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Development of exoskeleton robot control guiding user to appropriate motion according to situation

Research Project

Project/Area Number 21K17836
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 61050:Intelligent robotics-related
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

Furukawa Jun-ichiro  国立研究開発法人理化学研究所, 情報統合本部, 研究員 (50721619)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords運動アシストロボット / 生体信号 / 機械学習 / アシストロボット / 運動推定 / 外骨格型ロボット / ヒト-ロボット協調 / EMG / 画像処理
Outline of Research at the Start

近年、日本を含む先進諸国では超少子高齢社会を迎えるにあたり、ヒトの運動をアシスト可能な外骨格型ロボットが医療や産業分野で注目されている。しかし、効果的に動作支援を行う制御方法は確立されていない。スポーツインストラクターや療法士などの専門家のように、状況に応じて適切な動作補助が行えるアシスト方策の確立が課題であるが、動作の適切性を判断する方法は不明であった。本研究では、俯瞰的なモニタリング情報から状況に応じた動作の適切性を評価できる基準を抽出し共有することで、身体および認知アシストが可能な外骨格型ロボット制御手法の開発を目指す。

Outline of Final Research Achievements

This study developed a control strategy for an exoskeleton robot that physically assists human motions, allowing it to perform appropriate movements according to the situation. Generally, exoskeleton robots are designed to reduce the physical burden in pre-determined situations, so the user’s motions are often limited. In this study, we proposed a control method based on human intention estimation that expands the allowable range of motion conditions. We also investigated a method to evaluate human motions widely based on muscle activity. It was confirmed that this resulted in a robot that accurately reflects the wearer’s intentions and guides them to appropriate movements.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来、外骨格型ロボット制御の多くでは、予め支援対象なる動作を想定しラベル付けしたデータを用いて設計された支援方策が利用される。そのため、装着者はその想定された動作を行うことが前提となっており、部分的な身体負荷軽減が着目されている。本研究では、ラベルの無いデータを利活用した機械学習手法を援用した制御アルゴリズムの提案と身体動作を筋活動から大局的に評価する方法を検討し、装着者が想定外の動作を行う状況下でも動作意図を精度よく推定し適切にロボットを駆動できるようになった。本成果により、外骨格型ロボットの活用範囲の拡張が期待できる。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2023 2022

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Proprioceptive short-term memory in passive motor learning2023

    • Author(s)
      Chiyohara Shinya、Furukawa Jun-ichiro、Noda Tomoyuki、Morimoto Jun、Imamizu Hiroshi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 20826-20826

    • DOI

      10.1038/s41598-023-48101-9

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Selective Assist Strategy by Using Lightweight Carbon Frame Exoskeleton Robot2022

    • Author(s)
      Furukawa Jun-ichiro、Okajima Shotaro、An Qi、Nakamura Yuichi、Morimoto Jun
    • Journal Title

      IEEE Robotics and Automation Letters

      Volume: 7 Issue: 2 Pages: 3890-3897

    • DOI

      10.1109/lra.2022.3148799

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Muscle Synergy Analysis Under Fast Sit-to-stand Assist : A Preliminary Study2023

    • Author(s)
      Takahide Ito, Jun-ichiro Furukawa, Qi An, Jun Morimoto, Yuichi Nakamura
    • Organizer
      Augmented Humans International Conference
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Selective Assist Strategy by Using Lightweight Carbon Frame Exoskeleton Robot2022

    • Author(s)
      Jun-ichiro Furukawa
    • Organizer
      IEEE International Conference on Robotics and Automation
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 運動支援装置および動作支援方法2022

    • Inventor(s)
      古川淳一朗、森本淳
    • Industrial Property Rights Holder
      理化学研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-003103
    • Filing Date
      2022
    • Related Report
      2021 Research-status Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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