シリアルリンクロボットの跳躍パターン生成

摘要

脚式·歩行ロボットは大きく二つに分類することができる．一つは脚先端で構成される支持多角形内にロボットの重心を確保することを前提とした静的な歩行に関する研究，もう一つは支持多角形から重心が外れることを許容した動的歩行に関する研究である．段差を移動する手段として，後者に分類できる跳躍ロボットに関する研究が数多く行われている．Raibertらは，空気圧アクチュエータを用いた1脚ホッピングロボットを開発している．大久保らは，自己振動を利用した小出カアクチュエータを用いた跳躍ロボットを提案している．Tsukagoshiらは，瓦礫環境下での踏派性向上を目的として空圧アクチュエータ使用した跳躍·回転移動ロボットを設計·開発している．以上のように，今日までに提案されている跳躍ロボットのほとhどは，跳躍機構としてバネや空圧式アクチュエータ等の蓄積エネルギーを利用したものであり，機構上，脚自体の器用性については重要視されていない．これに対して，跳躍ロボットの脚制御に回転型モータを用いると器用性を兼ね備えた脚を作ることが期待できる．ただし，そのためにはモータ出力／重量比の大きなモータが不可欠となる．近年，軽量で高出力なモータが開発されはじめたことにより，回転型モータによる跳躍ロボノトの実現可能性が見えつつある．林らは，人間が跳躍時に用いるような腕の振り込みに着目し，この動作を回転型モータにより実現する振り子式跳躍機械を提案している．Arikawaらは，多自由度跳躍ロボットを設計し，ジャンプやサマーソルト運動を行うためのパラメータ設計，運動計画について議論している．筆者らは，高速多指ハンド用に開発された回転型モータを用いてなぞり型跳躍ロボットを設計し，モータ出力／ロボット重量比と脚長が跳躍高さに及ぼす影響について考察するとともに，プロトタイプロボットにより，脚長の約3倍の跳躍が実現できることを示している．本研究では，このような回転型モータを使用した簡単な跳躍ロボットによる跳躍問題を拡張し，Fig.1に示すような多リンクロボットにおける跳躍問題を取り扱う．ここでは，ロボットがいかにして高い跳躍を実現できるかを考察するため，遺伝的アルゴリズム（以下，GAと略記）による学習を採用することによって，与えられた関節駆動トルクの制限の下で高い跳躍を実現する跳躍パターンを発見することを目的とする．これまでに，森本らにより，強化学習を用いたシリアルリンクロボットによる起き上がり動作の獲得が議論されている．これらの研究が，与えられたロボット仕様に対する効果的な強化学習手法に議論の重点を置いているのに対し，本研究では，トルク制限，関節可動制限を与えたうえで最大跳躍を実現するのにどのようなトルクパターンを生成し，どのような跳躍パターンが現れるのか，さらにそれらがトルク制限，関節可動制限に対してどう変わっていくのかという点に焦点を絞る．本論文の構成は，以下の通りである．2章では，本研究で取り扱うシリアルリンクロボットのモデル化と最大跳躍問題を定義し，関節駆動トルクの時系列波形に基づいたGAとダイナミックシミュレーションより構成される跳躍パターンの獲得手法について説明する．3章では，関節駆動トルク·リンク長·質量から構成される無次元パラメータを用いて，獲得されたシリアルリンクロボットの跳躍高さを評価し，与えられたロボット質量およびトルク制限値に対する最大跳躍高さと有効な跳躍パターンの変遷について考察する．ロボットのスケールに対して駆動トルクが小さい場合，実質的な跳躍は不可能である．この場合，両端のリンクを脚に見立てて，両脚で重心を持ち上げ脚先を微少量浮かせる動作が限界となる．駆動トルクを大きくするにつれて，片脚で立ち上がる動作が可能になり，最終的にはロボットは空中を飛び上がることが可能になる．リンク系を折り畳hだ状態からバネのように伸び上がることで，関節トルクのする仕事を有効に鉛直方向上向き並進エネルギーに変換できる跳躍パターンについて示す．さらに，シリアルリンクロボットに関節可動制限を設けた場合の跳躍パターンについて考察する．関節可動制限により，リンク系を極端に折り畳むことができないため，初期相でリンク系の片端を持ち上げ重心を移動させ，離陸相でもう片端により床面を強烈に蹴り付けるという興味深い跳躍パターンについて示す．