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Diff of Development of Variable Stiffness Joint Drive Modules

Top / Development of Variable Stiffness Joint Drive Modules

** 目次 [#z6b10c36]
#contents

** 委託事業名 [#f37ff5e8]

(財)飯塚研究開発機構調査研究開発事業

''「人間のように関節の硬さを変更できる関節駆動モジュールの開発」''

** 概要 [#r0d86344]
#ref(./outline.jpg,60%)

** モジュールの完成イメージ [#r0d86344]

*** 関節駆動モジュール [#m3326d94]
#ref(./module_image_1.jpg,60%)

*** モジュールボックス [#cb6dd9bd]
#ref(./module_image_2.jpg,40%)

** 進捗状況報告 [#i084092a]

*** October 1, 2009 [#z30f9832]
Scilabでシミュレータを作った。

&ref(./result_091001.bmp,50%);
&ref(./result_091001.png,50%);

*** September 25, 2009 [#j47adc8d]
昨日の制御系のさらに上位に、関節角度を制御するためのPI制御(Kp=50, Ki=6.0)を施した。ワイヤにほとんどテンションをかけない状態で行った実験の結果は以下の通り。しかし、角度制御をしてしまうと非線形バネの柔軟性が打ち消されてしまい、関節の硬さは制御系のゲインで決まってしまう。

&ref(./result_090925_1.png,50%);

&ref(./result_090925_1.dat);

*** September 24 (2), 2009 [#bcd706f8]
モータの角速度(サンプリング周期間にエンコーダが出力するパルス数)制御系は、PI制御(Kp=0.03, Ki=0.015)で構成する。そのPI制御系の上位に、モータの角度(上記パルス数の積算値)を制御するための、P制御(Kp=0.1)を施す。実験結果は以下の通り。

&ref(./result_090924_1_2.png,50%);

&ref(./result_090924_0.dat);
&ref(./result_090924_1.dat);

*** September 24, 2009 [#za3debe8]
ステップ応答からモータの時定数とゲインを求めた。

motor0: T = 0.02, K = 18.5

morot1: T = 0.02, K = 16.0

パルス伝達関数は以下の通り(scilabで計算)。入力はモータドライバへの指令値、出力はサンプリング周期間にエンコーダが出力したパルス数。なお、1サンプルの計算時間遅れを考慮している。

motor0:

       11.69423
    --------------
                  2
  - 0.3678794z + z

motor1:

      10.113929
    -------------
                  2
  - 0.3678794z + z


モータドライバへの指令が60の時のステップ応答は、以下のグラフの通り。
&ref(./step_res_p60.gif,50%);

*** September 17, 2009 [#s6eba980]
モータ制御系の設計をやり直す。SyRen 25A regenerative motor driver([[DimensionEngineering:http://www.dimensionengineering.com/SyRen25.htm]]製)の出力特性を計測した。入力電圧は15.04V(電源はALINCOのDM-33OMV)。

&ref(./syren0_out_v.png,30%);
&ref(./syren1_out_v.png,30%);

&ref(./syren0_out_v.dat);
&ref(./syren1_out_v.dat);

*** August 3, 2009 [#x1075f3a]
張力制御を入れたら、マイコンの割り込みが間に合わなくなってしまった。
制御周期を10ms->20msに変更。ゲイン調整が必要。

*** July 8, 2009 [#f551acf7]
(株)リベックスのワイヤインパルスコーダを使って直接SATの長さを計測したかったが、高価だったので諦めた。モータと関節のエンコーダ値からSATの長さを求めることにした。

*** July 1, 2009 [#p82bfc4c]
制御周期10ms、エンコーダサンプリング周期20.8μsの時、エンコーダで計測できる回転速度の上限は480pulse/10ms。

制御周期10ms、エンコーダサンプリング周期15.6μs、641pulse/10msがSH7145Fの限界か?

*** June 24, 2009 [#zc2939d9]
23日のワイヤ巻き取り量制御の上位に、PIの関節角度制御を実装した。
ゲイン調整は試行錯誤。ワイヤの張力にも依存するだろう。

#ref(./exp_result_090624.png,60%)

*** June 23, 2009 [#c009fa23]
ワイヤ巻き取り量が制御できるようになった。
モータの回転速度制御ループはPI制御、回転角度制御ループはP制御。
ゲイン調整は試行錯誤。
ワイヤを1mm巻き取るためには、モータを約800パルス逆回転すればよい。
ただし、巻き取ったワイヤによりプーリの径が増すので、巻き取るほどこの値は減少する。

*** May 20, 2009 [#a5e54df0]
2号機の動作確認実験@九工大

#ref(./experimental_apparatus_2_090520.jpg,40%)

#ref(./test_experiment_090520.mpg, 動作確認の様子(動画、MPEG1、撮影@九工大)) 

コントローラは、[[Arduino:http://www.arduino.cc/]]から[[BestTechnology:http://www.besttechnology.co.jp/]]のSH7145Fマイコンボードに変更した。

*** April 2, 2009 [#c42ad0c5]
2号機の動作確認実験@九工大

とりあえず、非線形バネは取り付けないで、動作確認実験を行った。
#ref(./test_experiment_090402.mpg, 動作確認の様子(動画、MPEG1、撮影@九工大)) 

*** March 19, 2009 [#y4048b70]
成果報告会 @福岡県立飯塚研究開発センター

#br

2号機のワイヤ巻き取り部動作確認実験@九工大
#ref(./test_experiment_090319.mpg, 動作確認の様子(動画、MPEG1、撮影@九工大)) 

*** March 17, 2009 [#rb6a0e94]
2号機の機構部組立終了@三ツ和金属

|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_2_090317_1.jpg,40%)|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_2_090317_2.jpg,40%)|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){製作した実験装置2号機 &br; (設計:機電研 奥村様、&br; 部品加工:三ツ和金属様)};};|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){アーム&関節 &br; (ケミカルウッドのカバー付)};};|
|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_2_090317_3.jpg,40%)|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_2_090317_4.jpg,40%);|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){アーム&関節 &br; (カバーなし)};};|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){関節 &br; (上方から)};};|
|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_2_090317_5.jpg,40%)|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){モジュールボックス &br; (モータドライバなし)};};|

*** March 10, 2009 [#ic8a8c35]
とりあえず、成果報告書提出。

*** March 9, 2009 [#j9f80a6c]
2号機の完成予想図

#ref(./experimental_apparatus_2_090309.jpg,50%)

設計:奥村様@機電研

*** February 17, 2009 [#ec5de6cc]
2号機のモータ駆動系のテスト3@九工大

[[昨日の問題:http://maple.ces.kyutech.ac.jp/~jkoba/index.php?Development%20of%20Variable%20Stiffness%20Joint%20Drive%20Modules#m25cd4ee]]は、ArduinoとSyRenの通信速度を、9600bpsから2400bpsに変更することで解決できた。

*** February 16, 2009 [#m25cd4ee]
2号機のモータ駆動系のテスト2@九工大

エンコーダのパルスをサンプルする割り込み処理をArduinoに実装。Timer2を使用した。

しかし、割り込み処理を入れると、新しいSyRenの方が暴走してしまう。古い方は問題なし。

*** February 13, 2009 [#r61f9c16]
2号機のモータ駆動系のテスト1@九工大

- [[Arduino:http://www.arduino.cc/]]
- SyRen 25A regenerative motor driver([[DimensionEngineering:http://www.dimensionengineering.com/SyRen25.htm]]製)X 2
- モータ([[マクソン:http://www.maxonjapan.co.jp/]]製、名前:RE25 GB 20W、型番:118752)X2

で2号機のモータ駆動系を構成した。

SyRen の動作モードは、Simplified Serial Mode with Slave Select。

Arduino のプログラムを更新すると、最初は必ず暴走する。原因は不明。

*** February 3, 2009 [#fc9c58a5]
機電研の奥村様が、2号機の図面を仕上げてくださった。

*** December 25, 2008 [#y3108e46]
2号機に使用するモータドライバが納品された。

- SyRen 25A regenerative motor driver([[DimensionEngineering:http://www.dimensionengineering.com/SyRen25.htm]]製)

[[MechaRoboShop:http://www.mecharoboshop.com/Products/motorcontroller/DimensionEngineering/SyRen25]]で購入。

*** December 16, 2008 [#v4682fd9]
2台目の実験装置で使用するモータが納品された。

- モータ([[マクソン:http://www.maxonjapan.co.jp/]]製)

名前:RE25 GB 20W

型番:118752

- エンコーダ([[マクソン:http://www.maxonjapan.co.jp/]]製)

型番:225773


*** December 11, 2008 [#jf78b969]
関節角速度計測実験2@九工大

ギアヘッドの減速比を17:1から4.1:1に変更した。
指令信号最大で関節を回転させたときの、最大関節角速度は23deg/s程度であることがわかった。ほぼ予想通り。

|BGCOLOR(white):#ref(./CCW_angle_081211.jpg,20%)|BGCOLOR(white):#ref(./CCW_rate_081211.jpg,20%)|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){関節角度(反時計回り)};};|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){関節角速度(反時計回り)};};|
|BGCOLOR(white):#ref(./CW_angle_081211.jpg,20%)|BGCOLOR(white):#ref(./CW_rate_081211.jpg,20%)|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){関節角度(時計回り)};};|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){関節角速度(時計回り)};};|

*** November 12, 2008 [#m054a12a]
関節剛性計測実験@九工大

関節剛性計測実験を行った。
具体的には、ワイヤにテンションをかけた状態でアームの先端を引っ張り、そのときの関節角度の変位と引っ張り力を計測した。引っ張り力はディジタルプシュプルゲージにより計測した。

#br

下のグラフの横軸は関節角度の変位で、縦軸は引っ張り力を関節軸周りのトルクに変換したものである。LとRは非線形バネの長さ(mm)を表し、自然長はL0=100、R0=100である。

#br

テンションを増減させて非線形バネを伸縮することで、関節剛性を変えることができることが確認できた。

|BGCOLOR(white):#ref(./joint_stiffness_test_081112.jpg,25%)|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){関節剛性計測実験の結果};};|

*** November 11, 2008 [#f0759bf8]
関節角速度計測実験1@九工大

指令信号最大で関節を回転させたときの、最大関節角速度は6deg/s程度であることがわかった。
角速度は、エンコーダで計測された関節角度のデータから、
後退差分近似を用いて計算した。
サンプリング周期は約0.1s(一定ではないが変動を考慮して計算)。

|BGCOLOR(white):#ref(./CCW_angle.jpg,25%)|BGCOLOR(white):#ref(./CCW_rate.jpg,25%)|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){関節角度(反時計回り)};};|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){関節角速度(反時計回り)};};|
|BGCOLOR(white):#ref(./CW_angle.jpg,25%)|BGCOLOR(white):#ref(./CW_rate.jpg,25%)|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){関節角度(時計回り)};};|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){関節角速度(時計回り)};};|


*** November 10, 2008 [#g60f8091]
ワイヤ巻き取り部引っ張り力計測実験@九工大

プシュプルゲージで、ワイヤ巻き取り部の引っ張り力を計測した。
左右どちらとも約70Nで止まった。
ワイヤを巻き取るボビンの直径が19mmなので、
最大巻き取りトルクは70N X 9.5mm = 665mNmということになる。

*** October 22, 2008 [#j1154e89]
実験装置組立2@三ツ和金属

(三ツ和金属、機電研、[[RoboPlusひびきの:http://www.roboplus.jp/]]、九工大)

実験装置の組立終了。動作チェックを行った。
#ref(./test_experiment_081028_1.mpg, 動作チェックの様子(動画、MPEG1、撮影@九工大)) 

剛性の変化は確認できたが、関節の回転が予想以上に遅かった。
ギアヘッドの減速比が小さなモータを準備することにする。
ワイヤ巻き取り部にウォームギアを使用しているため、モータの電源を切ってもワイヤが緩まない。

|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_1_081028_1.jpg,40%)|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_1_081028_2.jpg,40%)|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){製作した実験装置 &br; (設計:機電研 奥村様、&br; 部品加工:三ツ和金属様)};};|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){アーム部 &br; (黒い物体はエンコーダ。&br; 関節とベルトで繋がっている。)};};|
|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_1_081028_3.jpg,40%)|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_1_081028_4.jpg,40%);|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){非線形バネSAT &br; (鈴鹿高専の白井先生が開発)};};|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){ウォームギアを使ったワイヤ巻き取り部1};};|
|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_1_090116_1.jpg,40%)|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_1_090116_2.jpg,40%);|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){ウォームギアを使ったワイヤ巻き取り部2};};|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){ウォームギアを使ったワイヤ巻き取り部3};};|
|BGCOLOR(white):#ref(./experimental_apparatus_1_081028_5.jpg,40%)|
|CENTER:BGCOLOR(white):&size(12){&color(blue,white){モータドライバ &br; ([[RoboPlusひびきの:http://www.roboplus.jp/]]が開発)};};|

*** October 20, 2008 [#k4a01350]
実験装置組立1 @三ツ和金属

(三ツ和金属、機電研、[[RoboPlusひびきの:http://www.roboplus.jp/]]、九工大)

部品の加工が完了したので、実験装置を組み立て始める。
機構部分は95%完成。

*** September 15, 2008 [#k4a01350]
関節に取り付けるエンコーダ([[オムロン、E6A2-CWZ3C 500P/R:http://www.fa.omron.co.jp/product/family/486/index_p.html]])の値を、マイコンで読み取れるようになった。
使用しているマイコンは、[[BestTechnology:http://www.besttechnology.co.jp/]]のSH7145Fマイコンボード。
SH7145FのMTUの位相計数モードを利用した。

*** September 12, 2008 [#ae6afcf6]
打ち合わせ&納品 @九工大

(機電研、[[RoboPlusひびきの:http://www.roboplus.jp/]]、九工大)

機電研の奥村様が、修正した実験装置の設計案を説明してくださった。主な修正箇所は以下の2点。

- 非線形バネ取り付け部の長さを変更できるようにした。
- 関節部にエンコーダを追加した。

さらに追加で、プシュプルゲージで関節の硬さを計測するために、アームに穴を開けていただくようお願いした。

続いて、[[RoboPlusひびきの:http://www.roboplus.jp/]]の神田様から、仮のモータドライバとICD2を納品していただいた。また、MPLABの使用方法も教えていただいた。

*** September 1, 2008 [#gf7db4e5]
打ち合わせ @三ツ和金属

(三ツ和金属、機電研、九工大)

機電研の奥村様が、実験装置の設計案を考えて、その図面を描いてきてくださった。
2点ほど修正し、9月第3週には図面が完成する予定とのこと。
その後、三ツ和金属で加工開始。

*** July 24, 2008 [#oedf6bb5]
[[RoboPlusひびきの:http://www.roboplus.jp/]]との打ち合わせ @生命体石井研

([[RoboPlusひびきの:http://www.roboplus.jp/]]、三ツ和金属、機電研、九工大)

開発するモジュールで使用するモータとモータドライバを決定しました。

- モータ([[マクソン:http://www.maxonjapan.co.jp/]]製)

名前:RE13 1.5W Graphite Brushes

型番:118576

- ギアヘッド([[マクソン:http://www.maxonjapan.co.jp/]]製)

名前:GP13A

型番:110314

ギア比:17:1

- エンコーダ([[マクソン:http://www.maxonjapan.co.jp/]]製)

型番:323054

チャンネル数:2

分解能:256

- モータドライバ([[RoboPlusひびきの:http://www.roboplus.jp/]]製)

名前:dsPIC搭載小型モータドライバボード

http://www.roboplus.jp/info/

*** July 11, 2008 [#bb117572]
打ち合わせ @三ツ和金属

(三ツ和金属、機電研、九工大、飯塚研究開発機構)

*** July 1, 2008 [#y6cab9bc]
契約書、報告書などについての説明会 @福岡県立飯塚研究開発センター

*** June 26, 2008 [#x8bf5c61]
採択決定

*** June 20, 2008 [#gc5050ec]
プレゼン @福岡県立飯塚研究開発センター

*** June 5, 2008 [#t67edb51]
調査研究開発事業提案書を提出

*** June 3, 2008 [#n769f5dd]
打ち合わせ @九工大→@三ツ和金属

(三ツ和金属、機電研、九工大)

*** May 23, 2008 [#xbc10f18]
打ち合わせ @九工大

(機電研、九工大)

** 開発メンバー [#n33eb858]

*** 三和金属株式会社 [#m145f1cb]
鈴木徳義 代表取締役

*** 福岡県工業技術センター機械電子研究所 [#o6986633]
奥村克博 主任技師、渡邉恭弘 主任技師

*** 九州工業大学 [#oab34c41]
小林順 助教