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書籍詳細

  受動歩行ロボットのすすめ
- 重力だけで2足歩行するロボットのつくりかた -

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衣笠哲也 岡山理科大教授 博士(工学) 著

大須賀公一 阪大大学院教授 工博 著

土師貴史 松江高専講師 博士(工学) 著

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発行年月日:2016/10/20 , 判 型: A5,  ページ数:188頁

ISBN:978-4-339-04649-6,  定 価:2,700円 (本体2,500円+税)

本書は受動歩行ロボットを実際につくって動かすことを目指す。Part Ⅰで第一義的に「つくる」ことを目指す。また,Part Ⅱでは数理的な考察が展開できるように,受動歩行ロボットの力学についてもポイントを述べた。

随時更新していきますので,ご確認ください。

【目次】

PartI 受動歩行ロボットをつくる
1. ものづくり教育と2足歩行ロボット

2. 受動歩行
 2.1 2足歩行ロボット
PartI 受動歩行ロボットをつくる
1. ものづくり教育と2足歩行ロボット

2. 受動歩行
 2.1 2足歩行ロボット
  2.1.1 軌道追従制御に基づく2足歩行
  2.1.2 HoppingMachineとその系譜
  2.1.3 コンピュータもアクチュエータもセンサもない2足歩行ロボット
 2.2 受動歩行
  2.2.1 受動的であること
  2.2.2 最も単純な受動歩行機:リムレスホイール
  2.2.3 2脚を持つ最も単純な受動歩行機:コンパスモデル
  2.2.4 2次元歩行と3次元歩行
 2.3 受動歩行の特徴
  2.3.1 動歩行
  2.3.2 歩行軌道の安定性
  2.3.3 より安定な受動歩行
  2.3.4 受動歩行のカオス的挙動と歩容の変化
  2.3.5 適応的な振舞い
  2.3.6 適応性を利用した歩行機の設計
  2.3.7 人の歩行との類似性
 2.4 受動歩行の拡張
  2.4.1 受動歩行から受動走行へ:ロコモーションの遷移
  2.4.2 2足受動歩行から多足受動歩行へ:身体形状の変化
  2.4.3 受動歩行から能動歩行へ
 2.5 受動歩行を研究する意義

3. 段ボール受動歩行機のつくりかた
 3.1 受動歩行機を段ボールでつくってみる(3次元2足受動歩行機RW-P00)
 3.2 段ボールを使った3次元2足受動歩行機RW-P01
 3.3 プラスチック段ボール(プラダン)を使った3次元2足受動歩行機RW-P02
  3.3.1 用意する材料
  3.3.2 製作手順
  3.3.3 治具の導入による組立精度の向上
 3.4 松江工業高等専門学校における歩行機の発展
  3.4.1 竹ひごを用いた股関節軸
  3.4.2 固定方法の変更
  3.4.3 転倒への対処

4. 段ボール3次元2足受動歩行機の設計法
 4.1 歩行機のモデル
 4.2 歩行機の設計指針と設計手順
  4.2.1 Step1:歩行機の外形
  4.2.2 Step2:重心位置
  4.2.3 Step3:慣性モーメント
  4.2.4 Step4:運動方程式とステップ時間
 4.3 3次元2足受動歩行機RW-P02の物理量と理論値

5. 3次元2足受動歩行機の数理モデルと固有振動数
 5.1 簡略化モデル
 5.2 矢状面(yz平面)内における遊脚の運動
  5.2.1 モーメントの釣り合いによる運動方程式の導出
  5.2.2 線形化
 5.3 正面(xy平面)内における歩行機全体運動方程式
  5.3.1 運動エネルギー
  5.3.2 ポテンシャルエネルギーとラグランジアン

6. 歩行実験
 6.1 斜面
 6.2 基礎実験
  6.2.1 遊脚の固有振動数
  6.2.2 歩行機全体の正面内の固有振動数
 6.3 歩行実験1
  6.3.1 足底形状の調整
  6.3.2 歩行実験
 6.4 歩行実験2:歩容を変化させる
  6.4.1 股関節位置に対する歩容の変化
  6.4.2 脚間距離に対する歩容の変化

PartII 基礎理論
7. 受動歩行機設計のための力学
 7.1 質点の並進運動(ニュートンの運動方程式)
 7.2 並進運動から回転運動へ
 7.3 剛体の回転運動
  7.3.1 細い棒の回転運動(オイラーの運動方程式)
  7.3.2 棒振り子の運動方程式(オイラーの運動方程式)
  7.3.3 テイラー展開と運動方程式の線形化
 7.4 ラグランジュの運動方程式
  7.4.1 ラグランジアンの導出
  7.4.2 ラグランジュの運動方程式
 7.5 衝突
  7.5.1 運動量
  7.5.2 質点の衝突と完全非弾性衝突
  7.5.3 角運動量
  7.5.4 回転運動する剛体の衝突

8. さまざまな剛体の重心位置とその合成
 8.1 重心の合成と剛体の重心
 8.2 歩行機と遊脚の合成重心
  8.2.1 基本図形の重心位置:ステンレス棒(円柱)
  8.2.2 基本図形の重心位置:腿部(直方体)
  8.2.3 基本図形の重心位置:足部(扇形)
  8.2.4 歩行機の合成重心

9. さまざまな剛体の慣性モーメント
 9.1 慣性モーメント再考
 9.2 一様な棒
 9.3 一様な円板
 9.4 一様な長方形(脚部)
 9.5 円弧に囲まれた一様な図形(扇形,足部)
 9.6 歩行機全体の慣性モーメント
  9.6.1 歩行機全体の回転中心CLまわりの慣性モーメント
  9.6.2 遊脚の股関節Chまわりの慣性モーメント

10. 歩行機の運動解析
 10.1 ラプラス変換
 10.2 線形システムの解
  10.2.1 粘性抵抗を持たない場合
  10.2.2 粘性抵抗を持つ場合
 10.3 位相図
  10.3.1 線形システムの位相図
  10.3.2 非線形システムの位相図
 10.4 安定性
  10.4.1 平衡点
  10.4.2 平衡点近傍における線形近似システム
  10.4.3 安定性
  10.4.4 歩行機の安定性

11. リムレスホイールと周期軌道の安定解析
 11.1 2足歩行とリムレスホイールの運動
 11.2 リムレスホイールの数理モデル
  11.2.1 片脚支持期:倒立振子モデル
  11.2.2 両脚支持期:衝突問題
 11.3 ポアンカレ写像
  11.3.1 片脚支持期
  11.3.2 両脚支持期
  11.3.3 k+1歩目の初期状態
  11.3.4 不動点(周期解)
  11.3.5 ポアンカレ写像
  11.3.6 不動点の安定性
  11.3.7 ポアンカレ写像(非線形系の場合)
 11.4 リムレスホイールの周期的挙動と軌道の安定性

付録
 A.1 大学生対象の講義と小学生対象の工作実験教室
  A.1.1 RW-P00およびRW-P01による講義と工作実験教室
  A.1.2 RW-P02
  A.1.3 松江工業高等専門学校での取組み
 A.2 歩行機設計用エクセルシート
 A.3 ノウハウとトラブルシューティング
 A.4 リムレスホイールのシミュレーションプログラム

引用・参考文献
索引

著者からのメッセージ
 受動歩行はモータもセンサもない「ロボット」が重力を巧みに利用して緩斜面を歩く現象のことで,しかも,その歩容はとても自然で効率的である.
 本書「受動歩行ロボットのすすめ」は,この受動歩行ロボットのつくりかたについて高専や大学の講義で使うことを目的として
書かせていただいた.ロボット自体は,安価で小学生でもつくることができるものであるが,高専生や大学生なら力学に基づいたロボットの設計法を学ぶことができる内容となっている.
 Part Iでは,受動歩行の研究に軸足を置きながら2足歩行ロボットの研究についてかみ砕いて紹介するとともに,実際に受動歩行ロボットを作ることができるように「つくりかた」について具体的に書かせてもらった.
 Part IIでは,歩行機の設計方法について力学の知識に沿って書いている.具体的に歩行機の設計は振り子としての固有振動数に基づいており,振り子の重心位置,慣性モーメント,運動方程式,安定性など1自由度の力学システムの解析手法を学ぶことができる.さらに,より専門的な解析へつなげるために,歩行軌道の安定性を議論するリムレスホイールの運動解析にも触れている.
 この本を通じて受動歩行の深い世界を覗いてみてほしい.

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