人間の歩行効率を模倣するロボットの画期的な進歩

まとめ： 研究者たちは、筋骨格モデルを使用して人間のような可変速歩行を再現することにより、ロボット工学に大きな進歩をもたらしました。 このモデルは、人間の神経系に似た反射制御方法によって導かれ、人間の動きの理解を前進させ、ロボット技術の新たな標準を確立します。

この研究では、革新的なアルゴリズムを使用して、さまざまな歩行速度でのエネルギー効率を向上させました。 この画期的な進歩は、二足歩行ロボット、義肢、動力付き外骨格における将来のイノベーションへの道を切り開きます。

重要な事実:

1. 東北大学のチームは、人間の筋骨格系と神経系の複雑さを反映して、ロボットモデルで人間の歩行力学を再現することに成功した。
2. 人間の自然な可変速歩行を再現するために不可欠なエネルギー効率を向上させるために、高度なアルゴリズムが開発されました。
3. この研究は、二足歩行ロボット、義肢、動力付き外骨格の進歩に大きな可能性を秘めており、日常のモビリティとロボット工学のソリューションを改善します。

ソース： 東北大学

普段、歩きながら考えることはありませんが、歩くということは複雑な作業です。 骨、関節、筋肉、腱、靱帯、およびその他の結合組織 (筋骨格系) は、神経系によって制御されており、連携して動き、さまざまな速度で非常に効率的に予期せぬ変化や障害に対応する必要があります。 これをロボット技術で再現するのは簡単なことではありません。

今回、東北大学大学院工学研究科の研究グループは、人間の神経系を反映した反射制御法によって誘導される筋骨格モデルを使用して、人間のような可変速歩行を再現した。 生体力学とロボット工学におけるこの画期的な進歩は、人間の動きを理解するための新たな基準を設定し、革新的なロボット工学技術への道を切り開きます。

彼らの研究の詳細は雑誌に掲載されました PLoS 計算生物学 2024 年 1 月 19 日。

「私たちの研究は、人間の歩行メカニズムの基礎である、さまざまな速度での効果的な歩行を再現するという複雑な課題に取り組みました」と、古関俊介氏および林部光博教授との研究の共著者である青秋大准教授は述べています。

「これらのアイデアは、人間の動き、適応、効率を理解する上で限界を押し上げる上で極めて重要です。」

この成果は革新的なアルゴリズムのおかげでした。 このアルゴリズムは従来の最小二乗法を超えて進化し、さまざまな歩行速度でエネルギー効率を達成するための改良された神経回路モデルの考案に役立ちました。

これらの神経回路、特に脚の遊脚期の筋肉を制御する神経回路の広範な分析により、エネルギー効率の高い歩行戦略の重要な要素が明らかになりました。 これらの発見により、人間の歩行とその効率をサポートする複雑な神経ネットワークのメカニズムについての理解が深まります。

アワキ氏は、研究で明らかになった知識は将来の技術進歩の基礎を築くのに役立つと強調する。

「筋骨格モデルでの可変速度歩行のシミュレーションの成功と、洗練された神経回路の組み合わせは、神経科学、生体力学、ロボット工学の統合における極めて重要な進歩を意味します。これは、高性能二足歩行ロボットの設計と開発に革命をもたらすでしょう。義肢、およびPowered を備えた高度な外骨格。

このような開発により、障害を持つ個人のモビリティ ソリューションが改善され、日常生活で使用されるロボット技術が進歩します。

将来に目を向けると、アワキ氏と彼のチームは、人間のより広範囲の歩行速度と動きを再現するために、反射制御フレームワークをさらに改善したいと考えています。 彼らはまた、研究から得た洞察とアルゴリズムを適用して、より適応性が高くエネルギー効率の高い義肢、パワードスーツ、二足歩行ロボットを作成することも計画しています。 これには、特定の神経回路をこれらのアプリケーションに統合して、アプリケーションの機能性と動きの自然さを強化することが含まれます。

このロボット研究ニュースについて

著者： 広報
ソース： 東北大学
コミュニケーション： 広報 – 東北大学
写真： 画像提供：Neuroscience News

元の検索: オープンアクセス。
」反射に基づく筋骨格系における幅広い速度にわたるエネルギー効率の高い歩行制御の重要な要素を特定する「青秋大ら著」 PLOS 計算生物学

まとめ

反射に基づく筋骨格系における幅広い速度にわたるエネルギー効率の高い歩行制御の重要な要素を特定する

人間は、エネルギー効率を向上させながら、幅広い歩行速度を生み出し、維持することができます。 人間の歩行を支配する複雑なメカニズムを理解することは、エネルギー効率の高い二足歩行ロボットや歩行補助装置などの工学的応用に貢献します。 感覚フィードバックに応じて運動パターンを生成する反射ベースの制御メカニズムは、筋骨格モデルで人間のような歩行を生成するのに有望であることが示されています。

しかし、正確な速度規制は依然として大きな課題です。 この制限により、エネルギー効率の高い歩行に不可欠な反射回路を特定することが困難になります。 反射制御メカニズムを調査し、エネルギー効率の維持メカニズムをより深く理解するために、私たちは反射ベースの制御システムを拡張して、目標速度に基づいて歩行速度を制御できるようにしました。

我々は、反射ベースの二足歩行システムの目標速度を維持しながら歩行効率を向上させるパラメータ変調器を設計するための、新しい性能加重最小二乗法 (PWLS) 法を開発しました。

シミュレーション環境への入力のターゲット速度に基づいて、2D 筋骨格モデルで 0.7 ～ 1.6 m/s の歩行歩容を生成することに成功しました。 反転ベースのシステムにおけるパラメータ変調器の詳細な分析により、エネルギー効率に大きな影響を与える 2 つの主要な反転回路が明らかになりました。

さらに、この結果は、脚長、知覚時間遅延、目的費用関数の重み係数などのパラメータの設定に影響されないことが確認された。

これらの発見は、人間の歩行の根底にある複雑なメカニズムを明らかにしながら、運動制御の神経基盤を探索するための強力なツールを提供し、実用的な工学応用への大きな可能性を秘めています。