スーパーメカノシステム:制御と機構の融合による新機能創出

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09CE2004
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 廣瀬 茂男 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (70108215)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 原 辰次 東京工業大学, 大学院・情報理工学研究科, 教授 (80134972) ; 美多 勉 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (60092102) ; 小林 彬 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (40016530) ; 三平 満司 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (00196338) ; 小野 京右 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (40152524)
• Keywords: Super-Mechano System / Control System / Design of New Mechanism / Integrated Design of Control and Mechanism / Super Redundant System / Quadruped Robot / Variable Constraint Control / Non-holonomic System

Research Abstract

本研究の基礎となる理論体系,すなわち、サイバーメカニズム,ネオファンクション,動的機能設計理論を統合したスーパーメカノシステム学を実証的に確立していくため,平成12年度からは研究サブグループの枠組みを見直し,理論の確立と検証実験用ロボットの開発とをリンクさせた構成とした.すなわち,自律集散ロボット(SMC)グループ,超冗長制御(ヘビロボット)グループ,作業歩行グループ,走行ロボットおよびアクロバットロボットグループ,動的機能設計グループを編成した.各サブグループでは1〜2ヶ月ごとに定期的に研究会を開催し,各テーマについて積極的な意見交換を行って理論の確立を進めるとともに,検証実験用ロボットのシステム構成や機械構造について検討を行い,具体的な設計を行った.各サブグループの本年度の研究実績は以下の通りである.
自律集散ロボットグループ:
群ロボットの協調原理として,分散型Passive Velocity Field Control(PVFC)を提案し,2台の差動2輪型ロボットの実験にてその効果を確認した.また,Active Casterによる物体の協調運搬として自律した多数の移動ロボットによる単一物体の協調搬送を実現する基本原理を開発した.一方,ロボットが遭遇した時に行う情報交換だけで共通の座標系を生成し,群れ全体の挙動を自己組織化させる制御アルゴリズムを検討した.さらにこれらの理論を用いるスーパーメカノコロニーの具体的なデモンストレーションシステムとして「自律集散型惑星探査ローバー」を設計し,実験を行いながら制御手法の検討を開始した.
超冗長系(ヘビロボット)グループ:
これまでの2次元運動の理論と実験を発展させ,移動だけではなく,首や他の部分を持ち上げることにより,新たな機能の創出を可能とする3次元型ヘビロボットの制御手法を検討した.そして実際に3次元運動が可能なヘビロボットの開発を行い,実験システムの整備を進めた.また,イルカロボットに関しては複雑な位置決めや方向制御を行うために,ノンホロノミック拘束を利用した制御法を開発した.さらに自律的機械システムの高性能化・高機能化・高効率化のためのファンクションとして,固有運動の自励駆動制御理論を確立し,水上揺動推進機構と4自由度2足動歩行機構の実験的検討を行った.
作業歩行ロボットグループ:
脚を腕のように使うことのできる構造として,可動範囲のきわめて大きい脚兼腕の設計手法の検討,からだ全体を使って大きな物体にアクセスし,搬送および自身の移動を行う制御手法について検討した.そして,具体的なシステム構成の実現例として,地雷撤去等の作業を行う4足歩行ロボット,作業のできる脚を持つ2足歩行ロボット,壁面作業を支援する歩行ベース,全身作業が可能な4足歩行ロボットの設計・製作を行った.
走行ロボット・アクロバットロボットグループ:
劣駆動系のノンホロノミック制御則を技能制御理論としてまとめ,これを利用する走行ジャンピングロボットの開発を行った.これは,すでに開発したワイヤー駆動4足走行ロボットと2足走行恐竜ロボットの制御方式を基本にし,軽い素材と高出力な構成のアクチュエータからなる新走行ロボット機構を採用した2足および4足走行ロボットである.基礎的実験として,着地相・遊脚相の拘束変化のある走行を持続する制御手法,ジャンプ機能の実証試験を行った.また,劣駆動脚ロボットの姿勢遷移制御を実験するための大車輪鉄棒ロボット(アクロバットロボット)の試作を行った.
動的機能設計グループ:
フレキシブルリンク機構を対象とし,スマート構造を導入した機構と制御の最適化を図り,達成される高速位置決めと振動抑制の性能評価および検証を行った.また,「制御しやすい」構造が正実性に関係しているという仮説に理論的根拠を与えるための検討を行った.具体的には,ハードディスクの高精度・高帯域位置決め制御システムを例として,ハードディスクのスウィングアームの構造設計に上記理論を適用し,その有効性を裏付けた.
また,多関節移動機構の高効率・高速化のための自励駆動原理を解析し,これを2足歩行ロボット,ヘビ型ロボット,イルカロボットへ適用して実験的検証を行った.また,および入力ゼロの最適軌道計画とその軌道に対する引き込み制御の理論を解析し,鉄棒ロボットへの適用理論と実験的検証や2足動歩行への適用を実現した.

Research Products

• [Publications] 福島E.文彦: "最適力配分を考慮した計算トルク法に基づく節体幹移動ロボットの姿勢制御の提案"日本ロボット学会誌. 18・4. 576-583 (2000)
• [Publications] 広瀬茂男: "負荷感応型無段変速機X-screwの開発"日本機械学会論文集(C編). 66・646. 1912-1918 (2000)
• [Publications] 内田康之: "車輪の凹凸地踏破性能評価とHS車輪の開発"日本ロボット学会誌. 18・5. 743-751 (2000)
• [Publications] 内田康之: "6輪不整地走行車「HELIOS-V」の開発"日本設計工学会誌. 35・7. 255-261 (2000)
• [Publications] 加藤恵輔: "形状帰還型マスタ・スレーブアームの提案と基礎実験"日本ロボット学会誌. 18・5. 752-757 (2000)
• [Publications] 萩原哲夫: "広い速度・負荷適応機構を有する新しい負荷感応型直動機構DM X-screwの開発"日本機械学会論文集(C編). 66・644. 1258-1263 (2000)
• [Publications] 遠藤玄: "索状能動体に関する研究-システムの自立化と対地適応推進-"日本ロボット学会誌. 18・3. 419-425 (2000)
• [Publications] 遠藤玄: "ローラーウォーカーに関する研究-システムの構成と基本的動作実験-"日本ロボット学会誌. 18・2. 270-277 (2000)
• [Publications] 太田祐介: "出力均質性の高いパラレルメカニズムを利用した省自由度歩行ロボットの研究"日本ロボット学会誌. 18・1. 66-74 (2000)
• [Publications] 倉爪亮: "高速画像安定化機構を用いた歩行機械の遠隔操縦性向上に関する研究"日本ロボット学会誌. 18・7. 1011-1018 (2000)
• [Publications] 福島E.文彦: "節体幹型移動ロボットの操舵とマニピュレーション制御の統合"日本ロボット学会誌. 18・8. 1112-121 (2000)
• [Publications] 遠藤玄: "ローラーウォーカーに関する研究-基本的運動の生成と自立推進実験-"日本ロボット学会誌. 18・8. 1159-1165 (2000)
• [Publications] Ryo Kurazume: "An Experimental Study of a Cooperative Positioning System"Autonomous Robots. 8. 43-52 (2000)
• [Publications] Keisuke Kato: "Proposition and Basic Experiments of Shape Feedback Master-Slave Arm"J.of Robotics and Mechatronics. 12・3. 268-274 (2000)
• [Publications] Keisuke Kato: "Development of the Quadruped Walking Robot for Humanitarian Demining"J.of Robotics and Mechatronics. 12・3. 261-267 (2000)
• [Publications] Shigeo Hirose: "Design of In-Pipe Inspection Vehicles for φ25,φ50,φ150 Pipes"J.of Robotics and Mechatronics. 12・3. 310-317 (2000)
• [Publications] Shigeo Hirose: "Variable Constraint Mechanism and Its Application for Design of Mobile Robots"Robotics Research. 19・11. 1126-1138 (2000)
• [Publications] Shigeo Hirose: "Dewsign of Three-wheeled Planetary Rover Tri-Star II"J.of Robotics and Mechatronics. 12・4. 446-452 (2000)
• [Publications] Gen Endo: "Study on Self-contained and Terrain Adaptive Active Cord Mechanism"Proc.IROS. 1399-1405 (2000)
• [Publications] Gen Endo: "Study on Roller-Walker (Multi-mode Steering Control and Self-contained Locomotion)"Proc.ICRA. 2808-2814 (2000)
• [Publications] Shigeo Hirose: "Coupled and Decoupled Actuation o f Robotic Mechanisms"Proc.ICRA. 33-39 (2000)
• [Publications] Shigeo Hirose: "Study on Quadruped Walking Robot in Tokyo Institute of Technology -Past, Present and Future-"Proc.ICRA. 414-419 (2000)
• [Publications] Ryo Kurazume: "Development of image stabilization system for remote operation of walking robots"Proc.ICRA. 1856-1861 (2000)
• [Publications] Keisuke Kato: "Proposition and Basic Experiments of Shape Feedback Master-Slave Arm -On the Application for the Demining Robots-"Proc.ICRA. 2334-2339 (2000)
• [Publications] Edwardo F.Fukushima: "A New Flexible Component for Field Robotic System"Proc.ICRA. 2583-2588 (2000)
• [Publications] Shigeo Hirose: "Study of Super-Mechano-Colony (Design of Experimental Model and Its Fundamental Experiments)"Proc.COE workshop. 83-89 (2000)
• [Publications] Kensuke Takita: "Development of Dinosaur-like Robot TITRUS-Fundamental concept and Its mechanism-"Proc.COE workshop. 283-288 (2000)
• [Publications] Keisuke Kato: "Proposition of the Humanitarian Demining System by the Quadruped Walking Robot-"Proc.IROS. 769-774 (2000)
• [Publications] Yun-Jung Lee: "Three-Legged Walking for Fault Tolerant Locomotion of a Quadruped Robot with Demining Mission"Proc.IROS. 973-978 (2000)
• [Publications] Shigeo Hirose: "Study of Super-Mechano-Colony (Concept and Basic Experimental Setup)"Proc.IROS. 1670-1675 (2000)
• [Publications] Hidetaka Ohno: "Study on Slime Robot (Proposal of Slime Robot and Design of Slim Slime Robot)"Proc.IROS. 2218-2223 (2000)
• [Publications] Keiji Togawa: "Study on Three-dimensional Active Cord Mechanism : Development of ACM-R2"Proc.IROS. 2242-2247 (2000)
• [Publications] Kan YONEDA: "Construction of a Quadruped with Reduced Degrees of Freedom"Proc.of IEEE International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation. 28-33 (2000)
• [Publications] Kan YONEDA: "Partial Leg Exchange and Active CG Control of Twin Frame Walking Machine"International Symposium on Adaptive Motion of Animals Machines. FrA-I (2000)
• [Publications] 池田: "浮遊機械のノンホロノミック可変拘束制御の提案と収束性の検討"日本ロボット学会誌. 18・6. 847-855 (2000)
• [Publications] P.Prautsch: "Analysis and Control of a Gait of Snake Robot"電気学会産業応用部門誌. 120-D-3. 372-381 (2000)
• [Publications] 美多: "初期角運動量を有する劣駆動浮遊機械系の最短時間制御解の導出と解析"計測自動制御学会論文集. 36・8. 668-675 (2000)
• [Publications] 南: "高次ノンホロノミック制御系の可変周期有限整定制御と劣駆動機械制御への応用"計測自動制御学会論文集. 36・11. 952-961 (2000)
• [Publications] 池田: "可変拘束制御による走行ロボットの実現"システム制御情報学会誌(掲載予定). (2000)
• [Publications] T.Mita: "Extended H Infinity Control -H Infinity Control with Unstable Weights-"Automatica. 36. 735-741 (2000)
• [Publications] X.Xin: "Complete solution of the 4-block H infinity control problem with infinite and finite jomega- axis zeros"Int.J.of Robust and Nonlinear Control. 10. 59-81 (2000)
• [Publications] 石川: "光デスクドライブのスライデングレギュレータ制御"電気学会産業応用部門誌. 120-D-5. 725-733 (2000)
• [Publications] 忻欣: "非正方インタラクターの直接かつ数値安定な状態空間設計法"計測自動制御学会論文集. 36・7. 555-562 (2000)
• [Publications] Prautsch P: "Nonlinear Control of Snake Robot"Proc.of the 5th Int.Symp.on Artificial Life and Robotics. 499-502 (2000)
• [Publications] Mita T: "Analytical Time Optimal Control Solution for Free Flying Objects with Drift Term"Proc.of TITech COE/Super Mechano-Systems Symposium. 72-82 (2000)
• [Publications] Jongusuk J: "Variable Constraint Control in Nonholonomic Systems"Proc.of the ASCC. 207-212 (2000)
• [Publications] Mita T: "Time Optimal Control Solution for Posture Control of Underactuated Free Flying Robots with Initial Angular Momentum"Proc.Of the ASCC. 1743-1748 (2000)
• [Publications] Mita T: "Analytical Time Optimal Control Solution for Free Flying Objects with Drift Terms"Proc.of IEEE CDC. (2000)
• [Publications] 池田: "脚式ロボットの走行制御-動物の運動解析に基づく走行の実現"システム制御情報学会論文誌. 14・5(掲載予定). (2000)
• [Publications] Norio INOU: "A Cellular Automaton Self-organizing a Mechanical Structure with L-systems Modeling and Control in Biomedical Sysytems"IFAC Symposium. 257-262 (2000)
• [Publications] 藤岡久也: "サンプル値制御理論-IV-最適制御問題の一般化"システム/制御/情報. 44・2. 78-86 (2000)
• [Publications] 藤岡久也: "サンプル値制御理論-V-実システムへの応用と数値計算法"システム/制御/情報. 44・4. 223-231 (2000)
• [Publications] 山本裕: "サンプル値制御理論-VI-ディジタル信号処理への応用"システム/制御/情報. 44・6. 336-343 (2000)
• [Publications] 穴井宏和: "新しい数式処理アルゴリズムQEを用いたロバスト制御系設計"システム/制御/情報. 44・6. 307-311 (2000)
• [Publications] 宮里智樹: "適合性確率に基づくモデル集合の検証"システム制御情報学会論文集. 13・6. 293-299 (2000)
• [Publications] Supachai VORAPOJPISUT: "A General Framework for a Class of Autonomous Hybrid Systems : Stability Analysis Stabilizing Control, and H∞ Control"シミュレーション. 19・3. 220-227 (2000)
• [Publications] 上野晃嗣: "設計支援システムにおける並列プログラミングのためのマクロデータフローモデル"シミュレーション. 19・3. 168-177 (2000)
• [Publications] T.Asai: "Simultaneous parametric uncertainty modeling and robust control synthesis by LFT scaling"Atutomatica. 36. 1457-1467 (2000)
• [Publications] Tetsuya Iwasaki: "Structure/control design integration with finite frequency positive real property"American Control Conference. 549-553 (2000)
• [Publications] Hirokazu Anai: "Fixed-structure robust controller synthesis based on sign definite condition by a special quantifier elimination"American Control Conference. 1312-1316 (2000)
• [Publications] T.Yokozawa: "Optimal Control Strategy for High Jump based on Complementarity Modeling"The 39th Conference on Decision and Control. 3132-3137 (2000)
• [Publications] J.Chen: "Optimal tracking performance : Preview control and exponentially growing signals"The 39th Conference on Decision and Control. 1924-1929 (2000)
• [Publications] S.Hara: "A Probabilistic approach to robust control design"The 39th Conference on Decision and Control. 2761-2762 (2000)
• [Publications] Kohei Mori: "Non-Convex Relaxation to the Space of Hypercomplex Numbers for Indefinite Quadratic Programming"The First Sino-Japan Optimization Meeting. 91 (2000)
• [Publications] M.Yamakita: "Passive velocity field control of biped walking robot"proc.of IEEE Int.Conf.on Robotics and Automation. (2000)
• [Publications] F.Asano: "Virtual passive dynamic walking and energy-based control law"proc.IROS'00. (2000)
• [Publications] Y.Liu and M.Yamakita: "A New Scheme of Nonlinear Continuous System Identification Using Radial Basis Function Network"Trans.of IEE of Japan. 120-C. (2000)
• [Publications] 山北: "ラグランジュ方程式の構造に着目したANNを用いたロボットアームの制御"計測自動制御学会論文誌. 36. 726-728 (2000)
• [Publications] M.Yamakita: "Decentralized PVFC for Cooperative Mobile Robots"Trans.IEE of Japan. 120-C. (2000)
• [Publications] M.Yamakita: "An Adaptive Learning Control and Its Application to Vibration Isolation System"Proc.of ASCC'00. (2000)
• [Publications] M.Yamakita: "Comparison of Output Feedback Controls Using ANN for Mechanical Systems,"Proc.of IECON'00. (2000)
• [Publications] M.Yamakita: "Adaptive Generation of Desired Velocity Field for Cooperative Mobile Robots with Decentralized PVFC"Proc.of IROS'00. (2000)
• [Publications] H.Mitituji: "Swing up of inverted pendulum using vibrational input"Proc.of CCA'00. (2000)
• [Publications] F.Asano: "Extended PVFC with variable velocity fields for kneed biped"Proc.of the first IEEE-RAS Int.Conf.on Humanoid Robots. (2000)
• [Publications] T.Iwata: "PWM-Type Discrete VSS Controller for On/Off Actuator Systems"proc.of 39th IEEE Conference on Decision and Control. (2000)
• [Publications] Masaki YAMAKITA: "Jumping Cat Robot with Kicking a Wall"Proc.of AMAM'2000. (2000)
• [Publications] 中島求: "2関節イルカ形水中推進機構の動力学解析(第5報,第2関節がばね支持のモデルの解析)"日本機械学会論文集B編. 66・643. 686-694 (2000)
• [Publications] 中島求: "2関節イルカ形水中推進機構の実験的研究(第1報,小形機による実験)"日本機械学会論文集B編. 66・643. 695-702 (2000)
• [Publications] 中島求: "2関節イルカ形水中推進機構の実験的研究(第2報,自走式大形実験機による実験)"日本機械学会論文集B編. 66・643. 703-709 (2000)
• [Publications] Motomu Nakashima: "Numerical Study of the Thrust, Energy Consumption and Propulsive Efficiency of a Three Joint Bending Propulsion Mechanism"Transactions of the ASME, Journal of Fluids Engineering. 122・3. 614-618 (2000)
• [Publications] Motomu Nakashima: "Experimental Study of Two-Joint Dolphin Robot (Propulsive Characteristics of 2nd Large Model)"Proceedings of the First International Symposium on Aqua Bio-Mechanisms. 311-314 (2000)
• [Publications] 小俣透: "多点接触するマルチリムロボットの運動解析"日本ロボット学会誌. 19・2(掲載予定). (2001)
• [Publications] Toru OMATA: "Rigid Body Analysis of the Indeterminate Grasp Force in Power Grasps"IEEE Transactions on Robotics and Automation. 16・1. 46-54 (2000)
• [Publications] Mohammad Asim FAROOQI: "Online Construction of the Manipulation-Model of an unknown Object by a Robot Hand using the Regrasping Primitives"Advanced Robotics. 14・2. 135-151 (2000)
• [Publications] 高橋孝: "再構成型宇宙システムのための多体動力学(第一報:動力学アルゴリズムの概要)"日本航空宇宙学会論文集. 48,563. 418-424 (2000)
• [Publications] 高橋孝: "再構成型宇宙システムのための多体動力学(第二報:接触力学と精度保証)"日本航空宇宙学会論文集. 49・568(掲載決定). (2001)
• [Publications] Takashi Takahashi: "Numerical Computation of Reconfigurable Multibody Dynamics"Proc.2000 IEEE/RSJ International Conf.on Intelligent Robots and Systems (IROS2000). 3. 1828-1833 (2000)
• [Publications] 林良一: "空圧を用いた2次元ダイナミクスシミュレータの試作・評価"日本機械学会論文集C編. (掲載決定). (2001)
• [Publications] 森治: "群型テザード衛星システムの編隊飛行制御"第44回宇宙科学技術連合講演会講演集. 上巻. 722-727 (2000)
• [Publications] O.Mori: "Tension Control of Tethered Satellite Cluster"Proc.22nd International Symposium on Space Technology and Science. 2. 1786-1794 (2000)
• [Publications] Osamu Mori: "Coordinated Control of Tethered Satellite Cluster Systems"Proc.10th Workshop on Astrodynamics and Flight Mechanics. 1-7 (2000)
• [Publications] Osamu Mori: "Research and Development of Tethered Satellite Cluster Systems"Proc.2000 IEEE/RSJ International Conf.on Intelligent Robots and Systems (IROS2000). 3. 1834-1840 (2000)
• [Publications] H.Yamamoto: "IP-Based Communication System in Reconfigurable Space Robot"Proc.22nd International Symposium on Space Technology and Science. 1. 778-781 (2000)
• [Publications] Saburo Matunaga: "Robot Satellite Cluster System and its Ground Experiment System"51st Congress of the International Astronautical Federation. IAF-00. A.3.06 (2000)
• [Publications] Saburo Matunaga: "Ground Experiment System for Dual-Manipulator-Based Capture of Damaged Satellites"Proc.2000 IEEE/RSJ International Conf.on Intelligent Robots and Systems (IROS2000). 3. 1847-1852 (2000)
• [Publications] 岡田英人: "群型ロボット衛星システムの地上実験"ロボティックス・メカトロニクス講演会. (2001)
• [Publications] 宮下直己: "双腕マニピュレータを用いた浮遊物体操作の基礎実験"ロボティックス・メカトロニクス講演会. (2001)
• [Publications] 山本幸治: "ニ自由度リンク機構における大車輪運動の制御"日本機械学会論文集(C編). 66・644. 3519-3599 (2000)
• [Publications] 小野京右: "制御性を考慮した機構設計"システム/制御/情報. 44・11. 632-639 (2000)
• [Publications] 伊能教夫: "生物の形づくりの数理と物理(第3章,171-185)"共立出版株式会社. 209 (2000)