2017 Fiscal Year Research-status Report
摺動効果と身体形状の最適融合に基づく移動ロボットの新機能創出
| Project/Area Number |
16K06154
|
|---|
| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
|---|
Principal Investigator |
浅野 文彦 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (70415066)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
徳田 功 立命館大学, 理工学部, 教授 (00261389)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 滑り接触 / 移動ロボット / 劣駆動システム / 運動生成 / 動摩擦 / 歩行ロボット |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
床面と滑り接触をしながら移動する劣駆動移動ロボットの運動生成と制御系設計に関して、平成29年度は主に以下の研究成果を得た。
前後非対称揺動の効果に基づく水平面上の前進運動を実現すべく、半円形状をした本体フレーム内に早戻りリンク機構を搭載したモデルを新たに考え、数値シミュレーションによる解析を通して基礎的な運動特性を明らかにした。また、これに並行して理論検証用の実験機の設計開発も行い、水平面上の運動生成実験を通して数値解析結果の妥当性を確認した。上記の運動特性解析を通して、揺動の周波数と本体フレームの固有振動数が近い場合に大きな推進効果が得られる傾向が明らかにされた。この推進機序を更に明確化することを目的として、揺動質量の代わりにリアクションホイールを搭載したシンプルなモデルを新たに提案し、その本体フレームの絶対角度を正弦波軌道に追従させることで揺動のダイナミクスに依存しない摺動効果と推進特性の関係を調査した。数値解析を通して、振幅や周波数の増大に応じて前進運動が高速化すること、本体の重心位置を適切に設定することで更なる高速化が期待できることなどを明らかにした。
上記に並行して、凍結路面上の安定な脚移動の実現を目指したステルス歩行の理論研究も推進した。支持脚接地点まわりに駆動力を印加できない低自由度なポイントフットモデルを対象として、ゼロダイナミクスとして振舞う上体の運動の安定化、両脚支持期の短縮による高速化と高効率化、最短時間制御に基づく最高速歩容生成などの基礎的な問題に取り組み、ステルス歩行制御系設計の基盤を構築した。更に摩擦のない路面への拡張を目指して、支持脚接地点まわりの全角運動量の時間による3階微分をゼロに拘束する制御則（角運動量拘束制御）を新たに提案し、床反力の水平方向成分をゼロに保つことで安定な歩行が可能となることを数値シミュレーションにより確認した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
摺動と揺動を利用した劣駆動移動ロボットに関しては、水平面上の前進運動生成を目指して早戻りリンク機構を搭載したモデルを新たに考え、数値シミュレーションによる運動解析を通して基礎的特性を明らかにするとともに、実験機の設計開発を行い基礎実験までを完了させた。また推進機序の理解を目指したシンプルなモデルの提案や複数台の連結に基づく運動生成の実現など、最終年度に繋がる重要な成果も幾つか得られてきている。ステルス歩行に関しても、上体の不安定化やこれに起因する非効率性などの基礎的な問題を解決し、角運動量拘束制御に基づく凍結路面上の安定歩行を実現するなど、着実に成果が得られてきている。以上の理由から、進捗状況はおおむね順調であると評価した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
摺動と揺動を利用した劣駆動移動ロボットの運動生成とその応用を目指して、次のように今後の研究を推進する。
摺動と揺動を利用した劣駆動移動ロボットに関しては、シンプルなモデルの解析を更に推進しつつ前年度までに得られた全ての知見をまとめ、揺動の自由度の追加・リアクションホイールの併用・複数台の連結が生む推進機序などを利用した機能拡張を中心として高速かつ高効率な前進運動生成に取り組む。並進・回転など各種の揺動に応じた最高移動速度・最大移動効率に関する解析結果を整理することで設計指針の基礎を確立する。実験機に関しては、無線によるデータ通信機能を搭載した屋外実験用システムを完成させ、実際の凍結路面上での実機検証に取り組み、実用性の観点から評価を行う。
ステルス歩行に関しては、上体の不安定化や非効率性などの基礎的な諸問題を解決し、角運動量拘束制御に基づく摩擦のない路面上への拡張を達成するなど、理論的研究は大きく前進した。平成30年度は前年度までに得られた知見を踏まえ、単脚支持期に不安定化した歩行系の状態を回復させるための両脚支持期における制御系設計を中心とした現実的問題に取り組む。また理論研究に並行して、理論検証用実験システムの設計開発も進める。更には、弾性効果を利用した究極的に高効率な無動力ステルス歩行（水平面上の受動歩行）の実現可能性についても検討する。
|
| Causes of Carryover |
水平面上を前進する新型劣駆動移動ロボットの設計開発を研究室のCAD等を利用して自ら行ったため、業者へ外注した表面加工処理以外の開発費用は、ほぼ材料費のみで済ませることができた。この結果、物品費に幾らかの余裕が生じたものと思われる。
平成30年度は、劣駆動移動ロボットの屋外実験用無線データ転送システムやステルス歩行の理論検証実験システムの構築など、実験装置・設備の拡充を中心に当該助成金を使用する予定である。また、最終年度は成果発表も積極的に行うため、国際会議・ジャーナルへの投稿料および出張旅費に関して前年度より大きい支出額が必要になると思われる。
|
