肩の 2 自由度に
自由度に柔軟関節を
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
使用した
顔面方位制御システム
顔面方位制御システムのシステムの開発
木下 敏治*

川井 由宇**

山口 彰大***

香川 悠**

久本 将貴****Development of the Face Direction Control System for
Flexible joint type Shoulder-disarticulation Prosthesis (SDP) with 2degrees of flexible joint typeshoulder motion’s configuration using a Motion Processor 2HV

Toshiharu KINOSHITA , Yuu KAWAI , Syouta YAMAGUCHI , Yuu KAGAWA
and Masaki HISAMOTO

Abstract
The control of SDP is becoming an increasingly important problem as engineering advance in hardware
production can made a SDP available in practical use. But flexible joint type SDP can not control exactly
using advanced control for robot systems. θ1 and θ2 have special structure which cancel undesired
vibration. In the present research, a flexible control system for SDP is proposed. Information of headorientation and shoulder motion are used as control signals in our systems. The control algorithm is somade as to move the terminal device of the prosthesis to the visual point by information of headorientation and shoulder motion. We propose a MotionProcessor2HV system for a SDP controller. The
fundamental coordinate control system can move like human arm.

Key Words: Prosthesis, Flexible joint, Face Direction control, Robot, Motion processor2

不自由は 0.6％増と年々増加傾向となっている。肢1．まえがき体不自由者のための義手、義足のなかで、肩義手は前腕義手などの他の義手、義足に比べて開発が遅れ

全国 18 歳以上の身体障害者数(在宅)は、348 万
3000 人(平成 18 年 7 月度)と推計されており、そのなかで肢体不自由者は全体の 50.5％を占めている。
また前回調査(平成 13 年 6 月度)と比較しても、肢体ている。その中で電動式前腕義手は、手の開閉の制
御に筋電を利用して操作する方式で実用化されているが、一方で電動式肩義手は実用化が遅れている。

*

香川高等専門学校詫間キャンパス 電子システム工学科**
長岡技術科学大学 電気電子情報工学課程***
香川高等専門学校詫間キャンパス 電子通信システム
工学専攻
****
四国計測

1)~5)肩義手(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))は手先まで含めると自由度が非常に多いため制御が複雑になり多自由度になれば113香川高等専門学校研究紀要 1(2010)

それだけ駆動させるアクチュエータの数が増え、重くなるなど基本的な問題点が多く、実用化されている例は少ない。1)~5)
本研究では、現在普及している TDU 肩義手やユタ・アーム(1200 万円,2kg 以上)などの電動式肩義手
よりも軽量で安価(約数 100 万円) 、さらに操作が容易な電動式肩義手の開発を目標とした。6)~12)まず、義手は 6 自由度のシンプルな構造で、腕の部分は軽量なアルミを用いた。駆動部は従来のモーターに比べ、軽量で高トルクな RC サーボモータを用いて軽図 3． システム構成図

量化を図った。義手の制御方法は，義手の制御に適した機能をもつ制御基板として、現在市販されてい本研究では、日常生活においてスプーンでものる近藤科学製の RCB-1、RCB-4HV、及びモーショを食べる、コップで水を飲む等の食事動作、鉛筆

ンプロセッサ 2HV を用いる。この制御基板をパソを握る、電話に出る等の机上動作、顔を洗う、歯コンに接続し、7 個のモーターを同時に操作して日を磨く等の洗面動作、手を洗う、髪をとく等の衛

常生活における簡単な動作を再現した。

生動作を実現することを目的として肩義手を試作した。今回の試作機はより軽量で高トルクになった RC サーボモータ KRS-4014HVICS（電源電
圧 10.8V、トルク 40.8kg･cm、重量 65.0g）をア
クチュエータに用い、トルクをあまり要求されない前腕回旋と手の開閉部分には KRS-4024HVIC
S(電源電圧 10.8V、
トルク 10.5kg･cm、
重量 48.5g)を用いる。図 1 に義手の概要図を、図 2 に製作した身長が185㎝に対応した電動式肩義手の全体図を示す。システムの構成は、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、そしてRC サーボモータ 7 個である。RC サーボモータ
専用の RCB-1 及びモーションプロセッサ 2HV を図 1． 義手の概要図

パソコンに接続し、7 個のモーターを同時に制御する。300g のものを安定に移動できる。ボールを最高速度で投げる動作も実現できた(参考文献の(12)を参照)。本研究で使用した RC サーボモータ
は、入力信号と電源のみで動作する。RC サーボ
モータは、PWM 信号を入力すると自動的に
PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)信号のパルス幅に相当する角度に制御でき、さらに
特定のパルス幅にPWM 信号を入力するとサーボ
モータの角度の読み取りが可能である。図 3 にシステム構成図を示す。本研究は現在の制御理論(有本卓、 新版ロ ボ ッ ト の 力学と 制御、 朝倉書店、
p.96-99、(2002))では安定な制御が非常に難しいとされている柔軟関節構造を肩の部分に持つ 6 自由
度肩義手である。13)14)エネルギー吸収ボックスと名図 2． 義手の全体図付けたアルミニウムで出来た入れ物に(アルミチャン
ネルをはさみ、これで熱が放出されやすいように工114

木下敏治 他 : 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

夫した)アクチュエータをぴったりとネジ止めすることにより一平面内での振動モードは存在できるがそれ以外の振動モードはエネルギー吸収ボックスのゆがみにより熱エネルギーとして刻々と放出されるように設計してある。以上の工夫により、上腕水平回転角
θ1・上腕挙上角θ2 の 2 自由度にエネルギー吸収
ボックスを用いることにより、非常に安定した動作を
本体重量1024g で実現した。研究紀要にこのアイデ
アを追実験して貰うためあらゆるデータを公開し、研究成果を積み上げることにより本方式が肩義手だけ
図 6． 手先部に使用予定の佐藤技研の装飾用グローブとソケットでなくあらゆるロボットに適用できることを示した。図4 に 2008 年度卒研生の作成した 6 自由度肩義手(身長 173 ㎝用)を示す。図 5 にモーションプロセ

柔軟関節肩義手の制御という今まで実用化さ

ッサ 2HV(24g)の写真を示す。RCB-1 の代わりにれていない方式を音響工学の最新理論 15)～17)(B＆モーションプロセッサ 2HV を用いている。現在

W、FST：フィクスト・サスペンション・トラン

は KRS-6003HV(10 0g、トルク 67kg・cm、11V)

デューサー15)16) (コーンからエッジは伝わる屈曲及び小型軽量なポテンショメータを用いた 2 自由

波を熱エネルギーに変換する))を用いて肩義手の度位置検出センサーを用いて顔面方位制御シス

実用化に近づく 1 つの方法を見つけ出すことが出

テムを実用化する予定であり現在研究中である。

来た。本方式の詳しい設計には非線形有限要素法

図 6 に手先部に使用予定の佐藤技研の装飾用グロ17)という高度なテンソル解析を用いた数学が必要

ーブとソケットの外観を示す。

となる。今年度は 100g で 67 kg･cm のトルクを持つ KRS-6003HV という近藤科学の RC サーボ
モータ(2009 年に発売)を用いて専攻科一年生の山口君と卒研生で実用型の肩義手を製作しておりほぼ完成している。BMI(ブレーン・マシン・イ
ンターフェース)(横井著､サイボーグ(BMI/BMC)
日本ロボット学会誌vol.26 No.7 p.14-p.15(2008))
を用いた脳信号の正確な読み取りとともに、それを正確な動きにつなげることを目標に脳波と近赤外線で血流を測ることにより義手を制御しようとする研究が始まっているが上記ロボット学
会誌によると実用化は2040年と予想されている。
また、米国では手足が不自由な脊髄損傷の患者の図 4． 2008 年度の肩義手

脳に手術で電極を埋め込み、検出信号で義手やコンピュータを動かす臨床試験が行われている。この方法は、手術による感染のおそれがある。木下は安全性を考慮し、独創的な顔面方位制御方式を提案する。肩離断患者には上肢がなく、上肢系のうち肩、頭及び両目のみが残っているが、患者の意識の中には切断前の幻肢が存在していることが知られている。18)~20)連続位置制御が可能な信号として頭と肩の動きを採用した。この信号はまた、運動の滑らかさを習得する学習過程に決定的役

図 5． モーションプロセッサ 2HV割を果たす固有受容の条件をも満たしている。本
研究の目的は、人間の意志と直結した頭と肩の運115

香川高等専門学校研究紀要 1(2010)

動を、義手制御用の情報として利用し、それらを

θ1、θ2 を関係式から近似し、その値に従って肩義用いて 6 自由度肩義手の顔面方位制御システムを手が動くシステムを開発する。式(1)～式(3)に制御動実用化することである。本方式を産業用ロボット

作を求める関係式を、図 8 に顔面方位制御の構成図へ応用すればエネルギー問題の画期的な解決法

を、図 9 に上肢系の数学モデルを示す。

となる。
本研究の目的は、使用者が簡単に制御でき、人間の動作に近い肩義手の開発である。本研究では、
昨年まで使用していた肩義手を参考に、新しい肩義手を製作した。図 7 に示す。その際、過負荷によって変形した部位や手の開閉部の改良をした。
近年の 20 歳から 24 歳の成人の平均的な身長は172.9cm である。医用精密工学 18)という書籍より、
この平均的な身長で求まる手の長さを参考に肩義手各部位の長さの変更をした。モーションプロ
セッサ 2HV を用いて肩義手を制御することが本図 8． 顔面方位制御の構成図

研究の目的である。

図 7． 製作した 6 自由度肩義手
図 9． 上肢系の数学モデル
顔面方位制御方式のの原理
2．顔面方位制御方式
柔軟関節肩義手ではθ1 とθ2 が重力などの影響
顔面方位制御方式の原理 19)20)は、人間が手を動かで最大 6 度ぐらいの誤差が生じることを実験で確認

す時には一般的に目は手先の目標を見ているというした。手先の振動を止めることは出来たが、エネル点に注目して、顔の方向を視線の方向と近似し、手ギー吸収ボックスの構造上手先の位置に誤差を生ず

先をその直線上に拘束するものである。図 9 に示する欠点が残った。この問題の解決法としては、θ1

L1(上腕の長さ)、L2(前腕の長さ)、L3(肩から頭の中とθ2 の位置決めに関係する 2 自由度にポテンショ

心線までの長さ)、L4(L3 の端から目までの長さ)、メーターを工夫して取り付けることにより、誤差をL5(目から仮想の目までの長さ)を決定する。次にΦ補正することが可能となる。現在研究中で上手くい

3(頭部の方位角は、頭部の水平回転角と同じ意味できそうなので以下の数学モデルでは補正後は誤差は使用する)、Φ4(頭部の仰角は、頭部の垂直回転角とない。よって、通常の数学モデルでθ1、θ2 の導出

同じ意味で使用する)を求めるため、頭にセンサーをを考える。

装着する。さらに両肩の上下前後の動作でθ3～θ6

コンピュータシミュレーションではθ1,θ2 は正

は装着者の意志で動かせるように設計する。具体的

確にかつ高速に求められた。

には、右肩の上下の位置情報(σ1)でθ3、右肩の前K1、K2、K3、Ci、di は患者さんと相談しながら後の位置情報(σ2)でθ4、左肩の上下の位置情報(σ楽に肩義手を制御できる値にリハビリテーションを4)でθ6、左肩の前後の位置情報(σ3)でθ5 を動かす行いながら決定する。

ことができる。それらの値からニュートン・ラプソ

Φ1 = K1Φ3ン法を用いて、視線の方向に手先を拘束するように

116

(1)

Φ2 = K 2Φ4 + K 3(2)

木下敏治 他 : 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

θi + 2 = C iσi + d i(i = 1 ~ 4)

 sin Φ 1 ⋅ sin Φ 2 
 Xh   L 3 

 より、

 

 Yh  +  L 5  = R  cos Φ 1 ⋅ sin Φ 2 
 − cos Φ Zh   − L 
4 
2



 

(3)

このような上肢系のモデルにおいて、肩関節の中心:S を原点とすると手先の位置:H は座標系でXh + L 3
Yh+ L5= tan Φ 1 ，=−
Yh + L 5
Zh− L(Xh,Yh,Zh)と表わせる。ここで肩義手の各部の座標系への動作を考える。(cosθn は Cn, sinθn は Sn4で表わす。) C1
− S
A1 =  1
0

 0


0
0
1
0

0

0
0

1 

 C3

S
A4 =  3
0

 0


0
− S2
C2
0

0

0
0

1 

S1
C1
0
0

1

0
A2 = 
0

0


0
C2
S2
0

1

0
A3 = 
0

0


0
1
0
0

0 

0 
− L1 

1 

0
0
1
0

− S3
C3
0
0

0
0
1
0

0

0
0

1 

1 0

 0 C4A5 = 
0 S4

0 0


0
− S4
C4
0

0

0
0

1 

1

0
A6 = 
0

0


0
0 

0
0 
1 − L2 

0
1 

0
1
0
0

次にもう一方から求めた座標系の式を用いて
tanΦ1 =

a

a12

a13

a 22
a 32

a 23
a 33

a 42

a 43

−

,

LC S +L S S S +L CC C S +L C S C +L
cosΦ1
= 1 1 2 2 1 3 4 2 1 2 3 4 2 1 2 4 5− L1C2 + L2S2C3S4 − L2C2C4 − L4πtan − Φ2 
2



となる。
この 2 式を変形すると、それぞれ次のようにすることができる。この時、tan(π/2-Φ2)=T, cosΦ
1=C と置くとする。
F1 sin θ1 + F2 cos θ1 + F3 = 0
但し、F1～F3 は次のようになる。

a14  0  a 24  0 
a 34  0  a 44  1 

F1 = L1S2 + L2 (C2C3S4 + S2C4 − S3S4 tanφ1 )F2 = −L1S2 tanφ1 − L2 (S3S4 + C2C3S4 tanφ1 + S2S4 tanφ1 )F3 = L3 − L5 tanφ1F4 sin θ 2 + F5 cos θ 2 + F6 = 0

ここでのαij は次のようになる。
a 11 = C 1 C 3 + S 1 C 2 C 3

但し、F4～F6 は次のようになる。
F4 = L1 C 1T + L 2 (C 1 C 4 T + C 3 S 4 T + C 3 S 4 C )a 12 = S 1 C 2 C 3 C 4 − C 1 S 3 C 4 − S 1 S 2 S 4

a 13 = C 1 S 3 S 4 − S 1 C 2 C 3 S 4 − S 1 S 2 C 4

F5 = − L1 C + L 2 (C 1C 3 S 4 T − C 4 C )a 14 = L1 S 1 S 2 + L 2 S 1 C 2 C 3 S 4 + L 2 S 1 S 2 C 4 − L 2 C 1 S 3 S 4
a 21 = C 1 C 2 S 3 − S 1 C 3,

F6 = L 2 S 1 S 3 S 4 T − L 4 C + L 5 T

a 22 = S 1 S 3 C 4 + C 1 C 2 C 3 C 4 − C 1 S 2 S 4

このような両式はθ1,θ2 と2 つの変数を持つため、

a 23 = − S 1 S 3 S 4 − C 1 C 2 C 3 S 4 − C 1 S 2 C 4
a 24 = L1 C 1 S 2 + L 2 S 1 S 3 S 4 + L 2 C 1 C 2 C 3 S 4 + L 2 C 1 S 2 C 4
a 31 = S 2 S 3

a 32 = S 2 C 3 C 4 + C 2 S 4解を求めることは非常に困難である。そこで、ニュ, a 33 = C 2 C 4 − S 2 C 3 S 4ートンラプソン法を用いてθ1,θ2 の近似解を導出

a 34 = − L1 C 2 + L 2 S 2 C 3 S 4 − L 2 C 2 C 4
a 41 = a 42 = a 43 = 0,

L1S1S2 + L2 S1C2C3S4 + L2 S1S2C4 − L2C1S3 S4 + L3
L1C1S2 + L2 S1S3 S4 + L2C1C2C3 S4 + L2C1S2C4 + L5

同様に、以上を用いて手先の位置を座標系で表わすと、
 Xh 
 0   11
 
 
a
 Yh 
 0  =  21
=
A
⋅
A
⋅
A
A
A
A
⋅
⋅
⋅
a
1
2
3
4
5
6 
 Zh 
031
   
 1 
1
 
   a 41

cosΦ1
π

tan − Φ2 
2
する。まず、先ほどの式を次のように置く。
f1 (θ1 ,θ 2 ) = F1 sinθ1 + F2 cosθ1 + F3 = 0
f 2 (θ1 ,θ 2 ) = F4 sinθ2 + F5 cosθ 2 + F6 = 0

a 44 = 1

よって、手先の位置は、
 Xh   a14   L1S1S2 + L2 S1C2C3 S4 + L2 S1S2C4 − L2C1S3 S4     
 Yh   a 24   L1C1S2 + L2 S1S3 S4 + L2C1C2C3 S4 + L2C1S2C4 == Zh   a  − L1C2 + L2 S2C3 S4 − L2C2C4
   34  
 1   1 1    

次に、i+1 回目に導出される近似解と i 回目に導出される近似解との関係を次のように置く。(ここでθ1 は記述の関係上θ1 と表わす。)
θ 1i +1 = θ 1i + k(h, k は微小変化量である。)
θ 2 i +1 = θ 2 i + kとなる。
また、目の仮想位置から手先の位置までの長さ
を R とすると、手先の位置は座標にて次のようにこの関係より（θ1i,θ2i）の周りでテイラー展も表わされる。

開し、一時微分項までで近似すると、次のように

 Xh 
 sin Φ 1 ⋅ sin Φ 2   − L3 
 

 

 Yh  = R cos Φ 1 ⋅ sin Φ 2  +  − L5  Zh 
 − cos Φ  L 2   4 なる。
f1 (θ1i +1 ,θ 2i +1 ) = f1 (θ1i + h,θ 2i + k )df1 (θ1i ,θ 2i )df (θ1 ,θ 2 )+k⋅ 1 i idθ1dθ 2
f 2 (θ1i+1 ,θ 2i+1 ) = f 2 (θ1i + h,θ 2i + k )≒ f1 (θ1i ,θ 2i ) + h ⋅この手先の座標を双方向から導出できる特性を利用≒ f 2 (θ1i ,θ 2i ) + h ⋅し、次のようにまとめる。

df2 (θ1i ,θ 2i )df (θ1 ,θ 2 )+k⋅ 2 i idθ1dθ 2

ここで f1(θ1i+1,θ2i+1)＝f1(θ1,θ2)＝0,f1(θ1i+1,
θ2i+1)＝f1(θ1,θ2)＝0 と考えられることより、i=0での初期値があらかじめ与えることができるの117

香川高等専門学校研究紀要 1(2010)で、h と k のみが未知数となる。先ほどの 2 式より h と k はそれぞれ次のようになる。
df1 ⋅ f − df2 ⋅ f
dθ2 2
dθ4 1
h=
df1
df
df
df
⋅ 2
− 1 ⋅ 2 θ =θ1i
dθ1
dθ2
dθ2
dθ1 1

θ2 =θ2i

df1
k=

df1

dθ2

dθ1
df
⋅ 2

⋅ f2 −df2
dθ1

−

df1

dθ1
dθ1

⋅ f1
⋅

df2

サーボ出力
サーボ出力ポート
出力ポート

dθ2 θ1=θ1i

アナログ入力端子
アナログ入力端子

θ2 =θ 2i

高速シリアル
高速シリアル接続端子
シリアル接続端子
電源コネクタ
電源コネクタ（コネクタ（+6～+6～12V)

図 10． モーションプロセッサ 2HV 本体

θ1i+1, θ2i+1 を算出する。
この h, k を求めた後に、この過程を繰り返せば真の解の近似解を導出で3.2 スクリプトコマンドについて
スクリプトコマンドについてきる。この近似解を導出する際に収束条件を e1,e2

モーションプロセッサ 2HD でのモーター制御方と定める。 h < e1 , k < e 2 となる時に、導出された解を近似解とみなす。

法は、モーションシナリオを作成する方法と、スク

このようにして例えば、n 回目の近似で導出さ方法とがある。ここではスクリプトコマンド 21)につ

リプトコマンドによりプログラムを作成し制御する

れた場合求まるθ1,θ2 は次のようになる。

いて簡単に紹介する。

 θ 1 = θ 1n +1 = θ 1n + hθ 2 = θ 2 n +1 = θ 2 n + k

基本的には他の高等言語と同じであるが、主な特徴として、使用できるプログラムの大きさが制限さ

3．モーションプロセッサ 2HV についてれていること、使用できる変数の数に制限があること、高速演算処理用のコマンドが存在すること、各3.1 使用する
使用する理由する理由
2009 年度まで RCB-1 を用いて肩義手のモーショモーターが変数を持つこと、外部入力を変数に変換できること、モーター制御用のコマンドが存在するンを作成していた。しかし、RCB-1 では作成したモことが挙げられる。

ーションを動作させることは可能だが、顔面方位制

アナログ入力の変換については 0～5[V]の範囲内

御に関しては演算処理が必要であったため使用するで対応しており、変換後は 256 分割され 0[V]は 0、ことができなかった。そこで、モーションプロセッ

5[V]は 255 と表わされる。また、各アナログ入力の

サ 2HV を用いることになった。このモーションプ

変数は監視モニタにより図 11 のように確認できる。

ロセッサ 2HV は図 10 に示すような構造になっている。中央部に位置するチップにはルネッサンステク
ノロジー社の M16 シリーズの演算処理用の回路が搭載されている。AD 変換器は 6ch の 5ms で入力可能です。サブ CPU は 100ms で、8ch のアナログ入力が可能となっています。よって高速な演算、各種関数(三角関数など)の利用が可能となり顔面方位制
御の演算処理が可能である。そして、アナログ入力端子も搭載されており、(6ch の高速入力端子、入力
時間は 5ms、サブ CPU に 8ch の AD コンバータが使用されておりメイン CPU との通信時間は約

図 11． アナログ入力監視モニタ

10msでトータル100msで低速アナログ入力が可能
である)別途 AD 変換器を用意せずに済む事などか

3.3
3.3 注意事項

ら現在において最も本研究に適していると判断した。

今回使用した PWM サーボモーター(KRS-401

重量も 24g で軽量省電力であり、シリアルサーボ制

4, 4024)の動作範囲が 0～270 度であるのに対し、

御 Ver1.2 に対応している。

モーションプロセッサ 2HV における角度指定範囲が 0～180 度であった。このため、モーション
プロセッサ 2 HV における 180 度の PWM 信号は118

木下敏治 他 : 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

サーボモーターでは270 度と認識されてしまうの

automove(720,1,N)

で肩義手の動作範囲を超えないように十分に気をつける必要がある。

autoseth(4,30)

次に、このスクリプトコマンドで使用可能とさ

automove(720,1,N)れている実数変数あるが、原因は不明であるが一

θ3、θ5 の動作量を設定して動作させる
フォークで料理をさす

部使用できない変数番地が存在した。よって、実数変数を用いる場合は使用できるか確認が必要である。

autoseth(6,0)
automove(720,1,N)

4．製作した製作した制御した制御プログラム
制御プログラムについてプログラムについて
autoseth(2,70)
4.1
4.1 協調動作プログラム
協調動作プログラムのプログラムの一例

autoseth(3,70)

本プログラムは 8 個作成した協調動作パターンのautoseth(5,70)

1 例である。フォークを使って食事をする連続動作

automove(720,1,N)のプログラムと連続写真を以下に示す。
wait(200)
HomeSet(90,0,0,90,90,90,90,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

θ2、θ4、θ5 の目標値を設定して動作させるフォークを装着者の口元へ持っていく,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)

homemove(720,1,N);フォークは持っているとする

各サーボモータをホームポジションへ

autoseth(2,30)
autoseth(3,30)以上のプログラムをまとめると、下記の①～⑧の協

automove(720,1,N)

調動作プログラムを実行させることが出来ることがわかる。
① フォークは持っているとする

wait(100)↓

θ2 の目標値を設定して動作させる②θ2 の目標値を設定して動作させる腕のズレを修

腕のズレを修正

正↓③θ2、θ3、θ4、の目標値を設定して動作させる
手先を料理の上へ移動させる

autoseth(4,40)
autoseth(5,70)
automove(720,1,N)↓④θ3、θ5 の動作量を設定して動作させる↓

wait(200)
autoseth(2,60)
autoseth(3,60)⑤フォークで料理をさす↓⑥θ2、θ4、θ5 の目標値を設定して動作させる↓

autoseth(5,50)
automove(720,1,N)wait(200)⑦フォークを装着者の口元へ持っていく↓θ2、θ3、θ4、の目標値を設定して動作させる
手先を料理の上へ移動させる⑧各サーボモータをホームポジションへ

autoseth(6,95)

119

香川高等専門学校研究紀要 1(2010)

(1)

(5)

(2)

(6)

(3)

(7)

(4)

(8)

120

木下敏治 他 : 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

(9)

(13)

(10)

(14)
図 12． フォークで料理を食べる動作写真

4.2
4.2 顔面方位制御
顔面方位制御方式
制御方式キーボード方式キーボード入力
キーボード入力ソフト
入力ソフトのソフトのフローチャート
制御用センサーの開発が未完成のため、数値入力
で顔面方位制御プログラムの動作チェックを行った。
本研究で製作した制御プログラムのフローチャートを図 13 に示す。また、θ1,θ2 の導出(フローチャートの(※)部)については 4.3 にて説明する。
図 13 を見ても分かるように分岐条件は各部位置(11)

検出センサーによって決まるように設定している。
制御用センサーの研究で、各種検出器をテストした。ホール素子、ストレインゲージ、導電性ゴムなどを用いたセンサーの小型化について徳島大学知能
電子回路講座の為貞建臣教授(定年退職)と長期にわたって共同研究を行った。小型化は成功したが、耐久力の点で実用化に問題を残している。
現在、500 円玉の大きさで 3 次元傾斜計と 3 次元
位置センサーを 1 チップ化した、ワイヤレスタイプの小型センサーシステムが ZMP と言うロボット関連の会社より 8 個のセンサーを使用するとして、シ(12)

ステム全体の費用が合計 52 万円でつい最近発売された。このシステムをうまく利用すれば、小型センサーの開発に実用化の可能性があると思われる。

121

香川高等専門学校研究紀要 1(2010)

START
初期値設定

θ1～θ4,Φ1,Φ2 を設定

アナログ入力取込
アナログ入力取込み
入力取込み
ｈ＝0
写像の
写像の式を演算処理Φ
演算処理Φ1～Φ4 導出

ｋ＝0

No

アナログ入力アナログ入力（入力（右直）右直）が

θ1＝θ1i+1=θ1i+h

動作設定値に動作設定値に達しているか？
しているか？

θ2＝θ2i+1=θ2i+kYes
θ4 を導出し
導出し設定

f1,f2,df1/dθ1,df1/dθ2, df2/dθ1, df2/dθ2 を導出
No

アナログ入力アナログ入力（入力（右回）
右回）が動作設定値にしているか？
動作設定値に達しているか？

k,h の導出

Yes（※）

ニュートンラプソン法
ニュートンラプソン法を用いた近似処理
いた近似処理|h|≧e1

θ1,θ2 を設定

YesNo|k|≧e2No

アナログ入力アナログ入力（入力（左直）
左直）が動作設定値に動作設定値に達しているか？
しているか？

Yes

No

Yes
θ6 を導出し導出し設定

図 14． 図 13 における(※)部のフローチャート
No

アナログ入力アナログ入力（入力（左回）
左回）が動作設定値に動作設定値に達しているか？
しているか？

4.4
4.4 プログラム本体
プログラム本体の本体の解説
本研究で作成した制御プログラムを次頁より掲

Yes
θ5 を導出し導出し設定載し解説する。その際、頁の左側をプログラム文と設定した設定した角度
した角度へ角度へ動作実行

し、右側を解説とする。

LOOP

HomeSet(90,22,0,90,90,90,90,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,

図 13． 制御プログラムのフローチャート

0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)

4.3
4.3 θ1,θ
1,θ2 の導出における導出における処理における処理ホームポジションを指定(1～5 行目)

θ1，θ2 における近似解の導出方法は 2 章で記述した通りである。先ほどのフローチャートにおける

V00 = 235(※)部の処理がこれに相当する。図 14 では(※)部のV01 = 212

フローチャートを示す。今回、収束条件を e1＝e2＝

V02 = 200

3 度とした。AD 変換部についてのセンサー入力に

V03 = 250

関しては現在研究中である。テストプログラムはキ

V04 = 300

ーボードからセンサー入力に対応する値を入力し、V05 = 255

ニュートンラプソン法が計算されているかチェック

V06 = 5した。本プログラムは計算に成功する場合とそうで

V07 = 18000

ない場合があり、プログラム上に何らかのバグが有

V08 = 314

ると予想される。現在別のプログラムを開発中であV09 = 600

りほぼ完成に近い状態にある。

V10 = 16

θ1 とθ2 の初期条件としてはΦ3.Φ4 の値を使用

V11 = 36できる。5 回ほどで 1°の誤差範囲に収束する。現V12 = 40在まで大型のミニコンピュータ PDP11 や NEC の

V13 = 15

PC98 シリーズなどに AD 変換器と DA 変換器を用

V14 = 117

いて実働テストを行い成功している。問題点はシス

V15 = 298

テムが大きすぎて患者さんに取り付けることが不可

V16 = 54

能であった。MP2 は 24g で取付可能である。

V17 = 1328122

木下敏治 他 : 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

V18 = 87

V03 = INPUTADC (3)V19 = 413

V04 = INPUTADC (4)V20 = 538

V05 = INPUTADC (5)V21 = 127

各部位置検出センサーの出力をアナ
ログ入力端子より取り込んでいる。
V00 から順に、頭の直線、回転、右肩の直線、回転、左肩の直線、回転を想定している。(50～56 行目)

初期値を設定(6～27 行目)
・V00～V04 は L1～L5 に対応している。
・V09～V20 は写像の式よりΦ1～Φ
4 を求めるためのパラメータである。
・V21 は位置検出センサの初期位置の値とする。
・その他は radian⇔degree とするための数値や、
アナログ入力端子からの入力は 0～5[V]を 0～255 に変換されるため、これを元の[V]の値に戻すための数値である。
#FX V22 = WF V00#FX V06 = WF V01#FX V08 = WF V00#FX V06 = V06 / V32#FX V08 = V08 / V32#FX V06 = V06 * V34#FX V08 = V08 * V34#FX V10 = V06 * V06#FX V12 = V08 * V08#FX V14 = V10 * V08#FX V24 = WF V01#FX V16 = V12 * V06#FX V26 = WF V02#FX V18 = V06 * V08#FX V28 = WF V03

V01 を Vx、V00 を Vy として、単位を[V]の値に戻し、Vx,Vy,Vx2,Vy2,
Vx2Vy,VxVy2,VxVy として実数変数に代入(57～67 行目)#FX V30 = WF V04#FX V32 = WF V05#FX V34 = WF V06#FX V36 = WF V07#FX V20 = V42 * V10#FX V38 = WF V08#FX V66 = V44 * V12#FX V40 = WF V09#FX V68 = V46 * V14#FX V42 = WF V10#FX V70 = V48 * V16#FX V44 = WF V11#FX V72 = V50 * V18#FX V46 = WF V12#FX V74 = V52 * V06#FX V48 = WF V13#FX V76 = V54 * V08#FX V50 = WF V14#FX V78 = V40 + V20#FX V52 = WF V15#FX V78 = V78 + V66#FX V54 = WF V16#FX V78 = V78 + V68#FX V56 = WF V17#FX V78 = V78 - V70#FX V58 = WF V18#FX V78 = V78 - V72#FX V78 = V78 - V74

初期値を整数変数から高速演算用の実数変数に変換(28～46 行目)#FX V78 = V78 + V76#FX V60 = WF V19#FX V62 = WF V20

Φ3 を導出(68～81 行目)#FX V80 = V32 * V10#FX V64 = WF V21#FX V82 = V42 * V12#FX V84 = V58 * V14

初期値を整数変数から高速演算用の実数変数に変換(47～49 行目)#FX V86 = V34 * V16:LOOP#FX V88 = V60 * V18

V00 = INPUTADC (0)#FX V90 = V50 * V16

V01 = INPUTADC (1)#FX V92 = V62 * V08

V02 = INPUTADC (2)#FX V94 = V56 + V80

123香川高等専門学校研究紀要 1(2010)#FX V94 = V94 + V82

h, k の初期値を設定し、実数変数に変換(118～121 行目)#FX V94 = V84 - V94#FX V94 = V94 + V86#FX V114 = WF V103

Φ4 を導出(82～92 行目)#FX V94 = V94 - V88#FX V116 = WF V104

#FX V94 = V94 + V90#FX V120 = WF V106

#FX V94 = V94 + V92#FX V122 = WF V98

Φ4 を導出(93～95 行目)#FX V96 = FW V78#FX V124 = WF V99#FX V118 = WF V105

θ1～θ4,Φ1,Φ2 を整数変数から実数変数に変換(122～127 行目)#FX V97 = FW V94#FX V118 = V118 * V38

Φ3,Φ4 を実数変数から整数変数に代入(96～97 行目)#FX V118 = V118 / V36

V98 = V96 / 2#FX V120 = V120 * V38

V99 = V97 / 2 + 10

#FX V120 = V120 / V36#FX V122 = V122 * V38

Φ1,Φ2 をΦ3，Φ4 より設定
(98～99 行目)#FX V122 = V122 / V36

JUMPIF(V02,>=,178,M5)#FX V124 = V124 * V38

JUMPIF(V02,<=,77,M5)#FX V124 = V124 / V36

JUMP(A)#FX V126 = V38 / V26:M5#FX V126 = V126 - V124

#FX V100 = WF V02

θ3,θ4,Φ1,π/2－Φ2 を degree から
radian に変換(128～137 行目)#FX V100 = V100 - V64#FX V100 = V100 / V34#FX V128 = SIN V118

#FX V102 = FW V100

θ3,θ4,Φ1,π/2－Φ2 の三角関数を導出(138 行目)

AUTOSETH(5,V102):A#FX V130 = COS V118
#FX V132 = SIN V120

77＜V02＜178 ではないとき、肘屈折角(θ4)を V02 の大きさに応じて動作量を設定(100～109 行目)#FX V134 = COS V120
#FX V136 = COS V122

JUMPIF(V03,>=,178,M1M2M3)#FX V138 = TAN V122

JUMPIF(V03,<=,77,M1M2M3)#FX V140 = TAN V126

JUMP(B)θ3,θ4,Φ1,π/2－Φ2 の三角関数を導出(139～144 行目):M1M2M3:NL

77＜V03＜178 ではないとき、顔面方位制御の演算を開始(110～113 行目)#FX V114 = V114 + V110

V103 = S01 - 90 * 3 / 2#FX V116 = V116 + V112

V104 = S03 * 3 / 2#FX V114 = V114 * V38

V105 = S04 - 90 * 3 / 2#FX V114 = V114 / V36

V106 = S05 - 90 * 3 / 2#FX V116 = V116 * V38#FX V116 = V116 / V36

θ1～θ4 をモーターの現在位置から読み取り、PWM 信号における倍率を補正(114～117 行目)

θ1i+h,θ2i+k を degree から radianに変換(145～151 行目)

V107 = 0#FX V142 = SIN V114

V108 = 0#FX V144 = COS V114

#FX V110 = WF V107

#FX V146 = SIN V116

#FX V112 = WF V108

#FX V148 = COS V116124

木下敏治 他 : 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#FX V154 = V154 + V30

θ1i+h,θ2i+k の三角関数を導出(152～155 行目)#FX V154 = V154 * V140

#FX V150 = V22 * V146

#FX V156 = V28 * V136

#FX V152 = V148 * V130

#FX V156 = V154 - V156

#FX V152 = V152 * V132
#FX V154 = V146 * V134

F6 の導出(192～198 行目)#FX V158 = V24 * V134

#FX V156 = V128 * V132

#FX V158 = V158 + V22#FX V158 = V156 * V138

#FX V160 = V158 * V148

#FX V160 = V152 + V154

#FX V164 = V24 * V146

#FX V160 = V160 - V158

#FX V164 = V164 * V130

#FX V162 = V24 * V160

#FX V164 = V164 * V132

#FX V162 = V150 + V162

#FX V160 = V160 - V164

F1 の導出(156～165 行目)#FX V164 = V150 * V138

dF1/dθ2 の導出(199～205 行目)#FX V168 = V160 * V138

#FX V166 = V152 * V138
#FX V168 = V146 * V132

－dF2/dθ2 の導出(206 行目)#FX V170 = V158 * V142

#FX V168 = V168 * V138

#FX V170 = V170 * V140

#FX V170 = V156 + V166
#FX V170 = V170 + V168

－dF4/dθ1 の導出(207～208 行目)#FX V176 = V24 * V142

#FX V172 = V24 * V170

#FX V176 = V176 * V130

#FX V172 = V164 + V172

#FX V176 = V176 * V132

F2 の導出(166～173 行目)#FX V174 = V30 * V138

#FX V176 = V176 * V140
－dF5/dθ1 の導出(209～212 行目)#FX V178 = V22 * V144

#FX V174 = V26 - V174
F3 の導出(174～175 行目)#FX V176 = V22 * V144

#FX V178 = V178 * V128

#FX V176 = V176 * V140

#FX V178 = V178 * V140

#FX V178 = V144 * V134
#FX V178 = V178 * V140

dF6/dθ1 の導出(213～216 行目)#FX V150 = V162 * V144

#FX V180 = V132 * V136

#FX V180 = V172 * V142

#FX V182 = V180 * V130

#FX V180 = V180 + V150

#FX V182 = V182 + V178
#FX V182 = V24 * V182

dｆ1/dθ1 の導出(217～219 行目)#FX V184 = V168 * V144

#FX V182 = V176 + V182

#FX V186 = V160 * V142

F4 の導出(176～184 行目)#FX V150 = V22 * V136

#FX V186 = V186 - V184

#FX V178 = V178 * V132

#FX V152 = V144 * V130

dｆ2/dθ2 の導出(220～222 行目)#FX V188 = V176 * V148

#FX V152 = V152 * V132

#FX V190 = V170 * V146

#FX V152 = V152 * V140

#FX V190 = V190 + V188

#FX V152 = V152 - V180

#FX V190 = V178 - V190

#FX V152 = V24 * V152

dｆ2/dθ1 の導出(223～226 行目)#FX V152 = V152 - V150
F5 の導出(185～191 行目)#FX V154 = V24 * V142

#FX V192 = V178 * V148

#FX V154 = V154 * V128

#FX V194 = V192 - V194

#FX V194 = V152 * V146

#FX V154 = V154 * V132

dｆ1/dθ2 の導出(227～229 行目)

125

香川高等専門学校研究紀要 1(2010)#FX V196 = V162 * V142

θ1,θ2 を実数変数から整数変数に変換し、PWM 信号における倍率を補正(259～262 行目)

f1 の導出(230 行目)#FX V198 = V172 * V144

#FX V198 = V196 - V198

AUTOSETH(1,V216)#FX V198 = V198 + V166

AUTOSETH(2,V217)

f1 の導出(231～233 行目)#FX V196 = V182 * V146

AUTOSETH(3,V217)
上腕水平回転角(θ1),上腕挙上角(θ
2)の動作量を設定(263～265 行目)#FX V200 = V152 * V148
#FX V200 = V200 + V196

:B

#FX V200 = V200 + V156

JUMPIF(V04,>=,178,M7)

f2 の導出(234～237 行目)#FX V202 = V180 * V194

JUMPIF(V04,<=,77,M7)
JUMP(C)#FX V204 = V186 * V190

:M7

#FX V204 = V202 - V204

#FX V226 = WF V04#FX V226 = V226 - V64－df2/dθ1・df2/dθ2 の導出(238～
240 行目)#FX V226 = V226 / V34#FX V206 = V186 * V200

#FX V109 = FW V218

#FX V208 = V194 * V198

AUTOSETH(7,V109)#FX V208 = V206 - V208:C

#FX V208 = V208 / V204

77<V04<178 ではないとき、手の開閉角(θ6)を V04 に応じて動作量を設
定(266～276 行目)

h[radian]の導出(241～244 行目)#FX V210 = V190 * V198

#FX V212 = V180 * V200

JUMPIF(V05,>=,178,M6)#FX V212 = V210 - V212

JUMPIF(V05,<=,77,M6)#FX V212 = V212 / V204

JUMP(D)k[radian]の導出(245～248 行目)#FX V208 = V208 * V36:M6#FX V220 = WF V05#FX V110 = V208 / V38#FX V220 = V220 - V64#FX V214 = FW V110

#FX V220 = V220 / V34#FX V212 = V212 * V36#FX V222 = FW V220

#FX V112 = V212 / V38

AUTOSETH(6,V222)#FX V215 = FW V112

:Dk,h を radian からdegree へ変換(249～254 行目)

77<V05<178 ではないとき、前腕回
旋角(θ5)を V05 に応じて動作量を設
定(277～286 行目)

JUMPIF(V214,>=,3,NL)
JUMPIF(V214,<=,-3,NL)

JUMPIF(V01,>=,178,M4)

JUMPIF(V215,>=,3,NL)

JUMPIF(V01,<=,77,M4)

JUMPIF(V215,<=,-3,NL):M4#FX V224 = WF V01

ニュートンラプソン法により導出された解の収束判定(255～258 行目)#FX V224 = V224 - V64#FX V216 = FW V114

#FX V224 = V224 / V34#FX V217 = FW V116

#FX V223 = FW V224

V216 = V216 * 2 / 3

AUTOSETH(6,V223)

V217 = V217 * 2 / 3

:E

126

木下敏治 他 : 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の出力電圧を測定した。ポテンショメータは、90°77<V01<178 ではないとき、上腕回
旋角(θ3)を V01 に応じて動作量を設
定(287～295 行目)

を中心とし、60°～120°までを範囲とした。この実験結果より、曲げセンサーでは再現が困難であっ

AUTOMOVE(720,1,A)

た、頭部の水平方向の動作が再現できることが確認

WAIT(200)できた。

JUMP(LOOP)
5.2 顔面方位検出装置による顔面方位検出装置による測定
による測定
5.2.1 顔面方位検出装置

設定された動作量を実行し、200 カウ
ント(1 カウント=5[msec])後に LOO
P 開始(296～298 行目)

曲げセンサーとポテンショメータを組み合わせて、顔面方位検出装置を製作した。8)この装置は、

5．顔面方位制御装置の顔面方位制御装置の開発

顔の方向が正確に検出できるように顔の中心となる部分にレーザーポインタを取りつけている。Φ3 と

5.1 センサー開発
センサー開発のための開発のための基礎実験のための基礎実験
5.1.1 曲げセンサーによるセンサーによる直線運動による直線運動の直線運動の実験

Φ4 の一方をパラメータとして他方を変化したとき

浅草ギ研製の曲げセンサーは長さ 10cm で、通常

125[cm]の図形として作成した。パラメータは 15°

は抵抗が 10kΩ、曲げると 30kΩ～60kΩになるセ

間隔でとられている。縦の線はΦ3 を一定としてΦ4ンサー素子である。この曲げセンサーを用いた実験を変化させたもので、横の線はΦ4 を一定としてΦ3に平面(Z=100[cm])にできる曲線群を縦 75[cm]、横装置により、Φ4(頭部の仰角)による 1 自由度の直線を変化されたものである。これらの曲線はΦ3 とΦ4運動が低速で行われた場合と、高速で行われた場合の関数になっていて、横線を XΦ3=ZtanΦ3、縦線の追従実験を行った。これは、曲げセンサーがなめを YΦ4=ZtanΦ4/cosΦ3 で表す。図 16 にΦ3 とΦ4らかに水平から山型に連続的に変化する構造を採用の関数の曲線群を示す。正面を向いた状態をΦ3,Φ4

したので、微少な動きにも対応できる。この実験結

ともに 0°とした。図 17 にΦ4 をパラメータとした果より、ノイズはほとんど無く、速度に関わらずに関数の曲線群を、図 18 にΦ3 をパラメータとした関動作の再現性が優れていることが確認できた。図 15数の曲線群を図 19 に顔面方位検出実験の様子を示に動作中の曲げセンサーの様子を示す。

す。
Φ3=45°
Φ3=-45°140
Φ3=-30°Φ3=30°
Φ4=45°
Φ3=-15°Φ3=15°
Φ3=0°
Φ4=30°
90
Φ4=15°

40

Φ4=0°
-125

-75

-25

-10

-60

25

75

125

Φ4=-15°
Φ4=-30°-110

Φ4=-45°-160

図 16． Φ3 とΦ4 の関数の曲線群

図 15． 動作中の曲げセンサーの様子
5.1.2 ポテンショメータによるポテンショメータによる基礎実験
による基礎実験
ポテンショメータを用いた実験装置より、Φ3(頭図 17． Φ4 をパラメータとした関数の曲線群部の方位角) による 1 自由度の運動が行われた場合

127香川高等専門学校研究紀要 1(2010)

5.2.3 曲げセンサー
センサーとサーとポテンショメータをポテンショメータを使用した顔面方位検出装置
した顔面方位検出装置を
顔面方位検出装置を用いたΦ
いたΦ3 とΦ4 の関係式
図 20 の曲線群の変化の特徴によりΦ3 とΦ4 をVx と Vy の 2 次曲面と仮定して、方程式のパラメータを求める。
Φ3 とΦ4 の関係式を導出するために、
測定結果より日常生活動作で使用する身体前面の動
作空間の重要と思われる点を 8 個選び出す。このと図 18． Φ3 をパラメータとした関数の曲線群

き選び出す点はΦ3 とΦ4 のどちらかが 45°または-45°である場合、誤差が大きい。そこで使用者の使用頻度が高いΦ3 とΦ4 のそれぞれが±30°以内である交点の中からとする。未知関数を二次曲面と仮定すると、未知パラメータは 8 個となるので、この8 点の値よりΦ3 とΦ4 についての連立方程式を表し、これを解いてΦ3 とΦ4 についての写像の関係式を導き出した。Φ3 の関係式を式(5.4)に、Φ4 の関係式を式(5.5)に示す。
Φ3 = 125.74∗Vx2 − 275.13∗Vy2 − 33.742∗Vx2Vy + 44.491∗VxVy2 (5.4)

図 19． 顔面方位検出実験の様子+ 60.681∗VxVy − 736.41∗Vx + 909.93∗Vy − 216.82

5.2.2 実験内容

Φ4 = 133.47 ∗Vx2 − 0.5331∗Vy2 − 39.650∗Vx2Vy + 0.9342∗VxVy2 (5.5)+ 478.27 ∗VxVy − 1618.9 ∗Vx − 1412.8 ∗Vy + 4741.9

これらと差動入力(±10V)で 8ch の A/D 変換ボード(CONTEC)の ActiveX のサンプルプログラムを

これより求まった電圧入力により角度を出力し用いて 2chXY レコーダによる顔面方位検出実験をた図形を図 21 に示す。数学モデルでは正面を向い行った。サンプリング時間は 100msec である。実た状態をΦ4=90°としているが、今回は基礎実験な

験方法は作成した検出装置を装着した被験者が装置のでΦ4=0°として(Φ3,Φ4)と(Vx,Vy)の写像関係に取りつけたレーザーポインタで曲線群をなぞり、式を求めた。

曲げセンサーからの出力波形を Vy、ポテンショメー
タからの出力波形を Vx として測定を行った。図面の位置は被験者からの距離を 100[cm]、床からの高さを 160[cm]としている。図 20 に 2chXY レコーダ
による測定結果を示す。

図 21． 電圧入力により角度を出力した図形
5.2.4 ポテンショメータをポテンショメータを使用した
使用した顔面方位検した顔面方位検
出装置を出装置を用いたΦ
いたΦ3 とΦ4 の関係式
曲げセンサーとポテンショメータの回転角度セ
図 20． 2chXY レコーダによる測定結果

ンサーCP-2FB(B)を組み合わせて製作した装置の欠点は、曲げセンサーの耐久力であった。そこで、

図 20 は検出装置により出力電圧の形で表現され曲げセンサーを 500 万往復以上の寿命が確保されている。図 16 と比較すると、図 20 は上下左右が非ているポテンショメータの直線変位センサー

対称である。Vy はほぼ等間隔で出力されているが、LP-100FP に置き換えて、顔面方位検出装置の改良

Vx はΦ4＝-30°から-45°付近ではΦ3=0 となる中型を作製した。図 22 に顔面方位検出装置の改良型

心よりに傾いている。

128

木下敏治 他 : 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

5.2.5 ポテンショメータをポテンショメータを用いた肩位置検出装いた肩位置検出装置を示す。

顔面方位検出装置の改良型と基本的な構造は同じであり、この装置もポテンショメータの直線変位センサーLP-100FP と回転角度センサーCP-2FB(B)を組み合わせている。回転角度センサーCP-2FB(B)の軸を取り付ける位置が顔面方位検出装置とは異なっている。両肩に取り付ける必要があるので、左右図 22． 顔面方位検出装置の改良型

一個ずつの計二個製作した。図 25 に肩位置検出装置を示す。

顔面方位検出装置の改良型を用いて 2chXY レコーダによる顔面方位検出実験を行った。サンプリン
グ時間は 100msec である。実験方法は改良前と同様である。図 23 に 2chXY レコーダによる測定結果
を示す。
5

4

Vy[V]

3

2

1

0
1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

-1
Vx[V]

Φ3=45°
Φ3=30°
Φ3=15°
Φ3=0°
Φ3=-15°
Φ3=-30°Φ3=-45°Φ4=45°
Φ4=30°
Φ4=15°
Φ4=0°
Φ4=-15°
Φ4=-30°Φ4=-45°

図 25． 肩位置検出装置
6．結び
6.1 結果
前試作機の問題点であった上腕挙上のパワー不図 23． 2chXY レコーダによる測定結果足を補うため駆動部を高電圧タイプの RC サーボモ

改良前と同様な手順で、Φ3 とΦ4 についての連ータに変更した。その結果、負荷が 300g までであ立方程式を導出する。これを解いてΦ3 とΦ4 につるならば、日常動作を再現することが可能であるこいての写像の関係式を導き出した。Φ3 の関係式をとがわかった。問題点としては負荷が 300g 以上に式(5.6)に、Φ4 の関係式を式(5.7)に示す。そして、なった場合に、義手全体が振動を始め、目標値に固これより求まった電圧入力により角度を出力した図定するのが困難であることである。しかし、日常動形を図 24 に示す。実際に使用される顔面方位の範作(食事動作などの場合)では 300g 以下の負荷がか

囲内では正確に目標角度が求められる。

かるので、上記問題は実用上問題にはならない。

Φ3 = 15.598∗Vx + 36.094∗Vy + 39.899∗Vx Vy − 15.408∗VxVy (5.6)

顔面方位制御方式の実験では、ポテンショメータ− 116.57 ∗VxVy − 297.82 ∗Vx + 54.116∗Vy + 600.44である直線変位センサーLP-100FP と回転角度セン

2

2

2

2

Φ4 = −254.58∗Vx − 15.672∗Vy + 86.859∗Vx Vy + 4.7223∗VxVy (5.7)
2

2

2

2

サーCP-2FB(B)を用いた検出装置の作成、そしてそφ4 [deg]− 413.49 ∗VxVy + 1173.8 ∗Vx + 537.73∗Vy − 1418.2の検出装置を用いた 2chXY レコーダによる測定実60験ができた。この測定結果より求められたΦ3 とΦ440の関係式を用いることによって、仮想頭部の姿勢角20

Φ1 とΦ2 を求めることが可能である。問題点とし

0-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0-20

10 20 30 40 50ては、Φ4(頭部の仰角)を検出する時に、直線変位セ60 70 80

ンサーLP-100FP がなめらかにスライドしない場合-40があることである。これは装置の取り付け位置や接-60合部に用いた針金の固定方法などを強化する必要が-80
φ3 [deg]あると思われる。また、検出装置を取りつけた被験図 24． 電圧入力により角度を出力した図形

者の髪や姿勢などで装置の位置が微少であるがずれ実際に使用するのは図 24 のうち、1 つ内側の面積に相当する部分であり、問題点は少ない。

てしまうことも問題である。
この問題点については、
原点をソフトウェアでその都度変更することにより、129

香川高等専門学校研究紀要 1(2010)

対応可能と思われる。システム全体を顔面方位制御

8) 木下 他,高トルク・軽量な RC サーボモータをさせる実験用肩義手は2008年度の卒研生の川井君、用いた 6 自由度肩義手の開発,詫間電波工業高等臼井君、豊岡君、2009 年度の卒研生香川悠君、松本専門学校研究紀要,第 35 号, p.45-52 (2007)

君、大平君、2010 年度の卒研生安藤君、大東君、香9) 木下 他,ロボットコントロールボード RCB-1

川優介君のチームにアドバイスを行い、システムのを用いた 6 自由度肩義手の協調動作制御システム改良が続けられている。

の開発,詫間電波工業高等専門学校研究紀要,第 36号, p.37-46(2008)

6.2 今後の今後の課題

10) 木下 他,RC サーボコントローラ AGB65-RS

Φ4(頭部の仰角)を検出する時に、直線変位センサ

C を用いた 6 自由度肩義手の協調動作制御システーLP-100FP がなめらかにスライドしない場合があムの開発,詫間電波工業高等専門学校研究紀要,第るので、装置の取り付け位置や接合部に用いた針金

36 号, p.47-56(2008)の固定方法などを強化することによりこれを解決す

11) 木下 他,肩義手のための RC サーボコントロ

る。
共和工業の小型ユニバーサルジョイントを 2010

ーラ AGB65-RSC を用いた感圧センサーの開発,

年に使用し、改良できることがわかった。これによ詫間電波工業高等専門学校研究紀要,第 37 号,

り 6 自由度の制御用センサーが実用化できると思わ

p.55-67(2009)

れる。

12) 木下 他,6 自由度肩義手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

7．謝辞

門学校研究紀要,第 37 号, p.69-85(2009)13) 有本 卓,柔軟関節ロボットの制御,新版ロボッ

本研究にあたって、ご指導していただいた電子シトの力学と制御,朝倉書店, p.96-99(2002)

ステム工学科の全教員ならびにさまざまな面でお世

14) 有本卓, Control theory of non-linear mechanic

話していただいた学生支援室の方々に深く感謝いた

al systems : a passivity-based and circuit-theore

します。また、共和工業、佐藤技研、緑測器、近藤

ic approach, Clarendon Press (1996)

科学の各株式会社には研究に協力していただき深く

15) B&W (Bowers & Wilkins)800 Series カタロ

感謝しています。

グ(2009)16) フィクスト・サスペンション・トランスデュー

8．参考文献サー(略称 FST), B&W (Bowers & Wilkins)683/
684 Series カタログ(2009)1) 赤澤堅造 他，動力義手・装具の研究開発の現状

17) 日本塑性加工学会, 非線形有限要素法, コロナと将来，BME（医用電子と生体工学），Vol.13，社(1994)No.2，p.34-41 (1999)

18) 舟久保煕康,医用精密工学-生体への工学的アプ

2) Inoue Takahiro, Mechanics and control of soft

ローチ,丸善株式会社(1983)-fingered manipulation, Springer(2008)19) 顧 蘭明,肩義手の顔面方位制御アルゴリズム

3) Birglen Lionel, Under actuated robotic hands,の改良, 詫間電波工業高等専門学校昭和 62 年度

Springer(2008)

卒業論文(1987)

4) 有本卓, Control theory of multi-fingered hand20) 久本 将貴, 6 自由度肩義手の顔面方位制御シs: a modeling, Springer(2007)5) 加藤 他,筋電義手使用による運動機能再建のステムの開発, 香川高等専門学校詫間キャンパス
電子通信システム工学専攻科平成 20 年度専攻科

評価,日本ロボット学会誌 October 2009,Vol.27

特別研究論文集(2009)

No.8, p.102-108(2009)6) 木下 他,クランク拮抗方式による形状記憶合21) 近藤科学株式会社，MP2Editor+MotionGenera
tor 取扱説明書(2009)

金ロボットシステムの研究,詫間電波工業高等専
門学校研究紀要,第 34 号, p.47-56(2006)
7) 木下 他,RC サーボモータを用いた 6 自由度肩義手の協調動作制御システムの開発,詫間電波工業高等専門学校研究紀要,第 35 号, p.33-44(2007)130