下肢パワードスーツの快適性を実現するための冗長機構の利用および床反力推定の提案

Research Project

Project/Area Number	21K12074
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 61050:Intelligent robotics-related
Research Institution	Maebashi Institute of Technology
Principal Investigator	朱赤前橋工科大学, 工学部, 教授 (20345482)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	齋藤繁群馬大学, 大学院医学系研究科, 教授 (40251110)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords	冗長機構 / 快適性 / 外骨格
Outline of Research at the Start	ロボット内部の特定の部位を不動に制御できる冗長機構の特徴を利用し、装着者への固定部位は装着者の皮膚に擦れを生じさせないような新たな下肢外骨格パワーアシストロボットの機構とその位置/力制御手法を提案し、パワーアシストを行うと同時に、擦れとそれによって生じた痛みなどの皮膚トラブルの低減が可能になる。さらに、擦れをなくした人への固定部位に必要なセンサを取り付け、擦れで生じるノイズが低減されたセンサ情報とロボットと人体のモデルを用いることにより、装着者の運動状態特に足裏の力/トルク情報を高精度に推定し、実時間での下肢外骨格ロボットの軌道計画が可能になり、力センサレスで下肢パワーアシストが実現できる。
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、下肢外骨格ロボットを装着する際に用いるベルトが人間と一緒に動く際に擦れが発生してしまう問題に対し、機構の冗長性を用いることで解決を図る。前年度では、ベルトの位置を能動的に修正するための関節を付加した冗長型下肢外骨格ロボットのモデルを構築し、外乱によってベルトの位置にズレが生じた際、そのズレ（偏差）をもとにして軌道に修正を加える手法を提案した。その有効性を示すため、人体組織を再現したせん断力モデルを用いて、ベルトズレ修正の有無でベルト直下に働くせん断力を比較した。ベルトズレ修正によりせん断力は常に低いレベルの値となり、最終的にズレがほぼ完全に解消され、せん断力もほぼ0にすることが出来た。これにより本手法の有効性を示すことが出来た。今年度は、ロボット設計のリンク長の最適化にも着手し、「外骨格が人間に対しどれだけ動けるか」、「外骨格が最大どれだけアシスト可能なのか」を従来の指標を発展させて提案した。現在はそれをもとに最適化手法の確立に向け進んでいる。また、人間の歩行状況を計測したうえ、人間の下半身を5関節のモデルを構築して、人間が歩行時の足裏の反力を推定することに成功した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 令和4年度の研究計画について、提案書では下記のようになっている： ①前年度のモデルを股関節、膝関節、また下腿部までの4自由度の運動モデルに拡張し、固定部との相対運動を発生させないような最小限のロボットの自由度の数を検討し、ロボットの関節の構成案を考察する。 ②関節の各構成案をモデル化し、人間の股関節と膝関節の4自由度の運動が実現でき、かつ固定部の相対運動なしの軌道計画を行い、下腿部の先端1点と大腿部と下腿部の固定部の2点の軌道を実現する位置制御と大腿部と下腿部の固定部2点のパワーアシスト制御をシミュレーションで比較・確認したうえで、ロボットの関節の最適な構成案、軌道計画の最適法および制御手法を明らかにする。 ③プロトタイプ2号機を製作して、実際に人間に装着し、提案手法と効果を検証する。 ④ロボットと人の歩行状況を計測するセンサを検討・決定し、固定部にセンサを取り付け、運動状況を計測し、人間の腰に固定されたロボットの反力を推定し、力センサでの実測値との比較を行い、推定法を改善する。 ①～④は計画のとおりに進んだ。せん断力モデルを用い、提案手法の有効性を示した点は、計画より進んだ。一方、プロトタイプの製作、実機の検証は実施されなかった。これは、令和5年度に実施する予定である。
Strategy for Future Research Activity	今後の研究は、下記のように進めていく予定である。令和5年度は、①ロボット足部の構造および装着者の靴の固定機構を検討する。②足部まで6自由度のフルモデルに拡張し、大腿部、下腿部、足首の固定部で人間下肢との相対運動を発生させない最小限のロボットの自由度の数を検討し、決定する。③人間の足先の歩行パターンと上記3点の固定部で人間の下肢との相対運動を発生させない軌道計画をもとに、各固定部の制御およびパワーアシストを実現する制御手法をシミュレーションし、ロボットの関節の最適な構成案、歩行パターン生成手法と軌道計画の最適法および位置/力のハイブリッド制御手法を決定する。④ロボットと人の各固定部にセンサを取り付け、ロボットの足裏の床反力の推定を行い、提案手法を実機で確認し、人にやさしい新たな下肢外骨格パワーアシストロボット技術を確立する。