Ryuki SATO (佐藤 隆紀)

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Early-Career Scientists, Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists, Fund Type: competitive_research_funding, Overall Grant Amount: - (direct: 3600000, indirect: 1080000)
本研究の目的は，動物の筋骨格構造に特徴的な複数の関節をまたぐ多関節筋による，身体内の力学的エネルギー遷移・伝搬のメカニズムを規範とした，脚ロボットの運動性能向上である．このメカニズムを四脚ロボットに導入することを目標とし，段階的に脚部関節間および脚-体幹間の多関節筋構造を規範とした機構および制御を開発する計画である．
本年度は，動物の肢の関節間に備わる二関節筋を規範とした脚機構の動力学解析に取り組んだ．研究代表者らはこれまでの研究で，四足動物の後肢の股-膝関節間および膝-足関節間にある二関節間筋腱複合体に着目し，関節アクチュエータに対して直列または並列に弾性要素をもつ脚機構を開発した．この生物規範型脚機構を持つ１脚ロボットの動力学モデルを作成し，垂直跳躍運動中の二関節間筋腱複合体機構を介したエネルギー伝搬および各関節での仕事率の変化を解析した．その結果，しゃがみ込みから跳躍までの一連の運動において，機構がまたがる３つの関節間を遷移するように仕事率が推移しており，生物規範機構がロボットの垂直跳躍高さの向上に貢献していることを示した．実機を用いた実験でも，シミュレーション結果に類似した効果が確認できた．この手法は脚内の関節間のみならず，体幹を含む複数の関節自由度を持つモデルに適用可能である．また，この解析では，関節の可動範囲限界での前後のリンクの接触・一体化による重心運動への影響も観測でき，関節間の動力学的な干渉性を陽に考慮した運動制御方策の検討にも発展させられる．

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research, Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 2200000, indirect: 660000)
In this study, we proposed the bio-inspired elastic mechanisms for a quadruped robot that mimic passive elements of muscles and tendons of the forelimb, hindlimb, and trunk of a cat. We also developed a motion control method to utilize the effects of these elastic mechanisms in the agile motions, such as jumping and running, of the robot. Dynamics simulations and experiments on a prototype robot demonstrated high vertical jumping motion due to the effect of bio-inspired mechanisms. Then, we developed a small quadruped robot with bio-inspired mechanisms in the whole body by integrating these mechanisms.

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for JSPS Fellows, Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 1900000, indirect: 0)
本研究は，ネコ科の動物の筋骨格構造と運動制御を参考とした脚式ロボットの開発を目的とする．生物の身体のしなやかさに着目したロボットの機構設計と，それを前提とした運動制御によって，従来のロボットでは困難であった俊敏な動作の実現する．
昨年度までに，ネコの後肢下腿に備わる特に重要な二関節間の筋腱複合体を搭載した脚機構を開発して，実証実験を行うための試作機を開発した．また試作機の動力学モデルに基づく運動軌道生成手法の基盤を開発した．そこで本年度はこの軌道生成手法を用いて，特に動的な運動の一例として垂直跳躍運動を取り上げて軌道の生成を行った．軌道生成にあたり受動機構やアクチュエータの動特性を含む動力学モデルを構築し，跳躍高さ最大化を目的とした最適化問題に置き換えて非線形最適化手法を用いることで，強い非線形性を有するロボットの跳躍軌道を生成することができた．この結果として得られた運動は，弾性要素を含む生物規範機構を活用した軌道になっており，開発した脚機構の効果が確認できた．また，生成された軌道を用いて，試作機で垂直跳躍実験を行った結果，シミュレーションのように生物規範機構の弾性要素が効果を発揮し，跳躍運動を実現することができた．さらに，ネコの後肢の上腿やつま先周辺の二関節間の筋腱複合体が脚のダイナミックな運動に寄与していることから，それぞれについて同様の機能を実現するワイヤ・プーリ機構と弾性要素を用いた機構を開発した．シミュレーションと実機実験を通してそれらの有用性を示した．脊椎まで含めた四脚ロボットの開発には至らなかったが，これまでに開発した生物規範型の脚機構と運動軌道生成手法を用いることで，従来のロボットを越える運動能力を持つ四脚ロボットの実現可能性が示せた．