髙橋研究室 - モデルベース制御で人や社会に役立つシステムをデザインする

慶應義塾大学理工学部 システムデザイン工学科 高橋研究室では、モデルベース制御というアプローチで社会に役立つ製品やシステムの開発を目指した研究を行っています。


モデルベース制御とは、宇宙機や自動車、ロボットなど制御したいシステムを数学でモデル化して、そのモデルに対して制御技術を開発していく手法です。この手法はシミュレーションを行いながら制御技術を詰めていけるというメリットがある一方、モデルの精度が悪かったり動作環境が実際と違っているとシミュレーション通りに動かない場合があるため、動作環境を想定した正確なモデル化と環境の変化などに対応できるロバスト性の高い設計が重要になります。


Q 「研究室で扱っている対象は、非常に多岐に渡っています。人工衛星などの宇宙機もあれば飛行機もあります。一般的な自動車や車いすなどの乗り物もありますし、建物の振動制御もやっています。それが非常に多岐に渡り過ぎていて、一見バラバラに見えますが、動く物はある力学現象に基づいていますので、その力学現象を数学で記述する事ができますとモデルをたてることができまして、そのモデルに基づいて制御理論を適用すると、所望の制御性能を出すことができるということになります。」


これは、高齢者の転倒予防を目的に開発している歩行計測ロボットです。レーザーレンジファインダーで周辺240度、4メートルの範囲を計測し、足の特徴的な形を見つけてトラッキングしながら、両足の位置と速度を推定しています。このような情報から一定の距離と速度を保つような制御技術を組み込むことで、被験者を先導しながら、歩行計測を行うことができます。


高精度なモデルベース制御をするためには動作環境を含めたモデル化が欠かせませんが、特に難しいのが利用者を想定することです。そのためには、人間の行動を予測・判断して適切な対応をする必要があります。


セグウェイに代表される倒立振子型移動体の制御に関する研究では、実機を使った被験者実験を実施して、人間モデルの提案と、制御系が与える人間の挙動を解析し、安全かつ快適なモビリティの提案を目指しています。


Q 「人や社会に役立つことを目的にしていますので、まず我々はフィールド調査をします。そこで実際必要とされている技術を探し出します。例えば今ロボットを病院の中に持ち込んで荷物を運ぶ、具体的には薬剤ですが、そういったロボットの開発をしていますと、色んな要望が出てきます。それらを一つ一つ制御技術を使いながら解決をするような形で研究を進めています。」


Q 「例えば、車いすの研究ですと、ジョイスティックを使えない方が結構います。高齢化に向けてユーザーがどんどん増えて行きますので新しいユーザーインターフェースが登場しています。そうすると脳波を測るとか、ウインクをする信号を測るとか信号処理の専門家の方は色んな技術を作られています。ただ移動体が移動する事に関しての技術はあんまりお持ちではないケースが多いので、そこが我々の研究室の強みだと思います。信号処理を専門とする方と組むことで新しいユーザーインターフェースを使った移動体、車とか車イスとか、それらを開発できると思います。歩行計測に関しては医工連携を中心に進めたいと思っていまして、実際の現場で被験者の方に集まっていただく時に、計測は出来てもその計測した結果がどのようにフィードバックするかといった所の知識は我々にはありませんので、そこはちゃんと医学部の方の専門知識を入れてやって行きたいと考えます。」