骨盤運動に着目した2足走行ロボットの開発

Running-Robot


WATHLETE-1
(Waseda ATHLETE humanoid No. 1)



1. 研究の目的と概要
2. ロボットシステム
3. 最新の研究成果
4. 謝辞

開発の歴史(過去の成果)
全業績リスト

1. 研究の目的と概要

Fig. 1 WABIAN-2R


本研究室では2足ヒューマノイドロボットWABIAN-2R(Fig. 1)を開発し,骨盤を用いた膝関節伸展歩行などの人間の歩行運動を模擬してきました.しかしWABIAN-2Rは跳躍運動や走行運動といった,各関節に大きな出力が必要とされる運動が実現可能なようには設計されておりません.また,これまでの関連研究で,人間の走行運動の特徴を十分に模擬できているロボットは見当たりません.
そのため本研究では,ダイナミックな動作を実現し,人間の走行の模擬による走行の解明やスポーツ科学への応用を目指して,人間の歩行・走行を模擬することが可能な2足ヒューマノイドロボットの開発を目標としています.具体的にはFig.2,3のような人間の腕の振り出し,脚の弾性,多関節,前額面における骨盤の正弦波状の動揺を模擬していきます.


Fig. 2 人間の矢状面の特徴

Fig. 3 人間の前額面の特徴

2. ロボットシステム

     

Fig. 4 WATHLETE-1 (2016)

  

Fig. 5 自由度配置図

  

Fig. 6 システム構成図


 WATHLETE-1(Fig. 4)は全身で22の能動自由度を有しています(Fig. 5).また膝関節および足関節には板ばねが組み込まれており,膝関節には板ばねの有効長を変え,関節の角度を変更する能動自由度とは別に,関節の柔らかさを調節する能動自由度を有しています.
 また,Fig. 6のように,機体の各部に配置したモータコントローラにより,モータを動作させる分散制御方式を採用しています.各関節には,モータの角度を測定するインクリメンタルエンコーダを有しており,一部の自由度には出力軸の角度を読み取るアブソリュートエンコーダを搭載しています.また,機体をロボット用ガイドに拘束した場合において,間にあるシャフトの傾きから機体の重心高さを計測することが可能です.

3. 最新の研究成果

■ 能動駆動と弾性発揮を活用する跳躍運動の実現

 これまでの研究では,アクチュエータと弾性要素を併せ持つ関節機構を開発してきました.しかし,アクチュエータと弾性要素は直列に配置されているため,弾性要素に蓄積されたエネルギーを発揮して伸展している際にアクチュエータも同等以上のトルクを発揮し続けなければなりません.そのため,これまでは遊脚時にはアクチュエータを使用して関節角度の位置制御を行い,立脚時は弾性要素の変形のみにより関節動作を実現してきました.
 しかし定常走行時は上記のように位置エネルギーを弾性エネルギーとして蓄積できますが,立位から跳躍する際には弾性エネルギーをあまり蓄積できないのでアクチュエータと弾性要素を合わせて駆動する必要があります.
 そこでcountermovement jump(Fig. 7)を参考に弾性を考慮した重心軌道と及びそれを実現する関節角度を生成し,動力学運動式を用いて各関節のアクチュエータ動作を生成(Fig. 8)することで跳躍運動を達成しました.

Fig. 7 countermovement jumpの概要図


Fig. 8 関節弾性を考慮した跳躍運動生成


[関連論文]
・ Takuya Otani, et al., "Jumping Motion Generation of a Humanoid Robot Utilizing Human-like Joint Elasticity," Proceedings of the 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2018),pp. 8707-8714,Madrid, Spain, October, 2018.


■ 跳躍・走行時の能動蹴り出しや走行速度の変化に対応した足関節機構の開発

 先行研究や当研究室で実施した人体運動計測により,人間の走行運動中,脚の関節には以下の特徴があることが分かっています.
   1. 走行運動の立脚期の膝関節および足関節はねじりばねにモデル化できる.
   2. 走行速度に応じて,膝関節および足関節のばね定数が変化する.
   3. 走行運動の立脚期に190[Nm]のトルクがかかる.
   4. 足関節は走行時の立脚期において吸収する弾性エネルギーより関節が出力するエネルギーのほうが多い.

 これまでの研究において,膝関節においては人間と同等の関節弾性および出力トルクの発揮を実現していましたが,足関節においては人間の高速走行時の関節剛性の模擬しかできておらず,また立脚中に能動的に駆動することができませんでした.そこで新たに立脚中においても足関節を能動的に駆動でき,走行速度に応じた剛性に変更可能な機構を持つ足関節機構を開発しました.はじめに,人体計測に関する先行研究および人体計測データから要求仕様を決定しました.能動的に蹴り出すためには立脚時の最大トルク190[Nm]を出力できなければなりません.また2.0[m/s]の走行時の関節剛性250[Nm/rad]を下限とし,5.0[m/s]の走行時の関節剛性325[Nm/rad]以上の十分に高い関節剛性を発揮できれば走行速度の変化に対応できると考え要求仕様としました.
 これを実現するため,関節の出力向上を目指し蹴り出す関節(Pitch軸)をダブルモータとしました(Fig. 9).また弾性要素としてはCFRP製の台形と長方形の重ね板ばね(Fig. 10)を直列に配置することで低剛性を実現しました.Pitch軸のアクチュエータを上部に搭載し4節リンクで伝達することで剛性可変機構のスペースを確保しました.また足部は板ばねと機構の回転中心がずれると関節剛性がその分非線形になるので4節リンクを使うことで回転中心のずれが起きないようにしました(Fig. 11).開発した機構(Fig. 12)の性能を評価するため,剛性範囲と出力トルクを確認する実験を行い,剛性範囲は要求仕様を満たしたものの,出力トルクは要求仕様を満たせませんでした.これは使用予定だった高出力なモータドライバを使えなかったためです.
 

Fig. 9 ダブルモータ


Fig. 10 CFRP製台形及び長方形重ね板ばね



Fig. 11 足関節機構リンク


Fig. 12 足関節機構


[関連論文]
・ 峯下弘毅他,"骨盤運動に着目した2足走行ロボットの開発(第21報:跳躍・走行時の能動蹴り出しや走行速度の変化に対応した足関節機構),第36回日本ロボット学会学術講演会予稿集,1J1-02,愛知県,2018年9月.

4. 謝辞

共同研究者である早稲田大学スポーツ科学学術院川上先生に感謝いたします.

本研究は早稲田大学理工学研究所および早稲田大学ヒューマノイド研究所総合機械工学もの・ひと・こと研究所早稲田大学重点領域研究機構アクティヴ・エイジング研究所, 早稲田大学ヒューマンパフォーマンス研究所,早稲田大学次世代ロボット研究機構の下で実施された.本研究で用いられた3DCAD はソリッドワークス・ジャパン株式会社より提供され,ケーブル・コネクタは大電株式会社,複合領域物理モデルシミュレータ MapleSim はサイバネットシステム株式会社(開発元:Maplesoft 社)より提供された.また,本研究の一部は文部科学省の科学研究費補助金(25709019, 17H00767),文部科学省グローバル COE プログラム「グローバルロボットアカデミア」,みずほ学術振興財団,早稲田大学特定課題研究助成費(2015S-76)の支援を受けた.各社・官公庁に感謝致します.

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Last Update: 2017-Nov
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