計測自動制御学会東北支部 第 213 回研究集会 (2003.12.12)
資料番号 213-19

小型ヒューマノイド ロボット HOAP–2の遠隔操縦
Teleoperation of the small size Humanoid Robot HOAP–2○松本剛明 ∗ ，近野敦 ∗ ，内山勝 ∗○ Takaaki Matsumoto∗ , 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)，マンマシン インタフェース (Man-machine interface)
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
松本剛明，Tel.: (022)217-6973，Fax: (022)217-6971， E-mail: takaaki@space.mech.tohoku.ac.jp

1.

はじめに動作を操作指令に応じ て結合し ，実時間でヒューマノイド ロボット の動作生成を行う．

人間は 200 以上の自由度を持つとされ るが ，人間を模倣し たヒューマノイド ロボットは 20から 30 程度の自由度を持っている．そのヒューマノイド ロボット の操縦において ，すべての関節を個々に 制

本論文では実時間動作生成法とジョイパット を用いたヒューマノイド 操縦イン タフェースについて報告する．富士通オート メーション 社製のヒューマノイド ロボット HOAP–2での実験結果を示す．

御し て操縦することは不可能であり，何らかの イン タフェースを用いてより低い自由度で操縦する必要がある．例えば 本田技研工業の ASIMOがジョ

2.

HOAP–2諸元イパッド を 用いて 操縦され ている．ジョイパッド

2.1

主な特徴

での操縦は直感的でわかりやすく，技術者はもちろん 非専門家でも簡単に操縦が 可能である．

ヒューマノイド ロボット HOAP–2の外観を Fig. 1 に示す．HOAP–2は身長は 500 [mm]，重量は 7 [kg]とところが このような イン タフェースを用いた場合，操作者の操作指令に応じて，実時間でヒューマノイド ロボットの動作を計画する必要がある．しかし 全く無の状態から実時間で動作計画を行うのは困難である．

小型・軽量である．OSとし て Linuxに実時間性を付加し た RT-Linuxを採用し ており，構成デバ イスの イン タフェースも公開され ている．各部を繋ぐ体内LANには USB1.0を採用し ており，高速かつ容易にデバ イスを扱うことができる．また 1 [ms] の本研究では，ヒューマノイド ロボットの動作を，あるまとまりのあるプ リミティブ な動作に分割し ，周期で制御が 可能である上，オプ ションで無線での制御や頭部カ メラの搭載にも対応し ている．

あらかじめ用意しておく．これらのプ リミティブな–1–

Fig. 1

2.2

An overview of HOAP–2.

ハード 構成Fig. 2

HOAP–2 の関節の配置を Fig. 2 に 示す．その自由度の内訳は ，Arrengement of DOF of the HOAP–2.

ュータは米Dell社製Precision M50 (CPU: Pentium4• 6DOF/脚 × 2

Mobile 2.5 [GHz]，RAM: 1 [GB], HDD: 60 [GB],• 4DOF/腕 × 2

Video: nVIDIA Quadro4 Go 700)，ジョイパッド は• 1DOF/腰 × 1

Logicool 社製 WingMan GAMEPAD EXTREMEで• 1DOF/手 × 2ある．またシ ステムの構築にあたっては ，以下のような仕様を作成し た．

• 2DOF/首 × 1• 有線操縦と無線操縦に対応することの計 25DOFである．

• 両操縦方式に おいて 操作方法が 統一され てまたセン サは ，いること• FSR 圧力セン サ × 4 /各足底

• ジョイパッド の十字キーの上方向が押されて• 3 軸角速度セン サ × 1 / 腰いる間だけ前進歩行が 継続可能なこと• 3 軸加速度セン サ × 1 / 腰• 歩行し ながらの旋回が 可能こと (十字キーの• 角度セン サ × 1 /各関節斜め上方向に対応)• 足踏みし てその場で転回が 可能なことを搭載し ている．

• 特定の動作をボ タンに割り当てられ ること

3.

システム構成3.1

システムの仕様3.2

有線操縦時の構成

有線操縦時の構成を Fig. 3 に 示す．有線操縦時開発し た HOAP–2 の遠隔操縦シ ステムは ，マン
マシン インタフェース用コンピュータ，ジョイパッド

では，動作指令コンピュータとロボット 本体の通信に USBを用い，高速かつリアルタイムの通信が 可および ロボットからなる．インタフェース用コンピ能である．ロボット 本体の電源には外部電源 (DC–2–

Operation instruction
computerUSB data transfer

OS: RT-LinuxRobotUSB

Joy padPower supply

External power supply

Fig. 3

Configuration in the wired control mode.

Man-machine interface.

Robot

Operation instruction
computerWireless LAN card

OS: RT-Linux
Wireless LAN
Joy padFig. 5USB

Central control unit
OS: RT-Linux

Wireless LAN access point

Fig. 6

Battery

Fig. 4 Configuration in the wireless control mode.

Graphical joy pad emulator.とジョイパッド からなる．
イン タフェースの外観を Fig. 5 に 示す．イン タ

24 [V]) を 用い る．動作指令コンピュータの OS はフェースソフトウェアはジョイパッド より与えられ

RT-Linux version 3.2 pre1である．なおジョイパッる指令を，動作生成システムへ LAN 経由で送信す

ド は有線時も無線時もインタフェース用コンピューることが 主な役目である．なお指令値はロボット

タに接続される．有線操縦時では，ロボットは USBの軌道ではなく，ジョイパッド の十字キーの方向，デバ イスの一種と見なすことができる．

各ボタンの ON/OFF 情報など である．有線時は動作生成シ ステムも同じ コンピュータ上で実行され3.3

無線操縦時の構成

るが ，イン タフェースソフト ウェア 側で localhost

無線操縦時の構成を Fig. 4 に 示す．無線操縦時
では ，イン タフェース用コンピュータと ロボットの中央制御ユニットとの間で無線 LANを用いて通へソケット を 接続する．よって有線時と 無線時のソフト ウェアの変更点は ，ソケット の接続先だけである．
インタフェースソフトウェアは米 Borland 社製の信を 行う．ロボット の 電源には 内部バッテ リ (DC24 [V])を 用いる．動作指令コンピュータについては ，本操縦シ ステムでは有線操縦時のコンピュータを 無線時にも用いている．ロボット の中央制御

Linux 用統合開発環境 “Kylix 3”を用いて作成した．
GUIを採用し ているため，直感的な操作・設定が可能である．さらにジョイパッド が ない環境でも操作できるよう，ジョイパッド の GUIエミュレータ

ユニット の OSは RT-Linux version 3.1である．

も搭載し ている．その外観を Fig. 6 に示す．

4.

インタフェース

本操縦シ ステムは インタフェースと動作生成システムから成る．まず イン タフェースについて記
す．インタフェースはインタフェースソフトウェア

–3–

5.

動作生成システム

5.1

機能と動作

動作生成シ ステムは イン タフェースソフト ウェ
アから操作指令を受信し ，あらかじ め用意し たプ
リミティブ な動作パターン に対応付け，動作軌道を指令する機能を持つ．ここでいう動作軌道とは，あるまとまりを 持った動作に対する目標関節角度のデ ータである．動作生成シ ステムは ，実時間で次々と 動作軌道を 連結し ていく．あらかじ め用意

Fig. 7

Concept of the continuous motion and thediscrete motion.

されている動作軌道はシームレ スに繋が るよう配

ば ，任意の時間歩行することが 可能であることが慮し て作ってある．連結され た動作の例とし て，わかる．
このように任意の時間継続され る部分を持つ動

1) 右前方へ歩き出す

作を連続性動作と呼ぶこととする．厳密に言えば

2) そのまま歩き続ける

ヒューマノイド ロボットが 任意の距離を 移動する

3) 歩き終わる

ためには，歩幅は可変である必要がある．しかしななど がある．

がら本動作生成システムは簡略化のため歩幅を固定し ，nは整数で与えられ るものとし て製作し た．

5.2

原理と構成

連続性動作のような，必要な時間だけ継続されまず本研究にて考案し たアルゴ リズムの基礎原る動作がある一方で ，その動作だけで完結し ，それらを結合することで操作指令を実現できる運動

理について記す．
現在本操縦シ ステムは平坦な床での運用を想定がある．これを離散性動作と呼ぶことにする．
連続性動作と 離散性動作の概念を 図に 表すと ，し ているが ，そのような環境下におけ る移動は任意の距離で行われ る．よって移動する動作は任意Fig. 7 のようになる．の距離だけ続かなければ ならない．し かし 例えば

例えば 前進という動作は動歩行のような連続性

前進動作はひとたび 歩行を開始すれば ，基本的に動作とし ても，ステップ の連続のような離散性動

左右の足を交互に出す動作の繰り返し となる．そ作とし ても実現できる．ある動作を連続性動作との後，歩行終了動作を行って前進は終了すると 見

離散性動作のど ちらで も実現可能であ るならば ，なせる．

連続性動作のほ うが 人間のような自然な動きになるが ，動力学を考慮する必要がある．

し たがって歩行動作は

1) 開始動作 (歩行開始)

5.3

2) 継続動作 × n (歩行継続)

動作計画

動作計画は連続性動作と離散性動作の両方が 実

3) 終了動作 (歩行終了)現できるようなものでなければ ならない．動作計という 3 種類のプ リミティブ な動作に分解できる．
よって指令が 出され ている間，継続動作を続けれ画に際し て，各動作への遷移の起点となる初期状
態は “膝を曲げ た直立姿勢”とし た．膝を曲げ た直–4–

Forward

ForwardLeft

Right1'

Right 1

411''

4''

Left 2

3Left 1
Fig. 8Right 2First step of starting of walk.

3'3''

22'

立姿勢は静的に安定であり，外乱に対し てロバ ス
トである．

1

ここでは前進歩行，旋回歩行を連続性動作として ，その 場での転回，バ イバ イ，お辞儀など を 離散的動作とし て実装する．その場で転回する動作に関し ては，一定角度の転回を必要に応じ て繰りFig. 9

Motion of walk continuation.

返すことによって実現する．連続性動作とし て実ることにより，操作指令に沿うように動作を生成
装する歩行は ，歩行開始，歩行継続，歩行終了のする．なおいずれの動作軌道も右足と左足を一回三つに分離し ，それぞれの動作パターンを用意すずつ出し て一つの動作とする．
る．歩行開始動作と歩行継続動作は ，前進・右旋• 連続性動作

回・左旋回の三つずつを 用意し た．これにより前方はもちろんのこと ，左右に向けて歩き出すこと

1) 前進歩行開始

も，歩きながら旋回することも可能となる．なお

2) 右旋回歩行開始 (15[deg])

歩行終了動作は旋回を行わないものとし た．

3) 左旋回歩行開始 (15[deg])

さらに歩きながら旋回する場合，遊脚時に遊脚

4) 前進継続を前へ出し て前進を継続するか ，遊脚側に出し て

5) 右旋回歩行 (15[deg])

旋回を行うか判断するものとし た．人間は遊脚を

6) 左旋回歩行 (15[deg])

支持脚側に出しての旋回ができるが，小型のヒュー

7) 歩行終了

マノイド ロボット には構造的に難し いためこのよ• 離散性動作

うな対処を行っている．

1) その場右転回 (22.5[deg])

これらを図で表すと ，歩行開始時の一歩目の動

2) その場左転回 (22.5[deg])

作は Fig. 8 ，歩行継続時の動作は Fig. 9 のよ うになる．例えば Fig. 9 で 左旋回歩行は 1 → 2 → 3 ，

右旋回歩行は 1 → 2 → 3 → 4 となる．

5.4

また移動以外の動作に関し ては ，お辞儀とバ イ
バ イを実装し ている．

システムへの実装

6.

以上をまとめると ，移動に関し ては次の九つのプ リミティブ 動作を用意し ，これらを組み合わせシステム運用構築し た操縦シ ステムによって HOAP–2を操縦し ている写真を Fig. 10 から Fig. 15 に記す．

–5–

Fig. 10

Starting of walk (front view).

Fig. 11

Starting of walk (side view).

Fig. 12Fig. 13Bow.

–6–

Bye-bye.

Fig. 14

Rotation to right.

Fig. 15

Walk turning to left.

7.

おわりに

本論文では，小型ヒューマノイド ロボット HOAP–

2 の操縦シ ステムと ，実時間動作生成シ ステムの原理および 開発について述べた．更なる高機能化のために ，次のような機能拡張を予定し ている．

• ZMP，加速度，速度情報を利用し た制御• 動的安定化• 動力学シミュレ ータの開発• ロボット の 3Dモデルの描画• アーム，ハンド の操作シ ステムの開発• 自律行動プ ログ ラムの作成

参考文献
1) “小型ヒューマノイド ロボット「 HOAP–2 」取扱説明書”，富士通オート メーション株式会社，

2003．

–7–