計甜自動制御学会東北支部第161回研究集金（1996且王朝

資料番号161−12

脚車輪型移動ロボットの不整地適応自己計画システム
一大きな段差移動のための軌道計画−

Self−PlanningSystemofLeg−WheelRobot fbrRoughTerrain−PathPlanning丘Ir GettingoveraHigh S七ep−○坂下琢札大久保宏樹，高橋隆行，戴宇傑，中野栄二
OTakun0riSakaBhita，HirokiOok11bo，Takay11kiTakahashi，Ⅵ1−JieDai，EijiNakano
東北大学

Tohok11University
キーワード：脚草幹分離型ロボッ†（Le計Wh恍1Robot），不整地（RonghTbrrain），コンプライアンス（Comptiance），自己計画（SelLPlmTlingSystem），段差乗り越え動作（MotionofGettingoveraStep）
連絡先：〒別虻ト77 仙台市青葉区荒巻字青葉東北大学大学院情報科学研究科中野研究室（青葉山キャンパス機械系）坂下蕃札Tel．：（022）217−7025，Fax■＝（022）217−7023，駐mail：8濾a由ta触血oti⊂8・iB・七oh⊃kn・aC・jp

しかし，上記の方法では脚車輪塑ロボットの移

1． はじめに動軌跡があらかじめ与えられていて，コンプライ

近年ロボットは，製造業分野をはじめ，さまぎアンスー定としているため，大きな障書物の凹凸

まな分野で研究が行われ，それぞれの移動方式のを吸収することはできない．

長所を生かしたロボットが開発されている1）一叫

そこで，上記の方法で進行中に大きな障害軌こ林業，建設業などの分野でも，ロボットの開発が行遭遇したとき，これを踏破するための手法として操われており，それらの分野では，未知の不整地を移縦者が指令を与えることによってこれを実現する動できることが必須である．

方法を提案する．このような操縦者が移動ロボッ

筆者らは，林地などの未知の不整地を対象とし，トを直接指示する制御方法は移動中の障害物回避

脚と車幹の両機構の利点を生かした脚車輪分離型や移動，実際の作業時に必要になる．そして，操縦ロボットを捷案し，その研究開発を行ってきた．こ型の移動は6脚移動ロボット4脚移動ロボットでれまで，未知の不整地を路面のモデルなしで移動試みられているが2）−14），脚車輪型移動ロボットすることを実現し，脚車輪分離型ロボットの不整では見られない．

地への高い適応性を示した8）−11）．そこで捷案さ本報告では，移動中の障害物として大きな段差れた方法では脚先に一定のコンプライアンスを生を考える．操縦方法は，ケースによるが，できるだ

成L，このコンプライアンスと早島のパッシブサ

け簡単な指示となる方が望ましいので，今回は，1スペンションにより路面の凹凸を吸収している．

脚を操縦する方法を用いる．したがって，脚車輪−1−

3．段差乗り越え動作のアルゴリズム

塑ロボットにおいて、操縦者が1脚を操縦することを前提として，大きな段差を移動するためのア今回，対象とする左右の段差の高さは等Lいとルゴリズムを提案する．脚車輪塑ロボットが大き仮定する．操縦者が前1脚を操縦L，接地点を決な段差を移動するためには，各脚の接地点とコン定した後の段差乗り越え動作のアルゴリズムはロ

プライアンス，胴体の姿勢を決定しなければならボットが次のような動作（図2）を逐次遂行するもない．本アルゴリズムでは，のである．

●各脚の接地点とコンプライアンスとについ
1）挽壮者により操縦された前脚の位置から段ては自重をできるだけ車垢で支えるために，差高さを認識する．

車輪の鉛直方向の民力・

2）残りの前脚の接地点を決定する．

●胴体の姿勢についてはアクチュエータの出力の分散化，消費エネルギーの最小化をはかる

3〕胴体を車幹が障書物に接触するまで移動すために，トルクの2乗和る．

を評価指標として決定する．

4〕自重をできるだけ車希で負担するために，車島の鉛直方向の圧力を評価指榛として，後脚2．脚車輪型ロボットの構造の接地点，前後脚のコンプライアンスを決定
本報告で対象とする脚車輪型ロボット（Chariotする．

II）を囲1に示す．胴体の左右に半径30cmの車輪を5）4．の方法では胴体の姿勢を決定できない．そ平行に配置し，前後に4本の脚を持っている．各脚は，3自由度の回転関節を持つ．車輪軸部には，こで，アクチュエーターの出力の分散化消パッシブサスペンションであるばね機構が取り付費エネルギーの最小化を図るために，トルクけられている．脚草脊型ロボットはコンプライアの2乗和を評価指標として胴体の姿勢を決定

ンスによってある程度の路面の外乱を吸収し，脚する．と車垢を同期させて移動する．

6）自重をできるだけ草籍で負担するために，車篇が障害物と常に接触するようにして胴体が段差を乗り越える．

7）脚車輪塑ロボットが平坦地直進歩容を行う
ときには対称歩容が最も静的に安定となる．
したがって，胴体が障書物を乗り越えた観相称歩容が番えるように各脚の接地点を変更する．

郎対称歩容を行う．

P血■ r山馳dYiew

図1脚車輪塑ロボットの構造一2一このような仮定に上り，車輪の鉛直方向の圧力は5つのパラメータにより決定されることになる．

I−●・ ′

そのパラメータは脚のⅩ，y方向のコンプライアン
ス，前脚のz方向のコンプライアンス，後脚の右方向■lのコンプライアンス，後脚のⅩ方向の接地点，後脚のy方向の接地点である．検討を重ねた結果，脚の→工⊆迩

x，y方向のコンプライアンスと複勝のy方向の接地点とが車輪の鉛直方向の圧力に及ほす影響は小させいので，これらを固定して考察する．したがって，パラメータは前脚の五万向のコンプライアンス，律J∈担・土塁ゴ

脚のE方向のコンプライアンス，復脚のⅩ方向の接地点の3つとなる．

■

3．2 胴体の姿勢の決定∠至逆・広重アクチュエーターの出力の分散化消費エネル

ギーの最小化を図るためトルクの2乗和が最小となるように胴体のロール角，ピッチ角を決定する．左囲2 段差乗り地え動作

右の段差の高さは等しいと仮定しているためロー

3．1確別の接地点，前後脚のコンプライア

ル角はゼロとなる．

ンスの決定

4． シミュレーション結果

自重をできるだけ車輪で負担するために，革命4．1後脚の接地点，前後脚のコンプライアの鉛直方向の圧力が最大となるように後脚の接地ンスの決定

点，前後脚のコンプライアンスを決定する．後脚の接地点は後2脚それぞれが昭平面内から選択す

車載の鉛直方向の圧力は段差登り始めの状態るので，4つのパラメータとなる・また，前後脚のが最小となるので，このときについて検討する．車コンプライアンスは4脚それぞれにⅩ，y，買方向の輪の鉛直方向の圧力をFⅧZ，前脚のコンプライアコンプライアンスがあるので，12佃のパラメータンスの逆数を旦匝，後脚のコンプライアンスの逆となる．原則的には，合わせて16個のパラメータ数を垢l封後脚の接地点を恥上とする．

を選択することができる範囲内全てについて調べ

段差高さが20cmのときの∬仲，∬肋Fwヱのなければならないが，間麗を単純化するために次関係，現一，耳匝十内川の開凰瑚，∬地，アぴgののような仮定を置くことにする．

関係をそれぞれ図3〜8に示す．
これらの固よりコンプライアンスと接地点が1）左右脚五万向のコンプライアンスは等しい・変化するにつれて，次のような現象が順次生じる

2）各脚のⅩ方向，y方向のコンプライアンスは等ことがわかる．

しい．

1）車垢が滑べる．
3）各脚は左右対称の位置に着く▼2〕前脚が滑べる．

−3−3）前後脚が滑ペる・‡‡車輪湧竹ぺる領域

州m仰が滑ぺる輌

また，囲6，8より，裸脚を胴体中心から遠くに前後脚が滑べる領鶴つくほど∫厄ほは大きくなることがわかる．した

耳■r脚叫

750

がって，後脚の接地点については段差乗り抱え動作の可動範囲内で，胴体中心からできるだけ遠くにとる．前後脚のコンプライアンスについては囲
3の前後脚，車輪とも滑べらない範囲または脚が滑ぺらない範囲から選択する．

＝車齢伸べる軸……l前脚汁ぺる掴［コ前後脚が滑べる領域

∬仙作釘叫
750

囲5和右耳仲を変えたときのロボットの状態

之50

508

囲6 和己，均一苫，凡才の関係‰√柏／両囲3 軸封耳fbを変えたときのロボットの状態：車■が汁べる顔斌

前脚が情ぺる領域
前後＃が汁ぺる鶴城凡イ嘲

片山伴g／叫丁50

図4 ∬仲，耳抽j㌦ヱの関係

図7 ユ：砧∬兢を変えたときのロボットの状態

欄4一図8 ェ仙肯ん上之，凡ほの関係

4．2 胴体の姿勢の決定

国11αと打を最小とするβとの関係

車輪の接地角αを国9に示すようにとる．段差

高さ20cmlα＝19．5，43．0，66．5，90．0（d印〕のとき4．3 実験結果
段差高さが20cmのときの実験を行った・勒ヱ＝の胴体のピッチ角βとトルクの二乗和打との関係
を国10に示す．αとそのとき打を最小とするβと500〔たぎ／m），垢王ヱ＝700（桓／m），恥王＝−0．4（m〕の関係を国11に示す．としたときの実験緯果を囲12にっ∬J上之＝500（たg／m），Lたがって，段差を登り上がるにつれで，匡【11の∬兢＝100（たg／m），和宣＝−0．4（m）とLたときのように胴体のピッチ角を連続的に変化させること

それを図13に示す．園12から段差登り上がりに成により，トルクの二乗和は最小になる．

功Lていることがわかる．また，固13から段差登り上がりに失敗し，脚が滑べっていることがわかる．この結果はシミュレーション結果と一致する．

U†上膚∫mll

旧 −48 ・20 0 28 ▲0 80
β†J付

回10 β，Uの関係

図12 年拉＝500（桓／m），∬九iヱ＝700（桓／m），恥上＝−0・4（m）のときの実験結果〔段差高さ20cm）−5−5）木村，中野，野中：脚車輪型ロボットの開発および脚と車輪の協調動作，日本ロボット学会誌，10ヰ
111／116〔1992）

6）直観中野：移動ロボットにおける車輪の大きさと受動的対地適応牡帯3匝】ロボットシンポジウ
ム予稿集，67／72（1993）

7）E・Nahno，S・Naga5aka：Leg−WheelRobot：A
FuturisticMobilePlatformfbrForestryIndus−
try，ProceedingofIEEEInternationalWorkshop
OnAdvancedRobotics，109／112（1993）

郎中軌 軌 他2名：不整地環境における脚車輪分
離型ロボットの移動方式とシミュレーション，第5回ロボットシンポジウム予稿集，35／40（1995）

9〕敷 地3名：不整地における脚車籠分離型ロボッ
トの移動方式と制札ロボテイクス・メカトロニ
クス講演会 95講演論文集，A，243／246（1995）
10〕Yu−JieDai，etalL‥MotionContro］ofLeg−Wheel

RobotforBLnUnexploredRoughTerrainEnvi−ronment，ProceedingsofSeventhInternational
ConfereIICeOnAdvancedRoboticsICAR，95，2，911／916（1995）

回13 jr拉＝500（軸ノm），軋一之＝100（桓／打l），11）Yu−JieDai，etal．：CooperationalMotionCon−

恥〜＝−0．4（m）のときの実験結果（段差高さ20cm）

trolofLegrWheelRobotfor孔nUnexploredRollgh
TerrainEnvironment，ProceedingsoftheInter−5． おわりに

nationalSymposium on Microsystems，Intelli−gentMaterialsa皿dRobots，592／595（1995）

脚車輸型ロボットにおいて、操縦者が1脚を操ためのアルゴリズムを提案した．車輪の鉛直方向

12）D・E・Orin＝SuperCoIltrOlofaMultileggedRobot，
TheInternationalJournalofRoboticsResearch，
1−1，79／91（Spring1982）の反力を評価指槙とLて，操脚の接地見前後脚の13）K．K．HartikAinen，A．J．Halme，H．Lehinenand

縦することを前提として，大きな段差を移動する

KO・Koskinen：ControlandSoftwareofaHyr

コンプライアンスを決定することができた．トル

drautic SixrLegged MaL：hineDesigned for Lo−

COmO七ioninNaturalEnvironment．Intcrnatinal
ConferenceonIntelligentRobotsandSystems，

クの2乗和を評価指標として，胴体の姿勢を決定することができた．実験を行い，シミュレーション

IROS，ト10】590／596（1992）と同様の現象が見られることを確認Lた．

14）川瀬，他5名‥ 4脚移動ロボットの操縦型歩行制
札第四回ロボットシンポジウム予稿集，203／209

参考文献（1994）

1）大乱井辺：脚車結盟移動装置の開軋日本ロボット学会誌，2−3，68／75〔19叫15）中村，′」、谷内，安達：歩行ロボットのシミュレーションの評価技術，横瀬技術研究所所軌46−2，196／211（1992）

2）広軌竹内：新しい脚一軍島ハイブリッド移動体の提案，第12回日本ロボット学会学術講演会予稿集，1197／1198〔1994）

3）安息他4名‥脚とタローラを用いたハイブリッ
ド移動桟構の試作，帯10回日本ロボット学会学術講演会予稿集，115／118（1992）

4）中野，木村，野中：脚車輪分離型ロボットの開発および事韓走行時の胴体揺動抑軋日本機植学会論文集（C楳），58−551，2138／2143（1992）

ー6−