CARA – ロープを使用する高精度ロボット犬

• CARAはロープメカニズムを活用した、従来方式とは一線を画す高精度ロボット犬
• 初期位置補正のため、各関節は電流変化を検知して物理的限界を見つけるホーミング工程を経る
• 逆運動学(IK)、順運動学(FK)、回転運動学(RK) の3種類の数式により、脚の位置と姿勢を精密に制御する
• サイクロイド軌道ベースの歩行パターンを使用し、自然な移動と滑らかな動作を実現する
• トロッティングゲートにより対角線上の脚が同時に動き、進行方向の変更や回転など多様な動きをサポートする

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プログラミング

ホーミング(Homing)シーケンス

• CARAプログラミングの最初の段階は、関節ホーミング(自動位置補正)シーケンスの開発である
• ホーミングでは、各関節モーターシャフトの絶対位置エンコーダだけでは相対的な関節位置しか測定できない
• 起動時に関節を物理的限界まで回転させ、電流増加によってその地点への到達を検知する
• 物理的限界に達した後、関節の絶対位置指定が可能になる
• この工程は毎回起動時に必ず1回実行しなければならない

運動学(Kinematics)

• 本体の動作制御のために、逆運動学(IK)、順運動学(FK)、回転運動学(RK) の計3種類の数式を活用する
• IK式: 目的のX, Y, Z位置に脚(足先またはエンドエフェクタ)を置くための関節角度を算出する
• FK式: 現在の関節角度を入力として足のX, Y, Z位置を計算する
• 軌道計画時には、まずFKで現在位置を計算し、目標点までの中間ウェイポイント演算(Arduino RAMPライブラリを活用)を行い、各ウェイポイントごとにIKで関節角度を算出する
• RK式: 本体のロール・ピッチ・ヨー(回転軸)基準の回転に必要な足位置の計算に使用する
  • RKで算出した足位置をもとに、再びIKで角度を求める
  • 姿勢制御(ポーズコントロール)や安定性維持などに活用され、ロボットがその場でボディ回転動作を行ったり、バランスを取ったりすることに寄与する

歩行(Gait)

• CARAの歩行はサイクロイド軌道ベースのステップトラジェクトリを適用し、滑らかで実感的な動きを実現する
• 三角形や四角形のステップ軌道も実験したが、滑らかさ、脚の障害物回避、自然な動作の面で劣っていた
• 主な歩行はトロッティングゲート(対角線上の脚を同時に移動) で、動作はスイングフェーズ(空中で前方へ移動)とスタンスフェーズ(地面を後方に押す)で構成される
• 歩行中はスイングとスタンスフェーズを対角線上の脚ペアごとに交互に繰り返し、連続した歩行を生み出す
• 前進・後退以外の方向への歩行では、トロッティングパターンは維持しつつ脚のステップ角度のみを変更する
• 回転時には一方のペアは外側へ、もう一方のペアは内側へステップを踏むことで、曲線移動またはその場旋回を実現できる

[GN⁺]

Hacker Newsの意見

• Aaedのキャプスタンドライブ動画を何度も見返している。本当にすごい作品で、高速・高トルク・十分なコンプライアンスがあり、実質的にバックラッシュがない。まさにエンジニアリングの精神を見ているようで驚かされる
  • 私も最近になって彼の動画を見つけた。見るたびに作ってみたいアイデアが次々と頭に浮かぶのに、時間が足りないのが惜しい（すぐ横のブレッドボードも私の関心を待っている）。興味深いのはYouTubeのアルゴリズムで、私が先にYouTubeで見た話題が1〜2週間後にHacker Newsによく出てくることだ。これはアルゴリズムが優秀だということなのか、それとも失敗なのか判断に迷う。たしかに人気のある動画の一部を関心のある人にうまく見せてはいるが、自分が見ているものが本当に最高のものなのか、それともたまたま注目を集めた少数の優れた作品なのか気になる。ときどき何年も前からある有益なチャンネルを後から見つけることがあり、それを見ると実際には見る価値のある良質なコンテンツがもっとずっと多いのだと感じる。ただ運が悪くて見逃していたのか、今になって運よく見つけたのか、あるいはアルゴリズムが任意の閾値や私の関心特性を検知して推薦してくれたのかと考えてしまう
  • 昔、フィルムロールをスキャン装置にキャプスタンで送っていたことがある。高速でありながら正確で、しかもバックラッシュがない。本当に優れた技術だ。だから高トルク不足や摩耗のせいであまり使われないのかと思っていたが、どうも必ずしもそうではないようだ
  • Aaedは私のいちばん好きなクリエイターの一人だ。もちろんYouTubeには彼より優れたエンジニアや専門家、もっと面白い人もいるだろうが、彼は本当に良いバランスを見せている。テック、ポピュラーサイエンス、インダストリアルデザイン系のチャンネルもたくさん登録しているので、興味があればおすすめリストも共有できる。今ちょうどチャンネル整理中だ
  • キャプスタンドライブ関連の動画で犬のものは見ていないが、基礎説明の動画（High Precision Speed Reducer Using Rope）は最高だった。この技術を1年間ずっと夢見ている。特に同じ時期にda Vinciロボットのアクチュエータ（ケーブルで高精度制御）を扱っている人もいて、なおさら印象的だった。（Building a DIY Surgical Robot）
• 先週この動画を見て本当に口があんぐりした。優れた技術者であると同時に、解説力も抜群だ。テスト戦略を十分に説明してくれたおかげで、彼の思考法と方法論を理解できた。無駄に引き延ばさず適切に要約していて、本当に名作だ
• 先週実際にAaedに会った。プロジェクトのパーツをプリントしているところで（同じ会社に勤めている）、HNで1位になったのがまるで夢のようだ
• プレゼンテーションが本当に素晴らしかった。誰かがこの人を早く雇うべきだと思う
  https://www.aaedmusa.com/
  • 12歳の息子には、カリキュラムを終えたらこんなふうに自分のWebサイトを作るよう刺激を与えたい: "CARA (Capstans Are Really Awesome) は私の最新の四足歩行ロボットで、ZEUS、ARES、TOPSの後継です。1年かけて製作し、これまでに作った四足歩行ロボットの中で最もダイナミックで、最もよく設計されたものです"
  • こうした才能、意欲、実行力がすでに証明されている人にとって、普通に会社へ就職するルートはむしろ向いていない。むしろ彼のスタートアップを支援するほうがずっと良い選択だ
  • プロジェクトとYouTube活動だけでも十分満足しているのかもしれない
• ロボティクスの実装だけでなく、それを視聴者に動画で伝えるやり方も見事だ。最近のインターネット動画のクオリティには本当に驚かされる。個人工房で使える道具もどんどん良くなっていて、こうした変化によって今後さらに多くのものが見つかるだろう
• 以前、彼に関する投稿がここHNにもあった気がするが、こんなにすごいものを自分で作って動画で教えているのを見て、あらためて感嘆した。今後は見逃さないよう必ず登録する
• これは本当に驚異的で、感嘆せずにはいられない作品だ
• Professor of Upstairs Neighboring. https://youtu.be/8s9TjRz01fo?t=1128
• なぜこれほど「正確な」ギア比を得るために多くの努力が必要なのか気になる。数字が多いからといって必ずしも「高精度」というわけではない。そしてこの構造が摩耗や疲労にどれほど強いのかも気になる
  • 実際にはそこまで大きな努力ではないのかもしれない。3Dプリントではどうせ2〜3回は刷り直すことになるし、その過程でギア比を合わせるのは自然なことだ。それに「高精度」設計を売りにして他人に減速機設計の助言をしたいなら、ギア比8を目標にした場合、おおよそ7.9〜8.2で満足するわけにはいかない
  • これは運動学の問題だ。ギアが精密であるほど、モデルは実物によりよく一致する。だから専門家は大きな衝撃を受ける場面では、ギアやロープの代わりにモーターを直接関節に取り付ける。変形や弾性まで計算に入れるのは現実的ではない。少なくとも最近私が見たロボティクスではそうだった

  • 数字が多いからといって精密になるわけではない
    実際、小数点以下の桁が多くなること自体がprecision（精密さ）の定義ではないのか？

  • この動画ではその部分が少し混乱した。たぶん使っていたツールの限界があったのだろう
• こんなに楽しくてよくできた動画を共有してくれてありがとう。本当に楽しいプロジェクトだったし、説明のうまさが際立っていた。こういうコミュニケーション能力は本当に素晴らしく、私ももっと上達したいと思う