計測自動制御学会東北支部 第 328 回研究集会 (2020.3.16)
資料番号 328-1

フリークライミングロボットのための不整地登攀実験環境の設計と開発
Design and Development of a Test-field for Free-Climbing Robots○宇野健太朗 ∗ ，錦織広樹 ∗ ，Arthur Candalot∗ ，Louis Mamelle∗∗ ，吉田和哉 ∗○ Kentaro Uno∗ , Hiroki Nishikori∗ , Arthur Candalot∗ , Louis Mamelle∗∗ , Kazuya Yoshida∗∗∗

東北大学，∗∗ Sorbonne University

Tohoku University, ∗∗ Sorbonne University

キーワード : ロボットテストフィールド (Robot Test Field), フリークライミングロボット(Free-Climbing Robot), 脚型ロボット (Legged Robot), 重力補償 (Gravity Compensation)

連絡先 : 〒 980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-01 東北大学 工学研究科 機械系 1 号館 416 室
Tel.: 022-795-6993，Fax.: 022-795-6993，E-mail: unoken@astro.mech.tohoku.ac.jp

1.

はじめに火山火口付近や洞窟内部の情報収集，災害事故現場での救助活動の支援，そして天体表面の科学調査などの現場は，人の立ち入りが困難な過酷環境と類される．そこで人の代わりにこうした現場に向かい，必要な作業を行う移動ロボットが積極的に研究・開発されてきた 1, 2, 3) ．特に，過酷環境で活動する地上ロボットの従来の移動機構はクローラ型 2) や車輪型 3) が一般的であるが，急峻な渓谷，切り立った崖，洞窟内部の岩壁および天井などの凹凸・急傾斜地形はFig. 1: Developed four-limbed free-climbing
robot with passive spine gripper4) on developed test-field.
Improved version forautonomous perceptive locomotion (named
HubRobo) is under development.

地上移動ロボットの未踏領域の一つとなっている．こうした凹凸・急傾斜地形表面を移動することができるロボットとして，本研究グループ
では，地表面を把持する機構（グリッパ）を手足に装備した脚型ロボット（本稿ではこの種類のロボットをフリークライミングロボットと呼ぶ）を提案してきており 5) ，特に，宇宙天体表面の岩石地帯の移動探査 4, 6) や，工場内部の天井や壁の点検 7) 等を目的としたフリークライミ
ングロボットが実用化に向けて現在広く研究開発されている．
フリークライミングロボットの開発において，ロボットの活動現場となる急傾斜や凹凸地形，重–1–力を再現した環境での登攀実験を行い，ロボッ

yトの性能を評価することは極めて重要であるが，

xActive tracking system

屋外実験では傾斜角度の詳細な設定や模擬重力の変更は困難なため，屋内登攀実験環境を用意する必要がある．特に宇宙ロボット研究の分野

Outer frame

では，地上で月（約 1/6 G）や火星（約 3/8 G），小天体（微小重力）等の重力下におけるロボットの運動を再現できる実験装置は必須であり，その方法は以下の 3 つに大別できる．

1.3 mHandwinch

Field plate1) 空気浮上装置を用いた方法 8, 9)
圧縮空気で対象を石定盤上に浮かせ，摩擦を限りなくゼロに近づけることで二次元平面内の運動において重力の影響を取Counter weight

り除く方法である．石定盤の傾き角度を変えることで，任意の重力を模擬できる．

Fig. 2: Developed terrain-, inclination-, andgravity-adjustable test-field.

2) 制御外力を与える方法
対象にロボットアーム 10) やケーブル 11, 12)もできるだけ省スペース低コストなものを目指を取り付け，これらを力覚センサデータをし，重力模擬の方法は 3) を採用した．
本稿は以下の内容から構成される．まず，傾フィードバックして制御することで重力以外の外力および外モーメントを作用させ，異なる重力を模擬する方法である．この方法は対象に働く模擬重力を高精度に変更することができるが，装置全体が大型斜角度と補償重力を変更でき，様々な不整地を再現できるフリークライミングロボットのための登攀実験環境（Fig. 2）の設計と開発について述べる．次に，重力補償装置について，移動するロボットに対して補償重力を常に鉛直上向き化する傾向がある．にかけるために，天井から見たロボットの位置

3) カウンターウェイトで重力を補償する方法 13)
カウンターウェイトを取り付けたワイヤで対象を吊り上げ，対象重心に鉛直上向きの力をかける方法である．対象重量にを二次元的に追尾するシステム（本稿ではこれをアクティブトラッキングシステムと呼ぶ）の開発ついて述べる．最後に動作試験を通して確認したアクティブトラッキングシステムの性能，および結論を述べる．

対するカウンターウェイト重量の割合を変更することで，任意の重力環境を模擬することができる．力を制御しないため

2.

2) に比べると精度は劣るが，機構としては最も単純である．

不整地登攀実験環境

フリークライミングロボットが実際に活動するであろう環境を再現するためには，開発する

さて，開発中のフリークライミングロボットの登攀性能実証のための実験場は最大 2 m 四方の傾斜不整地で十分である．そこで今回開発し不整地登攀実験環境（本稿では以降これをテストフィールドと呼ぶ）は以下の三つの機能を有する必要がある．

た不整地登攀実験環境は，システム全体として–2–• 地形を任意に変更できること• 傾斜角度が可変であることて接続される．そして，ロボットがフィールド• ロボットにかかる重力を変更できること

板上を移動する間，ロボット重心にかかる力をこれらの設計要求に加え，実際に実験を行うときの利便性・安全性を考慮し，地形環境を変更する手続きは実験者一人で行うことができること，そして地震等により外的な力がかかっても転倒しないことを設計指針として加えた．

常に鉛直上向きに保つ必要がある．このためには，ロボットの移動に合わせてカウンターウェイトとロボットを繋ぐワイヤの向きが常に垂直になるように調節するアクティブトラッキングシステムが必要となる．

以上の設計要求および指針にもとづき開発したテストフィールドを Fig. 2 に示す．本テスト

3.

システム

フィールドは設置場所に固定される外枠 (Outeframe) と，外枠内部で傾きを変えられるフィールド板 (Field plate)，そして外枠上面を二次元移動するアクティブトラッキングシステム (Activetracking system) で構成されている．
フィールド板はアルミ製フレームと 4 枚の木製の天板から構成されている．天板は取り外し可能で，60 mm 間隔の格子点に穴が開いておりボルダリングホールドを任意の配置で固定できる．なお，天板はフレームに取り付けられた固定具によりロックできる．また，フレームの奥アクティブトラッキング

ここでは，テストフィールド外枠上部に取り付けた，アクティブトラッキングシステムについて述べる．システムの構成を Fig. 3 に示す．
アクティブトラッキングシステムは大きく分けて計測制御部と駆動部の二部からなる．ここでは，これら 2 つの部分の機能および機構について述べ，その後アクティブトラッキングシステムを稼働させるために実装したソフトウェアについて述べる．

側一辺は外枠にレール固定することで上下運動のみに動きが制限されており，辺の中点を手回

3.1

計測制御部

しウィンチで吊り上げることで簡単に上下に動計測制御部では IMU（慣性計測装置）で計測かすことができる．フィールド板手前側の辺のされた加速度，角加速度，地磁気データをマイコ

両端には車輪が取り付けられており，奥側の辺ンが I2 C 通信で取得し，フィルタリング処理をの上下運動にともない前後に受動移動する．こ行うことでワイヤの傾斜角度（roll および pitch）

れらの機構により，実験者が手回しウィンチをを算出し，roll および pitch が 0，すなわちワイヤ回すことで簡単にフィールド板の傾き角度を変が垂直になるように駆動部を動かすフィードバッ更できる．なお，手回しウィンチはセルフロック制御を行う．なお，IMU には InvenSense 社製クを有しており任意の傾きで固定可能である．の MPU-9250 を，マイコンボードには Arduino

ウィンチの最大荷重はメーカー公称値で 270 kg

Mega 2650 を使用した．

であるが，ボルダリングホールドを密に敷き詰

IMU は，Fig. 4 に示すワイヤが中心を通るめたフィールド板の重量は約 60 kg であり，耐ジンバル機構に取り付けられており，ワイヤの荷重性は十分であると言える．

傾斜角度を計測する．このジンバル機構により先述したように，本テストフィールドではカIMU の姿勢は 2 自由度に制限されており，ワイウンターウェイトを用いた重力補償を行う．ワ

ヤのねじれに関係なくワイヤの 2 軸方向それぞ

イヤとロボットの接続は，ロボットの回転運動れの傾斜角度（roll および pitch）情報を正確にを制限しないように Fig. 1 に示すように roll お取得できる．

よび pitch 方向に自由回転するジンバルを介し–3–

Measurement and control unit
Operation PC

Trajectory of tracker
Inclination of wire

Microcontroller

Accel. Angular vel.
Magnet.

IMUpitchCommand pulse

Actuation unit
Motor driver APowersupplySignal

Stepping motor ArollIMU

30 V

Motor driver BSignal

Stepping motor B

Fig. 3: System diagram of developed active tracking system.

Fig.
4: Mechanical gimbal to mount
IMU, attached below
the tracker.

また，マイコンにオペレーション PC を USB接続することで，ROS（Robot Operating System）14) の機能を使用して，オペレーション PC
Δx

側で駆動部の移動軌跡およびワイヤの傾斜角度Δyの経時変化を記録できる．

Tracker
ΔaΔbStepping motor

3.2

駆動部

アクティブトラッキングシステムの駆動部は 2Fig. 5: Schematic drawing of the actuation
unit. Red and blue lines represents two timing
belts driven by two stepping motors.

台のステッピングモータ，2 本のタイミングベル
ト，移動レール，追尾部分（本稿では以降これをの移動量 ∆x，∆y はそれぞれ，Eq. (1)，Eq. (2)トラッカーと呼ぶ）から構成されている．移動のように求められる．

レールの両端は外枠天井部にレール固定されているため前後に受動移動でき，移動レール上を∆x = l sin θp(1)トラッカーが左右に直線移動することができる．

∆y = −l sin θr(2)そして，トラッカーにはタイミングベルトが固定されており，左右 2 つのステッピングモータでベルトを送ることで，トラッカーを外枠天井平面内で二次元移動させることができる．なお，ステッピングモータには山洋電気社製 103H7123-5640を用いた．
またトラッカーの移動平面内に，テストフィールドの手前から奥方向に x 軸を，左から右方向に y 軸をとる．ロボット固定部からトラッカー

そして，トラッカーの移動は Fig. 5 に示すように取り付けられた 2 本のタイミングベルトの送りによってなされる．2 本のベルトは Fig. 5内にそれぞれ赤線，青線で表されている．この駆動機構を用いると，左右 2 つのステッピングモータで駆動する 2 本のベルト送り量をそれぞれ ∆a，∆b とすれば，これらは ∆x，∆y からそ
れぞれ Eq. (3)，Eq. (4) として求まる．

までのワイヤの長さを l，ワイヤの x 軸および y∆a = ∆x + ∆y(3)軸まわりの垂直状態からの傾斜角度をそれぞれ∆b = ∆y − ∆x(4)θr ，θp をとすると，これら傾きを 0 にするために移動すべきトラッカーの x 軸および y 軸方向–4–

3.3

ソフトウェア54

ここでは，アクティブトラッキングシステム

3

計測制御部のマイクロコントローラに実装した2ソフトウェアフローについて述べる．まず，マイ

1

コンは IMU が計測した 3 軸方向の加速度・角速

0-1度・地磁気データをそれぞれ受信し，Madgwickfilter15) を通して，ワイヤの 2 軸周りの傾斜角-2-3-4度 θr ，θp を求める．次に，Eq. (1)〜Eq. (4) を-50用いて 2 本のベルト送り量を求める．そして，1020304050

ロボットが実験環境の端に達しておらず，かつ，オペレーション PC との通信が途切れていない状態であれば駆動部を制御してトラッカーを二Fig. 6: Time history of the roll θr and pitchθp of wire inclination while moving a dummy
robot (weight).

次元追従させる．
制御としては ∆a および ∆b を偏差とした PI

動かしたおもりの速度よりも遅い（数 mm/sec）制御を行う（制御周期：50 Hz）．なお，ロボットため，実験時の垂直状態からの平均偏差はよりが傾斜を登り降りするに伴い，実際には Eq. (1)，小さいと思われる．

Eq. (2) 中の l は変化するが，当研究室で開発し次に応答性について，Fig. 6 では θr ，θp それているフリークライミングロボットの移動速度

ぞれ，何度か値が大きく振れた後に約 5〜10 秒は約数 mm/sec であり，1 周期ごとの制御量決を要して垂直状態に復帰している様子が見て取

定における l の影響は非常に小さいことから，制れるが，微分ゲインを追加することでこの応答御上 l は固定値としている．

性を速めることができると思われる．しかしながら，トラッカーが動くことによってもワイヤ4.

を振動や外力が伝搬し，結果としてロボットに動作試験も外乱が加わるため，挙動が過敏にならないよアクティブトラッキングシステムが正常に動うに注意を払う必要がある．

作することを確認するために行った動作試験に今回の動作試験で得られた結果から，アクティついて述べる．ここでは，ロボットの代わりにロブトラッキングシステムがフリークライミングボットと同じ重さのおもり（2.5 kg）をワイヤにロボットの登攀実験には十分な精度および応答接続し，人の手でおもりを前後左右に動かしてロ性で動作することを確認した．今後使用する際ボットの移動を模擬した．カウンターウェイトのには，ロボットとカウンターウェイトの重量や質量は 1.25 kg とした．おもりは約数 cm/sec のロボットの移動速度に応じて制御ゲインの再調速度で x 軸方向に計 0.8 m，y 軸方向に計 −0.2 m

整が必要と思われる．

動かした．
この試験中に IMU 計測データから得られたワイヤの傾斜角度の経時変化を Fig. 6 に示す．

5.

結論

Fig. 6 から，全体としてワイヤの roll 角 θr も

本稿では，フリークライミングロボットの登pitch 角 θp も，それぞれ ±3◦ 程度の範囲に収まっ

攀実験のために，地形，傾斜角度，そして模擬ていることが分かる．実際に予想されるロボット

重力を変更可能な不整地登攀実験環境の設計との移動速度は今回の動作試験において人の手で開発について述べた．特に，カウンターウェイ–5–

トを用いた重力補償装置のアクティブトラッキングシステムを構築し，動作試験を通して，この装置の性能が十分であることを確認した．
また，今回開発したテストフィールドには拡張性がある．今回は重力補償の方法として，カウンターウェイトと二次元追従装置を用いたが，駆動部に上下方向の直動アクチュエータと力覚センサを追加し，三次元追従と力制御を行う装置に拡張できれば，より高精度な重力模擬が可能になると考えられる．
今後は，このテストフィールドを用いてフリークライミングロボットの登攀実験を行っていく．

謝辞
本研究は JSPS 科研費 19J20685 の助成を受けたものです．

参考文献
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