Developments of walking robot based on passive walking and walking assist device based on principle of the robot

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K04015
• Research Institution: Teikyo University
• Principal Investigator: 池俣 吉人 帝京大学, 理工学部, 准教授 (70467356)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 受動歩行 / 歩行ロボット / 歩行原理 / 歩行支援機

Outline of Annual Research Achievements

本年度は，水平面歩行が可能な2D受動歩行ロボットを開発した．その成果の概要は以下のようになっている．
研究をよりスピーディかつ効率的に行うために，3Dプリンタを積極的に用いて受動歩行ロボットを製作した．アルミ合金のロボットに比べて，製作の時間やコストは1/10以下ほどとなった．受動歩行ロボットをトレッドミル上で歩かせると，左右方向に転落することなく，長時間歩くことがある．しかしながら，これは偶然的な歩行であり，相当回数の試行錯誤が必要となる．そこで本研究では，ロボットの左右をアクリル板で挟むことで，左右方向の転落を防いだ（2次元拘束機の開発）．これにより，長時間の連続歩行が可能となった．
受動歩行に基づいた水平面歩行ロボットの多くは，ロボット本体に動力をもつ．一方，本研究では，歩行支援機への応用を考慮して，ロボットの外部から動力を与えることにした．具体的には，受動歩行ロボットの膝をおもりの付いた紐で牽引するだけで，水平面歩行を実現することに成功した．牽引おもりの質量を変えることで，歩行速度を調整することができる．最低歩行速度は時速2.0km，最高速度は時速3.2kmとなった．ここで興味深いことに，歩行速度が大きくなると，おもりの質量が単調に増加するのではなく，質量が徐々に減少し，時速2.8kmのときに最小となった後，徐々に増加した．この原因の一つが，遊脚足と床面との衝突にあることがわかった．また，本ロボットのSpecific cost of transport ct（移動コスト，ctの値が零に近いほど良い）を計算すると，ct=0.085～0.10となった．一方，ヒト歩行の場合，ct=0.2となる．このことから，本ロボットは，ヒトに比べて約半分のコストだけで歩いていることになる．

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では，3Dプリンタを用いて2D受動歩行ロボットを開発し，おもりで牽引することだけで水平面歩行を行えることを示した．その歩行の移動コストは，ヒト歩行に比べて半分ほどであり，非常に高効率な歩行を実現できたと言える．これは，水平面歩行の本質的なところを抑えていることが要因だと考えられる．以上のことから，おおむね順調に進展していると考えている．

Strategy for Future Research Activity

今後は，足形状や足首などに注目した歩行ロボットの開発に着目する．受動歩行ロボットの場合，足の形状は円弧となっている．この理由は，円弧足のブレーキ効果により，支持脚膝の高い保持力を発生させるためである．しかしながら，ブレーキ効果によりエネルギーが大きく損失することになる．移動効率のさらなる向上を考慮してロボットの足などの開発を視野に入れる．
また，ヒト歩行の床反力の垂直分力は，二峰性の波形となることが知られている．生体力学分野では，床反力の二峰性はヒト歩行の重要な特徴となっている．本研究では，床反力も着目する．

Causes of Carryover

2D受動歩行ロボットの試作に対して，3Dプリンタを積極的に活用したため，低予算となって未使用額が生じた．次年度は，ロボットの改良のため，機械部品・アルミ部材・3Dプリンタ用樹脂・緩衝材などが必要になるので，未使用額もそれらの購入費用に充当する．