成果報告書詳細
管理番号20160000000501
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 環境・医療分野の国際研究開発・実証プロジェクト ロボット分野の国際研究開発・実証事業 災害対応ロボット・オープンプラットフォームの研究開発(1)
公開日2016/7/15
報告書年度2014 - 2015
委託先名国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P12001
部署名ロボット・AI部
和文要約件名:平成26年度ー平成27年度成果報告書 環境・医療分野の国際研究開発・実証プロジェクト/ロボット分野の国際研究開発・実証事業/災害対応ロボット・オープンプラットフォームの研究開発

本研究では災害対応ロボットのプラットフォームを目的とした静油圧駆動ヒューマノイドロボットHydraの開発を行った.開発したロボットは41自由度(うち各ハンド5自由度)であり,膝,肘を冗長駆動として47アクチュエータで駆動される.首を除く46アクチュエータは電気静油圧アクチュエータとすることで力感受性を高めると同時に耐衝撃性を高める設計とした.ロボットは3種類のアクチュエータにより構成した.脚や体幹,腕部のアクチュエータは直動式静油圧アクチュエータとスライダクランク機構を組み合わせることで駆動する方式とした.手首や足首など複数自由度の関節には2自由度閉リンク機構を採用することで関節トルクの最適化を図った.手首の回内・回外などリンクの長手方向を回転軸とする箇所には回転型ダブルベーンモータを用いた.ハンドは前腕部に5軸をクラスタ化した小型直動アクチュエータを登載し,ワイヤ駆動により指関節を駆動する方式とした.ベーンモータは圧力センサによる外力計測,大型の直動アクチュエータは圧力センサに加えコネクティングロッドに貼り付けた歪ゲージにより外力計測を行う構造とした.ハンド用アクチュエータはワイヤの張力を計測するロードセルにより外力計測を行う.
 アクチュエータの駆動用パワーエレクトロニクスにはハイブリッドSiCパワーモジュールを用いることで,ロボットが衝撃を受けたときに生じる高逆起電力に対する耐圧を高めると同時に,回生時の損失を低減した.制御エレクトロニクスは3層構造とし,全身制御にはPCベースのリアルタイムコンピュータを用い,3ー5アクチュエータごとに高速マイクロコントローラ,各アクチュエータにリアルタイム制御用FPGAを用いた.ロボットにはモータの位置を計測するSSI方式のアブソリュートエンコーダのほか,リンク位置を計測するBiSS-C型アブソリュートエンコーダを用いている.さらにハンドのアクチュエータにはABI方式のインクリメンタルエンコーダ,ハンドの関節位置計測にはSPI型のアブソリュートエンコーダを用いた.このような多種類のシリアルエンコーダプロトコルに加え,電流センサ用,圧力センサ用,ロードセル用のADコンバータなど異なるプロトコルを分散処理するFPGAのプログラムを開発した.また,FPGAでブラシレスモータをベクトル制御するプログラムを実装し,電流制御のリアルタイム性を高めた.
全身統合コントローラと各マイクロコントローラ間にはEtherCATを用いることで高速なデータ同期を可能にし,1msで全アクチュエータの情報を同期できるようにした.マイクロコントローラとFPGAの間にはLVDSを用い高速なメモリ転送を行うことで電流制御をFPGAで,速度・位置制御をマイクロコントローラで行う構造を実現した.
 全身統合制御コンピュータにはリアルタイム拡張Linuxを使用し,全身の関節を1msごとに制御するシステムを開発した.また,Hydraの閉リンク機構の運動学を計算し,擬似的に開リンク機構として制御できるソフトウェアを開発し,リアルタイム制御系に統合した.歩行運動の生成は大阪大学杉原准教授のものを統合し,リアルタイムに歩容生成ができるシステムを開発した.
 電源系としては水素燃料電池とリチウム燐酸鉄電池のパッシブハイブリッドシステムを構成し,1kWまでの電力を水素燃料電池で,それ以上の瞬時最大電力をリチウム燐酸鉄電池にてまかなうことで長時間駆動と瞬時パワーの両立を実現し,そのシステムの基本的な振る舞いを実験的に確認した.
英文要約Title:The International R&D and Demonstration Project on Robotic Field / Research and Development of Disaster-Response Robot Open Platform (FY2014-FY2015) Final Report

In this research, we developed a humanoid robot “Hydra” for a platform of a disaster response robot. Hydra is equipped with 41 DOF (degrees of freedom) with total number of actuators 47. This number includes actuators for hands that are 5DOF each. All the joints except for neck are driven with electro-hydrostatic actuators to realize robust, shock resistant, and force sensitive actuation.
The robot consists of 3 types of actuators: Large linear, revolute, and miniature linear. Most of the joints are driven with large linear actuator, which are used together with slider-crank mechanism to convert linear motion to rotary motion. Joints with multiple DOF use 2DOF parallel mechanism. Double vane motors are used in joints with axes with direction of linkage. Hand actuators are located in forearm, which are clustered miniature 5DOF linear actuators. Linear motion is transmitted to finger joints with tendons.
Double vane motors are equipped with pressure sensors to measure external force. Large linear actuators are equipped with strain gauges in addition to pressure sensors. Hand actuators are equipped with load cells that measure tendon tension.
Power electronics to drive motors of actuators were also developed. Hybrid SiC power module with SiC flywheel diodes and Si IGBT were used as power devices. Controller hardware is designed to have 3 layers. Top layer handles realtime control of whole body. This layer uses PC based hardware with Linux realtime extension. Middle layer uses high speed microcontroller for control of 3 to 5 actuators. Each actuator has its own FPGA for realtime control as a bottom layer.
The robot uses several types of encoder devices: SSI and BiSS-C for absolute encoders, ABI type incremental encoders for hand actuators, and SPI type absolute encoders on finger joint position detection. Communication with these encoders and periphral devices, FPGAs are used to realize fast parallel processing. FPGAs are also used in field orientation control of motor current.
A realtime Ethernet called EtherCAT is used for communication between top layer PC and microcontrollers. All 47 actuator information is synchronized between microcontrollers and the top layer PC within 1ms.
Software of the whole body controlled written on Linux with realtime extension. Kinematics of the parallel mechanisms is calculated with iterative method to enable treating the robot as ordinary open kinematic chain robots. Top level controller loop is closed in 1ms. The realtime software is integrated with gait pattern generator written by Prof. Sugihara in Osaka University.
Hybrid power supply of the hydrogen fuel cell and LiPO4 battery was developed. The fuel cell supplies constant 1kW. Large peak power is supplied from lithium battery. Large battery capacity and large peak power capacity is realized to enable practical field operation. Basic performance evaluation on the proposed passive hybrid power supply system was performed.
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