MBDを活用した人協働ロボットのハンド開発
並びに開発プロセスの概要
2021/09/08
京セラ株式会社 ロボティクス事業部 システム技術開発センター システム開発チーム
大野 一樹

1© 2021 KYOCERA Corporation.

目次
1.

会社案内

2.

DSD構造を用いたロボットハンド開発プロセスの提案
ロボットハンド開発の理想
背景・課題
リアルタイムシステムについて
DSD構造を用いたハンド開発プロセスの提案

３.

ロボットハンド開発事例
プラントモデリング
DSD制御の設計（制御系の設計・検証）
実装
ハンド開発事例まとめ

４. ロボットアームとハンドの統合モデル –マルチモーダルシステムの構築５. まとめ –ロボットハンドのエコシステムの実現に向けて-

2© 2021 KYOCERA Corporation.

目次
1.

会社案内

2.

DSD構造を用いたロボットハンド開発プロセスの提案
ロボットハンド開発の理想
背景・課題
リアルタイムシステムについて
DSD構造を用いたハンド開発プロセスの提案

３.

ロボットハンド開発事例
プラントモデリング
DSD制御の設計（制御系の設計・検証）
実装
ハンド開発事例まとめ

４. ロボットアームとハンドの統合モデル –マルチモーダルシステムの構築５. まとめ –ロボットハンドのエコシステムの実現に向けて-3© 2021 KYOCERA Corporation.

フィロソフィ

社是 ［ 敬天愛人 ］
常に公明正大 謙虚な心で 仕事にあたり
天を敬い 人を愛し 仕事を愛し会社を愛し 国を愛する心

経営理念
全従業員の物心両面の幸福を追求すると同時に、人類、社会の進歩発展に貢献すること。

名誉会長
稲盛 和夫

京セラフィロソフィ
京セラフィロソフィは、「人間として何が正しいか」をものごとの判断基準におき、すべての行動において、公明正大でまじめに一生懸命努力していくことの大切さを示す人生哲学、経営哲学です。

アメーバ経営代表取締役会長

代表取締役社長

山口 悟郎

谷本 秀夫

経営理念の実現とお客様の満足のために、京セラフィロソフィとアメーバ経営をベースにグループの力を結集し、新たな価値を創造し続けます。

アメーバ経営とは、組織を小集団に分け、市場に直結した独立採算制により 運営し、経営者意識を持ったリーダーを育成し、 全従業員が経営に参画する「全員参加 経営」を実現する経営手法です。

4京セラグループについて

その他の地域>>地域別売上高（連結）47,599 百万円 ［3.1%］（2021年3月期）

米国

日本

256,056 百万円 ［16.8%］

550,161 百万円 ［36.0%］
ヨーロッパ
アジア

282,422 百万円 ［18.5%］

390,659 百万円 ［25.6%］>>事業セグメント別売上高構成比（連結）売上高 1,526,897 百万円 （2021年3月期）
産業・自動車用部品
ファインセラミック部品
自動車部品
液晶ディスプレイ

23.5％
機械工具
光学部品

スマートフォン
携帯電話
タブレット

17.3％

半導体関連部品
セラミックパッケージ・基板
有機化学材料
有機パッケージ・プリント配線板

電子デバイスコンデンサ
SAWデバイス水晶デバイス▶部品事業 計

15.2％

その他

IoT通信モジュール・IoTユニット
情報通信サービス

ホテル他

コミュニケーション

ドキュメントソリューション

20.7％

調整及び消去

1.2％

△2.1％

プリンター・複合機
ＥＣＭソリューション
インクジェットプリンティングシステム

20.0％
パワーデバイスコネクタ
プリンティングデバイス

60.8％

生活・環境4.2％

環境・エネルギー関連
医療用製品
宝飾品・キッチングッズ他▶機器・システム事業 計▶その他、調整及び消去 計

40.1％

△0.9％

5

ビジョン

街を、暮らしを、社会を支える
京セラの総合力。
Devices &Equipment

エネルギーマネジメントシステム・サービス

ICTソリューション

情報通信市場

スマートフォン
ＥＣＭソリューション

エネルギー製品
環境エネルギーエンジニアリング

デバイス・機器
プリンター・複合機

液晶ディスプレイ

空圧・電動工具

通信エンジニアリング

Systems &Services

プリンティングデバイス

医療用製品

IoT通信機器・モジュール

自動車関連市場システム・サービス
あらゆる人やものをつなぐ情報通信市場、Materials &Components

パワーデバイス

素材・部品

ICT化が急速に進む自動車関連市場、地球の環境保全に貢献する環境・エネルギー市場、人々の安心・安全な暮らしを支える医療・ヘルスケア市場など、ますます拡大するIoT（Internet of Things）社会の中核をなす分野において最先端の製品・サービスを提供しています。

自動車部品

環境・エネルギー市場

京セラはこれら4つの市場を重点市場と定め、
コネクタ

コンデンサ

水晶デバイス・SAWデバイス

切削工具

光学部品

さらに便利で、持続可能な世界の実現のために、グループの総合力で、価値のある製品・サービスを届け続けます。

有機パッケージ・プリント配線板

セラミックパッケージ・基板

有機化学材料

ファインセラミック部品

6

医療・ヘルスケア市場

3

目次
1.

会社案内

2.

DSD構造を用いたロボットハンド開発プロセスの提案
ロボットハンド開発の理想
背景・課題
リアルタイムシステムについて
DSD構造を用いたハンド開発プロセスの提案

３.

ロボットハンド開発事例
プラントモデリング
DSD制御の設計（制御系の設計・検証）
実装
ハンド開発事例まとめ

４. ロボットアームとハンドの統合モデル –マルチモーダルシステムの構築５. まとめ –ロボットハンドのエコシステムの実現に向けて-

7© 2021 KYOCERA Corporation.

ロボットハンド開発の理想
仮想環境

＋

メカ機構

実環境

＋アクチュエータ

MATLAB®/Simulink®
モデルベース設計(MBD)

変換センサー

ソフトウェア実装

MATLAB®
Embedded Coder＝マイコン

理想・仮想環境上でハンド構成要素を自由に組み合わせハンドシステムを構築・構築したハンドシステムをシームレスにマイコンへソフトウェア実装
8© 2021 KYOCERA Corporation.背景：多品種適量生産への対応
製造現場の課題

多品種適量生産に対応するには何でも掴める汎用ハンドはない

あれ欲しい
これ欲しい

機能Aハンド

顧客ニーズの多様化

多品種適量生産の増加

機能Bハンド機能Cハンド

把持対象物に適した機能を持つハンドを適宜開発
ハンドを効率良く開発できる手段が必要

ハンドを効率良く開発する手段として、MBDを活用した開発プロセスについて提案する
9© 2021 KYOCERA Corporation.

MBDを活用したロボットハンド開発プロセス
モデリング
要件定義

システム検証

受け入れ
テスト

手戻り

基本設計

仮想環境

受け入れ
テスト

ロバスト性の把握

システムテスト

システムテスト

詳細設計

単体テスト

制御系設計

制御系検証
単体テスト

実装

実装

従来：V字プロセス
実機を作って検証→手戻りの工数が大きい

MBDを活用したプロセス
仮想環境で検証→設計品質向上

MBDを活用することで設計のフロントローディングが可能となり、ハンドの開発効率を高められる
続いてソフトウェア実装へ10© 2021 KYOCERA Corporation.

ソフトウェア実装
仮想環境

実環境

MBDを活用しハンドシステム構築（通常）
手動で１からプログラミング→実装（開発工数が大きい）

MATLAB®
Embedded Coder
変換

ソフトウェア実装

課題（本講演のポイント）
本講演では、ソフトウェア実装の課題を挙げ、解決策を提案する
11© 2021 KYOCERA Corporation.

ソフトウェア実装の課題 –リアルタイム性仮想環境

MBDで構築したハンドシステム

システム実行時間イメージ（：実行タイミング）

設定した通りに動作する

センサA

センサB

実環境
センサB

センサA

time(μsec）
C言語---------------

変換

ハンド

次の処理を開始できない

実装

例：フィードバック処理、各種データセンサ処理

課題

プログラム処理にかかる時間

仮想環境と動作がズレる
time

仮想と実環境で同じ動作をさせるにはリアルタイム性（処理を時間内に終わらせる）の設計が必要
12© 2021 KYOCERA Corporation.

本講演のポイント

ポイント

仮想環境で予めリアルタイム性を保証できるシステムを構築し、マイコンに実装した際の実時間における動作を保証できるようにすること

モーター速度フィードバック制御を例に説明
13© 2021 KYOCERA Corporation.

リアルタイムシステムの構造
リアルタイムシステム 開始前処理

変換ω

リアルタイムシステムを構築したい

加速
停止

定速

減速

構造

指示値
速度(ω) ＋コントローラー-

分岐①どの状態の処理を行うか分岐判定

モーター

time
速度プロファイル

ω
エンコーダ

モーターの取りうる状態遷移

S0
停止

S1
加速

S2
定速

停止
加速

減速
定速

後処理

S3
減速

・・・

②いずれか１つの状態の処理を行う（状態駆動制御）終了

リアルタイムシステムの特徴①

処理したい機能（タスク）を状態ごとに分けて処理する（状態駆動制御）
何故状態ごとに分けるのか？詳細14© 2021 KYOCERA Corporation.

プログラム処理時間の保証
状態ごとに処理を分けない場合

状態ごとに処理を分けた場合

分岐

分岐

構造

速度制御処理S0
停止

目標時間
速度制御処理

S1
加速

S2
定速

S3
減速

・・・

目標時間

目標時間内に処理が終わらない

目標時間内に処理が完了

S1
加速

time

time

状態駆動制御を行うことで、プログラム処理時間の保証が可能
15© 2021 KYOCERA Corporation.

ハンド機能（タスク）が複数ある場合のリアルタイム処理

300µsec
100µsec
Task0：モータ速度フィードバック制御

timeコントローラー
Task1：センサAデータ処理

コントローラー

Task0

Task1

Task2

Task0

Task1

各タスクの処理イメージ（例：100μsecごとにTaskを起動）
この場合、Task0のモータ制御は300µsec周期で起動

Task2：センサBデータ処理

リアルタイムシステムの特徴②

タスクごとに状態駆動制御を行い、時間をずらして周期的（離散的）に起動させる
16© 2021 KYOCERA Corporation.

MATLAB/Simulinkによるリアルタイムシステムの記述
ソフトウェア構造

MATLAB®/Simulink®
Task2
Task1

共通の構造

Task0

S0
停止

S0
停止

S0
停止

S1
加速

S1
加速

S1
加速

S2
定速

S2
定速

S2
定速

S3
減速

S3
減速

S3
減速

リアルタイムシステムの特徴③

リアルタイムシステムはMATLAB/Simulinkで記述でき、共通の構造を構築できる17© 2021 KYOCERA Corporation.

リアルタイムシステムの特徴まとめ
特徴①：
状態ごとにプログラム処理する状態駆動制御により、処理時間の保証が可能
特徴②：
各タスクは時間をずらして周期的（離散的）に起動させる
特徴③：
MATLAB/Simulinkにより記述できる
離散型状態駆動構造(Discreate-State-Driven）

離散的に状態駆動させながら処理するシステム=離散型状態駆動(Discreate-State-Driven:DSD)構造によりリアルタイム性を保証できる
18© 2021 KYOCERA Corporation.

ハンドシステムにおけるDSD構造の位置付け
従来：ハンドシステムイメージ

京セラの提案するハンドシステム

DSDの役割汎用ソフトウェア

ソフトウェアハードウェア（構成要素）
構成要素に依存したソフトウェアを設計→一品一様の設計

ソフトウェアアプリケーション

DSD

ミドルウェアハードウェア（構成要素）
ハンド構成要素に依存する処理→DSDで処理

詳細DSD

OS
TIM/割込み

ドライバ
ハードウェア

ソフトウェアを一部汎用化→一品一様設計から脱却

ハードウェア構成要素に依存する処理 → DSD〃
依存しない処理 → 汎用ソフトウェア（一品一様設計から脱却）
19© 2021 KYOCERA Corporation.

DSD構造を用いたハンド開発プロセスの提案
ハンドシステム構成

MBDを活用した開発プロセス◆DSD構造によるハンドシステムの設計（例：制御系設計）

変換

ソフトウェア実装

MATLAB®
Embedded Coder

アプリケーション
DSD

ミドルウェアOS

TIM/割込み

ドライバ

ハードウェア（マイコン）

提案するハンド開発プロセス◆Plant Model構築

仮想環境でDSD構造でハンドシステムを設計
把持対象物・ハンドモデル

モーターモデル

Embedded CoderでC言語に変換しマイコンへ実装
20© 2021 KYOCERA Corporation.

目次
1.

会社案内

2.

DSD構造を用いたロボットハンド開発プロセスの提案
ロボットハンド開発の理想
背景・課題
リアルタイムシステムについて
DSD構造を用いたハンド開発プロセスの提案

３.

ロボットハンド開発事例
プラントモデリング
DSD制御の設計（制御系の設計・検証）
実装
ハンド開発事例まとめ

４. ロボットアームとハンドの統合モデル –マルチモーダルシステムの構築５. まとめ –ロボットハンドのエコシステムの実現に向けて-

21© 2021 KYOCERA Corporation.

プラントモデリング
開発するハンドシステム
平行チャック型で、リアルタイムに速度と接触力情報を取得してストローク制御が可能なハンドシステム
平行チャック型

システムブロック線図
Simscape Multibody™
接触力u

モーター

メカ機構
（ハンド指）

ワーク

操作量y1

エンコーダ

速度出力

Simulink®

DSD制御（コントローラー）・Task0：速度制御
・Task1：接触力データ処理

y2
接触力出力

22
© 2021 KYOCERA Corporation.

プラントモデリング
システムブロック線図（Simulink®）
Simscape Multibody™
Data Store Memoryブロック
Task1
Task0

V
接触力モデル

DSDから
電圧指示

DSD制御（コントローラー）Task0：速度制御, Task1：接触力データ処理

Simulink®

モーターモデルメカ機構
ハンドモデル

エンコーダモデル

DSDへ接触力を出力ワークモデルωDSDへ速度を出力

23© 2021 KYOCERA Corporation.

DSD制御の設計① -目標設定制御周期、処理時間の目標設定

DSD制御 設計項目
（例）
・制御周期：500µsec
・処理時間目標：50µsec
・各Taskの処理間隔：125µsecTask1
Task0

500µsec
125µsec
Task0
速度制御
Task1
接触力データ処理

Task2(Blank)
Task3(Blank)
Task0
Task1
目標(50µsec)

Task2

Task3

各Taskの処理イメージ（

Task0

Task1

Task2

time(μsec）：実行タイミング）24© 2021 KYOCERA Corporation.

DSD制御の設計② -状態の割り当てDSD制御への状態の割り当て
例：Task0 速度制御の状態割り当て

速度(ω)

Simulink®

定速

加速
停止

減速
停止

状態遷移に基づき、DSD制御に状態を割り当てる

time

モーターの速度プロファイル
V

加速
テーブル

モーターへ出力

サーボコントローラω

速度入力

Task1(接触力データ処理)も同様の手順で割り当てる
引き続きサーボコントローラの制御設計

速度制御状態遷移図
25© 2021 KYOCERA Corporation.

DSD制御の設計③ -制御系の設計速度制御系の設計
500µsec周期(2kHz)でChartを起動
制御周期（サンプル周期）を表現

速度制御ボード線図
40Simulink®
線形化ツールでボード線図作成

ゲイン[dB]

InputとOutputを指定し0-40

零点周波数=53.8Hz=338rad/sec≒3msec

Plant
-80
-90

処理時間50µsec(無駄時間)Input
ω

加速テーブル

Outputω(Transport-Delay)

モーター（2次遅れ）

位相[°]

-180

LQIRコントローラ（1次遅れ）-270

エンコーダ
DSDとPlantのデータをやりとり(Data Store Memory)270°

離散(2kHz)ω

DSD制御(加速Stateの中身)

連続-360110100周波数[Hz]

1kHz(ナイキスト周波数)

2kHz(サンプリング周波数)26© 2021 KYOCERA Corporation.

DSD制御の設計④ -制御系の検証速度制御系の検証

ステップ信号（目標）

ステップ信号を入力

時定数：3msec
ボード線図
零点周波数と一致することを確認

速度制御ステップ応答の確認
27© 2021 KYOCERA Corporation.

仮想環境でのシステム検証
スタート

速度制御（把持物近傍まで移動）

定速

ビジュアル的に確認することもできる加速

把持（力位置制御）

目標
把持力

減速

28
© 2021 KYOCERA Corporation.

ソフトウェア実装
今ココ
設計したDSD構造
Task1
Task0

S0
停止

S1
加速

S2
定速

S3
減速

変換
ソフトウェア実装（今後）

サーボコントローラ

MATLAB®
Embedded Coderで変換したコード
コード確認中。。
29© 2021 KYOCERA Corporation.

ハンド開発事例まとめ①ハンドシステムを選定：⑤DSD制御の設計：制御系の設計・検証

リアルタイムに速度と接触力情報を取得してストローク制御が可能な、平行チャック型のハンドシステム②プラントモデリング⑥ロバスト性の把握
・モンテカルロ法⑦ソフトウェア実装（確認中）③DSD制御の設計：設計目標を立てる
・制御周期, プログラム終了時間, 各タスクの処理間隔④DSD制御の設計：状態を割り当てる⑧実機検証（今後）30© 2021 KYOCERA Corporation.

目次1.

会社案内

2.

DSD構造を用いたロボットハンド開発プロセスの提案
ロボットハンド開発の理想
背景・課題
リアルタイムシステムについて
DSD構造を用いたハンド開発プロセスの提案

３.

ロボットハンド開発事例
プラントモデリング
DSD制御の設計（制御系の設計・検証）
実装
ハンド開発事例まとめ

４. ロボットアームとハンドの統合モデル –マルチモーダルシステムの構築５. まとめ –ロボットハンドのエコシステムの実現に向けて-

31© 2021 KYOCERA Corporation.

ロボットアームモデル

32© 2021 KYOCERA Corporation.

ロボットアームとハンドの統合モデル -マルチモーダルシステムの構築■ロボットアームモデルとロボットハンドモデルの統合・ロボットアームのダイナミクスと併せたシミュレーション
・全体システムを統合して設計・検証

DSD構造の構築により、ハンドシステムとアームコントローラの同期をとることが可能
アームとハンドのセンサデータを相互にやりとりしマルチモーダルな制御が可能

通信
ハンドシステム

アームコントローラ
33© 2021 KYOCERA Corporation.

目次
1.

会社案内

2.

DSD構造を用いたロボットハンド開発プロセスの提案
ロボットハンド開発の理想
背景・課題
リアルタイムシステムについて
DSD構造を用いたハンド開発プロセスの提案

３.

ロボットハンド開発事例
プラントモデリング
DSD制御の設計（制御系の設計・検証）
実装
ハンド開発事例まとめ

４. ロボットアームとハンドの統合モデル –マルチモーダルシステムの構築５. まとめ –ロボットハンドのエコシステムの実現に向けて-

34© 2021 KYOCERA Corporation.

まとめ -ロボットハンドのエコシステムの実現に向けて理想・仮想環境上でハンド構成要素を自由に組み合わせハンドシステムを構築・構築したハンドシステムをシームレスにマイコンへソフトウェア実装
実現手段
・ MBDを活用することで、仮想環境上で構成要素を自由に組み合わせたハンドを設計できる・リアルタイム性を保証したシステムを仮想環境上で構築し、シームレスにソフトウェア実装できる開発プロセスを提案した

離散型状態駆動(DSD)構造35© 2021 KYOCERA Corporation.

END

36
© 2021 KYOCERA Corporation.

URL■MATLAB EXPO 2020

「人協働多軸ロボットのハンド技術開発における仮想開発環境の活用」
https://www.matlabexpo.com/content/dam/mathworks/mathworks-dotcom/images/events/matlabexpo/jp/2020/utilization-of-virtual-development-environment-in-hand-technologydevelopment-of-multi-axis-robots.pdf■マイナビニュース「バーチャルからリアルまでシームレスに：京セラが挑むロボット開発の革新」
https://news.mynavi.jp/kikaku/mwj-15/■CEATEC 2020
「AI協働ロボット・システム」

https://www.kyocera.co.jp/ceatec /https://www.kyocera.co.jp/robotics/
37© 2021 KYOCERA Corporation.