Research and development on a bipedal walking system with artificial spinal cord IC and artificial muscle

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本研究課題では，従来の制御系と駆動系を人間の脊髄と筋肉を工学的に模倣した人工脊髄ICと人工筋肉に置き換え，人間と同等の消費電力の20Wと下半身重量30kgの独自の歩行システムの実現を目指す。具体的には，これまでに研究開発したソフトウェアを用いない人工脊髄ICを歩行用に開発，また，形状記憶合金とエラストマを組み合わせた人工筋肉を適用することによって歩行と走行を切り替える２足歩行システムを実現する。歩行・走行時に必要な筋が神経信号の入力に応じて一斉に協調して収縮をするという筋シナジー理論をベースに，時系列的に6神経パルスが発生し，各パルスが筋肉の収縮を促すことによって歩行と走行が実行される。歩行時には2パルス目が消滅し，走行時には3パルス目が，さらに，走行時にはパルス列の周期が短縮される。当該年度は，初年度に当たり，歩行・走行を切替える人工脊髄の電子回路の開発を行い，シミュレーションとディスリート部品で構成した基板で，所定の信号を得た。また，システムの基本的な部分を実証するICの試作を実施した。ただし得られた信号は，片足の動作を意図したもので，両足の動作，また，システムとしての包括的なICの試作は今後実施する。人工筋肉に関しては形状記憶合金とエラストマを組み合わせ，片足25個，合計50個の筋肉の設計と一部試作を行った。設計するにあたって，実際の1/2サイズで3DCADを用いて筋骨格を形成し，これに筋肉に見立てたアクチュエータを配置，動力学シミュレータを使って歩行・走行を実施し，各アクチュエータに発生する力と変位を求めた。筋シナジー理論と一致して，時間的に6分割できることが分かった。アクチュエータにかかる力が分かった一方で，どの筋肉が力を発生して，結果としてどの筋肉が力を受動的に力を受けるかということを切り分ける課題が残った。