3次元双腕フレキシブルマニピュレータの制御に関する研究

　また，現在実用化されているマニピュレータは，ほとんどが単腕で作業するものである． しかし，重量，長尺物の搬送作業や，部品の組立作業においては， 双腕を協調させることにより作業効率の向上が期待される．

　我々は，2フレキシブルリンク7ジョイント型3次元双腕マニピュレータ ADAM (Aerospace Dual-Arm Manipulator)を開発し[1]，[2]， フレキシブルマニピュレータの力制御，双腕協調制御などを研究してきた． このような3次元多自由度で双腕の柔軟アームを持つ実験装置は世界にも他に例がない． ADAMの外観を図１に示す．

図１ ADAM の外観

　マニピュレータを用いた複雑な作業の実現のためには，手先の位置だけでなく， 対象物に加える力も同時に制御することが必要となる． そこで我々は， 集中ばね質量モデリング手法を用いて， 環境に拘束された3次元フレキシブルマニピュレータのモデルを導出した． さらにそのモデルに基づき， フレキシブルマニピュレータの位置と力のハイブリット制御則を構築した[3]，[4]．

　また，柔軟アームの持つ機械的コンプライアンスを利用する試みとして， 力覚センサを用いない力制御の実現[5]，[6]， 機械的コンプライアンスの解析・制御などを行った[7]，[8]．

　実験機ADAMを用いて剛体平面に対するならい作業を行っている様子を図２に示す．

図２ 剛体平面に対するならい作業

　内山らは，ロボットが両手で対象物を把持しているときの静力学関係を， 仮想ステッキという概念を導入することにより解析し， 対象物に働く外力，内力を含む一般化作業力を定義した． そして，仮想仕事の原理より，外力に対応する対象物の絶対速度と， 内力に対応する両手の相対速度から成る両手系の一般化速度を導出した[9]-[15]． 仮想ステッキの概念図を図３に示す．

図３ 両手を用いた対象物の操作

図４ 双腕協調制御則

　我々は，この仮想ステッキの理論を実験機ADAMに適用し， 図４に示される双腕協調制御則を構築した． この制御則により柔軟アームの振動を抑制しながら， 把持した対象物の搬送作業を実現させるに成功した[16]-[18]，[21]． 図５，６に対象物搬送実験の結果を示す． 図５は対象物の中心の軌道をReferenceのように与えたときの応答を示している． 図６は搬送作業実験中の目標内力を[0 30 0] [N]， 目標内モーメントを[0 0 -0.7] [Nm]とした時の応答を示したものである．

図５ 絶対位置/姿勢

図６ 内力/内モーメント

　実験機ADAMは，双腕のフレキシブルマニピュレータである． 一般に，双腕のマニピュレータが一つの対象物を協調して把持するためには， 把持対象物の位置制御に6自由度，対象物に働く内力の制御に6自由度， 合計12自由度が必要となる． 実験機ADAMは，システム全体で合計14自由度を有しているため，双腕協調作業に対して冗長である． 我々は，本来は単腕マニピュレータを対象として開発された冗長性解法である勾配投影法と肘角度制御手法を拡張し， これと双腕協調制御則を組み合わせることにより，制御系の枠組みを大きく変更することなく， 冗長性を利用した把持対象物の搬送作業を行うことに成功した． 実験の際には，各腕の手先に現れる機械的なコンプライアンスを最小化し， 頑強な把持を実現するように各腕を制御している[20]． 冗長性を利用した把持対象物の搬送作業の様子を図７に示す．

図７ 冗長性を利用した対象物搬送実験

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　我々は，宇宙空間における人工衛星捕獲を想定した対象物の捕獲作業を行った． 回転運動を続ける対象物を把持する際には，両腕の手先が対象物の回転運動に同期しながら， 対象物と同時に接触することにより，確実に対象物を停止させる[19]． 静止対象物の捕獲実験では，手先カメラからの画像情報に基づき， 各手先と対象物との相対位置合わせを自動的に行う． また，内力の立ち上がり時間を短縮するために， 各腕の手先に現れる機械的なコンプライアンスを最小化する姿勢において対象物の捕獲作業を実行する[22]．対象物捕獲実験の様子を図８，９に示す．

図８ 回転対象物捕獲実験

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図９ 静止対象物捕獲実験

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参考論文

1. 内山勝，近野敦，内山隆，神田真司: 宇宙用双腕マニピュレータ実験機 (ADAM) の開発， 第 7 回日本ロボット学会学術講演会予稿集，(1989)，393-394.
2. M. Uchiyama, A. Konno, T. Uchiyama, and S. Kanda: Development of a flexible dual-arm manipulator tested for space robotics, Proceedings of IEEE Internatinal Workship on Intelligent Robos and System, (1990), 375-381.
3. Jin-Soo Kim, Kuniaki Suzuki, Atsushi Konno and Masaru Uchiyama: Force Control of Constrained Flexible Manipulators, Proceedings of the 1996 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Minneapolis, Minnesota, USA, (1996/4), 635-640.
4. Jin-Soo Kim, Kuniaki Suzuki, Mitsuhiro Yamano and Masaru Uchiyama: Vibration Suppression Control of Constrained Spatial Flexible Manipulators, Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Albuquerque, New Mexico, USA, (1997/4), 2831-2837.
5. 金鎮秀，鈴木邦章，内山勝： リンクの歪みを用いるフレキシブルマニピュレータの力制御， 日本機械学会[No. 96-2] ロボティクス・メカトロニクス講演会'96講演論文集， (1996/6/20-21), 173-176.
6. Jin-Soo Kim, Kuniaki Suzuki and Masaru Uchiyama: Force Control of a Flexible Manipulator Based on the Measurement of Link Deflections, Proceedings of the 1996 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Osaka, Japan, (1996/11), 238-245.
7. 山野光裕，川口順央，桂島航，内山勝： 3次元フレキシブルマニピュレータのコンプライアンス制御実験， ロボティクス・メカトロニクス講演会'98講演論文集， 日本機械学会[No. 98-4] (1998/6/26-28), 1BII3-9 (1)-(2).
8. 山野光裕，川口順央，近野敦，内山勝： リンクの歪み情報を利用した 3次元フレキシブルマニピュレータのコンプライアンス制御， 第16回日本ロボット学会学術講演会予稿集， (1998/9/18-20), 81-82.
9. Masaru Uchiyama and Pierre Dauchez: Statics, Kinematics, and Hybrid Control Scheme for a Two Arm Robot, Proceedings of the IASTED International Symposium Robotics and Automation, Santa Barbara, (1987-5), 28-32.
10. Pierre Dauchez and Masaru Uchiyama: Kinematic Formulation for Two Force-Controlled Cooperating Robots, Proceedings of the 3rd International Conference on Advanced Robotics, Versailles, (1987-10), 457-467.
11. Masaru Uchiyama and Pierre Dauchez: A Symmetric Hybrid Position/Force Control Scheme for the Coordination of Two Robots, Proceedings of the 1988 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Philadelphia, (1988-4), 350-356.
12. 内山勝，ピエール・ドシェ： 両手ロボットの対称型運動学と非マスタスレーブ協調制御， 日本ロボット学会誌，7-1 (1989), 19-30.
13. Masaru Uchiyama: A Unified Approach to Load Sharing, Motion Decomposing, and Force Sensing of Dual Arm Robots, Robotics Research: The Fifth International Symposium, Edited by Hirofumi Miura and Suguru Arimoto, The MIT Press, (1990), 225-232.
14. 内山勝： 複腕協調制御，計測と制御，30-5(1991), 383-394.
15. MASARU UCHIYAMA and PIERRE DAUCHEZ: Symmetric kinematic formulation and non-master/slave coordinated control of two-arm robots, ADVANCED ROBOTICS: The International Journal of the Robotics Society of Japan, 7-4 (1993), 361-383.
16. Mitsuhiro Yamano, Jin-Soo Kim and Masaru Uchiyama: Hybrid Position/Force Control of Two Cooperative Flexible Manipulators Working in 3D Space, Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, (1998/5/16-20), 1110-1115.
17. Mitsuhiro Yamano, Atsushi Konno and Masaru Uchiyama: Vibration Suppression Control of Two Cooperative Flexible Manipulators Working in 3D Space, Proceedings of the Ninth International Conference on Advanced Robotics ('99 ICAR), Tokyo, Japan, (1999/10/25-27), 385-390.
18. 山野光裕，金鎮秀，近野敦，内山勝： 3次元双腕フレキシブルマニピュレータの協調制御実験， 日本機械学会論文集（C編）， 66-649 (2000/9), 3063-3068.
19. Mitsuhiro Yamano, Atsushi Konno, Masaru Uchiyama and Tomohiro Miyabe: Capturing a Spinning Object by Two Flexible Manipulators, Proceedings of the 2000 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Takamatsu, Japan, (2000/10/31-11/5), 2036-2041.
20. Tomohiro Miyabe, Atsushi Konno and Masaru Uchiyama: Cooperative Control of a Two-Arm Flexible Manipulator with Redundancy, Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Lausanne, Switzerland, (2002/9/30-10/4), 2708-2713.
21. MITSUHIRO YAMANO, JIN-SOO KIM, ATSUSHI KONNO and MASARU UCHIYAMA: Cooperative Control of a 3D Dual-Flexible-Arm Robot, Journal of Intelligent and Robotic Systems, 39-1 (2004/1), 1-15.
22. Tomohiro Miyabe, Atsushi Konno, Masaru Uchiyama and Mitsuhiro Yamano: An Approach Toward an Automated Object Retrieval Operation with a Two-Arm Flexible Manipulator, The International Journal of Robotics Research, 23-3, (2004/3), 275-291.

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