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

人工脊髓IC和人工肌肉双足行走系统的研发

基本信息

批准号：
22K04016
负责人：
内木場文男
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Nihon University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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。

在这个研究项目中，我们将用模仿人类脊髓和肌肉的人造脊髓IC和人造肌肉取代传统的控制系统和驱动系统，并创造出一种独特的步行系统，其功耗与人类相同，为20 W我们的目标是实现体重减轻 30 公斤。具体来说，我们开发了迄今为止研发的不使用软件的步行用人工脊髓IC，以及通过应用形状记忆合金和弹性体相结合的人造肌肉，在步行和跑步之间切换的双足步行系统。意识到。基于步行和跑步所需的肌肉响应神经信号的输入而一致收缩的肌肉协同理论，按时间顺序产生六个神经脉冲，每个脉冲都促进肌肉收缩，从而进行步行和跑步。当行走时第二脉冲消失，当跑步时第三脉冲消失，并且当跑步时脉冲串的周期进一步缩短。今年，也就是第一年，我们开发了一种用于人工脊髓的电子电路，可以在行走和跑步之间切换，并使用由模拟和分立元件制成的板获得了所需的信号。我们还制作了一个原型 IC 来演示系统的基本部分。然而，所获得的信号是针对单腿运动的，我们将继续对双腿运动和综合 IC 作为一个系统进行原型设计。在人造肌肉方面，我们结合形状记忆合金和弹性体设计了总共50块肌肉，每条腿25块，并制作了一些原型。设计时，我们使用3D CAD创建了实际尺寸一半的肌肉骨骼结构，在其上放置了看起来像肌肉的执行器，并使用动力学模拟器进行步行和跑步，以计算每个执行器产生的力并找到位移。与肌肉协同理论一致，发现时间可分为六段。尽管施加到致动器的力是已知的，但确定哪些肌肉产生力以及哪些肌肉被动地接收力的问题仍然存在。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Extraction of Mechanical Actuator Parameters by Dynamics Simulation of Left-Right Muscle,Pairs for Human Walking and Running and Correspondence with Muscle Synergy Theory

人体行走和跑步的左右肌肉动力学模拟提取机械执行器参数及其与肌肉协同理论的对应

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Kosuke Miyazaki;Shintaro Nakatani and Nozomu Araki;Kenji Takeda; Motokuni Ishibashi; Takumi Ishihama; Tatsumi Goto; Kentaro Yamazaki; Megumi Aibara; Minami Kaneko; Fumio Uchikoba;Motokuni Ishibashi; Kenji Takeda; Lyu Shuxin; Takumi Ishihama; Tatsumi Goto; Kentaro Yamazaki; Megumi Aibara; Minami Kaneko; Fumio Uchikoba
通讯作者：
Motokuni Ishibashi; Kenji Takeda; Lyu Shuxin; Takumi Ishihama; Tatsumi Goto; Kentaro Yamazaki; Megumi Aibara; Minami Kaneko; Fumio Uchikoba

Development of Hardware CPG Model for Biped Gait Control Capable of Changing Gait Cycle and Gait Pattern

能够改变步态周期和步态模式的双足步态控制硬件CPG模型的开发

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Kosuke Miyazaki;Shintaro Nakatani and Nozomu Araki;Kenji Takeda; Motokuni Ishibashi; Takumi Ishihama; Tatsumi Goto; Kentaro Yamazaki; Megumi Aibara; Minami Kaneko; Fumio Uchikoba
通讯作者：
Kenji Takeda; Motokuni Ishibashi; Takumi Ishihama; Tatsumi Goto; Kentaro Yamazaki; Megumi Aibara; Minami Kaneko; Fumio Uchikoba