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ロボティクス概論 - ヒューマンセントリック工学研究室
ロボティクス 第１回 10月6日 ガイダンス ロボティクス概論 皆さんが知っている，または想像する 「ロボット」を思いつく限り挙げて下さい （3分間で，丁寧な文字で） Human Centric Engineering 自己紹介 田中 孝之（たなか たかゆき） 1971年6月 1996年3月 1996年4月 2001年10月 2003年4月 2004年4月 2007年6月 2008年10月 山口県厚狭郡山陽町（現，山陽小野田市）に生まれる 電気通信大学 大学院 博士前期（修士）課程 修了 電気通信大学 機械制御工学科 助手 カリフォルニア大学アーバイン校 工学部 客員研究員 電気通信大学 知能機械工学科 助教授 北海道大学 大学院情報科学研究科 助教授，現准教授 スマートスーツ研究会（現，軽労化研究会）設立 会長 （株）スマートサポート社設立 技術顧問 プライベートでは3児の父． 草野球，空手，家庭菜園，野球・競争馬鑑賞などに精を出す 3 Human Centric Engineering ヒューマンセントリックロボットシステム 携帯型障害物検出センサ Vibration Alert Interface 任意点操作可能なパワーアシストシステム ポータブルビークルSWEEPER(2003, 2010-) 葡萄樹下草刈ロボットWeeRo システム (2007-) Human Centric Engineering 軽労化®アシスト：スマートスーツ® 【スマートスーツ® Pro】 【スマートスーツ®ライト】 NEDO福祉用具実用化開発推進事業 (2009‐2012) Dual Back Support Technology Motion-Based Assist Technology 腰を屈めると， 筋力補助と体幹安定化補助が発現！ 各種作業の軽労化を実現！ 「スマートスーツ」「軽労化」は（株）スマートサポートの登録商標です． 動作パタンに最適な 腰の3次元補助を実現！ 科学研究費補助金事業 (2006‐2008) JST戦略的イノベーション推進プログラム(2010‐) 5 ロボティクス 【担当教員】：田中孝之 【所属】：情報科学研究科システム情報科学専攻 【対象学科・コース】： 情報エレクトロニクス学科 電気制御システムコース 3年次 生体情報コース 4年次 【E-mail】：[email protected] 【Web page】： http://www.ssc-lab.com/robotics/ 【主題および達成目標】 近年発展が目覚しいロボットは，機械，電子，情報技術などを融合 したシステムである． 本講義ではロボット（マニピュレータ）の運動の記述と制御法を理 解する．まず，初歩的な力学から，ロボットという複雑な機構の力 学がシステムとして構築できることを学ぶ．次に，マニピュレータ の運動と制御法について学ぶ．さらに，ロボットを構築するために 必要な要素（アクチュエータ，センサ）を実際のロボットから具体 的に学ぶ． 【教科書等】 教科書：ロボット工学（白井良明著，オーム社） 授業の内容と進め方（予定） (1) ガイダンス，ロボティクス概論 (2) マニピュレータの運動 (a) 順運動学，逆運動学，ヤコビ行列 (b) 静力学，動力学 (c) 運動方程式 (3) マニピュレータの制御 (a) (b) (c) (d) ロボットシステムの構成 伝達関数，ブロック図，PID制御 位置制御，動的制御，システム同定 力制御 (4) ロボットのアクチュエータ，センサ，信号処理 評 価 (1) 定期試験受験資格は授業７割以上の出席と要求された レポート全ての提出を必須とする． (2) 中間試験，定期試験の点数とレポート内容を総合的に 判断し100点満点で成績を評価（90点以上：秀、80点 以上90点未満：優、70点以上80点未満：良、60点以上 70点未満：可、60点満：不可）する． (1)の条件を満 たしていない場合には不可とする． 事前準備 基礎となる力学と数学は各自で復習すること． • 力学（質点・剛体の力学，解析力学） • 数学（行列，ベクトル，微分積分） ※特に重要な事項については，講義内でも復習する． ロボティクス概論 Human Centric Engineering まず質問です ロボット を知っていますか？ 12 Human Centric Engineering ロボットの分類 産業用ロボット 非産業用ロボット 非人間共存型ロボット 人間共存型ロボット （サービスロボット） 13 Human Centric Engineering これはロボット？ 産業用ロボット 14 Human Centric Engineering これはロボット？ フィールドロボット 15 Human Centric Engineering これはロボット？ ヒューマノイドロボット 16 Human Centric Engineering これはロボット？ ホームロボット 17 Human Centric Engineering これはロボット？ ポータブルロボットビークル 18 Human Centric Engineering これはロボット？ パワーアシストロボット 19 Human Centric Engineering これはロボット？ 無人施工機（建設用ロボット） 自動運転車（移動ロボット） 20 Human Centric Engineering ロボットのイメージ 2008年10月 北大工学部3年生35名（ロボティクス講義以前） 自由記述方式，複数回答可，回答時間5分間 Q. あなたが知っている，または想像 する「ロボット」を思いつく限り書き 出しなさい． A. 全回答数＝181 空想 59 ‐ アニメ・映画 現実 122 ‐ 産業用ロボット ‐ 非産業用ロボット ‐ そのほか 59 27 51 2 その他(2) 1% アニメ・映画(59) 33% 非産業(93) 51% 産業(27) 15% 実在のロボットは２／３ 21 Human Centric Engineering 小説やアニメの世界のロボット 紀元前８世紀 紀元前３世紀 １８－１９世紀 １９２０ １９５０ １９５２ １９６８ １９７０ １９７９ ２００３ ２００４ 22 ホメロスが著した叙事詩「イーリアス」に 「黄金の少女」などが登場 ギリシャ神話に青銅の巨人「ターロス」が登場 日本やヨーロッパでゼンマイなどを利用した からくりの機械や人形が作られる カレル・チャペックの戯曲「ＲＵＲ（Rossum’s Universal Robots）」で初めて「ロボット」という 言葉が登場 アイザック・アシモフのSＦ小説「われはロボット」 → ロボット３原則 漫画「鉄腕アトム」（手塚治虫）連載開始 映画「２００１年宇宙の旅」公開 漫画「ドラえもん」（藤子不二雄）連載開始 アニメ「機動戦士ガンダム」放送開始 鉄腕アトムの誕生日（４月７日） ハリウッド映画 「I, Robot」上映 Human Centric Engineering ロボットの誕生 日本初の産業用ロボット 世界初の産業用ロボット 日本機械学会100周年記念 ロボット重要技術開発年表より抜粋 1980年 ロボット普及元年 SCARA型ロボット 23 1971年 産業用ロボット懇談会 （現日本ロボット工業会）設立 1982年 日本ロボット学会 設立 Human Centric Engineering ロボット三原則 アイザック・アシモフ著「われはロボット」 第1条 ロボットは人間に危害を加えてはならず，また人間に 危害が加えられるのを見過ごしてはならない 第2条 ロボットは，第1条に反しない限り人間に服従しなけれ ばならない 第3条 ロボットは，第1条と第2条の原則に反しない限り，自 身の生命を守らなければならない 24 Human Centric Engineering SCARA型ロボット SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) 日本発の産業用ロボットアーム 開発者の牧野洋先生と（2012.9.19） 25 Human Centric Engineering ロボットの分類 産業用ロボット 非産業用ロボット 非人間共存型ロボット 人間共存型ロボット （サービスロボット） 26 Human Centric Engineering ロボットシステムとロボット技術 ロボットシステム 外界 外界 センサ コントローラ アクチュエータ 内界 コントローラ ロボットの頭脳 産業用ロボットの定義 マニピュレータ ロボットの腕 カメラ ロボットの目 足（移動機構） ロボットの足 ハンド ロボットの手 (JIS B 0134) 自動制御によるマニピュレー ション機能や移動機能を持ち， いろいろな作業がプログラムで 実行できる産業用の機械 ロボット技術（RT） ・センサ ・コントローラ ・アクチュエータ 27 Human Centric Engineering ロボットの定義 産業用ロボット（JIS B 0134） 自動制御によるマニピュレーション機能や移動機能を 持ち，いろいろな作業がプログラムで実行できる機械 (1) 人の仕事を代行する 道具や機械を使うことができる． (2) 汎用性がある 簡単に仕事を変更したり，状況に応じて仕事をする． (3) 外界に直接働きかける 計算結果に応じて外界に作用を及ぼす 28 Human Centric Engineering ロボットからロボット技術（RT）へ 【RT (Robot Technology: ロボット技術)】 ロボット工学，ロボット開発で培われてきた技術 例えば・・・ ‐ 移動ロボットのセンシング技術 ‐ 移動ロボットの移動制御技術 ‐ ロボットビジョン技術 ‐ ロボットハンド技術 RTを社会へ！ 日本ロボット工業会のRTロゴ 29 Human Centric Engineering RTの効果 • 産業用ロボット – 生産能力，生産効率の向上 – 仕事の質の向上 • 人間共存型ロボット – 生活負担の軽減，生活の質の向上 – ライフイノベーション • RT要素技術 – 従来製品の性能向上 – 新産業，新製品の創出 30 Human Centric Engineering ロボットが未来を変える 【ロボット新戦略】 ものづくり，サービス，医療・介護， インフラ・災害対応，農林水産など の分野での課題を解決するために， ロボットシステム・技術を展開 世界に先駆け“ロボット社会”に 政府新戦略（ANN 2015年1月23日） 内閣府「ロボット新戦略のポイント」より抜粋 ロボット市場 6千億円（現在） 2.4兆円（2020年） 31 Human Centric Engineering ロボットエンジニアが未来を変える ロボットシステム，ロボット技術で 社会の課題を解決できる ロボット研究者・エンジニアのニーズ 32 Human Centric Engineering 情報エレクトロニクス学科のロボット ヒューマノイドロボット 飛行ロボット コミュニケーションロボット 情報収集ロボット フィールドロボット 人工知能 (ロボットの行動獲得) パワーアシストロボット デジタルヒューマン 33 Human Centric Engineering ヒューマノイドロボット 複数ロボットによる協調作業 不整地歩行 • 重量物搬送 • 災害復旧 • 3K作業の代替 • 屋外作業 • 雪道を歩く！ • 災害復旧 エンターテイメント 災害用係留型情報気球 システム環境情報学研究室 被災地の情報疎外を解消する ”現代版火の見櫓の実現” UFO型の気球形状 長期の安定した上空での運用 各種通信・計測機器搭載可 https://theta360.com/s/aNn Human Centric Engineering ブドウ園除草ロボットWeeRo GPS 緊急停止SW 比例電磁弁 制御用 マイコンボード ダンパー 除草ヘッド 葡萄園除草ロボット 研究室プロジェクトから 北海道プロジェクトへ 実用化に向けて開発中 36 Human Centric Engineering パワーアシストロボット 介護用装着型増力装置(1997) パワードグローブ(2002) 消防車用パワードコック（2007） ソフトパワースーツ＋センサスーツ（2001） SICE論文賞受賞 特許出願中， 精密工学会北海道支部技術賞受賞 37 Human Centric Engineering 軽労化アシスト：スマートスーツ 【スマートスーツPro】 【スマートスーツ・ライト】 NEDO福祉用具実用化開発推進事業 (2009-2012) Dual Back Support Technology Motion-Based Assist Technology 腰を屈めると， 筋力補助と体幹安定化補助が発現！ 各種作業の軽労化を実現！ 動作パタンに最適な 腰の3次元補助を実現！ 科学研究費補助金事業 (2006-2008) JST戦略的イノベーション推進プログラム(2010-) 38 Human Centric Engineering スマートスーツPRO Semi-active Assist Technology Motion-Based Assist Technology 柔らかく軽いストレッチ素材などの弾性体が発生する 力を作業姿勢や動作から最適なアシスト・パワーに 変換するセミアクティブ・アシスト・システムを実装し た装着型の筋力補助装置です。使用者の身体に無 理な力を加えず、動作を妨げたり制限しないため幅 広い用途での応用が期待されています。 39 Human Centric Engineering 動作認識に基づく補助力最適化 多様な農作業に最適なアシスト キャリブレーション不要 ボタンひとつで作動・停止 モーションセンサによる動作認識 動作パタンに補助力を最適化 スーツ重量2.5kg 腰部・大腿部の筋力を30-50%補助 40 Human Centric Engineering スマートスーツ・ライト Dual Back Support Technology 弾性材を補助力源として，同時に 筋力補助と体幹安定化補助を実現 特許第4496398 弾性材を補助力源とした軽労化スーツ。情報ロボット技術 によって、移乗介助を補助する最適な弾性材の特性と配置 を設計しました。腰を屈めると、背筋をサポートするとともに、 コルセットのように体幹を引き締め、体を安定させる効果を 得ることができます。 41 Human Centric Engineering 情報ロボット技術による設計 デジタルヒューマン（情報ロボット技術）で 動作を計測・解析する ゴムベルトの配置・特性を最適化 0.4 assist ratio η 0.3 0.2 0.1 0.0 体位変換 抱き起こし 移乗 スマートスーツ・ライト試作 人の動きを情報化 42 Human Centric Engineering スマートスーツ・ライトの評価 目標補助力25%の介護用スマートスーツ・ライト 北海道大学における効果検証実験 IEMG [%MVC] 補助効果検証用サンプル 250 200 150 100 50 0 Without SSL With SSL 0 4 8 12 time [sec] 16 20 被験者 補助率[%] 男子学生A 30.5 ± 3.2 男子学生B 11.5 ± 6.9 介護職女性 31.1 ± 2.1 AVERAGE 24.7 43 Human Centric Engineering ヒューマノイドロボットによる評価 【産総研開発】 対象動作 HRP-4C 『未夢』 正前屈動作 ●身長158cm 動作 ●体重43kg(バッテリー含む) 位置制御により SSLありとなし で同じ動作を行 う ●特徴 腰3自由度，首3自由度，顔3自 由度であり，モーションキャプ チャ―で計測した人間の動きを 参考に人間に極めて近い動作 を実現している． SSL着用によりトルクが23.3Nm減 少（約25%） 25 Human Centric Engineering スマートスーツの現場評価 石巻市 生活復旧支援 (2011.4) 浦臼町 競走馬調教 (2010) 北竜町農家（2010） 横浜市内特別養護施設 (2014) 2014年11月28日，NHK おはよう日本 45 Human Centric Engineering ロボット工学へのアプローチ 電気・電子工学 機械工学 情報工学 【情報エレクトロニクス学科での関連科目（一部）】 電気回路，電子回路，線形システム論，メカトロニクス基礎，人工知能， コンピュータ工学，ディジタル回路，情報処理，人工生命と進化型計算 ロボティクス（ロボット工学），画像計測工学，シミュレーション工学．．． 46 Human Centric Engineering ロボット工学って何を勉強するの？ 情報エレクトロニクス学科 電気制御システムコース 3年 「ロボティクス」 【主題および達成目標】 近年発展が目覚しいロボットは，機械，電子，情報技術 などを融合したシステムである．本講義ではロボット （マニピュレータ）の運動の記述と制御法を理解する． まず，初歩的な力学から，ロボットという複雑な機構の 力学がシステムとして構築できることを学ぶ．次に，マ ニピュレータの運動と制御法について学ぶ．さらに，ロ ボットを構築するために必要な要素（アクチュエータ， センサ）を実際のロボットから具体的に学ぶ． Human Centric Engineering ロボット工学って何を勉強するの？ 情報エレクトロニクス学科 電気制御システムコース 3年 「ロボティクス」 (1) (2) ガイダンス，ロボティクス概論 マニピュレータの運動 (a) (b) (c) (3) 幾何学 力学 マニピュレータの制御 (a) (b) (c) (d) (4) 順運動学，逆運動学，ヤコビ行列 静力学，動力学 運動方程式 ロボットシステムの構成 伝達関数，ブロック図，PID制御 位置制御，動的制御，システム同定 力制御 微分積分学 ロボットのアクチュエータ，センサ，信号処理 Human Centric Engineering 次世代産業用ロボット ロボット工学や画像計測工学を学ぶと，こんなこともできる！ 三菱電機先端総合研究所 部品供給を⾃動化する次世代産業⽤ロボット 49 Human Centric Engineering 北大の先輩がロボット分野で大活躍 次世代産業⽤ロボットの開発で ⽶国R&D100 Award を受賞 三菱電機先端総合研究所 堂前幸康さん （北海道⼤学 ⼤学院情報科学研究科 2006年修了） 50 Human Centric Engineering ロボット工学の基礎（運動学・動力学） 手を動かすために，腕をどう動かせば良いかな？ 手先位置・ 速度・加速度 運動学 関節位置・ 速度・加速度 θ, θ , θ r, r , r 動力学 動力学 手先力 F 関節駆動力 静力学 τ 手先に力を入れるために，腕にどれだけ力を入れると良いかな？ 51 Human Centric Engineering ロボット工学の応用 ロボットの運動方程式 M (θ)θ c(θ, θ ) g(θ) τ 人間の動きをロボット工学的に理解する （デジタルヒューマン） 運動と力の関係式 VAS TA VAS BFS GMA SOL, GAS ニュートンの運動方程式（並進） mv C FC オイラーの運動方程式（回転） ω (I C ω ) N ICω 動くための筋肉の使い方 を計算できる！ 52 Human Centric Engineering まとめ 1. ロボティクスの講義概要を紹介した． 2. ロボットの歴史，ロボットシステム，ロボット技術の定義，分 類，応用について事例を交えて紹介した． 3. ロボット工学の基礎科目，特に幾何学，力学，微分積分を 復習して，今後の授業に臨むことを強く勧める． 53 課 題 以下の問いに対して自らの意見をA4レポート用紙1枚にまとめなさい． (1) (2) 最も実用的と思えるロボットは何か？ロボットは現存するものでも，架 空のもの（実現可能性があるものが望ましい）でも良い． ロボットシステムとは何かを，ロボット技術による構成から説明しなさ い．また，ロボット新戦略を考え，社会的な課題をロボットシステムまた はロボット技術によって解決する方策を論じなさい． 提出期限：10月20日（第2回授業開始前に回収） 注意：レポートには，氏名，学籍番号，提出日を必ず書きましょう！