A calibration method for parallel mechanism type machine tools by response surface methodology

This study proposes a calibration method for parallel mechanisms by using Response Surface Methodology. The measurement of the postures and positions of parallel mechanisms is so difficult that the effective and easy feasible calibration method has not yet been established. This study proposes a method that can estimate exact input-output relation of a parallel mechanism from only fewer measurement data of its postures and positions. The estimated input-output relation can reveal effect of various errors involved in the parallel mechanism, and can introduce appropriate compensation values, which achieves high-precision positioning. The study describes the calibration method for parallel mechanisms by using RSM and demonstrate the calibration of a Stewart Platform which a spatial six-degree of freedom mechanism by numerical simulation

動力学・耐衝撃力特性を考慮したロボットの知的CADに関する研究

金沢大学工学部本研究では,ロボットの機構形状変化を考慮した動力学特性・衝撃特性の評価方法・設計資料を考案,確立し,さらに以上の結果に基づきハイパーテキストを利用した知的CADシステムの構築を行うことを目的として行われた.得られた結果を以下に要約する.1.非線形力などの影響により複雑な開ループ機構の運動方程式を,コリオリ力の項を特定の条件のもとで遠心力の項に変換することにより簡便な式として定式化した.また,同式に基づき開ループ機構を用いたロボット上肢・下肢機構の動的駆動特性が作業領域全般に亘り大域的に,かつ,詳細に把握可能な動力学特性図を作成し,実際に機構設計に応用し,その有用性を確認した.2.ロボット機構の出力点を駆動することにより同位置に発生する作用力からロボットの駆動に要する動的なトルクを,簡単な計測系のみで測定する方法を考案した.また,実際に同測定法を用い開ループ機構をよび平行クランク形機構を用いたロボットアームの動的駆動特性の測定を行った.測定された結果は1.で提案した動力学特性図より得られる結果と一致し,考案した特性図の実用性が確認された.3.ロボット機構として用いることを前提とした,開ループ機構および平行クランク形機構の出力点に衝撃荷重,衝撃変位が作用する場合について解析を行い,入力点に生ずるトルクの挙動を明らかにした.4.以上の検討より得られた,特に動的駆動特性に関するを結果を,従来から構築を行ってきたハイパーテキストを利用したロボット機構総合用知的CADシステムに組み込み,機構の選択・設計を行い,その有用性を確認した.研究課題/領域番号:06750146, 研究期間(年度):1994出典：研究課題「動力学・耐衝撃力特性を考慮したロボットの知的CADに関する研究」課題番号06750146（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-06750146/）を加工して作

動作および構造の最適化・適応化が可能なハイブリッド型パラレルメカニズムの研究

金沢大学理工研究域ハイブリッド型パラレルメカニズムを構成する各パラレルメカニズムの最適な駆動系を決定するために,機構の出力節が任意方向に等方的な力,速度を発生する条件下で,機構の入出力の微分関係を表すヤコビ行列を用い,入力節に必要となる力,または速度の集合を表す式を導く方法を示した.同方法によれば,出力節が発生する,任意方向の力,速度に対して,各入力節に必要となる力,速度の最大値を容易に把握可能となる.さらに,これらの結果に基づき,各種作業を同時に可能なパラレルメカニズムなど多自由度機構の適切な駆動系を決定する方法を提案した.また,実際に試作したパラレルメカニズムにおいて入出力関係を測定することにより,提案した手法の妥当性を確認するとともに,出力節の位置の変化による,出力節の等方的な出力に対する,入力および入力速度の変化を解析することにより,作業領域全体にわたるパラレルメカニズムの運動特性を明らかにした.以上の結果より,機構の構造,寸法により,機構の特性が把握可能となったので,構造の異なる複数の機構,さらに,それぞれの機構において,各寸法の調整による機構特性の変化について検討した.その結果,出力節を可変とすれば,機構の特性を大幅に調整可能となることが明らかになった.そこで,出力節の構造が可変なメカニズムを考案するとともに,要求される動作に応じて,出力節の半径を調整し,位置・姿勢決めを行う制御方法を提案し,その妥当性について実際に試作したハイブリッド型パラレルメカニズムにより確認を行った.研究課題/領域番号:11750118, 研究期間 (年度):1999 – 2000出典：「動作および構造の最適化・適応化が可能なハイブリッド型パラレルメカニズムの研究」研究成果報告書　課題番号11750118（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （ https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-11750118/ ）を加工して作

障害者の上肢姿勢保持・運動支援を目的とするワイヤ駆動型パラレルメカニズムの研究

本研究では疾病や事故等で腰部以下の機能を失った障害者に装着して上体の姿勢を保持または運動を補助し,健常者と同等な上肢作業を可能とする上体動作支援装置を,ワイヤ駆動型パラレルメカニズムを用いて開発した.ワイヤ駆動型パラレルメカニズムは,必要とする自由度に加え,すべてのワイヤを常に引張状態に保つための駆動力を要する.従って入出力関係は冗長な力学問題となるため,多方向への出力に対して必要な最小の張力を決定することは容易でない.そこで,本研究ではワイヤ駆動型パラレルメカニズムの駆動力を外力に抗する成分と,ワイヤどうしが引張しあうために必要な内力成分とに分け,外力成分に関しては固有値解析を利用して任意方向負荷に対する最小力を求め,内力成分に関しては外力成分の解析で得られた結果より力学関係式から推定する方法を提案した.提案する方法と実際の解析結果とを比較したところ,推定値は解析値の1.3倍以下となり,また,計算時間は大幅に短縮され,その有用性が確認された.以上で提案されたワイヤ張力推定方法を用いて成人男子を対象とし上体動作を補助するために必要な張力を求め,上肢動作支援装置用3自由度空間ワイヤ駆動型パラレルメカニズムの寸法を決定し,同結果を基に動作支援装置を実際に設計・製作して,その動作を確認した.また,動作の支援効果を確認するために,張力の変化を検出するロードセルを製作して各ワイヤに装着し,装着者の姿勢変化の画像記録とワイヤ張力変化の測定が同時に行える計測系を構築した.以上の装置および計測系を用いて,成人男子を被験者として上体動作支援実験を行い,装置の動作確認とともに,身体の姿勢変化およびワイヤ張力の変化を測定して解析した.その結果,装着者の上体の前後屈,側屈,旋回に関して想定通りの動作補助が行え,また,身体に対して度な負荷が動作支援時に作用しないことを,画像記録,ワイヤ張力の測定結果などから確認した.This study develops an upper body motion assist system that aims at enabling disabled people with lower limb disability to control their upper body motion and attitude holding by their own will. The assist system employs a parallel wire mechanism of which the platform is suspended and moved by wires. Parallel wire mechanisms can arrange the actuators on the base and have advantages such as high power, high speed and high accuracy ; they offer other advantages in lightness and body flexibility due to the wire actuating. Thus, they are suitable for the assist system attached to the body. However, as parallel wire mechanisms have multi-degree-of-freedom and redundancy, the analysis of tension applied to the wires to drive their moving platform is difficult. This paper proposes the effective method for evaluating the maximum wire tension induced by external forces in arbitrary-direction, by the eigenvalue analysis with considering the vector-close condition. The method makes it possible to design a parallel wire mechanism to be compact and driven by small force.By using the proposed method, we actually developed the upper body motion assist system. In order to confirm the assistance effect by the developed assist system on upper body motion, accuracy of positioning and action of forces on human body was considered. Load cell that can measure the variation of wire tension was made and equipped to the developed system. Simultaneously, an image record system that can measure the pose of both the assist system and the wearer was built up. We attached the upper motion assist system to healthy adult mates and confirmed its motion. The behaviors of the wearer and variation of the wire tensions were also measured by the aforementioned measuring system. As a result, the forward-backward flexion, side flexion and swing of the wearer can be assisted accuracy and the exceeded forces are not acted to the body. Thus, the developed parallel wire mechanism is useful to assist the upper body motion.研究課題/領域番号:18560129, 研究期間(年度):2006-2007出典：「障害者の上肢姿勢保持・運動支援を目的とするワイヤ駆動型パラレルメカニズムの研究」研究成果報告書　課題番号18560129 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

高精度加工が可能なハイブリッドパラレルメカニズムとその加工誤差補正方法

本研究では,高剛性で,広い作業領域が確保可能な新たなパラレルメカニズムとして,平面運動は平面案内テーブルで,空間運動は3自由度空間パラレルメカニズムで創成する5自由度の工作機械用機構を提案した.用いる3自由度空閥パラレルメカニズムの連鎖は,作用する曲げモーメントの方向を考慮した板状の節を用い,また,直進対偶を両端支持することで,従来のパラレルメカニズムに比べ高剛性化が図れている.次に,パラレルメカニズムをはじめとする多自由度機構の出力部に作用する任意方向の負荷に対して,入力部の弾性変形に起因して生じる位置・姿勢決め誤差の最大値を求める方法を提案した.同方法を用いて工作機械用機構の主要部分である3自由度空間パラレルメカニズムの解析を行い,その位置・姿勢に対する出力変位誤差の変化の傾向を示すとともに,姿勢角の方向を考慮すれば同一の負荷に対しても誤差を抑制し得ることを明らかにした.また,パラレルメカニズムの連鎖に用いる板状の節の効果に関しても同方法で評価可能とした.次に,以上の結果に基づき,工作機械用機構を設計するとともに,実際に製作を行った.製作した機構は100mm立方の物体が加工可能となるように,商さ800mm,幅600mm程度の寸法を有する.実際に,同機構を用いて多自由度加工を行い,提案する機構の実用性,構築した制御プログラムの妥当性を確認した.次に,加工誤差の評価法として,パラレルメカニズムの入出力比が,その位置・姿勢とともに変化することに注目し,機構の入出力関係を表すヤコビ行列から,機構の各姿勢における任意方向への入出力比の最大値を評価する手法を提案し,製作した機構に関して,その変化の様子を明らかにした.また,実際に加工機構による加工誤差を測定し,得られた評価結果と比較して,機構の入出力比が加工誤差に大きく影響することを確認した.さらに,各姿勢における入出力比の評価結果を用いて,加工経路の刻み幅を決定する工具経路生成法を提案した.同方法を用いて,以上で構築したプログラムを用い加工シミュレーションを行った結果,加工誤差を抑制でき,その有用性が確認された.次に,同機構の校正による加工誤差の補正に関して応答曲面法を用い,少数位置での測定結果から作業領域全体にわたる校正を可能とすることを試み,加工誤差の分布の推定,さらに,機構誤差を補正する入力値を求める方法を提案し,実際にシミュレーションによりその有用性を確認した.This research has developed a 5-dof special mechanism for machine tool. As the mechanism is composed of a spatial 3-dof parallel mechanism and a 2-dof planar guide table, it is expected to have a large workspace and high rigidity. The spatial 3-dof parallel mechanism comprises 3-RPS chains and furthermore has board-like links for suppressing bending deformation induced in prismatic pairs and the prismatic pairs are fixed on them at each end. Thus the proposed mechanism will realize higher rigidity and high speed motion. Next, the research has established a method for evaluating output errors of multiple degree-of-freedom mechanisms by forces applied to the output link in arbitrary direction. The output errors evaluated here result from elastic deformations of the driving parts. The evaluation values can be obtained by solving the eigenvalue problem of the matrix introduced from the compliance matrix which reveals the relations between the output error and force applied to mechanism. Th e method will facilitate to improve the rigidity of a multiple degree-of-freedom mechanism such as a parallel mechanism in its design. Furthermore, the proposed method can consider elastic deformation induced in the structures as well as the driving parts. Thus, the research analyzed the above mentioned spatial 3-dof parallel mechanism by the proposed method with considering the shape of the board-like links for improving the output errors caused by the translational and rotational deformation in the prismatic pairs. Based on the above results, we designed a 5-dof machine tool and assembled it actually. By the tool machine the research performed multiple degrees of freedom working and confirmed its availability. Next, the research considered the work error caused from the non-linearity relation between the output and input of parallel mechanism, and proposed the method for evaluating it by utilizing differential kinematics that is expressed by the Jacobian matrix. The method can evaluate the maximum value of the ratio of the output to input displacement to the arbitrary direction at each configuration of multiple degrees of freedom mechanism. We actually measured the work error by the assembled machine and confirmed it conforms to the evaluated results. From those results, the research has proposed the method for determining the optimum step size to control machine tool and confirmed its availability. Furthermore, the research considered a method for compensating the various error of the developed mechanism by the response surface methodology. We proposed the method for estimating the distribution of the error induced from the structural error and giving the compensation value for the input displacement. The availability of the proposed method has been confirmed by the numerical simulation of the present mechanism.研究課題/領域番号:15360082, 研究期間(年度):2003-2005出典：「高精度加工が可能なハイブリッドパラレルメカニズムとその加工誤差補正方法」研究成果報告書　課題番号15360082 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

自己形成化機能を有するロボットの知的メカニズム

金沢大学理工研究域機械工学系本研究では,様々な作業が可能なロボットを実現するために,ロボットの上肢・下肢機構に適用することを前提とした,所要の動作に対して最適な形態を自己形成可能な構造可変なメカニズムを提案し,同機構の機構形状を遺伝的アルゴリズムなどの手法により決定可能とする手法の確立を試みた.得られた結果は以下のとおりである.まず,所要の動作に応じたメカニズムの形状を決定する遺伝的アルゴリズムに基づく手法およびマトリックスによる操作を利用した発見的アルゴリズムによる手法を考案し,実際にプログラムを作成して所要の特性を有する機構形状が決定可能であることを確認した.また,両手法を比較したところ,発見的アルゴリズムを用いればより高速かつ適切な結果が得られたことから,以後,発見的アルゴリズムを用いることとした.つぎに,形状可変なメカニズムとして,単純な平面および空間機構を連結する機構形式を検討した.同機構の特性評価は容易に行え,また,多自由度な運動が可能であることから,本研究で提案する自己形成化機能を有するメカニズムの基本形式として適する.さらに,同機構のシミュレータ,種々の特性評価法を検討するとともに,メカニズムの試作を行い制御法などの検討を行った.研究課題/領域番号:08750171, 研究期間(年度):1996出典：研究課題「自己形成化機能を有するロボットの知的メカニズム」課題番号08750171（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-08750171/）を加工して作

環境および作業に対して自律的に構造を適応化する多機能ロボットメカニズムの研究

金沢大学理工研究域本研究では,使用環境や作業に応じて,ロボットが最適な能力を発揮できるように,ロボットのメカニズムそのものが構造を調整可能となる多機能なロボットメカニズムの実現を目的とし,可変構造メカニズムとして用いるパラレルメカニズムを対象として,機構の構造と特性との関係を明らかにする方法を検討した.また,実際に多機能メカニズムを試作し,以上の評価法を適用して,構造を可変とすることを検討した.まず,本研究で可変構造メカニズムの基本構造とするパラレルメカニズムに関し任意方向の負荷に対して生じる出力変位誤差を明らかにする簡便な解析方法を提案し,メカニズムの構造変化に対する剛性評価を可能とした.さらに,メカニズムが任意方向にある一定の速度および加速度を発生するために入力軸に必要となる動的な入力値を解析する方法を提案し,出力変位誤差と同じく,メカニズムの構造変化に対する動的な駆動特性の評価を容易にした.また,既存のパラレルメカニズムに関して,同評価法を用いて動的トルクを評価し,その有用性を確認した.以上の結果などに基づき,構造を対象物によって適応する多機能メカニズムとして,パラレルメカニズムを用いたロボットハンドを提案した.同メカニズムは複数本の連鎖からなり,メカニズム単体としては,パラレルメカニズムの出力プラットフォームに相当する節を有していない.しかし,対象物を複数本の連鎖で把持することにより,パラレルメカニズムと同等な制御が可能となる.したがって,対象物を把持することによって形成されるパラレルメカニズムが,最適な特性となるように,対象物とパラレルメカニズム連鎖の端部を接続させることにより,用途に適したメカニズムを形成できる.本研究では,実際に,対象物を把持することで,3自由度のパラレルメカニズムを構成する多機能メカニズムを試作し,同試作機を用いて対象物の把持および操りに関する測定を行い,その妥当性を確認した.研究課題/領域番号:13750117, 研究期間(年度):2001-2002出典：「環境および作業に対して自律的に構造を適応化する多機能ロボットメカニズムの研究」研究成果報告書　課題番号13750117（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（ https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-13750117/）を加工して作

衝撃を受けるロボットの動構造解析手法および設計に関する研究

金沢大学工学部本研究は、衝撃を受けるロボットの動構造解析手法を開発し,ロボット上肢・下肢機構に衝撃荷重が作用した際の動的構造解析を行い,その挙動を明らかにすると共に,各種ロボット機構の耐衝撃特性を明らかにし,さらに,ロボット機構の耐衝撃設計法の基礎を検討することを目的に行われた.得られた結果は以下の通りである.1.ニューマークのbate法を利用した動的骨組み構造解析プログラムを作成し,衝撃を受ける各種ロボット機構の動的構造解析を可能にした.同手法によれば,比較的長時間にわたる動構造解析が可能であり,運動を伴うロボット機構の対衝撃挙動解析が行える.2.1.で作成した動構造解析プログラムによりロボット機構として代表的な開ループ機構,平行クランク形機構の動構造解析を行った.その結果,機構の種類,形状により衝撃荷重下での挙動がかなり異なることが明らかになつた.また,その挙動は静的に荷重が作用する場合の挙動とはかなり異なることもあり,耐衝撃強度設計の必要性を確認した.3.以上の解析結果を基に,ロボット機構の耐衝撃挙動データベースの構築を行った.同結果によれば各機構の耐衝撃挙動を知ることが可能である.従来から行ってきたロボット機構の静力学特性・動力学特性および本研究で行った耐衝撃特性の解析結果を基にロボット機構の知的設計支援システムの構築をハイパーテキストを利用し行った.以上の結果より,ロボットの耐衝撃強度設計を考慮した機構総合の基礎を確立することができた.研究課題/領域番号:05750080, 研究期間(年度):1993出典：研究課題「衝撃を受けるロボットの動構造解析手法および設計に関する研究」課題番号05750080（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-05750080/）を加工して作

ロボット機構の解析・総合用知的CADシステムに関する研究

金沢大学工学部研究課題/領域番号:04750119, 研究期間(年度):1992出典：研究課題「ロボット機構の解析・総合用知的CADシステムに関する研究」課題番号04750119（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-04750119/）を加工して作

Realization of contact surface geometry by dragging a whisker-type tactile sensor across measuring objects

金沢大学大学院自然科学研究科機能開発システム金沢大学工学部Previously we reported a method for displaying the shape of an object by using an array of whisker sensors. The array of whiskers was pressed against the object to be measured and the deflection of each whisker was measured. The measurements were used as inputs to a neural network to recognize the shapes. However, the previous method needed a larger number of whiskers to recognize the wider surface, because the array of whiskers has to be in full contact with the entire surface. Therefore, this study presents a new method in which a much smaller number of whiskers are dragged across the surface of the measured object to distinguish the shapes. The method is performed in the following manner. Firstly, a smaller number of whiskers are dragged across an object and each whisker deflection direction is distinguished at discrete time intervals. Next, the neural network continuously monitors the output from the whiskers and produces a result that characterizes the surface at the current scan position. Lastly, by building up a map of the classification of the entire surface, the geometry of the measured object can be displayed. This study exhibits the hardware and software required for displaying shapes, and shows examples of the results obtained from the measurements of some objects