ロボコンは対外的な視点からは現実的な学校の名誉をかけたコンテストでもあるが, アイデアコンテストと銘打ってあるように, 基本的には学生主体の創造活動であり, その評価の場としてのロボットコンテストと位置づけるのが教育的であろう。創造性の育成が叫ばれている折り, 学生はロボット製作においてどの様に取り組んだか, どの様な方法で課題案を具現化させたか, それらを通して何を学んだか, の視点からロボットを紹介しつつ考察する。

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ロボットコンテストはNHKが全国向けた放送している科学番組であるが, これが与える影響は非常に大きく, 入学動機の一部にもなっている。また, テーマが与えられそのアイデアを短期間の間に一つの形として作り上げるという事も, 学生に興味を与えている。そこで, 本学におけるロボコンの取り組みを通して, 技術教育との関連を考察した。

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最適軌道計画により導出した自由大車輪運動は軌道安定性がないことを示し, 次に省駆動系に特徴的なコンフィギュレーション制御により3つのタイプの中2つは安全に制御できることを示した。次に実験機を製作し, コンフィギュレーション制御により安全な運動を実現できることを示した。

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本稿では脚式歩行動物の跳躍歩容を扱い, その実現を困難にしている劣駆動, および可変拘束に注目する。立位相では非駆動関節を有しているため状態を任意に変えることは困難であり, また1入力で重心の加速と姿勢の制御を同時に行う必要がある。そこで立位相では, 離陸時の重心速度方向と重心まわりの角運動量を望ましい値にすることを制御目標とし, これを実現する。また, 飛遊相では角運動量保存則による拘束のため任意の姿勢を取ることは難しいが, 時変の座標変換を用いることにより所望の姿勢での着地を実現する。そして, 着陸の姿勢を適切に選ぶことにより連続的な跳躍を実現する。

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2足歩行ロボットの各関節に一定トルクをかけるだけで継続した歩行が可能となる。このような歩行形態を一定トルク歩行と呼ぶことにする。この一定トルク歩行は受動歩行の特徴をぼ受継いでおり, 関節に入力するトルクの大きさによって歩容や歩行速度が自然に変化したり, 入力トルクの組合せなどによって歩容に分岐現象が起こるなどの興味深い性質をもつ。また, 実験によって一定トルク歩行の存在を確かめた。

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自励駆動により平地を2足歩行できることを99年に報告したが, 本研究はその実験的検証の研究報告である。実験機における外乱要因を除去し, パラメータの最適化を行ない, シミュレーションと実験的比較検討により, 実験機が自励駆動により2足歩行することを実証した。

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本研究は一歩の歩行運動を足の振り出し運動区間, 自由運動区間と足交換区間の3つに分け, 足の振り出し運動を軌道計画問題により最適歩行運動を求めた。計算結果によって入力の小さい理想的な2足歩行運動を求めた。計算結果によって入力の小さい理想的な2足歩行運動が実現されることが明らかになった。

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著者らはすでに四足歩行機械の動歩行問題に関し, 安定な歩行を実現する歩行機械の左右揺動歩容を提案している。これは本体を進行方向に対して左右に移動させることで, 支持脚対角線上に常にZMPを設定するものである。本報告では本歩容を拡張し, 歩行機械が高速に移動する場合に対して, 本体を左右方向だけでなく, 進行方向及び上下方向にも移動させることで, 消費エネルギーを軽減することができる, 新たな拡張左右揺動歩容を提案する。

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本論文では角運動量保存則から導かれる非ホロノミックシステムの制御問題を扱う。その初期角運動量を持つ浮遊機械系の状態方程式はドリフト項がある劣駆動非線形系として記述されるが, 絶対姿勢角に対する状態変数が平衡点を持ったないからその制御は難しい。ここでは, 初期角運動量がある3自由度の劣駆動系のシステムに対し, バンバン制御入力を用いて任意の初期姿勢から目標姿勢までの軌道計画問題を解析的な手法を用いて解いた。まず, ある時刻から状態の次元を落とした低次元制御を提案する。次は3自己度そのままの制御方法を提案し, 3リンクのダイバーを例としたシミュレーションによって提案した制御則の有効性を確認する。

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我々の研究プロジェクトでは, Sagittal平面内で走行可能な脚式ロボットを開発した。本研究で目標は, 脚式走行ロボットをさらに拡張し, 3次元空間での走行運動が可能な脚式ロボットを開発することである。

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倒立振子の安定化制御で検討されるモデルは振子下端の左右加速度入力を用いた状態フィードバック制御系に代表される。しかし, 加速度入力を鉛直方向にしてフィードバック安定化を試みるとき, 入力項が特異となり制御則の導出さえ困難となる。一方, 非線形力学の分野において, 振子支点を鉛直方向に強制振動させることで倒立した状態を維持できる現象が知られている。本報では, この現象を拡張し, 状態に依存する振動振幅を入力とした制御系を考察し, 倒立振子の振り上げを具体例として検討するものである。

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一般にロボットの軌道制御を行う場合, 目標値は時間に依存したものが多い。しかし, 制御対象の中には, 各瞬間でのロボットの位置を目標値に追従させることが重要でない作業も多くある。この問題に対して我々はPVFCを用いて解決する方法を提案してきた。今回はこれの二足歩行ロボットの制御への応用を考え, 数値シミュレーションによりその有効性を検証した。また, ロボットのモデルは受動歩行ロボットを使用し, エネルギー効率に優れた歩行形態についても考察を行った。

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従来, 2脚歩行ロボットの研究は, 歩行などの単機能の実現を目指していた。それに対し, 本研究は, 1)首, 尾を動吸振装置として用いることで, 高い動的安定性を実現できる, 2)静止して作業するとき, 尾を利用した3脚支持が出来て動的で安定な足場を構成できる, 3)マニピュレータなどを首部分とすることで, さまざまな作業に適用可能である, などの特性を有する恐竜型2脚歩行に注目し, 干渉駆動型の4自由度駆動系を有するTITRUS-IIの開発を行ったのでその機構設計と基本歩行実験の様子を報告する。

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歩行機械の脚先に受動車輪を取り付けた脚・車輪型ハイブリッド移動体ローラーウォーカーの旋回・超信地旋回動作について考察する。速度を評価基準としてシミュレーションを行い, 脚軌道パラメータの最適化を行う。また本体速度・位置・姿勢を計測する実験システムを構築し, その結果をシミュレーション値と比較する。

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多点接触させることにより機能を向上した脚式作業移動ロボットを開発している。表面接触点での接触力が計測できれば, 外力や多点接触特有の不静定力を知ることができ大きな利点となる。このような応用について議論するとともに, ロボットの表面に装着可能な6軸力覚センサについて述べる。従来の6軸力覚センサはリスト部に装着することを前提としているので, ロボットの表面に装着するには形状, 構造ともに適さない。そこでPSDとレーザーを用いたロボットの表面に装着可能な軸力覚センサを開発した。

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軽量の脚ロボットを開発するために, 開発の一部を非駆動とする4脚ロボットの開発を進めている。動力学解析を行い, 不安定平衡点が多数存在し, 平衡点近傍で線形フィードバックにより姿勢の安定化ができること示る。また, 歩行パターンを見出している。さらに, 閉リンクを構成すれば, リンク系として非駆動状態ではなくなることもある。このことを利用した姿勢遷移や複数台の組み合わせなどの多機能性についても議論する。

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Complementarity Systemとは, 数理計画問題の1つである線形相性問題と同類の微分代数方程式, 不等式によって表される動的システムである。本研究では, 可変拘束メカニカルシステムの多くが, このシステムにより記述できることに注目し, この表現をもとに跳躍ロボットの制御を行う。跳躍を実現するためには, 跳躍の準備段階で環境との拘束を保つための条件と, ある瞬間で環境から離れるための条件を明確にする必要がある。そこで, Complementarity Systemにおけるモード選択問題に対する結果を用いることにより, その条件を明確にする。ここで導かれた条件をもとに, 跳躍による到達点の高さを最大化する最適制御問題を設定し, その解を与える。

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