2016 Fiscal Year Annual Research Report
軟体アクチュエータを用いたスポーツ人体ファントムの開発と筋骨格の再建に関する研究
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15H05320
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
新山 龍馬 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 講師 (00734592)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 筋骨格ロボット / ソフトアクチュエータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、人間の筋骨格身体を再現し得るスポーツ人体ファントムを、人工筋肉アクチュエータを用いた生物規範ロボットによって実現することを目指している。これまでは、生体筋のような柔軟で複雑な形状のアクチュエータの実現は難しい課題だった。有機的形態を備えたこれまでにない軟体構造ロボットの試作開発は、スポーツ・健康分野への貢献につながる。
H28年度は、身体部位ごとにスポーツ動作を模擬し、計測を行なった。筋骨格系の動的な特性や非線形特性の影響が顕著な、加減速の激しい運動として、垂直跳びおよびラケット競技における前腕の動きを取り上げた。垂直跳びは、スポーツバイオメカニクスの分野で筋腱複合体の動態を計測する際によく使われる運動タスクである。これを模擬するために、弾性体を内蔵した直動アクチュエータモジュールを開発した。直列弾性体である筋端部の腱ではなく、主に筋および腱膜の弾性に注目した。そのため、弾性体をアクチュエータと並列に接続した。連続垂直跳びの実験より、空中期であらかじめ並列弾性体を引き延ばす予備動作を行なうことで、接地期に弾性エネルギーを利用できることを示した。また、接地期の衝撃を抑制するためには、直列弾性体が必要であることが示唆された。ラケット競技における前腕の動きについては、振りとひねりがあり、これが同時に行なわれる。空気圧アクチュエータの並進の動きをワイヤを用いて振りとひねりの動きに変換した。アクチュエータの体積を駆動バルブの流量に合わせて最適化することで高速動作を実現した。開発したロボットアームの最大関節角速度は、人間の競技動作中の関節角速度と同等である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
要素技術としての筋型アクチュエータの開発に加えて、目標とする動的な運動を実現する生物規範ロボットの開発と計測が伸展した。機構の設計に先立って、動力学シミュレータを用いて、対象動作に必要な出力や運動制御方式について検討し、得られたパラメータを参考に実ロボットの開発を行なうことで、着実に実験を進めることができた。対象動作についても、基礎動作としての垂直跳びのみでなく、スポーツ動作に着手することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
取り上げる動作パターンを増やし、多様な運動の中で筋型ソフトアクチュエータの動的特性を調べる。また、そこで得られた知見から、軟体アクチュエータ自体の出力および信頼性の改善を行なう。また、これまでは前腕や足部など身体部位ごとに実験を積み重ねてきたが、これを統合した筋骨格人体ファントムについて検討する。
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