人間を模擬した歩行・走行運動が可能な２足ヒューマノイドロボットの開発

• Project/Area Number: 13J05260
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Intelligent mechanics/Mechanical systems
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 大谷 拓也 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2015: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2014: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: ロボット / ヒューマノイド / 歩行 / 走行 / 人体運動計測 / 骨盤 / 脚弾性 / ヒューマノイドロボット

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，人間と同等な運動能力を有するヒューマノイドロボットを用いた新しいスポーツコーチング学の創出を目指し，人体運動を模擬した“歩行運動”と“走行運動”が可能な２足ロボットを開発することを目的とする．初年度は，人間の走行運動計測の結果から前額面における骨盤動揺が地面の蹴り出しの補助および着地衝撃吸収に寄与している可能性があることを発見した．そして，骨盤を含めた新たな走行運動モデルを考案し，シミュレーションおよびロボット実機での実験を通して，その有効性を検証した．昨年度は，その人体計測データおよびモデルを元に，人間のような膝関節弾性を有する２足ロボットを開発した． 本年度は，未だ能動化を実現できていなかった足関節部の改良を目的とした．
まず，走行中の足関節の挙動について人体運動解析を行った．その結果，立脚時のPitch軸には高い弾性が見られ，これが高出力の発揮に寄与していると考えられる．また，Roll軸では足部の小指球付近で着地し，その後外反することで拇指球に重心が移るが，その間の足関節Roll軸での発揮トルクが非常に低いため，低い関節剛性で着地することで地面への受動的な倣いを実現していると考えられる．そこで，これらの特徴および得られた関節トルクなどのデータを要求仕様とし，これらを模擬可能な足部・足関節機構を開発した．足関節のPitch軸とRoll軸の駆動には出力軸の伝達効率を高めたウォームギアを用いることで弾性の発揮と能動駆動を両立させた．弾性要素の模擬には摩擦低減を施したCFRP重ね板ばねを用い，Pitch軸周りのたわみおよびRoll軸周りの捻れにより，面接地に伴う路面への倣い動作が可能な足部機構を考案し，成人女性と同リンク比・同程度の質量特性を持つ足部・足関節機構を開発した．評価実験により，Roll軸において人間と同程度の倣い動作を実現した．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Utilization of Human-Like Pelvic Rotation for Running Robot (2016)
  • Author(s): Takuya Otani, Kenji Hashimoto, Masaaki Yahara, Shunsuke Miyamae, Takaya Isomichi, Shintaro Hanawa, Masanori Sakaguchi, Yasuo Kawakami, Hun-ok Lim, Atsuo Takanishi
  • Journal Title: Frontiers in Robotics and AI Volume: Vol.2, No.17 Pages: 1-9
  • DOI: 10.3389/frobt.2015.00017
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Joint Mechanism That Mimics Elastic Characteristics in Human Running (2015)
  • Author(s): Takuya Otani, Kenji Hashimoto, Takaya Isomichi, Masanori Sakaguchi, Yasuo Kawakami, Hun-ok Lim, Atsuo Takanishi
  • Journal Title: Machines Volume: Vol.4, No.5 Issue: 1 Pages: 1-15
  • DOI: 10.3390/machines4010005
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Joint Mechanism Coping with both of Active Pushing-off and Joint Stiffness Based on Human (2016)
  • Author(s): Takuya Otani, Kenji Hashimoto, Takaya Isomichi, Shunsuke Miyamae, Masanori Sakaguchi, Yasuo Kawakami, Hun-ok Lim and Atsuo Takanishi
  • Organizer: 21st CISM IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control
  • Place of Presentation: Udine, Italy
  • Year and Date: 2016-06-20
• [Presentation] Knee Joint Mechanism That Mimics Elastic Characteristics and Bending in Human Running (2015)
  • Author(s): Takuya Otani, Kenji Hashimoto, Shinya Hamamoto, Shunsuke Miyamae, Masanori Sakaguchi, Yasuo Kawakami, Hun-ok Lim and Atsuo Takanishi
  • Organizer: 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2015)
  • Place of Presentation: Hamburg, Germany
  • Year and Date: 2015-09-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Running with Lower-Body Robot That Mimics Joint Stiffness of Humans (2015)
  • Author(s): Takuya Otani, Kenji Hashimoto, Masaaki Yahara, Shunsuke Miyamae, Takaya Isomichi, Masanori Sakaguchi, Yasuo Kawakami, Hun-ok Lim and Atsuo Takanishi
  • Organizer: 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2015)
  • Place of Presentation: Hamburg, Germany
  • Year and Date: 2015-09-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 骨盤運動に着目した２足走行ロボットの開発（第11 報： CFRP 重ね板ばねによる軽量高出力弾性関節機構） (2015)
  • Author(s): 大谷拓也，礒道貴矢，橋本健二，八原昌亨，宮前俊介，林憲玉，高西淳夫
  • Organizer: 第33回日本ロボット学会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2015-09-03
• [Presentation] 骨盤運動に着目した２足走行ロボットの開発（第9報：人間の脚弾性を模擬した下半身ロボットによる矢状面における片脚走行の実現） (2015)
  • Author(s): 大谷拓也，八原昌亨，橋本健二，宮前俊介，礒道貴矢，阪口正律，川上泰雄，林憲玉，高西淳夫
  • Organizer: 第21回日本IFToMM会議シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2015-07-18
• [Presentation] Leg with Rotational Joint That Mimics Elastic Characteristics of Human Leg in Running Stance Phase (2014)
  • Author(s): Takuya Otani
  • Organizer: 14th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots
  • Place of Presentation: Madrid
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-22
• [Presentation] 骨盤運動に着目した２足走行ロボットの開発（第7報：着地時間推定を用いた連続跳躍の実現） (2014)
  • Author(s): 大谷拓也
  • Organizer: 日本ロボット学会学術講演会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2014-09-02 – 2014-09-04
• [Presentation] Hopping Robot using Pelvic Movement and Leg Joints Elasticity (2014)
  • Author(s): Takuya Otani, Kazuhiro Uryu, Masaaki Yahara, Akihiro Iizuka, Shinya Hamamoto, Shunsuke Miyamae, Kenji Hashimoto, Matthieu Destephe, Masanori Sakaguchi, Yasuo Kawakami, Hun-ok Lim and Atsuo Takanishi
  • Organizer: 20th CISM-IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control(査読あり)
  • Place of Presentation: Moscow
  • Year and Date: 2014-06-24
• [Presentation] Hopping Robot using Pelvic Movement and Leg Joints Elasticity (2014)
  • Author(s): Takuya Otani
  • Organizer: 20th CISM-IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control
  • Place of Presentation: Moscow
  • Year and Date: 2014-06-23 – 2014-06-26
• [Presentation] Running Model and Hopping Robot using Pelvic Movement and Leg Elasticity (2014)
  • Author(s): Takuya Otani
  • Organizer: 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation
  • Place of Presentation: HongKong
  • Year and Date: 2014-05-31 – 2014-06-07
• [Presentation] Running Model and Hopping Robot Using Pelvic Movement and Leg Elasticity (2014)
  • Author(s): Takuya Otani, Masaaki Yahara, Kazuhiro Uryu, Akihiro Iizuka, Kenji Hashimoto, Tatsuhiro Kishi Nobutsuna Endo, Masanori Sakaguchi, Yasuo Kawakami, Sangho Hyon, Hun-ok Lim and Atsuo Takanishi
  • Organizer: 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (査読あり)
  • Place of Presentation: HongKong
  • Year and Date: 2014-05-31
• [Presentation] 骨盤運動に着目した２足走行ロボットの開発（第5報：人間の骨盤動揺と多関節脚の関節弾性を模擬した跳躍ロボット (2014)
  • Author(s): 大谷拓也
  • Organizer: 第20回日本IFToMM会議シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-05-24
• [Presentation] 骨盤運動に着目した2足走行ロボットの開発(第5報 : 人間の骨盤動揺と多関節脚の関節弾性を模擬した跳躍ロボット) (2014)
  • Author(s): 大谷拓也, 八原昌亨, 瓜生和寛, 飯塚晃弘, 濱元伸也, 宮前俊介, 橋本健二, 阪口正律, 川上泰雄, 林 憲玉, 高西淳夫
  • Organizer: 日本IFToMM会議シンポジウム前刷集(第20回)
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2014-05-24
• [Presentation] 骨盤運動に着目した2足走行ロボットの開発(第3報 : 板ばねを用いた弾性可変機構を持つ回転関節脚) (2013)
  • Author(s): 瓜生 和寛, 大谷 拓也, 八原 昌亨, 飯塚晃弘, 濱元伸也, デステフ・マチュー, 橋本健二, 保原浩明, 阪口正律, 川上 泰雄, 林 憲玉, 高西淳夫
  • Organizer: 日本ロボット学会第31回学術講演会
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2013-09-04
• [Presentation] 骨盤運動に着目した2足走行ロボットの開発(第4報 : 骨盤回旋運動を利用した走行制御) (2013)
  • Author(s): 大谷 拓也, 飯塚晃弘, 八原 昌亨, 瓜生 和寛, 橋本 健二, 林 憲玉, 高西淳夫
  • Organizer: 日本ロボット学会第31回学術講演会
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2013-09-04
• [Presentation] 骨盤運動に着目した2足走行ロボットの開発(第2報 : 骨盤運動と脚弾性を活用した跳躍運動の実現) (2013)
  • Author(s): 八原昌亨, 大谷拓也, 瓜生和寛, 飯塚晃弘, 岸竜弘, 遠藤信綱, 橋本健二, 阪口 正律, 川上 泰雄, 林 憲玉, 高西淳夫
  • Organizer: 日本IFToMM会議シンポジウム前刷集(第19回)
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2013-06-15
• [Presentation] 骨盤運動に着目した2足走行ロボットの開発(第1報 : 骨盤運動と脚弾性を活用した走行モデルの考案) (2013)
  • Author(s): 大谷 拓也, 八原 昌亨, 瓜生 和寛, 橋本 健二, 阪口 正律, 川上 泰雄, 林 憲玉, 高西 淳夫
  • Organizer: JSME Conference on Robotics and Mechatronics
  • Place of Presentation: 茨城県
  • Year and Date: 2013-05-24
• [Remarks] 高西研究室 走行ロボット紹介ページ
  • URL: http://www.takanishi.mech.waseda.ac.jp/top/research/running/index_j.htm
• [Patent(Industrial Property Rights)] 2足走行ロボットの移動制御システム (2013)
  • Inventor(s): 高西, 川上, 橋本, 阪口, 大谷, 飯塚
  • Industrial Property Rights Holder: 高西, 川上, 橋本, 阪口, 大谷, 飯塚
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2013-11-18