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2016 年度 実施状況報告書

共振に基づくロボット運動学習理論による人の運動学習の理解

研究課題

研究課題/領域番号 15K18005
研究機関大阪大学

研究代表者

植村 充典  大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (00512443)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード共振 / 運動学習 / エネルギー効率 / ロボット制御 / 人の運動制御
研究実績の概要

前年度では共振に基づく運動学習法と人の運動学習を単関節運動を中心に比較したのに対し、平成28年度は多関節での比較を中心とした。対象とした運動は、多関節の周期運動として興味深い歩行運動とした。
その結果、歩行時の矢状面遊脚の股と膝関節の2関節運動を想定した運動学習シミュレーションから得られた運動が、人の歩行データと非常によく一致した。人の歩行時の股関節運動は、加速度の波形において遊脚初期では高い正の値を持ち、その後急激に値が小さくなりつつ遊脚開始20%程度で負の値となる。次になだらかに負に大きくなりつつ遊脚開始70%程度で最も負の大きい値を持つ。その後は急激に負の値は小さくなり、遊脚開始85%程度で正に切り替わる。後は、値が急激に大きくなる。この特徴は、共振に基づく運動学習法で学習した運動と一致した。膝関節も同様に、速度波形が三角波に近くなる特徴や正や負のピーク値を持つ時刻もよく一致した。この時、シミュレーションにおいて股と膝の関節トルクの自乗積分値は学習開始時の10分の1程度となり、非常にエネルギー効率の高い運動が学習できていることを確認している。また、運動学習は20回程度の運動の繰り返しで実現されることも確認した。よって、人は歩行時にエネルギー効率を最適化する運動を行っていることが示唆される結果となった。また、我々の提案した運動学習法が、人の運動学習と近い性質を持っていることも示唆される結果となった。
上記のシミュレーションは、歩行時の矢状面の両脚と胴体を考慮した5関節運動の場合に拡張した。その結果、エネルギー効率の高い運動が学習できることを確認した。ただし、関節トルクの自乗積分の値の現象は2分の1程度に留まり、立脚側の関節運動とは人の運動パターンの特徴とは一部一致しなかった。
本結果を実験的に確認するため、脚ロボットの開発も行った。

現在までの達成度 (区分)
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

当初予定した通り、多関節運動に共振に基づいた運動学習法を適用し、その結果と人の運動学習の結果と比較している。
その結果、歩行運動時の遊脚の運動はエネルギー効率の非常にものを学習できることを確認し、非常に人に近い運動となることを確認した。 この点は、当初予定していた結果のうち非常に良いものである。

今後の研究の推進方策

歩行時の矢状面の両脚と胴体を考慮した5関節運動の場合で、共振に基づいた運動学習と人の運動とが一致しなかった点について考察を深め、制御法やアクチュエータ構造の改善を行う。特に、2関節筋のような複数の関節にまたがるアクチュエータを考慮することで、より人の歩行に近いモデルを用いることで、結果が改善されるかを確認する予定である。
製作した歩行ロボットの実機を用い、エネルギー効率の高い運動が実現できることや、エネルギー効率の高い運動が学習できることも確認する予定である。

次年度使用額が生じた理由

平成28年度の予算はほぼ使用し、残額はわずかである。
残額が生じた理由は、当初想定していた機械部品の価格について、同等品がより安価に購入できることがわかったためである。

次年度使用額の使用計画

当初予定していたものよりも少しより性能(加工精度等)の高い機械部品を購入し、品質の高い機械システムを製作する。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2016

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 2件) 産業財産権 (1件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] 膝装具歩行における制御戦略の解析2016

    • 著者名/発表者名
      鎌田 一平, 植村 充典, 平井 宏明, 宮崎 文夫
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 82 ページ: 1-14

    • DOI

      10.1299/transjsme.16-00236

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Highly Energy-Efficient Palletizing Tasks Using Resonance-Based Robot Motion Control2016

    • 著者名/発表者名
      Kento Matsusaka, Mitsunori Uemura, Sadao Kawamura
    • 雑誌名

      Journal of Mechanical Engineering and Automation

      巻: 6 ページ: 8-17

    • DOI

      10.5923/j.jmea.20160601.02

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ヒトの下肢運動にかかわる不変量としての筋シナジー2016

    • 著者名/発表者名
      富永 健太, 飯村 太紀, 植村 充典, 平井 宏明, 宮崎 文夫
    • 雑誌名

      計測自動制御学会論文集

      巻: 52 ページ: 37-45

    • DOI

      10.9746/sicetr.52.37

    • 査読あり
  • [学会発表] Equilibrium-point-based synergies that encode coordinates in task space: A practical method for translating functional synergies from human to musculoskeletal robot arm2016

    • 著者名/発表者名
      Fumiaki Yoshikawa, Hiroaki Hirai, Eichi Watanabe, Yuma Nagakawa, Akira Kuroiwa, Emerson Grabke, Mitsunori Uemura, Fumio Miyazaki, OHermano Igo Krebs
    • 学会等名
      2016 IEEE-RAS 16th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids)
    • 発表場所
      Cancun, Mexico
    • 年月日
      2016-10-15 – 2016-10-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Exploiting invariant structure for controlling multiple muscles in anthropomorphic legs: II. Experimental evidence for three equilibrium-point-based synergies during human pedaling2016

    • 著者名/発表者名
      Eichi Watanabe, Takanori Oku, Hiroaki Hirai, Fumiaki Yoshikawa, Yuma Nagakawa, Akira Kuroiwa, Emerson Paul Grabke, Mitsunori Uemura, Fumio Miyazaki, Hermano Igo Krebs
    • 学会等名
      2016 IEEE-RAS 16th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids)
    • 発表場所
      Cancun, Mexico
    • 年月日
      2016-10-15 – 2016-10-17
    • 国際学会
  • [学会発表] 足首周りの角運動量を用いたバランス指標に基づく脚ロボットの歩行制御2016

    • 著者名/発表者名
      植村充典, 平井宏明, 宮崎文夫
    • 学会等名
      第34回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2016)
    • 発表場所
      山形
    • 年月日
      2016-09-07 – 2016-09-09
  • [学会発表] ヒト上肢の姿勢保持時における終点と平衡点の一致を利用した新しい筋シナジー推定法の提案2016

    • 著者名/発表者名
      吉川 史哲, 平井 宏明, 渡邉 英知, 植村 充典, 宮崎 文夫
    • 学会等名
      第34回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2016)
    • 発表場所
      山形
    • 年月日
      2016-09-07 – 2016-09-09
  • [学会発表] 柔軟関節と高制御性能を両立する反力利用弾性アクチュエータ2016

    • 著者名/発表者名
      植村 充典, 水口 大喜, 河村 晃宏, 川村 貞夫
    • 学会等名
      第34回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2016)
    • 発表場所
      山形
    • 年月日
      2016-09-07 – 2016-09-09
  • [学会発表] 下肢筋骨格ロボットによる前方ペダリングの再現と考察 ―筋シナジーに基づくヒトの運動戦略の解析と制御への応用―2016

    • 著者名/発表者名
      渡邉 英知, 奥 貴紀, 平井 宏明, 吉川 史哲, 植村 充典, 宮崎 文夫
    • 学会等名
      第34回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2016)
    • 発表場所
      山形
    • 年月日
      2016-09-07 – 2016-09-09
  • [産業財産権] 脚型機構体、歩行ロボット、姿勢制御方法及びプログラム2016

    • 発明者名
      植村 充典, 宮崎 文夫, 平井 宏明
    • 権利者名
      植村 充典, 宮崎 文夫, 平井 宏明
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT/JP2016/060915
    • 出願年月日
      2016-04-01
    • 外国

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公開日: 2018-01-16  

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