RCB-4HV による新しい６自由度柔軟関節肩義手（ロボットアーム 1.6kg）の開発
木下敏治*

平田 一真**

篠原稜***

坂井 剛士****Development of the New flexible Shoulder Disarticulation Prosthesis (SDP)(Robot Arm
1.6kg) with six degrees of freedom using the RCB-4HV
Toshiharu KINOSHITA , Kazuma HIRATA , Ryo SINOHARA, Tsuyoshi SAKAI

Abstract
In this paper, I use the RC servo motor, we propose a practical high torque SDP. 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 was measured by a potentiometer using the Rcb4CommandGenerator.
A new practical flexible joint SDP (Flexible joint Robot Arm 1.6Kg) can make by new
vibration control theory.θ2 aluminum channel changed carbon channel. Thrust bearing is used
θ1 and θ3. New Al-Mg (2.2~2.8%) alloy is used to comper with old Al-Mg (0.2~0.8%) alloy.
A Rise time, A Fall time, Settling time and Steady-state deviation using control engineering ispossible to solve from the fundamental GL900’s data. As a result, prehension part of flexible
joint SDP is stopped vibration of a hand by principle of conservation of energy.

Keywords: Flexible joint, Unit step response, Robot Arm, RCB-4HV control circuit ,Vibration

1.

まえがき
全国 18 歳以上の身体障害者数（在宅）は，34
8 万 3000 人（平成 18 年 7 月度）と推計されており，その中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，肢体不自由者は 0.6％増と年々増加傾向となっている。
肢体不自由者は 0.6％増と年々増加傾向となっている。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。
*香川高等専門学校詫間キャンパス

電子システム工学科**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***金沢工業大学電気電子工学科**** 四国電力

121

Google のアクセスランキングのサイトでキーワードを「柔軟関節ア-ム」と入力すると平成 25
年 3 月 18 日の例だと 857000 件の中で 2 ページ
までに 17 件の木下研究室の研究論文がアクセスされている。
他の大学などの研究成果も多数アクセスされている。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。
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香川高等専門学校研究紀要 4(2013)いる。これは，，外部エネルルギーを利用 して止めていいないののでエネルギギー変換効率はは良い。しかかし，
本研究室
室の肩義手は
は目標値に完完全に追従す るにはまだ及及んでいないので，目標値値に完全に追 従できる肩義義手の開発をを実現することが本研究 の課
題であるる。実現すればばエネルギー
ー変換効率の 良い，
軽量で高高精度な柔軟関節肩義手ととして，産業 用ロ
ボットにに応用可能となる。
経緯
1.1. 経本研究
究は現在の制制御理論では安定な制御 が非常に難ししいとされてている柔軟関
関節構造を肩 の部
分に持つ
つ 6 自由度肩義手である。
エネル
ルギー吸収ボボックスと名付けたアル ミニ
ウムで出出来た入れ物
物に柔らかいアルミチャ ンネ
ルを用い
いて、RC サーーボモータをを上下のアル ミ板で挟んだだ構造のアククチュエータをぴったり とネジ止めすすることによよりすべての不必要な振動
動モードはエ
エネルギー吸吸収ボックスの弾性限界 内のゆがみととアルミの表表面振動エネルギーを熱 エネ
ルギーととして刻々とと放出されるように設計 してある。
関節肩義手のの制御という難問に今ま でに柔軟関ない音響
響工学の最新理論 (B＆W
W，FST(フィ クス
ト・サス
スペンションン・トランデューサー)コ ーン
からエッ
ッジは伝わる
る屈曲波を熱熱エネルギー に変換する)をを用いて肩義義手の実用化に近づく 1 つの方法を見見つけ出すことが出来た。
B＆W
W 社の FST の理論でエネのネルギー吸収 ボックスの弾
弾性変形を一
一定の範囲の変形にとど める様にするる。箱全体がババネの様に元元に戻る構造 である。本研
研究は，エネル
ルギー保存則則を用いて肩 義手の θ1，θ2，θ3，θ4 の余
余分のエネルルギー成分を熱熱エ
ネルギーーに変換してて弾性変形範範囲を一定値以以内にとどめめることにより，肩義手のの手先が振動 しない制御をを実現した。
以上のの工夫により，2007 年に上上腕水平回転転角 θ
挙上角 θ2、上腕
腕回旋角 θ3、肘屈曲角 θ4 の 4
1、上腕挙
自由度に
にエネルギー
ー吸収ボックスを用いる ことにより， 非常に安定
定した動作を本
本体重量 10024g
した。香川高等等専門学校研研究紀要第 1 号に
で実現し
掲載した
た論文より，本方式が肩義本義手だけでな くあ
らゆるロ
ロボットに適用できることとを示した。
図 1.1 に RCB-4H
HV(12g)の写真真を示す。図
図 1.2の概略図を示す。ハードウ
ウェアによる 安定に研究のな動作制
制御とソフトトウェアによる正確な動作
作制
御の二つつを兼ね揃ええた軽量な肩肩義手を開発すすることが本
本研究の目的である。
そしてて，産業用ロボ
ボットとしてて応用できる ことを示すこことが目標である。また，小型軽量な ポテ
ンショメ
メータを用いて肩の上腕挙挙上 θ2 の値 が，柔軟関節節構造にするることによりどのような影影響を受けてているかを，GRAPHTEC
C の GL900 を用
いてデーータ化し，制御
御工学の各種
種パラメータ の値
を測定し
した。
本方式
式を産業用ロ
ロボットへ応応用すればエネネル
ギー問題
題の画期的な解
解決法となるる。

図 1.1. RCB
B-4HV

図 1.2. 研究の
の概略図
1.2..

柔軟関節肩
肩義手(ロボ ットアーム)の設計理論
本研究は実用本用化が難しいいと思われている多自由度度柔軟関節ロボットアーム
ム（肩義手）の開発例
を示示す内容である。ロボット
トアーム（肩肩義手）の振動
動についてはは高野政晴先生
生の「詳説 ロボットの運運動学」オーム社、P131 から P145 に詳しく理論論的に考察されている。
を測定し、関節駆動の関「ロボットアームの振動をデー
ータを制御して、振動を抑抑制することは理論的にはは可能であるが、実際にはは難しい」と書いてあ
る。
また、
ま
「直列に
に繋がった n 次元の振動動モデルの運動動方程式を解解くことによ り固有振動を求めているる。アームの変変形がなく、関節の柔らかさだけで振振動が生ずるとすると仮定
定したシステテムでは、理論論的に 6n 個のの固有振動数
数と固有モーードがある。
アー
ームの剛性もも考慮すると アームの弾性振動が加わ
わり、モードは無限に存在在する。」上
上記の内容
を開開発した６自由度柔軟関節
節肩義手（ロボットアームム）に対応させて考察するる。θ1 かららθ4 はモータ
タを以前のアルミ板 Mg((0.2-0.8%)より強度の強い
い Al-Mg(2.2--2.8%)合金にに変え、外枠の Al-Mg(2.2
2-2.8%)合金もも厚さ 1.5m の弾性変形形の大きな構造造に変え、柔らかいアルミ
ミチャンネル
ルを用いて
モーータ部と外わく部は結合さされている。すなわち、小ささな外力によよる変形はア
アルミチャンネルの板バネ
ネとしての能力で対応し、、より大きな外力に対してては外枠のア
アルミ板が板板バネとして働働くように設設計してある。手先の位置
置決めに関係しないθ
5、θ6 は柔軟関関節構造にははなっていない。理論には４自由度が柔軟関節ととなっている
るので 6×的に4＝24、すなわち
ち 24 個の固固有振動数がある。そ上、θ2 とθ3 の間はアルルミチャンネルをカーの上122

木下敏治 他 ： RCB-4HV による新しい６自由度柔軟関節肩義手（ロボットアーム1.6kg）の開発

ャンネルに変えた。有本先先生（新版 ロボ
ボンチャ
ットの力
力学と制御、朝朝倉書店、2002、P97、図図 4.
18 参考））のテキスト
トの内容を参参考にして、図図 1.
3 のリンンクの部分の弾
弾性減衰係数
数がより大き くなるようにに設計してある。他の部分分はアルミチ ャン
ネルで対対応している。

2.

研究概要

2.1.. 概要
本研究では，
本
設計製作した柔軟関節2009 年度設
６自自由度肩義手の一部を改良
良し，各種デデータを測定しした。問題点をを改良して新新たに柔軟関節 6 自由度柔
柔軟関節肩義義手を製作しし各種データを測定した。コントロールボードは通通信速度が 1.25Mbps
1対応する RCB-4HV(近藤藤科学製)を用いた。日に対常生生活においてスプーンでもものを食べる
る，コップ
で水
水を飲む等の食事動作，電電話に出る等等の机上動作にに対応する各関節角度を想想定して，上腕挙上角上(θ22)を 0 度からら 120 度まで
でステップ応
応答させ，
立上
上り時間，立下
下り時間，定定常偏差，整定
定時間(±2％))，整定時間((±5%)をポテ
テンショメーータとデー
タロ
ロガーGL 9000 で測定したた。柔軟関節肩肩義手(ロボッットアーム)は
は，手先の振振動を目標値で静止させる
ることが非常常に難しいと 立命館大学の有本先生のの著書「新版ロボットの力
力学と制御」で述べられてている。得られれたデータを
を以下の各章章で示すことににより，今まで
での肩義手よより定常偏差差などの制御用用パラメータ
タの値が実用
用上問題ない値になっていいることが分かった。まずず以下の各章章において
RCB
B-4HV の設定
定の仕方，RRC サーボモーータ 6003
HV の基本性能のの設定の仕方方，新しい肩肩義手の製方法などを含む実験方法をを示し，得られた結果
作方の波波形を示し，それをもとにそにデータ処理理を行った。

図 1.3 柔軟関節のモモデル
結果、振動モーードはアームムの振動モー ドがその結のることとになり、24
4 個以上の固固有振動モー ドが存在する
ることになる。

4 スラストベ
ベアリングにによる強度問題
題の
図 1.4
解決案
工学の
の目的は目標
標とする性能能を持つ発明 を行うことににあるので、本研究では予本
予算の少なさ もあり、振動
動解析についてては行わず、結果として 手先の振動がが止まっているかどうかををθ2 のポテ ンシ
ョメータ
タの電圧波形
形の時間的変変化で測定す ることにしたた。強度問題のの解決方法をを図 1.4 に示 す原理で実行行した。詳しくは本文で示示す。その結結果、定常偏差
差は±5%以内
内におさまり、制定時間 も負荷 500g で 120°から
ら 0°にθ2 を移動させたた時、秒となり実用上上問題のないい値となったた。ま約 1.6 秒
た、目標
標値では手先はは完全に静止止しているこ とをステップ
プ応答波形のデータで確認認した。以下 に本研究を追追実験可能な
な形で論文として公表す るものであるる。本研究は地
地球の温暖化化を止めるた めの工場内ででの産業用ロボットに応用用可能である
る。ロ
ボットをを作る材料も 10 分の 1 程度にできる程。軽量化(1.66kg で 500g の物を移動でのきる)が出来 るた
めエネル
ルギー変換効率は非常に大大きい。福島 の原
子力発電
電所の工事ななどでの使用を目的とし たヒューマノ
ノイドロボットにも応用可可能である。

123

2.2.. 新しい 6 自由度柔軟関
関節肩義手
上腕部を従来上
来のアルミチチャンネルからカーボ
ン製
製チャンネルに変更した。またスラストベアリ
ング
グを上腕水平平回旋部及びび上腕の回旋部に取り付けけている。またたサーボモー
ータ取付け部
部の取付け
ネジ
ジ本数を工作精度の向上ににより 3 本かから 6 本に増ややすことが出来た。図 2.11 が従来の肩肩義手のサーボ
ボモータ取り付け部でありり，図 2.2 が今回製作
した
た肩義手のサーボモータ取取付け部であある。取付
けネ
ネジの本数が増えている事事が確認出来来る。またサーーボモータフフリーホーン
ン部が通る部分をコの字ににカット（図 2.3）して製製作していたが今回は
図 2.4
2 の様にフリーホーンのの直径 21 ㎜より 1 ㎜
大き
きい 22 ㎜の穴
穴を開け，そそこにフリーーホーンを通ししている。そして重量に関関してだが上上腕部で 1
194
4ｇ，前腕部でで 410ｇと合計計で 1604ｇとなった。
200
09 年度製作のの肩義手の重重量は 1450ｇであるため約
約 150ｇ重量量が増えてしまとなった。
まった結果と増ええた原因とししてはスラス トベアリングが一つ
約 36ｇで372ｇのの増加となりり，使用するアルミ板に関関しても強度的問題があるる場所に関しして 1.5 ㎜
厚ののアルミ板をを使用したた
ため重量が増えたと思われれる。また図 2.5 が今回製製作した肩義義手のθ2のみみを目標値 120°まで振1
振り上げて振り下ろした時時の波形である。測定値はは 124°で定定常偏差は４°である。

香川高等専門学校研究紀要 4(2013)

気を付けたここと
2.3.. 製作時に気今回はより強今度があり，目
目標値との誤誤差が少な
い肩肩義手の製作を行った。
ドリルでアルド
ルミ板に穴をを空けるときに板に接触す
すると僅かにドリルの刃先先がずれ，複数のねじ
複がう
うまく止まららない場合はは穴あけポンチで事前に小小さな穴を空け，ドリルのの刃がずれないようにした
た。更に予定の穴より 1mmm 大きく穴
穴を空けデ
ジタ
タルのけがき針により 0. 01mm 単位
位で印を付けるることで，問題を解消した
た。
また，
ま
同じ大き
きさの板を作
作り同じ位置
置に穴をあける
る場合，上下左左右の基準面
面を決めその位置から計っって印をつけ
けると板の大大きさの誤差の影響は無くくすことができた。義手のの長さは，日本人男性の平平均身長 173ccm に合わせせてある。
義手の長さの義
計算は，舟久
久保先生の「「医用精密工学
学-生体へのアアプローチ」 ，丸善株式会
会社，p.2
1-22
2 を参考にしして求めた。 上腕長は 0.19×身長≒33cm，前腕長長の長さは 0. 15×身長≒2
26cm，手長さは 0.11×身長≒19cm
m となる。
の長
しかし，
し
佐藤技
技研の装飾用
用義手のグローブの長さはは 15cm なので実用的な面
面と，外観にこだわる
患者者さんの意思を重んじて手手の長さは 16cm で設計しした。その結果，前腕長とと手の長さのの合計は 42cm
m となった。指の曲げ方で指で形が変わるため実際にはは 44cm である。

のサーボモータ
タ取付け部
図 2.1 従来の2 今回製作ししたサーボモ
モータ取付け部
部
図 2.2

図 2.3 従来ののフリーホーーン避け部

図 2.6. 基準
準面を取り作
作成したアルミ板
2.4..

実験用柔軟
軟関節６自由由度肩義手のの仕様

作したフリーホ
ホーン避け部
部
図 2.4 今回製作

図 2.5

図 2.7 6 自由度肩義義手の全体図図新しい肩義手でで測定した形
ステップ応答波形124木下敏治 他 ： RCB-4HV による新しい６自由度柔軟関節肩義手（ロボットアーム1.6kg）の開発

上腕拳上上部の構造、同じカカーボンチャンネ
ネルを重ねて強度度のあげている。

図 2.11
1.上腕拳上(θθ2)の拡大図
図 2.9 と図 2..10 に上腕水水平回転角(θ1)と上腕挙上上角(θ2)の写写真を示す。
図 2.11～図 2.15
2にその他
他各自由度の拡大写真を示示している。垂直方向の回
垂回転中心が手
手先を真下に下下ろした状態
態で一直線上上に乗るように工作を工夫夫した。
振動を吸収さ振せるアルミチチャンネルはは図 2.8 のよううな厚さ 1mmm のものを使使用している。エネル
ギーー吸収ボッククスにアルミ チャンネルを使用す
るののはモータかから刻々と熱熱エネルギーとして放出さされる熱を肩肩義手の動き により生じた空気の流入
入により冷却するためであある。

図 2.8.エネル
ルギー吸収ボックス用
アルミチャンネル
ル

図 2.9. 上腕水平回転上転(θ1)
タを支えるア
アルミ板とア ルミ
RC サーボモータ
ネルはネジで、外枠のアル
ルミ板ともネ ジで
チャンネ
結合され
れている。
大きな
な外力がかかかるとアルミチャンネル と外枠が同時時に変形する
るが外力が義義手の姿勢で小小さ
くなるとと板バネの作作用で元の形形に戻る構造 になっているる。

図 2.12.上腕回回旋(θ3)

図 2.13.上腕回回旋(θ4)
図 2.10. 上腕挙上(θ
θ2)

125

香川高等専門学校研究紀要 4(2013)

図 2.144.上腕回旋(θθ5)

図 2.17. 小型軽量ななシリアル RCC
サーーボモータ 44034HV
図 2.16.に KR
RS-6003HV((100g，11.1V)を示した。このシリアル RC サーボ
ボモータは 20092
年度
制作した肩義手のθ1～θ 5 までの 5 自由度にに制全部
部で 6 個使用している。
これまででトこであり 67kg･cm であルクは最大でる。モータの動作角は±1355°であり，最大回転2ている。
角 270°となっ
図 2.17.は KR
RS-4034HV((トルク約 40
0kg･cm，
約 41.5g，11.1V
4V)のシリアルル RC サーボ
ボモータであるる。このモータ
タは小型で軽軽量な特性を生かした。
モーータの動作角は±135°でであり，最大大回転角は2700°である。

図 2.155.上腕回旋(θθ6)

部には装飾用用肩義手で世
世界的に有名 な佐
前腕部
藤技研ののソケットを用いた。θ1
1 からθ5 に は K
2.5.. 肩義手のシステム構成
成
RS-6003
3HV のシリア
アル RC サーーボモータを使使い，
θ6 の手
手先の開閉にはは KRS-4034
4HV のシリ アル
2.5..1. システム
ム構成
RC サー
ーボモータを使使用しソケッットに固定し た。
今回の実
実験では水のの入ったペットボトルを マジックテーープで固定して実験を行っった。肩の 2 自由度の構造
造は 3 年間のの耐久テスト
トをクリアし てき
た 1kg タタイプの柔軟軟関節肩義手と同様である
る。ハイパワー
ーなトルクを持つシリアル
ル RC サーボ モー
タを肩かから前腕まで 6 個使用してている。シリ アルサーボ(ココンプライアアンス)制御方方式（RC サ ーボ
モータのの位置可動範囲は 0 から 270°である
2
る。
AD 変
変換器の精度がが 13 ビットトに改良され たため 213 通通り(＝約 8000)に分割できる)を用い ているので柔柔軟関節構造
造を肩の部分にに持つ 6 自 由度
図 2.18. シリアル制御
御方式を用いいた
肩義手はは，滑らかな動作が可能でである。
RCB-4HV
Rのシステム構造の造（数珠つななぎ）
システム制御シ
方式の構成図
図は，パソコン，電源，近藤
藤科学のロボットコントロ
ロールボードド RCB-4
HV 及び 6 自由度
度に必要な 7 個の RC サーボモーである。RC サーボモータ
サタに対応したロボット
タでコン
ントロールボードを PC にに接続し，7 個の RC
サーーボモータを
を同時に協調調動作させることが可能でである。シリア
アルサーボモモータを肩義義手に使用したたので数珠つなぎという方
方法を利用しした。数珠
つな
なぎはシリアル RC サーボ
ボモータの最最大の特徴と言言えるであろう。ポートをを 1 個使用すするようにしててポートにθ1 から順に IID を設定するる。

図 2.16. 高ト
トルクなシリアル RC
サーボモ
モータ 6003H
HV

126

木下敏治 他 ： RCB-4HV による新しい６自由度柔軟関節肩義手（ロボットアーム1.6kg）の開発

2.5.2. IID の設定
以下にに RC サーボモータの ID
D 設定方法に ついて示す。

図 2.20 が操作
作画面である
る。個々のモータを一個ずずつ制御でき，ICS3.0 にに対応した高精度な制御用用ソフトである。7500 ををモータの 0°と考え0ニュュートラルとしている。動
動かしたい RCR サーボ
モーータの ICS 番号にチェッ
番ックを入れ赤赤枠の箇所に－－4000(－1355°)～4000 （+135°）のの 8000 通
りでで数値入力し，コマンド生
生成をクリックし送信
した
た瞬間からスステップ応答
答の開始信号となり最高ス
スピードで目標値まで動作作しようとすする。
2.5..4. 回転式ポポテンショメ
メータの特性
図 2.21 にあるる緑測器の回
回転式ポテンンショメー
タはは，5V を電圧圧源としておおり，回転角が最大の3400°になると 5V
5 に達する様様に設計されれている。
分度
度器を用いて入出力特性をを求めた。直線性の良直いデデータが得られた。圧着をを用いて回転転軸とθ2の回回転中心は結合されているる。回転軸が柔軟関節構造
造のため、微妙
妙に変化する
るのでゴムをアルミ板で挟挟んでデータが集められるるよう工夫しした。実験
デー
ータを測定でできることがが大量のデータからわ
かっ
った。

画面
図 2.19.. ID の設定画起動する。
①SerrialManagerr151.exe を起
在の②ID の what nu
umber を選択
択すると，現在
D の情報が表表示される。
ID
Eを③ID を変更したい
い数字に設定定し，WRITE
押
押すと書き込ままれる。
④書き
き込みボタン
ンを押して保存する。
の各 RC サーボモータに対対応する ID を以
現在の
下に示す
す。
θ1：IID 1，θ2：ID 2，θ3：ID 4，
θ4：IID 6，θ5：ID 7，θ6：ID 8てはモータのの片方を逆転 に設
なお，θ2 に関している。スレーブ
ブにも設定ししておく必要 があ定している。詳ししいことに関ししては SerialManager15
5.pdf
（デスク
クトップ上）に明記されてている。
2.5.3.

R
RC サーボモ
モータの制御方方法

B(b)の構造
図 2.21. CP-2FB
3.

実験方法

RCB-4HVRのコ
コントロールルボードで肩肩義手とパソコ
コンを接続する。

図 3.1. GRAPHTEC midii LOOGER GL900
θ2（上腕拳上
θ上）に取り付付けた回転式式ポテンシ
ョメ
メータとデータロガーGL
L900(図 3.1)を用いて負荷荷として 0.10
00.200.300.4400.500g の水の入ったペ
ペットボトルを肩義手に持持たせθ2 の目標値を

図 2.20. 制御用用のスライドドバー画面

127香川高等専門学校研究紀要 4(2013)

振り上げてス テッ
0°,30°,60°,90°,120°まで振波形を測定し各種パラメーータ（定常偏
偏差，
プ応答波
立上り時
時間，立下り時
時間，立上りり整定時間，立下
り整定時時間）をもとめる。図 3.1
1 の GL900 の分
解能は 1
16 ビットに対対応しておりり，画面の縦
縦軸を電圧軸ととすると 2 の 16 乗分割でできる。また サン
プリング
グタイムは 100μs で測定すする。
4.

図 4.4.新新しい肩義手
手の定常偏差差験結果
実験4.2.. 立上り時間
次に立上り時次説明する。ステップ応間について説答でで立上る時の 10％～90％％に対する時
時間を立上り時時間という。下図のステッ下ップ応答波形形を例に挙げてて説明する。

定常偏差
4.1. 定まず定定常偏差について説明する
る。定常偏差 とは目標角（（動かしたい角角度）と実際
際に動いた角 度との差の事事である。測定に 340V で 5V に達す る回
転式ポテ
テンショメーータを用いるので以下に示
示す①式より
り実際に動いた角度 X°がが求まる。
X°:出力 V＝＝340°:5V…①
角度 Xて目標角度との差をとる。図 4.1 のス テッ
そしてプ応答波波形を例に挙げて説明する
る。

図 4.5. ステップ
プ応答波形
立上る時の 10％と 9
図 4.5 のステテップ応答の立0％つまりこの場場合，電圧差
差 1.613V の 10％であ0を電圧
圧の最も低いい点 2.924V に足したに3.
る 0.163V
087
7V に対する時
時間から電圧
圧の最も高いい点 4.537
V から電圧差か
1..613V の 10%%である 0.163V を引いた
た 4.374V に対対する時間ままでを立上り時間とするのので立上り時間は 0.66(SS)となる。そして過去の肩肩義手と新ししい肩義手かから求めた立上り時間をままとめたグラフを図 4.6~図す。
図 4.8 に示す

図 4.1 ステップ応答ス
答波形
最も低い点 2.924V
2から 最も
図 4.1 より電圧の最高い点 4.537V
V までの電圧
圧差は 1.613V
Vで
電圧の高
あり①式
式に代入すれれば肩義手(θ2 が実際動 いた
角度は 1
109.7°となるる。そして，これより定定常偏差は 10.3°と求まる
る。そして過去
去の肩義手とと，新義手のステッップ応答波形
形のデータか ら求しい肩義めた定常
常偏差をまとめたグラフをを図 4.2~図 4
4.4 に
示す。

図 4.6. スラス
ストベアリン グなしの立上
上り時間

2.スラストベ
ベアリングなしの定常偏差
差
図 4.2

図 4.7. スラス
ストベアリン グありの立上
上り時間
リングのある
スラストベアス
るなしでは、立上がり時間
間の大きな変化は見られなない。新しい義手でも同様様のデータである。

3.スラストベ
ベアリングありの定常偏差
差
図 4.3

128

木下敏治 他 ： RCB-4HV による新しい６自由度柔軟関節肩義手（ロボットアーム1.6kg）の開発

図 4.12.新新しい肩義手手の立下り時間間
4.4.. 立上り整定
定時間
立上り整定時立
義手が動作つまりステ間とは，肩義ップ
プ応答波形がが変化し始めめる点から立上った後
ステ
テップ応答がが定められた許許容範囲内(制御工学におおいて一般的
的に±2％や±±5％)に入る（この場
合肩
肩義手の振動が止まる）ままでの時間でである。結果ををより厳密にするため電圧
圧差の±2％の範囲内
で波波形変化が収収まっていれれば振動は止まっているここととする。下図のステッ下ップ応答波形形を例に挙げてて説明する。

図 4.8.新しいい肩義手の立上り時間
立下り時間
4.3. 立次に立立下がり時間について説明明する。立上 り時
間と同様様に立下がる時の 90％～
～10％に対す る時
間を立下
下り時間という。下図のス
ステップ応答 波形を例に挙挙げて説明する。

図 4.9. ステップ応答
ス
答波形
図 4.13. ステップ
プ応答波形

9 のステップ
プ応答の立下る時の 90％ と 1
図 4.9
0％つまりこの場合，電圧差 1.61
13V の 10％ であ
3V を電圧の最最も高い点 4.537V
4から 電圧
る 0.163
差 1.613
3V の 10%でである 0.163V
V を引いた 4
4.374
V に対す
する時間から電圧の最も低低い点 2.924V
Vに足した 3
3.087V に対す
する時間まででを立下り時
時間とするのでで立下り時間は 0.394(S)ととなる。そし て過去の肩義義手と新しいい肩義手のステップ応答波
波形から求めめた立下り時間をまとめたたグラフを図図 4.10~図 4.1
12 に示す。

図 4.13 のステテップ応答波
波形の立上った直後の赤丸
丸の箇所を拡大したものをを図 4.14 に示す。わずかかに波形が変化しているこ
ことがわかる
る。そして
電圧圧差の±2％のの範囲を白線
線で示している。この場合合ステップ応応答波形が立立上った直後から電圧差 1.613V の±±2％の範囲にに変化が収まっているとがわかる。
こと％の範囲
図 4.14 ±2％
図 4.10.

スラストベ
ベアリングななしの立下り時
時間

図 4.11.

スラストベ
ベアリングあありの立下り時
時間

これより立上こり整定時間はは図 4.15 に示すように 1.0632
1
秒とななる。

図 4.15 ステップ
プ応答波形

129

香川高等専門学校研究紀要 4(2013)て過去の肩義義手と新しい肩義手のス テッ
そしてプ応答波波形から求め
めた立上り整整定時間をま とめ
たグラフ
フを図 4.16~図
図 4.21 に示す
す。

図 4.16.

図 4.17.

い肩義手の立立上り整定時時間±2％
図 4.21. 新しい

スラストベ
ベアリングななしの立上り整
整定
時
時間±5％

定時間
4.5.. 立下り整定
立上り整定時立方法で求めるる。
間と同様の方肩義手が動作肩
作つまりステ ップ応答波形が変化し始始める点からら立下った後後ステップ応答が定められれた許容範囲囲内(制御工学学において一般的に±2％や±5％)に入入る（この場場合肩義手の振動が止る）までの時間である。
まる
結果をより厳結厳密にするため
め電圧差の±±2％の範囲内
内で波形変化化が収まってていれば振動は止まっ
ていいることとする。下図のス
ステップ応答
答波形を例に挙挙げて説明する。

スラストベ
ベアリングあありの立上り整
整定
時
時間±5％

図 4.2
22 ステップ
プ応答波形
立下った直後立
後の赤丸の箇箇所を拡大したものを
図 4.234に示す。また電圧差
差 1.613V の±±2％の範
囲をを白線で示している。

義手の立上りり整定時間± 5％
図 4.18.. 新しい肩義図 4.19.

図 4.20.

スラストベ
ベアリングななしの立上り整
整定
時時間±2％

図 4.23 ±2％％の範囲
そして立下りそ始める時間かから電圧差のの±2％に入るるまでの時間を図 4.24 にに示す。
波形から±22%以内に収まっていもし最初の波ば最初の振動
動波形の最大大値までの時間を立下ればり時時間と定義して測定した。
立上りに関し立しても同様でで、最初の波形から±2%にに収まっていいれば最初のの振動波形の最大値までのの時間を立上り時間と定義
義した。

スラストベ
ベアリングあありの立上り整
整定
時
時間±2％

130

木下敏治 他 ： RCB-4HV による新しい６自由度柔軟関節肩義手（ロボットアーム1.6kg）の開発

4
スラス
ストベアリン
ングなしの立下り整定
図 4.28.
時間 2±％％

図 4.24. ステップ応答
答波形
4 より立下り
り整定時間は 7.745 秒とななる。
図 4.24
また過去
去の肩義手とと新しい肩義義手のステッ プ応
答波形よ
よりもとめたた立下り整定定時間をまと めた
グラフをを図 4.25~図 4.30 に示す。
。

図 4.29.
4
スラス
ストベアリン
ングありの立下り整定
時間±2％％

図 4.25

スラストベ
ベアリングなしの立下り整
整定
時
時間±5％

図 4.30. 新しいい肩義手の立立下り整定時時間±2％

図 4.26.

新しい肩義手新
手を動かしたたときのステップ応答波形形を図 4.31~図
図 4.40 に示す
す。
まず目標値でまで静止していいることが以下のデー
タよより確認できる。立上り時時や立下り時時に振動波形がが見られるが、一番大きなな振動が生ず
ずる立下り
整定
定時間は負荷 500g で目標
標値 120°ででも 1.6 秒
以内
内に収まっている。図 4.44 の新しい肩肩義手の定
常偏
偏差は目標値 120°負荷 500g でも 2°程度に2なっっているので実用上問題ははない値であある。

スラストベ
ベアリングあありの立下り整整定
時時間±5％

義手の立下りり整定時間± 5％
図 4.27.. 新しい肩義い肩義手の立立下り時間は
は、負荷 400g まで
新しい
0.8 秒以以内に収まってており改良しした肩義手の スラ
ストベア
アリングある
るなしに関わわらず１秒近 くか
かっていいるので改良されている。負荷 500g でも約１秒でで反応している。
図 4.31. 負荷なし

131

目標値 30°

香川高等専門学校研究紀要 4(2013)

し 目標値 900°
図 4.32. 負荷なし

図 4.36. 負荷 400g

目標値 90°°

図 4.37. 負荷 300g

目標値 60°°

図 4.38. 負荷 300g

目標値 1200°

図 4.39 負荷 500g

目標値 60°

図 4.40. 負荷 500g

目標値 1200°g 目標値 300°
図 4.33. 負荷 200g

0g 目標値 90°9
図 4.34. 負荷 200

図 4.35. 負荷
荷 400g 目標
標値 30°
を 0g から 50
00g まで変化化させて手先 が振負荷を動せずにに静止していいるか調べるためにあえ て長時間のス
ステップ応答波形を測定ししている。す べてのデータ
タが示すことは、過渡的にには振動して も目標値で静静止していることである。

132

木下敏治 他 ： RCB-4HV による新しい６自由度柔軟関節肩義手（ロボットアーム1.6kg）の開発

5.

考察とまとめ

実験結果のグラフより，今までの肩義手より定常偏差が小さくなり実用上問題無い値となった。
目標値の±５%以内であれば制御工学では実用の範囲と判断する。他の制御用パラメータ（立上り時間，立下り時間，立上り整定時間，立下り整定時間）も実用上問題無い値となっている。肩義手の取付け台をより強度の高いものに変更し，肩義手の動きによる振動を少なくした。
今回のデータは過去の先輩のデータと比べる
為，ストレッチ６０で測定したものである。今回の改良により問題点をほぼ解決することが出来た。今後の課題としては，コップで水を飲む等の日常生活でよく使う動作パターンをコンピュータに記憶させ協調動作制御を，開発した肩義手で動作テストする。
次に，両腕が無い人が肩義手の手先を自然な態度で，ある目標点まで動かそうとするときを考える。患者さんが脳内の幻肢を動かそうとすると，残存した鎖骨と頭の方位角が動く。その動きをセンサーで捉えることにより開発した肩義手で顔面方位制御方式を用いた協調動作制御システムの実現に向けて研究を続ける。
6.

謝辞

本研究にあたって電子工学セミナーで実験に協力してくれた竹内博希君，林直人君，前田悠哉
君に感謝します。また共和工業，佐藤技研，緑測器，近藤科学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。
7.

参考文献

1) 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自由度自由肩義
手の協調動作制御システム”，研究紀要,第１号,p.131 -138（2010）2) 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)
3) 木下敏治，百々裕輝，平田一真：“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（ロボットアー
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 3 号,p.87-107（2012）
4) 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.145-165,2011
5) H24_特別実験演習 I 前期レポート
平田一真
6) H24_特別実験演習 I 後期レポート
平田一真

133