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パワーアシストシステムにおける操作対象物の操作方向を考慮した軌道上への誘導力場の設計と手先誘導効果の検証
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| Title: | パワーアシストシステムにおける操作対象物の操作方向を考慮した軌道上への誘導力場の設計と手先誘導効果の検証 |
| Other Titles: | Design of Guidance Force Field Considering Approachability for Power Assist System and Validation of Improvement Maneuverability |
| Authors: | 松田, 潤樹 Browse this author |
| Keywords: | パワーアシストシステム | | スキルアシスト | | Power Assist System | | Skill Assist |
| Issue Date: | 25-Dec-2023 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | パワーアシストシステム (PAS) は，産業，医療などの分野で，操作者の肉体的な疲労軽減や重量物の搬送を目的として活用され，我が国の生産労働人口減少に伴う産業の労働力不足の解消にも期待されている．作業用 PAS の特徴としては，操作者が PAS を操作するためのインターフェースを備え，マニピュレータが人に追従して動作する人間機械協調型のシステムである点が挙げられ，⼀般的な産業用ロボットで必要とされるティーチング作業が不要であり，人間の巧みさや臨機応変さを損なわずに運用できるという利点がある．⼀方で，作業が繰り返しを前提とする場合，操作者に対する肉体的および精神的な負担が蓄積し，集中力や生産性の低下が懸念される問題も存在する．これらを抑制するために，インピーダンス制御を用いて PAS の追従性を改善し，操作性を向上させる取り組みが行われてきた．従来のパワーアシストシステムにおいて，操作力を低減するために，操作者にとっては意図しない小さな力であっても大きな力として出力され，操作者に危険をもたらす可能性があることがあった．操作者が系に入力した力が制御則に従って拡大するため，これらの問題を抑制するのは難しいこともある．本研究では，従来の PAS の問題点に対処すべく， PAS の自律性を活用した手法を提案する．従来型 PAS と同様に操作性を向上させつつ，生産性を維持し，操作者の集中力の低下が事故につながらないように，操作者の「随意性」を活かしながら PAS の「他律性」を最適化する設計を行う．提案手法では，仮想的な誘導力を使用して PAS の手先を誘導し，操作者の「随意性」を活用しつつ， PAS の「他律性」を最適化し，従来の PAS と同様に操作者が発揮する操作力を低減することを目指した．手先誘導では，対象物に適した経路で接近できるように，操作対象物の操作方向を考慮して軌道を生成し，軌道上の手先速度を予測する操作モデルを構築した．予測した手先速度が実現できるように，仮想的な力で操作者の手先を誘導する．この際，作業者のスキルや行動戦略に対する影響を最小限に抑えるため，仮想的な誘導力の範囲を定義し，操作者の意図が PAS の予測した動作や力と合致しない場合には誘導力から解放されるように設計した．本論文では，第 1 章で研究の背景と従来研究，本論文の目的，提案手法を実装する PASのシステム構成について説明する．第 2 章では，操作対象物の操作方向を定義し，対象物までの軌道生成方法と手先誘導の設計について述べる．作業者のスキルを損なわず，行動戦略を妨げないために，誘導力の範囲も考慮に入れる．第 3 章では，設計した誘導力を評価する操作性評価実験を実施し，提案手法が操作性向上に寄与することを示す．さらに，第 4 章では，操作者の「随意性」と PAS の「他律性」を最適化するため，誘導力の範囲を適切に設定することで，更なる操作性向上を実現する．以上の提案手法により，従来の作業用 PAS で研究されてきた操作力の低減だけでなく，操作者の行動戦略を妨げないアシスト手法を実現した．この論文の成果は，PAS の自律性と安全性を向上させるのに大いに貢献できるものと考える． | | Power Assisted Systems (PASs) are utilized in industrial, medical, and other fields to reduce physical fatigue of operators and to transport heavy objects. The features of the PASs for work use are that it is equipped with an interface to operate the PASs, and that the manipulator follows the operator. The PASs is a human-machine cooperative system in which the manipulator follows the operator. The PASs has the advantage that it does not require teaching work, which is necessary for general industrial robots, and can be operated without losing the skill and flexibility of humans. On the other hand, if the work is repetitive, physical and mental strain on the operator may accumulate, and there are concerns about loss of concentration and productivity. To suppress these problems, efforts have been made to improve the tracking performance of PASs using impedance control and to improve maneuverability. In conventional PASs, even a small force unintended by the operator is output as a large force in order to redue the operating force. This may cause danger to the operator. It is sometimes diffcult to control these problems because the force input to the system by the operator expands according to the control law. In this study, we propose a method that utilizes the autonomy of PASs to address the problems of conventional PASs. We propose a method that improves operability as in the case of conventional PASs, while maintaining productivity and avoiding accidents due to a loss of operator concentration. The design is to optimize the ”autonomy” of thes PAS while taking advantage of the ”voluntariness” of the operator. The proposed method uses a virtual guiding force to guide the PASs paw and While utilizing the ”voluntariness” of the operator, the ”autonomy” of the PASs is optimized, aiming to reduce the operating force exerted by the operator in the same manner as a conventional PASs. For end-effector guidance, a manipulation model was constructed to generate a trajectory considering the manipulation direction of the manipulated object and to predict the end-effector velocity on the trajectory, so that the operator can approach the object along an appropriate path. To achieve the predicted end-effector velocity, the op rator’s end-effector is guided by virtual guidance force. In order to minimize the influence on the operator’s skill and action strategy, the range of the virtual guidance force is defined. The design was such that the operator is released from the guidance force when the operator intention does not match the predicted motion or force of the PAS. In this paper, Chapter 1 describes the background of the research, previous studies, the purpose of this paper, and the system configuration of the PASs that implements the proposed method. In Chapter 2, we define the operation direction of the manipulated object, describe the trajectory generation method to the target object, and describe the design of the end-effector guidance. The range of guiding forces is also taken into account in order not to impair the operator’s skills and not to interfere with his action strategy. In Chapter 3, maneuverability evaluation experiments are conducted to evaluate the designed guidance force, and it is shown that the proposed method contributes to improving maneuverability. In Chapter 4, we further improve the maneuverability by appropriately setting the range of the guidance force to optimize the operator’s ”voluntariness” and the ”autonomy” of the PASs. The above proposed method not only reduces the operation force, which has been studied in conventional PASs for work, but also provides an assist method that does not interfere with the operator’s action strategy. We believe that the results of this paper will contribute greatly to improving the autonomy and safety of PASs. |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第15698号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 情報科学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 田中 孝之, 教授 山下 裕, 教授 近野 敦 |
| Degree Affiliation: | 情報科学研究科(システム情報科学専攻) |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/91208 |
| Appears in Collections: | 課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 情報科学院(Graduate School of Information Science and Technology)
学位論文 (Theses) > 博士 （情報科学）
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