非線形振動子を用いた歩行ロボットの歩行運動制御

利用非线性振子控制行走机器人的行走运动

基本信息

批准号：
03J52651
负责人：
青井伸也
金额：
$ 1.66万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

人間を含めた動物の歩行は,複雑な筋骨格系,脳神経系,そして環境との相互作用から実現される非常に巧みで,適応的な運動である.動物は,環境の変化や,外乱に対して適応的に対応し,歩行を持続させる.この歩行原理の解明に向けて,多くの研究が進められている.特に神経生理学の知見から,動物の歩行は脊髄に存在するCPGと呼ばれるリズム生成器に生成されることが明らかとなっている.このCPGは非線形振動子を用いて広くモデル化され,特に次のような特徴を持つ.1.CPGは自発的に周期的なシグナルを生成し,動物の四肢はこのシグナルによって駆動される.2.CPGは外部センサ情報に敏感であり,このセンサ情報に従って生成するシグナルを調整する.本研究ではH15,16年度において,このCPGの特徴を用いて2脚ロボットの歩行制御系を設計し,環境の変化や外乱等に対して適応的な歩行を実現した.制御系には非線形振動子を用い,そのリズム信号から関節の運動を生成し,接地センサを用いてリズム信号を調整することで,適応的な運動を実現した.ただし,これらは数値解析,実機実験により実現したものであり,どのようなメカニズムで,適応的な運動が形成されるかは不透明であった.そこで本研究では,この現象の本質を見極めるために,運動に必要最小限の要素を取り出したシンプルなモデルを用いて,厳密に運動を構成し解析することで,これらCPGの特徴を用いて運動を生成し制御することが,いかにして適応的な歩行実現に結びつくかを解明することを目的とした.ポアンカレ写像を用いた詳細な安定解析から,振動子からのリズム信号に駆動されるロボットが,安定な歩行を実現し,更にセンサ情報を用いて運動を調整することで,より安定でロバストな歩行が実現されることが明らかとなった.これら解析結果は,CPGの特徴を用いた非線形振動子に構成される歩行制御系により,適応的な歩行を実現する示唆を与えるものと考えられる.

包括人类在内的动物的行走是一种高度技巧性和适应性的运动，是通过复杂的肌肉骨骼系统、颅神经系统和环境之间的相互作用来实现的。动物对环境的变化和干扰做出反应这种行走原理。许多研究正在进行中来阐明这个问题。特别是，神经生理学的研究结果表明，动物行走是由位于脊髓中的节律发生器（称为 CPG）产生的。该 CPG 广泛使用非线性振荡器进行建模具体来说，CPG具有以下特点： 1. CPG自发产生周期性信号，动物的四肢由这些信号驱动。 2. CPG对外部传感器信息敏感，并根据传感器信息监测产生的信号。在本研究中，我们利用该CPG的特点，在2005年和2016年设计了双足机器人的行走控制系统，并利用非线性振荡器实现了响应环境变化和干扰的自适应行走，并利用节律信号来实现自适应行走。检测关节。通过地面传感器产生运动并调整节奏信号，我们实现了自适应运动。但是，这些都是通过数值分析和实际机器实验实现的，而自适应运动背后的机制是什么，目前还不清楚。因此，在本研究中，为了确定这种现象的本质，我们使用了一个简单的模型，提取了运动所需的最小元素，并通过严格配置和分析运动，研究了这些CPG可用于的特征。产生并控制运动。目的是阐明这是如何实现自适应行走的。使用庞加莱图进行的详细稳定性分析表明，由振荡器发出的节奏信号驱动的机器人实现了稳定行走，并进一步利用传感器信息来控制运动。。显然，通过调整可以实现更稳定和鲁棒的行走。这些分析结果表明，利用CPG的特性，由非线性振荡器组成的行走控制系统可以实现自适应行走，这为实现提供了建议。。