機能性流体を用いた柔軟関節マニピュレータの開発中村研究室 1．緒 4年 2組 16番赤松験 4．実雄貴言現在，産業ロボットを初めとした従来のロボットシステムは隔離された環境で作業している．しかし，医療・福祉の分野では人間とロボットの自動化における協調活動が期待されているため，人間に対する安全性の確保が強く要求されている．一方，機能性流体として注目されているER流体は，電場の印加により，その粘性が可逆的に変化するような流体である．この流体はセミアクティブデバイスの機能を有しているため，対人衝突を想定した際にはフィルセーフの観点から安全性に優れたシステムの構成が可能となる．そこで，本研究では対人衝突時の安全性を考慮したER流体を用いた柔軟関節マニピュレータを開発する． 2．柔軟関節マニピュレータ衝突力を緩和させるためには，ロボットの関節の柔軟化，緩衝材の設置，軽量化などの方法があるが，本研究ではこの中のER流体を用いた関節の柔軟化による衝突力の緩和の効果を検討する．研究で開発したマニピュレータの概略をFig.1に示す．この図より，マニピュレータは，最も基本的な構成である2リンクとした．第1関節部・第2関節部はそれぞれアクチュエータによって駆動する．第2関節部はモータによるラジアル方向の回転を傘歯車によって回転方向をスラスト方向に変えることでリンク2を回転させる．また，ER流体を用いたブレーキが搭載されている． Motor(2nd joint) 2nd link 4.1 実験システム本実験システムをFig.3に示す．この図より，リンク2の角度はポテンショメータによって測定される．また，リンク2に印加される衝突力はリンク2に装着された力センサによって測定される．さらに，モータやER ブレーキは計測されたデータに基づき，PCを介して制御される． θ１ θ２ f Motor Force sensor ER brake Driver Motor High Volt Amp Driver Fig.3 A/D PC D/A The configuration of the experimental system with the manipulator 4.2 位置の制御実験 Fig.4に位置の制御実験の結果を示す．これより，ERブレーキを装着しない際と，ERブレーキを装着した際のマニピュレータの位置制御の挙動について検討する．ERブレーキに0.0[kV/mm]を印加した際の角度の立ち上がりは，モータのトルクがERブレーキのトルクに比べ大きいためリンク2がその回転に追従できず，目標角度に達していない．一方，ERブレーキに3.0[kV/mm]を印加した際には，ERブレーキがリンク2の慣性力に対して十分なトルクをもっていることから目標角度に達している．このことから，ERブレーキを装着した際でも 3.0[kV/mm]の電場を印加すれば，ERブレーキは正確な位置の制御を実現できることがわかった． 100 E=0.0[kV/mm] Non-ER brake 80 ER brake Foundation angle[deg] 1st link Motor（1st joint） Fig.1 Schematic diagram of the manipulator E=3.0[kV/mm] target angle 60 40 20 3．柔軟関節マニピュレータの設計 0 本研究で開発するマニピュレータは第1・2関節がそれぞれ駆動するため，モータのトルクは動力学と運動学の双方を考慮して Τ1 ≧ 39.96[Nm], Τ2≧9.15[Νm]とした．また，作業中はER効果によってモータの回転軸とリンク2は固定する．そのために必要な保持トルクTERは第2関節部の動力学のみのトルクを考慮すればよいのでTER≧3.56[Nm]となる．上記の条件に基づいてERブレーキの設計を行う．ERブレーキに必要なトルクは次式によって算出することができる 4 ⋅ τ d ( r12 − r22 ) 3 Electrodes(−) Electrodes (+) Disk Slip ring Input output shaft Cover Fig.2 Fig.4 (1) ここで，τc，rc，lc，τd， r1，r2はそれぞれシリンダ部のせん断力，内径，高さとディスク部のせん断力，内径，外径となっている．これより，シリンダ部の厚さを2[mm]，ディスク部の内半径を13[mm]，せん断力は2.5[KPa]としてERブレーキのディスク半径を検討した結果 rC=85[mm]，TER=4[Nm]とした．この結果を基に作成したERブレーキをFig.2に示す．本ERブレーキは4枚のディスクが連結されている．そして，高電圧印加時の感電をさけるためMCナイロンによるカバーを装着している． A configuration of the ER brake 200 400 600 800 Time[ms] 1000 1200 1400 Experimental result of position control 4.3 衝突実験 Fig.5に衝突力の緩和について考える．ERブレーキを装着しない場合，ERブレーキを装着して3.0[kV/mm]を印加して衝突させた場合，衝突した瞬間に電場の印加を切った場合に関する，マニピュレータの衝突実験の結果を示す．この図から，電場の印加を切った場合の最大衝突力は，その他の場合に比べて31[N]低減されてる． 100 Collision With controller Collision(E=3.0[kV/mm]) 80 Force[N] T ER = 2π rc2 l cτ c + 0 60 40 20 0 250 500 Fig.5 Time[ms] 750 1000 Experimental result of collision and with controller 5．結言本論文では，人間との安全な衝突を可能にするため，機能性流体を用いた柔軟関節マニピュレータを開発した．人間の痛覚耐性値に基づいた制御システムを考案した．位置の制御実験によって，ER ブレーキに 3.0[kV/mm]の電場を印加することで正確な位置制御を実現した．衝突実験によって人間との衝突力と接触力を緩和した．