未来を創造するロボット・メカトロニクス技術

東京電機大学 未来科学部

ロボット・メカトロニクス学科

畠山 省四朗ＲＭＸ数学とデザイン

ＲＭＸ（Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ）

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ロボメカ Robotics and Mechatronics 数学とデザイン

アウトライン

❖ロボット・メカトロニクスとは？➮メカトロニクスとは（機械工学と違うの）？

➮ハードディスクの話

❖大学のカリキュラム➮ロボットコンテスト

➮ロボット・メカトロニクス分野で学ぶこと

❖事例紹介：ロボ・メカ技術の平和への貢献➮対人地雷探知・除去ロボット

❖模擬講義：ロボティクス➮3年生が実際に受けている講義を体験

資料映像：（株）ZMP提供

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ロボット・メカトロニクスが築く快適な未来空間

インターネット

テーブル・イスを部屋マップに登録

シーリングカメラ 屋内測位センサ（スードライトなど）

RFIDタグ・リーダ

RFIDタグ

掃除ロボット

ホームネットワーク

掃除機ロボットさんテーブルの周りを掃除して！・地図自動生成，移動空間認識・汎用ロボットとの協調制御

ここを掴んで下さい

対象物ＤＢ利用・掴む対象認識・対象に合わせた把持制御・空き空間探索・物体方向制御

ホームサーバー

ＧＰＳ

ロボットメーカ/サービスインテグレータ

サービスアプリケーション

ハードウェアコンポーネントcomponent

ソフトウェアコンポーネントcomponent

RT ミドルウェア

生活モニタ

技術

ロボットサービスの実現レベルと技術

２０２５年における生活支援ロボットの利用シーン例

部屋の片付けタスク 「片付ける」

・床の上の物を認識・各物体を任意に位置変更・ゴミの選別・収集日にゴミ廃棄場所へ運搬

家・部屋マップ　　　　　　　　タウンマップ

ホームマップ，タウンマップロボットコンフィギュレーションタスク知能・技能健康医療管理生活物資管理

ロボットデータベース

ロボットサービス

データベース

RFIDタグ

RFIDタグ

RFIDタグ了解しました

日常作業支援・1mm精度の3次元視覚・10kg程度の可搬重量・2kg程度のハンドリング・5本指ハンド，柔軟構造

出展：ロボット分野の技術戦略マップ、経済産業省

2025年のイメージ

❖ロボット・メカトロニクス技術は未来社会のニーズに合致

❖未来の生活環境を形成する「住空間」「知的空間」「動的空間」の創造

❖ 「ロボット・メカトロニクス」 「情報メディア」 「建築」の横断的連携が必須

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ロボット・メカトロニクスとは？

❖ 「ロボット」だけって思っていませんか？➮ もちろん、ロボティクスのプロフェッショナルに必須の専門です。

❖バーチャルリアリティ、医療機器、自動改札、 、コンピュータ・メカトロニクス、郵便機械、ビル清掃・メンテナンス等々。➮人間と触れ合うシステムは、全てメカトロニクス・システムです。

❖ 「それだけって！？」思っていませんか？

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Synergetic Integration

ロボット・メカトロニクス

ロボット・メカトロニクスの可能性

機械

骨格

電気・電子

神経

制御

反射・運動

情報

知能

全ての技術領域を俯瞰し、社会に役立つあらゆるシステムを創出できる専門分野

快適な未来の居住空間自動車・航空機・鉄道社会インフラ・システム

可能性は無限大！

地雷の探知除去など平和への貢献も！

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2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000-40

-20

0

20

40Frequency Response of Controlled Plant

Ga

in [d

B]

Frequency [Hz]

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

-100

0

100

Pha

se

[d

eg

]

Frequency [Hz]

メカトロニクスとは：ハードディスクの事例から

メカトロニクス

❖ メカニクス➮サスペンション、ディスク振動、アクチュエータ

❖エレクトロニクス➮誤り訂正符号、PRML・VITERBI信号処理、リードライト・チャネル

❖システム・インテグレーション➮データ転送、エラーレート制御、熱設計、インタフェース

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ハードディスクのすごい技術

隙間1ミリメートル

トラック幅 250ナノメートル

ディスク回転数 毎分1万5千回転

ヘッド浮上量 10ナノメートル

データ転送率 毎秒100メガバイト

時速400キロメートル

1ミリメートルの幅

引用：平成13年度「教育用コンテンツ開発事業」http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.html

髪の毛の太さは100マイクロメートル

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世界最初のハードディスク：IBM 350 RAMAC* System

❖1956年、IBMが製品化

❖自動販売機の1.5倍くらいの大きさ

❖直径24インチのディスク50枚

❖容量は５MB

*Random Access Memory Accounting

http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/storage_350.html

何と、2007年時点の最先端の

ハードディスクは、記録密度が

7,000万倍以上となっている。

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世界最初のハードディスク：IBM 350 RAMAC* System

❖1956年、IBMが製品化

❖自動販売機の1.5倍くらいの大きさ

❖直径24インチのディスク50枚

❖容量は５MB

*Random Access Memory Accounting

http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/storage_350.html

何と、2007年時点の最先端の

ハードディスクは、記録密度が

7,000万倍以上となっている。

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ロボット・メカトロニクス分野で学ぶこと

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ロボット・メカトロニクス分野のカリキュラムの例

❖確かな数学力で実現力を！

❖基礎から徹底的に学ぶコンピュータ科目群

❖専門科目を横断的に統合、相乗的に知識を伸ばすコースワーク

❖修士進学も念頭に

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地雷の形、硬さや部品に着目 爆薬や関連物質を探知する

引用 Journal of Mine Action, Issue 7.3

HiEnergy Technologies, Inc. URL, http://www.hienergyinc.com/

事例紹介：ロボ・メカ技術の平和への貢献- 地雷探知に関する要素技術の進展 -

漏洩物質を検知 爆薬自身を探知❖ プロッダー

❖ 金属探知器

❖ 地中レーダー

❖ 赤外線カメラ

❖ 振動・音波

❖ イヌ、ラット、ブタ、ハチ

❖ 植物

❖ 人工嗅覚

❖ 核四極共鳴（NQR）

❖ 高速中性子励起（FNA）

❖ 熱中性子励起（TNA）

模擬講義：ロボティクス（第4回）運動学（リンクパラメータとリンク座標系：リンク機構を記述する）

石川 潤 先生

３学年 後期集中 2単位 選択科目 R3

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講義の流れ

1. 導入（ロボットの機構と制御）

2. 運動学（座標系：位置と姿勢を表現する）

3. 運動学（同次変換：変換行列で回転と並進を表現する）

4. 運動学（リンクパラメータとリンク座標系：リンク機構を記述する）

5. 運動学（順運動学：関節変数から手先の位置と姿勢を求める）

6. 運動学（逆運動学：手先の位置と姿勢から関節変数を求める）

7. 運動学（ヤコビ行列：手先速度と関節速度の関係とは）

8. 力学基礎

9. 運動学（ヤコビ行列：手先に力をかけるには）

10.動力学（ラグランジュ法で運動方程式を立てる）

11.動力学（ニュートン・オイラー法で運動方程式を立てる）

12.制御基礎

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関節およびリンク番号と関節変数

図4.1：関節とリンクの番号付け

関節i-1

リンク0

関節3

関節2

関節i

関節i+1

リンクn

リンク1

リンクi

リンク3

リンクi-1

関節1 リンクn-1

関節n-1

関節n

1q

2q

3q

1iq

1iq

iq

1nq

nq

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RY

RZ

RX

0O

RO

EZEX

EY

1

2

3

4

5

6

7

例題：7自由度マニピュレータ

図D5.1：7自由度アーム（三菱重工汎用ロボットPA10シリーズPA10-7C総合取扱説明書より）

以下の7自由度アームのDH記法を求めよ。

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リンクパラメータとDenavit-Hartenbergの記法

1iX

1iY

1iZ

1ia

1i

id

i

iZ

iY iX

リンク i-1

リンク i

図5.1：DH記法パラメータとリンク座標系の関係

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7自由度アームのDH記法による表現

RZ

Rl

1l

2l

El

10 , ZZ 2Z

4Z

6Z

75 , ZZ

EZ

i 1ia 1i id i

R 0 0 Rl 0

1 0 0 0 1

2 0 2 0 2

3 0 2 1l 3

4 0 2 0 4

5 0 2 2l 5

6 0 2 0 6

7 0 2 0 7

E 0 0 El 0

3Z

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制御系はどのように構成されるのか

逆運動学

手先をどのように動かしたいか

手先の目標軌道生成

各関節はどのように動かせばよいか

関節の目標軌道生成

実際の関節変位は？

追従誤差を圧縮

関節変位センサ

フィードバック制御

実際の関節変位は？

追従誤差を圧縮

関節変位センサ

フィードバック制御

実際の関節変位は？

追従誤差を圧縮

関節変位センサ

フィードバック制御

高速性を改善

フィードフォワード制御逆動力学

高速性を改善

フィードフォワード制御

高速性を改善

フィードフォワード制御

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一輪車操作熟達支援 研究背景

人間の操作を必要とする機械が多く存在する.

○初心者は乗車時間が短いため,

連続した練習ができない○地面と一点で接しているため,

他の機械操作に比べより不安定

一輪車操作の熟達を支援する制御システムの研究開発を行っている.

一輪車操作は, 特に困難である.

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一輪車シミュレータの全体構成

POS=[x,y,z,φ,Θ,ψ]

Calculation PC Co

ntro

ller

PID

Data

IP-1

IP-2

UDP

Pos

Feed

Data

No touch

7[Hz]DualCoreCPU

SensorAcceleration

Gyro

Force

wired

Control Loop

IP-3

IP-4

IP-5

Projector_C

Projector_L

Projector_R

PosVisual System

System of Unicycle’s Simulator

Sensor System

We measure real unicycle operation.

From power, acceleration and gyro

sensor, we build a real time

measurement system.View information is expressed with three

projectors using DirectX.

HUBPC

PC

PC

Unicycle's mathematical model is solved

on calculation PC for next reference.

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一輪車シミュレータ： 人間乗車風景

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一輪車シミュレータ： 動作風景

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一輪車シミュレータ： 3DCG仮想空間風景

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振子の安定化操作による熟達解析

シミュレータ画面力センサを用いた入力装置

力センサ

Model-following制御を用いて振子の反力をフォースフィードバック

現実のものを操作してるような感覚を与える

力信号を用いて直接振子を操作

操作実験を通じて人間の習熟過程を解析

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「考える」って何？

• 最低限の知識と忍耐が必要• ふと生じる様々な疑問を大切にする• 基本知識（原理・法則）に基づく• 自らの思考で解決する意欲と力を養う• 疑問は、各人の経験に基づく個人的なもの• 時間を掛けて考え、心から納得する喜びを味わう• 決して、無理に判ったことにしたり妥協したりしない

考えるとは、

基本知識に基づき知識を構造化して整理すること

質問、何でもきいてください。

1. 確かな土台（基礎力）をベースに，高度な専門力を身につけたい人

2. 数学，理科が好きで将来国際的に通用する研究者・技術者を目指したい人