生物に学ぶアクチュエータ・センサ・ロボット

総合デザイン工学専攻・機械工学科

慶應義塾大学

前野　隆司

発表の概要

• 自己紹介

• 生物の何に学ぶか？

• 生物の形と運動パターンに学ぶ

• 生物の進化に学ぶ

柔軟生物に学ぶ超音波モータヒトの指に学ぶ触覚センサヒトの指をだます触覚ディスプレイ

超音波モータ振動子の創発的設計移動ロボットの運動パターン，　　　　形態，制御系の創発的設計

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これまでの研究テーマ

振動・接触

生物に学ぶ

83　 学部 ・光弾性応力解析法

84-85 修士　 ・フロッピーディスクの振動と　ヘッド・媒体接触機構

86-94 キヤノン㈱ ・VTRテープ走行系

・超音波モータ

・振動ジャイロ

95-03 慶大 ・ヒトの指・触覚センサ・

　触覚ディスプレイ

・多自由度超音波モータ・

　超音波モータの創発的設計

・柔軟生物・移動ロボット

・ロボットマニピュレータ

アクチュエータ：多自由度超音波モータの開発，　　　遺伝的アルゴリズムを用いた超音波モータ　　　の設計，誘電樹脂アクチュエータの開発

センサ：ヒトの指の触覚受容機構の解析，触覚セ　　　ンサ・触覚ディスプレイの開発

ロボット：柔軟生物型移動ロボットの研究，ヒトとロ　　　ボットのマニピュレーションの研究，ロボット　　　の心の研究

感性：ヒトの歩行の美しさ・盆栽の美しさの研究

現在の研究テーマ

http: www.maeno.mech.keio.ac.jp

柔軟性自律性分散性冗長性階層性

形状構造運動行動

適応形態形成自己組織化

成長進化

生物から何を学ぶか？

人工物：トップダウン的設計、単一機能、　　　　　進化・適応不能

生物 STATIC DYNAMIC

生物の形と運動パターンに

学ぶ

柔軟生物の運動パターンに学ぶ

超音波モータの設計

リング型超音波モータ

(a)ヘビ (b)シャクトリムシ

（c）アオムシ (d)ミミズ

・水平面内の曲げ運動・進行波・速度大・水平面内の広がり必要

・鉛直面内の曲げ運動・定在波・つかむ(吸い付く)機構が必要・垂直方向の広がり必要

・鉛直面内の曲げ運動・進行波（前進波）・つかむ機構が必要

柔軟生物の運動の模式図

・進行方向の伸縮運動(蠕動運動)・進行波（後退波）・細管内移動可能

ミミズの移動パターン

位置 (mm)0

2

4

時間(s)

6

40 80 120

模式図 計測結果

Head

Tail

Forward slip

Direction ofprogress

5101 52 0Tail Head

Forwardslip

Time時間 (s)

ミミズの移動運動のシミュレーション結果

後退波の伝播 → 効率的な移動

アオムシの移動運動

リング型（進行波型）超音波モータ

ロータ（回転子）

ステータ（振動子）

圧電セラミクス

cos(λx-ωt)

sin(λx)･ sin(ωt)

進行波型超音波モータの駆動原理

cos(λx)･ cos(ωt)

定在波

進行波

定在波

＝

＋

→ 移動方向

← 進行波

多自由度超音波モータ

平板状多自由度超音波モータ

30m

m

10 mm

円柱状多自由度超音波モータ

多自由度超音波モータを用いた多自由度鉗子

棒の縦振動モード＋

棒の曲げ振動2次モード×2

平板の曲げ振動モード×3

＋＋

回転子振動子 回転子

振動子

棒状多自由度超音波モータの駆動原理

(a) B2(x軸方向)+ B2(y軸方向) (b) L1 +B2(y軸方向)

振動子

回転子

L1：縦振動1次モード

B2：曲げ振動2次モード

yx

z

z軸まわりの駆動 x軸まわりの駆動

yx

z

生物と超音波モータの運動パターンのアナロジー

大腸

ミミズ

アオムシ

心臓尺取り虫

ヒト内臓

回転型(キヤノン)

回転型(東工大)

リニア(ニコン)

多自由度(慶大)

(インチウォーム)

時計用(セイコー電子)

進行波型USM

定在波型USM

柔軟生物 超音波モータ（USM）

ヒトの指に学ぶ触覚センサ・触覚ディスプレイ

ヒト指の構造

─つかむ

─持ち上げる

─硬さの認識

─内部構造の推定

─テクスチャの認識

─なぜ指紋があるのか？

─なぜ４種類の触覚受容器があるのか？

ヒト指腹部変形の有限要素解析結果

Equivalent Von Mises Stress Distribution

パチニ小体ルフィニ小体

メルケル小体

マイスナー小体

10 kPa

0

5 kPa

人の指に学ぶ触覚センサの研究

リン青銅板

ひずみゲージ

シリコーンゴム

支持台

生物に学ぶ：

・柔軟構造

・曲面形状

・センサの分散配置

・パターン情報処理

60

node numberstrain gage

phosphorbronze plate

strain gage number

1 4740302010

151051

7

物体を落とさずつぶさず持ち上げる

把持力制御手法法線力のみ加えた場合

123456789

10 11

Fn

フィンガ物体

固着

123456789

10 11

Ft

接線力も加えた場合

フィンガ

物体

固着

滑り

滑り

→固着/すべり分布のパターン処理に基づく把持力制御

ヒトの誤認知を利用した触覚ディスプレイ

刺激子

電磁石

磁界

•触覚：低い空間分解能　（指先で1~3mm）

• 広い周波数帯域　（数Hz~数百Hz）

•4種類の触覚受容器の周波数応答特性は異なる

→　振動刺激の波長・周波数を適切に選べば、4種の

　　触覚受容器を選択的に刺激し、だませるのでは？

つるつるざらざら

生物の進化に学ぶ

従来の人工物設計

センサ

アクチュエータ

機械要素

制御系

ロボット

設計者・研究者

トップダウン

従来の人工物設計

センサ

アクチュエータ

機械要素

制御系

ロボット

設計者・研究者

トップダウン

生物のデザイン

ボトムアップ

創発

全体システム

筋 受容器

身体

神経系

環境

生物の形作り

→　創発＝環境に適応・進化

適応度

解空間

形運動

パターン

生物の形作り超音波モータの形状と振動モードのデザイン

→　進化的計算（GA・GP）

従来の定在波型（リニア）超音波モータ

移動子

振動子

・楕円軌跡が最適化されていない・接触点が2点→磨耗大・小型化が困難

遺伝的アルゴリズム(GA)によるリニア超音波振動子の設計

個体1 個体2 個体n0 1 0 1 0

10 1 1 00 1 0 1 0

0 1 0 010 1 1 0

1 0 1

0

1 1

010 1 1 0

1 0 11 1

1 11 1

・・・

0 1 0 1 0 10 1 1 0 0 1 0 1 0 （個体1の遺伝子型）

個体群

有限要素法による固有振動数・固有モード解析

選択（淘汰）・交差・突然変異

適応度の評価 endyes

no

＝

３点接触型リニア超音波モータの

解形状と駆動状態の例

左右非対称モード：111.5 kHz 左右対称モード：113.1 kHz

生物の運動と環境

環境

神経系（リズム）

形態

柔軟性運動パターン

→ 進化

柔軟生物の運動創発シミュレーション

リンク要素を用いた構造モデル

・細長構造・柔軟構造

・筋の拮抗関係・非線形弾性

・CPG(神経振動子)

・環境条件（平地・管路内）

筋要素 非伸縮要素

弾性が小さい（やわらかい）モデル

中間のモデル

弾性が大きい（かたい）モデル

中間のモデル（管路内）

移動ロボットの運動の進化的獲得

→ 神経･柔軟性・運動パターンの進化的獲得

環境（不整地・剛性・摩擦係数）

神経系（リカレントニューラルネットワークによるリズム生成）

柔軟性（バネ・コンプライ

アンス制御）

形態（単純リンク構造） joint 1

joint 2

k1

k2

θ1

θ2

獲得された運動パターン

環境に適応する前の個体

平地に適応した個体

不整地にも適応した個体

移動ロボットの形態・運動パターン・神経系の同時進化的獲得

？形態

神経系

環境

運動

イメージ図 遺伝的プログラミングによる定式化

形態

神経系

神経系

形態と神経系の木構造を進化的に獲得

デジタル神経モデル

アナログ神経モデル

リンク型マニピュレータによる押し操作における

制御器の進化的獲得

3リンクマニピュレータ

カメラ

円盤 目標位置

手先反力計

NNコントローラ(行動決定器)

ロボット(行動主体)

分解速度制御器(トルク変換器)

円盤(操作対象物)

環境押し作業用コントローラ

vd

v

τ

センサ情報

タスク：・円板に到達・円板を押す・目標位置に　到達・環境変化

学習後

地面の摩擦係数が変化する場合

学習中

半径を変えた場合

2足歩行ロボットPINOの運動生成

宇宙ロボットRBRの形と運動の生成

今後の展開

まとめ

柔軟性分散性冗長性

適応自己組織化

進化

・超音波モータ・移動ロボット・マニピュレータ

・ミミズと超音波モータ・指と触覚センサ・触覚　ディスプレイ

形状構造運動行動

おわりに

人と接する人工物のNEEDS情報技術(IT)の進展1.5年で2倍　10年で100倍!!!

医療・福祉・家庭・アミューズメント・ＶＲ・テレイグジスタンスのためのアクチュエータ・センサ・ロボット

ハードウエアの高度化・多機能化・複合化・多自由度化・自律分散化・冗長非線形化・柔軟適応構造化

情報化から生命化へ！　生物に学ぶシステムのデザイン！

2001年度機械工学科卒業研究配属用（3年生用）研究室紹介ビデオ

E-mail: maeno@mech.keio.ac.jp

http://www.maeno.mech.keio.ac.jp