소형휴머노이드 모델의 설계와 제작 > 로보맨리뷰

이 개념을 Fig.1 에 나타낸다. 본발표에서는 시스템중 인간형 로봇의 실제 본체인 미노루(로봇에 붙인 이름이라 생각됨/필자) 모델의 구축에 관해서 주로 말하지만 이것에 더해서 다음의 요소(수치 모델, 미노루 모델과 수치 모델의 인터페이스, 맨-머신 인터페이스)로 시스템을 구성한다.

- 인간형 로봇의 수치 모델은 계산 부하의 큰 인간형 로보트의 동역학 계산에 대해서, 이것을 실시간으로 처리할 수 있도록, 계산 효율이 좋은 알고리즘을 채용해, 리얼타임 모션 시뮬레이션을 실시하는 일련을 디지탈 계산기상에 구축한다.

-  인간형 로봇 미노루 모델과 수치 모델의 결합을 실시하는 인터페이스는 이러한 동기를 취하는 한편, 미노루 모델의 센서치, 수치 모델의 계산치 등 쌍방의 운동에 관한 정보를 네트워크를 개입시켜 공유한다. 공유하는 운동 데이터는 각각의 다음 스텝의 운동에 반영시킨다.

-   인간형 로봇에 대한 조종 인터페이스는 유저가 지정한 부분에 단순하게 임의의 힘/토르크를 주는 직감적인 동작의 지시를 실시해 수치 모델을 통해서 유효한 운동 정보를 생성해 인간형 로봇의 실제 행동에 개입한다. 덧붙여 야마네 등은 운동 학문적인 어프로치에 의해 인간형 로봇의 동작을 직감적이고 유연하게 지시할 수 있는 핀/드러그 인터페이스를 이용한 수법을 제안하고 있다.(주5) 묘수법은 실시간 동역학 계산에 근거하는 수치 모델과 미노루 모델을 결합한 동역학적인 어프로치에 의해 유저의 조작 부하를 경감하기 위하여, 단순하고 직감적인 조작으로 인간형 로봇에게로의 동작특성을 고려한 고도의 동작 개입을 노린다.


3.  미노루 모델 prototype

요즘 활발하게 개발을 하고 있는 인간형 로봇 중의 하나의 카테고리로서 존재하는 스몰 사이즈의 인간형 로봇(주6)~(주8)은 비교적 저비용으로 제작이 가능하다. 단기간에 제작이 가능하고 확실히 실현될 수 있는 것을 염두에 두어, 모터, 감속기, 모터 드라이버, 각도 센서 등이 컴팩트하게 내장된 무선조종용 써보모터를 액츄에이터로서 이용하고, 규격재에 단순한 가공을 하는 정도의 부품을 개입시켜 각 액츄에이터간을 결합해 링크 기구를 구성해 이것에 몇개의 범용 마이크로 컴퓨터를 짜넣는 설계 사상으로 본 시스템의 미노루 모델로서 이용하는 인간형 로보트 본체의 prototype를 구축한다.

본 prototype의 다리 부분에는 편각 6 자유도×2의 전 12 자유도를 가지도록하였고, 콘도 과학(주) 무선조종용 써보모터 PDS-2144FET 를 12개 배치해 팔부분에는 한쪽 팔 4 자유도× 2의 전 8 자유도를 가지도록했으며 후타바 전자공업(주) 무선조종용 써보모터 S3101 를 8개 배치했다.

또 다리부분에는 닛타(주)에서 제작한 FrexiForce SSB-TA101-1 를 촉각 센서로서 편각 4×2, 합계 8개 배치했다. 다리 부분에 관해서, 모터의 배치와 각 보디간의 결합 상태를Fig.2 에 나타낸다. Fig.2 에 대해, Joint 1 ~ 12 가, 모터의 회전축에 대응한다.


Fig.2 Biped mechanism (arrangement of motors)

이것들을 고려해 설계를 실시했을 때의 조립도는 Fig.3과 같다.


Fig.3 Assembly drawing of the hardware.

다리, 팔부분의 각 모터 설치용 물건, 모터의 회전축 결합용의 플랜지등은 알루미늄제각 파이프, 앵글, 채널 등의 규격재를 일반적인 탁상 선반, 밀링 등의 공작기계로, 용이하게 가공할 수 있도록 했다. 이러한 가공에 의해 제작한 부품의 일부는 Fig.4와 같다.


Fig.4 Sections of the robot

2개의 모터의 회전축이 직교 하는 부분(Fig.2의 Joint 2와 Joint3사이, Joint 5와 Joint 6사이 등)는 비교적 기구가 복잡하게 되지만 본prototype에서는 이 부분을 감히 편소유 지지로 해 모퉁이 파이프에 천공 등이 가공을 한 것으로 2개의 회 전축을 결합하는 구조로 만들어 제작의 용이함과 가동 범위의 확보를 우선했다. Joint 5 로 Joint 6 간의 결합 부분을 Fig.5 에 나타낸다.


Fig.5 Binding module

실제로 제작한 prototype의 사진을 Fig.6 에 나타낸다. 덧붙여 배터리를 포함한 전질량은 2.2 [kg]이며, 또 직립시의 높이는 0.42 [m] 이다.


4.  미노루 모델 제어 시스템

미노루 모델의 제어 시스템은 수치 모델과의 통신 및 로봇 내부 시스템의 통괄 등 상위 레벨의 처리를 실시하는 메인컨트롤 유니트와 각 액츄에이터, 센서가 직결되어 구성된다.


Fig.6 Photograph of the prototype


Fig.7 Linux-based control unit

하위 레벨의 처리를 실시하는 서브컨트롤 유니트로부터 제어된다. 각 모터, 센서와의 인터페이스의 역할을 담당하는 서브컨트롤 유니트에는 I/O 포트, A/D 변환기 등이 많이 준비된 원 보드 마이크로컴퓨터를 이용하는 한편, 메인컨틀로 유니트에는 네트워크의 기능이 가능해 개발을 효과적으로 실시할 수 있는 시스템이 되는 것을 중시하였다. OS 로서 Linux 를 탑재한 소형의 서버를 이용한다.

Linux 베이스의 메인컨트롤 유니트에는 레이자파이브(주)에서 만든 L-Card+2M 를 이용한다. 이것은 일본 전기(주)에서 만든 RISC 형 마이크로 프로세서 VR4181-66(66MHz)를 CPU로 탑재하고, 16M 바이트의 SDRAM, 2M 바이트의 플래시 ROM, 10BASE-T 인터페이스, RS232C 시리얼 인터페이스, CompactFlash 인터페이스, 확장 버스등이 매우 적은 스페이스로 꾸며진 보드 컴퓨터이다.

메인컨트롤 유니트는 prototype 동체 상부에 탑재한다. 이것을 실제로 탑재하고 있는 상태를 Fig.7 에 나타낸다. 한편, 서브컨트롤 유니트에는 (주)히타치 제작소에서 만든 마이크로 콘트롤러 H8/3048F 를 탑재한(주) 아키즈키 전자 통상의 마이크로컴퓨터 보드 AKIH8/3048F를 이용한다. 메인컨트롤 유니트와 서브컨트롤 유니트는 자작의 패러렐 인터페이스 보드를 이용하여 접속한다. LCard+2M 측은 그 확장 버스에 포함되는 범용 입출력 단자 GPIO 중, 유저가 사용할 수 있는 11개의 단자를 마이크로컴퓨터 보드와의 통신에 이용한다.

이들 단자중 8 개가 데이터 송수신용, 1 개가 패러렐 인터페이스 보드상의 2개의 IC (74ALS573, 74LCX245)의 변환용, 2 개가 마이크로컴퓨터 보드와과의 핸드쉐이크용으로 할당해지고 있다.

여기서 이용하는 GPIO 는 3.3[V] 레벨인데 대해 마이크로컴퓨터 보드의 I/O 포트는 5[V] TTL 레벨로 사용하기 때문에, 레벨 변환 기능을 갖춘 인터페이스 IC 인 74LCX245 를 이용하여 마이크로컴퓨터 보드측으로부터 L-Card+2M 에의 데이터 입력을 실시한다. 이러한 개요를 Fig.8 에 나타낸다.


Fig.8 Control system

PC/AT 호환기(OS: Linux) 상에 L-Card+2 M의 CPU (VR4181-66) 및 H8/3048F 각각 대응한 GNU의 크로스 개발 환경을 구축하였다. 각각의 소프트웨어는 이 환경아래에서 작성한다. LCard+2M 에 인스톨 된 Linux는 리얼 타임 처리에 대응한 것은 아니지만, 상기 환경의 C 컴파일러 gcc 에 준비된 usleep 함수에 의한 sleeve 시간의 설정에 의해 약 20 [msec] 의 주기에 본prototype의 제어를 실시하고 있다.

이 주기내에 전술한 접속에 의해 L-Card+2M는 마이크로컴퓨터 보드로부터 8 개의 각 센서 데이터(1 바이트)를 수신한 후 20 개의 각 모터 각도 데이터(1 바이트)를 마이크로컴퓨터 보드에 송신한다. 여기서 사용하는 L-Card+2M 의 범용 입출력 단자 GPIO 에의 액세스는 전술의 gcc 에 준비된 mmap 함수를 이용해 얻을 수 있던 각 단자에 대응 붙일 수 있었던 포인터를 개입시켜 실시한다.

마이크로컴퓨터 보드는 각도 데이터를 받으면 타이머 세치기에 의해 모터 제어용의 펄스 파형을 생성해 모터에 출력한다.(Fig.8)  마이크로컴퓨터 보드측 입력용, 출력용 각각에 8 비트의 신호선을 준비해 있는데 대해 LCard+2M 측은 GPIO 의 8 비트를 입출력 겸용에 이용하고 있다. 이러한 접속으로, 확실히 데이터 통신을 실시할 수 있도록(듯이), L-Card+2M 측으로부터, 핸드쉐이크용 2 비트의 신호선을 이용해 입력/출 힘의 모드 혹은, 에러의 유무등의 정보를 직접, 마이크로컴퓨터 보드에 입력해, 통신의 신뢰성을 확보하고 있다.


5.  동작 실험

여기까지 이야기한 미노루 모델의 동작 시험으로서 보행의 동작을 시도했다. 다만, 본 실험에서는 사전에 보행 패턴을 각 관절 각도 데이터로서 준비해 메인컨트롤 유니트는 서브컨트롤 유니트를 경유해 각 관절의 모터에 대해서 오픈루프로 보행 패턴에 따른 목표 각도의 지령을 실시한다. 보행패턴은 요소가 되는 점을 결정해 가 그것들 각 점의 사이의 적당한 소요 시간을 주어 보간을 베풀어 경험적으로 생성한 것이다. 덧붙여 각 모터내부에서는, 관절각의 위치 제어를 한다. 이 수법으로, 실현될 수 있었던 2족 보행의 동작예를 Fig.9 에 나타낸다.

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