計測自動制御学会東北支部第165回研究集会（1996．12．13）
資料番号165−12

マルチセンサによる2脚ロボットの姿勢制御に関する研究
AttitudeControlofBipedRobotbyusingMultipleSensors○熊谷正朗＊，江村超＊，笠井紀昭＊＊
MaBaaLkil（umagai＊，TakaBhiElnura＊andNoriakiKaBaiH＊東北大学工学部 ＊＊株式会社ニコン精機事業部＊FacultyofEngneerlI唱，Tohok11Ulliv．

＊＊NikollCorporatioll
キーワード：歩行ロボット（Walkingrobot），姿勢制御fAttitudecontJ・Ol），姿勢センサ（Attitude邑enSOr）．ジャイロ（Gyro＄COPe）

連鴇先：〒9掴−77 東北大学工学部機械電子工学科メカトロニクス設計学
熊谷正朋，恥1．（022）21丁・696軋Fax．（022）217−7027，
E一皿ailhm関山￠8mtra・m餌h■t血○加．■亡・jp

1． は じ め に歩行を実現することを目的として設計製作されており，1孔teral面内の運動も考えた複雑なロボット

車輪ヤクローラなどが適さない環境におけるロである．同様な人間型の自由度を有するロボット

ボットの移動手段として，脚移動機構が挙げられは複数研究されているが，ロボットのモデルと動る．産業用としては，より安定な4脚，6脚ロボッ

力学を用いてZeromomentpoint（ZMP）などを基トが有用であると考えられるが，接地面積が小さ準にあらかじめ歩行パターンを作成しておき，こく，人間に近い形態である2脚ロボットは人間にれにセンサによる補正を加えて歩行を行っている近い環境での応用が期待できる．また，医療分野へものが多い．この方法では定常状態における歩行の応用も考えられる．

においては，安定した歩行を行なうが，大きな外乱

その2脚ロボットにもいくつか種類がある．竹馬型のロボット1）や，鳥のように胴体に比較してにより歩行周期そのものに乱れが生じた場合など軽量な脚を持つロボット2），そして，人間型の2脚ロボット3）である．きらに，そのなかでも，Sagitt乱lには十升対処できないと考えられる．また，モデルと実際の食い違いの影響も大きいと考えられる．
そこで，本研究においては固定した歩行パター

面1のみに動きを拘束し，制御を容易にしたロボッンを廃し，センサからの情報によって自律揺動をトと，1ateral両2の自由度も加えた複雑なロボット生成した上で脚を動かし，歩行等を試みた．非常にがある．

単純なルールを用いたにもかかわらず歩行するこ本研究で用いた2脚ロボットは，人間のようなとが確認されたので報告する．

1来状而：pi亡th軸に垂直な平面
2前額面：ーロ11軸に垂直な平面

一1−

系に属している．センサ信号はセンサプリアンプの直後で即AD変換を行ない，耐ノイズ性の向上をはかっている．

2．2．1 姿勢センサ系
ロボットのpit亡Il軸およぴroll軸回りの傾斜角，角速度を検出できるように，振動型圧電ジャイロを装備している．ジャイロはそれぞれの軸に2種類を配置し，合成ジャイロ4）を構成している．これ
により，ロボットに必要な応答性，歩行衝撃への耐Fig．1 Tllebipedrobot Monroe ・性を確保している．また，今回は使用していないが長時間の安定性の確保のために，傾斜計を装備す2．実験装置ることが可能である．
まず，本研究で用いた2脚ロボット 九Ionroe に2．2．2 床圧力センサ亮ついて解説する．

実際のロボットの足底の握地状況，およぴ，足底2．1 ロボットの機構

重心（ZMP）の検出のため，足底に1軸のカセンサ

このロボットはFig．1に示すような，身長約1・2mを6個を取り付けている．爪先立ちになった場合質量約21kgの人間型2脚ロボットであり，人間のにも安定に検出できるように，爪先に4個，畦に2ような動歩行を実現するために19舶年に設計・佃配置している．これにより，足底面内の重心位製作されたものである．脚の長き等の寸法は身長置，両脚の間の重心移動を検出することができる．

1．6mの人間にほほ等し叶股にはpitcll，rOll，脚W

2．3 制御システムの3自由度の，膝にpitchの1自由度の，足首にpit亡h，rOllの2自由度の能動関節を有する・本年，ロボットの制御には3台のパーソナルコンピュー安定した爪先維地を目的として，あらたに受動のタを用いている．1台（PC9821−Ap）は全体の運動爪先関節を追加した．片足あたり7自由度，全体で計軌脚の連動学，逆運動学計算を行なうMa月ter

14自由度（うち受動2）を有するロボットである．

ComI terであり，他の2台（PC9801−RA）はセン

足首および股関節のpit亡h，rOll自由度には江村サ情報処理，12価のサーボモータの位置制御を行によるパラレルクランクスライダ機構を用いておなうSlaveComputモーrである，これらは共有メモリり，これにより非常にスタイルの良く設計きれてを通じて情報交換を行なっている．

いる．その他の能動自由度は，それぞれクランクス

Ma月terComputerの運動計画部は，Slavelからライダ機構により駆動されている．アクチュエー得られる姿勢情報，民力情報をもとに，以下で述べタはDCサーボモータであり，電流制御，速度制御る制御則を用いて，ロボットに固定した座標系におが可能なサーボアンプを用いている．

ける脚の踵の座楓および足底面の法線ベクトルを決定する．脚，関節の逆運動学計算を行なうこと

2．2 ロボットのセンサ系

により，これらをモータの回転角に変換し，Sl乱Ve2本ロボットには，多種複数のセンサが取り付けの位置サーボプログラムへの指令値とする．比前

られている．これらは姿勢センサ系，床反カセンサ
一2＿？︑lH・．岬

Fig．3 0scillatorymotioninlateralplaneT（b）

Fig・2 Twolnethodsofoscillatorymotion・●上体の姿勢を保ったまま股関節を内転させ，支持脚の上に重心を移動させる（Fig．2（a））

は，歩行前に胸先軌道を関節角軌道に変換しておいたが，今回は計算方法を見直し，実時間で計算す●股関節を固定したまま，足首を軸に全体的に傾斜きせ，支持脚の上に重心を移動させるるように改めた．

（Fig■2（b））

3．足 踏動物を観察すると前者の形態が多く，上体が傾か3．1足底ならい制御なVlという点は評価できる．制御の点から見ると，足首を通して，上体から支持脚に過大なモーメ

前者は股関節に負荷がかかるため，後者の方が比ントが加わった場合，場合によっては足底面が地面較的容易に実現できる．そこで本研究では後者をから浮き上がり，線接地となって，下端が自由な倒採用した．

立振子と等価となり，その結果，制御が困難となる．

Fig．ユに示すような揺動運動を行なう場合，無制

そこで，できる限り足底を面接地させておく必要

御では振動が減衰する．そのため，何らかの方法でがあると考えられる．

エネルギーを追加する必要がある．この場合，各周インピーダンス制御など，いくつか方法は考え

期で一定量のエネルギーを追加し，リミットサイられるが7ここでは圧力センサから得られる実際クルを生成することで振動を持続させることもでの重心位置を，目標点に一致させるように足首をきるが，ロボットは複雑で摩擦なども大きいため，制御した．この方法の利点は，足底を面接地に保ち安定性を保証できない．

つつ足首にトルクを発生させることができる点にそこで，本研究では1乱teral平面内で考えた力学ある．目標点を足底内に設定するかぎりは足底が的エネルギーを一定備にするように制御した．こ

浮き上がることはない．また，目標点を足首直下にれは，Fig．4に示すような，ロボットが支持脚足首設定することにより，疑似的に自由関節とするこを中心に回転して生じる位置エネルギーと，角速ともでき，目標点を足首の直下から離すことによ

度による運動エネルギーからなり，次式のようにり，その距離と足に加わっている荷重とに比例しなる．

たトルクを発生させることができる．

g＝∫折・〟岬＋棚cos（…D）−CO畠…

3．2 体重移動（1）

ここに，∫，叶ーはロボットを振子とみなした場合の，足踏み動作は体重移動と遊脚の運動に分けられ足首を中心とした慣性モーメント質量，重心までる．体重の移動方法として，の距離であり，和まロボットの重心が支持脚の真上

一3−

■L、．．＿．ゝ

門間P

ト∩行目

市国ト﹇甜叫﹇村り↓﹇＝凪郡

Fig・4 Potclltialenergyinlateralplane・Fig.:, Sequellce of stepping motian.

Fig．6 FootlnOtiollintuming・Thellatdledrect−angle写areSupPOrtir）gleg・Thewhiterectanglesare
且oatingleg・反転する．この反転を検出し，脚の下降を行なう．
この時の速度と体重移動の周期によって，見上げ量は決定される．一連の動作をFig．与に示す・

この方法により，兄上げ量30mm程度の安定した足踏みが可能である．になる状態のロボットの傾斜角度である．ロボッ

4．旋回および歩行

トが直立状態では且＝0となる．この両者の総和が運動時に保存されると考えた．つまり，このエネ足踏みを安定に持続している間に，足踏みに使ルギーを一定に保つようにすることで，適当な幅用していない脚の自由度を用いることで，旋回やの振動を保つことができる．この制御の操作量と歩行を行なうことができる．ここでは，脚の切替えしては，前述の足底重心位置の指令を用いる・これに合わせて脚先を動かL，これらを実現した．

により，支持脚の足底を面接地した状態を保ちつ
4．1 旋回つ，揺動を維持することができる・

旋回をする際の脚先の運動をFig．6に示す．こ3．3 足 踏の囲では左旋回を示している．左脚が遊脚になっ

上述の方法による体重移動は，移動が完了したた時に，両股関節のyaw自由度を使い，爪先を開段階で，幾何学的に遊脚側は離地する・足踏み動作

く．次に，右脚が遮脚になった段階で，今度は爪先を行なうためにはっさらに遊脚の伸縮を行なう必を閉じる．これにより，旋回が可能であり，歩行と要がある．姿勢角を基準にして，足上げ量を制御す組み合わせることで曲線歩行が実現できる．またIる方法もあるが，脚を動かすことで姿勢角に影響ロボットの直進性が悪い場合に，若干の旋回動作を与え，足上げ量を大きくすると発掛未熟二おちを加えることで補正をすることが可能である．

いる．そのため，姿勢角の数値は使用せず，等速でこの旋回のための脚W軸運動は，平木が6年前足の伸縮を行なった．に使用した方法であるが，当時は固定パターンを体重が移動したことを脚荷重より判定し，脚の用いていたため，開脚先量は10歴と小さいもの上昇を開始する．前述のエネルギーを一定に制御だった．今回の足踏み運動の使用により30度以上している場合，いずれすべて位置エネルギーになとすることが可能である．

り1ateral面l勺で停止，rOll軸傾斜角速度の符号が一4一

︻ヒ山岳 首 二 下 − ﹄ 扇 − 亡 帽 由 塾 じ 国

21∧U51XI二＝Time【1仙¶鰍亡】

Fig．7 FbotmotiollillWalking・Tllehatchedre亡t−
anglesares11ppOrtillgleg・TLleWlliterectanglesare丑oatil唱1略

Fig・8 IllClillationangleofrobotandkilletieenrergyinlatcralplanewhi）ewalking．

4．2 歩行
旋回と同様に，支持脚，遊脚で脚先の運動を行な．
0勺Jヱ■∧U︼J爪じ 爪じ 几V∧ノー l∧VlE∈︼占岩野﹁︻I▲m

限りは，この方法で歩行することが可能である・

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欄

う方法を用いた．足踏みが安定に行なわれているlでは，支持脚時の数倍の速度で脚を前に出す，といJ冒︼篭．−ぎh月島Eイ

脚を等速で後方に押しだし，かかっていない状態

芦屋五言習字占nU

Fig．7に示すように，脚に荷重がかかった状態では

5

︻肌竜虎■

うことで，歩行を行なうことができる．ここでは，5（旧Tim亡［1tlms∝l古．実 験Fig．9 StretcllillgmOtionofalegwhilerobotis

上述の方法を用いて歩行実験を行なった．実験Wa址ing

はベルトコンベア上で行ない，長時間の歩行を可能とした．歩行時のデータをFig．8，9，10に示す．

それぞれ，歩行時の姿勢角，足上げ量，足の前後移動量を示している．
︻∈∈︼書芸咄邑貞一年﹃たl乱teral平面内エネルギーである．Fig．4で示し0ている．下はro11軸の角度，角速度から計算されつーうに，姿勢の傾斜振幅は0．1tr叫川deg】）に収まっ

00︻邑ぢL丘ぎ弓亡吉L￠

定常的な歩行中はFig．8の前半部分に示すよ

た，位置エネルギーのピークは，本ロボットの場合0．叩］程度であるため，目標値は0朝J】としてい500
Tim亡11仇m剖光】

る．衝撃による急激な変化などは観測されるもの
Fig．10 Motionsoflegsalongwalkingdirection・の，目標値にほぼ正確に制御されでいる■

TllePOSitiveofallklepositionindi仁ateSforward

本方法では，足上げ量は，自律的に生成された足踏みの周期と，足上げ速度によって決定される・こ一5−

の実験では，Fig．9に示すように叫mml程度であ●従来，歩行ロボットに不可欠であったモデル

る．これは，ロボットに固定した座標系で計算して化を極力単純におさえ，単純なアルゴリズムいるため，ロボットのroll軸傾斜の効果も加えるによる動作を実現した．と，30【mln】以上の見上げ量を確保している・見上

今後の課過として，人間の歩行に近付けるためげ量の上に示したデータはロボットのroll軸角速に，歩幅をより大きくし，爪先も利用し，より安定見支持脚例の接地力である．重心の移動とともなものにすることが挙げられる．また，歩行と旋回に｝脚を上げ始め，角速度の反転で脚を下ろし始めの動作は独立であるため，これらを組み合わせるていることが確認できる．

ことで，従来は直線的であった2脚ロボットの歩行Fig．10は歩行時の左右の仰の接地力と，踵の前の研究を，2次元平面内での移動に拡張すること後方向の実際の移動量を示している．踵位置は，も考えている．

正値が前方への脚の振り出しを示している．脚は
叫mnl】程度の振幅で前後しており，脚に荷重がか

参考文献

かっている状態では後方に，遊脚の状態で前方に1）渡辺，井上 山門：慣性センサを用いて姿勢を安定化する竹馬型2足歩行ロボットの開発，第1移動していることがわかる，点線は左右の脚の差

4回日本ロボット学会学術講演会予稿集，No．1，195／196（1996）

をとったものであり，この絶対値が歩行時の前後

2）梶田，谷＝実時間路面形状計測に基づく動的2足歩行の制御，日本ロボット学会誌，Vol．14No．7，の開脚量（ステップ長）を示している．この歩行1062／1069（1996〕

では50〜70【111111Iである■

3）山口，木下，高西，加藤：路面形状に偏差のある環境

以上の歩行実験の結果は，周期的であるもののに対する適応能力を持つ2足歩行ロボットの開発，
日本ロボット学会誌，Vbl．14Ⅳ0．4，546ノ559（1996）

一定周期ではない．これは，本方法が固定周期を持4）江村，熊谷，小川÷郷古＝移動ロボット用姿勢センサのマルチセンサ法による特性向上，第5回ロボット
センサシンポジウム予稿集，33／3即1996）

たないため，当然の結果である，

6． お わ り に本研究では，人型2脚ロボットの動歩行を，歩行パターンを定義せずに行なうことを目的とし，以下の成果を得た．

●ロボットに必要と思われるセンサ類を考察し，ロボットの要求する性能を満足するセンサを開乳搭載した．
●1ateral平面内の力学的エネルギーに着目し，足踏みを安竃に持続することに成功した．
●足踏み動作を利用し，ストライド長100〜
12坤11Illlの動歩行を実現した・●足踏み動作を利用し，過去の研究を大幅に上回る速度での旋回を実現した．

ー6一