2015 Fiscal Year Annual Research Report
ヒューマノイドの動的全身運動のためのＱｏＭ解析と動作生成制御機構の研究
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15J08863
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小島 邦生 東京大学, 情報学環・学際情報学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | ヒューマノイドロボット / 全身動作動力学制御 / 機械設計・製作 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒューマノイドによって歩行や走行といった動作だけでなくダンスのように「感性価値」として表現力のある動作を実現するために,ハードウェアと制御の双方からのアプローチにより多様な環境接触の実現と,動力学制御メカニズムと動作表現理論の統合を行っている.
まず，制御面ではヒューマノイドの摺足動作制御を実現したことにより,歩行や走行といった足裏と地面が静止接触を保つ動作だけでなく,ロボットと環境が複雑且つ多様に接触する状態も制御できるようになった.従来の制御ではロボットが環境と静的な接触を保つことを仮定したモデルで制御が行われていたが,環境との動的な接触を考慮できるようなモデルを用いることで摺足動作などの滑り接触を実現できるようになった.これによりヒューマノイドが幅広い動作パターンを行えるようになり,表現力のある動作のみならず様々な全身動作を実現できるようになると考えられる.
また,ハードウェアではダンスの様なダイナミックな全身動作を行える等身大ヒューマノイドのプロトタイプを設計・製作した.当研究室でこれまで開発されてきた大出力モータ駆動システムを用いることで,これまでのヒューマノイドロボットと比較しても高速且つ大出力に全身を動かすことができる.既に歩行や走行,マニピュレーション,物体搬送など一般的な動作が行えることを実験により検証しており,これからダンスの様なよりダイナミックで複雑な全身動作を行う予定である.
ヒューマノイドロボットの分野はハードウェア・制御ともにまだまだ未発達な部分があり未だ実現できていない様なダイナミックな全身動作を行うためにはハードウェアと制御の双方から開発を進めていくことが重要であり本研究の研究成果はそのような観点で非常に有用であると考えられる.
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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
当初の研究計画では,平成27年度に全身動作制御のヒューマノイドのプロトタイプのうち脚部と体幹部を製作する予定だったが,腕部と外装も完成することができた.また,製作したプロトタイプのロボットが一般的なタスクをこなせることも基本的な実験を通して確認しており高い動作性能も保証されている.その成果は査読付き国際学会Humanoids2015にて発表し2つの賞のFinalistに選ばれた.また,様々な動作実験の結果,小型・軽量化と関節の剛性・バックドライバビリティ(減速機の出力軸からトルクを負荷した場合の入力軸の回転しやすさ)が必要であるという次なる課題も把握されている.無論,それらの課題に対する解決案も考案されている.小型・軽量化については新たなモータ駆動回路の設計を終え試験運用によりその性能を検証している段階である.関節の剛性とバックドライバビリティについては従来の減速機とは異なる減速機構を考案し,現在はその試験機の製作中である.
一方,制御面での進捗は残念ながら当初の計画よりは若干遅れている.計画では現段階で,様々な全身動作を実現できている予定であり,今年度からダンス動作等の表現特徴量を扱うヒューマノイド全身動作生成器の構築を始める予定であった.しかし,全身動作の表現力の考慮を問わずヒューマノイドのダイナミックな全身動作制御が未だ完全とは言えず,跳躍動作などの制御は今後取り組む予定である.また,これらの制御課題は小型化・軽量化と関節の剛性・バックドライバビリティの向上というハードウェアの課題とも関連するものである.
よって研究計画としては当初とずれているが,研究段階としては制御とハードウェアのフェーズが揃っていると考えている.
このようにハードウェアと制御の両局面から総合的に判断すると概ね順調に進んでいると判断している.
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| Strategy for Future Research Activity |
前述したとおり今後はまずハードウェアではロボットの全身の小型化・軽量化と関節剛性・バックドライバビリティの向上という2つの課題に取り組む.
前者についてはモータ駆動回路を小型化することとモータ水冷システムを軽量化することで実現を目指す.小型化したモータ駆動回路は既に試験運用段階である.モータ水冷システムの小型化については従来の強制水冷システムのように温度差による冷却ではなく,気化熱による冷却を行うことで小型でも高効率な水冷システムを実現する予定である.
後者の関節剛性とバックドライバビリティの向上についてはヒューマノイドロボットに最適な新たな減速機を開発することで実現を図る.これまで電気制御・軸駆動のヒューマノイドの関節ではハーモニック・ドライブという減速機を用いるのが一般的であった.しかし,これらは産業用ロボットのように関節角度を制御する際には適しているが,関節トルクを制御したい場合にはバックドライバビリティが低いという問題があった.そこでハーモニック・ドライブよりも摩擦損失の小さな減速機を開発することで高バックドライバビリティの実現を目指す.
制御面では跳躍などの動作を実現できるようにこれまで開発してきた環境との多様な接触状態を取り扱える制御を拡張する.開発してきた制御で用いる動力学モデルは滑りといった複雑な接触状態を取り扱うことができるので,当然ながら跳躍のような非接触も理論的に扱うことができる.ただし,実際に等身大のヒューマノイドロボットで跳躍のようなダイナミックな動作を実行する場合,制御に対するアクチュエータの応答性が求められる.現状のモータ駆動システムでも十分な応答性が確保できると仕様上の見積りが出されており,今後開発を続けることでダイナミックな動作も実現可能であると考えられる.
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Research Products
(3 results)
