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 / 連続ロボットアーム / 超冗長マニピュレータ / 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。

2021年度は、ダチョウ規範型（ostrich-inspired）マニピュレータとしてRobostrich armと名付けた超冗長ロボットアームについて複数のハードウェアを用いた実験を行った。マニピュレータはワイヤ駆動される。人間が操作した時のワイヤ張力を、モータ駆動によって再現できる実験系を構築し、頭部の持ち上げの成功に関わる張力の推移を分析した。ダチョウ首の解剖学的構造に基づく、より精緻な機構を備えたマニピュレータの開発を行った。このマニピュレータにおいて首の上下運動が実現できた。また、弾性要素の付加し、重力のみで起こる受動的な動作についても計測を行った。このほか、骨の周囲を柔軟材料で覆った関節を製作し、弾性を計測してモデル化を行った。ダチョウの筋配置についてより詳しい情報が必要となったため、追加の文献調査を行い、重量比等の知見を収集した。制御の観点からは、さまざまな位置に頭部を動かすことを目標に強化学習実験を行い、冗長マニピュレータにおいてもリーチング動作が獲得できることを示した。開発したマニピュレータを移動ロボットに搭載した場合の諸問題の検討も開始した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

解剖学の知見を取り入れてより精緻な構造を備えたマニピュレータの開発が進んだ。また、ワイヤ駆動系の改良や、光学的な動作計測手法の確立によって実験系が整った。予備実験におけるロボットの観察から、再び解剖学の知見を精査するという工学と生物学の融合的研究が深まった。シミュレーションの活用によって、通常はハードウェアの開発進捗に律速される運動制御に関する実験を効率的に行うことができた。

Strategy for Future Research Activity

軟組織と硬骨が複合された生体と同様に、エラストマーと樹脂部品が一体化したロボットマニピュレータの製作手法を確立する。鳥類の首の変形やついばみ動作時の接触力などに注目し、生体を対象にした計測実験を行ってバイオメカニクス融合をさらに進める。運動制御については、シミュレーションによって獲得された運動を実機に移植することを目指す。また、車輪型や脚型のプラットフォームにマニピュレータを搭載してタスクを行うことを目指す。

Research Products

• [Journal Article] Modern Aspect of a Classic Anatomy: What does it mean to know body structures in other species? (2021)
  • Author(s): 郡司芽久
  • Journal Title: といとうとい Volume: 0 Pages: 10-18
  • DOI: 10.14989/toitoutoi_00_1
  • NAID: 120007142012
  • Year and Date: 2021-06-30
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Immediate Generation of Jump-and-Hit Motions by a Pneumatic Humanoid Robot Using a Lookup Table of Learned Dynamics (2021)
  • Author(s): Kazutoshi Tanaka, Satoshi Nishikawa, Ryuma Niiyama, and Yasuo Kuniyoshi
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: 6 Issue: 3 Pages: 5557-5564
  • DOI: 10.1109/lra.2021.3076959
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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) Issue: 3 Pages: 4028-4034
  • DOI: 10.1109/lra.2020.2985573
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Closed Elastica: Impulse Force Generator Based on Snap-Through Buckling (2019)
  • Author(s): 望山 洋
  • Journal Title: Journal of The Society of Instrument and Control Engineers Volume: 58 Issue: 10 Pages: 781-785
  • DOI: 10.11499/sicejl.58.781
  • NAID: 130007732474
  • ISSN: 0453-4662, 1883-8170
  • Year and Date: 2019-10-10
• [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) Issue: 4 Pages: 3601-3608
  • DOI: 10.1109/lra.2019.2931273
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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: Journal of the Robotics Society of Japan Volume: 37 Issue: 1 Pages: 16-21
  • DOI: 10.7210/jrsj.37.16
  • NAID: 130007579774
  • ISSN: 0289-1824, 1884-7145
• [Presentation] Model-Free Reinforcement Learning with Ensemble for a Soft Continuum Robot Arm (2021)
  • Author(s): Ryota Morimoto, Satoshi Nishikawa, Ryuma Niiyama, Yasuo Kuniyoshi
  • Organizer: EEE International Conference on Soft Robotics (Robosoft)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physical reservoir computing in a soft swimming robot (2021)
  • Author(s): Yuta Horii, Katsuma Inoue, Satoshi Nishikawa, Kohei Nakajima, Ryuma Niiyama, Yasuo Kuniyoshi
  • Organizer: International Conference on Artificial Life (ALIFE)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Flexible Sliding-teeth-array Mechanism for Hollow Joint Module with Smooth Outline (2021)
  • Author(s): Fumiya Nakano, Yuma Niiyama, Shunji Yamanaka
  • Organizer: IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An Actuation System Using a Hydrostatic Skeleton and a Shape Memory Alloy for Earthworm-like Soft Robots (2021)
  • Author(s): Kazuma Matsushita, Masahiro Ikeda, Keung Or, Ryuma Niiyama, Yasuo Kuniyoshi
  • Organizer: IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physical Reservoir Computing を用いたやわらかいシート状遊泳ロボットの動作生成 (2021)
  • Author(s): 堀井雄太, 井上克馬, 西川鋭, 中嶋浩平, 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] キリン首型筋骨格ロボットの項靭帯と弾性関節の改良, (2021)
  • 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] 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