【研究分野】知覚情報処理・知能ロボティクス

【研究領域課題番号】18650045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ロボット / 人工筋肉 / 小型分散モジュール / 腱駆動 / 形状記憶合金 / 抵抗値制御 / 小型脚ロボット / アクチュエータ / 知能ロボディックス

【研究成果の概要】

平成19年度においては,前年度に開発してきた基本モジュールを拡張する形で,形状記憶合金(SMA)の抵抗値制御のための小型駆動モジュール,その駆動モジュールと統合するための携帯電話用超小型カメラによる視覚処理可能な小型感覚動作モジュールと球面関節の形状記憶合金による拮抗筋制御機構を組み合わせることにより,外部のシステムからは独立して環境探査行動が可能な超小型腱駆動ロボットシステムを実現した.
具体的には,70[mm]x70[mm]x30[mm],26[g]の大きさを持ち,24本のSMAアクチュエータで16自由度を持つ骨格を駆動する腱駆動型の超小型4脚移動ロボットを開発した.開発した4脚腱駆動ロボットの中央部には,19年度に開発した駆動制御モジュールとLi-ionバッテリ,カメラモジュールを搭載しており,カメラモジュールは高速な携帯電話用のCPUを搭載し高度な画像処理が可能である.そして,制御モジュール及び,カメラモジュールはBluetoothを搭載した通信モジュール基板と連結され,外部との通信を行うことができる.
更に,そのロボットの動作生成手法を提案した.即ち,足先位置から逆運動学問題を解き,関節トルクと関節姿勢を求め,そこから2次計画問題を解くことによって,まず,各SMAの腱長と張力を求める.そして,その腱長と張力から,18年度の研究において確立した抵抗値制御法を用いることで,所望の足先姿勢から制御するSMAの抵抗値を求める手法を開発し,実際のロボットの3自由度球面関節部で検証を行った.
複数の形状記憶合金を密集させ並列に利用する新しい人工筋肉システムを構築することを考え,形状記

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)

【研究分野】咀嚼

【研究領域課題番号】07838041 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ロボット / 咀嚼 / アクチュエータ / 筋 / 粘弾性 / 医用生体工学 / ヒューマノイド / 顎 / 口腔

【研究成果の概要】

ヒトの筋の力学モデルは基本的には収縮要素と直列弾性要素の2要素モデルで近似でき,収縮要素には弾性要素とともに粘性要素も含まれている.かたい植物を噛む際には食物を破砕するために大きな張力を発生し筋がかたくなると言われている。また,柔らかい食物を噛むときには大きな張力を発生する必要がなく,急速な閉口運動もないため筋はやわらかいままであると考えられる.このような筋の特性に着目し,非線形な粘弾性特性を有するアクチュエータを開発することを目指した.
実機の構築:「<」形をした実機を製作した.粘性要素に相当するロータリーダンパの回転軸を,弾性要素に相当するねじりコイルばねの中心軸とし,それらを「<」形に配置した2枚のジュラルミン板の交差部分に配置した.この機構はねじりコイルばねの中心とねじりコイルばねの両端を接続したワイヤとを左右に直流モータで引っ張る機構であり,ばねダンパ機構は自重や摩擦の影響を考慮して直動リニアガイドの上に搭載した.ねじりコイルばねは筋の弾性要素に,ロータリーダンパは粘性要素に,直流モータは収縮要素にそれぞれ対応する関係となっている.ねじりコイルばねとロータリーダンパは回転方向に関して線形な特性を理論上有しているため,これらの力発生方向をワイヤを用いた機構で直線方向に変換することにより,非線形性が得られることになる.
基礎特性実験:製作した本機構の力-変位-速度特性を調べた結果,変位が増大するにつれて弾性係数・粘性係数ともに増大し,開発したアクチュエータが非線形な粘弾性特性を有していることを実験的に確認した.
以上により,咀嚼ロボット用非線形粘弾性アクチュエータを開発した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】1,800千円 (直接経費: 1,800千円)

【研究分野】機能系基礎歯科学

【研究領域課題番号】06557096 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

咀嚼 / ロボット / 顎運動 / 運動軌跡 / 咬合力 / 脳幹-脊髄標本 / 吸啜リズム / 中枢性パタン形成 / 下顎-下歯槽神経標本 / アクチュエータ / 感覚遮断 / 顎筋 / 筋電図 / 最適制御 / 評価関数

【研究成果の概要】

本研究は、神経生理学、臨床歯科医学、制御工学の知識・技術を統合して、ヒトの顎運動と同一の軌跡を描く顎運動を遂行するとともに、ヒトと同一の様式で食物の性状に適した咬合力を発生して咀嚼するための制御機構を具えた顎運動の工学モデル(咀嚼ロボット)の作成を目的とする。これによって、ヒトの顎運動の動的最適制御の神経・筋機構に関する解析的研究のための定量的モデルを開発することを目指している。
この目標達成のために、顎運動の制御機構ならびに機能的・構造的にヒトの顎運動をシミュレートする運動機構を具えたロボットを以下の設計思想に基づいて製作した:(1)顎運動はヒトの頭蓋模型で実現する、(2)顎運動の効果器として、ヒトの閉口筋および開口筋に相当するアクチュエータを装備する、(3)顎運動および咬合力の感覚受容器として、筋紡錘、歯根膜機械受容器をはじめとする生体の感覚受容器に相当するセンサを装備する、(4)ヒトの随意性顎運動ならびに反射性顎運動の司令に相当する出力を発生する制御装置を装備する。
この咀嚼ロボットの製作と並行して、ヒトの正常顎運動の軌跡ならびに咬合力発生様式の特性を明かにするために、正常ならびに異常な咀嚼運動時の顎運動の軌跡ならびに顎筋の筋電図の記録を、多数の被験者について集積した。
さらに、摂食運動の中枢性パタン発生機構のモデルとして、ラット新生仔の遊離脳幹-脊髄標本で吸啜リズム活動を誘発する手法を確立した。引続き現在は、若年成熟マウスの遊離脳幹-脊髄標本で咀嚼リズム活動の誘発を試みている。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】11,400千円 (直接経費: 11,400千円)

【研究分野】機械要素

【研究領域課題番号】02805021 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ロボット / アクチュエ-タ / モ-タ / 超磁歪 / 圧電 / 圧電アクチュヒ-タ / サイクロイド減速機

【研究成果の概要】

超磁歪駆動要素の出力持性についての基礎実験と、回転型アクチュエ-タの回転性能に関する理論的検討および実験による実証を行った。
まず、超磁歪駆動要素について、静的変位特性、周波数特性等、その出力特性についていくつかの実験を行った結果、1)その最大ひずみ量は10^<ー3>程度の大きさであり、圧電素子より小さいこと、2)素材が金属であるため縦弾性係数が圧電素子の約2倍の大きさで、出力パワ-が期待できること、3)駆動コイルを使用するため高周波駆動には適さず又外形が大きくなることがわかり、大きな力で微小な変位を精度よく制御する必要のある超精密加工分野に向いていることが明らかとなった。
次に、高周波駆動に適さない超磁歪駆動要素のかわりに、積層圧電素子を用いた回転型アクチュエ-タを試作し、低い周波数からその駆動系の共振周波数を含む高い周波数で駆動する実験を行うとともに、出力持性について理論的に検討した。その結果、1)低い周波数から高い周波数まで全範囲にわたって、理論的に求められる回転数と1%以内の誤差で回転すること、つまり全回転数範囲で回転原理が成立すること、2)出力トルクは回転数とともに上昇し、共振周波数を越えても回転が停止する直前の回転数まで上昇すること、3)負荷トルクが増してもほとんど一定の回転数で回転すること、4)最大出力トルクは約0.07Nm,最高効率は約20%であったこと、などが明らかとなった。つまりこの回転型アクチュエ-タは、従来の電磁モ-タにない特長を有することがわかり、宇宙ロボット用小型アクチュエ-タとしての可能性を見出すことができた。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1990 - 1991

【配分額】1,800千円 (直接経費: 1,800千円)