四足歩行・走行における歩容生成・遷移の物理的メカニズムに関する構成論的理解

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K00353
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: 木村 浩 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (40192562)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 四足歩容自律遷移 / 身体性と位相ダイナミクス

Outline of Annual Research Achievements

四足動物の移動速度に応じた歩容(walk, trot, bound)間自律遷移のメカニズムを，抽象的な数式のみで表現される位相ダイナミクスのレベルではなく，身体性やセンサーフィードバックと結びつけ，実世界での物理現象として説明できるレベルの仮説として提案し実証を試みる．
申請者はこれまでに，四足歩行において支持脚期から遊脚期への脚相遷移に脚負荷を用いることにより姿勢制御とリズム運動制御を統合することが出来る制御器を設計し，その有効性を確認した．歩容遷移の具体的なメカニズムに関する仮説として以下を提案する．(a) ある移動速度で歩容は安定している．(b) 移動速度変化情報がPEP(Posterior Extreme Position)腰ピッチ関節角度として位相ダイナミクスに入ることにより，安定した歩容すなわち脚の加負荷・除負荷パターンが不安定になり，それにともないロール面内姿勢とピッチ面内姿勢が不安定になる．(c-1) 姿勢の不安定化にともない脳幹経由の前庭脊髄反射に相当する姿勢制御が一時的に働き，脚の加負荷・除負荷パターンを修正した結果として安定な別の歩容に遷移する．(c-2) あらかじめ設定されていたCPG間の抑制性または興奮性の結合の影響により歩容遷移が生じ，脚の加負荷・除負荷パターンが遷移し結果として姿勢は安定化される．
(c-1)と(c-2)のどちらがより有効かつ適切であるかを検証するために，力学シミュレータ上に三次元四足ロボットのモデルを新たに構築し，初期パラメータに応じて安定な各歩容が生成されることを確認した．また，力学シミュレータ上の四足ロボットモデルの関節に機械的剛性可変メカニズムを導入し，基本的な動確認を行った．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

力学シミュレータ上に三次元四足ロボットのモデルを構築し，安定した歩容の生成，機械的剛性可変メカニズムの導入と基本的な動作確認・各歩容でのエレルギ消費の確認などを行うことができた．一方，実際の四足ロボット「小鉄」の腰ピッチ関節駆動部を機械的剛性の連続的な変化が可能なように改造する件はまだ設計段階である．

Strategy for Future Research Activity

現在設計段階である四足ロボット「小鉄」の腰ピッチ関節駆動部の改造を行い，「小鉄」にシミュレーションで開発した制御器を実装し，各歩容をトレッドミル上で個別に実現する．同時に機械的剛性可変機構の動作評価とエネルギ効率評価を行い，問題があればさらに再改造のための設計を行う．
さらに力学シミュレータ上の制御器に上記実績の概要で述べた仮説(b),(c-1),(c-2)相当部を実装し，歩容の不安定化，歩容遷移が発生する条件を検討する．

Causes of Carryover

四足ロボットの腰ピッチ関節駆動部を機械的剛性の連続的な変化が可能なように改造する件がまだ設計段階であるため．

Expenditure Plan for Carryover Budget

四足ロボットの腰ピッチ関節駆動部を機械的剛性の連続的な変化が可能なように改造する．