Human-Machine Cooperative Control based on Vector Field

基于矢量场的人机协同控制

• 批准号: 21H01283
• 负责人: 岡田 昌史
• 金额: $ 10.9万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01283/
• 关键词: 人間機械協調系; 人の運動支援; 自律制御系; 衝撃緩和; 機構の特異性; 人機械協調系; 軌道アトラクタ; 人の力学モデル; Assist as needed; ロボット工学; 制御工学

(a)-(1) 人が漕ぎやすい車椅子の設計：これまでに，漕ぎやすい車椅子の開発を目指し，人の力学モデルの導出と機構の最適化を行った．2022年度は最適化結果から車椅子を試作し有効性を検証した．この車椅子は肘掛けの部分にリニアな駆動機構を有し，これを手前に引くことで引いた長さだけの移動量を実現する．一般の車輪を手で押して回す車椅子と比較し，引く動作は効率が高いこと，すなわち，内力となって失う成分が小さくなることを実験によって示し，提案する機構の有効性が示された．(a)-(2) 人の運動訓練支援装置の設計(立ち上がりの補助)：高齢者施設などで，ヘルパーが高齢者を抱きかかえるのではなく手を引きながら立ち上がりを補助するケースが見られる．これにより，障がいがある人でも容易に立ち上がれる．本研究はこれを力学的に解明し，人の立ち上がりを補助するロボットの制御系を設計することにある．2021年度では人の力学特性を元にロボットの手先軌道の設計を行った．2022年度は，Assist as neededのコンセプトに基づきロボットの制御系設計を行った．特に，人が立ち上がろうとする意思を促すことを重視し，速度拘束(時間の拘束)を持たない制御系とするために，ベクトル場を利用した制御則を開発した．人を模擬するロボットを試作し，これを引いて補助する実験により，人の発生力に応じて速度を変化させながら，Assist as neededを実現することを検証した．(b) 環境との接触における衝撃緩和機構の開発：これまでに開発したパッシブな運動量交換型衝撃ダンパを応用し，高齢者がベッドから落下した際にその衝撃を吸収する床機構を試作し，有効性を検証した．2022年度は，まず機構の構造を検討し，特に力のはたらく方向とその伝達を解析しながら，小型の床機構を試作し，実験によって落下物の衝撃が小さくなることを検証した．

(a)-(1)设计一款易于划船的轮椅：目前，我们以开发一款易于划船的轮椅为目标，推导了人体动力学模型并优化了其机构。 2022财年，我们根据优化结果制作了原型轮椅并验证了其有效性。这款轮椅的扶手上有一个线性驱动机构，通过将扶手拉向您，您可以根据拉力的长度移动椅子。与通过手动推动轮子旋转的普通轮椅相比，实验表明拉动动作更有效，即内力损失的分量更小，证明了该机构的有效性。 (a)-(2)人体运动训练辅助装置(辅助站立)的设计：在养老机构中，有时助手会拉着老人的手而不是握住老人来帮助他们站起来。这使得残疾人可以轻松站立。这项研究的目的是从机械角度阐明这个问题，并为帮助人们站立的机器人设计一个控制系统。 2021年，我们根据人体机械特性设计了机器人的手部轨迹。 2022年，我们基于“按需协助”的理念设计了机器人控制系统。特别是，我们专注于促进人们站起来的意图，并开发了利用矢量场的控制律，以创建一个没有速度约束（时间约束）的控制系统。我们制作了一个模仿人类的原型机器人，通过拉动和辅助的实验，我们验证了它可以根据需要实现辅助，同时根据人类产生的力改变其速度。 (b) 开发与环境接触的减震机构：应用迄今为止开发的被动动量交换型减震器，我们试制了一种吸收老年人从床上跌落时的冲击的地板机构，其有效性得到了验证。 2022财年，我们首先检查了机构的结构，特别是分析了力的方向及其传递，制作了小型地板机构的原型，并通过实验验证了坠落物体的影响得到了降低。

项目成果

人の力学特性を考慮した高効率な車椅子の設計

考虑人体机械特性设计高效轮椅

• 发表时间: 2022
• 作者: Takafumi Morita;Yu Kuwajima;Ayato Minaminosono;Shingo Maeda;Yasuaki Kakehi;WANG Yiting，岡田 昌史
• 通讯作者: WANG Yiting，岡田 昌史

特異姿勢を利用した受動的運動量交換型衝撃吸収ダンパの最適設計

奇异姿态被动动量交换式减振阻尼器优化设计

• 发表时间: 2022
• 作者: 新美 喬士;竹内 大;徳武 克浩;青山 忠義;栗本 秀;平田 仁;長谷川 泰久;後藤 貴滉，浪花 啓右，中西 大輔，杉本 靖博，八木 康史，槇原 靖，中村 友哉，大須賀 公一;青野浩平，青柳学;岡田昌史，黒須寛明
• 通讯作者: 岡田昌史，黒須寛明

人の力学モデルに基づく動く手すりの軌道最適化

基于人体动力学模型的运动扶手轨迹优化

• 发表时间: 2022
• 作者: Takafumi Morita;Yu Kuwajima;Ayato Minaminosono;Shingo Maeda;Yasuaki Kakehi;于 歌，岡田昌史
• 通讯作者: 于 歌，岡田昌史

ベクトル場の次元拡張による車輪移動系の前進・後退半自律制御

扩展矢量场维数的车轮运动系统正向/反向半自主控制

• 发表时间: 2022
• 作者: Takafumi Morita;Yu Kuwajima;Ayato Minaminosono;Shingo Maeda;Yasuaki Kakehi;WANG Yiting，岡田 昌史;渋谷恒司;後藤貴滉，八木康史，槇原靖，中村友哉，杉本靖博，中西大輔，浪花啓右，大須賀公一;定近晋也，舛屋 賢，岡田昌史
• 通讯作者: 定近晋也，舛屋 賢，岡田昌史

Control of Human-machine cooperative cart by region attractor to achieve both obstacle avoidance and trajectory tracking

区域吸引子控制人机协作小车实现避障和轨迹跟踪

• DOI: 10.1299/transjsme.22-00012
• 发表时间: 2022
• 期刊: Transactions of the JSME (in Japanese)
• 作者: Satoshi Iyobe;Masahiro Shimizu;Takuya Umedachi;石橋，石浦，増田，郡司，福原，石川;岡田昌史，尤 亜倫，舛屋 賢
• 通讯作者: 岡田昌史，尤 亜倫，舛屋 賢