Research

　人と機械の安全な協働に向けてソフトロボット技術が注目されていますが、柔らかいがゆえに応答速度や発生力に課題があります。本研究ではジメチルエーテル（DME）の燃焼を利用した集積型燃焼人工筋肉システムの開発を通して、ヒトと同程度のスケールの応答速度、発生力、変位を満たすソフトアクチュエータの具現化に挑戦します。提案手法は燃焼で駆動するため出力制御や連続駆動が困難ですが、集積化によって解決を目指します。

※ロボティクスメカトロニクス講演会2022の動画です  

　バーチャルリアリティ(VR)や遠隔操作などへの応用を目指した，空気噴出を利用した装着型力覚提示装置について研究しています．本装置の利点は使用者が自由に動け，かつ外骨格型力覚提示デバイスのような固定部分での違和感を感じない点です．現在は指を対象とした力覚提示装置を試作し，評価しています．今後は動作教示システムなどへの応用を目指します． 

　リーダーフォロワーシステムを用いた研磨作業の教示のための触覚フィードバックにおいて，振動の特徴を強調して提示（デフォルメ）することで，教示データの質を高める研究に取り組んでいます．研磨作業は熟練を要し，需要も大きい一方，自動化が進んでいません．人間の動作計測に基づく教示手法は，人間とロボットとの特性の差からロボットへの実装が困難という課題がありました．そこで私たちは，ロボットを直接遠隔操作し，ロボットが実行可能な教示データを直接取得するアプローチをとっています．この遠隔操作において研磨の状態を認識しやすくするために，触覚の特徴をデフォルメし，教示データの質を高めることを目指しています．

※本研究は埼玉大学，東京科学大学，中央大学中村研との共同研究です．

生体筋肉の「全か無かの法則」と「運動単位」による滑らかな力発揮の仕組みは、工学的には十分に再現されていません。そこで本研究では、生体の筋繊維のように動作する燃焼駆動人工筋肉（HADEC）に着目しました。我々はこれを複数本集積化し、位相をずらして繰り返し駆動させることで、単発では瞬間的な力しか出せないアクチュエータから、人間の腕のような滑らかで定常的な力の生成を目指します。さらに、生体特有の力発揮メカニズムをハードウェア上で実証しています。

　打楽器演奏を題材に，人工筋肉駆動ロボットのための強化学習を用いた制御システムの開発を行っています．軽量で柔軟な特性を持つ人工筋肉の開発が盛んですが，応答の遅さや非線形性が課題となり実用には至っていません．そこで，ヒトが特定の動作に対して反復練習により成功時の感覚を体に覚えこませていることに着目し，制御性の悪さを解決する制御システム開発を目指しています．右の動画では，2関節筋骨格ロボットに対して，定められたタイミングで大きな音で演奏するような学習を行っています．

　打楽器演奏者は関節剛性をコントロールして音色を変化させています．そこで，関節剛性の制御により音色を変化できる打楽器演奏ロボットの開発を目的に研究を行っています．従来の制御則での関節剛性の制御は困難であり，シミュレーション環境で学習により獲得した制御測を実機に適用する，Sim-to-Realによる制御を目指しています．まずは打楽器演奏を行わせるため，基本的なリズムでの学習を行いました．そして，シミュレーション環境で強化学習によって獲得した動作を実際のロボットに適用し，MIDIファイルという楽譜データが入っている信号通りに演奏することが確認できました．

　この研究は，競輪の補助を受けて実施しました．

　本研究では「研削作業の自動化に向けた学習データの蓄積と、それを可能にする装置の開発」に取り組んでいます。研削は、回転する工具で金属やコンクリートの表面を削る加工方法であり、建設や製造の現場で広く実施されています。この作業では粉じんや振動による健康被害が懸念されており、その負担の大きさから自動化の必要性が高まっています。ただし、対象物の形状や作業環境が毎回異なる現場では、あらかじめ決められた動作では柔軟に対応できず、従来の自動化手法では限界があります。こうした背景のもと、機械学習による自動化に向けて、まず人間の操作や判断を含む作業データの収集・分析が不可欠であると考えました。そのため、作業者が遠隔操作で研削を行い、その際の操作情報や力・振動といったセンサデータを同期的に取得できるシステムの実現に向けて、研究を進めています。

　従来の力覚提示デバイスでは、大きな力を確保しようとすると装置が大型化してしまい、また使用者へ過度な負荷によるケガのリスクもあることから、高出力な力提示と安全性の両立が課題となっています．そこで私たちは、人同士のハイタッチや肩を叩くといった動作に見られる瞬間的な力に着目しました．このような瞬間的かつ大きな力であれば、従来の持続的な力の提示と比較して力が作用する時間が極めて短いことから使用者への負荷のリスクが減少します。本研究ではこの瞬間的力覚提示を実現するために、ジメチルエーテル（DME）を燃料として動かす、DME燃焼駆動型人工筋肉（HADEC)を用いて瞬間的な力覚を提示できるシステムを開発し、その基礎特性を検証していきます．

　橋梁やプラント製造では大量の溶接が行われ、その溶接ビードの除去は今も作業者がハンドグラインダーで担っている。時間がかかり、粉じんと振動を伴う負担の大きい作業であり、自動化が求められている。従来のロボットによる自動研削には二つの課題があった。

①産業用ロボットは安全柵と床への据え付けを前提とするため、屋外の大型構造物製造現場に持ち込めない。

②自動研削で主に用いられる定圧加工は、工具が被削材の形状に倣うという性質上、溶接ビードなどの突起形状を狙った形状まで削り落とす用途には向かない。

　本研究では、現場に持ち込める「協働ロボット」に「可変剛性エンドエフェクタ」を搭載し、切込みを一定に保つ定寸加工と、一定の力で仕上げる定圧加工を切り替えて研削を行うことで、これらの課題を解決し研削の自動化を目指す。

　近年、装着者の身体能力を補助・強化することを目的としたウェアラブルデバイスの研究が盛んに行われていますが、これまでの研究では重量物の運搬や介護現場での移乗支援等の比較的低速かつ持続的な筋力発揮を伴う動作を対象とし、投球や跳躍のような瞬発的な動作の支援に関しては発展途上であるのが現状です。そこで本研究では軽量かつ高出力・高応答という特性を持つ燃焼駆動筋肉を用いた、瞬発的動作の一つである投球動作のアシストを行うウェアラブルデバイスの開発を目指しています。

未経験者や初心者にとって習得の難しいドラム演奏において、力覚を用いた演奏動作提示による教示効果について研究を行っています。力覚動作教示では、習熟者によるアドバイスや教則曲を用いる一般的な練習方法と比較し、より効率的に正しい動作に対するずれを学習できることが期待されます。現在では、バスドラムペダルを介し右足に演奏動作教示できる装置の製作及び装置を用いる教示効果について検証しています。今後はドラム演奏において基本となる「四肢の独立操作」を始めの目標として、習得の効率化を目指します。

　高齢化社会において増加が懸念される嚥下障害の改善を目的とした口腔内振動アクチュエータの開発に取り組んでいます。嚥下障害は誤嚥性肺炎や低栄養の原因となるため，安全かつ簡便に嚥下反射を促す技術が求められています。本研究では，圧縮空気を利用して自励振動する柔軟な可食アクチュエータを設計・試作し，口腔内へ振動刺激を与えることで嚥下反射の誘発を目指しています。アクチュエータの形状や構造を工夫することで効率的な振動を実現し，加速度センサやFFT解析を用いて振動周波数や振動強度などの基礎特性を評価しています。また，得られた加速度データから口腔粘膜に作用する慣性力を算出し，疼痛閾値との比較を行うことで，安全性についても検討しています。将来的には，嚥下を促す口腔内デバイスへの応用を目指し，嚥下障害を抱える方々のQOL向上に貢献することを目標としています。

　従来のウェアラブルアシストシステムは、モータと減速機による高トルクなアクチュエータによって駆動されています。一方、人間の関節は拮抗配置された筋肉により、関節のトルクや角度だけでなく弾性や粘性も巧みに変化させながら駆動されています。そこで、人間の関節と同じ様に弾性や粘性を変化させながら、より人体親和性の高いアシストを行うことができるアシストデバイスの開発を目的に研究を行っています。可変粘弾性を実現するためのアクチュエータとして、空気圧人工筋肉とMR流体ブレーキを採用しています。

　空気圧駆動アクチュエータは柔軟・軽量といった利点がありますが，圧縮空気生成のために据え置き型コンプレッサが必要でありモバイル化が難しいといった課題がありました．そのため，様々な方法で空気圧源の携帯化にチャレンジしてきました．チャレンジの歴史は以下の文献をご参照ください．

　  ・空気圧源の携帯性評価

　  ・クエン酸と重曹の混合による空気圧源

　  ・ハイブリッド空気圧源

​　  ・歩行エネルギの回生

　可変弾性要素を用いた関節剛性と拮抗角度の制御によるアシスト手法を開発しています．人間は可変剛性特性を持つ筋肉によって駆動されており，経験に基づいてたくみに関節剛性を変化させながら運動しています．提案するシステ ムはそのような人間の動作を模倣し，運動のフェー ズに対応するように関節剛性と拮抗角度を変化させ，装着者と協調した運動アシストを行います．これより，シンプルな制御や柔軟で人間に倣うようなアシストが期待できます．

　溶接現場では少子高齢化による人手不足が深刻であり，対策が必要です．特に造船業では作業内容が溶接個所によって異なる不定形であったり，狭所での作業が多く，自動化が困難です．一方で，手動溶接の技能習得には時間がかかるという課題があります．そこで，溶接工の効率的な育成のための力覚提示装置を開発しています．試作した装置は，磁気粘性流体ブレーキ（MRブレーキ）を用いており，1 mm以上の精度で溶接経路提示が可能です．

　白杖デバイスは空気噴出による力覚提示機能と，近接センサによる障害物検知機能を有しています．白杖デバイスが障害物を検知すると，力覚によって利用者を障害物を避ける方向に誘導します．一般的な白杖や類似研究では力覚を提示するために地面や壁といった外部環境と接触することが必要ですが，本装置は空気噴出を用いるため環境と非接触で力覚による誘導ができます．

　高齢者や術後の患者が寝たきりの状態を続けると，血流が停滞して「血栓」や「むくみ」が生じやすくなります．特に，足首からふくらはぎにわたる深部静脈に血栓が生じると，肺に流れて肺梗塞を誘発する恐れがあり，その予防が重要です．そこで足関節に他動運動を行い血流改善する装置，モーションソックスを開発しました．柔軟な構成で装着可能でありながら，ひねり動作を含む多自由度の動作支援が可能です．

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　ヒトの動作計測には，主に光学式モーションキャプチャが用いられています．これは高精度な計測が可能である一方で，装置の高コストやセットアップの煩雑さといった課題があります．代替手法として，慣性センサを用いた慣性式や，カメラ映像を用いた画像処理ベースの手法も提案されていますが，これらはドリフトによる精度低下や外乱光の影響を受けやすいといった制約があります．本研究では，これらの課題を解決するために，ワイヤエンコーダを用いた機械式の三次元位置測定装置を開発しました．本装置は，一辺500 mm程度の立方体領域内での計測に対応し，十数ミリメートルの位置精度を実現しました．また，光や磁場などの外乱の影響を受けにくく，屋内外を問わず，さまざまな環境下で安定して動作可能です．

宇宙環境で高性能な光学観測を行うために，バッフル(迷光遮断フード)は不可欠な要素です．しかし，ペイロードや打ち上げ体積の制限が厳しい小型衛星において，内部が空洞である大型バッフルをそのまま搭載することは，打ち上げ効率の観点から極めて非効率です．そこでこれらの問題を解決する手段として，自走式ジッパー技術に着想を得て，円錐台形状のバッフルを螺旋状に分割し，その切断面を自走式のジッパー機構で順次接合するアプローチによる展開型バッフルを開発しました．本方式は，駆動系を単一の自走装置に集約できるためシステムを大幅に単純化・軽量化でき，かつ機構的な制約が少ないため任意のテーパー形状に対応可能という利点を持ちます．