| 研究課題/領域番号 |
17H00767
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
高西 淳夫 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50179462)
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| 研究分担者 |
石井 裕之 早稲田大学, 理工学術院, 准教授(任期付) (10398927)
橋本 健二 早稲田大学, 高等研究所, 准教授(任期付) (10449340)
大谷 拓也 早稲田大学, 理工学術院, 助手 (70777987)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ロボティクス / ヒューマノイド / 冗長自由度 / 関節剛性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，全身協調による瞬発的な高出力運動生成法の確立，全関節に搭載可能な弾性要素を含む小型高出力関節機構の開発，弾性要素を含めたヒューマノイド自由度構成決定手法の創出の３要素を推進する．
初年度はまず，高出力運動生成法として，ロボット全身を考慮した逆動力学運動方程式を用い，各関節の発揮トルクを最適化する手法を検討した．加えて，アクチュエータのみでは発揮できない大出力が必要となった場合において，各関節の弾性体に弾性エネルギーを蓄積し，その後大出力を発揮するという一連の運動生成法を開発した．開発した運動生成法の有効性を検証するため，動力学シミュレータ上にシンプルな３関節モデルを構築し，弾性を利用した高出力発揮が可能となることを確認した．
また，弾性を利用した高出力発揮が可能なヒューマノイドの開発に向けて，小型高出力関節機構を開発した．全体の構造は，能動アクチュエータと，弾性値を任意に変更可能な弾性要素を直列に接続する．弾性要素については，材料として金属材料に比べ軽量・高強度を実現できる炭素繊維強化プラスチックCFRPを用い，高強度・広弾性範囲を実現する重ね台形板ばねを開発し，弾性体の固定部を関節駆動用とは異なる別のアクチュエータにより移動することで弾性値変更を行う構造とした．開発した関節機構は，大学所有の荷重試験機を用いて弾性変位と負荷を計測し評価を行い，人間と同等の高出力・広弾性範囲を実現可能であることを確認した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
初年度は，推進する三要素それぞれについて，おおむね順調に進展させることができた．
まず高出力運動生成法として，ロボット全身を考慮した逆動力学運動方程式を用い，各関節の弾性体に弾性エネルギーを蓄積し，その後大出力を発揮するという一連の運動生成法を開発した．これにより，アクチュエータのみでは発揮できない大出力が必要となった場合において，複数関節の弾性要素を活用した高出力運動が可能となる．開発した運動生成法の有効性を検証するため，動力学シミュレータ上にシンプルな２関節モデルを構築し，弾性を利用した高出力発揮が可能となることを確認した．さらに，ヒューマノイドの脚を想定した３関節モデルを用い，弾性を活用した跳躍運動生成の検証を行った．
また，弾性を利用した高出力発揮が可能なヒューマノイドの開発に向けて，小型高出力関節機構を開発した．全体の構造は，能動アクチュエータと，弾性値を任意に変更可能な弾性要素を直列に接続する．弾性要素については，材料として金属材料に比べ軽量・高強度を実現できる炭素繊維強化プラスチックCFRPを用い，高強度・広弾性範囲を実現する重ね台形板ばねを開発し，弾性体の固定部を関節駆動用とは異なる別のアクチュエータにより移動することで弾性値変更を行う構造とした．開発した関節機構は，大学所有の荷重試験機を用いて弾性変位と負荷を計測し評価を行い，人間と同等の高出力・広弾性範囲を実現可能であることを確認した．ただし，開発した機構は高重量でも高出力発揮が必要な脚などには搭載可能であるが，その他の部位に搭載するにはサイズが大きくかつ高重量であるため，改良を進める．
ヒューマノイド自由度構成決定については，上記運動生成法を用いて様々なタスクを想定して検討を進めており，決定ができ次第，全身ヒューマノイドの製作を開始する．
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| 今後の研究の推進方策 |
２年目となる本年度はまず，高出力運動生成法として，アクチュエータのみでは発揮できない大出力が必要となった場合において，各関節の弾性体に弾性エネルギーを蓄積し，その後大出力を発揮するという一連の運動生成法を開発する．より複雑な多自由度モデルにて有効性の検証を進めるため，３関節から成る脚と胴体を持つ片脚ロボットモデルを作成し，エンドエフェクタからの瞬発的な大きな力の発揮を検証する．提案手法により関節必要トルクが分配されていることや，関節弾性を協調的に用いることによるアクチュエータ消費電力の低減などを確認する．
さらに，上記運動生成法を用いてヒューマノイド自由度構成決定手法を創出し，製作するヒューマノイドの構成を決定する．高出力が必要とされるタスクにおいて負荷を様々に変化させ，前述の高出力運動生成法によって冗長な自由度を既存のものよりも多く有するヒューマノイドの全身の各関節のアクチュエータ出力，関節弾性値の調整範囲を評価し最適化することで，ヒューマノイドがタスクを遂行する際の各関節の寄与度を明らかにする．
また，弾性を利用した高出力発揮が可能なヒューマノイドの開発に向けて，高負荷時にも弾性変更ができ，サイズ・重量・出力・弾性範囲のどの点においても全身の関節すべてに導入可能である小型高出力関節機構を開発する．昨年度までに出力・弾性範囲については広い仕様を満たすことが出来る関節機構を製作したが，重量についてまだ要求を満たせていないため構造部材の軽量化を施す．また，実際のヒューマノイドに搭載することを想定して，３関節から成る脚と胴体を持つ片脚ロボットを開発し，小型高出力関節機構を用いた瞬発的な大きな力の発揮を検証する．有効性が確認できれば，全身の製作を進める．
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