博 士 論 文 概 要

早稲田大学大学院 先進理工学研究科

博 士 論 文 概 要

論 文 題 目

人間の走行時の骨盤運動や脚弾性を模擬する ２足走行ロボットに関する研究

Study on a Biped Running Robot

Mimicking Pelvic Motion and Leg Elasticity in Human Running

申 請 者

大谷 拓也 Takuya OTANI

生命理工学専攻 バイオ・ロボティクス研究

2015 年 11 月

人 間 の 運 動 の メ カ ニ ズ ム を 解 明 す る た め ， 人 間 の 運 動 時 の デ ー タ を 検 証 す る 人 体 運 動 解 析 や シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 検 証 な ど が 行 わ れ て い る ． し か し ， 人 体 運 動 解 析 で は ， 被 験 者 に 危 険 が 及 ぶ 可 能 性 の な い 動 作 し か 検 証 す る こ と が で き ず ， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は ， 衝 突 や 摩 擦 の モ デ ル 誤 差 に よ る 結 果 の 違 い な ど の 問 題 が あ る ． そ こ で ， 人 間 と 同 等 の 運 動 が 可 能 な 等 身 大 の ヒ ュ ー マ ノ イ ド ロ ボ ッ ト に よ り 人 間 の 動 作 の 模 擬 を 行 う こ と で ， 危 険 な 動 作 で あ っ て も 実 世 界 に お い て 検 証 す る こ と が で き ， 実 際 の ロ ボ ッ ト に 動 作 を さ せ た 際 に 各 部 の 負 担 を 検 証 す る こ と で 傷 害 の リ ス ク な ど を 検 証 で き る ． さ ら に は ， 開 発 途 中 の 道 具 な ど を 人 間 の 代 わ り に 使 用 さ せ 評 価 す る こ と に も 有 用 で あ る ． こ れ ま で ２ 足 ヒ ュ ー マ ノ イ ド ロ ボ ッ ト

WA B I A N - 2 R に よ り 人 間 の 歩 行 運 動 の 模 擬 の 研 究 が 進 め ら れ て い る ． さ ら に 走 行

運 動 も 実 現 で き れ ば ス ポ ー ツ 科 学 の 研 究 な ど ， は る か に 広 い 分 野 に 利 用 で き る よ う に な る ． し か し ，WA B I A N - 2 R を 人 間 の 代 わ り と し て 用 い る た め に は ， 膝 な ど に お い て 約 1 5 0 W の 出 力 し か 出 せ な い た め ， 人 間 の 通 常 の 歩 幅 で の 歩 行 や ， さ ら

に 約 1 0 0 0 W も の 出 力 が 必 要 と な る 走 行 は 実 現 で き な い ． 加 え て ， 各 部 の サ イ ズ

や 質 量 配 置 が 人 間 と 異 な る な ど の 問 題 が あ る ． ま た 既 存 の ヒ ュ ー マ ノ イ ド ロ ボ ッ ト は 人 間 と 同 程 度 の 速 度 で 走 行 す る こ と は 出 来 ず ， 人 間 の 走 行 時 の 様 々 な 特 徴 を す べ て 模 擬 し て い る も の は な い ．

そ こ で 本 研 究 で は ， 走 行 時 の 特 徴 を ２ 足 ヒ ュ ー マ ノ イ ド ロ ボ ッ ト に よ り 模 擬 す る こ と で 大 き な 出 力 の 発 揮 に よ る 走 行 運 動 の 実 現 が 可 能 に な る と 考 え ， 人 間 の 走 行 運 動 の 模 擬 が 可 能 な ２ 足 ヒ ュ ー マ ノ イ ド ロ ボ ッ ト の 開 発 を 目 的 と し た ． 具 体 的 に は ， 特 に 跳 躍 力 の 獲 得 に 寄 与 し て い る と 考 え ら れ る 人 間 の 下 半 身 に 見 ら れ る 特 徴 を 模 擬 し ， ま た 身 体 各 部 の サ イ ズ や 質 量 分 布 な ど も 人 間 と 同 等 に す る こ と で ， 人 間 の 運 動 時 の ダ イ ナ ミ ク ス を 利 用 す る こ と と し た ．

本 論 文 は ， 以 下 に 示 す 6 章 か ら 構 成 さ れ て い 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 た ．

第 2 章 で は ，人 体 計 測 に 基 づ い た 骨 盤 運 動 を 取 り 入 れ た 走 行 モ デ ル S L I P² を 用 い て 骨 盤 運 動 の 跳 躍 へ の 寄 与 を 検 証 す る た め ， 人 体 計 測 の 詳 細 と ， そ れ に 基 づ く 走 行 モ デ ル の 開 発 ， 評 価 実 験 と 考 察 を 述 べ た ． 人 間 の 走 行 時 の 特 徴 と し て は 様 々 な も の が 挙 げ ら れ る が ， 走 行 運 動 の 実 現 に 対 し て 重 要 な 特 徴 と し て ， 立 脚 が ば ね の よ う に 振 る 舞 っ て い る こ と や ， 走 行 速 度 に 応 じ て 走 法 を 変 化 さ せ る こ と ， 上 体 や 上 肢 を 用 い て 走 行 時 の 床 反 力 や 脚 部 の 運 動 に よ り 生 じ る 回 転 モ ー メ ン ト を 相 殺 し て い る こ と な ど が あ る ． し か し ， 骨 盤 運 動 に 注 目 し た 解 析 の 先 行 研 究 例 は 少 な か っ た た め ，走 行 時 の 人 体 計 測 デ ー タ か ら 特 徴 を 抽 出 す る こ と に し た ．そ の 結 果 ，

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前 額 面 に お い て 着 地 側 の 脚 部 を 路 面 に 押 し 付 け る よ う に 骨 盤 が 動 い て い る た め ， 力 強 い 蹴 り 出 し に 寄 与 し て い る 可 能 性 が 示 唆 さ れ た ． 一 般 的 に 走 行 運 動 の 解 析 に は ， 立 脚 が ば ね の よ う に 振 る 舞 う こ と か ら ，1 つ の 質 点 と 1 つ の 減 衰 の な い ば ね に よ る S L I P（S p r i n g L o a d e d I n v e r t e d P e n d u l um） モ デ ル が 用 い ら れ て い る ．

S L I P モ デ ル は 人 間 の 走 行 運 動 を も っ と も 簡 単 に か つ 的 確 に 表 現 し た モ デ ル で あ

る が ， 前 述 の 走 行 運 動 時 の 骨 盤 動 揺 を 見 る と 正 弦 運 動 に 近 い 挙 動 を 示 し て お り ， こ れ は S L I P モ デ ル で の 共 振 運 動 に 大 き な 影 響 を 与 え る ． こ の 知 見 を 基 に ， 新 た に 骨 盤 を 有 す る S L I P²（S p r i n g L o ad e d I n v e r t e d P e nd u l um u s i n g Pe l v i s） モ デ ル を 考 案 し た ． こ の S L I P² モ デ ル に よ り ， 重 心 の 鉛 直 方 向 の 移 動 に 対 す る 骨 盤 の 回 転 運 動 の 位 相 の 違 い の 影 響 を 検 証 し ， 人 間 の 走 行 時 の 前 額 面 に お け る 骨 盤 揺 動 が 跳 躍 力 の 獲 得 に 寄 与 し て い る こ と が 示 唆 さ れ た ．

第 3 章 で は ， 骨 盤 と 脚 弾 性 を 利 用 し た 走 行 制 御 の 開 発 に つ い て 述 べ た ． 人 間 の よ う な 脚 で の 走 行 運 動 を 実 現 さ せ る た め ， 骨 盤 揺 動 に よ る 跳 躍 制 御 に 加 え ， 多 関 節 脚 が 直 動 ば ね 脚 と 同 様 に 振 る 舞 う よ う に 床 反 力 方 向 を 操 作 す る た め の 動 力 学 モ デ ル を 導 出 し た ． ま た ， 走 行 速 度 を 変 更 す る た め に は ， 人 間 が 走 行 速 度 に 応 じ て 跳 躍 中 に 次 の 着 地 位 置 を 変 更 す る こ と に よ る 走 行 速 度 制 御 を 開 発 し た ． さ ら に ， 安 定 化 制 御 と し て ， 姿 勢 角 の 傾 き に 応 じ て 体 幹 を 動 か す 制 御 を 開 発 し た ． 走 行 時 に は ， 足 関 節 の 関 節 角 度 を 計 測 す る こ と で 着 地 判 定 を 行 い ， そ れ に 基 づ き 上 記 の 制 御 を 行 う ． こ の 制 御 に よ り ， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に て ， 骨 盤 揺 動 に よ り 跳 躍 力 を 得 て 着 地 位 置 を 変 更 す る こ と で 走 行 運 動 が 実 現 で き る こ と を 確 認 し た ．

第 4 章 で は ，上 記 の S L I P²モ デ ル を 元 に 開 発 し た 走 行 ロ ボ ッ ト の 詳 細 お よ び 特 に 重 要 な 脚 弾 性 の 模 擬 に つ い て 述 べ た ． 前 述 の よ う に ， 走 行 中 の 人 間 の 脚 は 立 脚 中 に は ば ね の よ う に 振 る 舞 い ， そ の ば ね 性 は 膝 や 足 関 節 の 回 転 ば ね 性 に よ る こ と が 分 か っ て い る ． ま た ， 遊 脚 中 に は 路 面 か ら の ク リ ア ラ ン ス を 確 保 す る た め に 屈 曲 す る ． し か し ， 人 間 の 走 行 時 に 必 要 な 出 力 を 得 る こ と は 既 存 の 関 節 構 造 で は 難 し い た め ， 膝 ・ 足 関 節 の 回 転 弾 性 を ， 板 ば ね を 用 い た 関 節 構 造 に よ り 模 擬 す る こ と で ， 走 行 時 に 要 求 さ れ る 立 脚 の 大 出 力 を 実 現 し た ． 各 関 節 の 回 転 弾 性 の 要 求 仕 様 は 走 行 中 の 人 体 計 測 デ ー タ か ら 算 出 し た ． 使 用 す る 弾 性 体 と し て は ， 圧 縮 コ イ ル ば ね ， ね じ り ば ね ， 板 ば ね が 考 え ら れ た が ， 走 行 運 動 中 に 弾 性 を 調 節 す る こ と を 考 え ， 有 効 長 の 変 更 に よ り 弾 性 調 節 が 容 易 な 板 ば ね を 用 い る こ と に し た ． こ の 際 ， 軽 量 か つ 高 剛 性 な C F R P（C a r b o n F i b e r Re i n f o r c e d P l a s t i c） 製 の 板 ば ね を 重 ね て 用 い る こ と で 1 枚 あ た り の 応 力 を 低 減 し 使 用 を 可 能 と し た ． ま た ， 板 ば ね 間 に ウ ォ ー ム ギ ア を 用 い る こ と で ， 立 脚 の ば ね 性 の 発 揮 と 遊 脚 時 の 能 動 的 な 屈 曲 を 両 立 し た ． 開 発 し た ロ ボ ッ ト を 用 い て ， 人 間 の 関 節 弾 性 を 模 擬 で き ， さ ら に 骨 盤 揺 動 と 脚 弾 性 を 利 用 す る こ と に よ り そ の 場 で の 跳 躍 動 作 を 実 現 し ， 跳 躍 力 が 十 分 に 獲 得 で き て い る こ と を 確 認 し た ．

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第 5 章 で は ， 開 発 し た 走 行 ロ ボ ッ ト お よ び 走 行 制 御 の 検 証 の た め 行 っ た 走 行 実 験 に つ い て 述 べ た ． こ の 走 行 実 験 に お い て ， 骨 盤 揺 動 お よ び 脚 弾 性 を 利 用 し た 走 行 を 実 機 に て 実 現 し ，開 発 し た 走 行 制 御 お よ び ロ ボ ッ ト 機 構 の 有 効 性 を 確 認 し た ． 骨 盤 振 幅 を 変 化 さ せ た 際 の 跳 躍 力 の 変 化 を 実 機 に て 検 証 し ， ま た ， 走 行 速 度 制 御 に つ い て も 速 度 指 令 値 に 応 じ て 機 能 し て い る こ と を 確 認 し た ． さ ら に ， 全 体 の 考 察 と し て ， 本 研 究 成 果 の 応 用 性 に 関 す る 議 論 の 中 で ， 歩 行 や 競 歩 な ど ， 走 行 以 外 の 運 動 へ の 応 用 性 な ど に つ い て 議 論 し た ．

最 後 に ， 第 6 章 で は 結 論 と し て 以 上 の 研 究 成 果 を 総 括 し た ．

ま と め る と ， 第 2 章 で は 人 体 運 動 計 測 に 基 づ き 骨 盤 を 考 慮 し た 新 た な 走 行 モ デ

ル S L I P² を 開 発 し ， 骨 盤 の 揺 動 が 跳 躍 力 の 獲 得 に 寄 与 す る こ と を 明 ら か に し た ．

第 3 章 で は ， 上 記 S L I P²モ デ ル を 用 い た 走 行 制 御 を 構 築 し た ． 第 4 章 で は ， 人 間 の 骨 盤 お よ び 脚 弾 性 を 模 擬 し た ２ 足 走 行 ロ ボ ッ ト を 開 発 し た ． 第 5 章 で は ， 開 発 し た ２ 足 走 行 ロ ボ ッ ト と 走 行 制 御 を 用 い る こ と に よ り ， 人 間 の 骨 盤 揺 動 や 脚 弾 性 を 模 擬 し た 走 行 を 実 現 し た ．

ま た 今 後 の 展 望 と し て ，上 半 身 を 含 め た 全 身 を 利 用 し た 走 行 運 動 に つ い て 示 し ， 歩 行 と 走 行 の 両 立 の 可 能 性 に つ い て 言 及 し た ．

以 上 ， 本 論 文 で は ， ２ 足 ロ ボ ッ ト の 運 動 能 力 向 上 に つ な が る 研 究 と し て ， 人 間 の 走 行 時 の 骨 盤 揺 動 お よ び 脚 弾 性 を 模 擬 し た 走 行 モ デ ル ， 制 御 方 式 お よ び 関 節 機 構 を 提 案 し ， こ れ に 基 づ き 実 際 に 製 作 し た ２ 足 走 行 ロ ボ ッ ト に よ り 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 た ．

そ の 成 果 と し て ， 人 間 の 走 行 中 の 骨 盤 揺 動 が 跳 躍 力 の 獲 得 に 寄 与 し て い る こ と を 示 し ， 骨 盤 運 動 と 脚 弾 性 を 利 用 す る 新 た な 走 行 モ デ ル S L I P²を 考 案 し た ． ま た

C F R P 重 ね 板 ば ね と ウ ォ ー ム ギ ア を 用 い た 弾 性 関 節 機 構 を 開 発 す る こ と に よ っ て

人 間 の 脚 弾 性 を 模 擬 し ， 人 間 と 同 等 の 関 節 出 力 に よ る 跳 躍 が 可 能 で あ る こ と を 実 証 し た ． ま た ， 骨 盤 揺 動 と 脚 弾 性 を 利 用 し 着 地 位 置 変 更 な ど に よ る 走 行 制 御 を 行 う こ と で 走 行 が 可 能 で あ る こ と を 実 証 し た ．

本 研 究 の 成 果 は ， ２ 足 ヒ ュ ー マ ノ イ ド ロ ボ ッ ト の 実 用 化 に 向 け て 運 動 能 力 を 飛 躍 的 に 向 上 さ せ る 技 術 と な る も の で あ る ． ま た ， 本 研 究 を 応 用 し 人 間 の よ う な 走 行 が 可 能 な ２ 足 ヒ ュ ー マ ノ イ ド ロ ボ ッ ト を 開 発 出 来 れ ば ， 人 間 ら し い 運 動 と 人 間 ら し く な い 運 動 を 容 易 に 比 較 で き る た め ， 人 間 の 歩 行 ・ 走 行 運 動 の 研 究 の 一 助 と な る ． さ ら に は 歩 行 ・ 走 行 時 の 姿 勢 の 影 響 や 靴 の 定 量 的 な 評 価 手 法 と し て の ロ ボ ッ ト の 利 用 や ，開 発 し た 機 構 を 歩 行 と 走 行 の 兼 用 が 可 能 な 義 足 へ の 応 用 の よ う に ， ロ ボ ッ ト 工 学 の み な ら ず ス ポ ー ツ 科 学 や リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン な ど の 様 々 な 用 途 が 広 が る と 期 待 で き る ．

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Ｎｏ.1

早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書

氏 名 大谷拓也 印

（2016 年 2 月 現在）

種 類 別 題名 発表・発行掲載誌名 発表・発行年月 連名者（申請者含む）

a. 論文

○ Joint Mechanism That Mimics Elastic Characteristics in Human Running

Machines 2016, 4(1), 5;

doi:10.3390/machines4010 005

2016年1月 大谷拓也，

橋本健二，礒道貴矢 阪口正律，川上泰雄 林憲玉，高西淳夫

○ Running with Lower-Body Robot That Mimics Joint Stiffness of Humans

Proceedings of the 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS2015), pp. 3969-3974

2015年9月 大谷拓也，

橋本健二，八原昌亨，

宮前俊介，礒道貴矢，

阪口正律，川上泰雄，

林憲玉，

高西淳夫 Knee Joint

Mechanism That Mimics

Elastic Characteristics and Bending in Human Running

Proceedings of the 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS2015), pp. 5156-5161

2015年9月 大谷拓也，

橋本健二，

濱元伸也，宮前俊介，

飯塚晃弘，八原昌亨，

阪口正律，川上泰雄，

林憲玉，

高西淳夫

○ Utilization of Human-Like Pelvic Rotation for Running Robot,

Front. Robot. AI 2:17. doi:

10.3389/frobt.2015.00017 2015年6月 大谷拓也，

橋本健二，

八原昌亨，宮前俊介，

礒道貴矢，塙真太郎，

阪口正律，川上泰雄，

林憲玉，

高西淳夫 Leg with Rotational

Joint That Mimics Elastic Characteristics of Human Leg in Running Stance Phase

Proceedings of the 14th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids 2014), pp. 481-486

2014年11月 大谷拓也，

Thomas George, 瓜生和寛,

八原昌亨，飯塚晃弘，

濱元伸也，宮前俊介，

橋本健二，

Matthieu Destephe, 阪口正律，川上泰雄，

林憲玉，

高西淳夫 Hopping Robot Using

Pelvic Movement and Leg Elasticity

Proceedings of 2014 XX CISM-IFToMM Symposium on Theory and Practical of Robots and Manipulators (ROMANSY 2014), pp.

235-243

2014年6月 大谷拓也，

瓜生和寛，八原昌亨，

飯塚晃弘，濱元伸也，

宮前俊介，橋本健二，

Matthieu Destephe, 阪口正律，川上泰雄，

林憲玉，高西淳夫

Ｎｏ.2

早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書

種 類 別 題名 発表・発行掲載誌名 発表・発行年月 連名者（申請者含む）

a. 論文 の続き

Running Model and Hopping Robot Using Pelvic Movement and Leg Elasticity

Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2014), pp. 2313-2318

2014年5月 大谷拓也，八原昌亨，

瓜生和寛，飯塚晃弘，

橋本健二，岸竜弘，

遠藤信綱，阪口正律，

川上泰雄，玄相昊，

林憲玉，高西淳夫 Bipedal humanoid

robot that makes humans laugh with use of the method of comedy and affects their psychological state actively

Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2014), pp. 1965-1970

2014年5月 岸竜弘，遠藤信綱，

野澤隆司，

大谷拓也，

Sarah Cosentino, Massimiliano Zecca, 橋本健二，高西淳夫 Impression Survey of

the Emotion

Expression Humanoid Robot with Mental Model based Dynamic Emotions

Proceedings of the 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.

1655-1660

2013年5月 岸竜弘，遠藤信綱，

Matthieu Destephe, 大谷拓也，

Lorenzo Jamone, Przemyslaw Kryczka, Gabriele Trovato, 橋本健二，

Sarah Cosentino, 高西淳夫

New Shank Mechanism for Humanoid Robot Mimicking

Human-like Walking in Horizontal and Frontal Plane

Proceedings of the 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.

659-664

2013年5月 大谷拓也，

飯塚晃弘，高本大己，

本橋弘光，岸竜弘，

Przemyslaw Kryczka，

遠藤信綱，

Lorenzo Jamone, 橋本健二，高嶋孝倫，

林憲玉，高西淳夫 Development of

Distributed Control System and

Modularized Motor Controller for Expressive Robotic Head

Proceedings of the 19th CISM-IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control

(ROMANSY2012), pp.

183-190

2012年6月 大谷拓也，

岸竜弘，Przemyslaw Kryczka，遠藤信綱，

橋本健二，

高西淳夫

Biped Walking Stabilization Based on Gait Analysis

Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.

154-159

2012年5月 橋本健二，竹崎裕記 本橋弘光，

大谷拓也 岸竜弘，林憲玉 高西淳夫 その他２件

Ｎｏ.3

早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書

種 類 別 題名 発表・発行掲載誌名 発表・発行年月 連名者（申請者含む）

c. 講演

骨盤運動に着目した ２足走行ロボットの 開 発 （ 第 11 報 ：

CFRP 重ね板ばねに

よる軽量高出力弾性 関節機構）

第 33 回日本ロボット学会 学術講演会予稿集，3I1-04

2015年9月 大谷拓也，礒道貴矢，

橋本健二，八原昌亨，

宮前俊介，林憲玉，

高西淳夫

骨盤運動に着目した ２足走行ロボットの 開発（第 10 報：弾 性要素と能動的な蹴 り出しから跳躍力を 獲得できる膝関節機 構）

第 33 回日本ロボット学会 学術講演会予稿集，3I1-03

2015年9月 礒道貴矢，大谷拓也，

橋本健二，八原昌亨，

宮前俊介，阪口正律，

川上泰雄，林憲玉，

高西淳夫

骨盤運動に着目した ２足走行ロボットの 開発（第 9報：人間 の脚弾性を模擬した 下半身ロボットによ る矢状面における片 脚走行の実現）

日本IFToMM会議シンポジ

ウム前刷集（第21回）

2015年7月 大谷拓也，八原昌亨，

橋本健二，宮前俊介，

礒道貴矢，阪口正律，

川上泰雄，林憲玉，

高西淳夫

他15件 e. その他

特許 移動ロボット及び先 端ツール

特願2014-263528

２足歩行ロボットの 移動制御システム

特願2013-238123

受賞 日本ロボット学会研 究奨励賞

日本ロボット学会 2015年9月 Young Investigator

Fund Best Paper Award

第21回日本IFToMM会議 シンポジウム

2015年7月

Young Investigator Fund Best Paper Award Finalist

第20回日本IFToMM会議 シンポジウム

2014年5月

SI2012優秀講演賞 第13回計測自動制御学会

システムインテグレーショ ン部門講演会

2012年12月