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筋骨格ロボット

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研究背景

私たち人間をはじめとして，「筋骨格系」によって身体を運動させる生物が存在します。「筋骨格系」は，「骨」同士が連接して構成される「関節」が「筋肉」によって駆動される系で，筋肉が張力しか発生できないことや，二つ以上の関節を同時に駆動する筋肉（「多関節筋」と言います）の存在に，この系の特徴があります。その特徴は，産業用ロボットなどで採用されている，それぞれの関節を独立したモータによって駆動する系のものとは異なっています。


筋骨格系の特徴をロボット工学の観点から考察しロボット制御に活用することは，今日，ロボット研究者の関心を集める研究テーマの一つとなっており，脚での跳躍や腕で物を押す場合などにおけるこの系の特徴についての研究報告もあります．

研究課題

人間が自分の手先をある位置から別の位置に動かすような運動制御（制御工学では「PTP制御」と呼ばれます）でも，筋骨格系の持つ特徴がフィードフォワード方式による運動制御を可能にすることが理論的に示されています．フィードフォワード方式とは，運動制御中の関節角度情報のフィードバックを必要としない制御の方式のことです．しかしながら，運動制御の場合，二つの関節を同時に駆動する「二関節筋」の存在が制御にどのように貢献しているのかが，先述の「ジャンプする場合」などと比べるとはっきりしません。実際，フィードフォワード方式による運動制御において，二関節筋の存在は，理論上は必須ではありません．

 

そこで本研究テーマでは，筋骨格系による運動制御において，二関節筋がどのような役割を果たしうるのかを調べています。例えば，人間の腕のような，肩と肘に相当する二つの関節を，単関節筋（一つの関節だけを駆動する筋肉）と二関節筋，それぞれに相当するアクチュエータ（以後は単に「単関節筋」「二関節筋」と記します）で駆動する平面ロボットアームを考えます．ロボットアームの関節数よりアクチュエータ数が多いため，ロボットアームをある目標姿勢に到達させることのできるアクチュエータ発生力の組合せは複数存在します．それらのうち一部の組合せでは，二関節筋が取り除かれた（つまり，単関節筋だけで駆動される）ロボットアームの場合と制御の様子が類似することを，本研究ではこれまでにシミュレーションを通じて示しています．

 

今後はさらに，センサ系とのつながりの中で，筋骨格系による運動制御における二関節筋の役割について研究を進めたいと考えています．一方で，筋骨格ロボットの工学的な応用の実現を目指して，「筋骨格系」に基づいた駆動系ではあるものの「筋骨格系を厳密には模倣しない」駆動系を設計し，その駆動系によって制御されるロボットの研究も進めてゆく予定です．

研究発表

  1. Tetsuya Morizono, Kotaro Furusawa and Hitoshi Kino: Investigation of the Possibility of High-Speed Motion of a Non-Pulley Musculoskeletal Robot, Journal of Robotics and Mechatronics, Vol. 36, No. 5, pp. 1284-1290, 2024, DOI: 10.20965/jrm.2024.p1284​

  2. 大迫　蒼，宇田　快人，森園　哲也：ロッドにより駆動する筋骨格ロボットアームの設計と制御，第42回日本ロボット学会学術講演会予稿集，RSJ2024AC1I5-03，大阪，2024.9

  3. Kazuki Senda, Koichi Komada, Tetsuya Morizono, Yuki Matsutani, Kenji Tahara, Hitoshi Kino: Proposal of feedforward trajectory control with iterative learning for a musculoskeletal system, Proceedings of IEEE 18th International Conference on Advanced Motion Control (AMC2024), AMC24-000050, Kyoto, Japan, February 28-March 1, 2024

  4. 古澤　幸太郎，森園　哲也：4本の筋で駆動する平面2関節筋骨格ロボット，第41回日本ロボット学会学術講演会予稿集，RSJ2023AC3I3-04，仙台，2023.9

  5. Tetsuya Morizono, Kenji Tahara and Hitoshi Kino: Choice of Muscular Forces for Motion Control of a Robot Arm with Biarticular Muscles, Journal of Robotics and Mechatronics, Vol. 31, No. 1, pp. 143-155, 2019, DOI: 10.20965/jrm.2019.p0143

  6. 木野仁，後藤雅明，田原健二，越智裕章，松谷祐希，森園哲也：人体を参照した筋骨格システムにおけるフィードフォワード制御の解析，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2018講演論文集，講演番号2A1-I09，北九州，2018.6

  7. Tetsuya Morizono, Kenji Tahara and Hitoshi Kino: A study on effect of biarticular muscles in an antagonistically actuated robot arm through numerical simulations, Artificial Life and Robotics, Vol. 22, No. 1, pp. 74-82,
    DOI: 10.1007/s10015-016-0322-5, 2017

  8. Tetsuya Morizono, Kenji Tahara and Hitoshi Kino: An experimental study on effect of biarticular muscles in an antagonistically actuated robot arm, Proc. the Twenty-First International Symposium on Artificial Life and Robotics (AROB 21st 2016), pp. 475-478, Beppu, Oita, Japan, January 20-22, 2016

  9. Tetsuya Morizono, Kenji Tahara and Hitoshi Kino: Experimental Investigation of Contribution of Biarticular Actuation to Mappings between Sensory and Motor Spaces, Proc. 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON2015), pp. 3573-3578, Yokohama, Japan, November 9-11, 2015​

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