2016 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 | 身体運動 / 関節間協調 / 協調制御 / 冗長性 / ヒューマノイド / 多関節アーム / バランス制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人間の身体の運動協調のメカニズムを解明するために、協調制御モデルを検討しつつ、身体運動の計測実験と実機ロボットによる制御実験を行った。
(1) 昨年度に構築したマニピュレータとDSPを組み込んだ計測装置を用いて、物を保持しているときの手先インピーダンスを計測する実験を行った。被験者が水で満杯のコップをこぼさないように手で保持しているときに、マニピュレータを介してインパルス状の微小外乱を与えた。手先の変位と力の変動を計測し解析した結果、このようなタスクでは通常状態に比べて、手先剛性が減少することがわかった。これは被験者が手先（コップ）に関する視覚情報に基づいて身体の各関節を協調させて、手先振動を抑制していることを示唆している。
(2) 昨年度考案したUCM協調制御法と腕の機械的インピーダンスの調節メカニズムの知見を結びつけて、協調制御のスキームを発展させた。基本的なアイディアは、運動のばらつきが許容される関節角の組み合わせから成るUCM（非制御多様体）を生成し、そのUCM上で運動要素の時系列の決定とスティフネスの調整を行うことである。本年度は特に、フィードバックトルクを用いて、冗長関節アームを協調的に制御する手法を考案した。さらに、水平面内で動作する３リンクアームの軌道追従の計算機シミュレーションを行った。その結果、提案手法によって滑らかな運動が実現するとともに入力トルクが小さく抑えられることが確かめられた。
(3) 生体の運動制御の分野で発展してきた仮想軌道制御を冗長多関節アームに応用した。仮想軌道を適応的に調整することにより、フィードバックゲインの調整が不要な制御方法を考案した。鉛直面内で動く５リンクアームの軌道追従の計算機シミュレーションを行って、冗長性の問題を陽に解かなくても、数回の繰り返しで、滑らかな運動軌道が生成されることを確認した。
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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
前年度までに構築した計測実験システムを用いて、身体運動の計測実験、冗長な方向をコントロールする行動実験を行い、シナジーの変化や階層性について、重要な研究成果を得ることができた。また、協調制御についても新たな制御モデルを考案し、３リンクおよび５リンクの立位維持制御や到達運動制御の計算機シミュレーションを行い、提案の制御法の有効性を確かめることができた。一方、小型ヒューマノイドロボット（DARwIn-OP）については、実機実験の環境は整ったもののバランス制御にいくつかの不安要素があり、今後この問題を解決して、様々な冗長性タスクの実験をしていく必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
構築した実験システムを用いて、被験者が冗長なタスクを行っているときの、インピーダンス計測実を行う。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。
今年度考案した仮想軌道の繰返し制御は、冗長なシステムに応用する上でかなり有効と思われるので、重点的に研究発展させる。特に、繰返し制御のプロセスを安定させることと、実機を用いた制御実験により提案法の有効生を確認することは必須の課題である。
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| Causes of Carryover |
インピーダンス制御実験のノイズ対策に新たな装置やソフトを購入することがなく、問題点を解決することができたので、支出が抑えられた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
多リンクアームの構成部品の購入費用にあてる（アクチュエータの交換、力覚センサの設置）。
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