2015 Fiscal Year Annual Research Report
ヒトの目的関数推定に基づく外骨格型ロボットのリアルタイム最適制御
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15J10675
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
石原 弘二 奈良先端科学技術大学院大学, 情報科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | モデル予測制御 / 多自由度ロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒトの目的関数推定に基づく外骨格型ロボットの新たな制御フレームワークの実現に向け，本年度は，制御手法として用いるモデル予測制御法の問題点の解決を行い，多自由度ロボットの多様かつ適応的な運動生成を行った．
外骨格型ロボットは，ヒトを支援するために様々な運動を生成することが求められるが，外骨格型ロボットのような多自由度ロボットの多様な運動生成は困難であった．これに対して，モデル予測制御を用いれば，目的関数を与えるだけで，ロボットの全身運動を自律的に，かつ適応的に生成できる．そのため，従来の方法に比べ，多自由度ロボットの多様な運動生成が容易になる．
しかし，多自由度ロボットは，高次元の状態・入力空間を持つため，従来のモデル予測制御法を用いた運動生成では，計算時間が問題となった．この問題を解決するために，計算時間の短縮を可能にする新たなモデル予測制御法を提案した．具体的には，ダイナミクスの応答速度の違いに着目した新しいモデル予測制御法を提案した．
提案法の有効性を確認するため，7リンク歩行ロボットのダイナミクスシミュレータを構築し，着座・起立，歩行，宙返りなどの10種類の運動生成を行った．提案法を用いることで，目的関数の変更のみで多様な運動を生成可能であることが示された．従来法に比べ計算時間を約50%削減することが可能であり，9種類の運動を実時間で生成できること示した．また，目的関数を切り替えた場合にも，ロボットは目標関数間をスムーズにつなぐ運動軌道を生成し，適応的に運動生成が可能だった．この結果の一部が国際会議に採択され，発表を行った．
さらに，実機多自由度ロボットの運動生成を始めており，歩行を想定した脚関節の運動軌道の生成を行った．このとき，高性能計算機を購入し最適化計算の高速化を可能にする計算環境の構築を行うことで，モデル化誤差や通信によって生じる計算時間の増加に対応した．
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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
実機多自由度ロボットの多様かつ適応的な運動生成までは至っていないが，計算時間の短縮を可能にするモデル予測制御法の提案，計算環境の構築，シミュレーション上でのモデル予測制御を用いた多自由度ロボットの多様かつ適応的な運動生成を実現しており，実機ロボットでの運動生成も始めているため，おおむね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
シミュレーション上の多自由度ロボットに対して，提案する制御フレームワークの構成，検証を行う．
具体的には，まず，ヒトの起立，着座，歩行動作に対する，目的関数の推定を行う．このとき，生体信号や関節角度・角速度などの運動情報の計測も同時に行い，目的関数へのマッピングを考える．目的関数の推定は，目的関数を生体信号や運動情報計測から直接取り出すことはできないため，逆最適制御を用いて行う．その後，モデル予測制御を用いて，多自由度ロボットが，生体信号や運動情報から起立，着座，歩行運動を，ヒトの状態に応じて適応的に生成できることを明らかにする．この時，様々な状態から運動生成を行うことで，運動の汎化性を示す．
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