多関節筋構造の活用と関節間協調制御による四脚ロボットの高運動性能化

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K14124
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 佐藤 隆紀 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (10883572)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 脚ロボット / 多関節筋 / 筋腱複合体 / 弾性機構 / 関節間協調

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，動物の筋骨格構造に特徴的な複数関節をまたぐ多関節筋による身体内での力学的エネルギー遷移・伝搬のメカニズムを規範とした，機構設計と運動制御による脚ロボットの運動性能向上である．この特徴的な機能を工学的に再現して四脚ロボットに導入することで，従来の脚ロボットに見られるような単一アクチュエータの出力に依存した運動ではなく，関節間で協調して効率的な身体運動を作り出すことが期待できる．本年度は，昨年度に引き続いて二関節間筋腱複合体を搭載した１脚ロボットモデルを用いた運動制御および解析と，多関節筋腱複合体を規範とした直列／並列弾性駆動機構を身体に複数搭載した四脚ロボットの試作と運動制御に取り組んだ．試作したロボットの特徴として，前脚と後脚には各脚４つの回転関節に対して隣接する２関節間を跨ぐ二関節間筋腱複合体機構が脚伸展に作用する方向に３種類備わる．すなわち，体幹に近い脚根本の関節から足先に近い関節にわたって，機構を通して動力伝達が可能となる．さらに脊椎関節にはアクチュエータと並列接続された非線形弾性機構を備え，前後の脚間の協調を可能にする．試作した実機を用いて準静的な基本動作を行わせて，機構およびコントローラが所望の通りに動作することを確認した．本試作機を検証実験に用いることとし，弾性機構を全身に搭載した四脚ロボットの矢状面動力学モデルを構築した．今後は，これまでに実施した１脚ロボットモデルでの運動軌道生成手法を四脚ロボット用に拡張することで，関節間協調を活用した四脚ロボットの運動制御を行う．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画の通り，脚の伸展運動に関わる３つの二関節間筋腱複合体を規範とした生物規範脚機構を前肢と後肢に備え，体幹には前後脚協調駆動のための並列弾性駆動機構を搭載した四脚ロボット試作機を完成させて，本ロボットの全身動力学モデルの構築および運動制御・解析の準備が完了した．これを用いて多関節筋構造による関節間協調制御実験を進められる見込みがたった．

Strategy for Future Research Activity

今後は，１脚ロボットモデルを用いて行った動的運動軌道生成手法を四脚ロボット用に拡張することで，関節間協調を活用した四脚ロボットの運動制御を行う．多関節筋腱複合体機構による運動への効果検証のために，機構の有無を変えた複数のモデルで比較評価する．動力学シミュレーション上での運動制御・解析ができ次第，実機を用いた実験を通して，ロボットの運動性能向上を図る．

Causes of Carryover

学会参加費・旅費の支出が当初の予定よりも少なくなったため，当該年度の使用額が減少した．2023年度は国際会議への参加を予定しているほか，実験評価用の装置の追加購入を予定しており，それらの費用に充当する計画である．