人型ロボットによるヒトのバランス制御と空中感覚理解

本研究では，ヒトの運動制御系をモデル化し，人体運動を模擬可能な人型ロボットの開発を通して，ヒトのバランス制御と空中感覚を理解することを目的とする．令和4年度は，以下の3点について研究を推進した．(1) 2足ロボットの設計・製作：令和3年度までに単脚ロボットを開発しており，その脚機構（4自由度を持つ球面パラレルリンク機構）をベースに2足ロボットを設計・製作した．1脚の自由度は並進3自由度とYaw方向の自由度の計4自由度とし，3次元歩行と旋回動作が可能なようにした．足部については，受動足関節を有する線接地の機構を採用した．受動関節とすることでアクチュエータ搭載による重量増加を避け，脚先を軽量にできる．評価実験の結果，歩行周期0.2[s/step]での高速な足踏み動作を実現し，旋回動作については足部を線接地とすることで点接地よりも約6倍の最大摩擦トルクが得られることを確認した．(2) 上肢を利用した2足ロボットの転倒回避制御：令和3年度に続き，可捕性解析（Capturability，2012 Koolenら）を利用した転倒回避制御を考案した．上肢の着地位置決定に可捕性解析，転倒回避姿勢の決定に操作力楕円を利用するものである．動力学シミュレーションを通して，3次元空間を移動する2足ロボットに外乱が印加された場合に，転倒回避運動が生成されることを確認した．(3) ヒト運動解析にもとづく跳躍運動生成：ヒトの跳躍運動を参考に，脚ロボットの跳躍運動生成手法を考案した．具体的には，脚ロボットの目標重心軌道を設定し，圧力中心点が支持領域内に含まれるような不等式制約と浮遊期にロボットが回転しないという条件の等式制約のもと，線形モデル予測制御を利用してロボットの跳躍運動を生成する手法である．シミュレーションと実機の両方において跳躍運動が実現されることを確認した．

本研究では，ヒトの運動制御系をモデル化し，人体運動を模擬可能な人型ロボットの開発を通して，ヒトのバランス制御と空中感覚を理解することを目的とする．令和4年度は，以下の3点について研究を推進した．(1) 2足ロボットの設計・製作：令和3年度までに単脚ロボットを開発しており，その脚機構（4自由度を持つ球面パラレルリンク機構）をベースに2足ロボットを設計・製作した．1脚の自由度は並進3自由度とYaw方向の自由度の計4自由度とし，3次元歩行と旋回動作が可能なようにした．足部については，受動足関節を有する線接地の機構を採用した．受動関節とすることでアクチュエータ搭載による重量増加を避け，脚先を軽量にできる．評価実験の結果，歩行周期0.2[s/step]での高速な足踏み動作を実現し，旋回動作については足部を線接地とすることで点接地よりも約6倍の最大摩擦トルクが得られることを確認した．(2) 上肢を利用した2足ロボットの転倒回避制御：令和3年度に続き，可捕性解析（Capturability，2012 Koolenら）を利用した転倒回避制御を考案した．上肢の着地位置決定に可捕性解析，転倒回避姿勢の決定に操作力楕円を利用するものである．動力学シミュレーションを通して，3次元空間を移動する2足ロボットに外乱が印加された場合に，転倒回避運動が生成されることを確認した．(3) ヒト運動解析にもとづく跳躍運動生成：ヒトの跳躍運動を参考に，脚ロボットの跳躍運動生成手法を考案した．具体的には，脚ロボットの目標重心軌道を設定し，圧力中心点が支持領域内に含まれるような不等式制約と浮遊期にロボットが回転しないという条件の等式制約のもと，線形モデル予測制御を利用してロボットの跳躍運動を生成する手法である．シミュレーションと実機の両方において跳躍運動が実現されることを確認した．