人間を模擬した歩行・走行運動が可能な２足ヒューマノイドロボットの開発

开发能够模拟人类行走和跑步动作的双足人形机器人

• 批准号: 13J05260
• 负责人: 大谷 拓也
• 金额: $ 2.11万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-04-01 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J05260/
• 关键词: ロボット; ヒューマノイド; 歩行; 走行; 人体運動計測; 骨盤; 脚弾性; ヒューマノイドロボット

本研究では，人間と同等な運動能力を有するヒューマノイドロボットを用いた新しいスポーツコーチング学の創出を目指し，人体運動を模擬した“歩行運動”と“走行運動”が可能な２足ロボットを開発することを目的とする．初年度は，人間の走行運動計測の結果から前額面における骨盤動揺が地面の蹴り出しの補助および着地衝撃吸収に寄与している可能性があることを発見した．そして，骨盤を含めた新たな走行運動モデルを考案し，シミュレーションおよびロボット実機での実験を通して，その有効性を検証した．昨年度は，その人体計測データおよびモデルを元に，人間のような膝関節弾性を有する２足ロボットを開発した． 本年度は，未だ能動化を実現できていなかった足関節部の改良を目的とした．まず，走行中の足関節の挙動について人体運動解析を行った．その結果，立脚時のPitch軸には高い弾性が見られ，これが高出力の発揮に寄与していると考えられる．また，Roll軸では足部の小指球付近で着地し，その後外反することで拇指球に重心が移るが，その間の足関節Roll軸での発揮トルクが非常に低いため，低い関節剛性で着地することで地面への受動的な倣いを実現していると考えられる．そこで，これらの特徴および得られた関節トルクなどのデータを要求仕様とし，これらを模擬可能な足部・足関節機構を開発した．足関節のPitch軸とRoll軸の駆動には出力軸の伝達効率を高めたウォームギアを用いることで弾性の発揮と能動駆動を両立させた．弾性要素の模擬には摩擦低減を施したCFRP重ね板ばねを用い，Pitch軸周りのたわみおよびRoll軸周りの捻れにより，面接地に伴う路面への倣い動作が可能な足部機構を考案し，成人女性と同リンク比・同程度の質量特性を持つ足部・足関節機構を開発した．評価実験により，Roll軸において人間と同程度の倣い動作を実現した．

在这项研究中，我们旨在利用具有与人类相同运动能力的人形机器人创建新的运动教练科学，并开发一种能够执行模拟人体运动的“行走”和“跑步”动作的双足机器人。第一年，我们通过测量人体跑步运动的结果发现，额状面的骨盆摆动可能有助于协助踢离地面并吸收着陆的冲击力。然后，我们设计了一种包含骨盆的新跑步运动模型，并通过使用实际机器人进行模拟和实验验证了其有效性。去年，我们基于人体测量数据和模型，开发了具有类似人类膝关节弹性的双足机器人。 今年的目标是改善尚未活动的踝关节。首先，我们对跑步时踝关节的行为进行人体运动分析。结果，在站立期间在俯仰轴上观察到高弹性，这被认为有助于高输出。另外，在侧滚轴上，脚着地于小前脚掌附近，然后重心通过外翻转移到前脚掌上，但这段时间施加在脚踝侧滚轴上的扭矩极小，因此脚以较低的关节刚度着地，这使得机器人能够被动地跟随地面。因此，我们开发了一种足/踝关节机构，可以根据要求的规格模拟这些特性和关节扭矩数据。通过使用提高了输出轴传动效率的蜗轮来驱动踝关节的俯仰轴和横滚轴，实现了弹性和主动驱动的双重效果。我们使用减少摩擦的CFRP堆叠板簧来模拟弹性元件，并设计了一种可以通过绕俯仰轴偏转和绕侧倾轴扭转来跟随路面的脚机构。我们开发了一种脚/踝关节机构。具有与成年女性相同的链接比率和质量特征。通过评估实验，我们在滚转轴上实现了与人类相同水平的运动跟踪。

项目成果

骨盤運動に着目した2足走行ロボットの開発(第1報 : 骨盤運動と脚弾性を活用した走行モデルの考案)

以骨盆运动为中心的双足跑步机器人的开发（第1次报告：利用骨盆运动和腿部弹性的跑步模型的开发）

• 发表时间: 2013
• 作者: 大谷 拓也; 八原 昌亨; 瓜生 和寛; 橋本 健二; 阪口 正律; 川上 泰雄; 林 憲玉; 高西 淳夫
• 通讯作者: 高西 淳夫

Joint Mechanism Coping with both of Active Pushing-off and Joint Stiffness Based on Human

基于人体的同时应对主动推离和关节僵硬的关节机构

• 发表时间: 2016
• 作者: Takuya Otani; Kenji Hashimoto; Takaya Isomichi; Shunsuke Miyamae; Masanori Sakaguchi; Yasuo Kawakami; Hun;Atsuo Takanishi
• 通讯作者: Atsuo Takanishi

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）

专注于骨盆运动的双足跑步机器人的开发（第9次报告：模拟人体腿部弹性的下半身机器人实现矢状面单足跑步）

• 发表时间: 2015
• 作者: 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
• 通讯作者: 高西淳夫

Running Model and Hopping Robot using Pelvic Movement and Leg Elasticity

使用骨盆运动和腿部弹性的跑步模型和跳跃机器人

• 发表时间: 2014
• 作者: Takuya Otani

骨盤運動に着目した2足走行ロボットの開発(第3報 : 板ばねを用いた弾性可変機構を持つ回転関節脚)

开发专注于骨盆运动的双足跑步机器人（第三次报告：使用板簧的可变弹性机构的旋转关节腿）

• 发表时间: 2013
• 作者: 瓜生 和寛; 大谷 拓也; 八原 昌亨; 飯塚晃弘; 濱元伸也; デステフ・マチュー; 橋本健二; 保原浩明; 阪口正律; 川上 泰雄; 林 憲玉; 高西淳夫
• 通讯作者: 高西淳夫