着用者動作への追従性と高アシスト力を両立する表面骨格型アシスト機構の開発と制御

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H04564
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 舟洞 佑記 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20633548)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 福祉・介護用ロボット / 装着型アシストロボット / 制御工学 / 機械力学・制御 / 知能ロボティックス

Outline of Annual Research Achievements

当初は全身用の装着型ロボットを試作・検証する予定であったが、COVID-19の影響、表面骨格型アシストロボットへのセンサ内蔵型リンクの実装に伴う問題、および、ロボット構成検討に時間を要した。研究推進の遅れを踏まえ、次年度は本研究の核となる「表面骨格型という新たな装着型アシストロボットの実現可能性検証」と「アシスト効果の基礎評価」に課題を限定する。以下に2021年度の概要を記す。
「表面骨格型アシスト機構の明確化」において、当初予定していた人の体表面形状計測に基づくリンク部構造決定アプローチが計測ノイズの影響により機能しなかった。そこで体幹部に限定し、人体骨格と運動の知見に基づいて剛体リンク部を決定、受動機構を試作して装着者の運動に対する阻害感を評価した。運動を阻害しない剛体リンク部構造は明らかになったため、次年度早々に、上半身に拡張した表面骨格型アシストロボットを試作する。なお、当初予定した体表面形状計測に基づくリンク部構造決定法を機能させるため、計測ノイズを抑えた体表面形状計測環境を構築した。
「接触力分布に基づく面状アクチュエータの制御」では、面状アクチュエータの高い柔軟性故に、単体での制御性と表面骨格アシスト機構に組み込んだ状態での制御性が大きく異なる問題に直面した。研究目的を鑑み、表面骨格型ロボットとして面状リンクと面状アクチュエータを接合した状態での姿勢制御法の開発に方針を修正した。
「表面骨格型アシストロボットの試作と評価」を見据え、以前開発したセンサ内蔵型リンクを表面骨格型アシストロボット用リンクとして応用することを試みたが、多点接触時の信号分離、配線や計測用回路の煩雑さ等の技術的課題があり、実装には至らなかった。残存期間を鑑み、市販のセンサを活用しつつ、対象部位を上半身に限定し、試作、および、被験者実験を実施する方針とした。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

2021年度は「表面骨格型アシスト機構の明確化」「接触力分布に基づく面状アクチュエータの制御」「表面骨格型アシストロボットの試作と評価」に取り組んだ。断続的なCOVID-19の影響を受け、研究推進に遅れが生じている。
「表面骨格型アシスト機構の明確化」では、当初、人の動作に伴う体表面形状を時系列点群として計測して剛体領域を抽出、剛体リンク部構造を決定する予定であった。点群データの計測ノイズにより、リンク部構造決定法が適用できなかった。そこで、体幹部に限定し、人体骨格と運動の知見に基づいて剛体リンク部構造を決定、受動機構を試作して機構の妥当性を検証した。候補となる剛体リンク部構造を3Dプリンタで試作し、着用者の運動を阻害しないことを確認した。当初予定していた形状計測に基づいた構造決定に向け、マーカを用いた高精度・低ノイズな三次元形状計測環境を導入した。
「接触力分布に基づく面状アクチュエータの制御」において、面状アクチュエータ単体の変形が制御できていても、面状リンクや面状アクチュエータとの接合により、リンク姿勢やアクチュエータ変形の収束状態が異なる場合が見られた。表面骨格型ロボットの実現可能性検証とアシスト効果の基礎評価に向け、表面骨格型ロボットとして面状リンクと面状アクチュエータを接合した状態での姿勢制御法を開発する方針とした。
「表面骨格型アシストロボットの試作と評価」において、表面骨格型アシストロボット用リンクとして、以前開発したセンサ内蔵型リンクの導入を試みた。多点接触時の信号分離、配線や計測用回路の煩雑さ等があり、接触力分布を計測可能な表面骨格型アシストロボット用リンクとしてシステム統合するには、更なる技術開発を要する点が明らかになった。残存期間を鑑み、対象部位を上半身に限定し、市販の面状圧力センサを用いた制御法開発、ロボット試作と被験者実験を実施する方針とした。

Strategy for Future Research Activity

2022年度は、「表面骨格型という新たな装着型アシストロボットの実現可能性の検証」と「表面骨格型ロボットによるアシスト効果の基礎評価」に主眼を置いて研究を推進する。2021年度に着手した「表面骨格型アシストロボットの試作と評価」について、体幹部用から乗半使用に試作機の改良を進めるとともに、着用者上半身の姿勢制御法を開発する。被験者実験を実施して、既存の装着型アシストロボット・アシストスーツとアシスト効果を比較する。最終年度になるため、本研究の研究成果をまとめる。
「接触力分布に基づく面状アクチュエータの制御」では、まず面状アクチュエータ単体で検討してきた制御法を実機実装し、表面骨格型アシストロボットに適用可能な方策に改良する。これまでの検討を踏まえ、ここでは、面状圧力センサのハードウェアにこだわらず、面状圧力分布として計測した接触力分布情報から、表面骨格型ロボットとして面状リンクと面状アクチュエータを接合した状態での姿勢制御手法の確立を目指す。
「表面骨格型アシストロボットの試作と評価」では、体幹部での試作を踏まえ、上半身の運動を対象とした表面骨格型アシストロボットを試作し、評価試験を実施する。一般的な合成の高い装着型アシストロボット、柔軟性の高い衣服のようなアシストスーツを比較対象に、表面骨格型アシストロボットの装着性とアシスト効果を評価する。ここでは、被験者の姿勢の精度（目標姿勢との関節位置・角度誤差）と再現性による定量評価、および、アンケートによる主観評価を実施する予定である。比較実験を踏まえ、表面骨格型アシストロボットの特徴を明らかにし、本研究をまとめる。