2020 Fiscal Year Annual Research Report
歯舌実測運動特性に基づく咀嚼ロボットシミュレーション
| Project/Area Number |
20H02116
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
東森 充 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30346522)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
堀 一浩 新潟大学, 医歯学系, 准教授 (70379080)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 柔軟物マニピュレーション / テクスチャーセンシング / ソフトロボティクス |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，ヒトの食塊形成およびテクスチャー（食感）評価といった咀嚼機能の工学的理解と再現に向け，咀嚼ロボットシミュレーション手法を確立することを目指している．このために，①口腔内用モーションキャプチャを用いて，咀嚼過程におけるヒトの歯および舌の運動特性を実測，解析し，ロボットの機構・動作設計のための歯・舌運動モデルを作成する．②歯舌両有型ロボットシミュレータを設計開発し，人工咀嚼，すなわち歯・舌－食品といった柔剛複合系の相互作用を介した食塊形成マニピュレーションを実現する．③深層学習を用いて食塊形成過程の時空間力覚情報に基づくテクスチャー推定モデルを構築する．2020年度においては，①の事前検証バージョンの位置づけとして，ヒトの嚥下過程を再現する舌モデルの構築を行った．これはコロナ渦の影響で，新潟大学―大阪大学の共同実験が不可能となり，新潟大学単体で（咀嚼計測に代わりに）嚥下計測を実施したことに起因する．はじめに，嚥下動作の実測実験を行った．口腔内用モーションキャプチャおよび5点圧力センサを用いて，水を嚥下する過程の舌位置分布および舌力分布を同時に測定した．これらを時系列データとして保存し，再現目標とした．次に，実測舌特性に基づいた，舌および口蓋のモデルを構築した．2次元シミュレーション解析を行うための舌の表面形状および柔軟性を再現する粘弾性モデルを構築した．最後に，制御入力軌道の生成を行った．構築した口腔内モデルを用いて，シミュレーション解析により，目標舌特性を再現するアクチュエータの制御入力軌道を生成した．以上は，提案ロボットシミュレータの肝となる人工舌部の基礎設計という重要な意義を持つ．また，前述の通り，①の進捗が計画通りとならなかったため，②について舌部を持たない簡易咀嚼装置の試験的製作，および，③について深層学習モデルの予備調査を当初の計画から前倒して実施した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これはコロナ渦の影響で，新潟大学―大阪大学の共同実験が不可能となり，当初計画していた咀嚼計測を取り止め，新潟大学単体で嚥下計測を実施した．しかしながら，提案ロボットシミュレータの肝となる人工舌部の基礎設計という作業を進めることができた．また，舌部を持たない簡易咀嚼装置の試験的製作，および，深層学習モデルの予備調査を当初の計画から前倒して実施しており，計測実験をリカバリーする上で時間的な余裕は確保できたものと考えている．
|
| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，人工咀嚼の実現に向け，人工歯・舌の両者を搭載するエンドエフェクタ，動作生成用の多自由度アーム，および人工咀嚼過程の時空間力覚情報を取得するための圧力分布センサ，を含む咀嚼ロボットシミュレータ全体システムの詳細設計およびプロトタイプ製作に取りかかる．前年度は，口腔内用モーションキャプチャを用いて水の嚥下運動を実測し，舌表面および上下歯列の代表点の時系列位置データから，人工舌の構造と動作の基本モデルを構築した．本年度は，上記の検証バージョンに基づき，まず，水の嚥下およびゲルの舌式咀嚼を想定した咀嚼ロボットシミュレータのプロトタイプの設計・開発を先行して実施する．これと平行して，歯を用いた咀嚼，および，舌と歯の両者を組み合わせた咀嚼，について，口腔内用モーションキャプチャを用いたヒトの咀嚼動作の計測実験を実施し，歯・舌両有型エンドエフェクタ構造および運動のフルモデルの構築を図る．歯部＝剛体と舌部＝柔軟体の両部の形状はヒトの幾何学モデル（BodyParts3D）を使用する．歯部は3Dプリンタで製作（硬質レジン製）し，上歯部は絶対系に固定，下歯部を6自由度マニピュレータで駆動する．舌部本体は弾性体（シリコーン製）とし，下歯部と連動した全体運動に加え，局所的な代表点並進運動の組み合わせにより変形動作を生成する．代表点の運動は，舌の俊敏な動作への対応を踏まえ，小型高速アクチュエータを採用し，動力伝達リンク機構を設計する．最終的には，モーションキャプチャを用いて，エンドエフェクタの運動を計測し，ヒトの咀嚼動作の再現性を定量的に確認する．また，人工唾液装置および頬部の実装も検討する．以上のようなシミュレータにより，食塊形成マニピュレーションを実現するための制御器を設計し，変形→破断→再形成といった食塊状態の時空間的変化を再現する制御戦略を構築する．
|
