Development of robotic musculoskeletal walking simulator for analysis of human walking

开发用于分析人类步行的机器人肌肉骨骼步行模拟器

基本信息

批准号：
22K11448
负责人：
坂井伸朗
金额：
$ 2.5万
依托单位：
Kyushu Institute of Technology
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

本研究はロッカーファンクションと下肢筋骨格構成による構造知の連携を，人工物のみによって構成された物理モデルにより再現することである．機械やロボットは設計通りにしか動かないため，ごまかしが利かない．一方，実機の故障による動きから新たな発想を得ることも多く，物理モデルで得られる経験は大きい．現状二次元歩行であるが，本年度は，生体筋に追従しうる高速高出力アクチュエータの実機モデルを製作し．これを筋部位毎にカスタマイズした新機体を実現した．採用したのはブラシ付ＤＣモータであるが，ブラシレス系と比較し瞬間最大出力(３０秒出力)が、定格の５倍程度見込め、１ユニットあたり０．５馬力程度である．生体筋は分子モータであり高性能であるが、その機能を発揮するアクチュエータモジュールは現在になって初めて現実的なコストで構成可能となったと考えている．そしてバックドライブ可能な減速機により本ユニットは，力覚を持つユニットであるため，実際に作用する筋力が観察可能である．このように力という視覚では直接観察できない要素を計測できるのはロボット化ならではの要素と考えられる。さらにこれまでの機体では装備に至っていなかった，前足部に関連した立脚後期動作の構築のために、フォアフットロッカーからトウロッカーにかけての動きを再現すべく，前脛骨筋を能動駆動する構成を実現した．これにより下腿前後筋を高速にスイッチングすることで、各ロッカー相の機能とともに、特に遊脚時に地面数ミリの位置を足部が姿勢を並行に保ちながら移動することが可能となると考えられる．重たい脚部を上へ持ち上げない方が効率が良いためであり，ヒト歩行は遊脚時に数ミリ程度であるため、ヒト歩行のシミュレートへ向けた重要な取組みの一つであると期待される．

这项研究的目的是使用仅由人造物体组成的物理模型来重现摇杆功能与下肢肌肉骨骼结构的结构知识之间的协作。机器和机器人只能按照设计运行，因此无法被操纵。另一方面，新的想法往往是从实际机器因故障而产生的行为中获得的，而从物理模型中获得的经验也很重要。目前，行走是二维的，但今年我们将创建一个可以跟随生物肌肉的高速、高输出执行器的实际模型。我们创建了一台新机器，可以针对每个肌肉区域进行定制。采用有刷直流电机，但与无刷系统相比，瞬时最大输出（输出30秒）预计约为额定值的五倍，每单位约0.5马力。生物肌肉是高性能的分子马达，但我们相信直到现在才能以现实的成本构建执行这些功能的执行器模块。由于该装置具有可反向驱动减速器的力感，因此可以观察作用在其上的实际力。测量力这一无法通过视觉直接观察的要素被认为是机器人化所特有的要素。此外，为了创造与前脚相关的后期姿势运动，这在以前的飞机中是不具备的，我们开发了一种主动驱动胫骨前肌的配置，以重现从前脚摇杆到脚趾摇杆的运动。被实现了。通过高速切换小腿的前后肌肉，可以随着每个摇杆阶段的功能而移动，同时保持脚与地面平行，特别是在摆动过程中。这是因为不向上抬起沉重的腿会更有效，而且由于人类行走时摆动的距离只有几毫米，因此这有望成为模拟人类行走的重要努力之一。