博士論文審査報告書

早稲田大学大学院 理工学研究科

博士論文審査報告書

論 文 題 目

多様な路面に適応可能な２足歩行ロボット の足部機構と制御に関する研究

Study on Biped Foot Systems and Controls Adaptable to Various Terrains

申 請 者

橋本 健二

Kenji Hashimoto

生命理工学専攻 バイオ・ロボティクス研究

2009 年 2 月

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２ 足 歩 行 と い う 移 動 様 式 は ， そ の 自 由 度 の 数 に 対 し て 占 有 面 積 が 小 さ く ， 狭 い 場 所 で の 小 回 り が 可 能 で あ り ， 移 動 面 と の 接 触 状 態 が 離 散 的 な 環 境 に お い て も 移 動 で き る た め ， 狭 い 人 間 の 住 環 境 で の 運 用 に 適 し て い る と 考 え ら れ る ． そ の よ う な 点 か ら ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト の 研 究 が 盛 ん に 行 わ れ て お り ， 不 整 路 面 で の 歩 行 安 定 化 に 関 し て も 多 く 研 究 さ れ て い る ． し か し ， そ の 足 部 に 注 目 す る と 剛 体 平 板 を 用 い て い る も の が 大 半 で あ り ， こ れ で は 足 部 の 中 心 付 近 で 突 起 物 を 踏 ん だ 場 合 ， 支 持 多 角 形 が 大 き く 確 保 で き ず ， 不 整 路 面 で 継 続 し て 安 定 歩 行 を 実 現 す る こ と は 困 難 で あ る と い え る ． ま た ， ２ 足 歩 行 と い う 移 動 様 式 は ， 平 坦 路 面 で の 移 動 速 度 に お い て 車 輪 式 に 劣 る と い う 短 所 が あ る ． 本 研 究 で は ， ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト の 実 用 化 に つ な が る 基 礎 研 究 と し て ， 多 様 な 路 面 に 適 応 可 能 な ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト の 足 部 機 構 と 制 御 方 式 を 開 発 し ， 実 際 に 製 作 し た 足 部 機 構 を 用 い て 評 価 実 験 を 行 い ， そ の 有 効 性 を 実 証 す る こ と を 目 的 と し て い る ． 具 体 的 に は ， 実 環 境 に 存 在 す る 様 々 な 不 整 路 面 に 適 応 可 能 な 足 部 機 構 や ，平 坦 路 面 で の 移 動 速 度 向 上 を 図 っ た 車 輪 式 足 部 機 構 を 開 発 し ， ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト に 装 着 し て 行 っ た 実 験 に よ り 評 価 を 行 っ て い る ．

本 論 文 は ， 以 下 に 示 す 8 章 か ら な る ． 各 章 の 要 約 を 示 す ．

第 1 章 で は ， 序 論 と し て 本 研 究 の 研 究 背 景 と 目 的 ， そ の 意 義 と 関 連 研 究 の 動 向 に つ い て 述 べ て い る ．

第 2 章 で は ， 足 部 機 構 単 体 で 不 整 路 面 に お い て 接 地 面 積 を 大 き く 確 保 可 能 な セ ミ ア ク テ ィ ブ 支 持 多 角 形 確 保 機 構 W S - 1 R（Wa s e d a S h o e s - N o . 1 R e f i n e d） の 開 発 に つ い て ，そ の 動 作 原 理 と ロ ッ ク 機 構 ，評 価 実 験 と 考 察 を 述 べ て い る ．

W S - 1 R は 足 底 4 隅 に 直 動 す る シ リ ン ダ を 有 し ，各 支 持 点 が 路 面 の 凹 凸 に 受 動

的 に な ら う も の で あ る ． 各 シ リ ン ダ は 路 面 と の 接 地 が 検 出 可 能 な セ ン サ を 備 え て お り ，4 点 す べ て の 接 地 を 検 出 後 ， 各 支 持 点 を ロ ッ ク し ， 大 き な 支 持 多 角 形 を 確 保 す る ． 開 発 し た W S - 1 R を 人 間 搭 乗 型 ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト W L - 1 6 R I I に 装 着 し て 評 価 実 験 を し た と こ ろ ， 剛 体 平 板 の 足 底 で は 大 き な 支 持 多 角 形 が 確 保 で き な い よ う な ，厚 さ 2 0 m m ま で の ア ク リ ル 板 を 敷 い た 擬 似 的 な 不 整 地 で の 歩 行 に 成 功 し ， そ の 有 効 性 を 確 認 し て い る ．

第 3 章 で は ， 未 知 の 不 整 路 面 に 適 応 可 能 な 着 地 軌 道 修 正 制 御 法 の 開 発 ， お よ び こ の 評 価 実 験 と 考 察 を 述 べ て い る ． 第 2 章 で 述 べ た 足 部 機 構 単 体 で は ， 傾 斜 路 面 に 適 応 で き な い た め ， 傾 斜 に な ら う こ と が 可 能 な 路 面 適 応 制 御 の 開 発 を 目 的 と し て い る ． 本 制 御 法 は ， 足 部 に 非 線 形 コ ン プ ラ イ ア ン ス 制 御 を 適 用 し ， 歩 行 パ タ ー ン か ら 得 ら れ る 理 論 コ ン プ ラ イ ア ン ス 中 心 移 動 量 と 足 部 6 軸 力 覚 セ ン サ の デ ー タ か ら 算 出 さ れ る 実 測 コ ン プ ラ イ ア ン ス 中 心 移 動 量 を 比 較 す る こ と に よ り 路 面 形 状 を 検 知 す る も の で あ る ． そ し て ， こ の 路 面 情 報 を も と に 着 地 軌 道 を 変 更 し ， 足 部 を 路 面 に な ら わ せ る ． ま た ， ジ ャ イ ロ を 含 め 特 別 な セ ン サ や 機 構 を 必 要 と せ ず ，Z M P 計 測 用 の 力 セ ン サ の み を 用 い て 実 装 が 可 能 と な っ て い る ．こ の 制 御 法 を ，人 間 搭 乗 型 ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト W L - 1 6 R I I

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を 用 い た 実 験 に よ り 評 価 し た と こ ろ ， 歩 行 周 期 2 . 0 s / s t e p に お い て 2 0 m m の 凹 凸 の あ る 未 知 の 不 整 路 面 で の 歩 行 に 成 功 し ， 有 効 性 を 確 認 し て い る ． し か し ， 本 制 御 法 は 機 械 剛 性 不 足 や モ ー タ の 応 答 偏 差 な ど に よ り 腰 部 と 路 面 と の 平 行 が 確 保 さ れ な い 場 合 ， 姿 勢 角 の 誤 差 が 累 積 さ れ る と い う 欠 点 が あ っ た ． 特 に ， 歩 行 周 期 が 短 く な る と ， 足 部 の 着 地 衝 撃 が 原 因 で 姿 勢 の 倒 れ こ み が 顕 著 に な る た め ， 高 速 な 歩 行 を 実 現 す る た め に は ， 姿 勢 補 償 制 御 法 の 開 発 を 必 要 と す る 結 果 と な っ て い る ．

第 4 章 で は ， 第 3 章 に お い て 述 べ た 着 地 軌 道 修 正 制 御 法 の 欠 点 を 補 う 推 定 姿 勢 補 償 制 御 法 の 開 発 ，お よ び こ の 評 価 実 験 と 考 察 を 述 べ て い る ．本 手 法 は ， 着 地 軌 道 修 正 制 御 法 の 力 セ ン サ の み で 実 装 可 能 と い う 長 所 を 生 か す べ く ， 力 セ ン サ か ら 計 測 さ れ る Z M P 偏 差 に 応 じ て 姿 勢 角 を 推 定 し 補 償 す る も の で あ る ． 着 地 軌 道 修 正 制 御 法 と 推 定 姿 勢 補 償 制 御 法 を 人 間 搭 乗 型 ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト W L - 1 6 R I I I に 実 装 し 評 価 し た と こ ろ ， 歩 行 周 期 1 . 0 s / s t e p で の 凹 凸 路 面 の 歩 行 や ， 傾 斜 1 0 d e g の 路 面 で の 適 応 歩 行 に 成 功 し ， そ の 有 効 性 を 確 認 し て い る ．ま た ，第 2 章 で 述 べ た セ ミ ア ク テ ィ ブ 支 持 多 角 形 確 保 機 構 W S - 1 R と 統 合 す る こ と に よ り ，段 差 2 0 m m と 傾 斜 1 0 d e g の 混 在 す る 路 面 に お い て の 安 定 歩 行 に 成 功 し ， 開 発 し た 手 法 の 有 効 性 を 確 認 し て い る ．

第 5 章 で は ， 平 坦 路 面 で の 移 動 速 度 が 遅 い と い う ２ 足 歩 行 の 短 所 を 補 う こ と が 可 能 な 能 動 車 輪 式 足 部 機 構 W S - 2 の 開 発 に つ い て ， そ の 機 械 ハ ー ド ウ ェ ア と 移 動 経 路 設 定 法 ， 評 価 実 験 ， 考 察 に つ い て 述 べ て い る ．W S - 2 の 構 成 と し て は ，4 点 の 接 地 点 の う ち 内 側 2 点 が 通 常 の 摩 擦 接 地 ， 外 側 前 方 が D C モ ー タ 駆 動 の 能 動 車 輪 ， そ し て 外 側 後 方 は 平 面 内 で 拘 束 を 持 た な い 3 自 由 度 の 球 状 キ ャ ス タ に な っ て い る ．足 部 外 辺 を 中 心 軸 に 各 足 を 外 側 に 傾 け る こ と で ， ２ 足 歩 行 と 車 輪 走 行 の 切 り 換 え が 可 能 で あ る ． こ の 足 部 機 構 を 人 間 搭 乗 型 ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト W L - 1 6 R に 装 着 し て 行 っ た 実 験 の 結 果 ， 平 面 内 に お け る 安 定 か つ 高 速 な 並 進 ・ 旋 回 運 動 お よ び ２ 足 歩 行 と の 滑 ら か な 切 り 換 え を 実 現 し て い る ． ま た ， ２ 足 歩 行 の 場 合 と 比 べ エ ネ ル ギ ー 消 費 量 の 低 減 も 確 認 で き ， 開 発 し た 足 部 機 構 や 移 動 経 路 設 定 法 の 有 効 性 を 確 認 し て い る ．

第 6 章 で は ， 受 動 車 輪 を 一 列 に 配 置 し た イ ン ラ イ ン ス ケ ー ト 型 受 動 車 輪 式 足 部 機 構 W S - 3 を 製 作 し ， 滑 ら か な 滑 走 移 動 を 実 現 す る た め に 必 要 な 制 御 法 の 開 発 と そ の 評 価 実 験 ， 考 察 を 述 べ て い る ．W S - 3 は 市 販 の イ ン ラ イ ン ス ケ ー ト を ロ ボ ッ ト に 装 着 で き る よ う に し た も の で あ り ， ス ウ ィ ズ ル 動 作 と い う ス ケ ー ト を 周 期 的 に 運 動 さ せ る 動 作 に よ り 車 輪 の 摩 擦 力 を 推 力 と し て 取 り 出 し て 滑 走 移 動 す る こ と が で き る ． 考 案 し た ス ウ ィ ズ ル 動 作 に よ る 滑 走 移 動 法 は ， 脚 に 過 大 な 内 力 が 生 じ る こ と を 防 ぐ た め ， 力 に 応 じ て 位 置 指 令 値 を 変 化 さ せ る と い う も の で あ る ． こ の 足 部 機 構 を 人 間 搭 乗 型 ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト

W L - 1 6 R に 装 着 し て 行 っ た 実 験 の 結 果 ， 円 滑 な ス ウ ィ ズ ル 動 作 の 生 成 に 成 功

し ， 開 発 し た 手 法 の 有 効 性 を 確 認 し て い る ．

第 7 章 で は ， ロ ー ラ ー ス ケ ー ト 型 受 動 車 輪 式 足 部 機 構 W S - 4 を 製 作 し ， 滑

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ら か な 蹴 り 出 し 動 作 を 実 現 す る た め に 必 要 な 運 動 パ タ ー ン 生 成 法 の 開 発 と そ の 評 価 実 験 ， 考 察 を 述 べ て い る ． 蹴 り 出 し 時 の 衝 撃 を 抑 え ， 十 分 な 推 力 を 得 る た め に ，蹴 り 足 か ら 軸 足 へ ス ム ー ズ に Z M P を 移 動 さ せ な が ら 足 を 蹴 り 出 し 滑 走 移 動 す る ス ケ ー テ ィ ン グ パ タ ー ン 生 成 法 を 考 案 し て い る ． こ の 足 部 機 構 を 人 間 搭 乗 型 ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト W L - 1 6 R に 装 着 し て 行 っ た 実 験 の 結 果 ， 蹴 り 出 し 動 作 に よ る 滑 走 移 動 に 成 功 し ， 開 発 し た 手 法 の 有 効 性 を 確 認 し て い る ． 最 後 に ， 第 8 章 で は 結 論 と し て 以 上 の 研 究 成 果 を 総 括 し て い る ． ま た 今 後 の 展 望 と し て ，セ ミ ア ク テ ィ ブ 支 持 多 角 形 確 保 機 構 W S - 1 R と 車 輪 式 足 部 機 構

W S - 2，W S - 3，W S - 4 の 統 合 の 可 能 性 に つ い て 示 し ， ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト の さ ら

な る 不 整 地 適 応 能 力 向 上 の 可 能 性 に つ い て 言 及 し て い る ．

以 上 要 す る に ， 本 論 文 は ， ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト の 実 用 化 に つ な が る 基 礎 研 究 と し て ， 多 様 な 路 面 に 適 応 可 能 な ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト の 足 部 機 構 と 制 御 方 式 を 提 案 し ， こ れ に 基 づ き 実 際 に 製 作 し た 足 部 機 構 を ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト に 装 着 し て 実 験 を 行 い 評 価 す る こ と に よ り ， そ の 有 効 性 を 実 証 す る こ と を 研 究 の 目 的 と し て い る ． そ の 成 果 と し て ， 不 整 路 面 で 接 地 面 積 を 大 き く 確 保 可 能 な セ ミ ア ク テ ィ ブ 支 持 多 角 形 確 保 機 構 W S - 1 R を 開 発 し 不 整 地 適 応 能 力 向 上 が 図 れ る こ と を 示 し ， 車 輪 式 足 部 機 構 W S - 2，W S - 3，W S - 4 を 開 発 す る こ と に よ っ て 平 坦 路 面 に お け る 移 動 速 度 や 移 動 効 率 の 向 上 が 可 能 で あ る こ と を 実 証 し て い る ． 本 論 文 に お い て 述 べ ら れ て い る 手 法 に よ り ， ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト の 足 部 機 構 を 交 換 す る こ と で ， ２ 足 歩 行 ロ ボ ッ ト に 様 々 な 能 力 を 付 加 す る こ と が 可 能 で あ る こ と を 主 と し て 報 告 し て い る ．

本 研 究 の 成 果 は ， ２ 足 歩 行 を 移 動 様 式 に 用 い た ロ ボ ッ ト の 実 用 化 に 向 け た 基 盤 技 術 に な る も の で あ る ． こ の 技 術 に よ り ， 屋 内 の み な ら ず 屋 外 に お い て も 人 間 と 一 緒 に 生 活 空 間 を 共 に す る こ と が で き る 真 の 意 味 で の 人 間 共 存 型 ロ ボ ッ ト を 提 供 す る こ と が で き る ． ま た ， 人 間 共 存 型 ロ ボ ッ ト だ け で な く ， 高 い 運 動 能 力 を 持 つ ２ 足 歩 行 型 の 車 い す の 実 用 化 に も つ な が る も の で あ り ， 歩 行 障 害 者 や 高 齢 者 の 行 動 範 囲 を 飛 躍 的 に 拡 大 す る も の と 期 待 で き る ．よ っ て ， ロ ボ ッ ト 工 学 ， 機 械 工 学 の み な ら ず 福 祉 工 学 ， リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 工 学 な ど 幅 広 い 工 学 分 野 の 発 展 に 大 き く 貢 献 す る も の で あ り ， 本 論 文 は 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 論 文 と し て 価 値 あ る も の と 認 め る ．

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（ 主 査 ） 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 早 稲 田 大 学 ） 高 西 淳 夫 早 稲 田 大 学 教 授 博 士 （ 工 学 ）（ 早 稲 田 大 学 ） 藤 江 正 克 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 早 稲 田 大 学 ） 梅 津 光 生

医 学 博 士 （ 東 京 女 子 医 科 大 学 ）

早 稲 田 大 学 教 授 博 士 （ 工 学 ）（ 早 稲 田 大 学 ） 藤 本 浩 志