動歩行可能な2足歩行ロボットを作る

当社ロボット開発

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目指すロボットは、身長130cm、重量20kgです。
身長は、小学3年生の平均ほどの高さです。

ロボットと当社マングースの今後4年間の事業展開

当社マングースは、ロボットとソフトウエアを中心に今後の事業展開を計画しています。
ロボット開発は、社長の夢であり、ソフトウエア開発はロボット開発はもとより今後の産業の発展に欠かせません。
4年計画では、それらを統合すると共に、そこで得られた技術や情報を元に「合同説明会事業」あるいは「プログラミング教室」など、シナジーのあるビジネスも計画しています。
「プログラミング教室」は、「優秀な生徒さんに未来のマングースに就職して欲しい」という意図もあります。

当社が 2足歩行ロボットから、ロボット開発を行なう理由

当社は、当社にとってのロボット開発を当面4分野としました。以下にその内容をご紹介します。
その中で、2足歩行ロボットの開発を先に行なう理由は、開発のヒントが浮かんだからです。
倒立振子です。 倒立振子は1次元ですが、これを2次元にして、足の複雑な動作を爪先立ちだけの
シンプルなメカニズムに置き換えれば、車輪を足に置き換え1軸を2軸に拡張して、
比較的容易に作れるのではと考えたのがきっかけです。
(簡単と言っても、シーケンスに置き換えると意外に多いのですが)
最初はつま先立ちですが、ソフトの進展とともに踵も使えるようにすると、このロボットの性能はまた
1次元上の動作が可能となります。400mトラック高速周回ロボットの話はまた別の機会とします。

このロボットの特徴の1つ、股関節のリンク機構

このロボットではリンク機構とモーターが別々です。一部のロボットでは、サーボモーターが
リンク機構を兼ねていますが、このロボットでは別々です。理由は、20kgの体重、あるいは瞬時で
40kg以上になると思わえる負荷をモーターの軸にかけたくないからです。
このロボットでは、メインのモーターには回転方向の負荷しかかけていません。
軸に直行する負荷は無く、回転方向の負荷のみとなっています。いずれ行なう、ディープラーニング
での夜間連続運転に備えるためです。  下図で、10kgのスプリングがありますが、これは、つま先の
両足で立っている際に、モーターへの負荷をほぼゼロにするためです。

なぜ、ステッピングモーターを使うか、なぜ6Nmなのに、1.6kgなのか ?

一般のロボット用のサーボモータは、軽くて良いのですが、一方発熱などの課題があります。
一方、産業用のステッピングモータは、重いのですが以下の特徴があります。
1.正確に動作します (今回使用のモータは、背面にギア式の絶対位置制御を持っています)
2.長時間の連続動作に不安がありません。(産業用のモーターです)
3.品質のバラツキがありません。
4.発熱がありません。
5.ステッピングモーターですので、ディテントトルクがあり、ブレーキの代用を期待できます。
その他にも、産業用モーターとして制御を含めた品質に期待しています。
例えばK社のロボット用が、4Nmで約300gであるのと比べると、いかに違うかが分かります。

全体を構成する部品の概略は、足を動かすモーターが6機(つま先立ちのために2機、回転に4機)
と腕振りに2機の合計8機。
それに自身の水平を認識するためのセンサ、センサ値を読み取ったりモーター制御のためのCPU、
これらの電源となるリチウムポリマー(イオン)電池となります。

動歩行を行なうには、静歩行より1桁早い俊敏な動きが必要です

例えばロボットが僅か4度、前後左右どちらかに傾いたとして、それをロボットのセンサーが感じてから、
10度に傾くまで約0.3秒、15度に傾くまで約0.45秒、20度に傾くまで約0.55秒です。
ロボットは4度になるまでに傾きを感知して、モーターに指令を送ったとして、片足を上げてさらに
前後左右に動かし、接地するまでを0.2秒ほどで行なう必要があります。モータの回転から始まって、
全ての動作に慣性(イナーシャ)がありますので、例えば脚の設計から、回転モーメントが少なくなるよう、
徹底して軽量化しなければなりません。このロボットでは、爪先立ちのモーター(片側だけで約2kg)を足先
ではなく、股関節部分に搭載する事で、回転モーメントを抑えています。

 

なぜ2足歩行ロボットを開発? なぜ、こうゆう基本設計にしたか。

 1.人間の歩行の再現: 動歩行でエネルギーロスを少なく、実用ロボットへの第一歩。
もっと人間らしい、スムーズな、エネルギーロスの無い、歩行の慣性を活かした動作原理のロボットを作りたい。動歩行にすれば、エネルギーロス改善の可能性が高まります。うまく設計すれば、人間のように重い物を持っての移動もわずかな動力で可能と考えます。(わずかな坂道を、無動力で動く例があります)

 2.爪先立ちから開発を開始: 制御がシンプルで、高度な動歩行にも移行しやすい。
実際に、歩行を開始するステップをシーケンスで書くと分かりますが、爪先立ちでの動歩行は体重の移動など、歩行の制御が、踵と爪先を使う場合に比べて大幅にシンプルです。実際の人間も、爪先立ちで歩くと(ちょっと歩きにくいですが)動作がシンプルです。後に、踵も使った「より人間の歩行に近いあるき方」に移行する際も、今回計画のロボットでは、ハードの変更は一切必要ありません。プログラムの変更だけで移行できます。

 3.ステッピングモータの利用(工業用): 連続運転の耐久性と、仕様書通りの性能確保
片足の爪先立ちの1個のモーターだけで、制御系も含めて約2kgあります。両足で4kgです。ほぼ同じトルクのラジコンサーボでは片足400g以下、両足でも800g以下で収まります。工業用ステッピングモータの利点は、数ヶ月などの連続長時間運転の耐久性だけでなく、ブレーキを使う事で動作時意外は電力を必要とせず、当然発熱も無い事です。ブラシもありませんから安心です。一方、重さはやはり課題で、最適のギア比あるいはモーターそのものの選定により少しでも軽い製品を選ぶ必要があります。

 4.今後に向けて、ディープラーニングの利用: NVIDEAの素子を使いたい
昨年の国際ロボット展で見た、NVIDEAの256コア(一番シンプルなタイプで定価10万円を会場では特価5万円?)を使い、ディープラーニングで歩かせたい、その深層学習のためにも連続で何週間も動き続ける設計のロボットにしています。(バッテリー充電の課題はありますが) 視覚での姿勢制御もぜひトライしたいです。

 5.今後に向けて、高速走行: いつか400mトラックを人間より早く疾走させたい
だんだん、お付き合いいただける話の範囲を超えてきますが、当社のロボット開発の構想は「400mトラックの疾走」から始まりました。理由は、高速走行を行えるか否かの技術的ポイントは、蹴り出した足の着地点のコントロールに尽きる、意外にシンプルと考えるからです。XYの座標と着地のタイミングです。一方、走りのメカニズムは、人間は他の動物と比べて特殊です。蹴り出した足の慣性力で進むからです。足の重さを生かしています。おそらくは、立ったり座ったり、時には重い物を持つという人間の特殊性のために足が筋肉で太くなり、太くなった重い足を生かすために、慣性力を活かすという、人類特有の走り方が完成したものと思われます。

 6.2足歩行ロボットは何の約に立つのですか?
「2足歩行ロボットは何の約に立つのですか」という質問があります。ロボットは、様々な移動など2足歩行でないと様々な理由で人と共存できません。人と共存できないと役に立つ範囲が限られてしまいます。唯一の課題は、人とホントに共存できる歩行性能、その他人類と同じように動ける性能のロボットの開発はまだ進行中という事だと思います。

 7.最後に一言 「なぜ、御社はロボットを開発するのですか?」への回答です
誠に大雑把な回答となりますが、作りたくでしょうがないからです。頭の中で様々な思考実験を繰り返してきました。このたび、いよいよ開発開始となり感謝します。よろしくお願いします。

ロボット開発の手順

インターンシップでの2足歩行(つま先立ちの動歩行)ロボット開発は以下のような手順で作業を進めることを考えています。

  1. 倒立振子の復習 倒立振子のプログラム・ロジックを整理。社内にある市販品または皆で自作します。
  2. つま先立ち、左右交互に足踏み(前後左右の転倒防止あり) 一定のリズムで足踏みできることを確認します。
  3. つま先立ち(左右の転倒防止あり) 倒立振子のプログラムを試し、つま先立ち用に調整します。
  4. つま先立ちで前後移動(左右の転倒防止あり) 倒立振子のプログラムを試し、つま先立ち用に調整します。
  5. つま先立ち(前後の転倒防止あり) 体を少し前に傾け、補正する動作で歩行を行ないます。
  6. つま先立ちで左右移動(前後の転倒防止あり)
  7. つま先立ち(転倒防止なし)
  8. つま先立ちで前後左右に移動(転倒防止なし)
  9. つま先立ちで体を回転(転倒防止なし) 両足で立って左足を前に、右足を後ろに、で体は左に回転。あるいは片足立ちで左右の腕を互いに反対に動かします。
  10. 体を回転しつつ移動(転倒防止なし) つま先立ち歩行の完成です。

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