受動関節を利用した3自由度装置による人の意図する動作の補助

• 研究課題/領域番号: 22K12203
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分61050:知能ロボティクス関連
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 小塚 裕明 金沢大学, フロンティア工学系, 助教 (80707589)
• 研究分担者: 立矢 宏 金沢大学, 高度モビリティ研究所, 教授 (10216989)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2022年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 機械学習 / 人間機械協調 / 受動関節

研究開始時の研究の概要

本研究では食事支援等を対象とし，人の手先動作を補助するロボットと制御方法を開発する．食事動作では，人の意思により手先の動作方向が逐次変わるため，機械学習を用い，動作を学習して手先の軌跡を予測し，これを人の意図する方向とみなして目標軌跡とし，申請者らがこれまで提案してきた動作補助装置を改善して用いることで補助を行う．予測する軌跡は確率分布で表され，任意方向への分布の広がりに応じて手先への補助力の有無大小が調整され，結果的に意図する方向へは動きやすく，そうでない方向には手先の軌跡がそれないように拘束される．これにより，人の意図する方向に動作補助が可能となり，食事支援などへの応用を実現する．

研究実績の概要

本研究では，事故や高齢などが原因で手先や前腕を動かす動作が不自由な患者の動作を支援するために，受動関節を用いて人の動作を検知し，人の動作と協調して補助を行う，パラレル形スキルアシストアームを開発してきた．同装置では，3つあるアクチュエータのうち1つは励磁を切ることで受動関節状態として人の動作を検知し，残り2つを位置制御して位置決めの補助を行う．ただし，補助を行っているときは，アーム姿勢や動作方向により，最適な関節が受動，駆動状態になるようアクチュエータの励磁を入れ替える．これまで，同励磁の切り替え時に振動が生じる問題があったとともに，既定の目標軌跡への補助のみにとどまっていた．
そこで，これを改善するため，励磁の切り替え時のアクチュエータへの電流値の変化を緩やかにするとともに，切り替えの頻度を可能な限り少なくなるよう補助方法を見直した．以上により，既定の目標軌跡にそった滑らかな動作補助を確立した．
次に，2次元平面上の軌跡動作において，ベイズ推定を利用することで，目標軌跡を規定せずとも，操作者の過去の軌跡から，操作者が意図した方向を推定する方法を提案した．さらに，未来の操作位置での存在確率から補助力を調整し，意図する方向に強くそって補助するか，方向転換を行いやすくするために補助力を弱めるなどする．以上の方法を試作機に適用し，2次元平面に限定した基礎実験を行い，任意の角度に方向転換するときに意図する方向を推定し，補助を行うことが可能なことを確認した．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

実績の概要でも述べたとおり，開発したパラレル形スキルアシストアームにおいて，励磁の切り替え時に振動が生じる問題を解消するため，切り替え時の電流変化を緩やかにするとともに，切り替えの頻度を可能な限り低減して，滑らかな切り替えを実現した．また，ベイズ推定にて，２次元平面上での人の意図した任意の方向への補助を実現した．以上のほとんどは２年目において計画していたものであり，概ね計画通り進んでいると判断する．

今後の研究の推進方策

３次元空間において，人の意図した任意の方向への補助を実現することを検討する．そのために，記録した軌跡から３次元空間内の確率分布を効率的に得る方法を確立して補助を行う．なお，いまだ動作が不安定のため，アクチュエータの減速比を最適なものに変更することも検討する．以上を行ったうえで，実際に制御を行いながら，３次元空間内で，人の意図する方向を推定し，適切に補助できているか確認する．