H29年 機械・ロボット U-1-1 模範解答と解説

問題  

 移動ロボットの位置検出方式として,基本原理が異なるものを3種類挙げ,それぞれの特徴(長所と短所)を述べよ。


模範解答(簡易答案形式1)  添削履歴 2回  2018/4/20  専門とする事項 アミューズメント・AR施設


  移動ロボットの中でも最も移動速度が速い車輪式の移動ロボットに搭載されている位置検出方法について述べる。まずエンコーダでタイヤの軌跡を計算し,位置を推定する方法,次にレーザセンサで平面や3Dで障害物までの距離を測り,マップと照合し位置を推定する方法,最後に衛星を使って位置検出する方法を下記に示す。

1.光学式エンコーダ

円板プレートのスリットを通過する光のON/OFFをカウントし,回転方向と回転数を検出するセンサ。

長所:モータと一体化できるので省スペース・省配線が可能。

短所:タイヤのスリップやモデル化の誤差が累積する。

2.レーザセンサ

レーザ光を発信して対象物に当たって戻ってくるまでの時間で対象物との距離を計測するセンサ。

長所:精度が高い。無地のものまでの距離も測れる。

短所:雨や霧でレーザ光が拡散する。受光部が直射日光に弱い。色情報が取得できない。黒色までの距離誤差大。

3.GNSS(Global Navigation Satellite System)

測位衛星が放送している電波を使って位置(緯度・経度・高度)を計測する方法。

長所:空が開けたところであればだれでも電波の受信が可能。

短所:屋外でないと使用できない。

 


 

模範解答(答案形式)  添削履歴 8回  2018.5.7  専門とする事項 アミューズメント・AR施設


1.オドメトリ(デッドレコニング)

1.1 長所

 @ロボットの内界センサから位置推定するため,実装が容易である。

1.2 短所

 @センサの計測誤差とモデル化誤差が累積するため,長距離移動時は誤差補正する必要がある。

2.レーザセンサを用いた自己位置推定

2.1 長所

 @周囲の障害物への距離を精度良く計測できるため,位置推定の精度が向上する。

 A新規のマップを自ら構築することができる。

2.2 短所

 @外乱光やレーザ光が拡散する状況で(雨や霧,細かいホコリや粉塵)で距離計測に誤差が生じ位置推定に誤差が生じる。

 A環境に依存する物体で位置推定できない場合は,人工的なランドマークの設置が必要である。

3.GNSS(Global Navigation Satellite System)

3.1 長所

 @屋外であれば絶対位置を測定できる。

 A誤差が累積しない。

3.2 短所

 @屋外でないと使用できない。

 Aマルチパスの影響で誤差が生じる。

 


H29年 機械・ロボット U-1-2 模範解答と解説

問題  

多自由度マニピュレータの特異姿勢について,その特徴をのべ,特異姿勢に関して生じる問題を回避する方法を2つ挙げよ。


模範解答(簡易答案形式1)  添削履歴 1回  2018/4/20  専門とする事項 アミューズメント・AR施設


1.特異姿勢について

特定の方向への運動ができない状態で,この姿勢に近づくにつれて,モータの速度が急激に早くなり,暴走がおこる危険性がある。ロボットの自由度が多くなれば特異姿勢の数も増える。

多自由度のマニピュレータでは,特異姿勢を構造的に避けることが難しい。そのため,回避策が必要となってくる。

2.特異姿勢に関して生じる問題の回避策について

1)運動軌道を適切に計画する。

多自由度のマニピュレータの運動範囲を制限し,特異姿勢に近づかないようにロボットを動かす。

2)冗長自由度を持たせる。

3次元空間で任意の位置と姿勢を保つためには最低6自由度が必要であるが,さらにもう1自由度追加することで,ロボットの先端が同じ位置・姿勢でありながら,回り込みなどの柔軟な姿勢がとれるようになる。この冗長自由度によって特異姿勢を避けてロボットを動かす。

 


模範解答(簡易答案形式2)  添削履歴 3回  2018/4/26 専門とする事項 アミューズメント・AR施設


1.  多自由度マニピュレータ特異姿勢の特徴

 特定の方向への運動ができない状態である。この姿勢に近づくにつれて,モータの速度が急激に早くなり,暴走がおこる危険性がある。ロボットの自由度が多くなれば,特異姿勢の数も増えてしまう。

2.特異姿勢に関して生じる問題の回避策について

1) 運動軌道を適切に計画する。

 多自由度のマニピュレータの運動範囲を制限し,特異姿勢に近づかないようにロボットを動かす。

 逆運動学の解が複数ある場合は,ロボットの現在の姿勢から目標値までの間で特異姿勢に近づかせない。

 逆運動学を使わずに,直接教示で全関節の軌道を設定する。

2) 冗長自由度を持たせる。

 3次元空間で任意の位置と姿勢を保つためには最低6自由度が必要であるが,さらにもう1自由度追加することで,ロボットの先端が同じ位置・姿勢でありながら,回り込みなどの柔軟な姿勢がとれるようになる。この冗長自由度によって特異姿勢を避けてロボットを動かす。

 


模範解答(答案形式)  添削履歴 5回  2018.5.11  専門とする事項 アミューズメント・AR施設


1.多自由度マニピュレータ特異姿勢の特徴

 マニピュレータが特定の方向へ運動ができない状態である。この姿勢に近づくにつれて,構造的に制御できず,モータの速度が急激に速くなり,暴走がおこる危険性がある。マニピュレータの自由度が多くなれば,特異姿勢の数も増ええる。

2.特異姿勢に関して生じる問題の回避策

2.1 運動軌道の適切な計画

 @多自由度のマニピュレータの運動範囲を制限し,特異姿勢に近づかないようにロボットを動かす。

 A逆運動学の解が複数ある場合は,ロボットの現在の姿勢から目標値までの間で特異姿勢に近づかせない経路を選択する。

2.2 冗長自由度の配置

 3次元空間で任意の位置と姿勢を保つためには最低6自由度が必要であるが,さらにもう1自由度追加することで,ロボットの先端が同じ位置・姿勢でありながら,回り込みなどの柔軟な姿勢がとれるようになる。また,周辺機械やワークに接近して設置できるため,省スペース化が可能になる。余計なエネルギーを必要としないアーム角度を保つことで省エネに対応することができる。この冗長自由度によって特異姿勢を避けてロボットを動かす。

 


 

H29年 機械・ロボット U-1-3 模範解答と解説

問題  

 ロボットの制御方式として,PTP制御方式,CP制御方式と呼ばれる2つの方法がある。それぞれの特徴(長所と短所)と適した用途について述べよ。


模範解答(簡易答案形式1)  添削履歴 1回  2018/4/22 専門とする事項 アミューズメント・AR施設


.PTP(Point to Point)制御方式について

長所:移動が高速。教示時間が短い。

短所:移動経路を問わないため,周囲との干渉に注意が必要。

用途:スポット溶接や搬送作業,電子部品の挿入。

2.CP(Continuous Path)制御方式について

長所:滑らかな動作が可能。

短所:教示時間が長い。

用途:レーザカット,シール作業,塗装,アーク溶接作業。

 


模範解答(簡易答案形式2)  添削履歴 3回  2018/4/26 専門とする事項 アミューズメント・AR施設


.PTP(Point to Point)制御方式について

1.1 長所

ロボットへの教示時間を短く,製造ラインを止める時間を短縮できる。

経路を問わない制御方式であるので,高速移動が可能で,作業のサイクルタイムを短縮できる。

1. 2 短所

移動経路を問わないため,教示後の運転時に周囲との干渉に注意が必要。

1. 3 適した用途

移動時間を短縮し,本来の作業を行う,搬送・スポット溶接・部品の挿入作業が挙げられる。

2. CP(Continuous Path)制御方式について

2.1 長所

軸間同期制御を滑らかな動作が可能であること。

2.2 短所

ロボットへの教示時間が長いことである。移動軌跡や移動速度の精度の良さが製品の品質に影響を及ぼすため,ロボットの軌道の調整で製造ラインを長時間停止しなければならない。

2. 3 適した用途

移動軌跡や移動速度が重要なレーザカット・シール・塗装・アーク溶接作業が挙げられる。

 


模範解答(答案形式)  添削履歴 3回  2018.5.7  専門とする事項 アミューズメント・AR施設


.PTP(Point to Point)制御方式について

1.1 長所

 @ロボットへの教示時間が短いため,製造ラインを止める時間を短縮できる。

 A経路を問わない制御方式であるので,高速移動が可能で,作業のサイクルタイムを短縮できる。

1.2 短所

 移動経路を問わないため,教示後の運転時に周囲との干渉に注意が必要である。

1.3 適した用途

 移動時間を短縮し,本来の作業を行う,搬送・スポット溶接・部品の挿入作業が挙げられる。

2.CP(Continuous Path)制御方式について

2.1 長所

 軸間同期制御で滑らかな動作が可能である。

2.2 短所

 ロボットへの教示時間が長い。移動軌跡や移動速度の精度の良さが製品の品質に影響を及ぼすため,ロボットの軌道の調整で製造ラインを長時間停止しなければならない。

2.3 適した用途

移動軌跡や移動速度が重要なレーザカット・シール・塗装・アーク溶接作業が挙げられる。

 


 

H29年 機械・ロボット U-1-4 模範解答と解説

問題  

 ロボットが動作する際には,重力や他の自由度の動作に伴って生ずる力など,様々な外力が作用し運動特性が変化する。ロボットの駆動系において,このような力の影響を軽減又は補償する方法を2つ挙げ,それぞれの特徴(長所と短所)について述べよ。


模範解答(簡易答案形式1)  添削履歴 6回  2018/4/24  専門とする事項 アミューズメント・AR施設


.カウンタウェイト方式

 天秤の原理でおもりを使ってモーメントの釣り合わせる方式である。ロボットのアームに使われているリンク機構の自重トルクをゼロにするために,関節の反対側におもりを使って負荷を設ける方法がとられている。

 長所は,リンクの自重トルクをゼロにできるほか,3DCADの普及により,事前に正確な重心位置や重量バランスを設計段階で調整できることが挙げられる。その一方,短所は,ロボット自体の総重量が増加し暴走の危険性が増すほか,慣性モーメントの増加によって加減速が不利になることが挙げられる。そのため,すべての関節でカウンタウェイト方式を採用するのではなく,ベースに近い1つの関節のみ設置することが一般的である。

2.ばねの張力で補償する方式

 負荷モーメントをばねの力で相殺する方法である。長所カウンタウェイト方式より重量増加が少ないため,ロボットの小型化,軽量化,高速化が可能である。また,それに伴い,消費電力を抑えることができる。その一方,短所は,ばねの伸び量によって張力が変化するため,補償力の変化が挙げられる。また,ばね単体では振動してしまうため,摩擦抵抗をもつ機構も必要となってくる。

 


 

模範解答(答案形式)  添削履歴 5回  2018.5.10  専門とする事項 アミューズメント・AR施設


1.カウンタウェイト方式

1.1 長所

@リンクの自重トルクをゼロにできる。これによりカウンタウェイトを取り付けた関節のアクチュエータは小型化でき,負荷にのみ力を発揮できる。

A支持部にかかるモーメントが発生しないため,移動ロボットのように地面に固定できない場合に適する。

Bアームをパラレル化した場合,コンパクト化できる。

1.2 短所

@ロボットの総重量が増加し,暴走の危険性が増す。

Aロボットの大きさが増加し,構造強度が必要となる。

B慣性モーメントの増加によって加減速が不利になり,動作時間の増加でサイクルタイムが伸びる。

2.ばねの張力で補償する方式

2.1 長所

カウンタウェイト方式より重量増加が少ないため,小型,軽量,高速,省電力化が可能である。

2.2 短所

@ばね単体では振動してしまうため,摩擦抵抗をもつ機構が必要である。その摩擦によりエネルギーロスが発生する。

Aロボットのアーム間にばねを設置するため,アームの可動範囲が限定される。

Bばねの破断の可能性がある。

Cロール軸回りの補償ができない。

 


 

H29年 機械・ロボット U-2-1 模範解答と解説

問題  

 工場の生産現場において,ベルトコンベアにより搬入される異種混合部品に対して,ロボットを用いてピック・アンド・プレース作業を行うシステムを新たに設計することになった。各部品を選別し,部品ごとの異なるパレットに整列して搭載する。この作業に必要なセンサの選定に当たって留意すべき事項について,以下の問いに答えよ。

(1) ピック・アンド・プレース作業の内容(条件,仕様など)の中で,センサの選定に際して重要と考える項目を2つ挙げよ。

(2) (1)で挙げた事項を考慮して,センサを選定する場合の手順,方法について説明せよ。

(3) (2)の手順,方法に基づき選定したセンサを用いて,このシステムを設計する場合に留意すべき事項を述べよ。


模範解答(簡易答案形式1)  添削履歴 4回  2018/5/21 専門とする事項 アミューズメント・AR施設


1.センサ選定の重要事項

1. 1 部品の識別

異なる部品が流れてくるため,どの部品か識別するために部品の形状を取得する必要がある。

1. 2 位置認識

部品をピックアップするために,部品の位置を把握する必要がある。

2. センサの選定手順

@  画素分解能から画素数を絞り込む。コンベア上の対象物を撮影する範囲からCCD1画素が何ミリに相当するか,部品判定に必要な特徴量を把握できる画素数を選択する。

A  カラーか白黒タイプを選択する。色相変化で部品を検出する場合はカラーを,白明度変化から判別できる場合は白黒を選択する。

B  転送速度からセンサを絞る。作業のサイクルタイムから,データの転送速度にかけられる時間をわりだす。

C  センサに取り付けるレンズを選定する。撮像サイズと設置可能距離から焦点距離を決定し,レンズを選定する。

3. システム設計の留意点

@  ピックアップ時間を短縮するために,部品の識別と3D形状認識に高速なアルゴリズムを採用する。ステレオマッチング法か光切断法の検討を行う。

A  カメラの座標系とロボットの座標系を一致させるためキャリブレーションを自動化する。

B  新たな部品が選別対象となった場合に,容易に識別できるようにする。

20行750字


H29年 機械・ロボット U-2-2 模範解答と解説

問題  

 近年,製造現場のみならず,公共の場や家庭内などで使用されるロボットについても実用化が進んでおり,人間と共存するロボットが現実のものとなっている。このようなロボット・システムを構築するにあたって留意すべき事項について,以下の問いに答えよ。

(1) 人とロボットが作業空間を共有して同時に動作するシステムを,製造現場と非製造現場それぞれで1つずつ挙げ,その利点を述べよ。

(2) (1)で挙げたシステムの1つを選び,そのシステムに潜む危険性を2つ挙げよ。

(3) (2)で挙げた危険性を回避又は低減するために,それぞれどのような対策が考えられるか述べよ。

 


模範解答(簡易答案形式1)  添削履歴 5回  2018/6/4  専門とする事項 アミューズメント・AR施設


1. 協働作業ロボット2種  

1)製造現場 双腕水平多関節型,電子機器組み込みロボット

@  安全柵を必要とせず,スペースの有効活用ができる

A  ラインの再配置が容易で,すぐに新しい製品に対応できる

B  現場作業員が直接教示できるので,時間短縮できる

2)非製造現場 自律移動式差動二輪型,店舗内在庫を自動で確認するロボット

@  SLAM技術により,店内レイアウト変更を自由に行うことができる

A  旋回半径を小さくできるため,狭い通路にも対応できる

2. 店内在庫を確認するロボットに潜む危険性について

@  店員や客との衝突

A  駆動部への挟まれ

3. 危険性の回避策

@  レーザセンサなどの視覚情報だけでなく,聴覚センサや俯瞰カメラによる状況把握と連携して外部環境を確認する。ロボット自ら存在をアピールする音を出しながら移動し注意喚起する。

A  駆動部のアクチュエータに流れる電流量監視.指を想定し12mm以上の最小隙間を設ける.

20行750字

 


模範解答(簡易答案形式2)  添削履歴 2回  2018.6.19 専門とする事項 アミューズメント・AR施設


1.協働作業ロボット2種

1)製造現場 双腕水平多関節型,電子機器組み込みロボット 

 @衝突検知機能や人間のそばで低速で動作可能なことから,安全柵を必要とせず,スペースの有効活用ができる。

 Aロボットがコンパクトであるため,製造ラインの再配置が容易で,すぐに新しい製品に対応できる。

 B現場作業員が直接教示できるので,時間短縮できる。

2)非製造現場 自律移動式差動二輪型,店舗内在庫を自動で確認するロボット

 @SLAM技術により,店内レイアウト変更を自由に行うことができる。

 A左右のタイヤを逆に回転させることで,旋回半径を小さくできるため,狭い通路にも対応できる。

2.店内在庫を確認するロボットの危険性について

 @ロボットが自律移動中に店員や客と衝突する危険性がある。

 A店員や客が,駆動部に挟まれる,ロボットと壁の間に挟まれる危険性がある。

3.危険性の回避策

@受動的な衝突回避策

 外界を認識するセンサとして,レーザセンサを使用し,ロボットの前方に人間がいないか確認を行う。人間がいた場合は,ロボットが減速・停止を行い,衝突を回避する。しかし、店内の十字路のような場所では,棚による死角ができてしまうため,出会い頭の衝突が想定される。この場合は,ロボットの視覚情報だけでなく,聴覚センサや天井に設置した俯瞰カメラと連携して状況把握することで,衝突を回避できる。

A能動的な衝突回避策

 ロボット自ら存在をアピールする音を出しながら移動し作業することで,周囲に注意喚起を促す。

B駆動部への挟まれ防止

 車輪やスキャナ部分の駆動部に挟まれたことを検知できるように,駆動に使用するアクチュエータに流れる電流量を監視する。また,指の挟まれを想定し,設計の段階で12mm以上の最小隙間を設けることも有効である。

Cロボットと壁に人間が挟まれる危険性への対策

 外界センサで人間を検知できずに接近してしまった場合,ロボットの外周に設置したタッチセンサで接触したことを検知できるようにする。接触が解除されるまで後方に進み停止し,周囲の状況を再確認して移動を再開させる。


 

H29年 機械・ロボット V-1 模範解答と解説

問題  

 我が国は,高齢社会といわれるようになって久しい。人は高齢になるに伴って運動能力や認知能力などの身体機能が衰える。これを補完する手段として,ロボットに代表される機械技術やICT技術の活用による支援機器の現実が期待されている。あなたがロボット技術を応用した支援機器を開発する立場であるとして,以下の問いに答えよ。

(1) ロボット技術を応用とすることが有効であると考える支援機器(機械,装置,システムなど)を3つ挙げ,有効と考える理由をそれぞれ述べよ。

(2) (1)で挙げ支援機器のうち1つを選び,その概要を説明するとともに,ロボット技術(機構,センシング,制御,知能など)としての技術課題を述べよ。

(3) (2)で挙げた技術課題を解決するための方策,及びその方策に潜むリスクについて述べよ。

 


模範解答(簡易答案形式1)  添削履歴 3回  2018/6/13  専門とする事項 アミューズメント・AR施設


(1)ロボットシステムを応用する支援機器の例

@移動支援電動車いす

行き先を設定すると自動で段差のないルートを検索し,GPSを用いたナビゲーションを行い,電動モータを用いて移動を支援することで,搭乗者の負担を軽減することができる。

A離床アシストベッド

ベッドが変形し,車いすや歩行支援機に乗り換えることを助けることで,高齢者の自立を支援できる。

B装着型の歩行支援パワーアシストスーツ

膝,足首などの関節部分にアクチュエータを配置し,歩行を支援することで,高齢者の自立移動を支援する。装着型のため,操作することを意識せず,歩く動作に集中できる。

(2-1)移動支援電動車いすの概要

レーザセンサなどの外界センサにより周囲の状態を把握し,障害物を避けながら自律走行する電動車いすである。移動機構には車輪型,電動アクチュエータで駆動とする。ナビゲーション機能としてGNSS(測位衛星システム)を利用し,自律走行可能な区間を設け,操作者の負担を軽減する。

(2-2)技術課題

@屋内移動のナビゲーション機能

A自己位置推定の信頼性向上

B人や障害物回避の経路生成

 (3−1)上記技術課題を解決するための方策 具体的方策

@Wifi測位・ビーコン測位:電波強度により距離測定する。歩行者自立航法(PDR):加速度・角速度・磁気センサ情報から移動量を推定する。地磁気測位:地磁気パターンを現地測定し,データ化,磁気センサで自己位置を知る。IMES(絶対位置配信)を使う。Aジャイロやエンコーダ等の内界センサの累積による自己位置推定だけではなく、外界センサ(レーザセンサやカメラ)の情報を用いたSLAM技術を利用することで、精度・信頼性を上げる。B外界センサで障害物を認識し、環境マップと照合させながら急加速急減速を要しない経路選定を行う。

(3−2)上記方策に潜むリスク

車いすは障害物を回避できたものの,搭乗者の腕や足が障害物にぶつかり,転倒の恐れがある。障害物を人と認識することができず,回避直前に動き,接触事故を起こす。搭乗者の落下物や検知できなかった路面の状況で転倒の恐れ。30行900字


模範解答(簡易答案形式2)  添削履歴 3回  2018.6.19  専門とする事項 アミューズメント・AR施設


(1)ロボットシステムを応用する支援機器の例

@移動支援電動車いす

行き先を設定すると自動で段差のないルートを検索し,GPSを用いたナビゲーションを行い,電動モータを用いて移動を支援することで,搭乗者の負担を軽減することができる。

A離床アシストベッド

ベッドが変形し,車いすや歩行支援機に乗り換えることを助けることで,高齢者の自立を支援できる。

B装着型の歩行支援パワーアシストスーツ

膝,足首などの関節部分にアクチュエータを配置し,歩行を支援することで,高齢者の自立移動を支援する。装着型のため,操作することを意識せず,歩く動作に集中できる。

(2-1)移動支援電動車いすの概要

レーザセンサなどの外界センサにより周囲の状態を把握し,障害物を避けながら自律走行する電動車いすである。移動機構には車輪型,電動アクチュエータで駆動とする。ナビゲーション機能としてGNSS(測位衛星システム)を利用し,自律走行可能な区間を設け,操作者の負担を軽減する。

(2-2)技術課題

@屋内移動のナビゲーション機能

A自己位置推定の信頼性向上

B人や障害物回避の経路生成

 (3−1)上記技術課題を解決するための方策

@   Wifi測位・ビーコン測位:電波強度により距離測定する。歩行者自立航法(PDR):加速度・角速度・磁気センサ情報から移動量を推定する。地磁気測位:地磁気パターンを現地測定し,データ化,磁気センサで自己位置を知る。IMES(絶対位置配信)を使う。路面に埋め込まれたRFID上を通過した際やICカード利用状況で位置補正を行う。

A   ジャイロやエンコーダ等の内界センサの累積による自己位置推定だけではなく、外界センサ(レーザセンサやカメラ)の情報を用いたSLAM技術を利用することで、精度・信頼性を上げる。

B   外界センサで障害物を認識し、環境マップと照合させながら急加速急減速を要しない経路選定を行う。

(3−2)上記方策に潜むリスク

@   転倒事故:車いすは障害物を回避できたものの,搭乗者の腕や足が障害物にぶつかり,転倒の恐れがある。また、搭乗者の落下物や検知できなかった路面の状況で転倒の恐れがある。

A   接触事故:障害物を人と認識することができず,回避直前に人が動き,接触事故が起こる。

30行900字