Abstract
人間社会との接点が増すにつれ，ロボット機構には安全性がさらに求められるようになった．その一つの対策として機構の軽量化が挙げられ，材料やエネルギーコストの観点からもこの方向性は重要視される．しかしその一方では，軽量化に伴い部材強度が低下し，過度の外力に対し部材破損の危険性が高まることに注意しなければならない．ロボット機構の姿勢決定および動作計画については，従来から様々な議論がされており，可操作度に着目した研究，消費エネルギーの最小化や複数ロボットの協調作業を目指した研究などが行われている．これらの研究では，一般的にロボットの構成部材を剛体とみなし，損壊しないことを前提としており，部材強度を考慮した姿勢決定や動作計画は実施されていない．
本研究では，ロボット機構の中でも特にロボットアームに着目し，その構成部材の強度的危険性を回避した動作計画を行うことを目的とする．動作計画では，アームが動作する際に構成部材に発生する曲げモーメントや軸力などの断面力を監視し，それらがある閾値を超えた場合に安全な方向へ姿勢を変更する．先行研究においては，部材の強度的危険性を断面力レベルでの降伏関数を用いて判定し，機構内に蓄積される全ひずみエネルギーを抑制することで安全な姿勢を求めた．しかしその際に，ステップ毎に静的解析を行っていたために慣性項が含まれず，高速動作には適用できなかった．また，強度的危険回避を優先させていたため，タスクによってはその達成が困難となる場合があり，実用性に欠けていた．そこで本研究では，アームの高速動作に対応させるために慣性項を導入した運動方程式を解く過程を加えた．さらに，タスクの実現性を高めるために，タスク未達成時に補助的に多くの関節を動かすことで全ひずみエネルギーを減少させる過程を加えた．この動作計画法をロボットアームの持ち運びタスクに適用し，危険性の判定に用いる閾値や全ひずみエネルギーの抑制目標値が動作そのものに与える影響について調べた．また，動作計画法を実機に搭載して実験を行った．
A motion-planning scheme that enables robotic arms to avoid structural damage is developed by implementing risk determination and motion modification algorithms in a finite element code. The scheme searches safer motion of robotic arms when their structural risk determined by a function of sectional forces becomes higher than a threshold during their given tasks. The safer motion is achieved by decreasing the total strain energy stored in the structure of the robot. Some examples of motion modification are demonstrated by giving lift-up and lateral carrying tasks to a robotic arm, where the achieved motions are compared by varying the structural parameters. Furthermore, the proposed scheme is implemented in an interface of a robotic arm to verify its applicability and practicability in actual motion control.