撃力と自由運動を利用した歩行ロボットのハイブリッド制御

利用冲击力和自由运动的混合控制步行机器人

基本信息

批准号：
17760353
负责人：
大塚敏之
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は,自由運動を積極的に利用した制御手法を確立し,できるだけ消費エネルギーの少ない歩行ロボットを開発することである.具体的には,両脚接地時のみ撃力による蹴り動作を行い,片脚支持の状態では何ら力を加えない,という制御手法を研究し,実機を開発した.まず,制御手法に関しては,非線形モデルを用いた数値シミュレーションを歩行動作中にオンラインで行い,最適な蹴り入力を探索するというフィードバック制御アルゴリズムを開発した.その結果,ある程度自由に初期状態を与えても,両脚接地の直前に支持脚をわずかに伸ばすのみで周期的な歩行運動を達成できることが確認できた.さらに,片脚支持の状態で腰部のジョイントにトルクを発生させることで安定性を増すことも検討し,シミュレーションによってある程度の効果が確認できた.より一般的な観点から,不連続性を伴うハイブリッド制御の理論や,オンラインで最適化問題を解くアルゴリズムについても研究を行った.歩行ロボットの実機に関しては,3号機の開発を行った.1号機は4脚構造でサジタル平面内に運動を拘束したが,2号機は二脚構造のため片脚支持期にラテラル平面内の運動(左右方向の揺れ)が生じ歩行の障害となる場合があった.その原因は構造上の微小なガタやたわみであり,構造の剛性向上が課題となった.そこで,3号機では構造と角度計測の機構を工夫し,曲げ荷重のかかる部分はできる限り可動部を排した一体構造とした.さらに,超音波モータによって支持脚を伸縮させるアクチュエータを独自に開発した.これは,片脚支持期に自重を支えるための消費電力を低減し,かつ,バッテリと計算機を搭載して12kgだった2号機よりさらに軽量化するためである.接地検出のためのセンサも脚部に埋め込み,軽量化と剛性向上を達成した.センサとアクチュエータの周辺回路も独自に開発し,動作を確認した.

这项研究的目的是建立一种控制方法，该方法积极利用自由流动并开发尽可能少的步行机器人。具体而言，我们研究了一种控制方法，仅在两条腿接地时才用力踢，并且在支撑一条腿时没有施加力，并且开发了一台真实的机器。首先，关于控制方法，我们进行了一种反馈控制算法，其中在步行操作期间在线执行了使用非线性模型的数值模拟，并搜索了最佳的踢输入。结果，我们确认即使在某种程度上给出了初始状态，也可以通过在接触两条腿之前简单地伸出支撑腿来实现周期性的步行运动。此外，我们还检查了单腿腰部腰部关节的稳定性，模拟证实了一些效果。从更一般的角度来看，混合控制理论具有不连续性和在线优化问题。我们还对算法进行了研究以解决该问题。关于实际的步行机器人，开发了第3单元。单元1在矢状平面内具有四足结构和约束运动，但是在支撑一条腿的过程中，单元2具有双脚架结构，并且在横向平面（左右方向摇动）内运动，这可能会导致行走的障碍。原因是小结构拨浪鼓和偏转，结构刚性是一个挑战。因此，单元3具有设计的结构和角度测量机制，并且结构被弯曲。该设备具有一个集成结构，并具有尽可能少的运动部件。此外，已经开发了使用超声电动机扩展和收缩支撑腿的执行器。这是因为在单腿支撑期间支撑重量的功耗减少了，并且重量比用电池和计算机安装了12公斤的2号2号2号。接地检测的传感器也嵌入了腿部，达到了较轻的重量和增加的刚度。传感器和执行器的外围电路也独立开发以确认操作。