ダイナミカルな動作を用いた転倒状態から直立姿勢への起き上がりに関する研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13750215
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• Research Institution: Gifu University
• Principal Investigator: 伊藤 聡 岐阜大学, 工学部, 助手 (70291911)
• Keywords: 起き上がり運動 / 角運動量 / 床反力 / 直立姿勢制御 / 脚 / 足関節

Research Abstract

起き上がりロボットを設計する上で,自由度とモータの配置および機構の検討を行った.目標とする動作は,仰向け状態から脚を振り下ろし,その勢いを利用して起き上がるものである.振り下ろし時には脚を伸ばしたほうが運動量を稼げ,一方,起き上がり時には脚を縮め回転を起こす足関節まわりの慣性モーメントを小さくしたほうが有利である.これは膝関節の重要性を示唆し,これを考慮して自由度は腰関節・膝関節・足関節の3つとした.モータは胴部2つと脛部に配置し,膝関節はプーリーを用いて駆動するものとした.平衡維持に重要な床反力の作用中心を計測するため,ロードセルを足部4箇所に配置した.制御方法に関しては,起き上がり運動を仰向け状態からじゃがんだ状態への運動としゃがんだ状態から直立状態への運動の2つに分けて考えた.前者では,足関節周りの運動を中心に考察した.角運動量を制御量とし,鞍状平衡点(倒立状態)の安定多様体に相当するエネルギーレベルから各瞬間での角運動量の目標値を算出する方法を提案した.シミュレーションでは重心を足関節の上で静止されることができたが,ダイナミクスの初期状態等の影響を強く受け,また特異点を通過するといった問題点も明らかになった.一方,後者の運動では,床反力の作用中心を足関節のトルクで制御する方法を考案し,それを応用する.製作したロボットを用いて動作の確認を行った.差し詰め,従来のように目標軌道を試行錯誤的に求めることにより,仰向け状態からしゃがんだ状態へ移行できることを確認した.また,床反力の作用中心を制御する方法を実験に採用し,直立状態への移行を実現した.今後は,足関節まわりの運動制御について再考し,実験的な検証を含めて研究を進めていく.

Research Products

• [Publications] Satoshi Ito, Tomohiro Nishigaki, Haruhisa Kawasaki: "Upright Posture Stabilization by Ground Reaction Force Control"Proceeding of the International Symposium on Measurement, Analysis and Modeling of Human Functions. 515-520 (2001)
• [Publications] 伊藤 聡, 西垣智啓, 川崎晴久: "床反力に基づいた一定外力場での起立姿勢に対する制御法"計測自動制御学会論文集. 38巻1号. 79-86 (2002)