ロボティクス特論
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ロボティクス特論. 2011 年度前期 第 5 回. はじめに. 生物(ヒト)の身体運動 1.随意運動   計画を伴うワンショットな運動      (リーチング、起立、行動遷移、 etc. ) 上位中枢からの運動計画による制御 2.自発(自動)運動    リズム運動(歩行、スクラッチング、 etc. )    計画を伴わないワンショット運動(反射) 低次脳(脳幹、小脳、脊髄など)による制御. CPG(Central Pattern Generator)  の発見 (Grillner, 1985) と制御メカニズムの研究. はじめに.

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Presentation Transcript


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ロボティクス特論

2011年度前期

第5回


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はじめに

生物(ヒト)の身体運動

1.随意運動

  計画を伴うワンショットな運動

     (リーチング、起立、行動遷移、etc.)

上位中枢からの運動計画による制御

2.自発(自動)運動

   リズム運動(歩行、スクラッチング、etc.)

   計画を伴わないワンショット運動(反射)

低次脳(脳幹、小脳、脊髄など)による制御

CPG(Central Pattern Generator) の発見(Grillner, 1985)

と制御メカニズムの研究


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はじめに

  • 生物(ヒト)の自発運動としての歩行(ロコモーション)

  • 動物行動学的観点

  • Bernstein 問題

  • 力学的観点

  • Zero dynamics を持つ不安定系

  • 制御的観点

  • Under actuated system

  • 神経生理学的観点

  •     脳ー神経系の計算(制御)原理


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ロコモーション

歩行、走行、跳躍、クローリング、遊泳、飛翔、etc.

ロコモーションの適応機能発現メカニズム

Senda, 2009

Hosoda et al.2008

Ekeberg et al., 1998

Mori et al., 2004


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認知情報

手指の精緻運動

脳内の運動制御

随意運動のプロセス

大脳皮質

強い情動刺激

内的欲求

大脳

基底核

視 床

自動運動のプロセス

辺縁系

視床下部

脳幹

情動行動のプロセス

小 脳

姿勢制御

自動的運動

(歩行)

Takakusaki et al., 2005

脊 髄


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CPG モデルを用いたロコモーション

“Bipedal simulation,” Taga, 1991

“Salamander robot,” Ijspeert, 2009

“Lamprey simulation”, Grillner, 1996

“Tekken II,” Fukuoka & Kimura, 2004


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研究の位置づけ


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CPGモデルによる歩行

1. 脚の自発運動: リズム運動

Rhythm generator (CPG)+位相リセット

     大域的引き込み(リミットサイクルの形成)

2. 身体の力学特性: 筋シナジー、筋剛性

Tones controller

     筋剛性の選択的可変制御 -> モードの安定化


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Locomotion robot

  • Controller

  • No-precise model

  • Network structure

  • Sensory feedback

  • State reset

  • Musculo-skeletal system

  • Visco-elastic property

  • Back-drivability

  • Variable joint stiffness

Environment

作業仮説

身体ー脳ー環境

の相互作用による適応的機能発現のメカニズム


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振動子モデル

Matsuoka Oscillator

Bipedal Locomotion,

Taga, 1991

CPG モデル

・発振周期、発振強度の調整が

 容易

・結合振動子系の構成が容易

Van der Pol Oscillator

位相振動子として有用

振幅:リミットサイクル

位相:可変

Ginzburg-Landau Eq.

カオス分岐、多様な時空間パターン


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適応的歩行パターンの発現

子馬の歩行速度と酸素消費の関係(Hoyt and Taylor, 1981)

トレッドミル上での除脳ネコの歩行実験 (Brown,1939)


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四脚歩行ロボットの適応歩行

全長:0.36[m] 全高:0.34[m] 重量:8.3[kg]

随意的歩行軌道生成

Tsujita et al., 2003

自律的歩行パターン遷移 (crawl -> trot )

Tsujita et al., 2001


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歩行パターンの自律的遷移

パラメータ

Tsujita & Tsuchiya,2001

V: 歩行速度

VH=High, VL=Low

L:ペイロード

L0=No payload

LH=Offset payload

I: 床面傾斜

I0=No inclination

IH=Inclined

(V | L0, I0 ) ; 平地, ペイロード無, 歩行速度: 可変


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CPGモデルによる二脚歩行の実現

Aoi, Tsujita and Tsuchiya, 2002


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空気圧人工筋を用いた二脚歩行

1. Rhythm generator

+ 位相リセット

2. 空気圧人工筋

アクチュエータ特性

 応答速度:低

 精度:低

 線形性:低


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  • Rhythm generator + 位相リセット

  • 大域的引き込みによりリミットサイクルを形成

  • アクチュエータ特性(応答速度、精度)に対してロバスト

  • 制御パラメータの調整により環境変動に対して適応的である

筋骨格系の力学特性とロコモーションの関係は?


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Rhythm generator

Stiffness controller

システムアーキテクチャ


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剛性可変なアクチュエータの採用

Joint passivity (Flexibility)

Relax mode

Shrink mode

空気圧アクチュエータ

空気圧人工筋を用いた拮抗メカニズム

  • 関節剛性のリアルタイム変更が容易

  • Back-drivability,passivity


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制御系構成

Rhythm generator model with oscillators

= Simple CPG model

State of oscillator

Constant

Coupling

On/Off timing of air valve of actuator

Phase reset

System architecture


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筋シナジー

Ekeberg & Pearson, J. Neurophysiol., 2005

振動子の位相の関数として筋シナジーを定義する


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剛性可変制御

Yawing motion

Actuators

P: Air pressure [MPa]

tp: Air expiration time [sec]

Pitching motion


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Crawl が安定

Trot が安定

Poincare 写像の固有値

安定性(シミュレーション)

Crawl

Trot

Pitch angle [rad]

Limit cycle

Limit cycle

Roll angle [rad]


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Trot

Crawl

歩行パターン遷移(シミュレーション)

体幹の剛性制御による自律的歩行パターンの遷移

条件:

speed : 0.12 [m/s]  0.35[m/s]

stiffness: 10[Nm/rad]  40[Nm/rad]

crawl から trot への歩行パターン遷移


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トレッドミル上での四脚歩行実験

不安定な Crawl 歩行

安定な Crawl 歩行


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Rolling stability

Pitching stability

0.68[Hz]

2.66[Hz]

5.32[Hz]

Harmonic of 2.66[Hz]

ハードウエア実験

1st mode:0.68[Hz]

Motions about rollaxis

Motions about pitch axis

2nd mode:1.34[Hz]

3rd mode:2.00[Hz]

4th mode:2.66Hz]

Bending motion of trunk

( Upper: 0.40[MPa]-Bottom: 0.06[MPa] )

( Upper: 0.40[MPa]-Bottom: 0.06[MPa] )

( Upper: 0.06[MPa]-Bottom 0.40[MPa] )

( Upper: 0.06[MPa]-Bottom: 0.40[MPa] )

Natural frequency

Mode analysis of rolling motion

Mode analysis of pitching motion


5445390

Pitching stability

1.37[Hz],

5.47[Hz]

Rolling stability

1.37[Hz]

( Upper: 0.40[MPa]-Bottom: 0.06[MPa] )

ハードウエア実験

1st mode:1.37[Hz]

Motions about roll axis

Motions about pitch axis

2nd mode:2.73[Hz]

3rd mode:4.15[Hz]

4th mode:5.47Hz]

(Upper: 0.27[MPa]-Bottom: 0.40[MPa] )

( Upper: 0.27[MPa]-Bottom: 0.40[MPa] )

Bending motion of trunk

5.47[Hz]

Harmonic of 2.73[Hz]

( Upper: 0.06[MPa]-Bottom: 0.40[MPa] )

( Upper: 0.06[MPa]-Bottom: 0.40[MPa] )

(Upper: 0.27[MPa]-Bottom: 0.40[MPa])

Natural frequency

( Upper: 0.40[MPa]-Bottom: 0.06[MPa] )

Mode analysis of rolling motion

Mode analysis of pitching motion


Roll pitch

Roll 運動とPitch 運動

Crawl

Trot

Pitch angle [rad]

Roll angle [rad]

Steady gait transition from crawl to trot can be controlled by changing trunk stiffness


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Crawl

Trot

v=0.35[m/s]

K=40[Nm/rad]

v=0.12[m/s]

K=10[Nm/rad]

歩行パターンの遷移

体幹の剛性制御による自律的歩行パターンの遷移

条件:speed : 0.12 [m/s]  0.35[m/s]

stiffness: 10[Nm/rad]  40[Nm/rad]


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  • Tones control

  • Rhythm generator と協働して動作することで、安定でロバストなロコモーションを実現

  • 安定性・適応性を共に実現するためには、

  •    “適切な”筋剛性調整メカニズムが必要

姿勢運動とロコモーションの安定性との関係は?


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トレッドミル上でのネコの歩行(体幹の挙動)

Wada et al., Brain Res., 2006


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トレッドミル上でのネコの歩行

(体幹の挙動)

left

L1

right

L1

L5

left

L5

right

lHL

lFL

rHL

rFL

Wada et al., Brain Res., 2006


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トレッドミル上でのヒトの歩行

(体幹の挙動)

r Long. L1

l

r Long L4-5

l

rH

iH

r Long. L1

l

r Long L4-5

l

rH

Wada et al., Brain Res., 2006

iH


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歩行の運動モード解析

Ivanenko et al., J. Neuroscience, 2005

ヒトの歩行運動における下肢・体幹の運動は主要な5つのモードで全て表現できる


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まとめ

  • CPGモデルを用いたロコモーションを工学的に実現した

  • CPGモデルには位相リセットが必須であり、ロバスト性の本質である

  • CPGモデルによる適応的ロコモーションは大域的引き込みとアトラクタ領域の遷移メカニズムが関与している(らしい)

  • 筋骨格系の力学特性、特に筋剛性の適切な調整はロコモーションの安定化に多大な影響がある

  • 下肢の周期運動に加えて、体幹の姿勢運動の果たす役割について詳細な定量的議論が必要である


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