強度的安全性を優先した動作計画法の開発


 ロボット機構の軽量化は,動作の高速化や消費エネルギの軽減,安全性等の点から重要視されている.しかしその反面,軽量化によって機構の強度が低下し,破損の危険性が高まるという問題も生じる.特に,現在研究が盛んな福祉関連ロボットや生活支援ロボットなどのような人間と共存を目指すロボット機構においては,人間に危害を加えないように軽く,しかも様々なタスクが実施可能であることが望まれる.このような汎用的なロボットにおいては,適切な強度設計と共に,その動作段階で外力に対して安全な姿勢をとらせることが機構の破損を回避する有効な手段の1つであると考えられる.しかし,これまでのロボットの姿勢決定・動作計画に関する研究では,タスク遂行を目的としたものが多く,ロボット自身の安全性に関するものは少ない.
 そこで,ロボットを構造工学的に捉え,機構の強度を考慮した動作計画法が提案した.これは,有限要素法を用いて機構の強度的危険性を評価し,場合によっては,タスクの遂行よりも機構の破損回避を優先させるという手法である.この手法では,部材に発生する断面力を用いて算出される降伏関数と,機構内に蓄積される全ひずみエネルギという2つの構造力学的パラメータを利用して姿勢変更を行い,機構にとって強度的に危険な姿勢を回避する.



強度的安全性を優先した動作計画



動作計画結果と実機による検証



物体の重量によって姿勢を変更する様子
(動画はダウンロードに少々時間がかかります)

実機による検証実験を行った結果,必要に応じて姿勢変更を行いながらタスクを実行し,場合によってはタスクを放棄してロボット自身の強度的安全性を優先させるという柔軟な動作が得られた.機構強度を最大限に利用し,危険な状態になって初めて全ひずみエネルギを最小限に抑制するようにパラメータを設定すると,軌道修正回数が少なく,かつ人間の挙動に酷似した興味深い動作軌道が得られることが分かった.

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関連文献(Journals):

磯部大吾郎,石井悠一郎: 構造強度に着目したロボット機構の姿勢決定および動作計画, 日本ロボット学会誌, Vol.22, No.1, (2004), pp.75-82. abstract

D. Isobe and A. Komatsu: Motion Planning of Manipulators Regarding Structural Safety as a Prior Condition, Advanced Robotics, Vol.21, No.5-6, (2007), pp.533-554. abstract

磯部 大吾郎, 山口 良規: ロボットアームの強度的危険性を回避する動作計画法, 日本機械学会論文集C編, Vol. 78, No. 793, (2012), pp.3239-3254. abstract

関連文献(Proceedings):

石井悠一郎,磯部大吾郎: トラス型ロボット機構におけるひずみエネルギ抑制のための姿勢決定, 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会'01講演論文集CD-ROM, No.01-4, (2001). abstract

石井悠一郎,磯部大吾郎: ひずみエネルギの抑制を目的としたロボット機構の姿勢決定および動作計画, 計算工学講演会論文集, 第7巻, 第2号, (2002), pp.771-774. abstract

石井悠一郎,磯部大吾郎: ひずみエネルギの抑制を目的としたマニピュレータの動作計画, 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会'02講演論文集CD-ROM, No.02-6, (2002). abstract

磯部大吾郎,石井悠一郎: 機構の強度的安全性を優先した姿勢決定および動作計画 −軟弱ロボティクスの提案−, 第8回ロボティクスシンポジア予稿集, (2003), pp.533-538. abstract

小松 祥人,磯部大吾郎: 構造力学的パラメータを導入したマニピュレータの動作計画, 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会'04講演論文集CD-ROM, No.04-4, (2004). abstract

小松 祥人,磯部大吾郎: 機構の強度的危険性を考慮したマニピュレータの動作計画, 第22回日本ロボット学会学術講演会論文集CD-ROM, (2004). abstract

小松 祥人,磯部大吾郎: 機構の強度的安全性を優先したマニピュレータの動作計画, 第23回日本ロボット学会学術講演会論文集CD-ROM, (2005). abstract

小松 祥人,磯部大吾郎: 構造力学的パラメータの導入による機構の破損回避を目的としたマニピュレータの動作計画, 日本機械学会第18回計算力学講演会講演論文集, No.05-2, (2005), pp.711-712. abstract

小松 祥人,磯部大吾郎: ロボットアームの強度的安全性を優先した動作計画, 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会'06講演論文集CD-ROM, No.06-4, (2006). abstract

山口 良規,磯部大吾郎: ロボットアームの強度的危険性を回避するための動作計画法 ―慣性項の導入―, 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会'11講演論文集CD-ROM, No.11-5, (2011). abstract

山口 良規,磯部大吾郎: ロボットアームの強度的危険性を回避するための動作計画法-持ち運び動作への適用例-, 第29回日本ロボット学会学術講演会論文集CD-ROM, (2011). abstract

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