計測自動制御学会東北支部 第 221 回研究集会 (2003.10.11)
資料番号 211-9

ヒューマノイドロボットの手をついた障害物またぎ動作
An Obstacle Overstriding Motion of a Humanoid Robot
with its hands○ 佐藤留介, 那須康雄, 山野光裕, 金子慎一郎, 水戸部和久○Ryusuke SATO, Yasuo NASU, Mitsuhiro YAMANO,

Shin-ichiro KANEKO, Kazuhisa Mitobe
山形大学工学部
Yamagata University
キーワード : ヒューマノイドロボット(Humanoid Robot), またぎ(Overstriding),障害物(Obstacle)
連絡先 : 〒992-0038 米沢市城南 4-3-16 山形大学工学部機械システム工学科
那須研究室 佐藤 留介,
Tel. : (0238) 26-3237, Fax : (0238) 26-3205, E-mail : ts017@dipfr.dip.yz.yamagata-u.ac.jp二足歩行だけで移動できる範囲は限定され

1. はじめにる．例えば，瓦礫や高い障害物，凹凸のある床などは移動が困難である．そのため，その一般に，ロボットというものは主に産業用で場の状況に合わせて，立ち上がり動作，しゃある．ロボットは同じ作業を繰り返し行うというがみ動作，またぎ動作 1），這って移動するな

点で，とても有能な働きをする．しかし近年ロどさまざまな動作が必要となってくる．このよ

ボットは工場の生産現場を出て我々の日常

うに手と脚を同時に用いた協調動作の研究生活環境や家庭に入ろうとしている．そのたはまだまだ不十分であり，現在のロボットで人め，災害救助，家庭，福祉など広く人間の社間の生活空間の中で行動することが困難で会に進出し，活躍できるようにならなければなある．しかし，このような動作が実現可能にならない．そして，このような事を期待されていれば，ロボットの行動範囲が非常に広がるとるロボットが二足二腕を有するヒューマノイド思われる．

ロボットである．

本稿では，まず開発したヒューマノイドロボッ

現在ヒューマノイドロボットの移動手段としてトについて述べ，以下またぎ動作の動作方法盛んに研究が行われているのが，二足歩行について検討する．さらに，考案した動作のである．しかし，日常生活や災害現場などで姿勢が実現可能かどうか検討する．最後に，
1

その動作方法を利用し，今後行う予定の制御方法について述べる．

2. ヒューマノイドロボット（Bonten-MaruⅡ）
本研究で使用するヒューマノイドロボット
Bonten-MaruⅡの概観を Fig.1 に示す．全長
1250 [mm]，全幅 540 [mm]，重量 31．5 [kg]である．構造部はアルミニウム合金を使用し，頭部には CCD カメラを搭載し現在のロボットの位置や周囲の状況を確認できる．足底には圧力センサを設置しZMP を計測する．また今後，両手先に力覚センサを設置する予定で，圧力センサと合わせて制御を行う．
自由度配置は片腕に 3 自由度，片脚に 6 自由度，腰に 1 自由度，首部に2 自由度，全身で 21 自由度を有する．首部は，モータ，ハーモニックドライブ，エンコーダが一体となっているものを使用し駆動している．定格トルクは0.29 [Nm]，定格回転速度 52 [rpm]，減速比80 である．首部以外の各関節はすべて同じDC サーボモータを用い駆動しており，プーリとベルトを介してハーモニックドライブでさらに減速している．この DC サーボモータの最大連続トルクは 107 [mNm] ，無負荷回転数は7220 [rpm]である．ハーモニックドライブは減速比 100 であり，プーリの減速比を含めると各関節の減速比は 333 である．
各関節の角度はエンコーダを用いて計測する．また，コンピュータ，電源，モータドライバは全て外付けであり，ロボットは自身の後ろに取り付けてある線を介して電力および指令を行っている．
システム構成については，ロボット制御用
PC に Linux を搭載し，サンプリング周期を1[ms]で実験を行えるようにカーネルの再構築をしてある．また，モータドライバを速度制御モードとしロボットの各関節を制御している．

ya wroll

Fig.1 ヒューマノイドロボット（Bonteｎ-MaruⅡ）

次に可動範囲について説明する．Table 1，Table 2 に開発したヒューマノイドロボットの可動範囲を示す．ヨーとピッチと首部ロールに関しては左右同じ可動範囲である．腕，脚のロールは左右それぞれの可動範囲を示している．
全身運動を可能にするため，各関節の可動範囲を出来る限り広範囲になるように設計してある．特に両脚が外側や前方に大きく広げられるようになっているため，脚を横や前に大きく移動でき，高さの高い障害物や幅の広い障害物を乗り越えることが可能である．
Table 1 上半身部の関節可動範囲
関節（回転軸） 可 動 範[degree]

首部（ロール）- 90 〜 90（ピッチ）- 90 〜 90（ピッチ）- 180 〜 120（右腕ロール）- 135 〜 30

肩関節囲（左腕ロール）- 30 〜 135

肘関節 （右腕ロール）- 90 〜 90（左腕ロール）- 90 〜 90

腰関節2pi tch（ヨー）- 45 〜 45Table 2 下半身部の関節可動範囲す．そのため，またぎ動作を実現する上で重関節（回転軸） 可 動 範[degree]

囲股関節（ヨー）- 60 〜 90（右脚ロール）- 90 〜 25（左脚ロール）- 25 〜 90

モータの定格トルク以上を必要とした場合，（ピッチ）- 130 〜 45

動作実験中の暴走やモータの破損の可能性

膝関節

（ピッチ）

- 20 〜 150がある．そのため，その姿勢が可能かどうか

足首関節

（ピッチ）

- 90 〜 60をトルク計算する必要がある．

（右脚ロール）- 90 〜 20(c) 転倒評価

（左脚ロール）- 20 〜 90

要な要素と考えられる．
(b) 各関節のモータへの負荷分配
動作中のある姿勢において，使用している動作中の姿勢において支持している点を結ぶ支持多角形内に重心がはいらないと転倒してしまうのであらかじめ重心を計算する必

3. またぎ動作要がある．

本稿で報告するまたぎ動作とは手を使って以上の三つの要素を検討する事により，ま障害物をまたぐ事とする．また，動作手順をたぎ動作の実現が可能になると思われる．そ少なくする事，すばやく移動する事を目的としこで，以下の説明では始めに可動範囲を考て，またぐ途中で障害物の上に一旦足底や慮した動作方法の検討を行い，その後モータ膝をつかない（Fig.2）でまたぐ事としている．そのトルク計算，及び重心位置の計算する．そして，静的安定に動作可能であるような動作して，またぎ動作が実現可能かどうかを検討方法の検討をする．

する．

3.1 可動範囲を考慮した動作方法の検討
またぎ動作を考える時にはじめに考える事は，またぐ時の脚の上げ方である．なぜなら，脚の上げ方が障害物の高さを決定し，動作方法に影響を及ぼすからである．そのため，ロボットの可動範囲を考慮した最適な脚の上げ方を検討し，それに合わせた動作方法を考Fig.2 障害物に脚・膝を接地える必要がある．
またぎ動作を実現するために検討しなければならない事は，主に以下の三つが考えられ3.1.1 脚の上げ方

る．

可動範囲を考慮した脚の上げ方は Fig.3 に示すように三通り考えられる．この中から最も(a) ヒューマノイドロボットの可動範囲高く脚を上げられる方法を計算する．

可動範囲はそのロボットの作業空間を意味(a) 前に上げる

し，腕や脚が移動可能な距離を決定するので，(b) 後ろに上げる

障害物の高さや動作方法に大きく影響を及ぼ(c) 横に上げる
3Table 3 のパラメータを用い，式 (1)，(2)に代入

すると，それぞれの場合の床から足底又は膝までの高さは，(a) 0.528 [m]，(b) 0.427 [m]，(c) 0.54 [m] である．これより，脚を横に上げる方法が一番高く上げられ，障害物を高く設定できる事がわかる．しかし，(c)の姿勢は脚が胴体からかなり離れているため不安定であり，転倒の可能性がある．2 番目に高い(a)は
(a)

(b)

(c)

(c)より安定性のある姿勢だが，膝が前に出でFig.3 脚の上げ方ているため腕と干渉の可能性がある．
以上のことから，動作中の姿勢に応じて転使用するロボットの可動範囲から，それぞれ倒のしないように，重心位置などを考慮し脚の場合の脚が上がる高さを以下の式を用いの上げ方を選ぶ必要がある．

計算する．

3.1.2 動作方法
Z a ? L ? L1*cos(? ? 1 ) ? L2 *sin(?? 1 ? ? 3 ? ? / 2)
Z1 ? Z a *cos(?? 2 )(1)Z 2 ? L1*cos(??1 )(2)

またぎ動作の動作方法は，最初に障害物に対してロボットが立つ位置によって決まる．最初のロボットと障害物の位置関係（
Fig.4）について以下のように考えられる．

ここで，Z 1 は足底から床までの距離，Z 2 は膝(a)障害物を前にして平行に立つから床までの距離，L は足首から股関節まで(b)障害物に対して垂直に立つの長さ， L1 は股関節から膝までの距離，L2 は(c)障害物を背に平行に立つ

膝から足首までの距離，? 1 は股関節ピッチ角度，? 2 は股関節ロール角度，? 3 は膝ピッチ角度である．(a)，(c)で床から一番近い距離にある部分は足底なので式 (1)を使用する．(b) は膝が床面に一番近いので式 (2)を使用する．
(a)から(c)でそれぞれの式に代入するパラメータを Table 3 に示す．
(a)Table 3 脚リンクのパラメータ

(b)

(c)

Fig.4 ロボットと障害物の位置関係

(a)

(b)

(c)

L [m]

0.628

0.628

0.628

ここで，障害物に対して斜めに立つ場合も考L1 [m]

0.27

0.27

0.27

えられるが，これは(b) の場合と同じものとすL2 [m]? 1 [deg]

0.27

0.270.27

る．

-120450次にそれぞれの位置関係について動作方? 2 [deg]

00-90法を検討する．

? 3 [deg]

150150150

4(a) 障害物を前にして平行に立つ

ぐ．ここまでの動作を前半として，後半はこの

この場合考えられる動作手順は，Fig.5 のよ逆の手順で行う．

うにはじめに両手を障害物と接地させ，左手・この動作手順の利点は動作手順の少なくま左脚に重心を移動する．次に右手・右脚を上たぐ事が出来るので簡潔に移動できる．欠点

げて左脚を支点として床に対して垂直方向には脚を前か後ろに上げるため障害物の高さ回転させる．そして，右手を障害物に接地さが低くなる．また，障害物に手を接地させる時せ，右脚は障害物をまたぎ床に接地させる．

点での姿勢が左脚股関節ロールの可動範囲

ここまでの動きを前半の動作とし，後半の動を超えてしまう．従ってこの動作は不可能で作は前半と逆の手順で行い，障害物を乗り越ある．

える．
この動作手順の利点は，脚を横に上げられるので，障害物の高さを高く設定できる．
欠点は障害物を前にして平行に立っているた
め，膝を曲げた時に障害物と衝突しないように，ロボットの初期位置を後ろにしなければならない．そのため，またぐ障害物の幅が狭くな(ⅰ)(ⅲ)ってしまう．

(ⅱ)(ⅳ)
Fig.6 動作手順

(ⅰ)

(ⅲ)
(c) 障害物を背に平行に立つ
この場合の考えられる動作手順は(a)の場合と同じである．違う点は手や脚の上げる向きである．
利点としては障害物を背に平行に立っているため膝を曲げた時の障害物との衝突を考

(ⅱ)

(ⅳ)

慮しなくてすむので，ロボットの初期位置を障Fig.5 動作手順

害物に近づけることができる．そのため，障害物の幅を(a)の場合より大きく設定できる．

(b) 障害物に対して垂直に立つ

また，腰を中心に全身を回転させる事により，この場合に考えられる動作手順は，はじめ脚を前に上げる方法でも高く脚を上げることに腰を曲げながら障害物に両手を接地させる． ができ，障害物を高く設定できる．その結果，次に右脚を前，又は後ろに上げ障害物をまた脚を横に上げる場合より安定した動作が可能
5

となる．

タに負荷のかかると思われる姿勢におけるト

欠点は本研究室で開発したロボットは有線ルクを計算し，その姿勢が可能かどうか検証のため，手先とロボットの背中に設置してあるする．

線との接触が起こる可能性があり，手先を障

最もモータに負荷のかかると思われる姿勢

害物に接地させる位置に制約ができる．

は両腕のみで全身を支えているような姿勢の時であり，この時のモデルを Fig.9 に示す．この時，条件を以下に示す．
(a) 両腕のみで全身を支える(b) 左右均等に負荷がかかっている(c) 手先と肩の位置は鉛直線上にあり肘の(ⅰ)(ⅲ)

みに負荷がかかる
Right F

FLeft

肩肘L(ⅱ)(ⅳ)

r

Fig.7 動作手順

Fig.9 腕の姿勢
以下の式を用い自重によるトルク? の計算を行う．

? ? rF(3)

ここで r は肘から肩までの水平方向の距離，F は全体重の半分の重さを表す．
今，肩から手先までの距離 L を0.216 [m]とFig.8 股関節ロール軸回りに回転設定すると，その時の肩から肘までの水平方向の距離 r は 0.17 [m]である．また，条件(a)以上三通りの動作手順を検討した結果，障害(b)より片腕にかかっている荷重は 31.5 [kg] /物を高く設定でき安定性した動作が実現可能

2 = 15.75 [kg] = 154.35 [N]である．従って，そな(c)の動作手順が最適と思われる．

れぞれの値を式 (3)に代入すると 25.2 [Nm]となる．また，ヒューマノイドロボットに使用している DC サーボモータは maxon motor 製で，最大連続トルクは 107 [mNm]である．モータ

4. トルク計算

から関節軸には歯数 60 と歯数 18 のプーリと減速比 100 のハーモニックドライブを介して関3.1.2 で決めた動作手順において，最もモー節が動くので，関節で発生できるトルクは 35.66

[Nm]である．

える．

以上より，Fig.9 のような両腕のみで全身を支える姿勢が可能であることがわかる．

(a) 支持多角形が面の場合(b) 支持多角形が線の場合
本研究室で使用しているヒューマノイドロボ

5. 転倒評価

ットはハンドが無く，障害物と手先は点で接触する．そのため，両腕のみで全身を支える時検討した動作方法でロボットが転倒するかには(b) のように支持多角形が線になる．動

どうかを計算する必要がある．計算方法とし作中のその他の姿勢は(a)である．ては，使用するヒューマノイドロボットをモデル(a)の場合，重心がその支持多角形内に入化し，サジタル面(XZ 平面)・ラテラル面(YZ 平っていれば静的に安定であるが，各関節が目面)におけるそれぞれの重心位置 (x, y) を計

標角度に追従していない時や外乱からの力算する．そして，その位置が各姿勢におけるを受けたときは，転倒の可能性がある．その支持多角形内に入っているかを確認する．そため，ZMP 制御を行う．ここで ZMP とは床反のため，脚・腕のそれぞれについて逆運動学力中心点のことである．そして，この ZMP をを解き，各関節の角度を求めてから計算する

制御する事により上体のバランスを保ち安定必要がある．従って，ここでは省略する．

した動作が可能になると思われる．
(b)の場合，両腕が点接触で全身を支えているため非常に不安定である．そのため，この姿勢を倒立振子モデルに見立て，上体のバ6. 制御法の検討

ランスを保つ制御をする予定である．

ここでは，上述した動作が実際のロボットで動作可能であると仮定し，今後行う予定の制

7. おわりに御法について述べる．
今回検討した動作方法は静的安定に行わせる事を目的としているため，動作中に両腕

本稿ではヒューマノイドロボットのまたぎ動のみで全身を支える事がないように障害物の作が可能かどうか検討した．今後は，この動高さを設定し，実験を行わせる予定である．し作について実際にロボットを使い動作実験をかし，制御をする事により，動作中に両脚が行う予定である．

浮き，両腕のみで全身を支えるような高い障害物を移動する事が可能である．従って，このような場合の制御法について検討する．

参考文献

制御法については動作中におけるその時々[1] 矢木 利幸のロボットの支持点の組み合わせより変更す

発およびほふく運動に関する研究 2002年度

る．動 作中に考えられる支持点の組み合わ

修士論文

せは何通りかあるが，大きく二つに分けて考7

ヒューマノイドロボットの開