〈一般研究課題〉 ロボットのための水平多関節型摩擦感試験機の試作
助 成 研 究 者

名城大学

野々村裕

ロボットのための水平多関節型摩擦感試験機の試作
野々村 裕（名城大学）

Prototyping of a SCARA Friction Sense Tester for
Robot Use
Yutaka Nonomura(Meijo University)

Abstract：
Industrial robots are operated in segregated areas from human. It is being looked for to operate
in the same spaces with humans. Robots should have physically advanced communication abilities by
haptic functions as simulating humans. The evaluation results in a tactile analysis are affected by
the subjectivity of experimenters and objective judgments. The relationships between sensory
expressions of touch and quantitative evaluations of tactile sense should be established. The
relationships between physically measured values of fabrics and sensory expressions of humanbeings have been investigated by using a friction sense tester (KES-SE-SR-U, Kato Tech Co.,Ltd.). The friction sense tester measures feelings of touch only in a direction. In order to extend
the performances of the friction sense tester, we made a new friction tester using four motors anda general-purpose 3 -axis force sensor with special skins. The new friction tester works like ahuman arm by the SCARA robot type structure. A sensor head of the tester moves like a humanfinger. The mechanisms and functions of the new friciton sense tester were compared with theconventional one. The good performance of the new friction sense tester was successfully obtained.
1. はじめに工場等の産業分野で普及し、大きな成果を上げているロボットの活躍の場が人間の生活空間へ拡張されようとしている。これは少子高齢化と労働人工の減少により、会社や店、家庭における労働− 87 −者、作業者の不足を補い、手助けするロボットが求められているからである。特に病院や介護施設、家庭においての介助、家事のサポートを人間の代わりにおこなうことが求められている。従来の産業用ロボットはパワーも大きく、作業速度が速いため人間と隔離された環境下での運用がおこなわれている。人間と共存する環境、人間と共通の空間内において、人間を補助し、協調動作する次世代のロボットは周囲への配慮をおこない、人間に優しい動作をすることにより、安全、安心な運用が可能となる。我々はロボットに対し人間の感覚を模擬した触覚機能を付与することにより、ロボットに人間に近い触覚感を持たせ、人間と物理的に高度なコミュニケーションが取れるようにすることにより、人間にフレンドリーなロボットを生み出すことができると考えており、温度や熱流、力の同時計測が可能なセンシングシステムの開発に取り組んでいる[1],[2]。
触覚解析における実験評価方法は、対象となる素材や測定装置、測定環境に依存することが多く、主観からなる官能表現との関係を求めるために、これらを含めた総合的な測定・評価方法が求められている[3],[4]。手触りを言葉で表した官能表現は触覚と密接な関係があるが定量的な評価方法が確立されていない。また、地域や国により相違があることが確認されている[5]。我々は人間の生活に必要で手触りや官能に関わりが深い織物類（布地類）に着目し、そのさわり心地を測定する摩擦感テスタ（カトーテック製KES-SE-SR-U）を用い、布地の物理測定値と人間の持つ官能表現との関係を調査してきた[6],[7]。官能表現とは触覚で感じた事象を言葉で表したものである。この試
験機は布地の摩擦感測定に関し業界標準的な位置づけにあるとされている[8-12]。しかし、摩擦感覚をロボットへ適応するにはセンサヘッドの改良、掃引機構の改良により、布地へのセンサヘッド接触方法の自由度拡大や布地以外の物体の摩擦特性を調査する必要が生じた[13]。
従来の摩擦感テスタは対象（布地）を乗せたステージを一方向へ動かし測定する装置であり、多方向へのステージ移動が無い、センサヘッド部は2種となっており、ヘッド形状の交換や変更という多様性を持っていない。そこで、従来の摩擦感テスタの性能を生かしロボットに応用展開するために、汎用型の3軸力覚センサを用い、2次元掃引が可能な新規な摩擦試験機を提案し、試作をおこなった。従来の摩擦感テスタと新規摩擦試験機の機構や機能を比較し、ロボットのための摩擦評価試験機としての可能性を調査した。
2. 新規摩擦試験機の設計仕様
摩擦感計測に使用してきた摩擦感テスタ（カトーテック製KES-SE-SR-U）は、可動ステージに測定対象物の布地片を固定し、予め設定した荷重で支持された測定用センサヘッドを布地片に接触させ、可動ステージを左右へ60mm移動する際に発生する摩擦力を測定するものである。測定用セン
サヘッド接触時の荷重を重りで印加している。上下動用センサヘッドに対する印加荷重は10gf、左右動センサヘッドに対する印加荷重は50gfとなっている。センサ方式は上下動用センサヘッドが歪みゲージ（左右力検知）と差動トランス（上下変位検知）、左右動用センサヘッドが差動トランス（左右力検知）となっている。2種類のセンサヘッドによって摩擦係数、摩擦係数の変動平均、表面粗さの変動平均を測定し算出している。この摩擦感テスタは重りによる荷重印加と機械的に大掛かりなセンサ構造、1軸駆動ステージからなり、計測器としての機能を実現している。そのため、動作が限定的であり汎用性を欠いている。
人間が布地を吟味する時は指先の指腹で布地に軽くタッチし、左右、前後に10mm程度の往復運－ 88 －動、あるいは半径10mm程度の円運動をおこない、指先の力学的触覚器で検知し感じ、官能表現としてデータを表現し、記憶している。そこで、ロボットに適したデータを取得し、解析を進めるた
めに人間の動きを模した運動をおこなえるロボットアーム型新規摩擦試験機の設計をおこなった。
試験機はロボットへの応用を意図し、人間の腕の動きを模すことのできる水平多関節型ロボット

アームとした。アームは全長を 300mm 程度としている。水平方向への駆動に 2 軸、アーム先端機構アームとした。アームは全長を300mm程度としている。水平方向への駆動に2軸、アーム先端機構の回転・上下駆動に 2 軸を用いた 4 つのモータから構成されておりこれらを PLC(Programmableの回転・上下駆動に2軸を用いた4つのモータから構成されておりこれらをPLC(Programmable
LogicController)を用いて同時に精度良く制御することにより、センサヘッドに荷重を印加しながController)を用いて同時に精度良く制御することにより、センサヘッドに荷重を印加しなLogicがら 2 次元平面上で布地に対しセンサヘッドを摺動可能とする機構とした。新規摩擦試験機の仕様
ら2次元平面上で布地に対しセンサヘッドを摺動可能とする機構とした。新規摩擦試験機の仕様をを表 1 に示す。
表1に示す。
アームとした。アームは全長を 300mm 程度としている。水平方向への駆動に 2 軸、アーム先端機構
表1 1 試験機仕様比較
試験機仕様比較
表の回転・上下駆動に 2 軸を用いた 4 つのモータから構成されておりこれらを PLC(Programmable
新規ロボットアーム型試験機
カ ト ー テ ッ ク 製 KES-SE-SR-U
Logic Controller)を用いて同時に精度良く制御することにより、センサヘッドに荷重を印加しな駆動方向
1次元方向
2次元方向
がら 2 次元平面上で布地に対しセンサヘッドを摺動可能とする機構とした。新規摩擦試験機の仕様
駆動速度
1，2，5，10m m /s
1～20m m /s
を表 1 に示す。
印加荷重10gf，50gf
0～200gf2種

センサ形状

表 1 試験機仕様比較

カ ト ー テ ッ ク 製 KES-SE-SR-U

2種以上(センサスキンとして交換可能)

新規ロボットアーム型試験機

1次元方向
2次元方向
3. 新規試験機の試作
3. 新規試験機の試作
駆動速度
1，2，5，10m m /s
1～20m m /s
設計・製作した新規試験機の特徴および機能について具体的に記載する。
印加荷重10gf，50gf
0～200gf
設計・製作した新規試験機の特徴および機能について具体的に記載する。
センサ形状
2種2種以上(センサスキンとして交換可能)
3.1 極座標系機構
3.1 極座標系機構
ロボットアームの機械構成として、直交ロボットや垂直多関節ロボットなどが存在するが、摩擦3. 新規試験機の試作ロボットアームの機械構成として、直交ロボットや垂直多関節ロボットなどが存在するが、摩擦感の評価において人間の腕の動きに近い動作を実現しやすい水平多関節型（SCARA：Selective
設計・製作した新規試験機の特徴および機能について具体的に記載する。
感の評価において人間の腕の動きに近い動作を実現しやすい水平多関節型（SCARA：SelectiveCompliance
Assembly Robot Arm）を採用した。2 次元平面上での先端機構の移動・掃引が容易とい
3.1 極座標系機構
Compliance Assembly Robot Arm）を採用した。2次元平面上での先端機構の移動・掃引が容易といロボットアームの機械構成として、直交ロボットや垂直多関節ロボットなどが存在するが、摩擦う特徴を有している[14],[15]。新規摩擦試験機の 2 次元平面上での摺動動作を実現するために、2う特徴を有している [14],[15]。新規摩擦試験機の2次元平面上での摺動動作を実現するために、2感の評価において人間の腕の動きに近い動作を実現しやすい水平多関節型（SCARA：Selective
つの関節部に各１つのモータを使用した。
これらは図１において極座標系駆動用モータとして示さつの関節部に各１つのモータを使用した。これらは図１において極座標系駆動用モータとして示さCompliance Assembly Robot Arm）を採用した。2 次元平面上での先端機構の移動・掃引が容易といれている。汎用ロボットアームにはAC サーボモータを用いたフィードバック制御が一般的だが、れている。汎用ロボットアームにはACサーボモータを用いたフィードバック制御が一般的だが、う特徴を有している [14],[15]。新規摩擦試験機の 2 次元平面上での摺動動作を実現するために、2フィードバック制御時、低速掃引動作や静止動作中に発生するサーボ振動（微細振動）の影響を抑つの関節部に各１つのモータを使用した。これらは図１において極座標系駆動用モータとして示さ
フィードバック制御時、低速掃引動作や静止動作中に発生するサーボ振動（微細振動）の影響を抑ええるためにステッピングモータを採用した。人間の動き模擬し掃引速度を 1～4mm/s とした。ステれている。汎用ロボットアームには AC サーボモータを用いたフィードバック制御が一般的だが、るためにステッピングモータを採用した。人間の動き模擬し掃引速度を1～4mm/sとした。ステッッピングモータを用いたため低速でも高トルク出力が可能となっている。
フィードバック制御時、低速掃引動作や静止動作中に発生するサーボ振動（微細振動）の影響を抑ピングモータを用いたため低速でも高トルク出力が可能となっている。
駆動方向えるためにステッピングモータを採用した。人間の動き模擬し掃引速度を 1～4mm/s とした。ステ

図2に示す上下駆動用モータはリニアアクチュエータとして働き、センサヘッドの上下方向の位ッピングモータを用いたため低速でも高トルク出力が可能となっている。

図 1 ロボットアーム構成一覧

図
図 11 ロボットアーム構成一覧
ロボットアーム構成一覧

図 2 上下駆動部
図
図 22 上下駆動部
上下駆動部

図 2 に示す上下駆動用モータはリニアアクチュエータとして働き、センサヘッドの上下方向の
図 2 に示す上下駆動用モータはリニアアクチュエータとして働き、センサヘッドの上下方向の位置決めをおこなう。センサヘッドの上下方向の位置設定をおこなうと共に、バネ系を用いた印－ 89 －位置決めをおこなう。センサヘッドの上下方向の位置設定をおこなうと共に、バネ系を用いた印加荷重を設定できる。荷重を重りでなく、バネと変位で設定する構造としたため、センサヘッド加荷重を設定できる。荷重を重りでなく、バネと変位で設定する構造としたため、センサヘッド置決めをおこなう。センサヘッドの上下方向の位置設定をおこなうと共に、バネ系を用いた印加荷掃引時の荷重を測定対象に合せて設定できる。布地に接触させてセンサヘッドを掃引した時に、重を設定できる。荷重を重りでなく、バネと変位で設定する構造としたため、センサヘッド掃引時
測定対象物である布地の厚み分布、織り模様等で測定対象表面が平坦でなく凹凸があるため、図3の荷重を測定対象に合せて設定できる。布地に接触させてセンサヘッドを掃引した時に、測定対象に示した先端ばね機構によりセンサヘッドが上下し、布地の表面の上下位置変動をばねで吸収物である布地の厚み分布、織り模様等で測定対象表面が平坦でなく凹凸があるため、図3に示したする働きをしている。先端ばね機構のばね定数を0.1N/mm に設定し、測定対象物の上下凹凸振幅先端ばね機構によりセンサヘッドが上下し、布地の表面の上下位置変動をばねで吸収する働きをしが最大1mm の場合において、荷重変動を 0.1N 以下に抑えるようにした。印加荷重 1N に対し掃引時の荷重を測定対象に合せて設定できる。布地に接触させてセンサヘッドを掃引した時に、ている。先端ばね機構のばね定数を0.1N/mmに設定し、測定対象物の上下凹凸振幅が最大1mmの10%以内の印加荷重変動で測定ができる。布地のような表面凹凸が複雑な測定対象の場合におい測定対象物である布地の厚み分布、織り模様等で測定対象表面が平坦でなく凹凸があるため、図場合において、荷重変動を0.1N以下に抑えるようにした。印加荷重1Nに対し10%以内の印加荷重3 に示した先端ばね機構によりセンサヘッドが上下し、布地の表面の上下位置変動をばねで吸収て、ばね機構を用いた調整荷重を用いたため、一定荷重を印加した状態で、布地に対し滑らかなする働きをしている。先端ばね機構のばね定数を 0.1N/mm に設定し、測定対象物の上下凹凸振幅変動で測定ができる。布地のような表面凹凸が複雑な測定対象の場合において、ばね機構を用いた掃引が実現できた。
が最大 1mm の場合において、荷重変動を 0.1N 以下に抑えるようにした。印加荷重
1N に対し調整荷重を用いたため、一定荷重を印加した状態で、布地に対し滑らかな掃引アームの先端部分に回転補正用ステッピングモータを搭載することにより、セ10%以内の印加荷重変動で測定ができる。布地のような表面凹凸が複雑な測定対象の場合においが実現できた。
ンサヘッドの回転補正機能を実装した（図１参照）。試作試験機は極座標系機構て、ばね機構を用いた調整荷重を用いたため、一定荷重を印加した状態で、布地に対し滑らかなでの掃引動作をするため、２つの極座標系駆動用モータにより掃引すると、掃引アームの先端部分に回転補正用ステッピングモータを搭載することにより、掃引が実現できた。に伴いセンサヘッドの面内方向が回転する。布地に方向性の織目等がある場合、センサヘッドの回転補正機能を実装した（図１参照）。試作試験機は極座標系機
アームの先端部分に回転補正用ステッピングモータを搭載することにより、セ測定データに影響を与えると考えられる。
そこで、先端回転補正モータにより掃構での掃引動作をするため、２つの極座標系駆動用モータにより掃引すると、ンサヘッドの回転補正機能を実装した（図１参照）。試作試験機は極座標系機構
引中にセンサヘッドの回転を補正し、センサヘッドの方向を一定方向に維持する掃引に伴いセンサヘッドの面内方向が回転する。布地に方向性の織目等があるでの掃引動作をするため、２つの極座標系駆動用モータにより掃引すると、掃引構成とした。
場合、測定データに影響を与えると考えられる。そこで、先端回転補正モータに伴いセンサヘッドの面内方向が回転する。布地に方向性の織目等がある場合、により掃引中にセンサヘッドの回転を補正し、センサヘッドの方向を一定方向測定データに影響を与えると考えられる。そこで、先端回転補正モータにより掃センサヘッドの構造
3.3
3 先端ばね機構
図 3図 先端ばね機構に維持する構成とした。
引中にセンサヘッドの回転を補正し、センサヘッドの方向を一定方向に維持するセンサヘッドを試作した。センサヘッドの検知部は汎用小型 3 軸力セン構成とした。
サ（SP22-FFC15、タッチエンス社）を採用した。汎用小型
3 軸力センサはφ5mm x 2.8mm の円柱
3.3 センサヘッドの構造状でZ 軸方向+2N、せん断方向 X，Y 軸±2N の 3 軸の力検知ができる。このセンサ表面に自作センセンサヘッドを試作した。センサヘッドの検知部は汎用小型3軸力センサ（SP22-FFC15、タッ3.3 センサヘッドの構造
図 3 先端ばね機構
サスキンを装着し用いた。自作センサスキンの表面部分はピアノ線20本を束ね、従来の摩擦感テセンサヘッドを試作した。センサヘッドの検知部は汎用小型軸力センチエンス社）を採用した。汎用小型3軸力センサはφ5mm x 2.8mm 3の円柱状でZ軸方向+2N、せんスタの サ（SP22-FFC15、タッチエンス社）を採用した。汎用小型
X 軸センサヘッドの面積に近い寸法、縦 12mm×横 10mm3 とした。ピアノ線群により、掃引軸力センサはφ5mm x 2.8mm の円柱
断方向X，Y軸±2Nの3軸の力検知ができる。このセンサ表面に自作センサスキンを装着し用いた。
時に対象物と接触し、摺動時に削れにくく滑らかに動くための硬さを確保した。汎用3 軸力覚セン状で Z 軸方向+2N、せん断方向 X，Y 軸±2N の 3 軸の力検知ができる。このセンサ表面に自作セン
自作センサスキンの表面部分はピアノ線20本を束ね、従来の摩擦感テスタのX軸センサヘッドの面サにセンサスキンを装着することで摩擦感テスタと同様のセンサ表面状態での測定を可能とした。
サスキンを装着し用いた。自作センサスキンの表面部分はピアノ線 20 本を束ね、従来の摩擦感テ積に近い寸法、縦12mm×横10mmとした。ピアノ線群により、掃引時に対象物と接触し、摺動時
図 4 において右側が従来型摩擦感テスタの左右動センサヘッドの布地接触用ヘッド表面形状、左側
スタの X 軸センサヘッドの面積に近い寸法、縦 12mm×横 10mm とした。ピアノ線群により、掃引に削れにくく滑らかに動くための硬さを確保した。汎用3軸力覚センサにセンサスキンを装着する
時に対象物と接触し、摺動時に削れにくく滑らかに動くための硬さを確保した。汎用
3 軸力覚センが自作センサスキン表面の形状写真である。
新規装置でのデータ取得に用いる汎用 3 軸力センサ用ことで摩擦感テスタと同様のセンサ表面状態での測定を可能とした。図4において右側が従来型摩サにセンサスキンを装着することで摩擦感テスタと同様のセンサ表面状態での測定を可能とした。
計測回路と信号処理回路をアーム先端部に固定した(図5 参照)。
擦感テスタの左右動センサヘッドの布地接触用ヘッド表面形状、左側が自作センサスキン表面の形
図 4 において右側が従来型摩擦感テスタの左右動センサヘッドの布地接触用ヘッド表面形状、左側状写真である。新規装置でのデータ取得に用いる汎用3軸力センサ用計測回路と信号処理回路をが自作センサスキン表面の形状写真である。新規装置でのデータ取得に用いる汎用 3 軸力センサ用アーム先端部に固定した(図5参照)。
計測回路と信号処理回路をアーム先端部に固定した(図 5 参照)。

図 4 自作センサスキン(左)，摩擦感テスタスキン(右)図 5 計測回路の取付状態

4. 新規摩擦試験機の実測結果
4 自作センサスキン(左)，摩擦感テスタスキン(右)図 4 図自作センサスキン(左)，摩擦感テスタスキン(右)4. 新規摩擦試験機の実測結果

4－ 90 －4

図 5 計測回路の取付状態
図 5 計測回路の取付状態

4. 新規摩擦試験機の実測結果
新規摩擦試験機の動作試験を行った。１つめは従来の摩擦感テスタと同等の直線軌道である。こ
新規摩擦試験機の動作試験を行った。１つめは従来の摩擦感テスタと同等の直線軌道である。
れは30mmの直線区間を60秒間で往復する動作であり、必要な速度である1㎜/sでの掃引が新規摩これは 30mm の直線区間を 60 秒間で往復する動作であり、必要な速度である 1 ㎜/s での掃引が新擦試験機でも確認できた。2つめは新たな動作として円軌跡による掃引を行った。各モータを制御
規摩擦試験機でも確認できた。2 つめは新たな動作として円軌跡による掃引を行った。各モータ
しセンサの姿勢を一方向に保ちつつ、半径15mmの円を60秒で描くことが実現でき、2次元平面上を制御しセンサの姿勢を一方向に保ちつつ、半径 15mm の円を 60 秒で描くことが実現でき、2 次での新たな掃引試験が可能となった。
元平面上での新たな掃引試験が可能となった。
5. まとめ
5. まとめ触覚解析において人間の動作を模擬するロボット用摩擦感試験機を製作した。完成した摩擦感試
触覚解析において人間の動作を模擬するロボット用摩擦感試験機を製作した。完成した摩擦感試
験機の仕様について表2にまとめる。従来の布地用摩擦感テスタは駆動方向が1軸であり、往復方験機の仕様について表 2 にまとめる。従来の布地用摩擦感テスタは駆動方向が 1 軸であり、往復方向のみであった。さらにセンサヘッド構造が2種に限定されており測定対象が布地専用となってい向のみであった。さらにセンサヘッド構造が 2 種に限定されており測定対象が布地専用となっている。印加荷重も予めヘッド毎に決められている。新規に製作した試験機はモータを4つ、3軸力覚る。印加荷重も予めヘッド毎に決められている。新規に製作した試験機はモータを 4 つ、3 軸力覚センサを1つ搭載した。これにより2次元方向への掃引、印加荷重の調整、センサヘッド回転補正センサを 1 つ搭載した。これにより 2 次元方向への掃引、印加荷重の調整、センサヘッド回転補正を可能とした摩擦感測定を実現した。またセンサヘッド先端に交換可能な自作センサスキンを装着を可能とした摩擦感測定を実現した。またセンサヘッド先端に交換可能な自作センサスキンを装着し、ばね機構を用いた荷重機構により測定対象物の表面凹凸に追従可能で円滑な掃引を可能としし、ばね機構を用いた荷重機構により測定対象物の表面凹凸に追従可能で円滑な掃引を可能とした。
た。その結果、布地以外の対象物においても設定荷重を変え、測定できる。これらにより従来の摩その結果、布地以外の対象物においても設定荷重を変え、測定できる。これらにより従来の摩擦感
擦感テスタでは実現できなかった各種素材に対し、広範囲な測定条件において、人間の動きを模しテスタでは実現できなかった各種素材に対し、広範囲な測定条件において、人間の動きを模した摩た摩擦感の測定実験が可能となった。
擦感の測定実験が可能となった。
表表2 2水平多関節型摩擦感試験機
水平多関節型摩擦感試験機

謝辞
謝辞
本研究を遂行するにあたり、名城大学大学院理工学研究科修士(博士前期)課程、メカトロニクス工学専攻の三島伊吹さん、名城大学理工学部メカトロニクス工学科の藤來将之さんの研究活動に感本研究を遂行するにあたり、名城大学大学院理工学研究科修士(博士前期)課程、メカトロニクス謝します。本ロボット用摩擦感試験機の製作にあたり、モータ選定、駆動方式に関し適切なアドバ工学専攻の三島伊吹さん、名城大学理工学部メカトロニクス工学科の藤來将之さんの研究活動に感イスをいただいたオリムベクスタ株式会社、オリエンタルモーター株式会社の関係者に感謝いたし謝します。本ロボット用摩擦感試験機の製作にあたり、モータ選定、駆動方式に関し適切なアドバます。
イスをいただいたオリムベクスタ株式会社、オリエンタルモーター株式会社の関係者に感謝いたします。

－ 91 －5参考文献［1］土屋駿斗,ShaoChenzhong,新海拓哉,中山貴裕,平野栄樹,田中秀治,室山真徳,野々村裕,「神経網型センシングシステム用LSIチップを用いたロボット用温力感センサヘッドの試作」,電気学会研究会資料フィジカルセンサ研究会,PHS-17-19 (2017)［2］菅沼雄介,大橋祐也,佐々木実,野々村裕,「触覚熱流センサのための薄膜サーミスタ作製」,平成
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