Mechanics for turning of quadruped locomotion

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04390
• Research Institution: Okayama University of Science
• Principal Investigator: 衣笠 哲也 岡山理科大学, 工学部, 教授 (20321474)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉田 浩治 岡山理科大学, 工学部, 教授 (00254433) ; 林 良太 岡山理科大学, 工学部, 教授 (40288949)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 四足歩行 / 竜脚類 / 四足ロボット / 旋回行跡

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，竜脚類などの大型四足生物がどのように旋回するのか？という疑問に自動車工学における幾何学的旋回理論に基づいた考察をおこない，ロボットによってその妥当性を評価することを目的とする．
本年度は，これまでに石垣らによって提案された竜脚類などの大型四足生物は前肢もしくは後肢によって操舵したとする仮説を自動車の四輪操舵手法に基づいて四足動物の四肢操舵仮説として，また，荷重の小さい肢によって操舵したという仮説を四肢操舵仮説に基づいて操舵比は荷重の逆比であるという仮説に拡張した．この四肢操舵仮説に基づいて，これまでの研究における竜脚類と長鼻類の旋回行跡と新たに採取したアジアゾウの行跡について定量的に解析を行うことで軌道差や舵角などを推定した．
その結果，竜脚類は主に前肢に重きをおいて操舵することで内軌道差を，ゾウは講師に重きをおいて操舵することで外軌道差を生じながら旋回することが示された．四肢操舵における操舵比に依存して軌道差が変化することを四足生物ロボットとしての２次元動力学モデルをもちい旋回動作を再現することで明らかにした．また，操舵比が荷重の逆比となるという仮説から軌道差は大型四足生物が慣性モーメントを最小化しながら定常的に旋回した結果生じることを理論的に示した．さらに，現生のゾウによる旋回動作を観察するために，福山市立動物園の協力を得て「ふくちゃん」の行跡を採取した．当初，旋回行跡を採取する予定であったが，ゾウの癖によって直進時に軌道差が観察された．これは，観察対象が持つ歩行時の癖や側方を向きながら直進するといった行動学的な動機づけによって生じるものと考えられる．この現象は研究協力者である石垣によって竜脚類の行跡化石の直進部にも観察されたもので，石垣らは行跡の主の歩き癖と捉えている．本結果は，この石垣らの考察を支持する結果と言える．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

【目標１】これまで知られている竜脚類の旋回行跡で軌道差が見られるものと我々が採取したゾウの旋回行跡に対し，四肢操舵仮説に基づいて最小二乗法を用いて解析を行った．その結果，竜脚類によるモロッコ，アメリカ，およびアルゼンチンの旋回行跡において前肢に偏った操舵比となっていることが明らかとなった．さらに，ゾウの旋回行跡には外軌道差が見られ操舵比は後肢に偏っていることを定量的に確認した．
【目標２】竜脚類が後肢側に重心が近いことが知られているが，目標１で得られた操舵比の逆比はやはり後肢寄りとなることが示された．また，ゾウは前肢よりに荷重が分布していることが従来研究や我々が計測した福山市立動物園のボルネオゾウの前後肢荷重である前肢60%および後肢40%という結果と一致していることが明らかとなった．
【目標３】操舵比は荷重の逆比であるという仮説に基づくと，旋回中心の頭尾軸投影点が重心と一致し，このとき旋回時の慣性モーメントが最小となることを理論的に示した．つまり，大型四足生物は，旋回中に慣性モーメントを最小化しながら歩行するため軌道差を生じることを意味する．
【目標４】四足生物の運動を水平面に投影した２次元動力学モデルを構築し，竜脚類（ディプロドクス）およびゾウ（インドゾウ）のデータに基づいて数値シミュレーションをおこなった．シミュレーションモデルは，四肢に舵角を与え，これを伸縮させ，摩擦力によって推進力を得る．シミュレーションの結果，前肢の舵角が大きい場合内軌道差，その逆の場合外軌道差が生じることを確認した．さらに，重心が旋回中心の頭尾軸投影点に一致しながら旋回する操舵比を取ったとき，旋回中心周りの慣性モーメントが最小となることを確認した．

Strategy for Future Research Activity

今年度は，昨年度得られた結果をまとめ論文として投稿する．また，COVID-19の影響が低減された場合，ゾウの旋回行跡を採取するとともに体重，前後肢荷重比，体長などの計測を実施し，仮説に対するより信頼性の高い検証をおこなう．
【目標５】物理モデルとしてのロボット実現については，現在，基礎実験中である四足ロボットを旋回可能な構造に改良し，旋回動作の実現を目指す．また，旋回のための制御手法に消費エネルギが強く依存し，荷重の逆比として操舵比を取った場合エネルギ効率が良いかどうか明らかにすることができなかった点について，旋回のための制御方法について検討する．

Causes of Carryover

コロナ禍のため，学会発表や研究打合わせおよびフィールドワークなどが実施できなかったため．