ヒューマノイドロボッ 卜才華3の重力歩行実験

計測自動制御学会東北東郡市192回研究集会（20DO・12▲12）
資料番号192一日
ヒューマノイドロボット才葦3の動歩行実験
Experiments onDynamicl町alkingofthe Humanoid Robot
Saika−3
，近野致−，内山勝＊
0猪平栄Tヰ
OEiichiInohira♯⊃AtsushiKonno＊，MasaruUchiyama♯
＊東北大学
＊Tohol〔uUniversity
キーワード：ヒューマノイドロボット（blユmanOidro加t〕，二足歩行＝巾edwall【ing）ト知経口ポット
（i山e11igenLrobo亡〕．ゼロモーメントポイント（宅eご0】nO皿entp血t）
達緒先：〒98口＿畠579 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
碍平栄一，Tel．二（□22）217−6973，Fa：く∴（022）2］7−6971，E−mail＝iⅡ血ira鮎pac∈・m8Cb−▲tOI10加・aC・jp
才筆3のハードウェア構成，ソフトウェア構成に
1． はじめに
ついて論じ，プ・撃3の動歩行へ向けての某礎的な
近年のロボットハ」ドゥェア技術の急速な進歩
寅焼結果を報告する．
により，自立歩行可能なヒューマノイドロボット
が実現可能なものとなりつつある1）．LかL，そ
2． ハードウェア構成
れまでのヒューマノイドロボッ†の重量は100匹g］
ヒュ∪マノイドロボット才華3の概観をFig．1に
を超え．実験用プラットフォームや人間との共同
作業への応用を考えると，より曜昆のヒュ←マノ
示す．才華3を支えているプレ」ムは歩行器であ
イドロボットの実現が望まれていた．そこで筆者
り，安定な乱歩行制御系を開発するまでに∴歩行中
らは，バッテリー，コンピュータ等を搭載し．鑑
の転倒を防止する目的で便用する．才聾3は片腕
査量が約5（りl〔g］の軽量自立全身型のヒューマノイ
に7自由度，片脚に6日由度．頭部に2日由鼠 ハ
ドロボットオ華3を開発してきた2⊃3）
ンドに1自由度（末葉装）の合計30自由度を持つ，
全長は．足裏からビデオ送信樟アンテナ先端ま
二足歩行ロボットの動歩行は，主に倒立振子モ
デルによる方法′1，5），ゼロモーメントポイント（
で1271［m叫である・バッテリーを6個措萌した
zⅣlP）6）を補償する方狙およびその二つを組み
最大把重量は，およそ5D匹g］程度である，才華3
合わせた方法II7）がある．なかでもZMP制御と
のCADモデルをFig．2に示す．現在，ハンドを除
刷立荘子制御を組み合わせた方法は，高い歩行安
く部分の製作が終了Lている．
本章では，ヒニL一一マノイドロボット才筆3のハ」
忘性が得られている，
本論史では．
ドゥェアの詳細について述べる．
開発Lたヒューマノイドロボット
−1−
軍
頂
剋、．血
仙m
干−−‥； I
Fig．1 A呂napShoLofSaika−3placedinitswaLker
Fig．2 CA工〕modelorSaj由一3・
パルス信号をカウント可能なユニバーサルパルス
2．1 搭載電子機器
プロセッサを搭載した，富士通（帯）製のIuFTOIA
胴体内部には，コンピュータ，ハードディスク，
を2社債用Lた．
モータドライバ30台．6軸ジャイロスコ←プ．ビ
12［Ⅴ］，4，5［Ah］のバッテリーを2個直列につな
デオ送信機，フィールド多重化回路，バッテリー
ぎ24Ⅳ］の電源とLて用いる．したがって2晒単位
DC仲C変換器．鍵綻LANが塔戟される．
で増減が可経で，最大6個搭載できる．搭載エレ
コンピュータの進歩は近年めぎまLく．PClO4
クトロニクスの全体の消費電流は，＋5ⅠⅤ〕が9■63
やカuドPC，日立のSHシリーズを用いたカード
【A］，＋12【Ⅵが2■64［A】，−12【Ⅴ］が0・18［A］であ
コンビュ」タなど小型で性能の良いコンビュ一夕
る．バッテリーを最大数搭載L，平均浦賀電流20
が安価で人手できるようになった．才筆3ではプロ
［A］程度の運動をさせた場合，約∠15分間の駆動可
グラムの開発のやりやすさ，開発ツールがそろって
能である一 また，長時間町連続使用を可能とする
いること，准々な入力デパイ封二対応できることな
ため，外部電源からの電力供給のための端子も備
どの観点から，コンビュ］夕にはIBMPC／AT互
えてある．
換確を，OSには広く普及LつつあるL血u文を実時
モータドライバは，岡崎産業〔株）のTIT甘CH
間制御用に改造したRT−LinlⅨを採用する．また，
DRIVERlrer．2を訓台僅用した．またジャイロス
PCID4中カ［ドアCはⅠ／0カ」ドやPCIカ」ドを
コープとLて日本航空電子工業（株）のJm上呂−3□S
使う場合は結果的に体積がハーフサイズのPCより
を僅用Lている．その他，無線LA刊■（どこでも
も大きくなるとの判断から，ハーフサイズのPISA
LAⅣ2400），画像処理ボードtIP−5005BD〉など
バス仕様シングルボードコンピュータとPISAバス
を搭載Lている．
のパッシブバックプレーンを使用する．
ハ」ドゥェアの全体構成をFig．3に示す．
Ⅰノ0ボ」ドには，AノD変換機を16血D／A変換
機を16ch，また16ch分のA相とB相のエンコーダ
ー2−
〔a）LayeLLSOfthe50le．（b〕Allo（ニatic・nOftheFSR・
Figト4 StructuTeOftlleSOle・
Flg・3 Blockdiagramofcontrol町SteIn・
2．2 足底構造
足底は一 アルミニウム振，FSR．飴ゴムシートー
Fig・5 Mea5urementOfZhノ1P・
アルミニウム根」発泡スチロール．7ルミニウム板，
ソルポセイン．の7層柿遣となっている（Flg・4〔可）・
足．某にはZMPを計測するためにインターリンク
Tat】1ellayersaユ1d山nctionsofcontrol帥氏wa上巳
⊥ayer5
functioms
〔株）のFSR〔FoTCeSen如i、reR．csistor）を刷耶二つ
U占erintE5rface SelectioI上0壬■rl10tionpa［t，Crn
き12枚ずつ貼り付けてある（Fig・4阿）．
Motion亡Ont，rOI Planningofjointtra］e仁tOries
Devic巳COntrOI Sensory data acq11isitionand
，tOintselLVOlng
2．3 2：MP計測
ゼロモ」メントポイント（訊岬）6）のFSRに
よる制定原理をFlg．5に示す．鞘＝［ご去っ肌］Tは
FSRが貼り付けられた場所を表す・また，pZ」up
＝【∬z」l肌封Z財P］rは訂MPである・Zh4Pはpiに
作用する床圧力f】を測定することで，次式から求
めることができる．
、
二ご・．
・
Ⅱz九日）＝＝＝
±、√
訂Z八イP＝
1＝1
．＝l
（1〕
皇ム
上＝三1
3．ソフトウェアの構成と実装
Fig．6 Co王1短urationofcontrol呈上唱SOfヒWa∫e一
3．1 オペレーティングシステム
Fig．6に，現在開発中の才筆3の制御システム
才華3制御用OSにはm−Linuxを採用L，カー
のブロック間を示す．RT−Linuxでは，実時間処理
ネルにはもin11Ⅹ2．2．17にRT−LinuxV2．3のパッチ
をカーネルモジュールとして記述L，カーネル空
を当てたものを慣用Lている．
間において実行する．才筆3では．現在以下のニ
ー3−
つのモジュ］ル官用いている．
● RIF−01．0
インターフェースボードRIF一口1Aに対Lて
入出力を行う関数群を捷供するデバイスド
ライバ
● Servo．0
FigL7 Layersandcommuni粗tiDnヨ・
客間節のサーボ，ZMPの計算などの処理を
一定周期ごとに実行するスレッドを生成する
モジュール
これ以外の軌道計画等の処理は．ユーザプロセ
スで行っている．これは，効牢的にソフトウェア
を開発するためである．ユーザプロセスにバグあ
る場合，カ】ネル空間を壊さない限り．システム
がハングアップすることはない．Lかし，カーネ
Fig．当 De5CriptiロnOf皿0もionpat七ern3．
ルモジュールにバグがある場合，メモリ保護機能
が働かないためシステムはハングアップしてしま
う．多くの場合，このようなバグを追跡するため
最下層のデバイス制御層では．各関節のサ」ボ
の情報を得ることができない状態に陥るため，バ
を行うために，リアルタイム処理を行う必要があ
グの修正には多くの時間を賀やすことになる．つ
る．デバイス削御層のソフトウエアは，すべてカー
まり，可能な限り必要な処理をユ」ザプロセスと
ネルモジュールとLて実装する，
Lて実現Lていく方が，時間と労力を節約できる，
遊動削御層とデバイス制御層の間のインタフェー
ⅠモT1inuxでは．ユ］サブロセスとカu十本ルモ
スには，m−F工FOと≠キ有メモリを用し1ている．RT−
ジュールが通信するために，RT−FIFOというキャ
FIFOは．コマンドの送信と同期をとるために用い
ラクタ型デバイスが用意されている．ユーザプロ
ている（Fig．7）．
セスでは，RT−FIFOを介してコマンドを送信L，
ユーザインタフェース層と運動制御闇には，ロー
ロボットの動作を制御する（Fig．6J．
汁Ⅸドメインソケットを問いている（Fig．7∴ 現
ユーザプロセスは．コマンドを送信した後∴か一
在はユ」ザインタフェースでは⊃ UNTXのシェル
束ルモジュールはロボットの状態を越されるまで，
のようなCt71を慣用Lている．
デ」夕貴借待ちの状態になっている．これを利用L
i寧勤制御層とエーザインタフユース層のソフト
てカーネルモジュールとユーザプロセスは同期を
ウェアは，厳密なTノアルタイム処理が行う必要で
とっており，CPてJの負荷が大きくなければ，軌道
はないのでL血ux上で実行する．
計画等の処理を一定周知ごとに行うことができる．
4．行動パターンの記述
3．2 制御ソフトウェアの構成
ヒューマノイドロボットの行動パターンの記述
才華3を操作するソフトウエアほ，T址1elに示
方法をあらかじめ統一Lておく．才華3で用いる
す三つの階層からなる．
“4
方向に倒れてしまう．静的なバランスをとらずに
行動パターンの記述モデルをFl軒呂に示す．
足踏み動作を行えるかを確認するために，体斡を
行動パターンを追加するたびに，必要ないフ7
イルまでコンパイルLなくてもいいようにするた
左右に堀帽40［m叫，周波数0・‖叫で移動させ
めに，実行中にオブジェクトフ7イルをロ」ドし
る実．暁を宿った．Fig．9に示すように，静的なバ
てリンクを行うダイナミックローディングという
ランスをとらなくても体幹の移動によって見附み
確能を用いる．
動作が実現できることを実演により確認Lた．
まず】雲顎Lたい行動パターンを上述の記述モ
6． おわりに
デルに当てはめ一アig．邑の5つのブロックのそれぞ
れに対応する関数をプログラミングする，このと
開発Lた軽量ヒュ」マノイドロボットオ華3の
き，作成する関数の型を統一しておく．作成Lた
安定動歩行のための第一歩として．簡単な歩行基
ソ］スファイルをコンパイルLてダイナミックラ
礎実験を行った．今回の基層実験でほ胴」のトルク
イブラリを作成する．
は十分であり，バッテリー最大括飛時（8閻で12
このような手順で作成したダイナミックライブ
［止g］）においても屈伸運動が可能であることが確
ラリをロードすることによって，メインプログラ
認された．
ムを再栴某することなく，行動パターンを追加す
理僧侶MP軌道からジョイント軌道を求める解法，
ることが可能になっている．
ZMPの補償制御の開発㌧ ZMP回りでの倒立振子
メインプログラムでは，行動パターンを実現す
制御法の確立と，安完動歩行のためには開発Lな
るFig．8の5つの関数を順番で呼び出L英行する
ければならない喜班題ほ多いが，一つ一つ問題を解
ことで．指定された衝動を発現する．
決L，早急な安定動歩行の実現を目指す．
5． 実験
参考文献
1）広瀬真人，什中i軋五味乳小澤信明・人間型ロボッ
動歩行のための基礎実験として足踏み動作と屈
ト⊥甘木ロボット学会誌∵血1．15，Ⅳ仇7，pp・98ヨー985，
伸動作を行った．足踏み動作の梯子をFig．10（a）
1997．
2）近野艶自記1軌古田友乏，加藤稚阻内山勝⊥ヒュー
マノイドロボットオ華3の開発．日本龍循学会ロボ
、（f）にっ屈伸動作の様子をFig■g（a）、（r）に示す■
テイクス・メカトロニクス講演会コロ0誹総論文集Tpp，
まず．アクチュエータの性能を確認するために，
2Pl−79−123，2000．
屈伸動作案偲を行った．勤歩行を実現する上で．ア
3〕A七5116玩Konn恥Noriyo血1Ⅰ〔a叫SatoshiSllir孔ta＝
クチュエータの出力トルクヒ回転数は極めて真琵
Tomロy山：iFu∫uta，andM孔Sa∫uVcユ1iyユma・Develo㌢
な要素である．そこで，Fig．10に示すような屈伸
Pmc．げ上古且卑／兄∫J九！・仇叫㍉m血加嘩押両月油抽
血相d∫y壇mβ，pP・1565−157ロコ2000・
men七ofatighlトWbigムセ8ipedH−1ma−10idfid〕0仁・工n
動作をスムーズに行うことができることを実験に
4〕舌荘純次∴数的二足歩行ロボうトの制御−その低次
モデルおよび階層別御帯−，日本ロボット学会路
より確認Lた．
Vol．1，No13，PP・1呂219□，19呂3・
つぎに，動歩行を実現するための基礎となる足
5〕梶田寿司1谷和男⊥線形間立振子モードを規範とす
る凹凸路面上の動的2足歩行制御．計測自動制御学
踏み動作実験を行った．動歩行を行うには，ある
会論文狙Vol．31，No．10，pp．170517エ4，1995・
悲度の速さで重心移動を行い，片方の足底上に重
6Jブコプラトピッチ「歩行ロボットと人ロの足（加藤，
山下訳）．日刊工業新聞社，1975．
心が完全に乗る前に，もう片方の脚を上げ始める
7）長坂憲一軋稲葉雅章，井上惇允．体幹位置コンプラ
イアンス副御を願いた 人間型ロボットの歩行安定
化．第17回日本ロボット学会学術講偏会予稿集｝pp−
1193−119も19日g・
必要がある．しかし，荷重が加わっている状態で
蛭埋に脚を上げてLまえば，バランスを崩Lその
T5
（d〕
〔e〕
Fig，9 Prelimi皿虻ye又perimenヒOf写qu∂」t血g・
（d）
（e〕
Fig．10 Pごelimimaryexperlmentof5柏ppir唱．
一6−