計測自動制御学会東北支部 第 245 回研究集会 (2008.10.24)
資料番号 245-8

小型ヒューマノイドの各種動作実現
Various Movement Realization of a Small-Sized Humanoid○島田英史 ∗ ，大久保重範 ∗○ Hideshi Shimada∗ , Shigenori Okubo∗ , Tatuya Takahashi∗*山形大学*Yamagata University
キーワード : 二足歩行ロボット (biped locomation robot)，トルク制御 (torque control)，電流制御 (currentcontrol)

連絡先 : 〒 992-8510 山形県米沢市城南 4-3-16 山形大学 工学部 機械システム工学専攻 大久保研究室
大久保重範，Tel.: (0283)26-324，E-mail: sokubo@yz.yamagata-u.ac.jp

1.

はじめに

そこで本研究では，各サーボモータのトルク制御を可能にし，ロボットに柔軟性を持たせることヒューマノイドロボットは人間の形を模したロとした．

ボットである．このことから，人間の環境や人間の道具をそのまま使えるという特徴を持ち，これらの環境や道具をロボットに合わせて作り直すよ2.

研究目的り，経済的だと言われている．また，人間の形を小型ヒューマノイドロボットの各関節のアクチュ模しているがゆえに，人間自身が親近感を感じやエータとして用いられているサーボモータは位置すいといった特徴もある．そのため，企業や研究制御系がモジュールに内蔵されているが，ロボッ機関にあるような人間と同サイズのロボットのみ

ト全体の制御系としてはオープンループで構成さならず，近藤科学から発売されている KHR-1 のよれている．このため，関節角度等のフィードバック

うに各関節のアクチュエータをラジコン用サーボ値を把握することができず，周りの環境に構わずモータで構成された小型ヒューマノイドロボット駆動しようとする．このことが，時として周囲にが一般家庭にも普及している．

危険を及ぼす要因となる．よって，各サーボモー

人型という特性上，脚部に配されたサーボモータのトルク制御を可能とすることで，フレームのタには大きな負荷が掛かるため，安定した動作を干渉等による故障も防げるのではないかと考えた．

追及するという目的から，ロボット用の高トルクまた，本研究に使用するヒューマノイドロボッのサーボモータが市販されているが，高トルクでトは人間に近い動作を実現するために独自の機構あるほどサーボモータの発熱による故障や最悪，を備えている．トルク制御を行うことで，より自周囲に危険を及ぼす可能性がある．

然な動作を出来ると期待できる．

–1–

3.

ヒューマノイドロボットの概要

Table 1 Basic spaeciﬁcation
Degree of freedom 24

現在多くのヒューマノイドロボットは膝を曲げHeight [mm]500

た姿勢で歩行を行っており，それがヒューマノイ

Width [mm]210

ドに違和感を感じる一つの要因となっている．こDepth [mm]140の理由は主に 2 つあり，1 つは逆運動学により関節Weight [kg]2.9

Voltage [V]7.4

角度を求め動作しているロボットの場合，脚を伸ばしきるとその姿勢が特異点となり，逆運動学が解けなくなるため，もう 1つは脚を伸ばしたまま歩4.

トルク制御の原理

行を行うと，安定した歩行が行えないためである．

トルク制御を行う場合，アクチュエータにおい人間の場合，つま先及び腰の関節を使うことで擬て出力トルクを制御する必要がある，一般的なラ似的に左右の足の長さを変え，それによって，歩ジコン用サーボモータには DC モータが用いられ行時に膝を伸ばした状態でも安定した歩行を行う．ており，その出力は式 (1) で表される．

本研究で使用するヒューマノイドロボットは，人間に近い見た目の歩行を行わせるために，腰に該τm = Kτ ia(1)当する機構として腰にロール軸を，つま先に該当する機構としてロボット独自の冗長自由度を設け

τm [N・m] : モータトルク Kτ [N・m/A] : トルク係数ている．この機構により，膝を伸ばした歩行や脚ia [A] : モータ端子電流を交差させる隘路歩行が可能となっている．
ロボットの外観をFig.1に基本仕様をTable.1に示式 (1) により，DC モータに与える電流 ia を制御す．また，モータには近藤科学製のロボット用サーすることが可能であれば，モータの出力トルク τmボモータ(KRS2346ICS,2350ICS)及び，JR PROPOを制御することが可能である．

製のロボット用サーボモータ (DSR8901) を使用し，近藤科学製のロボットコントロールボード(RCB-3)
によりモータを駆動している．

5.

モータコントローラの概要

5.1

以前製作していたモータコントロー
ラ

以前製作していた電流コントローラはサ ーボ
モータのコントロール部分を改造し，ポテンショメータと抵抗を用いた電流検出アンプ (MAX4376)
により位置情報と電流値の取得が可能で，Hブリッジ回路上の供給電圧のデューティー比を変化させることにより，モータに流れる電流値を制御し，モータの出力トルクを制御することが可能となるFig. 1

Appearance

ものだった．モータコントローラの構成を Fig.2 に示す．

–2–

外観を Fig.4 に示す．今回はモータコントローラの動作確認を行うため，コントロールボードは近藤科学製のRCB-1，サーボモータはFutaba製のS3003を使用ししている．

Fig. 2 Hardware structure of previous motor controller

5.2

問題点

以前製作していたモータコントローラはサーボモータのコントロール部分を改造したものであっ

Fig. 3

Hardware structure of new motor con-troller

たため，PWM信号で容易に位置制御を行えるというサーボモータの特色を消してしまっていた．これにより，通常のサーボモータとの互換性が失われ，サーボモータ用モータコントロールボードからの使用が不可能となっていた．
また，電流検出アンプは電流経路に直列に電流検出抵抗を挿入して，抵抗の前後の電位差から電流を測定するため，電力損失が増すというデメリットがある．

6.

Fig. 4

新たに製作したモータコント

Composition of motor controller

ローラ
今回新たに製作したモータコントローラは，サーボモータやコントロールボードに手を加えず，位7.

電流センサ

7.1

電流センサの概要

置を制御しているコントロールボード部と独立させることで，PWM 信号による位置制御をそのまま残し，途中の電源ラインから電流値を測定し，その測定値から，電源ラインのデューティー比を変更することで，トルク制御の可能を目指した．
また，電流値の検出にホール素子内蔵の電流セ本研究に使用する電流センサはアレグロマイク
ロシステムズ社製電流センサ IC(ACS715) である．
この電流センサは磁界を受けると電圧を生じるホール素子が内蔵されており，電流の周りには電流に比例した磁界が生じるので，電流を間接的に測定できる．

ンサIC(ACS715)を使うことで，電力損失を少なくしている．

使用する電流センサの外観をFig.5に，性能をTa-ble.2 に示す．外形は 8 ピンの SOIC タイプで 1，2 番

新 た に 製作し たモータコントローラの 構成 をFig.3 に，実際に製作したモータコントローラのピンと3，4番ピンを電流経路に挿入し，7番ピンから電流に比例した電圧が得られる．

–3–

Fig. 5

Table 2ACS715

Fig. 6Appearance of experiment

Spaeciﬁcation of current censor

Part number

ACS715LLCTR-20A-T

Optimized range [A]

0 to 20

Sensitivity [mV/A]

185

Conductor Resistance [mΩ]1.2

Fig. 7

7.2

Value of sensor

実験
約 0.27[A]，0.30[Nm] 時に約 0.39[A] と値が大幅に異

この電流センサが正確に電流値を測定することが可能であるかを確認するために行う．

なり，負荷を掛け続けた状態ではほぼ一定の電流値が検出されているにも関わらず，大きく値がば

実験方法は，コントロールボードとサーボモーらつくこととなった．

タの電流経路に電流センサを挿入し，サーボモータに一定角度を保持させた状態で，サーボモータの回転軸に 0.10〜0.29[Nm] の負荷を掛け続けた際にサーボモータに流れる電流を計測した．これはこの原因としては使用した電流計で表示される値が，一定期間の平均値であることが挙げられる．
よって，取得した値から 80[msec] 毎に平均値を求めた．その結果を Fig.8 に示す．

電流値とトルクが比例関係にあり，一定の負荷トルクが掛かり続けた際，一定の電流値が供給されるためである．サンプリング周期は 10[msec] としている．Fig.6 に実験の様子を，Fig.7 にその結果を示す．

この結果から，A/D変換された値は最小で105〜108，最大で 137〜138 となる．H8/3069F マイコンの10bitA/Dコンバータで読み取った値であるので，センサの感度から最小で 2.70[A]，最大で 3.61[A] となるが，電流経路に直列に電流計を接続し計測したところ，0.10[Nm] 時に約 0.15[A]，0.20[Nm] 時に–4–

Fig. 8

Value of sensor

8.

考察

どのような違いがあり，このモータコントローラがどの程度まで適応できるのか確かめたい．

結果より，各負荷ごとの平均値が大体均等に分かれているものの，その平均値同士であってもばらつきがあった．これは平均値を取得する時間を長くすることで，より正確な値が計測できると思また，コントロールボードとサーボモータから完全に独立したシステムのため，歩行などのモーションにいかにトルク制御を適応させるかを考える必要がある．

われる．
また，電流経路に電流が流れていない状態で，A/D変換された値は，105〜108を出力していたが，参考文献これは不平衡電圧であると思われる．不平衡電圧とはホール素子の等価回路の四つの抵抗にアンバランスが生じると，磁束密度が 0 であっても出力端子間に発生する電圧のことである．
この値を Fig.8 の平均値から引き，電流センサの感度を用いて計算すると，実際に電流計で計測した値とほぼ一致した．

9.

おわりに

今回はコントロールボード，及びサーボモータから独立したモータコントローラを考案し，電流値検出のための抵抗による電力損失の問題に対して，解決案として用いるホール素子内蔵の電流センサ IC の動作実験を行った．その結果，適した間隔での平均値や不平衡電圧を考慮し計算することで，電流計で検出した値とほぼ同じ値を導出することが可能であるとわかった．
しかし，電流値自体，配線やシステムによって微細に異なるため，どのようなセンサを使用しても，実際に電流計で電流値を計算するといった作業は必要である．
．
今後は，電源ラインの供給電圧を PWM 信号化し，デューティー比を変化させる場合，電流値の減少に伴い，電圧値も減少するが，サーボモータの規格によっては，一定電圧を下回った場合，強制的にサーボモータをフリーにするといった仕様のものもあるので，サーボモータの仕様によって–5–

1) 友國 伸保，雑賀 優，藪田 哲郎: トルク制御可能なサーボユニットを用いた小型ヒューマノイドロボッ
ト，日本機械学会論文集 (C 編) 148/155，(2005)
2) 友國 伸保，雑賀 優，小山 祟之，黄 健，藪田 哲郎:
コンプライアンス制御可能な小型ヒューマノイドの研究，ロボティクス・メカトロニクス講演会’07
講演会論文集 1P1-S-047，(2005)
3) 梶 田 秀 司: ヒュー マ ノ イ ド ロ ボット，オ ー ム 社 ，(2005)
4) 米田 完，坪内 考司，大隈 久: はじめてのロボット
創造設計，株式会社 講談社，(2001)