2017 Fiscal Year Research-status Report
Optimization method of redundant control inputs and fault tolerant control against partial actuator failure for six-legged-robot
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17K06243
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| Research Institution | Kisarazu National College of Technology |
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Principal Investigator |
内田 洋彰 木更津工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (00223561)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 6脚ロボット / 6自由度制御 / 姿勢制御 / 最適化 / FB制御 / LQI制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度は，第2の課題，“胴体6自由度制御における冗長入力の最適化手法の開発”を中心に，3Dシミュレーションでの検討を行った。胴体6自由度の内，特に姿勢制御について検討を行った。歩容は姿勢を制御するには冗長となる5脚支持歩行とし，最初にこれまでに報告者が6脚ロボットの姿勢制御手法として提案している脚リンクのダイナミクスを考慮した数学モデルを用いて設計する最適サーボ系を用いて支持脚の姿勢を制御する脚リンクの制御入力を算出する。この値を初期値として6脚ロボットの姿勢と支持脚入力の項から構成される評価関数が最小となるように脚リンクの制御入力を最適化する。最適化を行わない場合の従来の姿勢制御の問題点は，5脚支持歩行の場合，遊脚を6脚それぞれ1脚ずつ行うため，数学モデルが異なる。そのため，支持脚切り換え時にフィードバック(FB)ゲインが切り換わるため，切り換え直後は制御入力が大きくなり，姿勢変動が大きくなる。
最適化手法としてはNelder-Mead algorithmを用いた。このアルゴリズムは反復法により最適化を行う。実機を用いて実際のロボットに適用する場合には，コンピュータの処理能力の問題があり，反復回数については検討する必要がある。平成29年度は最適化手法の有効性を検証することを主眼としたため，反復回数は最大200として検討を行った。反復回数を200とした場合，胴体高さ，ピッチ角，ロール角の変動は1/3～1/4以下に抑えた歩行を実現した。このことから最適化の有効性を確認した。
また，実機への適用を考慮して反復回数についても検討した。反復回数は50，100，200として行った。50とした場合でも姿勢の変動は1/2以下となり最適化の有効性が確認できた。最適化の初期値についても最適サーボ系を用いて得られる初期値を用いることで最適化の収束性が良くなることを確認した。
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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
第１の課題，“6脚ロボットの胴体6自由度制御手法のアクチュエータのダイナミクス変動に対するロバスト性”については，アクチュエータのダイナミクス変動を3つの脚関節の内，歩行方向制御に影響を与える旋回部に対して行い，胴体6自由度制御の内，歩行方向制御のロバスト性については確認している。今後は，腿部，脛部についても同様に行い，次に歩行方向制御に入力となる旋回部と脛部の組み合わせ，最後に歩行方向制御と姿勢制御の組み合わせた3関節の組み合わせについて検討する必要がある。歩行実験での検証は，胴体6自由度制御，特に歩行方向制御を実現する場合，歩行環境下における胴体位置およびヨー角を検出する必要があり，LRFと外部カメラを用いた手法について検討している段階である。
第2の課題，“胴体6自由度制御における冗長入力の最適化手法の開発”については，平成29年度に胴体6自由度のうち，姿勢に関する3自由度について姿勢制御手法にもとづいて5脚支持歩行における最適化手法の有効性を検証した。引き続き，平成30年度も6脚ロボットの3Dモデルを用いて，姿勢制御については4脚支持歩行，不整地での歩行について最適化手法の有効性を検討する。歩行方向制御についても検討し，胴体6自由度制御における冗長入力の最適化手法の有効性を検討する。
第3の課題“6脚ロボットの脚関節を駆動する一部アクチュエータが故障した場合に胴体6自由度制御を実現する耐故障制御手法の開発”については，第2の課題“胴体6自由度制御における冗長入力の最適化手法の開発”の研究成果をベースに検討を行う予定であるので，現段階では検討する段階には至っていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
第１の課題，“6脚ロボットの胴体6自由度制御手法のアクチュエータのダイナミクス変動に対するロバスト性”については，姿勢制御で重要となる腿部，歩行方向制御に関わる脛部について，それぞれについて順次検討を行い，次に旋回部と脛部の歩行方向制御の組み合わせ，最後に歩行方向制御と姿勢制御の組み合わせた3関節の組み合わせについて検討する。3Dシミュレーションで最初検討し，実験環境が整い次第，実験での検討を行う。
第2の課題，“胴体6自由度制御における冗長入力の最適化手法の開発”では，姿勢制御については4脚支持歩行，不整地での歩行について最適化手法の有効性を検討する。歩行方向制御については最初に腿部リンクについて5脚支持歩行，4脚支持歩行について検討し，次に，旋回部と脛部を組み合わせについて検討する。最後に，胴体6自由度制御における冗長入力の最適化手法の有効性を検討する。第1の課題同様，3Dシミュレーションで最初検討し，実験環境が整い次第，実験での検討を行う。
第3の課題，“6脚ロボットの脚関節を駆動する一部アクチュエータが故障した場合に胴体6自由度制御を実現する耐故障制御手法の開発”については平成31年度に検討する。第2の課題，“胴体6自由度制御における冗長入力の最適化手法の開発”で最適化手法の有効性は検証されているので，この手法をベースに，6脚ロボットの3Dシミュレーション，歩行実験で検討する。
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| Causes of Carryover |
平成29年度に購入希望の外部カメラが予算残額では不足だったため，平成30年度配分額との合算で購入することとしたため
平成30年4月に発注して現在，納入済で研究で使用している。
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