エネルギー変換効率の良い RCB-4HV と IMU-Z を用いた
６自由度柔軟関節肩義手（ロボットア－ム 1.45kg）の協調動作制御システム
木下 敏治*

百々 裕輝**

平田 一真***

A coordinated motion control system for energy-saving model flexible joint
shoulder-disarticulation prosthesis (SDP, robot arm 1.45kg) with 6degrees of freedom using the
IMU-Z and RCB-4HV.
Toshiharu KINOSHITA , Yuki DODO , Kazuma HIRATA

Abstract
In this paper, we propose a coordinated motion control system for energy-saving model flexible joint
shoulder-disarticulation prosthesis (SDP, robot arm 1.45kg) with 6degrees of freedom using the IMU-Z
and RCB-4HV. RCB-4HV is used with control circuit (manufactured by Kondo Kagaku), I can provide a
simplified total system of a serial 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 wasmeasured by IMU-Z motion sensors and potentiometers using the RCB-4HV Command Generator. A
practical flexible joint SDP (Flexible joint Robot Arm 1.45Kg) can make by new vibration control theory.
(Flexible Joint Robot Arm Control Kinoshita Theory was proposed by us and is called “FJRACK
Theory”) A Rise time, A Fall time, Settling time and Steady-state deviation using control engineering ispossible to solve it from the fundamental GL900’s data and IMU-Z data. As a result, prehension part offlexible joint SDP is stopped vibration of a hand by principle of conservation of energy.

Keywords: Flexible joint, SDP, Unit step response, Robot, RCB-4HV control circuit, IMU-Z motion sensors

1. まえがき
肢体不自由者のための義手、義足の中で、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。

1)～9)

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.13No.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それだけ駆動させるアクチュエータの数が増え、重量が重くなる。現在、電動式肩義手は制御方式や重量など基本的な問題点が多く、実用に至るには軽量化が最大の問題である。26)27)
現在の制御理論では、柔軟関節構造は安定な制御が非常に難しいとされている。解決策として一般的に、粘性流体（Google でキーワードを「柔軟関節ア*

香川高等専門学校詫間キャンパス
電子システム工学科**
千葉大学工学部 電気電子工学科***
香川高等専門学校詫間キャンパス
電子情報通信工学専攻

87

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)－ム」と入力すると200万件から350万件の中で１ページから３ページ目に2011年度、2010年度の研究論文がアクセスされている。
トヨタ自動車の特許なども閲覧でき粘性流体の使用を確認できる。
）など外部エネルギーを利用して手先の振動を止めている。
本研究室では、エネルギー吸収ボックスという
振動エネルギーを熱エネルギーに変換するよう設計して、手先の振動を止めている。15)～27)これは、外部エネルギーを利用していないのでエネルギー変換効率は良いと思われる。しかし、本研究室の肩義手は目標値に完全に追従するにはまだ及んでいないので、目標値に完全に追従できる肩義手の開発を実現することが本研究の課題である。
もし、これが実現すればエネルギー変換効率の良い、軽量で高精度な柔軟関節肩義手として、産業用ロボットに応用されると思われる。本研究は現在の制御理論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。17)～21)エネルギー吸収ボックスと名付けたアルミニウムで出来た入れ物に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弾性限界内のゆがみとアルミの表面振動エネルギーを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。
柔軟関節肩義手の制御という今までにない方式を音響工学の最新理論19)～21)(B＆W、FST(フィクスト・サスペンション・トランデューサー)コーンからエッジは伝わる屈曲波を熱エネルギーに変換する)を用いて肩義手の実用化に近づく1
つの方法を見つけ出すことが出来た。B＆W社の
FSTの理論でエネルギー吸収ボックスの弾性変形を一定の範囲の変形にとどめる様にする。箱全体がバネの様に元に戻る構造である。
本研究は、エネルギー保存則を用いて肩義手のθ1、θ2の余分のエネルギー成分を熱エネルギ
ーに変換して弾性変形範囲を一定値以内にとどめることにより、肩義手の手先が振動しない制御を実現した。以上の工夫により、2007年に上腕水平回転角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。
香川高等専門学校研究紀要第1号1)2) 2号26)27)により、本方式が肩義手だけでなくあらゆるロボッ
トに適用できることを示した。
図1.1.にRCB-4HV(12g)の写真を示す。図1.2.に研究の概略図を示す。
ハードウェアによる安定な動作制御とソフトウ
ェアによる正確な動作制御の二つを兼ね揃えた
軽量な肩義手を開発することが本研究の目的である。そして、産業用ロボットとして実用化することが目標である。
また、小型軽量なポテンショメータを用いて肩の上腕挙上θ2の値が、柔軟関節構造にすること
によりどのような影響を受けているかを、
GRAPHTECのGL900を用いてデータ化し、制御工学の各パラメータの値を測定した。
また、昨年度発表した香川高専研究紀要第２号(p167~p184)で示したモーションセンサZMP社のIMU-Zを用いて、ロボット本体の肩の姿勢角(θ２)をリアルタイムで検出可能か検討するための基礎実験を行った。27）本方式を産業用ロボットへ応用すればエネルギー問題の画期的な解決法となる。
ロボット本体を軽量化できるため、製造コストは安くなり、ロボットの運転効率も高くなる。

図1.1. RCB-4HV

図1.2. 研究の概略図

88

木下敏治

他 : エネルギー変換効率の良いRCB-4HVとIMU-Zを用いた６自由度柔軟関節肩義手（ロボットア肩ム 1.45kg）の協調動作制御システム

2. 研究概要
本研究は、平成22年度に専攻科を卒業した山口君を指導して設計製作した柔軟関節６自由度
肩義手を用いて、各種データを測定した。
コントロールボードもMP2シリアルサーボ制御で行っていたが、今回は通信速度が1.25Mbpsに対応するRCB-4HV(近藤科学製)に変更した。
日常生活においてスプーンでものを食べる、コップで水を飲む等の食事動作、電話に出る等の机上動作に対応する各関節角度を想定して、上腕挙上角(θ2)を0度から120度までステップ応
答させ、立上り時間、立下り時間、定常偏差、
整定時間(±2％)をポテンショメータとIMU-Zで測定した。
柔軟関節肩義手(ロボットア－ム)は、手先の振動を目標値で静止させることが非常に難しいと立命館大学の有本先生の著書「新版ロボットの力学と制御」で述べられている。
得られたデータを以下の各章で示すことにより、定常偏差は目標値の±5％以内に収まるデータ
は少ないが、モータの設定を標準とした場合のデータであるので、ストレッチなどの項目を高めることによりソフトウェアサーボにフィードフォワードを加えることにより、±5％以内に目標値まで動作させることが可能であると考えられる。
そのため今回のデータ収集では、定常偏差が大きくても通常の制御工学で定義された各パラメータ(立上り時間、立下り時間、定常偏差、整定時間)を求めた。このデータにより、ストレッチを標準とした場合の負荷に対する変動も測定した結果、立上り時間や立下り時間があまり負荷に影響を受けていないことが分かった。
よって、モータの基本性能としては余力があると判断できる。
まず以下の各章においてRCB-4HVの設定の仕方、RCサーボモータ6003HVの基本性能の設定の仕方、IMU-Zのキャリブレーションの仕方などを含む実験方法を示し、得られた結果の波形を示し、それをもとにデータ処理を行った。
製作した6自由度肩義手の全体図を図2.1.で示す。
実験用柔軟関節６自由度肩義手の仕様は下図のようになる。

図2.1. 自由度肩義手の全体図

図2.2. エネルギー吸収ボックス用
アルミチャンネル

図2.3. 上腕水平回転(θ1)と上腕挙上(θ2)

89香川高等専門学校研究紀要 3(2012)

図2.4. 図2.3の横から写真
図2.3.と図2.4.に上腕水平回転角(θ1)と上腕挙上角(θ2)の前からと横からの写真を示す。
製作用にエネルギー吸収ボックス周辺の寸法を記入しておいた。
図2.5.～図2.9.にその他各自由度の拡大写真を示している。垂直方向の回転中心が手先を真下に下ろした状態で一直線上に乗るように工作を工夫した。
アルミチャンネルは図2.2.のような厚さ1mmのものを使用している。
エネルギー吸収ボックスにアルミチャンネルを使用するのはモータから刻々と熱エネルギーとして放出される熱を肩義手の動きにより生じた空気の流入により冷却するためである。

図2.7. 下から肘屈曲(θ4)を見た図

図2.8. 前腕回旋(θ5)とソケットの取り付け方

図2.9. 手の開閉(θ6)に佐藤技研のグローブを取り付けた
前腕部には装飾用肩義手で世界的に有名な佐藤技研のグローブとソケットを用いた。θ5の前腕回旋にはKRS-6003HVのシリアルRCサーボモー
タを使い、θ6の手先の開閉にはKRS-4034HVの
シリアルRCサーボモータを使用しソケットに固定した。モータから出る指先の骨組を完成させてからグローブを被せるやり方をとったが、今回の実験ではグローブを外して水の入ったペ

図2.5. θ3～θ5の拡大写真と寸法

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木下敏治

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ットボトルをゴムバンドで固定して実験を行った。肩の2自由度の構造は3年間の耐久テストをクリアしてきた参考文献16)に使用されている肩義手と同様である。ハイパワーなトルクを持つシリアルRCサーボモータを肩から前腕まで6個使用している。
それでも産業用ロボットア－ムとして±130°まで使用可能なθ1、θ2の大量データをGL900で測定するため、本実験を始める前にRCサーボ
モータのアルミ製サーボホーン部とアルミ板の接合部分にワッシャを二枚重ね１mmの高さ合わせを行った。
シリアルサーボ制御方式（RCサーボモータの位
置可動範囲は0から270°である。AD変換器の精度が13ビットに改良されたため213通り(＝約8000)に分割できる)を用いているので柔軟関節構造を肩の部分に持つ6自由度肩義手は、滑らかな動作が可能である。

あり67kg･cmである。モータの動作角は±135°であり、最大回転角270°となっている。
図2.11.はKRS-4034HV(トルク14kg･cm、41.5g、
11.1V)のシリアルRCサーボモータである。
このモータは小型で軽量な特性を生かした。モータの動作角は±135°であり、最大回転角は270°である。
2.1.

図2.10. 高トルクなシリアルRCサーボモータ
6003HV

肩義手のシステム構成

図2.12. シリアル制御方式を用いたRCB-4HVのシステム構造（数珠つなぎ）システム制御方式の構成図は、パソコン、電源、近藤科学のロボットコントロールボード
RCB-4HV及び6自由度に必要な7個のRCサーボ
モータである。
RCサーボモータに対応したロボットコントロ
ールボードをPCに接続し、7個のRCサーボモー
タを同時に協調動作させることが可能である。
RCB-4HV(シリアル通信Ver1.3に対応)は通信速
度がMP2(シリアル通信Ver1.2に対応)の100倍程度になり、高性能である。シリアルサーボモー
タを肩義手に使用したので数珠つなぎという方法を利用した。数珠つなぎはシリアルRCサーボ
モータの最大の特徴と言えるであろう。
ポートを1個使用するようにしてポートにθ1から順にIDを設定する。

図2.11. 小型軽量なシリアルRCサーボモータ
4034HV
図2.10.にKRS-6003HV(100g、11.1V)を示した。
このシリアルRCサーボモータは2009年度に制作した肩義手のθ1～θ5までの5自由度に全部で6個使用している。これまででトルクは最大で91

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)

2.2. IDの設定
以下にRCサーボモータのID設定方法について示す。

図2.15. SerialManager151設定画面
図2.13. IDの設定画面① C:¥ProgramFiles¥HeartToHeart4¥HeartToHeart
4.exeを起動する。
② コントロールボックスでボードを接続したポートを指定する(COM4)。
③ ファイル – 新規作成 – プロジェクトで任意の名前のプロジェクトを作成。
④ プロジェクトタブのプロジェクトの設定を選択し、設定ウィンドウを表示させる。
⑤ 赤丸の所のICS通信速度を1250000に変更し、プロジェクトファイルを保存する。
⑥ SerialManager151.exeを起動する。
⑦ RATEを1250000bpsに変更し、WRITEを押すと書き込まれる。
⑧ 書き込みボタンを押して保存する。

① SerialManager151.exeを起動する。
② IDのwhat numberを選択すると、現在のIDの情報が表示される。
③ IDを変更したい数字に設定し、WRITEを押すと書き込まれる。
④ 書き込みボタンを押して保存する。
現在の各RCサーボモータに対応するIDを以下に示す。
θ1：ID 1
θ2：ID 2
θ3：ID 4
θ4：ID 6
θ5：ID 7
θ6：ID 82.4. RCサーボモータの制御方法

なお、θ2に関してはモータの片方を逆転に設定している。詳しいことに関してはSerialManager15.pdf（デスクトップ上）に明記されている。
2.3. RCサーボモータの通信速度
今 回 は 通 信 速 度 が 1.25Mbps に 対 応 す る
RCB-4HVを使用したので通信速度を変更した。
以下に変更の仕方を示す。

図2.16. 制御用のスライドバー画面
図2.14. HeartToHeart4設定画面

92

木下敏治

他 : エネルギー変換効率の良いRCB-4HVとIMU-Zを用いた６自由度柔軟関節肩義手（ロボットア肩ム 1.45kg）の協調動作制御システム

昨年まではモーションプロセッサ2HV（MP2）
コントロールボードで肩義手とパソコンを接続
し、MP2Editorで制御した。今後IMU-Zとの接続を考慮し今年はMP2に比べ約100倍もの高速通信が可能なRCB-4HVのコントロールボードを用いてRcb4CommandGeneratorで肩義手を制御する。図2.16.が操作画面である。個々のモータを一個ずつ制御でき、ICS3.0に対応した高精度な制御用ソフトである。7500をモータの0°と考えニュートラルとしている。動かしたいRCサー
ボモータの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した瞬間からステップ応答の開始信号となり最高スピードで目標値まで動作しようとする。

3.

実験方法

図3.1. 回転式ポテンショメータをθ2に取り付けた様子

2.5.回転式ポテンショメータの特性

図3.2. GRAPHTEC midi LOOGER GL900
θ2（上腕拳上）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(図3.2.)を用いて負荷として0～500gの水の入ったペットボトルを肩義手に持たせθ2を0～120°まで振り上げてステップ応答波形を測定し各種パラメータ（定常偏差、立上り時間、
立下り時間、立上り整定時間、立下り整定時間）をもとめる。姿勢の条件を下に示す。

図2.17. CP-2FB(b)の構造条件としてθ1（上腕水平回転）、θ3(上腕回旋)、
θ4(肘屈曲)を変える。
・θ1=0°
θ3=0° θ4=0°
・θ1=0°
θ3=0° θ4=90°・θ1=-40° θ3=0° θ4=0°
・θ1=0°
θ3=30° θ4=90°・θ1=0°
θ3=50° θ4=90°・θ1=0°
θ3=-50° θ4=90°
これらの条件は人間が日常的に行う動作を参考にしている。また振動しやすい条件にするため今年は肩義手を取り付けている台をしっかりとは固定していない。
図3.2.のGL900の分解能は16ビットに対応しており、画面の縦軸を電圧軸とすると2の16乗分割できる。
またサンプリングタイムは10μsで測定する。

図2.18. CP-2FB(b)圧着の様子
図2.17.にある緑測器の回転式ポテンショメー
タは、5Vを電圧源としており、回転角が最大の340°になると5Vに達する様に設計されている。
分度器を用いて入出力特性を求めた。直線性の良いデータが得られた。図2.18.には圧着の構造を示している。

93

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)

4. 実験結果と考察
定常偏差
まず定常偏差について説明する。定常偏差とは目標角つまりこの場合であれば120°でる。
この120°と肩義手（θ2）のRCサーボモータが実際に動いた角度との差の事である。測定に340V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。
角度X°:出力V＝340°:5V…①
そして目標の角度である120°との差をとる。
負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、θ3＝0°、
θ4＝90°の時のステップ応答波形を例に挙げて説明する。図4.1.より電圧の最も低い点2.924Vから
最も電圧の高い点4.537Vまでの電圧差は1.613V
であり①式に代入すれば肩義手(θ2)が実際動いた角度は109.7°となる。
そして、これより定常偏差は10.3°と求まる。そして全てのステップ応答波形のデータから求めた定常偏差をまとめたグラフを図4.2.に示す。

図4.3. 負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、
θ3＝0°、θ4＝90°の立上り時
図4.3.のステップ応答の立上る時の10％と90％つま
りこの場合、電圧差1.613Vの10％である0.163Vを
電圧の最も低い点2.924Vに足した3.087Vに対する
時 間 か ら 電 圧 の 最 も 高 い 点 4.537V か ら 電 圧 差
1.613Vの10%である0.163Vを引いた4.374Vに対する時間までを立上り時間とするので立上り時間は0.66(S)となる。そして全てのステップ応答波形から求めた立上り時間をまとめたグラフを図4.4に示す。

図4.4. 立上り時間
図4.1. 負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、
θ3＝0°、θ4＝90°

図4.4.のグラフより負荷に関係なく立上り時間は0.55
秒～0.95秒の間で一定となっている。また100gの点で値が大きくなっているのはペットボトル内の水の重心が大きく変化した事、つまり負荷の持たせ方の問題だと思われる。
立下り時間
次に立下がり時間について説明する。立上り時間と同様に立下がる時の90％～10％に対する時間を
立下り時間という。
負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、θ3＝0°、
θ4＝90°の時のステップ応答波形を例に挙げて説明する。

図4.2. 定常偏差
図4.2.のグラフより定常偏差は負荷に関係なく0°から最大で18°の範囲で収まっていることがわかる。
この差分を埋めるプログラムを作成すれば定常偏差を0°に近づけることが可能と思われる。
立上り時間
次に立上り時間について説明する。ステップ応答で立上る時の10％～90％に対する時間を立上り時間という。負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、θ3＝0°、θ4＝90°の時のステップ応答波形を例に挙げて説明する。

図4.5. 負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、
θ3＝0°、θ4＝90°の立下り時間

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木下敏治

他 : エネルギー変換効率の良いRCB-4HVとIMU-Zを用いた６自由度柔軟関節肩義手（ロボットア肩ム 1.45kg）の協調動作制御システム

図4.5.のステップ応答の立下る時の90％と10％つま
りこの場合、電圧差1.613Vの10％である0.163Vを
電圧の最も高い点4.537Vから電圧差1.613Vの10%である0.163Vを引いた4.374Vに対する時間から電圧の最も低い点2.924Vに足した3.087Vに対する時間までを立下り時間とするので立下り時間は0.394(S)となる。そして全てのステップ応答波形から求めた立上り時間をまとめたグラフを図4.6.に示す。

2％の範囲を白線で示している。この場合ステップ
応答波形が立上った直後から電圧差1.613Vの±2％の範囲に変化が収まっていることがわかる。

図4.8. ±2％の範囲
これより立上り整定時間は図4.9.に示すように
1.0632秒となる。
図4.6. 立下り時間
図4.6.のグラフより立下り時間は0.35秒の間から0.5秒の間で負荷に関係なく一定となっていることがわかる。そして立上がり時間のグラフで値が大きくなっていた100gの負荷の時を見ると立下り時間においても多少値が大きくなっている事がわかる。

図4.9. 負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、
θ3＝0°、θ4＝90°の立上り整定時間

立上り整定時間
立上り整定時間とは、肩義手が動作つまりステップ
応答波形が変化し始める点から立上った後ステッ
プ応答が定められた許容範囲内(制御工学において一般的に±2％や±5％)に入る（この場合肩義手の振動が止まる）までの時間である。
結果をより厳密にするため電圧差の±2％の範囲内で波形変化が収まっていれば振動は止まっていることとする。
負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、θ3＝0°、
θ4＝90°の時のステップ応答波形を例に挙げて説明する。

そして全てのステップ応答波形から求めた立上り整
定時間をまとめたグラフを図4.10.に示す。

図4.10. 立上り整定時間
図4.10.のグラフより負荷を0～500gまで変化させ、また姿勢における肘を90°や0°と色々変化させ日
常生活動作で肩義手が取りうる可能性のある姿勢
での値を測定した。
最少0.9秒から最大1.8秒の間に収まっており、通常の使用において問題はない。

図4.7. 負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、
θ3＝0°、θ4＝90°

立下り整定時間
立上り整定時間と同様の方法で求める。
肩義手が動作つまりステップ応答波形が変化し始める点から立下った後ステップ応答が定められた許容範囲内(制御工学において一般的に±2％や±

図4.7.のステップ応答波形の立上った直後の赤丸の箇所を拡大したものを図4.8.に示す。わずかに波形が変化していることがわかる。そして電圧差の±95

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)5％)に入る（この場合肩義手の振動が止まる）までの時間である。結果をより厳密にするため電圧差の±2％の範囲内で波形変化が収まっていれば振動は止まっていることとする。負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、θ3＝0°、θ4＝90°の時のステップ応答波形を例に挙げて説明する。
図4.14. 立下り整定時間
そして500gの姿勢θ1=0°、θ2=0～120°、θ
3=0°、θ4=90°における値が大きくなっている事がわかるが、これは肩義手を取り付けている台と共振して振動が収まるまでに時間がかかったと思われる。例としてθ1=0°、θ3=0°、θ4=0°とθ1=0°、θ3=50°、θ4=90°の姿勢でθ2を0°～120°まで変化させたときのステップ応答波形を図4.15.～
4.26.に以下に示す。青線がθ2の波形である。赤線はθ1の波形なので今回は考察の対象外とする。

図4.11. 負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、
θ3＝0°、θ4＝90°
立下った直後の赤丸の箇所を拡大したものを図
4.12.に示す。また電圧差1.613Vの±2％の範囲を白線で示している。

図4.12. ±2％の範囲

図4.15. 負荷無し θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=0°、θ4=0°

そして立下り始める時間から電圧差の±2％に入るまでの時間を図4.13.に示す。

図4.16. 水100g θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=0°、θ4=0°
図4.13. 負荷500g、θ1＝0°、θ2＝0～120°、
θ3＝0°、θ4＝90°の立下り整定時間
図4.13.より立下り整定時間は7.745秒となる。また全てのステップ応答波形よりもとめた立下り整定時間をまとめたグラフを図4.14.に示す。
図4.14.のグラフより負荷が大きくなれば基本的に立下り整定時間は長くなっていることがわかる。

図4.17. 水200g θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=0°、θ4=0°

96

木下敏治

他 : エネルギー変換効率の良いRCB-4HVとIMU-Zを用いた６自由度柔軟関節肩義手（ロボットア肩ム 1.45kg）の協調動作制御システム

図4.18. 水300g θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=0°、θ4=0°

図4.23. 水200g θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=50°、θ4=90°

図4.19. 水400g θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=0°、θ4=0°
図4.24. 水300g θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=50°、θ4=90°

図4.20. 水500g θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=0°、θ4=0°
図4.25. 水400g θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=50°、θ4=90°

図4.21. 負荷無し θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=50°、θ4=90°

図4.26. 水500g θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=50°、θ4=90°
エクセルデータに示す36種類のステップ応答波形のうち12個のステップ応答波形を示した。
データよりわかるように持続振動は存在しておらず、制御するうえで最重要課題である安定な状態で手先が静止していることを示している。

図4.22. 水100g θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=50°、θ4=90°97

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)

無線により、被験者の動作をしばらず手軽に測定したり、有線の接続により、電波の環境の厳しい場所でも信頼性の高い測定
が可能。

5.

IMU-Z
5.1 IMU-Zとは
本年度、ZMP社のe-nuvo IMU-Zというセンサを使用した。このセンサは軽量で小型なため、使用できれば装着者の負担が減るだろう。以下に詳細を示す。

表1に示すようにIMU-Zを使えば角速度、加速度、地磁気がXYZ方向の3種類かつ9つのデータが10msecごとに同時出力できる。図5.3.にCAN-USB（有線）の図を示す。
表1 IMU-Zの仕様
加速度センサ

3軸

角速度（ジャイロ）

3軸

地磁気

3軸

図5.1. IMU-Zの外観

通信インターフェイス

Bluetooth
CAN(USBポート）

サンプリング10[msec]～10[sec]10[msec]
刻みで指定可能サイズ

42[mm]×52.5[mm]×20.5[mm]

重量

35[g]

最大接続台数28台

図5.2. IMU-Zの座標軸
特徴
・9軸センサを1つにパッケージ
ジャイロ、加速度、地磁気と、タイプの異なるセンサを1パッケージに収めているた
め それぞれの特徴を生かし、組み合わせることが可能。
・小型軽量のモジュール
約4cm×約5cmの小型なため、人の手や足、ロボットや、そのほかの移動体などさまざ
まな場所にとりつけて使用可能。
・最大28台まで同時利用
1システムに最大28台のIMU-Zが接続できる。人の体に多数のセンサをつけ、多くの点の動きを収集したり、群行動をするたくさんの物体などの計測が可能。
・Bluetoothによる無線接続と、USBによる有線接続

図5.3. IMU-Zとパソコンの接続図
5.1.1

原理

・加速度計測STMicroelectronics社の3軸加速度センサ（LIS331DHL)を使用。静電容量型加速度センサを用いている。温度変化において特性変化が少なく、量産性に優れている
ため、家庭用ゲーム機などにも使用され
ている。
・方位計測
Honeywell社の3軸地磁気センサ（HMC5843)を使用。 内部には12ビットのA/Dコン
バータを使用。原理は、地上における地磁気の方向を北としその方向を磁気セン
サで検出。

98

木下敏治

他 : エネルギー変換効率の良いRCB-4HVとIMU-Zを用いた６自由度柔軟関節肩義手（ロボットア肩ム 1.45kg）の協調動作制御システム

・角速度計測STMicroelectronics社の2軸角速度センサ（LPR550AL、LPY550AL)を使用。セン
サ内部には質量をもった弾性体がくみこ
まれていて、電気的に振動させられている。弾性体は外部から回転運動を受けると、それに比例したコリオリ力が発生。
この力による弾性体の位置変化は静電容量の変化として観測できる。 LPR550AL
でXY軸、 LPY550ALでZ軸の角速度を測定する。コリオリ力とは回転座標系上で移動した際に移動方向と垂直な方向に移
動速度に比例した大きさで受ける慣性力の一種である。

ピラミッド型のパーツを組み合わせた上半身モデルを表示する。 身体にIMU-Zを取り付けることで人の動きと画面上のモデルが同期して動く。
また、接続するIMU-Zの数が1つでも、接続・設定したIMU-ZのノードIDに対応したパーツのみ動く。
モデルは11個のパーツから構成されており、各パーツのノード番号は以下の通りである。
Node 1：腰 Node 2：胸 Node 3：頭 Node 4：左肩
Node 5：左上腕 Node 6：左下腕 Node 7：左手
Node 8：右肩 Node 9：右上腕 Node 10：右下腕
Node 11：右手

5.1.2 付属アプリケーション
IMU-Zに付属のアプリケーションには、以下のようなものがある。

図5.6.

IMU-Z Viewer

IMU-Zのデータを取得してグラフに表示する。また
計測データをファイルに保存する、ログ機能がある。
図5.4. 3D Viewer
また、開発用環境のSDKには他にも数種類のサン
プルアプリケーションが付属しており、簡単な説明を行う。

1つのIMU-Zのデータをグラフで表示し、同時に3Dモデルを表示することのできるアプリケーション。
グラフは上から加速度・ジャイロ・地磁気を表示して
いる。

図5.7.
図5.5.

ArmKinematicsSample

運動学表示のサンプル。3リンクのア－ムを表示

Model Draw Application99

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)

図5.11.
図5.8.

DigitalCompassSample

SimpleCommunicationSample

IMU-Zから受信したセンサの値をコンソールに出力

地磁気センサから方角を計算するサンプル

図5.12.
図5.9.

ImuzSingleCommunicationSample

TiltSensorSample
IMU-Zからの計測データをグラフに表示

地磁気センサから方角を計算するサンプル

図5.13.
図5.10.

ImuzMultiCommunicationSample

複数のポートを利用して、IMU-Zからの計測データをグラフに表示EulerAngleSample

クォータニオン表現をオイラー角に変換するサンプ
ル

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木下敏治

他 : エネルギー変換効率の良いRCB-4HVとIMU-Zを用いた６自由度柔軟関節肩義手（ロボットア肩ム 1.45kg）の協調動作制御システム

5.1.3 PCとの接続・設定
次に、IMU-ZとPCとの接続・設定、使用方法について説明する。

図5.14.

初期設定① 今回は有線で使用するため図5.3.のようにACアダプタをコンセント、USBCANアダプ
タをPCへ繋ぐ。
② IMU-ZのNode番号(図5.5. Model Draw Applicationの説明を参照)とRole※を設定するので、
IMU-Zのプッシュスイッチを押しながらパ
ワースイッチをONにする。
すると設定モードに切り替わりLEDが点滅するので、確認する。
③ C:¥Program Files¥ZMP¥IMU-Z Application a
nd SDK¥ImuzConfigurationTool.exeを起動しF
ile－Open －コンボボックス内の[Lawicel C
ANUSB]を選択し、開く。
④ Target Node Noを[All]にして[Get Status]ボタ
ンを押すと現在の設定が帰ってくる。
(複数のIMU-Zを接続しているならば、その数だけ)⑤ Target Node Noを変更したいセンサの番号にして、Node Noに新たに設定するノード番号を入力し、Roleも指定する。
(今回はUSB接続かつ右肩に装着するため、Node Noは8でRoleはCAN-Slaveとする)⑥ [Save]ボタンを押して設定を送信し、IMU-Z
を再起動する。

FilterSample 実行画面1

フィルタを利用するプログラム。元データと、フィル
タ適用後のデータが グラフにプロットされる

図5.15.

GraphicDrawSample 実行画面2

ImuzDrawを利用して、3Dの空間にオブジェク
トを表示するサンプル。IMU-Zとの通信せずに単独で表示のみ行う

図5.16.

PoseEstimatorSample 実行画面3
図5.17. ③の画面

姿勢推定器（PoseEstimator）のサンプル。3種類の推定器の結果を同時に表示

101

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)

Estimator－Save Cal Data：上記の構成データを保存し、次回アプリケーション起動時には自動で読み込まれる。

図5.19. Port Openダイアログ

図5.18. ⑤の画面(ノード番号6⇒8へ)※) CAN-Slave , SingleBT ,CAN-MasterBTの三つを選択できる。
CAN-Slave：CAN-USB(有線)接続時
SingleBT：Bluetooth(無線)接続時
CAN-MasterBT：Bluetooth－CAN接続時(PCと 一 台 の IMU-Z が 無 線 接 続 、 そ れ と 他 のIMU-Zが有線接続)

図5.20. Euler Angle Sample 表示画面
実験方法
IMU-Zが肩の２自由度位置検出センサとして実用かどうかを検証した。確認方法として、Euler
Angle Sampleのサンプルプログラムを用いてス
テップ応答のデータ測定をし、肩義手の動作角度とIMU-Zの動作角度を比較した。その判断基準として、データ測定した値が一致すれば、
IMU-Zはセンサとして実用可能であると仮定した。Euler Angle Sampleのサンプリングタイムは
10msecで測定した。

Euler Angle Sample

6.

① IMU-Zを接続した状態でC:¥Documents andSettings¥IMU-Z Ver.1.53¥Samples¥Imuz Samp
les¥Euler Angle Sample¥bin¥Debugを起動しF
ile－Openを押すとダイアログが表示されるので接続している方式(ポート番号)を選び、Openボタンを押す。
② 図5.20.赤丸の所のコンボボックス内のノード番号を初期設定で設定した任意の値にす
るとセンサのグラフ及び3Dモデルが表示される。

7.

補足) その他の操作についてはメニュー項目に
以下の機能がある。
Edit－Clear Graph：グラフの消去
Edit－Pause Graph：グラフの一時停止
Tool－IMU-Z Manager：マネージャーダイアログを表示し、レンジや計測間隔値を設定
Tool－Communication Monitor：複数のセンサの値や変化を簡易的に表示する
Estimator－Begin Calibration：場所によって異なる地磁気の大きさの変化を吸収し、データを更正する

実験結果と考察

図7.1. IMU-Z取り付け位置

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木下敏治

他 : エネルギー変換効率の良いRCB-4HVとIMU-Zを用いた６自由度柔軟関節肩義手（ロボットア肩ム 1.45kg）の協調動作制御システム

回転軸上に取り付けてデータ測定をした。図が
θ2を0度～50度動かしたときで、ステップ応答の波形としては良くなかった。これはIMU-Zが肩義手の動きに追従できていないのではないかと思い、サーボモータのストレッチとスピードが原因と考えた。よって、設定していたストレッチとスピードの値を半分にして、再度データ測定を行った。
以下にストレッチとスピードの設定方法について示す。

図7.2. ステップ応答
まず始めに、IMU-Zは人間に取り付けてどのような動きをするか計測したりするものなので、実際に人間の上腕挙上θ2の位置に取り付けて、腕を下げた状態からθ2を90度まで上げた時のデータ測定を行った。
図の位置にY軸が回転する
ように取り付けた。70度～-20度で90度回転している。よって、人間に取り付けた場合、正確なデータが取れることが確認できた。

図7.5. SerialManager151設定画面① SerialManager151.exeを起動する。
② 図の赤枠のストレッチとスピードの値を変更する。
③ 書き込みボタンを押して保存する。

図7.3. IMU-Z取り付け位置

図7.6. ステップ応答
ストレッチとスピードを変更しても同様なデータになってしまった。いろいろ試しながら測定していると、モータの磁気が問題であることが分かった。よって、モータから約40cm離すと磁気の影響を受けなくなることが判明したので、アルミチャンネルを２つ重ねてその先端に
IMU-Zを地面に対して水平に取り付け、それを肩義手のθ4の位置にネジで固定した。また、

図7.4. ステップ応答
次に、IMU-Zを肩義手に取り付けても同様に正確なデータが取れるか、肩義手のθ4のモータの103香川高等専門学校研究紀要 3(2012)

IMU-Zのオフセットの調整を正確に行えていな
かったのも原因であった。よって、オフセットの調整もきちんと行い同じ条件で再度測定した。
以下にオフセットの調整の仕方について説明する。

図7.9. IMU-Z取り付け位置

図7.7. オフセット調整画面

図7.10. IMU-Zの拡大図

図7.8. IMU-Z Viewer画面① IMU-Zを接続した状態でC:¥Program Files¥Z
MP¥IMU-Z Viewerを起動する。
② Configuration－Adjustを押すと図の画面が表示される。設定したノード番号を選択し、E
nable Adjustmentにチェックを入れるとオフセットの調整が有効になる。
③ 加速度のX,Y軸はIMU-Zを水平にした状態でCaptureを押す。Z軸はIMU-Zを垂直にした状態でCaptureを押す。
④ ジャイロのX,Y,Z軸はIMU-Zを静止した状態
でCaptureを押す。
⑤ 地磁気のX,Y,Zは図の地磁気のデータを見な
がら、Captureを押して15秒以内に最大と最小の値がとれるように、IMU-Zを動かす。
⑥ Saveを押すと、すべての値がファイルに保存される。

図7.11. ステップ応答1モータの磁気影響なしで、オフセットの調整をした時の波形が図になる。目標値まで動いた後、安定しているのでステップ応答の波形としては問題ない。しかし、IMU-Zは非常に高性能で、同じ部屋でも場所によって地磁気の値が変化していた。よって、より良いデータ測定をするた
めにIMU-Zの取りつけ位置で、再度オフセットの調整をしてデータ測定をした。

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木下敏治

他 : エネルギー変換効率の良いRCB-4HVとIMU-Zを用いた６自由度柔軟関節肩義手（ロボットア肩ム 1.45kg）の協調動作制御システム

図7.15. 姿勢3
図7.12. ステップ応答2
図7.12.がその時のデータになる。測定条件はθ1を0度、θ3を－50度、θ4を-90度、θ2を0度から120度動かした。手先に負荷を取り付けずに測定した。波形を見ると、目標値まで動くときに
オーバーシュートがあって、目標値に到達し、ホームポジションに戻るときにアンダーシュートがあった後、振動が止まりホームポジションに戻っていることが見てわかる。この時の実際の肩義手の動作角度は107度、IMU-Zの動作角度は107度で一致し、図は理想的な波形であると思われる。
以下に、各パラメータを変更してデータ測定
した時の波形と、肩義手の動作角度とIMU-Zの動作角度の測定誤差のグラフを示す。
姿勢1～姿勢7の具体的な各関節角度の値は、図7.13.～図7.19.に詳しく示してある。

図7.16. 姿勢４

図7.17. 姿勢５

図7.18. 姿勢６
図7.13. 姿勢１

図7.14. 姿勢２

図7.19. 姿勢７

105

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)

り、人間にやさしい地球環境を取り戻すために有益であると思われる。

測 定偏差[度]1412

θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=0°、θ4=0°10

θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=0°、θ4=90°8θ1=40°、θ2=0～120°、θ3=0°、θ4=0°6

θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=30°、θ4=-90°4

θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=50°、θ4＝90°2

θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=-50°、θ4=90°

謝辞
本研究にあたって、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。
9.

θ1=0°、θ2=0～120°、
θ3=-30°、θ4=-90°

0
姿勢１ 姿勢２ 姿勢３ 姿勢４ 姿勢５ 姿勢６ 姿勢７

図7.20. 各パラメータによる測定誤差
図7.20.のデータより、7種類の姿勢に対して4種類が測定誤差が0度、また3種類が約12～13度の間にある。以上の実験結果から、IMU-Zは肩の2自由度位置検出センサとして実用可能であることが分かった。しかし、測定誤差にばらつきがあるという問題点も判明した。これは、柔軟関節ア－ムの欠点である姿勢によって負荷の影響力が異なるからと、IMU-Zをモータの回転軸上に取り付けていないのが原因と考えられる。
まとめ
昨年度のKRS-6003HV(トルク：67kg･cm)を用いた６自由度柔軟関節肩義手(ロボットア－ム)を用いて、制御ボードをRCB-4HVに変更し、ス
テップ応答波形の各種データを測定した。昨年と同様、ポテンショメータを圧着で取り付けた
GL900によるデータを測定した結果、負荷500ｇまで通常のストレッチの設定で動作することを確認した。手先の振動が起こっていないことを確認した。また、IMU-Zを用いて上腕挙上角のリアルタイム制御(サンプリングタイム10msec)
で測定誤差に相当する測定データが７種類の姿
勢に対して4種類の姿勢で誤差0度となった。残りの3種類も12度前後である。以上の結果より、モーションセンサIMU-Zをうまく利用すれば、肩義手(ロボットア－ム)を目標値までソフトウェアサーボを用いて協調動作制御可能であることが分かった。今回の実験では、ZMP社のサン
プルソフトを用いてデータを収集した。使用されている開発言語はC#である。今後の課題としては、C#を用いたIMU-Z Lite（地磁気センサを除く）を用いて、オリジナルソフトを開発すれ
ば柔軟関節肩義手(ロボットア－ム)の定常偏差を5％以内に収めることが可能と思われる。本技術が開発されれば、現在問題になっている地球温暖化に対する製造工場の省エネ化が可能とな

8.

106

10. 参考文献
1）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.113-130（2010）
2）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自由度柔軟関節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）
3）近藤科学株式会社，
MP2Editor+MotionGenerator 取扱説明書（2009）
4）舟久保熙康：“医用精密工学 生体への工学的アプローチ”，丸善株式会社（1983）
5）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)
6）Inoue Takahiro, Mechanics and control ofsoft-fingered manipulation, Springer(2008)
7）Birglen Lionel, Under actuated robotic
hands,Springer(2008)
8）有本卓, Control theory of multi-fingered hands: amodeling, Springer(2007)9）加藤 他：“筋電義手使用による運動機能再建の評価”,日本ロボット学会誌October 2009，Vol.27No.8, p.102-108(2009)10）木下 他：“クランク拮抗方式による形状記
憶合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)
11）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)12）木下 他：“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

木下敏治

他 : エネルギー変換効率の良いRCB-4HVとIMU-Zを用いた６自由度柔軟関節肩義手（ロボットア肩ム 1.45kg）の協調動作制御システム

電波工業高等専門学校研究紀要,第35 号,
p.45-52 (2007)13）木下 他：“ロボットコントロールボード
RCB-1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36号, p.37-46(2008)
14）木下 他：“RC サーボコントローラ
AGB65-RSC 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36 号, p.47-56(2008)15）木下 他：“肩義手のためのRC サーボコン
トローラAGB65-RSC を用いた感圧センサーの開発”，詫間電波工業高等専門学校研究紀要,第37 号,p.55-67(2009)16）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
工業高等専門学校研究紀要,第37 号,
p.69-85(2009)17）有本 卓:“柔軟関節ロボットの制御”,新版ロボットの力学と制御,朝倉書店, p.96-99(2002)
18）有本卓, Control theory of non-linear mechanicalsystems : a passivity-based and circuit-theoreic
approach, Clarendon Press (1996)19）B&W (Bowers & Wilkins)800 Series カタログ
(2009)
20）フィクスト・サスペンション・トランスデューサー(略称FST), B&W (Bowers &Wilkins)683/684 Series カタログ(2009)21）日本塑性加工学会, 非線形有限要素法, コロ
ナ社(1994)22）顧 蘭明:“肩義手の顔面方位制御アルゴリ
ズムの改良”, 詫間電波工業高等専門学校昭和62 年度卒業論文(1987)
23）久本 将貴:“6 自由度肩義手の顔面方位制
御システムの開発”, 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
年度専攻科特別研究論文集(2009)24）近藤科学株式会社，シリアルマネージ
ャー for ICS3.0 V1.5 ソフトウェア
マニュアル（2009）25）齊藤浩一：“国立東京工業高等専門学校･齊
藤先生のe-nuvo IMU-Zで学ぶ9軸モーションセンサ”,株式会社ZMP（2010)26）木下 他：“高トルクなRC サーボモータを用いたエネルギー変換効率の良い柔軟関節６
自由度肩義手(SDP，ロボットア－ム1.45kg)の協調動作制御システム” ，香川高等専門学校
研究紀要第2号，p.145-165,201127）木下 他：“エネルギー変換効率の良い６自由度柔軟関節肩義手（SDP，ロボットア－ム
1.45kg）の顔面方位制御システム用肩部２自由度位置検出センサの開発”，香川高等専門学
校研究紀要第2号，p.167-184,2011107