計測自動制御学会東北支部 第 206 回研究集会 (2002.12.10)
資料番号 206-5

ヒューマノイドロボット才華4 の設計
Design of the Humanoid Robot Saika-4○白田聡 ∗ ，近野敦 ∗ ，内山勝 ∗○ Satoru Shirata∗ , Atsushi Konno∗ , Masaru Uchiyama∗*東北大学*Tohoku University
キーワード : ヒューマノイドロボット (Humanoid Robot)，機械設計 (Mechanical Design)，重力補償機構(Gravity Compensation Mechanism),

連絡先 : 〒 980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 01 東北大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻 内山研究室
白田

1.

聡，Tel.: (022)217-6973， Fax: (022)217-6971， E-mail: shirata@space.mech.tohoku.ac.jp

はじめに等が外部に置かれている場合，ロボット自体の動作が制限されることになる

近年，ヒューマノイドロボットの研究開発が盛んに行われている．これは，ロボットに関係する• 安価であること：ヒューマノイドロボットが技術が発達した事とともに，高齢化社会における普及するには，その価格が最低でも 300 万以

対人サービスや原子炉内部など人間が近づけない下であることが必要ではないかと考える

場所での作業，人間と協調・共存するロボットを願う社会的ニーズなどが要因と考えられる．

これらの条件は，ヒューマノイドロボットの研究用プラットフォームに望まれる条件とも一致す

ヒューマノイドロボットを，様々な作業を人間にると考えられる．

代わって実現できるロボットとしてみる場合，以下の点が重要だと考える．

これまで，多くのヒューマノイドロボットが実用化されてきた．日本国内だけでも，ホンダのP2，• できるだけ人間に近いサイズ・形態・自由度

P3，ASIMO，東京大学のH6 3) ，H7，産総研のHRP–であること：人間のために整備されているイ

2P 4) ，青山学院大学の Mk.5，SONY の SDR–3X，ンフラストラクチャーをそのまま利用でき，SDR–4X 5) ，富士通オートメーションのHOAP–1，また機能や動作が直感的に分かりやすい

早稲田大学のWABIAN R–IV等がある．しかし，そ• 軽量であること：人間一人で取り扱うのに困の多くが上記の条件を満たしていない．小型のも難を伴うロボットでは，人間と共存するうえのは軽量であるが，片腕の自由度が 5 ないし 4 で，サイズが小さいこともあり，人間に代わって作業で危険が大きい• 自立型であること：バッテリやコンピュータを行うには不十分である．また，大型のものは片–1–

腕当り 7 自由度持ち，人間と同程度の作業性を有53 [kg] となる．

するが，60 [kg] を超えるものが多く，人間と共存小型・軽量なヒューマノイドロボットとして開発された才華3 だが，小型化を推し進めた結果，逆していく上ではまだ重い思われる．
そこで，筆者らは，すべての条件を満たすため，に，整備性が悪くなってしまった，胴体内部の機才華 3?, 2, 1) を開発した．そして現在，才華 3 を元器の配置が悪いため，重心の前後位置が脚の上ににその後継機である才華 4 を開発中である．本稿

無く，脚部アクチュエータのトルクを有効に使え

では，開発中のヒューマノイドロボット才華 4 につていないといった問題点が生じてしまった．

いて報告する．

3.
2.

才華 3 の特徴と問題点

才華 4 の設計要求

才華 4 では才華 3 の特徴を維持しつつ，さらに以才華 3 は，高い柔軟性と汎用性を持ち，人間に下のような改善を行う．

近いサイズで軽量かつ自立行動が可能なヒューマ• 軽量化を図り，全重量は 40 [kg] 程度とする

ノイドロボットとして開発された．人間一人で扱えるよう，全重量 53 [kg]，全高 1271 [mm] としてお• サイズを維持しつつ，整備性を向上させる

り，これにより，ロボットに対する人の恐怖心を• 胴体内部の機器を適切に配置することで，重抑えられ，また安全性が高められている．軽量で心が脚の上にくるようにするあり入手性や加工性が良いことから構造材には主にアルミニウム合金を使用しており，モータ等に• 脚部に重力補償機構を導入することにより，は，入手性，価格，整備性などを考え市販の部品アクチュエータの出力を有効に使えるようにを使用している．自由度構成は，頭部 2 自由度，腕する部各 7 自由度，ハンド各 1 自由度，脚部各 6 自由度，の合計 30 自由度であり，人間と同程度の作業性を4.

有する．

脚部の設計

才華 3 では関節部分の部品をなるべく同じもの

胴体部にはバッテリやコンピュータ，モータドライバ，6 軸ジャイロセンサ，ビデオ送信機，フィールド多重化回路，バッテリ，DC/DC 変換器，無線LAN と，自立行動に必要と思われる機材がすべて搭載されている．無線 LAN を搭載しているため，外部から遠隔操作が可能である．また，外部電源接続端子を有し，外部電源による駆動も可能である．頭部のCCD カメラから得られる画像はビデオ送信機で送信され，遠隔地の TV でモニタできる．
才華 3 の重量配分は，胴体（バッテリを除く）が18.5 [kg]，片脚が 7.7 [kg]，片腕が 3.0 [kg]，頭部が1.0 [kg] である．バッテリには 2 [kg] の鉛蓄電池を 2個 1 組として最大で 3 組（6 個）使用でき，全重量がを使うようにして，整備性の向上とコストの削減を図った．特に，足首関節と股関節に関しては，その自由度がほぼ同じであるため，多くの部品を共通化した．才華 4 ではこの考えをさらに推し進め，ロール軸とピッチ軸に関しても基本的に同一構造とする（Fig. 1）．これにより，部品の種類を減らすことができ，コストの削減と整備性のさらなる向上を図る．また，リンクごとにモジュール化を図り，モジュールごとに分解・組み立てができるようにし，整備性を向上させる（Fig. 2）．Fig. 2 の左側の図において，丸で囲んだねじをはずす事によって，簡単に右側の図のようになる．各モジュー–2–

Fig. 1関節部の構造（左–才華 3，右–才華 4）

Table 1

モータドライバの主要諸元

TITECH DRIVER
最大出力電圧[V]Ver. 2

Ver. 3

Ver. 4482412

最大出力電流[A]10107

最大出力[W]

45018084

重量[g]905015

長さ[mm]

477045

幅[mm]605027

高さ[mm]

301010Fig. 2モジュール構造を高めた．
各関節は，DC サーボモータとハーモニックドライブ減速器を使用して駆動する．モータからの出ルにおける部品の分割も工夫し，モジュールの組力を歯付タイミングベルトを介してハーモニックみ立ても容易にできるようにしている．

ドライブに入力し，その出力軸を隣接リンクに直才華3では胴体部にあるTITECH

DRIVER Ver. 2結することで，関節を駆動する仕組みになっていによってモータを駆動していたが，才華4 ではそれる．これにより，モータの配置に対する自由度をよりも小型・軽量な TITECH

DRIVER Ver. 3 を上げると共に，関節部のバックラッシを極力小さ使用し，さらにそれをモータの近くに配置するこくしている．またタイミングベルトには適度な張とで，配線を容易にすると同時に，上半身の重量力を与えるため，テンショナを設計し取り付ける．とサイズを軽減し，脚部のモータに掛かる負荷をDC サーボモータの主な仕様を Table 2 に，ハーモ減らす．ドライバの主要諸元を Table 1 に示す．

ニックドライブの主な仕様を Table 3 に示す．

才華 3 では股関節部の剛性や精度が不足したた

股関節部と足首部に関しては，マクソン社製のめに，歩行を行う上で問題があった．そのため才DC motor RE35 と，速比 1/120 のハーモニックド

華 4 では，股関節部ヨー軸の出力軸にステンレスライブシステムズ社製のCSF–17 を使用するが，膝スチールを用い，深溝玉軸受けを4 個使用し，更に部に関しては，それより大型の，RE40 と CSF–20スラスト軸受けも使用する（Fig. 3）．同様の改良を使用する．これは，才華 3 での経験により他の関はすでに才華3 に導入されており，ヨー軸の剛性不節より大きなトルクが必要なことがわかったため足は解消している．また，ヨー軸の出力軸の取りである．又，股関節部ヨー軸に関しては，他の駆付け方法も改善することで，組み立て精度と剛性動軸ほど大きなトルクが必要ないため，才華 3 同–3–

Table 3減速器の主要諸元

ハーモニックドライブ

CSF–17

CSF–20120120速比

Fig. 3

平均負荷トルク

[Nm]

3949

瞬間最大負荷トルク[Nm]

108147

平均入力回転数[rpm]

3500

3500

最大入力回転数[rpm]

7300

6500

重量[g]

150280直径[mm]

6070

ヨー軸の接続（左–才華 3，右–才華 4）

Table 2関節モータの主要諸元

DC サーボモータ

RE25

RE35

RE40

定格出力[W]

2090150

公称電圧[V]2430

24

最大許容回転数[rpm]

11000

8200

8200

足首関節及び股関節膝関節

ロール軸

[◦ ]

±30/

ピッチ軸

◦

[ ]

+100〜 − 30

140

Table 4各関節の可動範囲

最大連続電流

[A]

1.22

2.74

6.00

最大連続トルク

[Nm]

0.028

0.107

0.181

重量[g]

130340480

ヒューマノイドロボットを始めとする歩行ロボッ

直径[mm]

253540トにおいては，脚部のアクチュエータはその出力

4.1

重力補償機構の多くが，上半身の重量を支えるために使われて様 RE25 と CSF–17 を使用する．

いる．これは，歩行ロボットにおいてはどうして各関節の可動範囲は才華 3 と同程度とし，地面も生じてしまう問題であり，これをいかに軽減すの物を拾うといった動作が可能なようにする（Ta-るかが，エネルギー効率を向上させ，また，運動

ble 4）．

性能を高める上で重要であると考える．そこで，

足底部には，谷田らが開発中の H 型溝付きはり

才華4 では，上半身の重量によって脚部関節に掛かを用いた足底力センサ 6) を取り付け，それを用いるトルクをばねで補償する機構を導入することで，て ZMP の検出を行う．リンク部分は箱型にするこ

脚部のアクチュエータ出力が，有効に使えるようとで，軽量化を図りつつ，十分な剛性を維持する．にする．

リンク長は才華3 と同様に，250 [mm]とする．モーマニピュレータの重力補償機構については今ま

タ軸に対するエンコーダ取り付け位置が製品によで，さまざまな方法が考案されてきているが7, 8, 9, 10) ，りばらつきがあるため，モータ取り付け角度を，±

脚に関しては，サイズや重量に制約があることや，15 [◦ ] 可変となるように工夫ししている．才華 3 でマニピュレータと異なり，土台といった姿勢が常は，モータを取り外す際に，脚部全体を分解するに一定の箇所がないので，重力補償機構の導入が必要があったが，才華4 では，モータのみを簡単に難しい．
ここでは，簡単のために，しゃがみ込み姿勢時はずせるようにしている．に膝関節に掛かる重力トルクを補償することに限

–4–

5.

胴体部の設計

胴体部の設計に当たっては，まず，重心が脚の上にくるようにすることを第一に考えた．これは，重心の前後の位置がずれることによって，脚部のモータへの負荷が非常に大きくなってしまうためである．上半身の重量を 30 [kg] とし，上半身を垂直に下ろして膝を 140 [◦ ] 曲げた際に膝部に掛かる重力トルクを求めてみると，重心が脚の直上にある場
合は両膝で 69.1 [Nm] 掛かるのが，そこから後ろに90 [mm] の位置にあると（才華 3 の場合）95.6 [Nm]Fig. 4となり 38 %以上大きくなってしまう．これによっ

重力補償機構て，脚部のトルクが有効に使われないばかりか，定して考える．膝関節に関しては，才華 3 での経験股関節部ヨー軸の出力軸に後ろ向きのモーメントから，非常に大きな負荷が掛かることがわかったが働き，歩行を行う上で問題があった．

ので，これを軽減させることが，重要だと考える．

また，重心を脚の上に移動させるとともに，軽ばねによる重力補償機構について，一般的な方量化を図った．才華3 ではモータドライバとして全法と今回新たに提案する方法をそれぞれモデル化て TITECHし，Fig. 4 に示す．一般的な方法（Fig. 4

才華4 では TITECH左）でDRIVER Ver. 2 を使用していたが，DRIVER Ver. 3 及び Ver. 4 には，重力トルクと補償トルクの釣り合いの式に，変更する（Table.1）．又，脚部モータ用のドライ

膝角度 θ に依存する非線形項が残ってしまうため，バが脚部に搭載されているため，胴体に搭載され正確な重力補償が困難である．

るドライバ数を減らすことができる．胴体部に搭

今回新たに提案する方法（Fig. 4右）では，ワ載されているドライバは，Ver3 が12 個（股関節部イヤーとプーリーを介してばねを配置する．膝をヨー軸用:1 × 2, 腕部用:5 × 2），Ver4 が 8 個（腕部伸ばした時（θ = 0）に，ばねの伸びがゼロになる

用:2 × 2, ハンド部用:1 × 2, 頭部用:2）である．バッ

ように調整すると，重力トルクと補償トルクの釣テリにはニッケル水素蓄電池（4 [kg]）を使用し，り合いは式 (1) のようになり，適切なばね定数 k をDC/DC コンバータも小型軽量なイータ電機工業選ぶことによって，角度によらない正確な重力補製 EPKJ01C28（200 [g]）と EPK12SC28（200 [g]）償ができる．また，この方法は，脚部の外観や重を使用する．バッテリ，DC/DC コンバータ，ドラ量を大きく変えずに導入することができる．但しイバの変更によって，10 [kg] 以上の軽量化が図ら

この場合，脚自身の重量は無視している．

れる．また，これら変更によって，全高をほとんθθmgL sin( ) = 2kr2 sin( )22

ど変えることなく，前後幅を才華 3 の 323 [mm] か(1)才華 4 では，この機構によって，膝部に掛かるら 204 [mm] へと大幅に小さくなり，バックパック部分を完全になくす事ができる（Fig. 5）．

重力トルクの半分を補償することにしている．ま整備性に関しては，ほとんどの機材を背中側かた，足首部や股関節部についても，導入を検討中らアクセスできるように配置し，又，構造材と機である．

材を取り付ける板を分けた．関連のある機材を一–5–

Fig. 6
Fig. 5参考文献

胴体部の比較（左-才華 3，右-才華 4）

つの板上にまとめて配置することで，組み立て・分解が容易なようにする（Fig. 6）．コンピュータ用，ドライバ用（Ver3：1 枚，Ver4：2 枚），電源関係用，センサ用，ビデオ送信用の 7 枚に分ける．これらは胴体側板にねじによって固定されており，容易に取り外すことができる．脚部や腕部に関しても容易に取り外しができる様にする．

6.

胴体部の構造おわりに開発中のヒューマノイドロボット才華 4 の，脚部と胴体部の設計について述べた．脚部に関しては，関節部分はほぼ終了しているが，リンク部分（脛，太腿）は，足首部と股関節部に重力補償機構を導入するうえで，若干の設計変更がされる可能性がある．胴体部に関しても，設計はほぼ終了しているが，足底および，ハンドのセンサ用の基板の大きさがまだ未定なので，それによって若干の設計変更がありえる．また，腕部に関しては，才華 3 を参考にしつつ，新たに設計する予定である．

–6–1) 近野，古田，内山：“ヒューマノイドロボット才華３の上半身設計”，第 18 回日本ロボット学会学術講演会予稿集，589/590 (2000)
2) 近野，白田，古田，加藤，内山：“ヒューマノイドロボット才華 3 の開発”，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会’00 講演論文集，2P1–79–123(2000)
3) 西脇，杉原，加賀美，金広，稲葉，井上：“全身行動型ヒューマノイド「H6」の開発”，日本機械学会
ロボティクス・メカトロニクス講演会’00 講演論文集，2P2–79–110 (2000)
4) 金子，金広，梶田，横山，赤地，川崎，太田，五十棲：“HRP-2 プロトタイプの開発”，日本ロボット学会創立20 周年記念学術講演会予稿集，1D32 (2002)
5) 黒木，石田，長阪，山口：“高度統合運動制御機能を有する小型二足歩行エンターテイメントロボッ
ト SDR-4X”，日本ロボット学会創立 20 周年記念学術講演会予稿集，1C17 (2002)6) 谷田，阿部，近野，内山：“H 型溝付はりを用いた足底力センサの設計”，第 45 回自動制御連合講演会
講演論文集，1P1-A43 (2002)
7) Chu，広瀬：“Float Arm IV:Mechanical Design andBasic Experiments”, 第 17回日本ロボット学会学術講演会予稿集，519/520 (1999)
8) 葉石，石井，広瀬：“フロートアーム 5 の開発 -新しい多関節自重補償機構の導入-”, 第 19 回日本ロボット学会学術講演会予稿集，683/684 (2001)
9) 森田，栗原，菅野：“機械的 3 次元自重補償手法の提案”，第 2 回システムインテグレーション部門学術講演会，365/366 (2001)
10) 森田，塩澤，中井，栗原，菅野：“高運動性能マニピュレータのための機械的 3 次元自重補償機構の開発”，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス
講演会’02 講演論文集，2P1-H03 (2002)