2022 Fiscal Year Annual Research Report

Human-Machine Cooperative Control based on Vector Field

Research Project

Project/Area Number	21H01283
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	岡田昌史東京工業大学, 工学院, 教授 (60323523)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2025-03-31
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
Outline of Annual Research Achievements	(a)-(1) 人が漕ぎやすい車椅子の設計：これまでに，漕ぎやすい車椅子の開発を目指し，人の力学モデルの導出と機構の最適化を行った．2022年度は最適化結果から車椅子を試作し有効性を検証した．この車椅子は肘掛けの部分にリニアな駆動機構を有し，これを手前に引くことで引いた長さだけの移動量を実現する．一般の車輪を手で押して回す車椅子と比較し，引く動作は効率が高いこと，すなわち，内力となって失う成分が小さくなることを実験によって示し，提案する機構の有効性が示された． (a)-(2) 人の運動訓練支援装置の設計(立ち上がりの補助)：高齢者施設などで，ヘルパーが高齢者を抱きかかえるのではなく手を引きながら立ち上がりを補助するケースが見られる．これにより，障がいがある人でも容易に立ち上がれる．本研究はこれを力学的に解明し，人の立ち上がりを補助するロボットの制御系を設計することにある．2021年度では人の力学特性を元にロボットの手先軌道の設計を行った．2022年度は，Assist as neededのコンセプトに基づきロボットの制御系設計を行った．特に，人が立ち上がろうとする意思を促すことを重視し，速度拘束(時間の拘束)を持たない制御系とするために，ベクトル場を利用した制御則を開発した．人を模擬するロボットを試作し，これを引いて補助する実験により，人の発生力に応じて速度を変化させながら，Assist as neededを実現することを検証した． (b) 環境との接触における衝撃緩和機構の開発：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を応用し，高齢者がベッドから落下した際にその衝撃を吸収する床機構を試作し，有効性を検証した．2022年度は，まず機構の構造を検討し，特に力のはたらく方向とその伝達を解析しながら，小型の床機構を試作し，実験によって落下物の衝撃が小さくなることを検証した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason (a)-(1)について，装置の試作と人の発生力が小さくなることが検証でき，計画通りに進展している．ただし，例えばリニア駆動機構にはタイミングベルトとタイミングプーリを用いて実現したが，車椅子に搭載する大きさのタイミングプーリはステンレス製のものしか購入できないことなど，購入可能な部品での試作は限界がある． (a)-(2)について，ベクトル場を利用した軌道アトラクタに基づく制御系により，Assist as needed制御が実現できた．手先に搭載した力センサの値，モータに流れる電流値の計測から，提案する制御系によって人を模したロボットが発生するトルクに顕著な差が見られた．人が障がいを持つ部位によって支援ロボットがその軌道を変化させる，すなわち，人の運動から軌道を変化させるための領域アトラクタへの拡張の指針が得られたことからも，計画以上に進展していると判断できる． (b)について，一般に，新たな機構の開発では試作と検証を繰り返す必要があるが，機構の力学解析を詳細に行うことで所望の特性を持つ機構が設計できた．今後，試作機を元に部材の強度計算などを行いながら，より重量の大きな物体の落下における衝撃吸収機構の設計を行う指針がつかめた．
Strategy for Future Research Activity	これまでの成果を踏まえ，今後は以下の内容に取り組む． (1) 人の運動訓練支援装置の設計(立ち上がりの補助)：(1)-(b)の成果を発展させ，人の障がい部位に応じて軌道を変化させる支援装置の設計と制御系の開発に取り組む．これまでの支援装置は1自由度機構として手すりとしていたが，これを2自由度のマニピュレータに拡張し，軌道の変形が行えるものにする．障がい部位，障がい度合いに応じて多くの補助軌道を作成することで支援軌道の集合による支援面が得られ，これを領域アトラクタとする制御系を設計する．現在の人の状態，力の情報から支援面上の適切な位置を探索し，その状態に適した補助軌道を生成する．また，障がい部位を変更可能な人を模した立ち上がりロボットを試作し，これを用いた実験検証を行う． (2) 環境との接触における衝撃緩和機構の開発：(2)の成果から，人に相当する重い質量が衝突しても破損せずに撃力を緩和する機構の設計・開発に取り組む．2022年度の試作機を元に，力学モデルには現れにくいガタやはたらく力を検証し，有限要素法による強度計算なども含めて機構の開発を行う． (3) 道具の準最適化：これまでの成果から発想された新たな機構設計コンセプトによって機構・制御則の開発を行う．人を補助する機械では人の運動特性に基づいて最適化が行われるが，人がこの機械を使いこなすには相当の訓練が必要であり，また，人の運動特性が変化する場合がある．このとき，最適化された機械では十分な性能が発揮できず，場合によっては運動を劣化させる可能性もある．これは熟練者用の道具は初心者には使いこなせないことと同義である．そこで，人の運動特性が変化しても高性能が維持できるような道具の設計を行う．これは機械の性能の人の運動特性に関する感度として考慮され，感度が小さくなるよう，機械を設計することで実現を目指す．