• SunFounder製四足歩行ロボット(Crawling Quadruped Robot Kit for Arduino)
  • 仕様
  • 動作環境
• LEGO Mindsorms EV3により組み立てた四足歩行ロボット
  • 仕様
  • 動作環境
• 使用したライブラリ、ライセンスについて

SunFounder製四足歩行ロボット(Crawling Quadruped Robot Kit for Arduino)

SunFounderが販売しているArduinoが搭載された小型四足歩行ロボットです。

• https://www.sunfounder.com/robotic-drone/crawling-quadruped-robot-kit-for-arduino.html

仕様

バッテリーは付属していないため、別途購入する必要があります。

• Panasonic NCR18650B Li-ion充電池

• XTAR VC2 LCD ディスプレイ USB 充電器

動作環境

PCとArduinoをUSBケーブルで接続して制御を行います。

開発環境などは以下の通りです。

• Windows 8.1
• OpenRTM-aist 1.1.2-RELEASE(C++、Python)
• Arduino IDE 1.0.6
• RTno

LEGO Mindsorms EV3により組み立てた四足歩行ロボット

LEGO Mindsorms EV3はレゴが販売しているセンサやモータ をインテリジェントブロックEV3 と接続してロボット等 のシステムを組み立てることのできるキットです。

インテリジェントブロックEV3が4台、Lモーター8個、Mモーター4個を組み合わせることで四足歩行ロボットを作成できます。

仕様

動作環境

PCとEV3を無線LANで接続して制御を行います。

開発環境などは以下の通りです

• Windows
  • Windows 8.1
  • OpenRTM-aist 1.1.2-RELEASE(C++、Python)
• EV3
  • ev3dev-jessie
  • OpenRTM-aist 1.1.1-RELEASE

使用したライブラリ、ライセンスについて

本ソフトウェアは以下のライブラリを使用しています。

• OpenRTM-aist-1.1.2-Release(LGPL)
• omniORB(LGPL)
• RTno(LGPL)
• Eigen(MPL)
• Open Dynamics Engine(GPL)

• 脚運動生成コンポーネント
  • Crawl_Gait_Controller
  • Intermittent_Crawl_Gait_Controller
  • Trot_Gait_Controller
• 足先軌道制御コンポーネント
  • Foot_Position_Controller
• 駆動サーボ制御コンポーネント
  • FourLeggedRobot_RTno
  • EV3_Leg_Controller
• シミュレータ
  • Four_legged_Robot_Simulator

脚運動生成コンポーネント

Crawl_Gait_Controller

Crawl_Gait_Controllerはクロール歩容により全方向の移動を行うための足先軌道を生成するコンポーネントです。

• ソースコード
  

Intermittent_Crawl_Gait_Controller

Intermittent_Crawl_Gait_Controllerは間歇クロール歩容により全方向の移動を行うための足先軌道を生成するコンポーネントです。

• ソースコード
  

Trot_Gait_Controller

Trot_Gait_Controllerはトロット歩容により全方向の移動を行うための足先軌道を生成するコンポーネントです。

• ソースコード
  

足先軌道制御コンポーネント

Foot_Position_Controller

目標足先軌道から各関節の目標位置を計算するコンポーネントです。

• ソースコード
  

駆動サーボ制御コンポーネント

FourLeggedRobot_RTno

ArduinoでRCサーボを制御するためのコンポーネントです。 RTnoを利用しています。

• ソースコード
  

EV3_Leg_Controller

EV3でLモーター2個とMモーター1個を利用したマニピュレータを制御するためのコンポーネントです。

• ソースコード
  

シミュレータ

Four_legged_Robot_Simulator

Open Dynamics Engineを利用した四足歩行ロボットのシミュレータです。

• ソースコード
  

• RTCの設計方針について
• 独自データ型について

RTCの設計方針について

インターフェースの説明の前に、多足歩行ロボットのRTCの設計方針について述べる。 まず、対象とする多足歩行ロボットは自律移動機能共通インタフェースに準拠し、起動追従RTC等から目標速度を入力可能とする。

四足歩行ロボットの歩容だけでもクロール歩容、間歇クロール歩容、トロット歩容等様々な種類があり、ロボットの機構もさまざまであることから、四足歩行ロボット制御RTCを適当な粒度に分割する。

• 脚運動生成系: 目標足先軌道の生成(遊脚軌道含む)
• 足先軌道制御系: 目標足先軌道から目標関節角度(角速度) の計算
• 駆動サーボ制御系: 関節駆動サーボの制御

脚運動生成系に関しては四足歩行ロボットの機構への依存が小さく，脚の可動範囲が同じであれば関節の配置や自由度が違っていても歩行は可能である． 足先軌道制御系に関しては四足歩行ロボットの機構に大きく依存する部分であり，脚のリンク長さ，関節位置等詳細なパラメータが既知である必要がある． 駆動サーボ制御系に関しては四足歩行ロボットのハードウェアに直接依存する部分であるが，使用する駆動サーボが同じ場合は四足歩行ロボット以外にも適用可能である．

よって，機構への依存が小さい部分，機構への依存が大きい部分，ハードウェアに依存する部分の3 種類に分割できたため，以下の3 種類の処理を行うRTCを作成しシステムを作成する．

• 脚運動生成コンポーネント
• 足先軌道制御コンポーネント
• 駆動サーボ制御コンポーネント
  

足先軌道制御コンポーネントと駆動サーボ制御コンポーネントの間の通信には，駆動サーボ制御コンポーネントが既存のRTC を利用できる可能性があることからデータポートによりTimedDoubleSeq 型等の基本データ型を利用した通信を行うべきである．

脚運動生成コンポーネントと足先軌道制御コンポーネントの間の通信には既存のインターフェースで適当なものが存在しないため、独自のデータ型を定義する。

独自データ型について

多足歩行ロボット制御用共通インターフェースとして、以下のIDLファイルを作成した。

 // -*- IDL -*-
 
 #ifndef LEGGEDROBOTINTERFACE_IDL
 #define LEGGEDROBOTINTERFACE_IDL
 
 #include "BasicDataType.idl"
 #include "ExtendedDataTypes.idl"
 
 module RTC {
     struct Leg
     {
         RTC::Pose3D pose;
         RTC::Velocity3D velocity;
         boolean onGround;
     };
 
 
     struct LeggedRobot
     {
         RTC::Time tm;
         sequence<Leg> leg_data;
         RTC::Velocity3D body_velocity;
         RTC::Pose3D body_pose;
     };
 
 
 }; /* module */
 
 
 
 #endif /* LEGGEDROBOTINTERFACE_IDL */

この共通インターフェースでは以下の図の座標系を使用する。 Σwは床に固定された座標系(ワールド座標系)、Σrはロボットの重心を原点とした座標系(ロボット重心座標系)とする。

新たに定義したデータ型LeggedRobot型は以下の足先軌道の通信に使用する。 LeggedRobot型はLeg型の配列を保持しており、各脚の目標位置、目標速度をLeg型オブジェクトに格納する。 四足歩行ロボットの場合は、以下のように脚番号を設定してある。

配列leg_dataには脚0から順に格納する。

Leg型、LeggedRobot型の各変数の内容は以下のとおりである。

• SunFounder製四足歩行ロボット(Crawling Quadruped Robot Kit for Arduino)
  • システム概要
  • 全体の手順
  • 四足歩行ロボット組立て
  • PCとSunFounder NanoをUSBケーブルで接続
  • SunFounder Nanoにプログラム書き込み
  • RTC起動、RTシステム復元

SunFounder製四足歩行ロボット(Crawling Quadruped Robot Kit for Arduino)

システム概要

このページでは以下の4種類のRTシステムにより動作確認を行う手順を説明します。

クロール歩容(実機)

クロール歩容により四足歩行ロボット実機を歩行させるRTシステムです。 四足歩行ロボットの操作はOpenRTM-aist Python版付属のジョイスティックコンポーネントで行います。

クロール歩容(シミュレータ)

クロール歩容によりシミュレータ上の四足歩行ロボットを歩行させるRTシステムです。

間歇クロール歩容(実機)

間歇クロール歩容により四足歩行ロボット実機を歩行させるRTシステムです。

間歇クロール歩容(シミュレータ)

間歇クロール歩容によりシミュレータ上の四足歩行ロボットを歩行させるRTシステムです。

トロット歩容(実機)

トロット歩容により四足歩行ロボット実機を歩行させるRTシステムです。

トロット歩容(シミュレータ)

トロット歩容によりシミュレータ上の四足歩行ロボットを歩行させるRTシステムです。

全体の手順

以下の手順で動作確認を行います。

• 四足歩行ロボット組立て
• PCとSunFounder NanoをUSBケーブルで接続
• SunFounder Nanoにプログラム書き込み
  • Arduino IDEのインストール
  • RTnoのインストール
  • ソースコードのコンパイル、書き込み
• RTC起動、RTシステム復元

四足歩行ロボット組立て

SunFounder製四足歩行ロボットを説明書通りに組み立ててください。 ネジが固くて回りにくいのですが、ネジ穴が潰れる覚悟で頑張ってください。

PCとSunFounder NanoをUSBケーブルで接続

PCとSunFounder NanoをUSBケーブルで接続してください。 接続に成功するとSunFounder NanoのLEDが点灯します。

SunFounder Nanoにプログラム書き込み

Arduino IDEのインストール

少し古いですが、RTno利用のためにArduino IDE 1.06をインストールしてください。

• https://www.arduino.cc/en/Main/OldSoftwareReleases#previous

既に新しいバージョンをインストールしている場合はZIPファイルをダウンロードして適当な場所に展開してください。 インストーラーは「Windows Installer 」、ZIPファイルは「Windows ZIP file for non admin install」をクリックして移動したページで「JUST DOWNLOAD」をクリックするとダウンロードできます。

RTnoのインストール

RTnoはArduinoとRTCの通信を簡単にするためのライブラリです。

• http://ysuga.net/?p=124

以下のリンクからダウンロードしたZIPファイルを解凍してフォルダ名をRTnoに変更後、Arduino IDEをインストールしたフォルダのlibrariesフォルダにコピーします。

• https://github.com/sugarsweetrobotics/RTno/archive/master.zip
  

ソースコードのコンパイル、書き込み

以下のリンクからモーター制御用のソースコードをダウンロードしてください。

• https://github.com/Nobu19800/FourLeggedRobot_RTno/archive/master.zip

上記ファイルを適当な場所に展開して、FourLeggedRobot.inoをArduino IDEで開いてください。 インストーラーでArduino IDEをインストールした場合はダブルクリックしたら開けますが、ZIPファイルを展開した場合はarduino.exeにFourLeggedRobot.inoをドラッグアンドドロップしてください。

Arduino IDEが起動したら、ツール→シリアルポートからSunFounder Nanoを接続したポート名を選択してください。

以下のボタンをクリックしてエラーが表示されなければ、SunFounder Nanoへのプログラムの書き込みは完了です。

RTC起動、RTシステム復元

※事前にネームサーバーを起動してください。

以下のファイルをダウンロードして、適当な場所に展開してください。

• https://github.com/Nobu19800/Four_legged_Robot_Scripts/archive/master.zip

※このスクリプトファイル実行には以下のソフトウェアのインストールが必要です。

• OpenRTM-aist-Python
• rtctree
• rtshell
• rtsprofile

OpenRTM-aist-1.1.2の場合、デフォルトでインストールされますが、1.1.1以前を使用している場合は個別にインストールしてください。

展開したフォルダの「Components」→「CPP」→「RTnoProxy.conf」をメモ帳などで開いてください。 以下の部分をArduino IDEでプログラムを書きこんだポート名に変更して保存してください。

 conf.default.comport:\\\\.\\COM5

編集が完了したら、start_component.batをダブルクリックしてください。 これで以下のRTCが起動します。

• Crawl_Gait_Controller0.rtc
• Intermittent_Crawl_Gait_Controller0.rtc
• Foot_Position_Controller0.rtc
• RTnoProxy0.rtc
• Four_legged_Robot_Simulator0.rtc
• FloatSeqToVelocity0.rtc
• TkJoyStickComp0.rtc

起動したかどうかをRTシステムエディタで確認してください。

クロール歩容(実機)

実機をクロール歩容により歩行させて動作確認を行います。

RTCが起動したら、「CrawlGaitRobot」フォルダの「resurrect_CrawlGaitRobot.bat」を起動してください。 これでデータポートが以下のように接続されます。

start_CrawlGaitRobot.batをダブルクリックすると、各RTCをアクティブ化してジョイスティックによる四足歩行ロボットの操作ができるようになります。

非アクティブ化をする場合はstop_CrawlGaitRobot.bat、ポートを切断する場合はteardown_CrawlGaitRobot.batを起動してください。

クロール歩容(シミュレータ)

実機がない場合はシミュレータで動作確認をすることもできます。 RTCが起動していない場合はstart_component.batをダブルクリックして起動してください。 「CrawlGaitSimulation」フォルダの「resurrect_CrawlGaitSimulation.bat」を起動してください。 すると以下のように接続されます。

start_CrawlGaitSimulation.batを起動するとRTCをアクティブ化し、ジョイスティックでシミュレータ上の四足歩行ロボットの操作ができるようになります。

非アクティブ化をする場合はstop_CrawlGaitSimulation.bat、ポートを切断する場合はteardown_CrawlGaitSimulation.batを起動してください。

間歇クロール歩容(実機)

実機を間歇クロール歩容により歩行させて動作確認を行います。

RTCが起動していない場合はstart_component.batをダブルクリックして起動してください。 RTCが起動したら、「IntermittentCrawlGaitRobot」フォルダの「resurrect_IntermittentCrawlGaitRobot.bat」を起動してください。 これでデータポートが以下のように接続されます。

start_IntermittentCrawlGaitRobot.batを起動するとRTCをアクティブ化し、ジョイスティックで四足歩行ロボットの操作ができるようになります。

非アクティブ化をする場合はstop_IntermittentCrawlGaitRobot.bat、ポートを切断する場合はteardown_IntermittentCrawlGaitRobot.batを起動してください。

間歇クロール歩容(シミュレータ)

シミュレータ動作確認をすることもできます。 RTCが起動していない場合はstart_component.batをダブルクリックして起動してください。 「IntermittentCrawlGaitSimulation」フォルダの「resurrect_IntermittentCrawlGaitSimulation.bat」を起動してください。 すると以下のように接続されます。

start_IntermittentCrawlGaitSimulation.batを起動するとRTCをアクティブ化し、ジョイスティックでシミュレータ上の四足歩行ロボットの操作ができるようになります。

非アクティブ化をする場合はstop_IntermittentCrawlGaitSimulation.bat、ポートを切断する場合はteardown_IntermittentCrawlGaitSimulation.batを起動してください。

トロット歩容(実機)

実機をトロット歩容により歩行させて動作確認を行います。

RTCが起動していない場合はstart_component.batをダブルクリックして起動してください。 RTCが起動したら、「TrotGaitRobot」フォルダの「resurrect_TrotGaitRobot.bat」を起動してください。 これでデータポートが以下のように接続されます。

start_TrotGaitRobot.batを起動するとRTCをアクティブ化し、ジョイスティックで四足歩行ロボットの操作ができるようになります。

非アクティブ化をする場合はstop_TrotGaitRobot.bat、ポートを切断する場合はteardown_TrotGaitRobot.batを起動してください。

トロット歩容(シミュレータ)

シミュレータ動作確認をすることもできます。 RTCが起動していない場合はstart_component.batをダブルクリックして起動してください。 「TrotGaitSimulation」フォルダの「resurrect_TrotGaitSimulation.bat」を起動してください。 すると以下のように接続されます。

start_TrotGaitSimulation.batを起動するとRTCをアクティブ化し、ジョイスティックでシミュレータ上の四足歩行ロボットの操作ができるようになります。

非アクティブ化をする場合はstop_TrotGaitSimulation.bat、ポートを切断する場合はteardown_TrotGaitSimulation.batを起動してください。

• 四足歩行ロボット(LEGO Mindsorms EV3)
  • システム概要
  • 全体の手順
  • 組立て
  • EV3の準備
  • RTシステム復元、動作確認

四足歩行ロボット(LEGO Mindsorms EV3)

システム概要

このページではLEGO Mindsorms EV3により組み立てた四足歩行ロボットを制御する手順について説明します。

全体の手順

以下の手順で動作確認を行います。

• 四足歩行ロボット組立て
• EV3の準備
  • SDカードへのOSイメージ書き込み
  • 無線LAN設定
  • ホスト名変更
  • OpenRTM-aistのインストール
  • 脚制御コンポーネントのインストール
  • モーターの接続
  • 脚制御コンポーネント起動
• RTC起動、RTシステム復元

組立て

まずは教育版レゴ マインドストームEV3基本セットを4台用意してください。 ない場合は友達から借りてください。

脚の外観は以下のようになっています。 頑張って組み立ててください。

画像を見てもらえばわかる通り、Mモーター1個とLモーター2個を使用しています。 以降、根元からMモーター0、Lモーター1、Lモーター2とします。

以下のギアで減速しています。 直径1cmのギアをモーター側、直径4cmのギアを関節側に取り付けてください。

足裏は以下のように平行リンク機構により常に胴体と平行になるようにしています。

胴体部分は以下のようになっています。

EV3の準備

SDカードへのOSイメージ書き込み

• SDカードの準備

無線LAN設定

次にEV3の初期設定を行い、EV3を無線LANに接続してください。

• EV3 および ev3dev の初期設定

ホスト名変更

EV3のホスト名を変更します。 どの脚を制御するEV3かによって、ホスト名をev3-legged-robot0～ev3-legged-robot3と設定します。

まずは/etc/hostnameを開いてev3-legged-robot0(脚番号で末尾の数字は変更)を入力してください。

 sudo nano /etc/hostname

以下のコマンドで/etc/hostsを編集してください。

 sudo nano /etc/hosts

 127.0.0.1       ev3-legged-robot0 ev3-legged-robot0.local

編集が完了したら再起動してください。

OpenRTM-aistのインストール

OpenRTM-aistを以下の手順でインストールしてください。

• サンプルコンポーネントの実行

脚制御コンポーネントのインストール

脚制御コンポーネントEV3_Leg_Controllerをインストールします。

以下のコマンドを入力してください。

 git clone https://github.com/Nobu19800/EV3_Leg_Controller.git
 cd EV3_Leg_Controller
 mkdir build
 cd build
 cmake ..
 make

これで「EV3_Leg_Controller」→「build」→「src」フォルダ内に実行ファイルEV3_Leg_ControllerCompが生成されます。

モーターの接続

次に以下のようにEV3とモーターを接続してください。

脚制御コンポーネント起動

最後にEV3_Leg_Controllerを起動して準備完了です。

 ./EV3_Leg_Controller/build/src/EV3_Leg_ControllerComp

RTシステム復元、動作確認

ここからはPC上で操作を行います。 事前にネームサーバーを起動しておいてください。

まずジョイスティックコンポーネント、脚運動生成コンポーネント、足先軌道制御コンポーネントの起動を行います。 以下のファイルをダウンロードして適当な場所に展開してください。

• https://github.com/Nobu19800/Four_legged_Robot_Scripts/archive/master.zip

展開したらstart_component.batをダブルクリックしてください。 これで以下のRTCが起動します。

• Crawl_Gait_Controller0.rtc
• Intermittent_Crawl_Gait_Controller0.rtc
• Foot_Position_Controller0.rtc
• Four_legged_Robot_Simulator0.rtc
• FloatSeqToVelocity0.rtc
• TkJoyStickComp0.rtc

起動したかどうかをRTシステムエディタで確認してください。

間歇クロール歩容

間歇クロール歩容により歩行させて動作確認を行います。 RTCが起動したら、「IntermittentCrawlGaitEV3」フォルダの「resurrect_IntermittentCrawlGaitEV3.bat」を起動してください。 これでデータポートが以下のように接続されます。

start_IntermittentCrawlGaitEV3.batを起動するとRTCをアクティブ化し、ジョイスティックで四足歩行ロボットの操作ができるようになります。

非アクティブ化をする場合はstop_IntermittentCrawlGaitEV3.bat、ポートを切断する場合はteardown_IntermittentCrawlGaitEV3.batを起動してください。

• クロール歩容について
• 循環歩容について
• 間歇クロール歩容について
• トロット歩容について
• 用語集

各歩容については以下の資料に一通り情報は載っているようなので、ここでは最低限だけ説明します。

• Part4: 脚型ロボット: http://demura.net/dl
• Titan の歩行動作について: http://www.bekkoame.ne.jp/~jun1967/aibo/tec_walking_j.html
• 身体知システム論―ヒューマンロボティクスによる運動の学習と制御：http://www.kyoritsu-pub.co.jp/bookdetail/9784320121355

クロール歩容について

低速な歩行であり、常に3脚以上接地してあるため静的に安定な歩行が可能です。 右前脚→左後脚→左前脚→右前脚の順番で遊脚を行います。 画像の赤色の多角形は接地脚を結んだ多角形(支持脚多角形)、青色の円はロボットの重心位置を地面に投影した点から多角形の3辺までの距離の最小値(重心位置から最も近い辺までの距離)を表しています。 この円の半径を安定余裕といいます。

画像を見てもらえばわかる通り、安定余裕が0になる期間があります。 この間は非常に不安定になります。

安定余裕を0より大きくするためには安定余裕が0になるタイミングで四脚支持に遷移する必要があります。

循環歩容について

間歇クロール歩容について

横移動により支持脚多角形の内部に重心投影点を移動させることでより安定な歩行が可能です。 その反面、加減速が大きい等のデメリットはあります。

トロット歩容について

用語集

• 歩容
• 遊脚相
• 接地相(支持相)
• 静歩行
• 動歩行
• 接地率(デューティー比)
• 相対位相
• 対称歩容
• 正規歩容
• 安定余裕
• NE安定余裕
• ウォーク歩容
• アンブル歩容
• ペース歩容
• キャンター歩容
• ギャロップ歩容