2014 Fiscal Year Annual Research Report
身体運動の変動性に着目した協調制御モデルの構築と実験的検証
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26289129
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
宇野 洋二 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10203572)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
香川 高弘 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30445457)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 運動制御 / 制御工学 / ヒューマノイド / 知能ロボティクス / 生体生命情報学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人間の身体運動の協調メカニズムを解明するために、運動計測実験を行うとともに、協調制御のモデルについて検討した。
運動計測実験では、まず、身体を揺動したり外乱を与えたりできる実験システムを構築した。この実験システムはクランク機構を搭載した揺動装置と腕に外乱を与えるためのマニピュレータから構成されている。次に、身体の自由度が変化すると関節間の協調がどのように変わるかを調べた。具体的には、被験者が水の入ったコップを手に持って立位で静止しているときに、水平台の振動装置を用いて、足もとを水平方向に振動させたときの身体動作を計測する実験を行った。その際に被験者の足首や膝関節を拘束すると、身体の関節間の協調がどのように変化するかをUCM解析により調べた。その結果、下肢の拘束箇所を増やすと、関節角空間の中で手先躍度に対して冗長となる方向のばらつきが増加した。このことは、利用可能な身体自由度が減少して運動タスクが難しくなると、関節間の協調がより強く働くようになることを示唆している。さらに、腕の機械的インピーダンスを推定するために、デジタル信号処理システムを組み込んだフィードバックシステムも構築して動作テストを開始した。
協調制御のモデルについては、運動軌道にある程度のばらつきを許容しながら、運動タスクの目標については高い精度で達成できる制御法を考案した。具体的には、身体の立位姿勢制御において、重心位置を一意に決めてしまうのではなく、転倒を防ぐ支持多角形内に床反力中心があればよいことに注目して、関節角度の変動を許容する制御法を提案した。この制御法を３リンク倒立振子に適用し、外乱が加わった際に重心はかなり変動するが、より小さな駆動トルクで効率的に立位姿勢を維持できることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
身体運動の計測実験システムを構築して動作テストを始めるなど、予定通りの実験ができる環境が整った。また、小型ヒューマノイドロボット（DARwIn-OP）を購入し、足圧センサのプログラムを改善するなど開発環境を整えた。
一方、協調制御のモデルについてはまだ初歩的な研究段階にあり、今後改良を重ねなければならないが、３リンクの立位維持制御の計算機シミュレーションを始めるなど、制御モデルの具体的な検討に入った。
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| Strategy for Future Research Activity |
構築した実験システムを用いて、被験者が台の上でコップをもって身体を揺らされているときの腕の機械的インピーダンスを推定する。その際、コップの水の有無や視覚情報の有無などの条件を組み合わせた実験パラダイムをくむ。実験では、マニピュレータにより手先に外乱（微小摂動）を与えたときの手先力と腕の変位を計測することで、インピーダンスパラメータ（(腕をバネとみなしたときの剛性や粘性の係数)の値を推定する。この計測実験では、被験者の安全性が十分に確保されるよう、万全の安全対策をとる。特に、ロボットアームが伸展しきった姿勢でも被験者の体幹に接触しないように各装置を配置し、また緊急停止のためのスイッチを複数個取り付ける。実験中は、このスイッチを被験者と実験者、補助員（１名）のそれぞれが持ち、万一、ロボットが暴走しそうになったときには、直ちに停止できるようにする。これらの安全対策と実験手順を詳細に詰めて申請書を作成して、「名古屋大学安全厚生委員会倫理部会」の審査を受け、承認後に実験を開始する。
解析においては実験条件ごとに関節の協調度を算出して、インピーダンスパラメータの推定値との関係を検討する。これらの結果に基づいて、人が手先の振動を抑制するために腕の力学特性を変更することで関節同士を協調させているかどうかを考察する（尚、予備的な計算機シミュレーションでは、スティフネスの値を下げれば関節の協調度は高くなるし手先のジャークの値は低くなる）。
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| Causes of Carryover |
人の運動計測実験が順調に進み被験者が少なくて済んで、謝金としての支出が予定より減額された。またモータコントールユニットの内容を精選して、必要不可欠なデジタル信号処理システムのみ購入したため、今年度の物品費が少なくて済み、次年度の使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
ロボットハンドの先端の力覚センサを導入するための追加費用にあてる。
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