2022 Fiscal Year Annual Research Report
Highly efficient transportation and sports movements utilizing the in-body storage of mechanical energy in humanoid robots
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21H05055
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
高西 淳夫 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50179462)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石井 裕之 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10398927)
橋本 健二 早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 教授 (10449340)
川上 泰雄 早稲田大学, スポーツ科学学術院, 教授 (60234027)
大谷 拓也 早稲田大学, 理工学術院, 次席研究員(研究院講師) (70777987)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | ロボティクス / ヒューマノイド / 関節弾性 / 脱力 / スポーツ科学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低エネルギー消費運動生成法については，消費エネルギーを最小化することを目標として組み合わせ最適化問題として立式し，離散化したロボット手先位置を量子アニーリング技術を用いて最適化することで，従来手法では長い計算時間を要していたが従来手法の約10分の1の計算時間で算出可能とした．
脱力も可能な関節機構開発については計画通り，弾性を実現する要素として用いている炭素繊維強化プラスチック製の板ばねのひずみを計測することで，関節の発揮トルクを計測可能とした．関節機構を肘部に搭載した腕部を製作し，投球運動における肩部の弾性，肘部の脱力の動作について検証を進めており，腰部のひねりにより生成した運動エネルギーを肩に弾性エネルギーとして蓄え，そのエネルギーを運動エネルギーとして肘部に伝達する投球の実現に成功した．
動力伝達機構・人間規範軽量四肢構造として，開発した動力伝達機構を搭載し，大腿部の金属フレームにはトポロジー解析技術を用いた軽量化を行い，下腿部は人間のような内骨格構造とし，炭素繊維強化プラスチック製の骨格部により軽量化し，人間程度の重量の脚機構を製作した．また，ロボットの主要部品の一つである歯車の素材に高機能樹脂である超高分子量ポリエチレンの低摩擦特性を持つものを用いることで，動力伝達時に歯車同士の歯面に生じる摩擦を低減し，これだけで約3%のエネルギー消費低減を確認した．さらに，検討していた動力伝達機構を応用することで，長い伸縮が可能で回転運動を伝達する新しいロボットアーム機構を開発した．
スポ ーツフォームの違いによるエネルギー効率への影響検証については，開発したエネルギー最適運動生成手法を人間の身体パラメータに適用する検討を進めた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
提案していた研究計画に対し，研究内容は大きな変更は無く，上述の通り，当初の計画には無かった機能性材料の活用による軽量ロボット設計方法の提案，検討を進めていた動力伝達機構の仕組みを応用することで，農作業支援ロボットなどに搭載し既存のものに比べ高い伸縮比を実現する軽量ロボットアームの開発などに展開した．ただし，予定していた研究スケジュールについては，新型コロナウイルス感染症の広がりなどの影響により，実験装置・ロボット製作に必要な製作部品の材料調達，加工の納期が例年よりも遥かに長くなってしまったため，ロボット製作・検証は計画に対し，数か月の遅れが生じている．研究計画全体では，開発したロボットを用いた実験を今後進めていく計画であるが，ロボット全身の製作が遅れる分は研究計画調書にも記載した通り，製作できているロボット腕部や脚部，ロボットの事前検証に用意しているロボット計算シミュレータを用いて実験の準備・事前検証を進めることで，最終的な実験計画には大きな影響は無い．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，これまでに得られた成果の発表をさらに進めていくとともに，当初の計画通り，新たな人間型ロボットを製作しこれを用いて提案手法・構造のさらなる有効性検証・人間型ロボットの運動能力向上の実証を行うとともに，提案手法を運搬作業に応用して実用化への貢献の可能性をより詳細に検証する．さらに，ロボットの低エネルギー消費運動生成法を人間のスポーツフォーム提案に応用することで，人間個々人に合わせたスポーツフォーム提案によるスポーツトレーニング効率化についても実験を進める．
特に2023 年度は，人間型ロボットを製作し，低エネルギー消費運動生成法や関節・四肢構造の効果検証として，跳躍運動や投球運動実験を行い，ロボットの電力消費から算出したエネルギー消費を確認する．また，弾性や脱力の活用により，運動のスピードやエネルギー消費が変化するかも合わせて検証する．並行して，低エネルギー消費運動生成法を用いた被験者実験の予備実験を行いながら実験の準備を進める．
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