九州工業大学博士学位論文（要旨）学位記番号：生工博甲第265号 学位授与年月日平成28年3月25

Nath Tripathi Gyanendra

Rehabilitation robotics is to provide an appropriate coordination between human motion behavior and the robot motion and two important issues are motion trajectory design to resolve problem of the degree of freedom and optimization of the energy consumption. The well-coordinated motion coupling with robotic tools contributes to recovering the natural motion behavior by supportive forces to complement weakened muscular activities. Dealing with the first issue of motion trajectory design, the study focused on the approach of synergy theory. The synergy hypothesis was originally proposed as a biological scheme of hierarchaly coordinated muscle activation to generate well-coordinated motion behavior. The synergy approach of motion behavior generation in humanoid robot is an effective solution for degree of freedom and coordination problem. As a analytical method, this study dealt with developments of algorithm to find well-coordinated motor synergy and further to calculate the characteristic synergy signal with minimum energy and maximum coordination. Firstly, an extended method based on Principal Component Analysis (PCA) to analyze the structural, or spatio-temporal coordination in the human behavior was proposed. The original PCA has been widely used for data analysis that can be represented by multi-dimensional vectors and signals in a time course to find hidden internal factors. However in the human behavior there are unclear coordination factors depending on body parts and time based transitions of coordination patterns corresponding to motion behavior. To analyze the hidden synergy to the humanoid body kinematics during regenerated human motion. By integrating the Via-point method to the time stepwise PCA, an analytical method was proposed in consideration of the human body kinematics and validated in the humanoid robot platform, Aldebaran NAO. The proposed extended algorithms were 1) PCA Body by Part (BP) to focus on a separate limb synergy, 2) PCA Time by Part (TP) to find “the critical joint” which is assumed to a representative joint for the control by the central nervous system, and its combination of 3) PCA Time by Part-Body by Part (TP-BP), and 4) PCA Body by Part-Time by Part (BP-TP). Those algorithms are validated in their performance of the motion reproduction and demonstrated how the hidden synergy can be analyzed by changing analytical tools as proposed 1-4) algorithms. Regarding the second issue of appropriate torque generation in motion with minimum energy consumption, an analytical method based on the four-linkage human body model including kinematics and dynamics were established. The method is applied to compare the human motion analysis and artificial trajectory based motion generation. In the model, hip, knee and ankle joints were induced and the recording data from the VICON 3D motion capture device. The sitting-and-standing motions capture data was applied to the numerical simulation of the model in MATLAB. By calculating the via-point of human motion trajectory, the artificial trajectory is obtained by interpolation methods of Quintic, Cubic, LSPB. Furthermore, torque and consumed joints energy for human trajectory were calculated and compared artificial motion trajectory. The comparison shows the LSPB interpolation has a consistency with the human motion in the viewpoint of the minimum energy and minimum error of trajectory. A method to estimate the best number of via-points is developed on the basis of error comparison graph. The mathematical estimation of number of via-points benefits for the implementation of the Time by Part synergy method. In conclusion, the proposed analytical method in this study is helpful to promote the establishment of effective analyses of joint energy and coordination in the human body. The analysis method contributes to the motion trajectory generation with respect to the degree of freedom and minimum energy toward the realization of expected human motion coordination in the rehabilitation robotics.九州工業大学博士学位論文 学位記番号：生工博甲第265号 学位授与年月日平成28年3月25日1 Introduction|2 Muscle Synergy to Robot Motor Synergy|3 PCA-Based Algorithms to Find the Synergy Using Via-point|4 Four Link Model and Trajectory Generation Methods|5 Joint Energy Comparison for Artificial Trajectory|6 Joint Energy and Coordination Analysis to Estimate Via-point|7 Conclusion and Future Direction九州工業大学大学平成27年

Nath  Tripathi Gyanendra

Kyutacar : Kyushu Institute of Technology Academic Repository

身体支援ロボット工学の基盤となるシナジー解析と関節トルク積算エネルギーの相補的活用による運動軌道解析法に関する研究

Analytical Method for Synergy Based MotionControl Supported by Joint Energy andCoordination Measure Toward Rehabilitation andRobotics著者 Nath Tripathi Gyanendra発行年 2016-03-25その他のタイトル 身体支援ロボット工学の基盤となるシナジー解析と関節トルク積算エネルギーの相補的活用による運動軌道解析法に関する研究学位授与番号 17104甲生工第265号URL http://hdl.handle.net/10228/5664氏名・（本籍）   Tripathi Gyanendra Nath（ インド ） 学位の種類    博 士（ 工 学 ） 学位記番号    生工博甲第２６５号 学位授与の日付  平成２８年３月２５日 学位授与の条件  学位規則第４条第１項該当 学位論文題目   Analytical Method for Synergy Based Motion Control  Supported by Joint Energy and Coordination Measure  Toward Rehabilitation and Robotics (身体支援ロボット工学の基盤となるシナジー解析と関節トルク 積算エネルギーの相補的活用による運動軌道解析法に関する 研究)  論文審査委員会  委員長  教 授  石井 和男 〃   森江  隆 〃   古川 徹生 〃   夏目 季代久 〃   田中 啓文  学 位 論 文 内 容 の 要 旨  本研究は、時系列データ解析に用いられる主成分解析が、動作セグメント・身体セグメントを考慮した身体制御のシナジー解析に単純適用できないことに注目し、Via-Point法を用いて段階的に精緻化する４種の改良型主成分解析を提案したもので、主成分解析が身体の運動学的背景を考慮しないことを注視し、運動力学モデルを導入し関節トルク積算エネルギーの観点から最適化する相補的解析方法の妥当性を示したものである。 学位論文は、序論として、研究概要、研究背景・目的から、本研究で注目する Synergy概念を、脳神経系-末梢神経系（筋骨格系を含む）の場合とロボット制御に拡張する場合の考え方を比較し、リハビリテーション臨床においてヒト動作と協調して動作するロボット技術に求められる要件を課題として取り上げている。仮説として本研究の中心課題である Synergy 概念が、主成分分析（PCA）や力学モデルによるダイナミクス解析を相補的に用いることで、有効な分析方法となると述べられている。論文構成は、第 2章として PCA を用いた Synergy 概念の定式化、第 3 章としてヒト型ロボット用拡張PCA 分析方法の提案および数理解析、第 4 章として人立ち上がり動作の４リンク数理モデルを設計し、人計測データとの整合性を検証している。解析方法として人工軌道生成法、３種 Cubic Polynomial、Quintic Polynomial、Linear Segments with Parabolic Blends (LSPB)を実データと比較し、各方法に共通する妥当な結節点（Via-Point）の個数を算出できるとする議論が、続章で述べられ、最後に、提案された分析手法の整理と展望について、第 7章でまとめられている。 第 3章では、Time by part Synergy calculationとして、中枢神経系が支配する限定した拘束条件として、身体のある部位（ジョイント）が抽出できるとした、Critical Point の定義が示され、それによって、時間区間または身体区域（適応的）分割を実現するVia-pointの妥当な決定が可能であると示されている。第 4章では、ヒト身体の分析方法について述べ、三次元リアルタイム動作解析システム（モーションキャプチャー・システム）による身体計測データを元に、前後上下方向の動作に注目した簡易４節リンク数理モデルに計測データを投射できる方法を構築できることを述べている。同４リンクモデルに、関節トルク積算エネルギー（各関節の動作中のトルク積分）を導入し、動作の最適性を議論し、ヒト計測データをそのものの時系列を含め、Cubic Polynomial、Quintic Polynomial、LSPBによる近似解の 4 種を比較し、Via-point分割の妥当性を解析できることを示すに至った。  本研究では、時系列データ解析に用いられる主成分解析に注目し、人の四肢動作に有効に適用できる Via-Point法を用い段階的精緻化する拡張型 PCA解析を提案し、その過程で Critical Point を新たに定義したことに意義が認められ、運動力学モデルを導入し関節トルク積算エネルギーの観点から最適化する相補的解析方法の妥当性が示されている。  本研究の解析手法は、人と協調するロボット動作機構を設計する際の指針として、脳身体の知見から得られたシナジー概念を導入することで、リハビリテーションに向けたロボット設計における数理分析法を提案し、その基本的有効性を示したといえる。  学 位 論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨  本論文に関し、調査委員から拡張 PCAにおける Critical Pointの決定において直接関節トルク積算エネルギーを用いることができるか、動作再現のための PCA誤差の評価に Normalized Mean Square Error(NMSE)、Normalized Root Mean Squared Error(NRMSE)のどちらが妥当といえるかなどについて質問がなされたが、いずれも著者から明確な回答が得られた。  また、公聴会においても、十分な出席者があり、当該理論を身体動作計測しながらリアルタイム処理でも用いることができるかなどなど、種々の質問がなされたが、いずれも著者の説明によって質問者の理解が得られた。 以上により、論文調査及び最終試験の結果に基づき、審査委員会において慎重に審査した結果、本論文が、博士（工学）の学位に十分値するものであると判断した。 

https://kyutech.repo.nii.ac.jp/?action=repository_action_common_download&item_id=7788&item_no=1&attribute_id=16&file_no=1

身体支援ロボット工学の基盤となるシナジー解析と関節トルク積算エネルギーの相補的活用による運動軌道解析法に関する研究

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Kyutacar : Kyushu Institute of Technology Academic Repository

Kyutacar : Kyushu Institute of Technology Academic Repository