バイラテラル遠隔操作システムの製作と実験による検証

バイラテラル遠隔操作システムの製作と実験による検証
Production and Experimental Study of Bilateral Teleoperation System
電気工学科 5 年 2 番 今井進也
1
指導教員 河合康典
はじめに
バイラテラル制御とは, スレーブの受けた力を操作者
に力提示したり, 操作者がマスターに及ぼした力と同じ
力でスレーブが環境に力を及ぼすように制御すること
である [1].
本研究の目的は, 従来から知られている 3 つのバイラ
テラル制御について示し, 力帰還型バイラテラル制御法
を用いて時間遅れを考慮し, 実験により検証する.
Fig. 2: 実験装置
• モータ：maxson, RE 35 90W
2
• ギアヘッド：maxson, GP 42 C
バイラテラル制御
• 対称型
マスターとスレーブの位置の偏差から, これを修
正する方向へ駆動力を与えるものである. 力検出
器などが不要であり, 簡単に構成できるが, 系の慣
性力や摩擦力の影響を受ける. マスター, スレーブ
の駆動力は次式となる.
τm = kp (Xs − Xm ), τs = kp (Xm − Xs ) (1)
τm , τs :マスター, スレーブの駆動力
Xm , Xs :マスター, スレーブの変位
Xm , Xs :マスター, スレーブの粘性摩擦係数
kp :位置のゲイン
τm = kf (Fm − Fs ), τs = kp(Xm − Xs ) (3)
RTI Data
KP
10
KD
0.1
DS1104ENC_SETUP
Slave
Out1
xm
xs
dxm
dxs
tau_m
tau_s
Subsystem
Master
Fig. 1: 力帰還型：ブロック線図
3
4
検証実験
ネットワーク等を用いての遠隔操作を想定した場合,
時間遅れが発生する. これを力帰還型を用いて実験によ
り検証し, 実験結果を Fig. 3 に示す. ここで, 時間遅れ
は T = 1[s], 0.5[s], 0.1[s], 0[s] とした.
実験装置の概要
Fig. 2 のようにマスター, スレーブロボットはモー
タとアームから構成されている. スレーブ側には, アー
ムに物体が接触するように製作した.
Position [rad]
Position [rad]
20
3
2
1
0
-1
-2
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-3
-25
-4
1
2
3
4
-30
5
1
2
Time [s]
30
30
25
25
20
15
10
5
0
-5
-10
4
5
6
7
8
9
10
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
3
Time [s]
Position [rad]
Position [rad]
(2)
• 力帰還型
力逆送型を補うものであり, マスターにも力のサー
ボ系が構成され, マスターの操作が容易になる. 通
常この方式がよく用いられる. ブロック線図を Fig.
1 に示す.
ENCODER
MASTER SETUP
• サーボアンプ：maxson, 4-Q-DC サーボアンプ
4
• 力逆送型
スレーブは位置サーボ系で構成され, マスターに
はスレーブ側の力センサで検出された反力が伝わ
るものである. スレーブ側の反力はよくわかるが,
通常のアームではマスターの操作は重くなる.
τm = −kf Fs , τs = kp (Xm − Xs )
• エンコーダ：maxson, HEDL 5540
-15
1
2
3
4
5
Time [s]
6
7
8
9
10
-20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Time [s]
Fig. 3: 追従特性 (左上:T = 0 [s], 右上:T = 1 [s],
左下: T = 0.5 [s], 右下:T = 0.1 [s])
T = 0[s], 0.1[s] において, 追従にほとんど遅れがな
く, 物体の反力の感知にも影響がなかった. T = 1[s],
0.5[s] において, 明らかに追従が遅い. 本来, スレーブ
アームが物体にあたると, マスターアームはそれ以上動
かなくなるが, この場合, 物体を感知するのに時間がか
かり, マスターアームを余計に動かしてしまうため, よ
り大きな反力を感知して危険だった.
5
おわりに
本稿では, 本研究で用いたバイラテラル制御システ
ムを説明し, 実験装置の概要を示し, 検証実験よりマス
ターとスレーブの追従特性および操作性を確認した.
参考文献
[1] 小林尚登ほか, ロボット制御の実際, コロナ社, 1997.