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メモリ・ベースト制御による二足歩行の安定化

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臨機応変の足運び: 多重軌道間推移による二足歩行制御

環境変動に強い歩行を目指して

二足歩行は高難度の不整地対応の潜在能力が期待されている。
ここで言う不整地とは、絨毯、布団、砂利道、草地、岩場、泥濘、雪、等々を指し、接地状態の予測・事前の運動計画が難しい路面一般を対象としている。
そのため、(1)接地状態に大きく左右されない手法が重要であり、また、(2)その時の状態変化に応じて動く、即応性が重要である。

接地状態によらずバランスを維持するには
(1)接地状態に大きく左右されないためには、接地状態に関係なく成立するような基本的性質を利用する必要がある。
そこで、関係する要因を減らすために、モデルを必要最小限に簡素化した。地面と足先の間は点接地の形に抽象化し、全体を倒立振子(支持脚)と振子(遊脚)の複合振り子と見なした。また、運動は2次元平面内とした。


コンパス状2足歩行モデル


このモデルにおいて、転倒の発生は、2つのパタンに集約される。 (1)つまずく=上体に足が着いていかない→転倒 (2)ひっくり返る=上体をおいて足だけ先に行く→転倒 である。つまり、転倒しないためには、上体(全重心)と足先(接地点)との間の位置・速度関係を適切に保つ事が必要である。

即応的な運動生成と制御
多重軌道間推移制御、と名付けた、メモリ・ベースト運動制御の手法を用いる。
制御には2段階を踏む。 (1)うまく歩ける歩行パタンのメモリ作成と (2)メモリ参照による制御である。

(1)種々の歩調・歩幅での稠密な軌道ライブラリを事前に作成しておく。


様々な歩行パタンでのメモリ生成の段階


歩幅・歩調のパラメータの組(股関節の運動目標値)とそれに対する支持脚(重心と接地点の関係を近似)の軌道(状態変化の軌跡)を対応づけて、保存しておく。

(2)測定した状態をキーにして、参照しながら動作生成を行う。


メモリ参照による歩行制御の段階


サンプリング・タイム毎に、その時の支持脚の状態量をキーにして、対応する歩幅・歩調のパラメータの組を引き出す。そのパラメータを股関節の運動目標値にして、制御を行う(運動を再現する)。うまく行った動作のメモリの再現なので、同様にうまく運動生成・制御が行える事が期待できる。
シミュレーション結果

定常的歩行。歩幅の目標値は、股関節角度にして0.6[rad]。


定常的歩行。



歩行中、外乱が加わっても、足の運びを変えて、歩行バランスを維持し続ける。


右方向への移動中(左)、大きな外乱(80[kg])が加わり、後ずさりする(右)。


横揺れ地震状態(周波数3[Hz]、振幅5[cm])の路面上の歩行。


不整地上の歩行。 地面は乱数による折れ線で生成。制御点の振幅は5[cm](最大振れ幅10[cm])。


不整地生成用の一様乱数の種が10の場合の歩行。


不整地生成用の一様乱数の種が 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 の場合の歩行。



上り坂(0.2[rad])の歩行。


下り坂(0.3[rad])の歩行。



様々な身体パラメータでの歩行。標準は、上体質量40[kg]、脚自然長1[m]。


上体の質量を110[kg]まで増量した場合の歩行。


上体の質量を20[kg]まで減量した場合の歩行。


脚自然長を1.65[m]まで伸長した場合の歩行。


脚自然長を0.75[m]まで短縮した場合の歩行。


脚(膝関節)構造を直動型から回転型へと変換。制御のための運動モデルは直動のまま。


膝付き脚での歩行。

上体の構造を点形状から棒状に変更。制御のための運動モデルは、上体が質点のまま。


棒状の上体での歩行。


様々な足裏形状での歩行。踵接地・爪先離地の歩行パタン。蹴り出しの強さは、それぞれの足裏形状に応じて調整してある。図は蹴り出しが小さくて済む順番に並べてある。


滑らかで歩きやすい形状の足裏での歩行。


下駄状の足裏での歩行。


革靴状の足裏での歩行。


平板状の足裏での歩行。



歩幅の一時的変更による障害物回避。標準の歩幅は、上記の0.6[rad]。


歩幅を一時的に広げた(0.9[rad])場合の歩行。


歩幅を一時的に狭めた(0.3[rad])場合の歩行。

定常的な歩幅の変更による歩行速度の変更(蹴り出し量も一時的に調整してある)。標準の歩幅は、0.6[rad]で、広い歩幅は0.8[rad]、狭い歩幅は0.4[rad]とした。


歩幅を狭めた後に広げた場合の歩行。


歩幅を広げた後に狭めた場合の歩行。



研究中。床の摩擦係数が小さいところで滑って転倒。



一部、床の摩擦係数を小さく設定してある場合の歩行(転倒)例。