熟練者による技巧的動作を基にした人型ロボットの高速・高効率な運動生成

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04542
• Research Institution: Sasebo National College of Technology
• Principal Investigator: 中浦 茂樹 佐世保工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (20323793)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 出力零化制御 / ゼロダイナミクス / 熟練者の技巧的動作 / フラフープ運動 / トランポリン運動 / 実動作の運動解析

Outline of Annual Research Achievements

建設や土木，介護分野など体への負担が大きい職種への人型ロボットの導入が望まれるが，従来の軌道計画による運動制御では，熟練者と同等の運動を実現することは難しい．そこで本研究課題では，熟練者の技巧的動作に注目し，実動作の観察・計測をもとに生体力学の観点から運動の特徴を抽出することを試みる．そして，出力零化制御により得られた特徴量のみを陽に制御することで，結果として現れるゼロダイナミクスにより自然で滑らかな運動を生成することを目的としている．具体的な技巧的動作としては，実社会への応用が期待できるものとして，複雑な拘束を有するフラフープ運動や，外環境との相互作用を有するトランポリン運動を取り上げる．令和３年度においては，令和２年度に引き続きこれら２つの運動の特徴を見極めるために，実際の運動の計測ならびに解析を行ってきた．

フラフープ運動の計測においては，実験室内に２ｍ立方程度の計測空間を構築し，人間がその空間内でフラフープ運動する様子を４台の高速度カメラを用いて計測した．得られた三次元座標データから，運動における一般化座標と特徴となりうる座標を獲得することを試みた．中でもフラフープ運動の生成に一番重要と考えられる体幹部の運動について注目した．その結果，被験者によってフープを回転させる際の体幹動作が，直線的な前後運動と楕円的な前後運動を行う二通りのパターンが存在することがわかった．

トランポリン運動の計測においては，体育館に５ｍ立方程度の計測空間を構築し，直径３．６ｍのトランポリン上で人間が連続的に跳躍動作を行う様子を４台の高速度カメラを用いて計測した．今後の展開としてトランポリン運動のモデル化を試みる際に，トランポリン自体の運動の観察が必要となるため，既知の質量をトランポリン上で落下させた際のトランポリンベッドの挙動の観察・計測にも着手した．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究課題では，熟練者による技巧的動作を基にした人型ロボットの高速・高効率な運動生成を取り上げている．運動生成に用いる予定の出力零化制御では，制御を行った際に系全体に現れるゼロダイナミクスによる結果としての運動が現れる．その運動が所望のものとなるかどうかは，出力零化制御における出力関数の設定が重要となる．この出力関数の設定に関し現れるゼロダイナミクスとの関連を議論する際に，単純な動作ではなく熟練者の技巧的動作の方がより運動の特性を引き出しやすいと思われ，工学的興味が存在するものとなる．そして，そのような運動を実現する制御方策の提案と，提案する手法の妥当性を確認するための検証実験を行うことを本研究の目的としている．

よって，出力関数の設定に向けた実際の動作の観察・計測は非常に重要な研究フェーズといえ，昨年度に引き続き本年度においても，具体的な技巧的動作としてとりあげるフラフープ運動とトランポリン運動に対し，それぞれ人間が行う実際の運動の観察，得られた計測データから運動の解析を引き続き行っている．しかし，対象とする運動が技巧的動作であるが故に，良好な計測データを取得することが容易でないことが，研究の進捗に影響を与えている．

Strategy for Future Research Activity

今後は，運動計測環境の再考を行うとともに，運動計測の試行回数を増やし，運動の特徴量を明確にすることを行う．そして，出力零可制御における出力関数としてその特徴量を設定し，数値シミュレーションにより運動生成が行われるか確認する．数値シミュレーションにより，十分な制御結果を得ることに成功した後に，リンク系からなるロボットを設計・製作し，提案する制御手法の有効性を検証する．

Causes of Carryover

小額の残額が生じたため，次年度に繰り越すこととした．この金額は，翌年度分の助成金に合算した上で，当初の研究計画通りの支出を行っていく予定である．