2019 Fiscal Year Research-status Report
Musculoskeletal robotic walking simulator by rocker function
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18K10747
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
坂井 伸朗 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60346814)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ヒト歩行 / 二足歩行ロボット / ロッカーファンクション / 筋骨格構成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的はロッカーファンクションを再現しうる、実歩行可能な筋骨格型ロボット歩行シミュレータを開発することである。ヒト筋骨格構成は筋という分子アクチュエータにより駆動されるものであり、通常の電磁モータとは異なり、軽量高速という特徴を持つ。我々はヒト歩行が真に理解されているならば、それが人工物により再現できるはずであるという立場で、筋骨格構成下肢モデルを製作しヒト歩行のシミュレートを試みている。その研究開発においてはヒト歩行の特徴が明らかになりつつあるが、その中でも、歩行を実現するための筋活動に相当するアクチュエータを如何に人工物で代替するかという過大がある。R1年度は前年度の内容についてまとめつつ、高速軽量コンパクトな小型ギヤボックスの開発を進めるとともに、新型歩行シミュレータを製作し、片脚あたり３個の新型モータを配置した。この配置は前年度に引き続く内容として同一ヶ所の筋について駆動することとした。この新型モータにより瞬間最大出力は大幅に向上し、ばねのエネルギ蓄積と合せ片脚で軽いジャンプが可能であったが、一方次は腱に相当するケーブルの伸びが問題となり、生体を人工物で再現することで、生体組織の高度さについて改めて認識した。新型モータを配置することでこれまでモータ速度の限界により難しかったタイミングでの筋駆動が可能となり、特にヒールロッカーに始まる初期荷重応答時に膝関節を曲げながら歩行する様子が容易に再現可能となった。歩行時の設定においても力制御可能となったためより正確勝つバイラテラル制御コントローラにより初期荷重の直感的な設定が可能となった。
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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
本年度は昨年度開発を開始した、筋の高速運動特性に近づく小型高出力な力制御可能なアクチュエータの開発を行ない、それを実機に組込んだ上で実歩行させた。本システムでは結果論であるが、力制御可能なアクチュエータとしたため、歩行時の各駆動モータに加わる力のモニタリングが可能となり、例えば立位で外力を加えた際の筋相当モータに加わる力等が視覚化されることとなった。力制御によって可能となったバイラテラル制御により、特に各筋に作用する筋力ベースでの歩行時初期設定が可能となり、勘に頼っていた部分をより具体的な数値で取扱うことが可能となった。前年度、コンピュータシミュレーションであるが力制御での歩行シミュレーションについて述べたが、実機においても力制御での歩行が可能かもしれないため、今後展開する可能性が見出された。本年度は高速高出力アクチュエータの開発と実装について取り組んだが、これはヒト歩行において瞬間的に出力を出す筋活動に近い駆動を行なう必要性から進めたものである。これにより特にヒールロッカーと初期荷重応答時において、膝関節を曲げながら接地する状態を高速モータにより余裕をもって生成することができた。また、機能の十分な再現は今後の課題であるが、トウロッカーによる下腿プッシュオフの再現について次年度無いに再現することを検討している。現在足指を持つ足部構造を新型機に実装し、トウロッカーを含めた歩行自体は可能となっており、今後よりプッシュオフが促進されるための要件について検討する計画であり。一方、トレッドミルの導入は直接的にはヒト歩行発現の理解のために必要という段階ではないと我々は判断しており、その分、歩行開始の再現といった方向での開発を進める計画である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究申請においては、新型の歩行シミュレータと、小型高出力で力制御可能なギヤボックスの開発を進め、これまでに新型歩行シミュレータに新開発した前述アクチュエータを実装し、歩行シミュレーションを行なった。特に高速高出力性は筋特性とそこから発現する運動を理解する上で、本会発の中において必要条件であるという事を見出し、それによりヒールロッカーと初期荷重応答において、十分に膝屈曲した状態での歩行を可能とした。一方もう一つの過大はトウロッカーによる下腿プッシュオフである。現在我々は、歩行運動において運動に逆らって脚軌道生成するのは遊脚である可能性について見出しており、このことはこれまでのヒト歩行解析においても指摘されていることであった。特にこのプッシュオフは義足においても重要であるとの報告もあり、低エネルギでの歩行に重要な役割でを持つ事に気づかされた。よって、足指を持つ足部構造を開発し足指部は現状ばねであるが、これによりプッシュオフを促進する、つまり蹴り出しを行なわない歩行の再現に取組んでいる。本年度内に、下腿プッシュオフを再現する筋骨格シミュレータの歩容について完成させる計画である。また、歩行開始は特別なテーマである。現状では前側にモータを持つモデルにおいて腹筋相当の外力を骨盤部に与えることで下腿を前方に持ち上げ、そこからの歩行が可能となることが示唆される結果となった。これについても今後検討を進める。
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| Causes of Carryover |
年度末における研究開発での納入時期の調整で、一部次年度納入となったため
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