骨盤運動に着目した2足走行ロボットの開発

Running-Robot


WATHLETE-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,関節の柔らかさを調節する2つの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

■ 人間と同等の角運動量が発生可能で人間の質量特性を模擬した上半身機構の開発

 本研究室で実施した人間の走行運動の計測実験のデータや,人間の走行に関する参考研究から,人間の走行中の上半身に関して,以下のような特徴があることが分かりました.
   1. 走行運動中に腕を振ることで,脚で生じる角運動量を補償している.
   2. 走行運動中に肘を屈伸することで,腕の慣性モーメントを変化させ,腕の発生角運動量を調節している.
   3. 体幹を動作させることで,角運動量を発生している.
   4. 腕を内側に入れるようにして振ることで,重心位置のブレを抑制している.

 これまでに本研究の走行ロボットは,ガイドによって拘束された状態において,片足での連続跳躍を実現しました.しかし,本ロボットには上半身機構がないため,上記のような人間の走行中の上半身の特徴を模擬することができませんでした.特に上半身によって下肢で生じる角運動量を補償するという特徴は人間と同様に走行を安定化させるために重要な特徴であると言えます.そのため,上記の特徴を満たすために必要な自由度(肩Pitch,Roll,Yaw,体幹Pitch,Roll,骨盤Yaw,肘Pitch)を有し,各関節は,5.0[m/s]の走行動作をするために要求される角速度,トルク,可動角を発揮できるような設計を目標としました.また,人間の質量特性やリンク長を模擬することで,人間と同等の角運動量を発生可能な上半身機構を開発しました.
 上半身機構はFig. 8の腕部機構およびFig. 9の体幹機構からなります.腕部については,高速高可動域な動作を行うために軽量高出力なブラシレスモータで駆動するシリアルリンク機構を採用しました.また,質量要求仕様を満たすために構造部材の大部分にCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)を採用しました.また,体幹については,バッテリーなどを搭載した上で,人間の質量要求仕様を満たす必要があるため,CFRPパイプで構成することで軽量化を図りました.また,Fig. 10のように,重心位置が左右方向のいずれかに偏ると,跳躍中に機体が傾き,転倒の可能性が高まることが予想されたため,両側に同一のモータおよび減速機を配置して,2つのモータで体幹Pitch軸を駆動するダブルモータ機構を採用しました.その結果,人間の質量特性(質量,重心位置,慣性モーメント)およびリンク長を有した上半身機構を製作することができ,走行動作をさせた際に人間と同等の角運動量を発生可能であることを確認しました.
 また,下肢で生じる角運動量を補償するために必要な上半身の動作を生成する制御(角運動量制御)を用いて,製作した上半身によって下肢で生じる角運動量を補償できることを確認しました.

Fig. 7 上半身機構

Fig. 8 腕部機構

Fig. 9 体幹機構


Fig. 10 ダブルモータ機構(体幹Pitch)

○上半身角運動量計測実験

○上半身角運動量補償実験


■ 能動動作と路面への倣い動作が可能な足関節・足部機構の開発

 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,特に足関節まわり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. 走行運動の遊脚期に足関節を4.6[rad/s]で屈伸させる.
   4. 走行運動の立脚期に足関節に180[Nm]のトルクがかかる.
   5. 走行運動中の着地時に,路面に倣うように足関節・足部が振る舞う.

 これまで骨盤の運動と脚関節のばね性により,片脚での連続跳躍は実現できています.しかし,ロボットの足関節は人間のように動かすことはできず,また路面に足裏をつけて立ち続けることはできませんでした.そこで,走行動作実現のための要求仕様を満たしつつ,人間のような足首の動きができるように下腿部に2つのブラシレスモータを搭載し,膝関節と同様にウォームギアを利用することで,着地時に関節に加わる路面からの強い力に耐えうる足関節機構を開発しました.足関節周辺にモータを2つ搭載してしまうと,サイズが大きくなることや脚先が重くなってしまうことから,そのうちの1つのモータを膝関節のすぐ下に配置し,4節リンク機構を介して回転運動を足関節まで伝える工夫をしています.これにより,走行動作に必要な力を発揮でき,かつ人間のようなスリムな足首に近づけることができました.足裏は3点で路面と接することができるようになっており,ロボットが両脚で立ち続けることも可能です.
 さらに,本年度新たに“人間は走行運動中の着地時に足部の外側から着地し,路面に倣うように足首や足部を動かしている”ことが人体運動計測により判明しました.そこで,関節に搭載しているCFRP板ばねを,着地の際にたわむだけでなく,同時に捻れるような足部機構にしたことで,関節のばね性の模擬に加えて,着地時に路面に足裏を倣わせるようにすることができました.これにより,ロボットは跳躍動作中に,路面に足部を倣わせながら着地することが可能になりました.

Fig. 11 足関節機構

Fig. 12 足関節機構 (Pitch軸)

Fig. 13 足関節機構 (Roll軸)


跳躍動作中の倣い動作確認実験

Fig. 14 足部機構による路面への倣い動作


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),板ばねは東邦テナックス株式会社より提供された.また,本研究の一部は文部科学省の科学研究費補助金(25709019),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: 2016-Nov
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