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ロボティクス特論

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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ロボティクス特論

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Presentation Transcript

  1. ロボティクス特論 2011年度前期 第5回

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 研究の位置づけ

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 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)

  12. 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

  13. 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

  14. ＣＰＧモデルによる二脚歩行の実現 Aoi, Tsujita and Tsuchiya, 2002

  15. 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

  16. 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？

  17. Rhythm generator Stiffness controller システムアーキテクチャ

  18. 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

  19. 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

  20. 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

  21. 剛性可変制御 Yawing motion Actuators P: Air pressure [MPa] tp: Air expiration time [sec] Pitching motion

  22. 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]

  23. 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

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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]

  29. 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？

  30. トレッドミル上でのネコの歩行（体幹の挙動）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

  31. 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

  32. 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

  33. 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

  34. 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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