2021 Fiscal Year Research-status Report
下肢パワードスーツの快適性を実現するための冗長機構の利用および床反力推定の提案
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21K12074
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| Research Institution | Maebashi Institute of Technology |
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Principal Investigator |
朱 赤 前橋工科大学, 工学部, 教授 (20345482)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齋藤 繁 群馬大学, 大学院医学系研究科, 教授 (40251110)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 冗長機構 / 快適性 / 外骨格 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
下肢外骨格ロボットを装着する際に用いるベルトが人間と一緒に動く際に擦れが発生してしまう問題に対し、機構の冗長性を用いることで解決を図る。外骨格を装着する際は人体にベルトを巻き付け固定するのが一般的だが、外骨格がベルトを通じて使用者に力を補助する際にベルトが強く引っ張られることでベルトがずれ、強い圧迫感や擦れが発生し使用感の悪化を招いてしまう。リハビリ用途の下肢外骨格ロボットを患者が使用した際に皮膚トラブルが発生しているという実例もあり、患者よりも速く動く健常者に対してはより大きな問題となる。
本研究は上記の問題に対し、ベルトの位置を能動的に修正するための関節を付加した冗長型下肢外骨格ロボットのモデルを構築し、外乱によってベルトの位置にズレが生じた際、そのズレ（偏差）をもとにして軌道に修正を加える手法を提案した。冗長機構は非冗長機構には出来ないマルチタスク処理が可能であり、指定した軌道（人間の運動軌道）に追従するだけではなく機構の特定部位（ベルト部）の動きを比較的自由に制御することが出来る。本研究は、冗長機構の融通性を「外骨格の使用感向上」に利用した開拓的研究である。
その有効性を示すため、人体組織を再現したせん断力モデルを用いて、ベルトズレ修正の有無でベルト直下に働くせん断力を比較した。ベルトズレ修正によりせん断力は常に低いレベルの値となり、最終的にズレがほぼ完全に解消され、せん断力もほぼ0にすることが出来た。これにより本手法の有効性を示すことが出来た。さらにロボット設計のリンク長の最適化にも着手し、「外骨格が人間に対しどれだけ動けるか」、「外骨格が最大どれだけアシスト可能なのか」を従来の指標を発展させて提案した。現在はそれをもとに最適化手法の確立に向け進んでいる。
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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
令和3年度の研究計画について、提案書では下記のようになっている：
①まず、成人の腰を含む下半身の各部位の寸法や重心、重さ、慣性モーメント、各関節の運動範囲と正常歩行時の回転速度を調査し、30kgの重量物運搬時に必要な各関節のパワーアシストトルクを大筋で決めた。
②人間の3自由度の股関節と大腿部を最も簡単な人体モデルとし、屈曲伸展動作中にロボットと人の大腿部の固定部での相対運動を発生させないような最小限のロボットの自由度を検討し、関節の構成案を考察した。
③関節の各構成案をモデル化し、モデル先端部の運動を達成すると同時に、ロボットと人の大腿部の固定部での相対運動をさせない冗長機構の軌道計画の最適手法の調査を行った。そして先端部と固定部の2点の軌道を実現する位置制御と、パワーアシストのために固定部1点の力制御を同時に実現する手法を検討し、シミュレーションで比較・確認を行い、ロボットの関節の最適な構成案、軌道計画の最適法および制御手法を明らかにした。④プロトタイプを製作して人間に装着し、提案手法と効果を検証した。
①～③は計画のとおりに進んだ。せん断力モデルを用い、提案手法の有効性を示した点は、計画より進んだ。一方、プロトタイプの製作、実機の検証は実施されなかった。これは、令和4年度に実施する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は、下記のように進めていく予定である。
令和4年度は、①前年度のモデルを股関節、膝関節、また下腿部までの4自由度の運動モデルに拡張し、固定部との相対運動を発生させないような最小限のロボットの自由度の数を検討し、ロボットの関節の構成案を考察する。②関節の各構成案をモデル化し、人間の股関節と膝関節の4自由度の運動が実現でき、かつ固定部の相対運動なしの軌道計画を行い、下腿部の先端1点と大腿部と下腿部の固定部の2点の軌道を実現する位置制御と大腿部と下腿部の固定部2点のパワーアシスト制御をシミュレーションで比較・確認したうえで、ロボットの関節の最適な構成案、軌道計画の最適法および制御手法を明らかにする。③プロトタイプを製作して、実際に人間に装着し、提案手法と効果を検証する。④ロボットと人の歩行状況を計測するセンサを検討・決定し、固定部にセンサを取り付け、運動状況を計測し、人間の腰に固定されたロボットの反力を推定し、力センサでの実測値との比較を行い、推定法を改善する。
令和5年度は、①ロボット足部の構造および装着者の靴の固定機構を検討する。②足部まで6自由度のフルモデルに拡張し、大腿部、下腿部、足首の固定部で人間下肢との相対運動を発生させない最小限のロボットの自由度の数を検討し、決定する。③人間の足先の歩行パターンと上記3点の固定部で人間の下肢との相対運動を発生させない軌道計画をもとに、各固定部の制御およびパワーアシストを実現する制御手法をシミュレーションし、ロボットの関節の最適な構成案、歩行パターン生成手法と軌道計画の最適法および位置/力のハイブリッド制御手法を決定する。④ロボットと人の各固定部にセンサを取り付け、ロボットの足裏の床反力の推定を行い、提案手法を実機で確認し、人にやさしい新たな下肢外骨格パワーアシストロボット技術を確立する。
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| Causes of Carryover |
令和3年度は、新型コロナの影響により、予定していた学会参加のための旅費がかからなかったため、使用額が少額となった。次年度は、国際会議や学会参加のための旅費・参加登録費等に使用する予定である。
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Research Products
(1 results)
