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ロボット入門:読書メモ

ロボットの勉強始めようかと思って、下の本、読んだ。

ロボット入門 (図解ロボット技術入門シリーズ)

ロボット入門 (図解ロボット技術入門シリーズ)

制御系・動力系・ソフトウェア・・・。総合力が必要とされるロボットの勉強、何をどう始めればいいんだ?と思ってところに、この本に出会った。

すべてが網羅的に触られていて非常によかった 以下、キーワードメモ!

ロボット入門

概要

ロボットの三原則

  • ロボットは人間に危害を加えてはならない。また人間に危害が及ぶのを見逃してはならない
  • ロボットは人間から与えられた命令に従わなければならない。ただし、与えられた命令が第1条に反する場合はこの限りではない
  • ロボットは第1条と第2条に反しない限り、自分自身を守らなくてはならない

種類

  • 多目的ロボット
  • コミュニケーションロボット
  • 接客ロボット
  • 施業支援ロボット
  • 清掃ロボット
  • 警備ロボット
  • レスキューロボット
  • 福祉ロボット
  • 医療ロボット
  • 玩具ロボット

ロボットの構成

アクチュエーター

  • 入力されたエネルギーを物理的な運動へと変換する機構
  • 肩、ひじ、手首んアドの関節部分などの駆動源
  • 種類

    • 電力モータ(ACモータ、DCモータ、空気圧、油圧、ピエゾ素子、人工筋肉など)
  • 動力源

    • アクチュエーターを動かすもの
    • ロボットの用途や使用するアクチュエーターによって使い分ける
      • 工場内で使うか?屋外で使うか?人間が立ち入る場所か?などで変わってくる
  • センサ

    • 外界の情報を捉えるもの
    • 変位、速度、加速度、角度、角速度、距離などの物理量を電圧に変換するものが主
    • 人間でいう感覚器
  • コンピュータ装置

    • センサで取得したものはアナログ信号なので、デジタル変換する(A-D変換)
    • 逆は、D-A変換
  • 制御

    • センサの信号をもとに、アクチュエーターをいかに制御するのかを考える

開発の流れ

CAD:computer aided design:設計支援システム

CAM:computer aided manufacturnig:製造設計支援システム

  • CADで作られた図面をもとにコンピュータ制御された工作機械を使って、ワークを加工する

板金加工

  • 金属板を切って、曲げて、溶接する
  • よく、アルミニウムが使われる

CAE:computer aided engineering:開発工程支援システム

  • ロボットにソフトウェアを組み込んだ状態での実験・解析をPCでシュミレートできる
  • 航空や自動車がメインだったが、ロボットでも使われるように
  • Ex)歩行ロボット:歩行時のフレーム強度やアクチュエーターの必要トルクを計算で出すのは難しく、試行錯誤をするが、それをCAEで実施できる

問題点:これからのテクノロジー

アクチュエーター

  • アクチュエーターの性能は、大きさ・重量・出力・スピード・制御性・効率によって評価される
  • 様々な種類のアクチュエーターがあるが、すべてを満たすアクチュエーターはない

バッテリー

  • 大きさ、重量、出力、寿命の評価観点があるが、すべてを満たすものはない
  • 1次電池:使い捨て電池
    • 時計など使用期間が長いものに使われる
    • 緊急時の電力供給が切れても心配がないというメリット
  • 2次電池:充電可能・蓄電池
    • 携帯電話など使用期間が短いものに使われる(毎回、電池交換していたら不経済)
* 自己放電:無負荷状態でも蓄電量が次第に減少していくこと
* メモリ効果:電池を完全に使い切らない状態で充電をくり返すと、容量が減っていく減少
    * メモリ効果をおこ明日電池も完全放電・完全充電をくり返すと解消されていく
* 過放電:決められた放電終止電圧以下になること

材料

  • ロボットの材料は、軽くて丈夫なものがいい
  • 軽合金
    • アルミニウム、ジェラルミンなど
  • エンジニアリングプラスチック
    • ABS、アクリルなど
  • 繊維強化プラスチック
    • プラスチックにセラミックなどの強化硬化材料をブレンドしたもの

ロボット基礎

アクチュエーター

  • エネルギーを力や変位に変換する者
  • 主に電気モータ

モータ

  • DCモータ
  • ACモータ
  • PWM:pulse width modulation:パルス幅変調
    • 電源電圧がHigh(電源電圧)とLow(0V)しかない場合に、その中間を作り出す技術
    • 短い周期でHighとLowを繰り返し、パルス感覚を一定にして、パルス幅を変える

ロボット制御のためのセンシング

  • ポテンショメータ
    • 回転角度のセンシング
  • ロータリエンコーダ
    • 回転角度のセンシング
  • ジャイロセンサ
  • 温度センサ
    • 発熱をしたら止める制御とか
  • ストレーンゲージ
    • 歪みセンサ
  • 加速度センサ
    • 蓄積衝撃の計算や、姿勢補助のために使う
  • 距離センサ
  • マイク
  • 全方位カメラ

ロボットの機構

  • リンク、カム、歯車
  • シリアルリンク、パラレルリンク
  • 自由度

    • 空間において剛体の運動を記述するのに必要な独立変数の数(最大6)
    • 特異点
      • ある特定の方向の自由度が失われてしまう姿勢(自由度の縮退):特異点姿勢
  • マニュピレータ

    • ロボットアームの事

移動ロボット

  • 車輪移動機構
    • 4輪、6輪、全方位など
  • クローラ式移動機構
  • 2脚移動歩行
    • 静歩行:支持脚多角形内に重心投影点がある
    • 動歩行:慣性の法則を考慮に入れながら、重心を取る
      • 代表的なもの:ZMP:Zero moment point法
    • 4脚歩行
      • 遊脚(持ち上げている脚)の順序やタイミングによって様々な種類がある
      • 歩き方を歩容(gait)

緊急時の人間工学

  • 緊急時の表示・標識
  • 緊急時の警告音:危険の程度に応じて3種類ある
    • 緊急信号:直ちに危険区域から避難することが求められる
      • サウンドレベルは。65dB以上
      • 背景騒音とのレベル差(S/N)は15dB以上
      • オクターブ分析した場合は、各帯域でのS/Nが10dB以上
    • 危険信号:救出・安全確保のために緊急の行動をとることを指示する
    • 警告音:危険を除去・制御するための行動をとるための情報を提供する
    • 求められるもの
      • 目立つことは必要だが、騒音源となるような大きなレベルや不快感は避ける必要がある
      • 電子機器・事務機器・工場でのさまざな警報、駅の信号音など様々な音があるので、意味を誤解を与えない必要がある。
      • メロディーは音のな彼を識別させる有力な手かがりだが、場合によっては聞く人に煩わしい印象を与える可能性があり、警告音に徹したほうが無難という傾向がある
  • フェイルセーフ
  • フールプルーフ

FTA(Fault tree analysis)

  • システムが故障した時の原因となる事象を、その事象が生じるためには何が必要か?という演繹的な考え
  • 故障や事故を事前に予想するためのものであって、原因分析に使うものではない

ヒューマンエラー

  • SRKモデル:機械を捜査する人間の行動モードの3つ
    • スキルベース
    • ルールベース
    • ナレッジベース
  • ヒューマンエラーに対する2つの対策
    • プリベンティブバリヤ(preventive barrier)
      • ヒューマンエラーが事故に結びつかないようにする
    • プロテクティブバリヤ(protective barrier)
      • ヒューマンエラーによりトラブルが発生しても重大事故にならないようにする
      • 不安全の分類に基づいて、スリップ・ラップス・ミステークの対策を考える