日本のロボット研究の歩みHistory of Robotics Research and Development of Japan2006Locomotion〈ロコモーション〉多脚移動ロボットの力制御技術と２足歩行ヒューマノイドロボットの柔軟なバランス、歩行、運動学習への応用

力制御は因果律からいって位置・速度制御の下位にあたり、人間や環境と親和性ある物理的インタラクションを実現する上で鍵となる技術である。とくに近年、不整地作業ロボットの移動技術や、外骨格ロボットのアシスト制御技術等、マニピュレーションとロコモーションにおいてもその力制御の重要性はますます増加している。

本研究は、トルク制御可能であることを想定した多関節多脚・多腕ロボットの作業移動のための受動性に基づく実用的な接触力制御の枠組みを提案し、等身大の油圧駆動ヒューマノイドロボットを用いて有効性を実証したものである。

発表論文では、提案手法が受動性に基づいた冗長問題解法に基づくため、１）接触力の計測を必ずしも必要とせず、２）逆運動学演算を必要とせず、３）逆動力学演算を必要とせずに、複数の接触点に作用する接触力を最適に制御できることを理論的に示している。また、応用例として、トルク制御可能な油圧駆動ヒューマノイドロボットへの適用方法を示している。

冗長関節を持つ等身大２足歩行型ヒューマノイドロボットが複数の接触力を実時間で最適に制御しながら、未知の外力に対してしなやかに対応しつつバランスを維持するデモを行ったのは本研究が世界初である。提案手法は２足歩行ロボットをはじめ、多脚式建設ロボットや補助装具など幅広い脚式ロボットに適用することができ、実際、発明者らによってトルク制御型外骨格ロボットや４脚ロボットにも適用されている。

なお、本研究の発表とほぼ同時期に、Stanford大のグループが逆動力学に基づく全身運動制御法を提案していたが、シミュレーションのみの評価であった。本研究は実用性の観点から受動性に基づく解法と簡便な接触力最適化アルゴリズムを示し、理論と実験の両方でその有効性を証明した点に独創性と優位性がある。実際、本研究を皮切りに、トルク制御型の歩行ロボットの開発が国際的に活発化し、現在に至っては複雑な接触状況における実時間最適化を含めた最適全身軌道計画に研究のトレンドが推移している。

ここで紹介する動画は、ランダムに傾斜が変化するシーソー上のバランス、片足・両足支持の遷移動作、準動歩行、強い外乱に対する転倒回避動作の様子や、力制御の特徴を活かした関節軌道の重ね合わせによる周期的足踏みや動歩行、高速バッティング動作の様子を示している。詳細はJST-ICORP計算脳プロジェクト終了報告書にまとめられている。