2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a Biped Running Robot System with Highly Responsive Characteristics
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16H06073
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
妹尾 拓 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 助教 (10512113)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 知能ロボティクス / 機械力学・制御 / センサフィードバック |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の研究成果をサブテーマごとに以下に示す．
(A) 高応答性を追求した二足ロボットの開発：小型高速ビジョンを搭載可能な二足走行機構を開発した．軽量化・省配線化をおこなうと同時に，回転運動を阻害しないケーブル引き回しや，衝撃緩和と滑り防止を実現する足裏の柔軟特性・摩擦特性についても検討した．速度調整機能を有するトレッドミルを開発し，二足走行機構およびリアルタイムコントローラと統合することで，全体システムを構築した．
(B) 非ZMP規範の二足制御手法の確立：二足ロボットに搭載した高速ビジョンによってバランス制御を実現するために，ロボット自身の絶対位置姿勢を再構成する手法を実装した．二足ロボット視点から得られた基準多点固定マーカの画像変化を利用することで，トレッドミル上での走行時における上下方向の視点変化に対して位置姿勢が推定可能であること示した．並行して，前年度から開発してきた環境視点の高速ビジョンによるバランス制御もロバストな手法へ改良すると同時に，着地の衝撃を軽減するための緩衝制御手法についても弾塑性の変形挙動が可能なように拡張した．
(C) アスリートレベルを目指した二足運動の実現：脚運動の基礎となる高速走行について，ビジュアルフィードバックによるロバスト化を実現した．床面に凹凸のある環境での障害物走破と，体幹部へ働く後ろ向きの外力に対する走行時の転倒回避の2種類を実証し，バランス安定化制御の有効性を確認した．この安定化は，環境障害物の認識に基づくものではなく，ロボットの姿勢認識に基づくフィードバック制御のみによってリアルタイムにバランスを維持している点が特徴的である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は，高速ビジョンと高速二足機構およびトレッドミルを統合した全体システムの構築を中心におこない，サブテーマごとの状況もほぼ当初の計画通りに進行している．
(A) 高応答性を追求した二足ロボットの開発：前年度では環境側に高速ビジョンを設置していたのに対し，本年度は二足走行機構に小型高速ビジョンを搭載した一体型の二足ロボットを開発した．体幹上部にカメラを取り付けたため重心バランスが変化したが，検証実験によって問題なく走行動作が可能であることを確認した．以上から，統合システムの全体検証および改良へ向けて進む段階に到達した．
(B) 非ZMP規範の二足制御手法の確立：ロボット視点の画像情報を用いることで二足ロボットの根幹的な技術である姿勢安定化を遂行するために，ロボット視点の画像からロボット自身の絶対位置姿勢を1000fpsで推定することを実現した．以上より，ロボット搭載視点のビジュアルフィードバック制御に向けて進む段階に到達した．また，従来のインピーダンス制御とは異なる弾塑性変形ベースの衝撃吸収制御をシミュレーションで実現したことから，実機による検証および力覚フィードバックも導入したマルチモーダルな制御手法を確立する段階に到達した．
(C) アスリートレベルを目指した二足運動の実現：人間のようにアクロバティックな脚運動を実現するために，基礎的動作となる高速走行について障害物走破と外力転倒回避の実証をおこなうと同時に，二足機構に小型高速ビジョンを搭載したことから，高速ビジョンによって外界認識とバランス制御を両立したハードル競技などの複雑な身体運動へ取り組む段階に到達した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方策について，本年度までに開発してきた二足走行システムの総合的な検証，および走行をベースにした脚運動のデモンストレーションを実現し，これまで築いてきた理論体系を実証する．サブテーマごとに以下の課題を設定して研究を進める．
(A) 高応答性を追求した二足ロボットの開発：小型高速ビジョンの走行実験による検証を引き続き実施し，アクチュエータと走行メカニズムの最終調整をおこなう．同時に，本課題で得られた技術基盤の整備をおこなうことで，関連応用システム構築のための設計原理を整理する．また，アームやハンドの機構統合，およびヒューマノイドサイズといった大型化へ向けた課題について考察する．
(B) 非ZMP規範の二足制御手法の確立：ロボット視点の画像情報による絶対位置姿勢推定に基づいて，バランス制御を実現する．環境視点とロボット視点の画像情報を統合した双方向認識に基づくハイブリッドな手法についても考察し，バランス性能の向上を実現する．転倒回避に必要な安定余裕や視覚フレームレートなどを評価し，ZMP規範制御との比較解析もおこなうことで，二足制御手法を体系的にまとめる．
(C) アスリートレベルを目指した二足運動の実現：対象認識に基づく回避・追従行動として，ハードル競技について実験する．歩幅調整と速度調整を実装することで，対象の位置や運動に対応した，リアルタイムの軌道修正とバランス制御を両立する．高速ビジュアルフィードバックに基づいた脚運動を実証することで，開発したシステムと制御理論の有効性を確認する．
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