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豆 知 識:バイラテラルシステム (2008-5-28)  

 バイラテラルシステムとは、操作する装置(マスタ装置)と作業する装置(スレーブ装置)の間で姿勢と力の状態を一致させるように制御する方法で、マスタ装置とスレーブ装置との間で次の制御を同時に行う制御方法です。
 1)マスタ装置からスレーブ装置への姿勢制御
 2)スレーブ装置からマスタ装置への力制御

 たとえばクレーンゲームでアームを操作するジョイスティックがマスタ装置、アームがスレーブ装置になります。
 通常、遠隔操作するためにマスタ装置のジョイスティックを操作してスレーブ装置のアームを動か(姿勢制御)します。この時にグッズを掴んでいるかどうかは目視で判断しながら操作を続けます。

 これがバイラテラルシステムだと、スレーブ装置のアームにセンサ類をとりつけ、グッズを掴んでいる感覚(手ごたえ)をマスタ装置のジョイスティックから指先に伝えるようになります。こうなればしっかり掴むことができたり、目視ではわからない手ごたえで微妙な操作が可能になります。

 バイラテラルシステムでの制御には次の3つがあります。

 1)対称型
  たとえばマスタ装置のハンドルを1回転させるとモータでスレーブ装置の円盤が1回転する機械があったとします。摩擦で円盤が止まるとハンドルはそれ以上回せなくなる。ハンドルと円盤とが同じような動きをする制御方法で、マスタとスレーブの位置情報から相対変位を0にする制御です。

 2)力逆送型
  上述のハンドルと円盤でいうと、円盤のトルクを大きくするために減速ギアを使っている場合、対称型だと円盤に大きな力が加わっていても円盤が動かなければハンドルも動かず、力が加わっているかわかりません。そこで円盤(スレーブ装置)に加わる力を計測してハンドル(マスタ装置)に力を伝える制御方法です。

 3)力帰還型
  力逆送型がスレーブからマスタへ力を伝えるのに対し、ハンドル(マスタ装置)に加わる力も計測し、マスタとスレーブに加わる力の差を計算してハンドル(マスタ)の位置を制御する方法です。これによりハンドルにも減速装置がある場合や装置に加わる力が大きい場合でも精確な位置制御が可能となります。
  ここまでくると、あくまで信号線を使って電気的に制御しているのにあたかもベルトやチェーンがつながっているような感覚で操作が可能となります。

 これらバイテラルシステムは、自動機では難しい微妙な力加減の必要な加工作業を遠隔で行う場面で有効となります。人間が作業できない場所や顕微鏡を見ながらの小さな部品の加工。やわらかいものの加工。人間や動物をやさしく運ぶ。微妙な振動を感覚的に知覚しながらの作業。実際の手ごたえと同じような感覚を常に感じながら制御するシステム。

 ロボット制御の技術として開発され、医療現場では手術に福祉現場では介護支援、航空機ではFly-by-Wireとして実現されています。次世代の自動車ではバイラテラルサーボ技術、Fly-by-Wireの自動車版X-by-Wireと称して各社で開発が進められています。

 極端な話、無人月面車を地球で遠隔操作し、月面車の振動やロボットアームで石の触感までもわかる、そんなことが実現できる日がくるかも知れません。

(匝)

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 参考文献
 戸羽篤也、桑野晃希:バイラテラル方式による力覚制御技術:北海道立工業試験場報告 No297



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