計測自動制御学会東北支部 第245回研究集会（2008．10．24）
資料番号245・26

パワーアシスト装置の制御に関する研究
StudyoncontroIsystemofpowerassistdevice
O 上村貴彦☆ 有我祐一☆ 渡部慶二☆ 村松鋭一☆ 遠藤茂☆

☆T．ⅢMURA＊，Y．ARIGA＊，K．WNABE★，E．MURMSU＊andS．END0☆
☆山形大学工学部☆YamagataUniversity
キーワード：パワーアシスト装置（Powerassistdevice），安全性（Safbty）
連絡先：〒992・0061米沢市城南4・3−16山」形大学工学部応用生命システム工学渡部・村松・有我研究室

上村貴j2，tell：090・9927−8490，E・mail：ttt60547＠st．yamagata・u．aC．jp

ると考えられる，その場合，調節に時間1 はじめにを要するため，1台の装置を誰でもすぐに現在，高齢者介護や重量物運搬時における人の肉体的負担を軽減させ，作業効率を上昇させる装置としてパワーアシス
ト装置の研究開発が多くなされている】）．
その中でも，操作者の筋電位を利用して装置を動かす方式で開発されているロボ
ットスーツHAI」コ），筋肉の硬さを制御に用いる方式3）などが有名である．しかし，操作者の筋電位等の生体信号を装置の指令値に用いることは装置の安全性・汎用性（a）：Theexperimentsetupの点で問題があると考えられる．

▲十筋電位等の生体信号は微／卜であるのでof鳩血。仙it

ノイズの影響を受けやすいため

rrd頑；「′瑚，ノイズを確実に除去する信号処理が必要になる．
また，生体信号には個人差があるため，操作者の意思に相当する筋電を信号処理で確実に取り出す必要がある．これらの信号処理無しでは，装置の動作が不安定■になる可能性がある．しかし，この信号処理系は換作者ごとで調節する必要があ（b）：Model．
Fig．1：Powerassistdevice使えるとは言いがたい、関節の回転軸とロボットアームの回転軸

本研究では，人の操作する力を装置のが同じ軸上に来るように設計されている．

指令値にすることで現在開発されているロボットアームに荷物が加わると、制御装置と同じ効果を持ちつつより高い安全系によってその荷重を操作者とロボット性と汎用性を実現できるパワーアシスト

アームとが分担して支えるように制御さ装置の開発を目的とする，この装置は，れる．

人の操作力を検出する操作力検出装置とロボットアームで構成され，独自のアル2．2操作力検出装置
操作力検出装置は，人の換作力を検出ゴリズムによって制御されている．操作

して制御に使用するためのものである．

力検出装置は，圧力センサとバネを組みこの装置の概観をFig．2に示す．この装置合わせた機構となっている．人の操作力は，人が操作する操作レバーと人の操作はバネを通じて装置に伝わり，その力は，力をロボットアーム側に伝えるバネと，圧力センサによって検出される．検出さ伝達される力を感知する圧力センサ

れた操作力とモータの発生トルクに応じ（（株）ニッタ製FlexiForce）によって構て制御を行うことで，人とロボットアー成されている．レバーにはガイドレール

ムとが負荷を分担して物を持ち上げ，操が設けられ動作を1軸に制限している．

作者の作業負担を軽減させる．この方式

操作力はバネを介してロボットアーム

では，人が装置に加える力を直接検出し側に伝えられる．この伝達される力の強制御系へと入力するため，筋電位等の生弱は，バネの縮み量と1対1で対応してい体信号に比べ汎用性と信頼性が向上する

る．また，バネの縮み量は，人の腕とロと考えられる．

ボットアームとの相対角度で決まる．よ

先行研究において著者らは，直動型のって，ロボットアームと人の腕との相対装置を用いて提案手法の成立性を明らか

角度を制御すれば，人の腕とロボットアにした4）．今回は，肘関節運動に対応したーム間の力制御をしていることと等価とロボットアーム型の装置を開発し，提案なる．

手法がこの装置でも成立するかどうかをシミュレーションと実機によって検証を行い，その検証結果を報告する．
2 制御対象2．1装置概要
製作した肘関節用パワーアシスト装置の概観とモデル図をFig．1に示す．装置は、人が支持する操作部と，重量物を運搬するロボットアーム部とに分けられる．ロ
ボットアームの根元のモータは，人の肘Fig．2：Operationunit

Fig．3：BlockDiagram
2．3力学モデル

装置のモデル化を行う．各パラメータ

Table．1：De丘nitionofparameterの定義はTable．1に示す．ロボットアー

田 Momentor血色dhorエロもotm 8．4ファ即柑lノr血ゴ】

ムと人の腕の運動方程式を導出するとそ

ち んIolt旭ntOr血そ出払orm且n●5皿m 0．022卵閥1ル虚］

れぞれ次式となる．

凸1 Dむれp甜g亡Oe徹血toざ狩botml ロ．脚p血／抱d］

J．q＝7；一句q−（2椚。・椚，）gJsinβ．十㌔（1）J三∂2＝ち−β2∂2−椚ヱg′sin♂2＋r・ク（2）か3 D且mpl喝亡Oe触削ItOrI皿n●タ＆m

0．1卵円山叫gGTadtitioェda亡⊂eleT且tiロれ9別 師†】勒We承t

3．75 ［相桝1We滅ItOr和もotむTn

ロ．5［堀戸彗M皿We尋It」：キミig

Sp血唱⊂Oe蝕血t

ここでバネの反発力㌔は㌔＝2幻（∂l一β2）（3）である．バネの反発力は，人の腕とロボットアームの相対角度で決まる．式（1）と（2）から，人の腕とロボットアームとの力の伝達は，バネの反発力によって行われていることがわかる．

装置全体のブロック線図をFig．3に示す

鮎げork喝tbormもot且ml

0．17

回H8∬orlemdhorm−5inm

ロ．17〔呵MotQTt⊂ゝ叩e【j伽りちManto叩旭［放り田Spl毎tor甲e［肋］′TT 上13 制御系

1ロロ Ⅳ／瑚

旦 Mol花mm一両eorrめot且m

点線で囲われている部分がこの装置の制御系となる．この制御系は，PID制御器と田Mロ柁mllt叫如orp印Oll15皿

目標角度更新部によって構成されている
以下，各要素について述べる．

gクワぷ′，ガイの各パラメータはロボットアーム単体を安定且つ良好なステップ応答

3．1PID制御器

PID制御器はロボットアームの角度制御を行うために，目標値′一と現在値∂，との編差eを0にするための制御電圧叫F］を算出する．
e＝r−∂、

するように定めた．

3．2 目標角度更新部
目標角度更新部は、操作者の操作力㌔とモータの発生トルクTとを比較し，次式の関係を満たすように目標値rを更新（4）していく．ここでαは力の増幅率，∂はV＝ガタe＋だノJd卜片。∂．（5）

不感帯として設定された微小な値である，

［㌢ロゴ］

匝呵

1＝（α±∂）㌔（6）目標値rの更新はFig．5のフローチャー
トに示した条件判断によって瞬時に行われる．

T＋㌔＝（2′ 。＋椚1）g／（7）この式より，全ての負荷を人とモータとで分担していることがわかる．
次に，Fig．5（b）のように人の腕を上に微小角度△βだけ動かした場合を考える．動3．3動作原理
ここでは，動作原理をロボットアームの動作と目標角度更新部の働きの関係を示しながら説明する．

始めに，Fig．5（a）のように人と装置が荷重を分担して停止している初期状態を考える．この時，式（6）を満たす力のつり合かした瞬間は，ロボットアームはPID制御によって初期目標角度に制御されているので動かない．このため，バネが変化量△鋸こ応じた分だけ縮み㌔が増加し，r立となる．その結果，力の関係が／γ＜（α±∂）rjp（8）いが発生していると，ロボットアームにおける力のつり合いは次式のようになる．となるので，目標角度更新部がFig．4のフローチャートに従い目標値を更新する．

一回の更新で目標値は微小角度∫W分だけ変化し，目標値の更新は式（6）を満たすまでくり返し続けられる．その結果ロボットアームは微小なステップ動作を繰り返しながら移動を行う．
式（6）を満たすまでロボットアームが上昇したとき，ロボットアームは停止する（Fig．5（c））．このとき，力のつり合いは再び式（7）となり，さらに，人が動いた△βだ
けロボットアームは変位しているため，操Fig．4甘lowchart

作者は小さな力㌔で荷物を△∂だけ持ち上げたことになる．

レバーを下げる場合も同様の原理で動作することによって，操作者が自在にロボッ
トアームを操って荷物を動かすことが可能になる．

（drU町触タロ∫肋り（あ）郎e′▲0クer〟血〝 （ぐ）肋仲CD戚肌†P∂∫眈／

Fig．5：OutlineofoT）eration

4シミュレーションと実験

人の腕を上下に動かした場合のシミュレ

4．1シミュレーションによる検証
提案する制御システムの成立性を明らーションを行った．その結果をFig．8に示す．Fig．8（a）より，ロボットアームが人のかにするためシミュレーションによる検腕の動きを追従していることがわかる．

証を行った．

しかし，ロボットアームの移動に対して始めに，ロボットアームの先端に目標値の更新が遅れている．その取 水3．75kgの荷物を積載して地面と水平な角平状態の時よりも必要になる操作力が若度を維持するシミュレーションを行った．

干大きくなってはいるが，式（6）の関係を増幅率α＝1，∂＝0．025，PID制御器のパ大きく崩す程ではないので，全体の動作ラメータ勾）＝4，幻＝1，だd＝2としたに影響はない．そして，再び紙幣状態と時の結果をFig．6に示す．制御開始直後はなるときも，式（6）を満たし安定となる．

振動が見られるが，最終的にロボットアームと人の腕ともに水平角度（1．57rad）に収束した．その時，∂分の若干の誤差は見られるが，ほぼモータトルクと操作力とが1対1の関係となっていることがしていることが確認できた．以上のことから，ロボットアームの角度制御を行うことで力制御を行ったと同等の効果が得（】U 沌Tmビbec】

られることが分かった．開始直後の動作の振動は，初期の制御入力が0であること

nU

■トT

Fig．6（b）よりわかる．よって，式（6）を満た（a）：Angleofrobotarmandpersonと，人の腕のPID制御器を適当に設計していることが原因であり，実機では問題にならない．

次に，∂＝0．025として，腕を水平位置変化させた場合の検証を行った．その時︻巨三甲古5トに保った状態で増幅率αを1〜5の範囲でのモータトルクと操作力を比較した結果をTable．2とFig．7示す．6による若干の誤差はあるが，増幅率αの増加に伴い，操作力が式（6）に従って減少して，その比率は不：㌔＝α：lとなっていることが分かる．このことから，増幅率を調節することで操作者の負担を調節できると言える．
さらに，増幅率α＝1，∂＝0．025として，

ロ

2

46

8 10 12 14 16 18 祁Trme［s托〕（b）：TorqueofrobotarmandspringFig．6：Simulationresults（whencommandinputisthehorizontalpositi。n）これは腕を下ろす動作の暗も同様になであることが実験でも証明された．

・・二．

さらに，増幅率α＝1，∂＝0．1として，腕以上の結果から，を上下に動かした場合の実験を行った．

・システムの安定性

・任意の力増幅率の設定

・人の動きに対するロボットアームの追従性

実験結果をFig．11に示す．実験においてもロボットアームの追従性を確認できた．
トルクの変化はノイズの影響がひどく読み取れなかったが，ほぼT：rp＝α‥1の関係を満たしているように見受けられる．の3点が実現していることが確認できた．

よって提案する手法は成立すると考えら以上の結果から，シミュレーションで確認できた

れる．
4．2実験による検証

提案する制御システムの成立性を明らTable．2：Simulationresults

かにするために実験による検証を行った．
始めに，ロボットアームの先端に3．75kgの荷物を積載して地面と水平な角度を維（Relationoftorquesandamplincationratc）
Ⅰ．oad持する実験を行った．pID制御器はシミュレーションと同じ値を用いた．増幅率

AmpliflCation13．3

0．252，910．4

13．3

0．5

4．5

8．8

6．7

6．6

乱94．4

α＝1．∂＝0．1の時の結果をFig．9に示す．

13．3

実験結果はノイズを除去するためにカッ

13．32

トオフ周波数100Hzのローバスフィルタ

SpringⅣhtor

torque（Nm） torque（Nm）

rateα（Nm）

】．3．3

3

10．0

3．3をかけて処理している．人の腕が水平な

13．3

4

10．7

2．6

角度を維持している時，∂分の誤差はあ

13．3

5

11．2

2．2るが，ほぼモータトルクと操作力が1対1の関係にあることがわかる．よって式（6）を満たしていることが確認できた．

次に，∂＝0．1のとき，人の腕を水平位で変化させた場合での検証を行った．そ7子てさ﹂○ト置に保った状態で増幅率αを1〜5の範囲の時のモータトルクと操作力を比較した
結果をTabe13とFig．10に示す．若干の誤差はあるが，増幅率αの変化に伴い，操作0力が式（6）に従って変化し，トルクの比率がr：㌔＝α：1となっていることが分かる．このことから，増幅率αを変化させることで操作者の負担を任意に調節可能

1234

増幅率α

Fig．7：Simulationresults（Relationoftorquesandamplincationrate）

Table．3：Experimentresults・システムの安定性

・任意の力増幅率の設定

・人の動きに対するロボットアームの追従性の3点が実験結果からも明らかになった．

（Relationoftorquesandampl頂cationrate）
Load Amplificati Motortorque Spring（Nm） OnI■ate（1torque（Nm）

（Nm）

15

0．25

3．62

10．28

150．5

4．92

9．49

7．96

7．39

15152

10．41

5，4315310．16

3．4615411．47

3．67

15512．94

2．7

2「81614︹頂モ豊丘1、2ヰ

2増幅串α31

Fig．10：Experiment（Relationoftorquesandampli且cationrate）
35
TL巾r【s∝】（a）：Angleofrobotarmandperson

16之乙6〇

q61Tl椚■【姐：】（a）：Angleofrobotarm

35
TlⅣヒ【；巳C］（b）：TbrqueofrobotarmandspringFig．8：Simulationresults（Whenapersonmoveshisarm）

5

25

3JI
T・・・ll■（b）：TorqueofrobotarmandspringFig．9：Experimentresults55おわりに

参考文献

本研究では，操作力検出装置を用いたパワーアシスト装置とその制御系を軽案した・装置は人の換作力を検出する操作
力検出装置とロボットアームとで橋成した・操作力検出装置は圧力センサとバネを組み合わせた機構とした．人の操作力はバネを通じてロボットアームに伝わり、その力は圧力センサによって検出される．
検出された操作力とモータの発生トルク2）山海嘉之，李秀私筋電位を用いた歩行支援のためのパワーアシストシス
テムHAし】に関する研究∴茨城講演

会講演論文集Vol・2000，268／270（2000）
3）石井峰雄，山本圭次郎，兵頭和人完
全独立型パワーアシストスーツの開857／864（2006）

った．

この装置の成立性を明らかにするためにシミュレーションと実験を行った，その結果 この装置は荷物の支持や運搬を．さらに，設定した力の分配通りに，操作者の負担を軽減することも確認できた．
以上の結果から，提案する操作力検出装置を用いたパワーアシスト装置とその制御系の成立性が明らかになった．
今後は，PID制御パラメータ，目標角度更新隠増幅率等が操作感に与える影響を調査し，最適なパラメータを検討する．

さらに，他の制御理論の適用についても検討をする予定である．

ム設計概論日本ロボット学会誌
Vol・26No3，255／258（2008）

発，日本機会学舎論文集（C編），Vol．72，に応じて独自のアルゴリズムで制御を行安定に行うことが確認できた

り 金岡克弥パワー増幅ロボットシステ4）有我祐→フ上村黄泉渡部慶二遠藤
風力増幅型重量物運搬作業支援装置の制軌第50回自動制御講演連合会596／598（2007）