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たまにロボットを考えるブログ・・・。
 足裏について・序(前)

 ホビー二足では、足裏は足の長さによって制限されている。大きくすることで、動きが安定するからであり、当然十分な大きさがあればロボットは転倒ができなくなる。もちろん大きすぎることで、動きの軽快さなどが失われることはある。
 人と比べると動だろうか。人間の足裏は、つま先からかかとまで、股下から地面までの3、4分の1である。つまり、ホビー二足と比べると小さくなっている。
 また、ホビー二足の足裏は金属や樹脂、木材などの素材がある。これは、人間に比べだいぶ硬い素材である。この状況を自分で考えてみると、足裏には、アルミの板が付いている。それも週刊誌ぐらいの大きさ。そして、骨に直接固定されている。この状態でフローリングやタイル、アスファルトを歩く。とても歩きづらそうである。

 一体どうして歩きづらいのか。
 まず足を持ち上げないと歩き始められない。そこで問題になってくるのは足裏の大きさである。大きいので、床に対して傾きが少しでもあると、少し持ち上げただけではかかとや、つま先などが接した状態になる。それに比べ、足裏が小さければ、少し足を上げることで床から離れることができる。足の一部が床に接した上体であるときは、床からの反力がある。つまり、それによってバランスが崩れることがある。足裏全体で接しているときに対し、つま先やかかとでは、体の中心から離れた位置で反力を受けることになるので、ちょっとした回転モーメントを生じさせてしまうことが容易にわかるだろう。
 次に着地である。着地についても、足裏の傾きによって、つま先や、かかとで着地してしまうことが考えられる。またそれは、足を上げるときに比べ、足裏の素材が硬いことから、はるかに大きな衝撃となって、ロボット全体のバランスを崩す要因となる。それに比べ、やわらかい、皮膚や脂肪からなる足裏では、つま先や、かかとのような端から着地しても、変形することで、衝撃自体を緩和し、より足裏内側で着地したような位置に負荷がかかる。
 さらに足裏の硬さは、着地時に跳ね返るという可能性を発生させる。普通に考えてみてほしいプラスティックの定規をつくえにぱしぱし当てると、一回当てたつもりでも、細かいを多が連続で鳴ることがわかるだろう。つまり、足裏の硬さによって、足全体に、細かい振動を発生させる原因となる。これは、連続で歩行していった場合、着地のたびに蓄積され、着地瞬間の足裏の状態や、全身の動きのバランスに影響出す。このような考え方は、物理の弾性係数によく関係する。変形なしに跳ね返ることを完全弾性衝突、変形しきって跳ね返らないことを非完全弾性衝突という。

 モーションしたことによってロボットはどのくらい不安定になり、どのくらい移動しているのかを考える。たとえば、自分が、3歩歩いてみる。最初の位置から、どのくらい移動しているだろうか。歩幅はどのくらいだろうか。これについては、股関節周り、膝、足首の回転量や移動量が把握できれば正確に値が計算できるだろう。しかし、ホビー二足においてはそのようには行かない。移動ロボットなどでも用いられるオドメトリ(デットレコニング?)と比較してみると理解が早いのではないだろうか。オドメトリでは、主に車輪の回転数によってどのくらいどこに移動したかを計算することである。これを使えば、地球一蹴も道筋を決めれば進んでいけるというものである。だが実際には、そんなことはできない。なぜなら、車輪が回転したからといって、その回転角かける半径分の円弧の長さに進むとは断言できない。路面の凹凸や、状態によって、車輪が接地していなかったり、滑ってしまったりすれば、すべておかしな数字になってしまう。つまり二足歩行においても同様のことが充分に考えられ、またより滑りやすいものである。ホビー二足が歩いているところなどご覧になったことがある人はわかると思うが、フローリング上で樹脂の板などが移動すれば、当然のことながらすべりを発生する。これは、上記オドメトリなどを考えるときに大きな壁となるが、必ずしも、バランスの安定の邪魔になっているわけではない。「足リンクについて」に述べたように、足裏が床面に接触するときは、大きく目標からずれている可能性がある。そこで足裏が滑らないと考えると、足が床についてから、思いっきり床面を蹴飛ばすような力を発生してしまうことがわかるだろうか。その力の成分は大体鉛直上向きと、床面に沿う摩擦力である。前者は足間接の単なる負荷トルクとなるが、後者は、床に着地した瞬間に足払いをかけられたようなことになる。つまり、重心から最も遠い点で、力を受けるので、とても大きな回転モーメントを発生させる。当然ロボットは即転倒する。また転倒しなかったとしても、ロボットは目標の移動距離とはだいぶ違った位置へと移動する。
 ここで、すべる場合をはどうなるか。基本的に動摩擦係数というのは静止摩擦係数よりも低いことや、つま先やかかとなどの端がぶつかってから、若干のすべりの後、足裏全体の着地となるので、結果として、目標からの足裏の傾きによるずれは緩和されることがある。
 もちろん、すべりの強さによって、同様のモーションでも全体としての速度は大きな差が生まれる。さらに同じ速度で移動していてもすべり具合によって、移動距離が変わる。簡単に考えれば、ローラシューズをはいて、すぐに走り出せるかといえばそんなことはなく少し助走のような、加速期を持たなければならない。減速も同様である。

 このように足裏の素材は人に比べ、だいぶ違った様相を示す。人の歩き方をまねたとしてもそれはホビー二足にとっては、無駄の多い歩き方であることが考えられるので、注意して素材を選ぶ必要があるし、摩擦係数などは、床面の状態によっても左右されてしまう。こればかりは場数を踏んで記録をとり、よさそうなものを選定していく必要があるようだ。

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