Design of Autonomous/Man-Machine-Cooperative Mobile Robot

This paper presents a new control methodology for the mobile robot wherein the autonomous and man-machine– cooperative controls are combined. In the proposed control scheme, the ‘autonomous control’ and the ‘man-machine– cooperative control’ are designed by the time-state control and impedance control, respectively. The former tries to reduce the deviation from the guideline of the robot, the later, on the other hand, generates the power to assist the operator’s skill. Furthermore, the composing method of the two different controls are discused. Finally, some experimental results are shown to demonstraight the usefulness of the proposed strategy. キーワード:人間機械協調制御,パワーアシスト,時間軸状態制御 (Man-machine Cooperative Control, Power Assist, Time-State Control ) 1. はじめに 〈1・1〉 研究背景と目的 近年,労働者や介護者の負担を軽減するための研究が多 く為されており,その一例として,電動搬送機や電動車い すなどを対象にしたパワーアシストは多くの手法が提案さ れている (1) .また一方で,自動制御による電動搬送機の 運動制御手法も多く提案されている (3) .ここで,人間機 械協調系に自動制御を適切に組み込むことで,労力の軽減 や正確さの向上といった利点が期待できる.例として,特 定の条件に応じて自動制御と人間機械協調系を切り替える 手法が提案されているが ,自動制御と人間の操作を並行 して同時に扱う手法は非常に少ない.そこで本研究では, 人間機械協調系と自動制御を併用し,おのおのの制御の強 さのバランスを作業局面に応じて調整することで適切なア シストを行うシステムの設計手法を提案する.具体的には, 実用性の高い二輪駆動の電動搬送機における搬送行動に焦 点をあて,図 1に示すような環境で走行アシストをするこ とを目的とする. 〈1・2〉 提案手法の概要 room guideline passage 図 1 想定する走行環境 Fig. 1. Situation 本研究では,人間機械協調系としてインピーダンス制御 を,自動制御として時間軸状態制御形によるライン追従制 御を用いる. インピーダンス制御とは,対象とするシステムの慣性, 粘性,弾性を仮想的な値に設定し,望ましい特性を与える 制御である.また時間軸状態制御形とは,二輪移動車など に代表される非ホロノミックな特性を持つシステムに対し, 従来の線形の制御手法が適用可能な可制御正準系に変換す る手法である.線形の制御手法が適用できるため,制御が 容易になることや,拡張性が非常に高いことが利点として 挙げられる.また,制御入力の一部を外部から自在に調整 できるため,自動制御でありながら人間の操作と組み合わ せやすいという特徴を持つ.本研究ではこれらの点に着目 し,時間軸状態制御形とインピーダンス制御との融合を試 みる. 図 1のような,直線状の通路と自由移動空間が混在した 環境を想定する.通路にはガイドラインが設置されている と仮定する.自由移動空間ではインピーダンス制御により 操作者の操作力を補助する.また通路上ではインピーダン ス制御に加え,時間軸状態制御形によるライン追従制御を 併用する.さらに,自動制御の強さのバランスを設定する ため可変ゲインを導入する.操作力やガイドラインとの位 置関係によって可変ゲインの値を調整する.たとえば,ガ イドライン上に障害物があり,操作者がそれを回避ために ラインから離れるような力を入力したときは,可変ゲイン の値を小さくすることによって自動制御を弱め,人間の操 作を優先させる. 2. 電動搬送機のインピーダンス制御 電動搬送機を用いた搬送行動において,人間の操作を補 助し負担を軽減させる手法としてまずインピーダンス制御 を導入する.本研究で用いた電動搬送機のハンドル部分に は 3軸力センサが装着されており,操作者が台車を押し引 1/6 To appear in 平成19年度電気学会産業計測制御研究会,IIC-08-108,March 10-11,2008, 東京電機大学