計測自動制御学会東北支部第 297 回研究集会 (2015.10.23)
資料番号 297-2

手首が柔らかい 4 本指ハンドを備えた 6 脚作業移動ロボットの開発
Development of Working Six-Legged Robots with Four-Fingered Hands ofFlexible Wrists〇佐々木 洸太，井上 健司〇Kota Sasaki, Kenji Inoue

山形大学
Yamagata University
キーワード：6 脚ロボット (Six-legged robot)，4 本指ハンド (Four-fingered hand)，柔軟手首 (Flexible wrist)，ワイヤ駆動 (Wire drive)
連絡先：〒992-8510 山形県米沢市城南 4-3-16
山形大学大学院理工学研究科応用生命システム工学専攻 井上健司
TEL&FAX: 0238-26-3335, E-mail: inoue@yz.yamagata-u.ac.jp

1. はじめに
災害現場などの危険な環境でロボットが活動するためには，一台で高い移動能力と作業能力を併せ持つ必要がある．そこで，著者らの研究室では，高速かつ安定な移動を行う
6 脚モード，ボディを水平にして低所での 2腕作業が可能となる水平 4 脚 2 腕モード，ボディを垂直にして高所での 2 腕作業が可能となる垂直 4 脚 2 腕モードの 3 つのモードに切り替え可能な 6 脚作業移動ロボットを開発している[1,2]．
先行研究[3]では，全ての脚先に 4 本指ハンドを取り付け，形や大きさの異なる物体の把持実験，ハンドを閉じた状態での 6 脚歩行実験を行った．その結果，ロボットの作業能力・移動能力は拡大されたが，脚先とハンドの結合部分（以下，手首と呼ぶ）が固定されていたため，把持や歩行が制限されるという問題があった．
本研究では，手首に柔らかい素材を用い，ハンドが物体を把持したり着地したりする際に，形状や外力に応じて手首が変形することでなじむ効果を発揮する 4 本指ハンドを提案する．このハンドをロボットの全ての脚先に取り付けて実験を行い，脚先接地能力や物体把持能力を検証する．
2. 6 脚作業移動ロボット
ハンドを取り付ける前の 6 脚作業移動ロボットを図 1 に示す．直方体のボディの下面四隅に 4 本の脚を，上面の二隅に 2 本の脚を配置している．脚の自由度は 3，よってロボットの自由度は 18 である．関節には ROBOTIS社のサーボモータ Dynamixel RX-64 を使用した．外部のメインコンピュータでロボットの動作を生成し，有線の RS-485 を介して関節角指令値をサーボモータに送り，ロボットを動かす．ロボットのサイズは，脚を水平に広げ た 状 態 で 約 74[mm]×82[mm] ， 重 量 は5.15[kg]である．ロボットは，外部直流電源18.5[V]を用いて駆動する．

3. 4 本指ハンド
先行研究[3]で開発した 4 本指ハンドを図 2に示す．このハンドは，指の根元部分が図中の十字の部材Ａに連結されており，部材Ａを出し入れすると 4 本指ハンドが一斉に放射状に開閉する仕組みになっている．サイズは図に示す通りである．
先行研究[3]では，サーボモータを手首に置き，部材Ａがモータ軸にリンクで連結されていた．そのため，モータを回転させると部材A が動き，ハンドを開閉できる．モータのベースは脚に固定されており，手首は硬く曲がらない．そのため，以下の問題があった．
(a) ハンドは放射状に開閉するため，ハンドの中心に物体を置いて四方から把持しないと，片側の指に負荷が集中する，ハンドが閉じない，物体が動くといった不具合が生じる．
(b) 脚は垂直に着地するとは限らない．ハンドを開いた状態で斜めに着地すると，4 本指が同時に接地できず，接地した少数の指でロボットの自重を支えなければならない．そのため，モータの過負荷や指の破損を招く危険性がある．

4. 手首が柔らかい 4 本指ハンド
4.1 全体構成
本研究では，手首に柔らかい素材を用い，ハンドが物体を把持したり着地したりする
際に，形状や外力に応じて手首が変形してなじむ効果を発揮する 4 本指ハンドを提案する．
製作した手首を図 3 に，ハンドをロボットの脚先に取り付けた状態を図 4 に示す．手首のサイズは図 3 に示す通りである．手首の柔軟素材には，ラジコン用のゴムタイヤを用いた．ハンド開閉には，ROBOTIS 社のサーボモータ Dynamixel RX-28 を使用した．モータを手首に置くことはできないので，ロボットのボディに置いてワイヤで駆動する．すなわ
ち，モータでワイヤを引っ張るとハンドは閉じ，緩めるとバネの力で開く．手首の断面を
図 5 に，ボディに取り付けたモータ部分を図6 に示す．詳細を以下に説明する．

5. 手首の曲げ性能の評価
図 7 のように，脚を水平に固定してハンドを閉じた状態にする．ハンドに重りをぶら下げて荷重 F[N]を加え，ハンド先端の変形量[mm]を計測した．結果を図 8 に示す．
図から，最大約 0.9[N]の荷重を加えた時に 75[mm]の変形が可能なことがわかる．

4.2 手首の構造(a) 手首にゴムタイヤを用いることで，6 自由度の変形に対応できる．
(b) 脚先側部材 B とハンド側部材 C には，ゴムタイヤが外れないように返しがあり，ハンドと脚先を連結する．
部材 B と部材 Cは 3D プリンタで製作した．
(c) ゴムタイヤがねじれたとき，ゴムタイヤの縁と返し部分がずれてしまうのを防ぐために，部材 B と部材 C とゴムタイヤの縁をネジで固定する．
(d) 部材 C 中央にある円柱 D は，部材 B 中央の大きめの穴 E を貫通している．ゴムタ
イヤが過大に変形すると円柱 D が穴 E にぶつかり，ストッパの役割を果たす．
4.3 ワイヤ駆動(a) 円柱 D に，チューブの一端を固定する．
(b) チューブの他端は，ボディ側のチューブエンド F に固定する．
(c) チューブと円柱 D の中にワイヤを通し，ワイヤの一端をハンドの部材 A に繋ぐ．
(e) チューブエンド F を通ったワイヤの他端をモータのプーリに固定し，モータ軸と部材 A を繋ぐ．モータを回転すると，ワイヤを介して部材 A が引っ張られ，ハンドが閉じる．
(f) 部材 C と部材 A の間に，圧縮バネを入れる．モータを戻してワイヤを緩めると，バネの力でハンドが開く．
(g) ワイヤの両端は，不感帯を無くすために，バネが少し圧縮した状態で固定する．その結果，ワイヤは常に張った状態になる．

6．歩行実験
ロボットの全ての脚にハンドを取り付け，ハンドを開いた状態でトライポッド歩容する実験を行った．脚が垂直に近い角度で着地するように，歩幅を 40[mm]に設定した上で，ゴムタイヤの変形により 4 本指接地が維持できるかを調べた．ボディの指令速度は50[mm/s]、制御周期は 15[mm]とした．
実験結果として，前脚・中脚・後脚の接地の様子を図 9 に示す．全ての脚が 4 本指で接地し，歩行していることが確認できる．
7．物体把持実験
ロボットの水平 4 脚 2 腕モードにおいて，腕 2 本とハンドを遠隔操作し，梯子の横木（直径 28[mm]）を把持する実験を行った．はじめに，横木がハンド中心からずれた状態でハンドを閉じ，横木を把持する．次に，横木を把持したまま脚先を上下させ，ゴムタイヤが変形する様子を調べた．
実験結果を図 10 に示す．図から，ゴムタ
イヤの変形によりハンドが横木に対してなじむ効果が発揮され，把持を維持できていることが確認できる．

8．おわりに手首が柔らかい 4 本指ハンドを開発し，6脚作業移動ロボットの全ての脚先に取り付けた．脚先接地能力や物体把持能力を実験により検証し，良好な結果を得た．今後は，手首の柔らかさを利用した梯子登りを目指す．
参考文献[1] 井上, 大江: 3 つのモードを切り替え可能な 6 脚作業移動ロボットの開発, ロボティクス・メカトロニクス講演会 2008 講演論文集, 1A1-E04, 2008/6.
[2] 関口, 井上: 6 作業移動ロボットの直立歩行, 計測自動制御学会東北支部第 291 回研究集会, 291-2, 2014.
[3] 余, 井上, 李, 小関: 4 本指ハンドを持つ 6 脚作業移動ロボットの開発, ロボティクス・メカトロニクス
講演会 2013 講演論文集, 1A1-P13, 2013.