冗長関節を制御するシナジーモデルの構築とロボット制御への応用

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本研究の目的は、人間のダイナミクスパラメータを考慮することによって、人間の巧みな協調運動を再現できる、冗長系制御モデルを構築することである。そのために次の三段階の課題を設定した。(1)人間のダイナミクスパラメータの推定、(2)制御モデルの構築、(3)ロボット制御への応用。本年度はそれぞれの段階の課題において研究を進めることができた。課題(1)のために開発した振動装置を用いて、利用可能な身体自由度と関節間協調の関係を調べた。手先振動抑制タスク中の下肢を装具によって固定した際の関節間協調の変化を、UCM解析を用いて定量的に評価した。その結果、人間は利用可能な身体自由度を減らされると、協調をより高める方策をとることが示唆された。課題(2)では、被験者の肩が水平方向に振動した際の、手先振動を抑制する動作を再現する制御モデルを提案した。自動車や鉄道の制振に用いられているスカイフック理論に基づいて、筋の釣り合い位置である平衡点を調節する方法によって、人間の手先の制振動作を再現することができた。また、冗長系の制御モデルとして提案したUCM参照フィードバック制御法の、人間の制御モデルとしての妥当性を検証した。第一に、軌道追従タスク中に外乱を与え、その応答を調べることで、人間がUCMを獲得している可能性を示した。第二に、2リンクアームの逆キネマティクスを学習し、UCMそのものを表現するニューラルネットワークの構造である、UCMネットワークを提案した。課題(3)では、ロボットアーム実機を課題(2)で提案したUCM参照フィードバック制御法によって制御し、外乱に対してよりロバストな応答を可能にした。以上の三段階の研究課題を通じて、人間の多関節協調運動の特徴を再現できる制御モデルの構築及び、ロボット制御への応用が達成できた。