人型ロボットの身体内保存力学的エネルギー活用による高効率運動実現に関する研究

利用人形机器人体内储存的机械能实现高效运动的研究

基本信息

批准号：
21H04902
负责人：
高西淳夫
金额：
$ 27.04万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04902/
关键词：
ロボティクスヒューマノイド関節弾性脱力

项目摘要

本研究は，既存の人型ロボットが「常に全身の関節で力んでいる状態で運動している」ためエネルギー効率が低いという問題に対し，人間は末端が軽量になる身体構造を持ち，関節では「ばね性」や「脱力」により「全身を鞭のように連動させエネルギーを伝播させていく」運動戦略を取ることから，『ロボット身体内保存力学的エネルギー活用運動』およびそれに適した身体構造により全身運動時の消費エネルギーを低減させることを目的とする．研究期間を通じて，力学的エネルギーの3形態変換を伴う消費エネルギー最小運動生成法の確立，弾性の発揮・脱力が可能な高出力関節メカニズムの開発，動力伝達機構を用いた人間規範軽量四肢構造の開発を行う．これまでの研究実績として，まず消費エネルギー最小運動生成のための運動式を確立した．これまでの安定性の担保に加え，人間の動作戦略を基に，人型ロボット全身の力学的エネルギー統括法により各部の力学的エネルギーを算出可能とする．まずは計画通りシミュレーションによる理論検証を進める．また，機械メカニズムについては設計を進めている．既存のロボットの構造では，関節の駆動源であるアクチュエータはその関節の近くに配置する必要があった．一方，人間は，例えば膝を駆動する筋肉は複数種あり，その中には股関節の上の腰部から膝を駆動する筋肉も存在する．駆動源を被駆動関節よりも離れた位置に，特に他の関節を超えて配置できることで足首や膝関節の大幅な軽量化が可能となり，運動時の消費エネルギー低減が期待できる．本研究を発展させた研究が基盤研究(S)に採択されたため，本研究は本年度において終了する．上記成果は基盤研究(S)での研究で今後も活用をしていく．

这项研究解决了现有的人形机器人由于“总是通过全身的关节发力来运动”而导致能源效率低下的问题，而人类的身体结构末端较轻，关节的运动策略采用“弹性”和“放松”“通过像鞭子一样连接整个身体来传播能量”，因此可以使用“利用机器人身体中存储的机械能的运动”和身体适合它的结构，目的是减少全身运动时的能量消耗。在整个研究过程中，我们建立了一种通过转换三种形式的机械能来最大限度地减少能量消耗的运动产生方法，开发了一种可以发挥和释放弹性的高输出关节机构，并开发了一种利用动力的人体标准轻型肢体结构传动机构这样做。作为迄今为止的研究成果，我们首先建立了一个以最小能耗产生运动的运动方程。除了保证稳定性之外，现在可以采用基于人体运动策略整合整个仿人机器人机械能的方法来计算仿人机器人各部分的机械能。首先，我们将按计划通过仿真进行理论验证。我们还在进行机械机构的设计。在现有的机器人结构中，驱动关节的执行器必须放置在关节附近。另一方面，例如，在人类中，有多种类型的肌肉驱动膝盖，包括从髋关节上方的下背部驱动膝盖的肌肉。通过将驱动源放置在远离从动关节的位置，特别是超出其他关节的位置，可以显着减轻踝关节和膝关节的重量，从而有望减少运动时的能量消耗。由于开展这项研究的研究被选为科学研究（S），因此这项研究将在本财年完成。上述成果将继续用于科学研究（S）的研究。