計測自動制御学会東北支部第 244 回研究集会(2008．7.2)
資料番号 244-11

重心高さ可変機構を有するパッシブターン型スキーロボットによるターンの制御
Control of a passive turn type skiing robot
with variable height mechanism of gravitational center○古川良裕

石崎 圭介 嵯峨 宣彦 齋藤 直樹○Yoshihiro FURUKAWA Keisuke ISHIZAKI Norihiko SAGA Naoki SAITO
秋田県立大学
Akita Prefectural University
キーワード：スキーロボット(Skiing Robot), スキーターン(Skiing Turn)
可変機講(Variable Mechanism)
連絡先：〒015-0055 秋田県由利本荘市土谷字海老ノ口 84-4 秋田県立大学 システム科学技術学部
機械知能システム学科 バイオメカトロニクス研究室 古川 良裕
Tel：0184-27-2217 Fax：0184-27-2188 E-mail：b07a072＠akita-pu.ac.jp

1.はじめに2.パッシブターン型スキーロボット

現在のアルペンスキー競技ではスキーの形モータのないパッシブターン型スキーロボ

状を活かしたカービングターンが主流になっット(50g)を図 1 に示す．このロボットは，4 本ている．カービングターンとは，スキーのサイの平行なリンクを用いて，重力のみでスキータドカーブとターン開始時にスキーを踏み込みーンの左右の重心移動が可能である．重心の高力を利用したスキーの撓みによって形成するさの違いがターンにどのような影響があるか曲面を利用して，小さなターン半径で高速にタ調べるため，単純に足の長さが違うロボットをーンする技術である．これまでスキーターンに滑らせてみた．計測には 3 台の CCD カメラと関する研究は行われているが，実際のスキーヤ

3 次元動作解析ソフト(ライブラリ：Move-tr/3D)

ーのターンを十分に解明したものはなく，理想を利用した．斜面の角度は 25°，斜面には滑り的なターン姿勢として競技者にフィードバッやすいように毛のある絨毯(910×1820mm)を使クしにくいものになっている．

った．図 2 に重心位置の異なるロボットの滑降

そこで，単純な機構のスキーロボットを製作の軌跡を示す．スキー板のサイドカーブ半径はし，重心位置や体重移動のタイミングがターン800mm である．これを見ると，ターンの曲率にどのような影響があるかを検討した．

半径はほぼ同じだが，周期そのものに違いが見られた．重心の低いロボットのほうがターンのは受容的に行うことを前提に，アクチュエータ周期が短くなっている．図中の ψ は, スキー板を用いず重心高さを変えた２種類の単純リンの方向角度とする．
Hinge

Left

用い，滑走中に重心高さを変化させる機構をもたせたスキーロボットを製作し，重心高さがス
キーターンにどのような影響があるかを調べた．

Trunk

Right
Edge angle
max±35°

Binding
Ski

Edge angle 0°ク構造のスキーロボットと，アクチュエータをWidth (100mm)

Support bar
Radius ofthe side curve(800mm)Height (40mm,50mm)

今回は重心の高さに注目し，左右の重心移動

Fig.1 Passive turn type skiing robot without RC Motor (50g)Variable mechanismof the foot length
Servo motor-0.4-0.2

000.2

0.4

Edge angle 0°

Displacement X, mX

Yt = 0 (s)ψ0.2

Displacement Y, m

0.4
0.6

α=25[deg]

Starting point ψ=18[deg]R 513mm0.8
1Width (135mm)

Radius ofthe side curve(400mm)

Ski

Fig.3 Passive turn type skiing robot with RC Motor (249g)
Width of leg, bTop point ψ=3[deg]R 510mm

End point
ψ=-14[deg]BatteryEdge angle
max±30°Starting point
ψ=14[deg]
Top point ψ=0[deg]ReceiverHeight(60-80mm)

Universal joint

Length of leg, ht = 1.0[s]End point ψ=-40[deg]Height50mm

1.2

Edge angleθ

MomentMass point 1

Height40mm

Fig.4 A model with 12 mass points

3.重心高さ可変機構を有するパッシブターン型
スキーロボット
3.1 スキーロボットの設計
モータのないパッシブターン型ロボットの滑降において，重心の低いロボットのほうがターンの周期が短くなった．

Moment M , N・mm

Fig.2 Trajectories of skiing robot without RC Motor

10.0
100
8.0
80
6.0
60
40
4.0
20
2.00.00-20-2.0-40-4.0-60-6.0

StableUnstable
regionh=60mmh=70mmh=80mm

100 10.5105 110
10.0
11.0 115
11.5 12012.0 12512.5 13013.0 135
13.5 140
14.0 145
14.5
Width of leg b , mm

このことから，滑降中に重心の高さを変化させFig.5 Rotation moment of the model with 12 mass points

ればターンをコントロールできるのではない

図 4 での質点 1 が右側のスキーの位置であり，かと考え，パッシブターン型ロボットに足の高回転の中心とする．各質点に重力とリンク切替さをラジコン操作で変化できる機構を追加しえ後の衝撃力のみが働くと考え，11 個の質点にたロボットを作ることにした．図 3 に足の長さ働く力による質点1 まわりのモーメントの和をを変化できる機構を追加したスキーロボット計算したものが図 5 である．グラフの値が正のを示す．このロボットには，サーボモータとき安定と考える．ロボットの機構上，最小の(FUTABA;S3110)，バッテリー(FUTABA;NR-4QC)

足の長さは 60mm であり，足の伸びる長さは最等を搭載するため，不安定になりやすいと考え大 20mm である．したがってグラフは，足の長た．モータのないスキーロボットの滑降では，さが 60mm，70mm，80mm のものである．これ

足が長すぎると平行四辺形のリンクが切替っを参考にして足の幅を 135mm とした．ロボッ

た後，切替わった方向のスキー板の位置を中心

トの最大エッジング角度は，足と絶対水平面のとしてロボット全体が横方向に転がる場合が角度を参考にした．足と絶対水平面の間の角度みられた．この場面についての片側のスキー板の位置まわりのモーメントを 12 個の質点かを β として式(1)に示す．
β＝90－α+θsinψ

(1)

らなるモデルにて計算し，ロボットの足の長さ

θ はエッジング角度，α は斜度である．モータと幅を決めた．のないスキーロボットの計測において，ターン

図 4 に 12 個の質点からなるモデルを示す．の切替えが発生したときのスキー板の方向角

度は約 35°，足と絶対水平面の角度は 80°から4．考察90°までの値をとっていた．斜度は 25°でありこ等しいサイドカーブの半径のスキー板を用の値を用いて式(1)からエッジング角度を算出

いたターンでは，板が撓む等の要因がない限り，すると 27°から 43°までの値をとる．したがっターンの曲率半径が等しくなるとされている．て，スキーロボットの最大エッジング角度はこ

実験においてターンの曲率半径に多少違いがの範囲で選ぶのが適当であるが，ロボットの機見られた．横滑りなどが考えられるが，今回使構の関係上，エッジング角度を 30°以下にする

用したスキーロボットの重心を一番低くした必要があったので，エッジング角度を 30°とし状態を保持させたまま，同じ条件で何回か滑降た．スキー板は，ロボットが前方向に倒れないさせてみた．このターンの曲率半径を算出した程度に，190mm と十分に長くしてある．サイ

結果，曲率半径の差が大きいもので約 70mm でドカーブ半径は連続ターンしやすいようにあった．同じ条件でも約 70mm の変化は場があ400mm のものを選んだ．

ると考えると，同じ曲率半径で滑降していると思われる．

3.2 スキーターンの制御実験
斜面の角度は 25°，斜面にはポリエステル5．結論100%のフェルト材(1900×2500mm)を敷いた．

重心の位置が低いスキーロボットではター

計測システムは，モータのないスキーロボット

ンの周期が短くなり，重心の位置が高いロボッの滑降と同じである．

トでは長くなった．また，滑降中の重心高さをまず，滑降開始位置から Y 軸方向の距離操作では，ターンの曲率半径はそのままで，タ400mm の位置に目印を付ける．この目印は，ーンの周期を変化させることができた．今後は，重心高さを降下させる場所の目安とする．スキスキーのターンの重要な要素の一つであるスーロボットを一番重心の高い姿勢にさせ，図 4

キー板の撓みを操作することで，ターンをよりのようにロボットを傾け，真直ぐな方向を向かコントロールしていく．

せて滑らせる．ロボットが目印の真横付近で重心高さを降下させる．重心高さの操作は，足のDisplacement X [m]-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2

高さが 60mm，65mm，70mm になるように重心0を降下させ，ターンの周期を比較する．

0.5

図の B の部分をスキーターンのトップ部という．1 回目のトップ部から 2 回目のトップ部まDisp lacement Y [m ]のターンの軌跡である．ひし形のプロット点は， B (t=1.62[s])65mm，丸は 70mm に重心を降下させている．

R1015mm
R1027mm
t=1.53[s]XY

t=1.58[s]1.50.89m

2

ターンほど短くなった．そのときの経過時間も1.20mほど短かった．

A(Y=0.4[m])1での Y 軸方向の距離は，重心高さを小さくした
同じように，より足の高さを降下させたターン

t=0[s]

R1025mm

図6は重心高さを変化できるスキーロボット
図中の A 付近で足の高さを 60mm，三角は0.4

2.5 t=3.05[s]α=25[deg]
1.17m

t=2.68[s] t=2.33[s]h=60mmh=65mmh=70mm

Fig.6 Trajectories of turn of skiing robot with RC Motor