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研究テーマ
研究テーマ
↓名工大テクノフェア2021で研究紹介しています↓
https://technofair.web.nitech.ac.jp/seeds/seeds-309/
動物やヒトは，身体・環境・神経の相互作用によって生み出される自然な運動を活用することで，巧みで効率の良い運動を行っていると考えられます．
近年はヒト型ロボットや4脚ロボットの開発が盛んに行われていますが，その多くは制御工学やロボット工学の応用例として，ロボットの身体が持つダイナミクスや外乱の影響をキャンセルしたうえで，目的の動作を達成させるものが多い印象を受けます．
これに対して本研究では，ヒトや動物がどのような力学原理を通じて運動を達成しているかを理解することで，次世代の脚ロボットを設計する理論の構築と，ロボットを用いた検証を行っています．
動物たちが長い時間をかけて獲得してきた運動を理解することを通じて，進化の過程を解き明かし，最終的には動物の進化を先取りした究極の運動をロボットで実現することを目指します．
研究成果はロボット工学の発展だけでなく，ヒトや動物の運動理解を通じて，広い分野にインパクトを与えると期待しています．
チーターの高速走行と4脚ロボット
チーターの高速走行と4脚ロボット
チーターは地上で最も高速に走ることができる動物であり，走行時には脚を動かすだけでなく，体幹を大きく曲げ伸ばしします．高速走行とエネルギー効率はトレードオフの関係にありますが，生物は体幹運動をうまく活用してこれらを同時に最適化していると予想されています．
本研究では，４足動物の身体を，運動にとって重要だと予想される要素だけを抜き出したシンプルなモデルに落とし込みます．現在は主に，上記の体幹曲げが高速走行に与える影響に着目しています．数理解析とシミュレーションによって，チーターが高速走行を実現するしくみを解き明かします．
また，ロボットを用いて解析の結果を実験的に検証し，高い運動性能を実現するロボットの開発にも取り組んでいます．
主な論文・研究発表
Tomoya Kamimura, Shinya Aoi, Kazuo Tsuchiya, and Fumitoshi Matsuno, "Body flexibility effects on foot loading in quadruped bounding based on a simple analytical model", IEEE Robotics and Automation Letters, Vol. 3, No. 4, pp. 2830―2837, 2018.
Tomoya Kamimura, Shinya Aoi, Yasuo Higurashi, Naomi Wada, Kazuo Tsuchiya, and Fumitoshi Matsuno, "Dynamical determinants enabling two different types of flight in cheetah gallop to enhance speed through spine movement," Scientific Reports, Vol. 11, 9631, 2021.
Tomoya Kamimura, Kaho Sato, Shinya Aoi, Yasuo Higurashi, Naomi Wada, Kazuo Tsuchiya, Akihito Sano, and Fumitoshi Matsuno, "Three characteristics of cheetah galloping improve running performance through spinal movement: a modeling study", Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Vol. 10, 825638, 2022.
２足ロボットの歩行・走行と体幹運動
２足ロボットの歩行・走行と体幹運動
受動的な力学に基づいてヒトのような２足歩行・走行運動を実現するロボットを開発しています．
ヒトの運動も，他の動物に漏れることなく，力学的な作用によって自然に生み出される運動だと考えられます．例えば，受動歩行はモーターやセンサーを用いることなく坂を下るだけで実現される歩行の一種です．ヒトの運動は受動歩行のメカニズムを効果的に用いていると考えています．
本研究では，力学的な視点から脚のダイナミクスのみならず，上半身の運動も含めてどのようにして歩行・走行運動が達成されているかを解析します．特に上半身に設けられ，受動的に動く揺動質量がどのように運動に影響するのかに着目しています．揺動質量は腕や内臓の運動を表します．
加えて，ヒトや動物の神経回路を模した簡単な制御モデルを用いて，適応的な補講・走行運動を作り出すことができることも実証しています．
主な論文・研究発表
Tomoya Kamimura, Koudai Sato, Daiki Murayama, Nanako Kawase, and Akihito Sano, “Dynamical effect of elastically supported wobbling mass on biped running,” in Proc. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2021 (IROS 2021), Prague (Online), Sep., 2021.
Yusuke Sakurai, Tomoya Kamimura, Yuki Sakamoto, Shohei Nishii, Kodai Sato, Yuta Fujiwara, and Akihito Sano, "Bipedal Robot Running: Human-like Actuation Timing Using Fast and Slow Adaptations," Advanced Robotics, Vol. 38, No. 8, pp. 561–572, 2024. DOI:https://doi.org/10.1080/01691864.2024.2336255 (arXiv:2303.00910 [cs.RO]).
脚ロボットの動力学特性を活用する深層強化学習
脚ロボットの動力学特性を活用する深層強化学習
脚ロボットが持つ受動的な動力学特性を活用することで，優れた運動を効率よく学習する方法を開発しています．ロボットの運動を作り出すには，以下に示すように様々な方法があります．
適切な動作計画を作成しそれに追従させる
身体・脳神経系モデル・環境の相互作用から運動を創発させる
強化学習や模倣学習によって動作を学習させる
それぞれの方法には，それぞれ以下のようなデメリットがあります．
追従制御で身体の動力学をキャンセルするため，身体の動力学特性を活かせていない
どのような運動が創発するかを予測することが難しいので，所望の動作を得るのが困難
学習を行うために大規模な時間やコストがかかる
本研究では，システムの動力学から創発する運動を活用しつつ，さらに所望の動作を効率よく学習によって獲得させるための方法を探索しています．具体的には，ヒトや動物の脳神経系と同様に予測に基づき身体を制御する，モデルベース深層強化学習を用いて，受動的な身体の力学特性をもつロボットの制御則を学習させます．一般的な，受動的でなく制御しやすいロボットと比較して，より効率よく優れた運動の獲得が期待されます．
主な論文・研究発表
Kazuaki Yaegashi, Soma Kato, Shunsuke Fujii, Tomoya Kamimura, and Akihito Sano, "Dynamical Effect of Passive Anatomy Trains for Musculoskeletal Humanoid Robot Model", 31st International Symposium on Artificial Life and Robotics and 11th International Symposium on BioComplexity (AROB-ISBC2026), GS7-3, Beppu, Jan. 2026.
上村知也，加藤耕平，安達真永，安部祐一，佐野明人，青井伸也，松野文俊，「動物の階層的な神経系を模したチーター型ロボットの適応的走行の強化学習」，第38回自律分散システム・シンポジウム，2A1B-2，浜松，2026年2月．
Tomoya Kamimura, Haruka Washiyama, Akihito Sano, "Model-Based Reinforcement Learning Exploits Passive Body Dynamics for High-Performance Biped Robot Locomotion," arXiv:2604.14565, DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2604.14565
競争的研究資金
競争的研究資金
科研費：特別研究員奨励費「チーターの高速走行を可能にする力学条件の解明とその応用」(18J10682) 2018/04/25–2020/03/31，2,100千円（直接経費:2,100千円）https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-18J10682/
科研費：研究活動スタート支援「四足動物の２種類のギャロップ歩容を形成する力学原理の数理的解明」(20K22392) 2020/09/11 – 2022/03/31 ，2,860千円 （直接経費: 2,200千円，間接経費: 660千円） https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-20K22392/
科研費：若手研究「四足動物の２種類のギャロップ歩容の異なる力学構造を生み出す原理の解明」(21K14104) 2021/04/01 – 2024/03/31，4,680千円（直接経費: 3,600千円，間接経費: 1,080千円） https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14104/
第39回 日東学術振興財団助成金：「４足動物の非対称な体幹曲げ剛性が走行パフォーマンスを改善する動力学メカニズムの解明」，1,000千円 http://nitozaidan.jp/result/image/j39.pdf
科研費：若手研究「動物の運動理解に基づく4脚ロボットの高速走行と動物を超越する運動の実現」(24K17237) 2024/04/01 – 2027/03/31，4,680千円（直接経費: 3,600千円，間接経費: 1,080千円） https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-24K17237/
萩原学術振興財団 第5回研究助成：「身体の動力学特性を効果的に活用する深層強化学習と脚ロボット設計論」，2025/4/1 – 2026/3/31， 3,000千円 https://hagiwara-foundation.or.jp/subsidy/object/2024.html
学会特集号企画等
学会特集号企画等
日本ロボット学会会誌で，多脚ロボットの開発や制御に関する特集号を企画・編集しました．
2023年 Vol.41 No.3「神経・身体・環境の相互作用から創発する多脚ロボットの歩容」
JStageから閲覧可能です-> https://www.jstage.jst.go.jp/browse/jrsj/41/3/_contents/-char/ja
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