[論文レビュー] An Uncontrolled Toy That Can Walk But Cannot Stand Still

Michael J. Coleman, Andy Ruina|ArXiv.org|Nov 10, 1997

Robotic Locomotion and Control被引用数 54

ひとこと要約

本論文では、制御システムや回転部品を一切用いずに、重力と機械的設計のみで勾配を安定して下り歩行するパassingダイナミックな歩行おもちゃを提示する。静的に不安定なすべての立ち位置にありながらも、間欠的な足の衝突と非ホロノミックに似た制約を通じて動的安定性を達成しており、ジャイロスコピック効果なしに非制御的・非ホロノミック力学が三次元でのバランスを可能にすることを示している。

ABSTRACT

We built a simple two-leg toy that can walk stably with no control system. It walks downhill powered only by gravity. It seems to be the first McGeer-like passive-dynamic walker that is statically unstable in all standing positions, yet is stable in motion. It is one of few known mechanical devices that are stable near a statically unstable configuration but do not depend on spinning parts. Its design is loosely based on simulations which do not predict its observed stability. Its motion highlights the possible role of uncontrolled nonholonomic mechanics in balance.

研究の動機と目的

• 機械的に単純で制御の一切ない歩行おもちゃを設計・製作し、すべての立ち位置で静的に不安定であるが、運動中に動的安定性を示すようにすること。
• 歩行における動的安定性が、回転部品やアクティブ制御に依存せず、非ホロノミック制約と間欠的衝突から生じる可能性があるかどうかを調査すること。
• ポテンシャルエネルギーの最大値付近でのバランスを達成するために、非制御的・非ホロノミック力学が果たす役割を調査すること。
• 三次元的なパassing歩行安定性が、いかなる配置でもまっすぐ立つことができない装置に対しても可能であることを実証すること。

提案手法

• Tinkertoy®セットを用いて装置を構築し、ブリキシムストックを足の先に取り付けることで点接触を確保し、安定な立ち姿勢を妨げる。
• 脚の軸の後方に横方向のロッドに鉛のナットを付けて、重心を足の曲率中心の上に位置づける。
• 脚は緩くフィットするアキシスに取り付けられており、独立して回転可能であり、4.5°の傾斜面を歩行する。
• 足の衝突は間欠的かつ非弾性的であり、常に一方の足のみが接触しており、区分的ホロノミック制約系を形成する。
• 推進力と運動量の移動は重力と足の衝突によってのみ供給され、前進運動を維持する。
• アクチュエーターや制御を一切避ける設計であり、安定性は機械的幾何学と衝突ダイナミクスによってのみ生じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械的に単純で制御のない歩行装置が、すべての立ち姿勢で静的に不安定であるにもかかわらず、動的安定性を達成できるか？
• RQ2 区分的ホロノミック系における非ホロノミックに似た制約が、三次元的な動的安定性にどの程度寄与するか？
• RQ3 回転部品やジャイロスコピック効果なしに、パassing歩行における動的バランスは可能か？
• RQ4 観察された安定性が、単純な数学的モデルによる予測と一致しないのはなぜか？
• RQ5 足の衝突による間欠的損失が、そうでなければハミルトニアン系である系において、漸近的安定性に寄与できるか？

主な発見

• 装置は4.5°の傾斜面を2.13 Hzのステップ周波数（1ステップあたり0.47秒）で安定して歩行する。
• 1ステップあたり約1.3 cm前進し、歩行中に左右に約4度の傾きを示す。
• ステップ中にロール角φに顕著な変動が認められず、横方向のダイナミクスが安定していることが示された。
• 時間とともにわずかな方向のずれが生じるが、わずかな摂動後にも元の近似周期的歩行に戻るため、強靭な動的安定性が確認された。
• 重心が足の曲率中心の上にあるため、いかなる配置でもまっすぐ立つことはできず、静的不安定性が裏付けられた。
• 著者らの単純な数学的・計算モデルでは観察された安定性を予測できず、非線形性や衝突ダイナミクスの重要な側面が欠落している可能性がある。