2019 Fiscal Year Annual Research Report
Autonomous Gait Control for a Free-Climbing Robot in Consideration of the Terrain Information and the Gripping Mechanics
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19J20685
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
宇野 健太朗 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | クライミングロボティクス / 脚型ロボット / 鉤爪型グリッパ / 把持力 / 自律移動ロボット / SLAM / 最適化制御 / 惑星探査ロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，フリークライミングロボットの自律移動のために必要な要素技術の開発を進めてきた．鉤爪型グリッパに適した地形凸部点をロボットのしがみ付きの候補点とした「把持候補点」の検出アルゴリズムを開発し，実際に凹凸地形を三次元深度センサで撮像した点群データを入力として，適切に把持候補点を抽出可能であることを示した．また，こうしたロボットの知覚技術だけでなく，任意の設計パラメータでロボットをモデル化し，ロボットのクライミング移動時の動力学的挙動を解析するためのシミュレーション・プラットフォームの開発にも着手することができた．
また，鉤爪型グリッパの引き剥がし試験を，引き剥がし方向をより細かく変更して行い，結果を解析することで，鉤爪型グリッパの把持性能はすべての鉤爪が十分な引っ掛かりを得ている理想状態では，グリッパの保持力を向上するためには，グリッパ手首部の柔軟性と鉤爪本数の増加が特に有効であることを実験的に確認した．
さらに，フリークライミングロボットの登攀実験を行うためのテストフィールドを完成させた．本テストフィールドは任意の角度に傾斜を設定でき，岩石質の凹凸地形を模擬するためのクライミングホールドを任意の配置で固定できる．また，地上以外の重力環境を再現するためのジンバル機構および重力補償装置が組み込まれている．さらに，ロボットの移動に伴い，補償重力の作用点を追尾させるトラッキングシステムを有している．動作試験を通して，本システムが想定されるロボットの運動を追尾するのに十分であること示した．
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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
本年度は把持候補点検出アルゴリズムの開発を行い，同手法の有効性を示した．またロボット実機実験に必須であるクライミング実験フィールドも完成させることができた．加えて，フリークライミングロボットのテストベッドとシミュレーション・プラットフォームの開発にも着手でき，これらの開発目途も立った．以上の理由から，本研究はおおむね順調に進展していると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の成果として，グリッパ引き剥がし試験を通して，鉤爪型グリッパの把持性能をさらに向上させる設計改良方針を得ることができた一方で，鉤爪型グリッパの把持特性は，爪先が地形表面の細かな凹凸にきちんと引っ掛かっているかどうか，その地形表面に破壊が無いかどうか，というような極めて不確定性の強い力学現象に依存していることが実験的に明らかになってきた．本研究では，グリッパの把持性能を向上させるもう一つの方策として，鉤爪型グリッパのハードウェアを変更するのではなく，対象の掴み方（掴む角度・押し付け方）などを最適にすることで把持能力を最適化することを狙い，これに向けたアプローチとして把持力学モデルを非軸対称物体・一般形状物体へと拡張することを計画していたが，力学的不確定性の強い現象をモデル化することは困難と判断し，次年度以降は把持力学理論構築というアプローチを転換して，センサを用いて把持状態を推定し，不十分・不適切な把持状態の時には対象を掴みなおすような「手探り動作」を行うことで結果として安全なクライミング移動に十分な把持が行えるロボットシステムを作り上げる．センサ内蔵センサとしては，触覚や振動，視覚センサなどを検討する．
また，次年度中に本研究で用いるロボットテストベッドを下記の設計指針をもとに完成させる．地形センシングのための3次元センサおよびオンボード制御のためのCPUを搭載したうえでシステム全体重量を数kg以内に抑える．グリッパは柔軟性を改良し鉤爪本数を可能な限り増やす．また脚機構については第2リンクの長さを延長することで脚先の可動範囲を拡大する．
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