論文
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(2) 〓(1) 〓(3). 宋 ・神谷 ・関 ・疋津 ・張:多 関節構造 を有する機械 の軌道生成 に関する考察. を 最 も 大 き くす る 姿 勢 を 選 択 して(2)へ戻 る.こ. の場 合 に. は リン ク 正と2の 運 動 に は 微 小 増 分 を 加 え な い こ と とす る. 上 述 の ア ル ゴ リズ ム は,基 お け る3つ. 本 的 に は,あ. る ロ ボ ッ ト姿 勢 に. の 関 節 の 中 で 最 も つ ら い 関 節 に 対 して 最 も余 裕 を. 持 た せ よ う とす る 考 え 方 で あ る. こ こで 立 脚 型 ロ ボ ッ トが 転 倒 しな い た め に は,RA>0 RB>0で. 4.立. ,か つ. ち上 が り動 作 の シ ミ ュ レー ショ ン 事 例. あ る こ とが 必 要 で あ る.こ れ よ り ロ ボ ッ トが 転 倒 し. な い た め に は 足 首 部 の 関 節 に 発 生 させ 得 る トル クT1に. はそ の. して,椅. ‑b(M1+M2+M3)g〓T1〓a(M1+M2+M. 3)g(2) い て は 任 意 に発 生 トル ク の 限 界 値. を 設 定 す る こ と が で き る,本. 子 か らの 立 ち 上 が り動 作. 前 章 で示 したア ル ゴ リズム を用 い て得 た 軌道 生 成 の一 例 と. 限 界 が 存 在 す る こ と に な る.. 関 節 トル クT2とT3につ. 4.1椅. 研 究 で は 以 下 の よ う な 発 生 トル. ク の 範 囲 を 設 け た 場 合 を 一つ の 基 準 と して 扱 う こ と とす る.. 子 に座 っ た 状 態 か ら ロ ボ ッ トが 立 ち 上 が る 動 作 の 事. 例 を 図2(a)に. 示 す.図2(a)中. に は 立 ち上 が り動 作 時 の 各 関 節. の 曲 げ 角 と そ の と き の 各 関 節 の トル ク 変 化 の 様 子 も 示 して い る.実. 際 に は椅 子 が あ る た め 転 倒 す る こ と は な い が,A点. 前 は ロ ボ ッ トが 転 倒 して しま う 条 件 内 で あ る た め,座 態 を 保 って 上 体 部 を 前 傾 させ て い る.RA>0と. な っ たA点. は 足 首 部 の 関 節 が そ の 許 容 発 生 トル ク の 限 界(100%)に こ れ よ り,本 研 究 で は,ま. ず 最 初 に 上 式(1)に 基 づ い た 立 脚. い る.そ. 以. った状 で. な って. の 後 ロ ボ ッ トは 立 ち 上 が り動 作 に 移 っ て い る.膝. お. に各 リ ン ク. よ び腰 部 に お け る 許 容 発 生 トル ク 範 囲 を 式(3)の よ う に 与 え た. の 持 つ 慣 性 力 を 考 慮 に入 れ た 立 ち上 が り動 作 に つ い て 考 察 す. 場 合 に は 足 首 部 の 関 節 の もつ 許 容 発 生 トル ク(式(2))が 立 ち 上. る こ と と す る.. が り動 作 の 可 否 を 決 定 して い る こ と に な る.. 型 ロ ボ ッ トに お け る各 関 節 の 軌 道 生 成 を 試 み,次. 4.2膝. 3.繰 返 し順 変 換 に よる立 ち上 が リ動 作 の生 成 ア ル ゴ リズム. 人 間 の 場 合 に お い て 膝 に 障 害 が あ る場 合 に 対 応 す る 事 例 で. ロ ボ ッ トに お け る 各 関 節 の 軌 道 生 成 手 法 と して 遺 伝 的 ア ル ゴ リズ ム を 用 い た 研 究. が こ れ ま で に も数 多 く な さ れ て い. る が 遺 伝 的 ア ル ゴ リズ ム で は 軌 道生 成 の 評 価 に 用 い る 適 合 度 関 数 の 与 え 方 に 多 様 性 が あ り,適 合 度 関 数 中 の 重 み 係 数 は 計 算 結 果 を 見 な が ら与 え る こ と が 多 い.本. 研究 で は各 関 節軌 道. の 生 成 に 用 い る 評 価 内 容 が 力 学 的 に よ り直 接 的 に 与 え られ る よ う に 繰 返 し順 変 換2)の 手 法 を 用 い て 解 析 す る こ と と す る,こ れ は ロ ボ ッ トに お け る 順 運 動 学 を 繰 返 し解 き,そ の と き用 い る 評 価 内 容 に 最 も 適 した 解 と し て の 各 関 節 の 曲 げ 角 を 逐 次 選 択 して い く手 法 で あ り,非 常 に 容 易 に 最 終 的 な ロボ ッ ト姿 勢 に 収 束 させ られ る ご く単 純 な ア ル ゴ リ ズ ム で あ る. 以 下 に繰 返 し順 変 換 を 用 い た ア ル ゴ リズ ム の概 略 を 示 す. (1) 発 生 可 能 な各 関 節 で の トル ク 範 囲Tnnax(i=1〜3)を. 設定. す る. (2)3つ の 関 節 そ れ ぞ れ に つ い て(‑△θi 1θ3)だ. 関 節 に お け る 許 容 発 生 トル ク が 小 さ い 場 合 の 立 ち 上 が り動 作. ,0,+△θi)(i=. け の 微 小 増 分 を加 え る こ と に よ り,そ の 姿 勢 近. 傍 に3 3通 りの ロ ボ ッ ト姿 勢 を 得 る. (3)ロ ボ ッ トが 転 倒 し な い 条 件 で あ るRA>0か. つRB>0で. あ る ロ ボ ッ ト姿 勢 の 中 か ら ロ ボ ッ トの 上 体 部 が 前 よ り. あ り,膝 関 節 に 大 き な トル ク が 発 生 で き な い 場 合 に お け る 立 ち 上 が り動 作 の 生 成 事 例 を 図2(b)に. 示 す.こ. の 場合 には膝 関. 節 の 許 容 発 生 トル ク が 小 さ い ため ロ ボ ッ トが 転 倒 しな い 条 件 に 入 っ て も 前 傾 姿 勢 を と り続 け,膝 トル ク 内 に 入 る(B点)ま. 関 節 の トル ク が 許 容 発 生. で ロ ボ ッ トの 上 体 部 を 前 傾 さ せ て い. る. 4.3椅. 子 か ら立 ち 上 が る こ と が で き な い 場 合. 椅 子 に 座 っ て い る ロ ボ ッ トの 足 首 が よ り 先 の 方 に 位 置 して い る 場 合 に は ロボ ッ ト上 体 部 を 前 傾 させ て も ロ ボ ッ トが 転 倒 し な い 条 件 を 作 り 出 す こ と が で き な い.こ. の 場 合 に は,ロ. ボ. ッ トの 各 関 節 の 許 容 発 生 トル ク が 非 常 に 小 さ い 場 合 と 同 様 に , ロ ボ ッ トは 椅 子 か ら 立 ち 上 が る こ と は で き な い .こ. の場 合 の. 事 例 を 図2(c)に 示 す. 4.4し. ゃが ん だ 状 態 か ら の 立 ち 上 が り動 作. し ゃが ん だ 状 態 か ら ロ ボ ッ トが 立 ち 上 が る 動 作 の シ ミュ レ ー シ ョ ン結 果 を 図2(d)に 示す.椅 子 か らの 立 ち 上 が り動 作 で あ る 図2(a)と. 比 較 す る と,発. あ ま り大 き な 違 い は な い が,発. 生 した 各 関 節 の 最 大 トル ク に は 生 トル ク の 大 き い 状 態 が 長 く. 続 い て い る.. 上 昇 す る 姿 勢 を 選 択 す る.. 5.各 関 節 に与 え た軌道 に対 す る時 間軸 の設 定. (4)(3)で 得 られ た そ れ ぞ れ の 姿 勢 に お い て ,各 関 節 の 負 荷 ト ル クTiを 求 め.次 1〜3)を. 求 め.そ. にTimaxに 対 す る 割 合Hi(=Ti/Ti max)(i= の 中 の 最 大 値Himaxを 求 め て お く,そ. れ ぞ れ の 姿 勢 に お け る 前 述 の〓. を 比 較 し,そ の 中 で. 各 関 節 の 軌 道 生 成 に 用 い た 微 小 増 分 △ θiに そ れ ぞ れ の 時 間 △tiを 設 定 す る こ と に よ り各 リ ン ク の 持 つ 慣 性 力 が 各 関 節 の 負 荷 トル ク に 与 え る 大き さ を 評 価 で き る.軌 道 中 の △tiの 値 を. 担 の 大 き い 関 節 が そ の 持 つ トル ク 範 囲 の 中 で 最 も余 裕. 心 力 ,コ リオ リ力 等 が 大 き くな り,逆 に △tiの 値 を 大 き く設 定 す れ ば そ の と き の 慣. の あ る姿 勢 を選 択 して(2)へ戻 る.. 性 力 等 は 小 さ くな る.本. 最 もH〓. が 小 さ い ロ ボ ッ ト姿 勢,す. な わ ち も っ と も負. (5)す べ て の ロ ボ ッ ト姿 勢 に お い て 転 倒 す る 条 件 で あ るRA <0あ る い はRB<0で る リ ン ク3の. あ る 場 合 に は ロ ボ ッ ト上 体 部 で あ. 移 動θ3に よ り負 値 で あ るPAあ. る い はRB. 小 さ く設 定 す れ ば そ れ に 伴 う慣 性 力,遠. え,そ. 研 究 で は 各 △Bi間. の 時 間 を 適 当 に与. れ を 立 脚 型 ロ ボ ッ ト(2)持つ 運 動 方 程 式(立 脚 型 ロ ボ ッ ト. の運 動方程 式. を 付 録 に 示 す)に 用 い る こ と に よ り. ,慣 性 力 等 が 各 関 節の 負 荷 トル ク に 与 え る 影 響 を 評 価 す る .そ し て そ の. 精 密 工 学 会 誌Vol.67,No. .12,2001. 1967.
(3) 宋 ・神谷 ・関 ・疋津 ・張:多 関節構 造を有す る機 械の軌道生 成に関する考察. Fig.2. 1968精. 密 工 学 会 誌Vol. .67,No.72,2001. Static. performances. of various. sit-to-stand. and squat-to-stand. movements.
(4) 宋 ・神谷 ・関 ・疋津 ・張:多 関節構造を有す る機械の軌道生成 に関する考察. Fig.3. Dynamic. performances. of various. と き に 発 生 す る 関 節 駆 動 トル ク の ど れ か がRaとRBを. sit-to-stand. and. 含 め,. そ れ ぞ れ の 関節 の 持 つ 許 容 発 生 トル ク に 達 す る 時 間 を そ の と. squat-to-stand. movements. い て も 明 か に した. (3)微. 小増 分 にそ れ ぞ れ の所 要 時 間 を設 定す る こ とに よ. き の △tiと して 与 え る こ と と した. 一 例 と して ,図2(a)と(d)の 動作 事 例 におい てそ の軌道 に 時. って 各 軌 道 に 対 す る 時 間 軸 を 設 定 した.こ. 間軸 を 設 定 した.そ. 負 担 量 を 評 価 す る こ と に よ りそ れ ぞ れ の 所 要 時 間 を. の 結 果 を 図3(a),(b)に. 示 す.い ず れ の 微. 決 定 し た.. 小 増 分 △ θi間 に お い て も ど れ か の 関 節 が 許 容 発 生 トル ク に 達 して い る か,あ る い は ロ ボ ッ トの 転 倒 条 件 で あ るRA=0あ はRB〓0に. るい. (4)立. な る よ う に そ の 間 の △tiが 決 定 さ れ て い る.ま た 椅. ル ギ ー に 関 連 す る 量 Σ[T1(θ1)2+T2(θ2)2+T3(θ3)2]△tiの. 脚 型 ロ ボ ッ トの よ う な 機 械 に お い て は そ の 上 体 部 の 移 動 が ロ ボ ッ トの 転 倒 お よ び 各 関 節 に 与 え る トル ク 負 担 量 を 支 配 して い る こ と が わ か っ た.. 子か ら の 立 ち 上 が り動 作 と し ゃ が ん だ 状 態 か らの 立 ち 上 が り 動 作 に お け るそ れ ぞ れ の エ ネ ル ギ ー を 比 較 す るた め に,エ. の場合 各 リ. ン ク の 持 つ 慣 性 力 等 に よ り増 加 す る 各 関 節 の トル ク. ネ. 謝. 辞. 計算を. 最後 に,本 研 究 の遂行 に ご協 力 い た だい た金 沢大 学 大学 院 行 っ た,こ. の 結 果 は 当 然 の こ と な が ら し ゃが ん だ 状 態 か ら の. 柴 田英 明氏 および 同工学 部野村 久直 氏 に感謝 申 し上 げ ます.. 立 ち上 が り動 作 の 方 が よ り多 くの エ ネ ル ギ ー を 必 要 と して い る.こ. 参考文献. れ は 障 害 の あ る人 に と って 和 式 よ り も 洋 式 トイ レの 方. が 使 い 易 い こ と と も 関 連 付 け られ る よ う に 思 わ れ る. 6.結. 1) 2). 7). 吉 川 恒 夫:ロ ボ ッ ト制 御 基 礎 論,コ ロ ナ社,1988. 神 谷 好 承,久 保 哲 也,青 柳 誠 司,岡 部 佐 規 一:繰 り返 し順 変 換 に よ る ロ ボ ッ トの 運 動 制 御,日 本 機 械 学 会 論 文 集(C編),59(564), 125/130.(1993). 生 田 宗 博,立 野 勝 彦:垂 直 荷 重 力 の 測 定 に よ る 椅 子 座 位 か ら の 立 ち 上 り動 作 の 解 析,リ ハ ビ リテ ー シ ョ ン医 学,29(3),199/209, (1992). 塩 川 満 久,渡 部 和 彦:立 ち 上 り動 作 の 制 御 に 関 す る基 礎 的 研 究 ―身 体 動 揺 度 の 定 量 解 析―,広 島 大 学 教 育 学 部 紀 要 第2部,40, 157/161,(1991). 島 田 洋 一:立 ち 上 り動 作 の 解 析(特 集 表 面 筋 電 図 に よ る 動 作 解 析),総 合 リハ ビ リテ ー シ ョ ン(医 学 書 院),27(11),1023/1028, (1999). 田 宮 幸 春,稲 葉 雅 幸,井 上 博 允:人 間 型 ロ ボ ッ トの 片 足 立 脚 動 作 に お け る全 身 を 用 い た 実 時 間 動 バ ラ ン ス 補 償,日 本 ロ ボ ッ ト 学 会誌,17(2),266/274,(1999). 新 小 田 幸 一,田 中 光 晴,池 内 秀 隆,加 藤 了 三,山 下 忠:椅 子 か. 8). らの 立 ち 上 り 動 作 の 位 相 面 解 析,日 65(G34),243G/2442,(1999). 新 宅 英 司,清 水 京 子,古 川 美 佳:GAに. 9). ネ ル ギ ー 最 小 軌 道 の 簡 易 推 定 法 に 関 す る研 究,第16回 日本 ロ ボ ッ ト学 会 学 術 講 演 会,95/96,(1998). 加 島 正,石 動 善 久:人 の 上 肢 運 動 の 軌 道 生 成,計 測 自 動 制 御 学. 言 3). 本 研 究 で は 繰 返 し順 変 換 の 手 法 を 用 い て 多 関 節 構 造 を 有 す る 機 械 の 一 つ で あ る 立 脚 型 ロ ボ ッ トの 立 ち上 が り動 作 の 軌 道 生 成 を 試 み た.本 に 述 べ る. (1)繰. 4). 研 究 を 通 して 得 ら れ た 結 論 を ま と め て 以 下 5). 返 し順 変 換 の 中 で ロ ボ ッ トが 転 倒 しな く,か つ 全 関 節 に か か る 負 荷 トル ク を で き る だ け 小 さ くす る姿 勢. 6). を 逐 次 選 択 して い く こ と に よ り,椅 子 か ら の 立 ち 上 が り動 作 お よ び し ゃ が ん だ 状 態 か らの 立 ち 上 が り動 作 に お け る 各 関 節 の軌 道 を 生 成 した. (2)椅. 子 か らの 立 ち 上 が り動 作 に お い て,膝 関 節 に 障 害 が あ る場 合 の各 関 節 の 軌 道 生 成 を 試 み た.こ の 結 果,ロ ボ ッ トの 上 体 部 を よ り前 傾 させ る こ と が 膝 関 節 へ の トル ク 負 担 を 小 さ く し得 る こ と で も あ る こ と が わ か った.ま. た立 ち上 が る ことがで きな い場合 の事 例に つ. 10). 会 論 文 集,34(10)1440/1447,(1998). 加 島 正,石 動 善 久,島 公 脩:ヒ. 本 機 械 学 会 論 文 集(C編), よ るマ ニ ピ ュ レ ー タ の エ. トの 運 動 軌 道 の 再 現,第16回. 精 密 工 学 会 誌Vol.67,No.12,2001. 日. 1969.
(5) 宋 ・神谷 ・関 ・疋津 ・張:多 関節構造 を有 する機械の軌道 生成に関する考察. 本 ロ ボ ッ ト学 会 学 術 講 演 会,97/98,(1998). 11). Tinetti, as. E.,. a Measure. 45(6), 12). M.. Richman,. of Fear. 139/243,. Nyberg,. L.. D.. and. ofFalling,. Powell, J.. Gerontol.. Y.:. Patient. L.:. Efficiency. Psyche].. and. 14). Gustafson, Challenge. to. Rehabilitation. 付録. 密 工 学 会 誌Vol. 13). Sci,.. (1990).. Rehabilitation-A. 1970精. Falls. .67,No.12,2001. Falls. in. Stroke. Strategy•\,. Stroke, 26(5), 838/842, (1995). Roberts, P. D. and McCollum, G.: Dynamics of the Sit-to-Stand Movement, Biol. Cybern, 74(2), 147/157, (1996). Ikeda, E. R., Schenkman, M. L., Riley, P. O. and Hedge, W. A. Influence of Age on Dynamics of Rising from a Chair, Phys. Ther., 71(6), 473/481, (1991).. 立 脚型 ロポ ッ トにお け る運 動方 程 式.
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