「リズムと歩容を自律生成する4脚ロボット制御器　- ネコ・後2脚歩行-走行遷移のシミュレーション -」

日本ロボット学会誌, Vol.42, No.10, 2024 (Dec.) (PDF)(J-Stage)

論文内で重要な動画

• 脊髄ネコのトレッドミル上・後二脚・歩容遷移 by S. Grillner (1980)： 動画(.mp4)

• 最初は左右逆位相・歩行が発現(13s〜22s)． ベルト速度の上昇にしたがって胴 体ピッチ運動に小さな振動が発生し始め(22s)， 左右逆位 相・走行 への歩容遷移が発現(24s〜27s)． さらなるベルト速度の上昇により， 胴体ピッチ運動の振動振幅が増大し， 左右同位相(に近い)・ 走行へ 歩容遷移(28s〜)，ただし左右に位相差は残る(gallop相当)． そして最終的に，大きな胴体ピッチ運動をともなった 左右同位相・ 走行(bound 相当)が発現(46s〜)． 細かいところはスロー再生で確認してください．
• この動画で左右逆位相・走行部は短くて跳躍相が分かりにくいが，文献[14]のFig.1-Aには速度0.7[m/s]か ら走行に遷移することが， 文献[15]のFig.2-Cには走行(1.0[m/s])時の筋活動として左右逆位相であることが，明確に示されている．
• S. Grillner: ``Spinal Cat Movie (1980),'' The basal ganglia and brainstem locomotor control, at 1min. 31sec., E. Garcia-Rill eds., 1989.

• 後2脚モデルを用いたトレッドミル上・歩行-走行・歩容遷移シミュレーション（Fig.7に相当 ）

• ベルト速度を0.14(m/s)から0.30(m/s)に増加：左右逆位相の歩行から走行遷移 実時間(.mp4)， スロー(.mp4)
  • 遷移後に，胴体ロール運動・振幅が少し小さくなり，胴体ピッチ運動に振動が発生し たことに注目


• 4.6節，"Vb=0.14, 0.3, 0.42 [m/s]での結果"：0.14から連続してベルト速度を0.3,0.42と上げて，0.42から0.3,0.14と下げた動画(.mp4)
• 5.4節，"なお，ベルト速度を再度下げると，逆の過程を経て定常歩行に戻る"：動画(.mp4)
• 付録B，"4 章の2 脚モデルと同じ関節構造と物理定数を持つ無拘束4 脚モデルを， 同じ脚制御器パラメータで定常歩行させとき"（Fig.13(a)に相当 ）：動画(.mp4)
• 付録C，"ベルト速度適応の有無で比較した結果"： 適応なし(.mp4)， 適応あり(.mp4)
• 走行時の支持脚相で，脚先・後方伸展が少し分かる程度には，改善しました（違いが分かり難いですが．．．）．

論文内で引用した研究の動画

• 第1章，"上位指令のパラメータ変更により歩容遷移を行う手法[19]"： 動画(.mp4)
• 2.7節，"三次元4脚シミュレーションにおいて...摂動が働くとき，ロール面内姿勢安定化...示した[40]"： 動画(.mp4)
• 2.7節，"4 脚ロボットにより...シミュレーション結果を再現し...実際に可能[41]"： 動画1(.mp4)， 動画2(.mp4)
• 4.6節，"参考のために，...制御器に興奮性のRG間協調を導入して得られた 同位相・走行の結果"： 動画(.mp4)
• 5.5節，上位指令の意味と次の課題，"すなわち，中脳ネコにおいても上位指令による...リズムと歩容の自律遷移を脊髄・感覚-運動機能のみで説明可能..."：動画(.mp4)
• 5.5節，上位指令の意味と次の課題，"4脚ロボット制御に適応可能..."：動画(.mp4)
  ・ロコモーション強度に相当する上位指令値を上げた(upC↑)ときに，自脚の屈筋活性度(αF^self)とリズム発生器・位相(Φ^self)，および，他脚のαF^* (* : cntr, ipsi, diag)情報にのみ基づいて，自律遷移は発生する．cntr:contralateral(対側), ipsi:ipsilateral(同側), diag:diagonal(対角).
• walk歩容生成：walk歩容では，明示的脚間協調はすべて無し．離地条件は，前脚：論文(5)式の(αF^self>0)条件のみ，後脚：αF^self条件とΦst^self条件の組合せ．upC=1で移動速度は0.19 m/s．
• walk歩行-trot歩行-trot走行：walk歩行(upC=1, 0.19 m/s)から，upC↑=1.4によりトリガ(明示的脚間協調)が発生し，walk歩行からtrot走行へ遷移．trot歩容では，左右および前後脚間の明示的脚間協調は無しで，対角脚間の明示的脚間協調のみあり．その後，再度のupC↑=1.6により別のトリガが発生しtrot走行へ遷移．以後，段階的なupC↑によりtrot走行(upC=2.2, 0.3 m/s)まで移動速度上昇．当面の目標は達成できた．．．
• pace歩行-trot走行：upC↑によるpace歩行からwalk歩行への自律遷移の途中で，トリガが発生しtrot歩行へ遷移．その後，再度のupC↑により別のトリガが発生しtrot走行へ遷移．「移動速度上昇により現在の歩容が力学的に不安定になり，自律的にpace歩行，walk歩行，trot歩行，trot走行へと歩容遷移した」という，本研究の現在の目標を少し試みた．結果はまだ「甚だ」不十分である．
・まだ始めたばかりでパフォーマンスは不十分ですが，本研究の枠組みの妥当性は示されたと考えています．
・上位指令値(ロコモーション強度)増強のみで，脚間位相差だけでなくリズム(振動数とデューティ比)も自律遷移していることに着目してください．
・遊脚着地角制御や上方キック制御などの感覚フィードバック導入によりパフォーマンスを向上できると考えていますが，当面（平地でのシミュレーション中）はupCに対するフィードフォワードしか行わない予定です．現在，感覚情報は，「リズム発生器での脚相遷移」と「パターン形成部でのSW相・歩幅制御とST相・脚高制御」と「モータ出力部でのPD制御」でのみ使用されています．

• シミュレーションや小鉄実験での脚先軌道計算の詳細(PDF)： 以下から抜粋
  C. Maufroy: ``Generation and stabilization of quadrupedal dynamic walk using phase modulations based on leg loading information,'' Ph.D dissertation, University of Elector-Communications, 2009. (PDF)


• Orlovsky教科書：第10，11章の和訳 by 木村
• G.N. Orlovsky, T.G. Deliagina and S. Grillner: Neural control of locomotion. Oxford Univ. Press NY, 1999.