細江繁幸 (独立行政法人理化学研究所)

The detection method of the external force on the armfor the force control of RI-MAN
Hideo Itakura, Kae Doki (Aichi Institute of Technology)
Shinya Hirano, Yoshikazu Hayakawa , Shigeyuki Hosoe (RTC RIKEN)
Abstract— In RTC RIKEN, RI-MAN has been developed, which is a robot with two arms to lift a person
for the use in the care and welfare field. The force control of its arm is necessary for RI-MAN to lift aperson stably. Therefore, we propose a new detection method of the external force on the arm based on themechanism of the shoulder joint. In the proposed method, a strain gauge is set on the collar in the shoulder
joint, which detects its strain caused by the external force on the arm. In this paper, some experimental
results with a real robot are shown.
Key Words: RI-MAN, force control, strain gauge, RTC RIKEN

1.

はじめに

2.

近年のロボット技術の発展は目覚ましく、介護・福祉分野への応用についても研究・開発が盛んにおこなわれている。独立行政法人理化学研究所 BMC センタ
および後継の RTC センタでは、被介護者の移乗支援を目的としたロボット RI-MAN(Robot Interacting withHuman)[1] を研究・開発している。Fig.1 に RI-MANの写真を示す。人の安定な抱き上げにはマニピュレータの位置制御に加えて抱上げ力の制御が重要であり、そのためにはマニピュレータに対する外力の検出が必要となる。一般的に、外力の検出には６軸力覚センサが使用されるが、RI-MAN は構造上そのようなセンサを取り付けるスペースの確保が難しい。そこで本稿では一般的な力覚センサを用いる代わりに、RI-MAN の関節機構を利用して腕にかかる外力の検知を行う方法を提案し、実機実験により提案手法の有効性を検証する。

Fig.1 RI-MAN➨䢴䢹ᅇ᪥ᮏ兑兀儧儬Ꮫ఍Ꮫ⾡ㅮ₇఍凚䢴䢲䢲䢻ᖺ䢻᭶䢳䢷᪥ࠥ䢳䢹᪥凛

肩関節における腕に加わる外力の検知

RI-MAN が人を抱き上げる時、人間と同様に腕を通して人の体重を肩で支える。本研究ではこの点に着目し、RI-MAN の肩関節機構を利用した外力の検知法を提案する。
2·1

RI-MAN の肩関節機構

Fig.2 に RI-MAN の肩関節機構の模式図を示す。肩関節機構は 2 つのウォームギアとウォームホイール、マイタギアによる差動機構となっており、ウォームギアの両端にはウォームギアの位置決め用カラーが挿入されている。RI-MAN の肩関節は 2 つのウォームギアの回転により 2 自由度を構成しており、Fig.2(a) に示
す通り 2 つのウォームギアの回転方向が異なると、肩関節は腕を上下方向に動かす回転を実現する。反対に、
Fig.2(b) に示すように回転方向が同じ場合は前後方向、すなわち人間でいう胸を開いたり閉じたりする腕の運動を実現する。

Fig.2 Relationship between the arm movement androtation of worm wheels䣔䣕䣌䢴䢲䢲䢻䣃䣅䢴䣋䢳䢯䢲䢳Fig.3 Detection method of the external force
Fig.4 Result of experiment

2·2 肩関節機構を利用した外力検知法
RI-MAN の腕に重力方向の外力が加わると、Fig.3 で示す矢印方向に力が伝達され、ウォームギア両端の位置決め用カラーに圧縮力が加わる。そこで本研究では、
Fig.3 のように歪みゲージをカラーに取り付け、カラーに対する圧縮力を検出することで肩関節で腕に加わる外力を検知する。歪みゲージは圧縮歪み検出用と温度補償用の 2 枚を使用し、固定抵抗と組み合わせてブリッジ回路を構成し、その出力電圧で圧縮力の大きさを計測する。ブリッジ回路の出力電圧と測定対象に生じる歪み量の関係を以下の式に示す。E は入力電圧、e0 は出力電圧、ν は測定対象のポアソン比、Ks は歪みゲージのゲージ率、ϵ は測定対象に生じる歪み、σ は圧縮応力、Y はヤング率である。この式より、腕に対する下方向の外力の大きさを検出できる。さらに、位置決めカラーすべてに歪みゲージを取り付けることで、肩を含んだ腕全体に対する肩関節自由度の 2 軸方向の外力を検知することができる。
σ=3.

4Ye0(1 + ν)EKs

実機ロボットを用いた外力検知実験

提案手法の有効性を検証するため、実機ロボットを用いた実験を行った。本実験では検知情報を将来的にRI-MAN の腕の制御に利用することを考慮して、ブリッジ回路からの出力電圧を A/D 変換し、シリアル通信でデータ転送を行う回路を作成した。本稿ではブリッジ回路からシリアル通信回路までを外力センサ（以下、センサ）、センサからの送信データを外力データと呼ぶ。
また、外力に対するセンサの応答性および外力の検出性能の評価実験を行うことで提案手法の有効性の検証とする。さらに、応用としてセンサの外力データを用いて RI-MAN の腕を動かす実験も行った。

3·1 外力に対する応答性の実験
外力に対する応答性の検証には、RI-MAN の腕を人の手で何回か押したときの外力データの測定をする実験を行い、外力が加わった時の電圧の反応により応答性の評価とした。Fig.4 に外力を加えていない時および外力を加えたときの出力電圧の様子を測定した結果を示す。この図から、腕に加えられた外力に応じた電圧が出力されていることがわかる。

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Fig.5 Overview of experiment3·2 外力データによる腕の動作実験
Fig.5 に実験の概要を示す。本実験は RI-MAN の腕を人が手で押した時の外力データを RI-MAN の動作モデル作成用シミュレータに送り、力を逃がすよう RIMAN の腕を動かすというものである。センサからの外力データを受けとったシミュレータが力を逃がすよう腕を下げる動作モデルを作成し、その動作モデルに必要な各関節の目標関節回転角度がモータドライバにが送信され、動作モデル通りに実機が腕を下ろすことが確認できた。

4.

まとめ

本稿では、RI-MAN の肩関節において腕に加わる外力の検知方法を提案し、実機ロボットを用いた実験により提案手法の有効性を検証した。今後は外力センサの安定性の向上や、検知した外力の大きさに応じた腕の制御法の確立などが課題となる。

参考

文

献

[1] 小田島, 他:”抱え上げ動作による移乗作業を目的とした介護支援ロボット研究用プラットフォーム”RI-MAN”の開発と評価”, 日本ロボット学会誌 Vol.25, No.4, pp.554565,2007