2021 Fiscal Year Annual Research Report
Human-Machine Cooperative Control based on Vector Field
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21H01283
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
岡田 昌史 東京工業大学, 工学院, 教授 (60323523)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 人機械協調系 / 軌道アトラクタ / 人の運動支援 / 人の力学モデル / Assist as needed / 衝撃緩和 / 機構の特異性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(a) 領域アトラクタの設計と手押しカートへの応用：推進力を人が，舵取りを機械が行う手押しカートの人間機械協調系の設計手法を発展させ，コントローラの次元を仮想的に拡張し，人の操作によって障害物を回避可能な領域アトラクタの設計を行い，実験によって有効性を検証した．また，カートのデッドロックを避けるために，前進・後退の両方において目標軌道に収束するアトラクタの設計手法を提案し，実験によって有効性を検証した．
(b)-(1) 人の運動訓練支援装置の設計(車椅子の開発)：漕ぎやすい車椅子の開発を目指し，人の力学モデルに基づいて，引く力によって推進力を発生する機構の設計を行った．モーションキャプチャデータから人が動力を発生する力学モデルを導出し，これに基づいた車椅子の構造最適化を行った．具体的には，人の腕の幾何モデルから主に使用している関節を運動中の動力の重み最適化によって求め，機構パラメータの最適化を行った．
(b)-(2) 人の運動訓練支援装置の設計(立ち上がりの補助装置)： Assist as neededのコンセプトに基づき，立ち上がりを補助する「動く手すり」の軌道最適化を行った．人の立ち上がり動作のモーションキャプチャデータから，これに手先を引く動く手すりを想定し，はたらく力に基づいて人の全身の動力を最小化するための軌道・速度を導出した．
(c) 環境との接触における衝撃緩和機構の開発：人と機械が空間を共有する際には必ず衝突が起こり，安全性のためにこれを緩和する必要がある．そこで，これまでに開発したパッシブな運動量交換型衝撃ダンパの機構最適化を行い，衝突時に力(加速度)伝達を極めて小さくする機構を開発した．この機構は特異性を利用して衝突における撃力を伝達しないこと，衝突時の運動量を機構に搭載したおもりに移動させ，力を緩和させるものである．また，試作機を設計し実験によって有効性を検証した．
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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
実績の概要にある(a)，(b)-(1)は研究計画に合致したものであり，(a)は計画通りの成果にまでたどり着いた．(b)-(1)では最も危惧された設計理論の構築が終わり，後は車椅子の設計・開発を残すのみであり，順調に進んでいると判断される．(b)-(2)，(c)は研究を進めている中で新たに見出した問題点とその解決に取り組んだもので，次に取り組む課題の新たな方向性に挑戦したものである．
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| Strategy for Future Research Activity |
実績(a)については，次元を拡張することで次元の数nによるn乗で計算量が増え，1つのコントローラを設計するのに非常に多くの時間が費やされている．また，調整すべきパラメータも多く，実装ではひとつの手法を試行するにとどまる．そこで，計算量を減少させるために，少し異なる視点からのアプローチが必要であり，例えば，いくつかの機能を同時に実現する設計アルゴリズムから再検討する必要がある．
実績(b)については，最適化アルゴリズムが構築でき，設計までたどり着いているので実験検証に移行する．(1)は機構がやや複雑になるため，簡略化できる実現手法を検討する．特に，検証用のセンサの使用・配置などを検討する．(2)については，アクチュエータと人の接触があるため，安全性を重視した検証が必要となるが，その実現可能性も含めて，研究の目的が検証できる実験計画を行う．
実績(c)については，所望の仕様を満たす機構が設計できたものの，対象と垂直に衝突するケースにしか使用できない．そのため，応用先が狭く効果が見えにくい．今後はこの機構の応用先を検討し，衝撃を緩和する装置への適用を目指す．
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