外骨格ロボット技術において、適切な人間-機械のカップリングモデルは非常に重要です。このモデルによって、外骨格システムが人体に直接与える影響を予測し、不必要な怪我やエネルギー損失を回避することができます。また、外骨格システムの設計と制御を最適化することに役立ち、着用感や人間と機械の相互作用を改善することができます。
華南理工大学の研究チームは、新しい人体外骨骼ロボットの単一化されたモデリング手法を提案し、運動学の実験によりモデルの運動計算の正確性を検証し、モデルを外骨骼ロボットの設計と制御最適化に適用して、新しい支援型受動外骨骼システムを設計しました。また、電気機械式外骨骼の制御曲線の最適化にも役立ちます。
キネティクス実験
光学式モーションキャプチャシステム「NOKOV」を用いて、各ユニットの各点の位置・速度・加速度などのデータを取得し、モデルに入力することで、歩行時の二重支持相の歩行データや、地面への反力データを算出します。 また、フォースプレートを用いて、両足が地面に接地したときのデータを取得しています。 モデルで計算したデータとフォースプレートで得たデータを比較することで、モデルの運動学的計算の正確性を間接的に検証しました。
光学式モーションキャプチャシステムと力測定プラットフォーム
キネマティックダブルサポートの位相認識実験結果のグラフです
外骨格ロボットの設計と制御の最適化
モデル理論が確立された後、モデルに基づいて下肢外骨格ロボットの設計を最適化し、受動多関節型外骨格実験プロトタイプを設計した。 外骨格を装着した際に、人体のエネルギー消費を効果的に削減できるかどうかを検証するため、代謝実験を実施した。 実験の結果、受動的多重協調型外骨格が稼働しているときは、稼働していないときに比べ、人体の代謝が平均4.40%減少することがわかった。 これは、受動的外骨格の設計の有効性を検証するものである。
パッシブマルチコーディネート外骨格実験プロトタイプ
電気機械式外骨格の出力力を最適化する実験も、モデルから導かれる形で実施されました。 股関節電気機械式外骨格ロボットに制御プロファイルを入力することで、出力力プロファイルが人体のエネルギー消費の低減に役立つかを比較検討しました。 実験の結果、股関節電気機械式外骨格が有効な状態では、非活性化した状態と比較して、人間の代謝が平均1.38%減少することがわかりました。
股関節電気機械式外骨格ロボットとメタボリックテスターによる実験
参考文献
岳範、人間-機械結合モデルの研究と下肢外骨格ロボットの設計におけるその応用、華南理工大学、DOI:10.27151/d.cnki.ghnlu.2021.003977
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