弾性連続体の動的ふるまいの解明とバイオメカニクス融合

• Project Area: Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing
• Project/Area Number: 18H05466
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Meiji University (2022); The University of Tokyo (2018-2021)
• Principal Investigator: 新山 龍馬 明治大学, 理工学部, 専任講師 (00734592)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 望山 洋 筑波大学, システム情報系, 教授 (40303333) ; 郡司 芽久 東洋大学, 生命科学部, 助教 (80833839) ; 安藤 潤人 立命館大学, 情報理工学部, 助教 (50899797) ; 國吉 康夫 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (10333444)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥172,640,000 (Direct Cost: ¥132,800,000、Indirect Cost: ¥39,840,000); Fiscal Year 2022: ¥37,440,000 (Direct Cost: ¥28,800,000、Indirect Cost: ¥8,640,000); Fiscal Year 2021: ¥38,350,000 (Direct Cost: ¥29,500,000、Indirect Cost: ¥8,850,000); Fiscal Year 2020: ¥38,090,000 (Direct Cost: ¥29,300,000、Indirect Cost: ¥8,790,000); Fiscal Year 2019: ¥35,620,000 (Direct Cost: ¥27,400,000、Indirect Cost: ¥8,220,000); Fiscal Year 2018: ¥23,140,000 (Direct Cost: ¥17,800,000、Indirect Cost: ¥5,340,000)
• Keywords: ロボティクス / バイオメカニクス / ソフトロボティクス / 生物規範型ロボット / 動物解剖学 / 筋骨格系 / 知能ロボット

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、動物の脊柱に見られるしなやかな弾性連続体の役割に注目し、ロボティクスの観点から人工的な脊柱の設計と制御の枠組みを構築することを目指す。生物の身体とその運動原理に迫る学際的なアプローチをとる。ロボットの身体に超多自由度の構造を新たに導入することは、俊敏さと巧みさを備えたしなやかなロボットの実現につながる。

2020年度は、ダチョウの首の解剖学的構造に基づいた冗長多関節ロボットマニピュレータを用いた実験を行った。関節数に比較してごく少数のワイヤによって先端を持ち上げるなどの動作が行えることを示した。また、様々な動作を行っている時のワイヤ張力を計測した。ワイヤの駆動方法は、人間が操作するレバーによる探索的な駆動と、モータとリール装置による制御のそれぞれを行った。また、ダチョウ首の構造についても、追加で解剖を行い、より詳細な筋肉の付着位置等を記述した。背側・腹側の主要な筋肉に注目し、腹側の筋肉については、背側に比べて筋繊維の走行が複雑であるため、これを重点的に観察した。制御の観点からは、発見的に得たワイヤ張力の時系列をモータ駆動によって再現することのほか、強化学習を用いた運動学習を行った。一般に強化学習では多数の試行回数が求められるが、シミュレーションで手法の検討を行い、サンプリング効率を改善する工夫を行うことで、実物の連続ロボットアームにおいてもゼロからリーチング動作の学習が可能であることを示した。この他、キリンの首の解剖学的構造に基づいたより大型の機構の改良も行い、報告した。また、筋肉の拮抗駆動による素早い動作の実現に関する基礎実験を行い、報告した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の目標に含まれるバイオメカニクス融合が、解剖学的観察とそのロボット機構への実装の相互の取り組みによって進展した。ロボットによる実験から、解剖で重点的に調べたい部位を絞ることができた。また、生体の観察や、ロボットの試作では困難または時間がかかる仮説検証について、3Dモデルを取り込んだロボットシミュレータを利用できる基盤を整えた。連続弾性体のロボットへの実装が実現しつつある。

Strategy for Future Research Activity

連続弾性体を組み込んだロボットマニピュレータによる様々な動作の実現に向けて、シミュレーションでの仮説検証の後、駆動系の改善を行う。大学の入構制限等によって実験が困難な時期においては、シミュレーション実験やデータ解析等を進める。冗長多関節マニピュレータの実証実験にあたっては、車輪型や脚型のプラットフォームを土台として、移動を伴うタスクの実現を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Soft Inductive Tactile Sensor Using Flow-Channel Enclosing Liquid Metal (2020)
  • Author(s): Shota Hamaguchi, Takumi Kawasetsu, Takato Horii, Hisashi Ishihara, Ryuma Niiyama, Koh Hosoda, and Minoru Asada
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: 5(3) Pages: 4028-4034
  • DOI: 10.1109/lra.2020.2985573
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-Speed Humanoid Robot Arm for Badminton Using Pneumatic-Electric Hybrid Actuators (2019)
  • Author(s): Shotaro Mori, Kazutoshi Tanaka, Satoshi Nishikawa, Ryuma Niiyama, Yasuo Kuniyoshi
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: 4(4) Pages: 3601-3608
  • DOI: 10.1109/lra.2019.2931273
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Closed Elastica: Impulse Force Generator Based on Snap-Through Buckling (2019)
  • Author(s): 望山 洋
  • Journal Title: J. of SICE Volume: 58 (10) Issue: 10 Pages: 781-785
  • DOI: 10.11499/sicejl.58.781
  • NAID: 130007732474
  • ISSN: 0453-4662, 1883-8170
• [Journal Article] 体幹の“ しなやかさ”をつくる (2019)
  • Author(s): 望山洋, 郡司芽久, 新山龍馬
  • Journal Title: 日本機械学会誌 Volume: 122(1205) Pages: 12-14
• [Journal Article] Soft Robotics: Past and Future (2019)
  • Author(s): 新山龍馬
  • Journal Title: JRSJ Volume: 37(1) Issue: 1 Pages: 16-21
  • DOI: 10.7210/jrsj.37.16
  • NAID: 130007579774
  • ISSN: 0289-1824, 1884-7145
• [Presentation] An Untethered 216-mg Insect-Sized Jumping Robot with Wireless Power Transmission (2020)
  • Author(s): Riccy Kurniawan, Tamaki Fukudome, Hao Qiu, Makoto Takamiya, Yoshihiro Kawahara, Jinkyu Yang, Ryuma Niiyama
  • Organizer: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] キリンの首の解剖学知見に基づく筋骨格ロボットの試作と頸長筋の静力学解析 (2020)
  • Author(s): 新倉敦彦, 難波江裕之, 遠藤玄, 郡司芽久, 森健人, 新山 龍馬, 鈴森 康一
  • Organizer: 第21回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会（SI）
• [Presentation] 拮抗駆動式２リンク跳躍ロボットの跳躍シミュレーション (2020)
  • Author(s): 松野孝博, 新山龍馬, 平井慎一
  • Organizer: 第38回日本ロボット学会学術講演会（RSJ）
• [Presentation] ダチョウ首のしなやかさを解明するプラットフォームの開発 (2020)
  • Author(s): 翠健仁, 遠藤勇輔, 安藤潤人, 郡司芽久, 池田昌弘, 柯強, 新山龍馬, 望山洋
  • Organizer: 第38回日本ロボット学会学術講演会（RSJ）
• [Presentation] 運動プリミティブを用いた強化学習による空気圧連続アームの投擲運動 (2020)
  • Author(s): 森本亮太, 西川鋭, 新山龍馬, 國吉康夫
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会（Robomech）
• [Presentation] キリンの首の解剖学知見に基づく筋骨格ロボットの試作と動作試験 (2020)
  • Author(s): 新倉敦彦, 難波江裕之, 遠藤玄, 郡司芽久, 森健人, 新山龍馬, 鈴森康一
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会（Robomech）
• [Presentation] High-speed flexible arm to reduce the effect of spinning ball in table tennis (2019)
  • Author(s): Mitsuru Takeda, Satoshi Nishikawa, Ryuma Niiyama, Yasuo Kuniyoshi
  • Organizer: 30th International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Basic Idea of Identifying the Stiffness of an Elastic Rod along Its Backbone (2019)
  • Author(s): Hiromi Mochiyama
  • Organizer: 30th International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Study of Potential Social Impacts of Soft Robots with Organic and Edible Bodies by Observation of an Artwork (2019)
  • Author(s): Hiromi Mochiyama, Mitsuhito Ando, Kenji Misu and Teppei Kuroyanagi
  • Organizer: 2019 IEEE International Conference on Advanced Robotics and its Social Impacts (ARSO)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Flexible and Soft Inductive Tri-axis Tactile Sensor Using Liquid Metal as Sensing Target (2019)
  • Author(s): Takumi Kawasetsu, Ryuma Niiyama, and Yasuo Kuniyoshi
  • Organizer: IEEE Sensors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of Pneumatic Cylinders Using Iterative Linear Quadratic Regulator with Deep Local Linear Dynamics for Explosive Motions (2019)
  • Author(s): Yuki Nakamura, Izumi Karino, Shotaro Mori, Kazutoshi Tanaka, Satoshi Nishikawa, Ryuma Niiyama, and Yasuo Kuniyoshi
  • Organizer: International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamic Locomotion of Quadruped with Laterally Parallel Leaf Spring Spine (2019)
  • Author(s): Haruki Cho, Satoshi Nishikawa, Ryuma Niiyama, and Yasuo Kuniyoshi
  • Organizer: International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Perspective of System Theory for Soft Robotics (2019)
  • Author(s): Hiromi Mochiyama
  • Organizer: IFAC World Congress 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ANATOMY shows ANIMAL MECHANISM: How giraffe support and move their big body? (2019)
  • Author(s): Megu Gunji
  • Organizer: Living Machine 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 弾性ロッドモデルを利用したダチョウの首のしなやかさの推定 (2019)
  • Author(s): 郡司芽久，望山洋，安藤潤人，翠健仁，中川尚大，遠藤勇輔，新山龍馬．
  • Organizer: 日本鳥学会2019年度大会
• [Presentation] 弾性ロッドの丸ごと弾性同定 (2019)
  • Author(s): 遠藤勇輔, 中川尚大, 郡司芽久, 望山洋
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会（Robomech）
• [Presentation] しなりを活用した高速な卓球スイングアームによるボールの回転の影響の低減 (2019)
  • Author(s): 竹田恭, 西川鋭, 新山龍馬, 國吉康夫
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会（Robomech）
• [Presentation] LSTMによる物体操作時の柔軟物変形予測 (2019)
  • Author(s): 伊藤龍一郎, 金井嵩幸, 大村吉幸, 新山龍馬, 國吉康夫
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会（Robomech）
• [Presentation] アート作品の観察を通した有機的身体をもつロボットに関する考察 (2019)
  • Author(s): 望山洋, 翠健仁, 安藤潤人, くろやなぎてっぺい
  • Organizer: 第37回日本ロボット学会学術講演会
• [Presentation] ソフトロボティクスのシステム理論への展望 (2019)
  • Author(s): 望山洋
  • Organizer: 第62回自動制御連合講演会
• [Presentation] ソフトロボット学のための弾性ロッドの高速形状計算 (2019)
  • Author(s): 望山洋
  • Organizer: 第24 回ロボティクスシンポジア
• [Presentation] 肉眼解剖学的手法を用いたキリンの首の運動メカニズムの解明 (2019)
  • Author(s): 郡司芽久，遠藤秀紀
  • Organizer: 第31回自律分散システム・シンポジウム