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

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K12074
• Research Institution: Maebashi Institute of Technology
• Principal Investigator: 朱 赤 前橋工科大学, 工学部, 教授 (20345482)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 齋藤 繁 群馬大学, 大学院医学系研究科, 教授 (40251110)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 冗長機構 / 快適性 / 下肢外骨格

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、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り、さらに、ロボットと人体の動的モデルにより、ロボットまたは人間の足裏にセンサを装着せず、装着者の運動状態特に足裏の力/トルク情報を高精度に推定し、力センサレスでの下肢パワーアシストの実現を目的とした。
前年度までは、ロボットを人間に固定するベルトの位置を能動的に修正するための関節を付加し、冗長型下肢外骨格ロボットのモデルを構築した。外乱によってベルトの位置にズレ（偏差）が生じた際、そのズレをもとにして軌道に修正を加える手法を提案した。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にすることができた。これにより本手法の有効性を示すことができた。また、ロボットのリンク長を最適化し、「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。
今年度は、人体の下肢の構造と歩行運動のメカニズムを考慮し、人間の下半身の5関節のモデルを構築した。また、モーションキャプチャシステムで計測された下肢の運動情報を用い、逆動力学の計算により、歩行相の判別方法と床反力の推定手法を提案した。それを検証するためにフォースプレートを用いた検証実験を行い、提案された床反力の推定手法の妥当性を検証し、実験結果と理論計算結果はほぼ同じであることを確認し、人間の歩行時の足裏の反力を推定することに成功した。
これにより、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したと言える。