Nozaki, Takahiro

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Affiliation

Faculty of Science and Technology, Department of System Design Engineering (Yagami)

Position

Associate Professor

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Career 【 Display / hide

  • 2012.04
    -
    2014.03

    The Japan Society for the Promotion of Science, Research Fellow (DC1)

  • 2014.04
    -
    2015.03

    Yokohama National University, Assistant Professor

  • 2015.04
    -
    2018.03

    Department of System Design Engineering, Keio University, Assistant Professor

  • 2018.04
    -
    2022.03

    Department of System Design Engineering, Keio University, Assistant Professor

  • 2019.10
    -
    2021.04

    Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Visiting Scientist

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Academic Background 【 Display / hide

  • 2006.04
    -
    2010.03

    Keio University, Faculty of Science and Technology, Department of System Design Engineering

    University, Graduated

  • 2010.04
    -
    2012.03

    Keio University, Graduate School, Division of Science and Engineering, School of Integrated Design Engineering

    Graduate School, Completed, Master's course

  • 2012.04
    -
    2014.03

    Keio University, Graduate School, Division of Science and Engineering, School of Integrated Design Engineering

    Graduate School, Completed, Doctoral course

Academic Degrees 【 Display / hide

  • Ph. D., Keio University, Coursework, 2014.03

 

Research Areas 【 Display / hide

  • Manufacturing Technology (Mechanical Engineering, Electrical and Electronic Engineering, Chemical Engineering) / Power engineering

  • Manufacturing Technology (Mechanical Engineering, Electrical and Electronic Engineering, Chemical Engineering) / Control and system engineering

  • Manufacturing Technology (Mechanical Engineering, Electrical and Electronic Engineering, Chemical Engineering) / Electron device and electronic equipment

Research Keywords 【 Display / hide

  • Robotics

  • Control Engineering

 

Papers 【 Display / hide

  • Development of an Optical Sensor Capable of Measuring Distance, Tilt, and Contact Force

    Nozaki T., Krebs H.I.

    IEEE Transactions on Industrial Electronics (IEEE Transactions on Industrial Electronics)  69 ( 5 ) 4938 - 4945 2022.05

    ISSN  02780046

     View Summary

    Depth, proximity, and tactile sensors are often used in robotic object manipulation. The three types of sensors are combined to address each sensor limitation: Depth use is limited by blind spots and measurable range, proximity sensor is limited to millimetric distances, and the tactile sensor requires direct contact with the object. Here we present a novel sensor that can simultaneously measure millimetric distance and surface tilt, as well as contact force. We demonstrated the advantage of this novel sensor during a contact task. There, we implemented an admittance control and succeeded in achieving smooth transition from zero- to infinite-impedance contact condition and vice-versa. This novel sensor affords the realization of advanced interactions between robot and objects and contrary to previous approaches - limited by distance, blind spots, and impact force during initial contact - demonstrated good performance at all times with smooth and continuous measurements during contact.

  • Work in the Time of Covid-19: Actuators and Sensors for Rehabilitation Robotics

    Chaichaowarat R., Nishimura S., Nozaki T., Krebs H.I.

    IEEJ Journal of Industry Applications (IEEJ Journal of Industry Applications)  11 ( 2 ) 256 - 265 2022

    ISSN  21871094

     View Summary

    This paper reports on our work conducted during 2020 in the development of actuation and sensing techniques and devices. In gait rehabilitation, active body weight support systems are often needed to guarantee the safety of patients. These support systems are required to operate at two distinct operation points: A high-force operating mode to hold a patient and prevent falls and, conversely, a "transparent mode"that reduces the mechanical impedance of high-force actuators to enable patients, even those who are weak or paralyzed, to easily express movement. However, the ability to deliver high forces and easily manipulate robots is a key challenge in improving the force-based interaction control. Force feedback is an effective approach to reduce the inertia and friction of robots, but stability is paramount particularly when interacting with humans. By modeling the environment as a second-order spring-mass-damper system and considering the phase response, we derived the control parameter gains required to guarantee a stable human-robot interaction. The design of actuators with intrinsically adjustable mechanical properties is a complementary strategy. For instance, the stiffness of actuators can be modulated by adjusting the unsupported length of a cantilever leaf spring. To model the spring stiffness under deflection, an ideal cantilever support model cannot be assumed for a conventional design of a slider with dual roller pairs, particularly with a soft spring. We proposed a beam deflection model considering the non-zero slopes at the contact points between the rollers and spring. The spring parameters were determined to attain the desired range of stiffness with a short traveling distance of the adjuster. For a single degree-offreedom (DOF) linear motion, we investigated a macro-mini actuation concept using an electrorheological-fluid brake. Balancing these conflicting requirements between the driving force generated from the non-backdrivable high-force unit and the low-inertia and low-friction unit was achieved by controlling the electrical field affecting the fluid yield stress between the rotor and stator electrodes of the brake. One of the limitations of the feedback control scheme was noisy force sensors. We discuss our novel proximity and force sensor using optical techniques and conclude with a description of low-profile 3-DOF flat motor.

  • Recognition of Environmental Impedance Configuration by Neural Network Using Time-Series Contact State Response

    Yane Kazuki, Nozaki Takahiro

    2022 IEEE 17TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED MOTION CONTROL (AMC)    426 - 431 2022

    ISSN  1943-6572

  • Performance Improvement of Bilateral Teleoperation with Hydraulic Actuator by Friction Compensation

    Saito Yuki, Asai Hiroshi, Kitamura Tomoya, Iida Wataru, Nozaki Takahiro, Ohnishi Kouhei

    2022 IEEE 17TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED MOTION CONTROL (AMC)    250 - 255 2022

    ISSN  1943-6572

  • Object Detection in Motion Reproduction System with Segmentation Algorithm

    Sun Xiaobai, Nozaki Takahiro, Ohnishi Kouhei, Murakami Toshiyuki

    2022 IEEE 17TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED MOTION CONTROL (AMC)    42 - 47 2022

    ISSN  1943-6572

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Papers, etc., Registered in KOARA 【 Display / hide

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Research Projects of Competitive Funds, etc. 【 Display / hide

  • Development of a neurorehabilitation system using haptic substitution and motion substitution as external stimuli

    2020.05
    -
    2022.03

    MEXT,JSPS, Grant-in-Aid for Scientific Research, Fund for the Promotion of Joint International Research (Home-Returning Researcher Development Research (A)), Principal investigator

     View Summary

    世界的な高齢化の進行を背景に、脳/神経の可塑性に着目したニューロリハビリテーションによる身体機能の回復に大きな期待が寄せられている。応募者は基課題により力触覚代替と動作代行を実現可能な義手を開発することに成功し、任意の身体部位の動きと任意の身体部位の知覚とを対応付けることを可能にした。本研究では、これをニューロリハビリテーションの領域へと展開することで、麻痺患者の身体機能の回復を目指す。
    世界的な高齢化の進行を背景に、脳血管障害によって神経症状を患い、長期の後遺症に苦しむ患者の数は増加の一途を辿っている。運動麻痺や感覚障害、言語障害など脳血管障害の後遺症に苦しむ患者は日本国内だけでも300万人以上が存在すると言われており、早急な対応が求められている。こうしたなか、近年の神経科学の成果が新たな突破口を開こうとしている。これまで脳血管障害によって損傷を受けた中枢神経系は回復が困難であると考えられてきた。しかし、脳や神経には外部からの刺激に呼応して、損傷した脳領域の機能を代替する新たな神経回路が生成される性質(=可塑性)が存在することが明らかとなってきた。1998年になり、米国マサチューセッツ工科大学のHermano Igo Krebs氏らにより、ロボット工学を積極的に取り入れたニューロリハビリテーションとしてRobot-aided neuro-rehabilitationの概念が提唱された。Robot-aided neuro-rehabilitationでは、ロボットマニピュレータに仮想的な剛性、粘性、慣性などの機械特性(=機械的インピーダンス)を持たせることによって、患者に物理的な負荷を与え、ニューロリハビリテーションにおける運動訓練の効果を促進することが可能となる。本年度では、力入力型のタスクを対象に、Discrete Movement、Rhythmic Movement、Target Transitionの3種類の測定試験を実施し、人間の運動生成原理の解明に取り組んだ。また、距離、角度、力を同時に測定可能な新たな近接覚センサの開発を行った。
    Discrete Movement、Rhythmic Movement、Target Transitionの3種類の測定試験を実施した結果、「人間が発生させ得る力の微分値は十分に大きく、応答速度は視覚情報に起因すること」「人間はわずかに先の動作を予想し、動作の改善を図っていること」「力の微分値に関して重ね合わせの法則が成立すること」等が成立する可能性が示唆された。また、距離、角度、力を同時に測定可能な新たな近接覚センサの開発については、試作機の開発をすでに完了し、国際学術論文誌への投稿を行った。さらに、本センサに関する会議発表を行い、電気学会の本部表彰を受賞するに至った。このように当初の想定を上回る進捗状況である。
    当初義手での活用を目的として基課題において開発に成功した「身体の任意の部位の動作と任意の部位の知覚とを対応付ける力触覚代替と動作代行の技術」をニューロリハビリテーションの分野へと大きく発展させ、神経回路の生成に活用する。Robot-aided neuro-rehabilitationの研究を世界的に牽引し、膨大な量の臨床データと知見を有する米国マサチューセッツ工科大学Hermano Igo Krebs氏との国際共同研究の体制を継続し、研究開発を推進する。特に本年度では、力入力型のタスクを対象に実施した、Discrete Movement、Rhythmic Movement、Target Transitionの3種類の測定試験の結果を解析し、人間の運動生成原理の解明を進める。また、距離、角度、力を同時に測定可能な新たな近接覚センサについては、センサ応答を用いたフィードバック制御系の構築に取り組む。さらに、本測定原理を拡張し、スラスト方向に加わる力情報をも取得可能な機構を検討する。

  • Development and control of a new haptic system that brings dexterity to hydraulically driven manipulators

    2020.04
    -
    2024.03

    MEXT,JSPS, Grant-in-Aid for Scientific Research, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Principal investigator

     View Summary

    人間は力触覚によって力加減を調節し柔軟に作業をこなしている。しかし、高減速比の機構を伴う従来の産業用マニピュレータや、油圧駆動の建設重機等では力触覚が感じられないため、力加減を調節できず、接触対象物を破壊する危険がある。本研究ではマニピュレータの基礎部に多自由度力センサを設置する手法により、堅牢かつ小型、安価な力情報の検出を可能とし、高減速駆動/油圧駆動マニピュレータによる柔軟な力制御動作を実現する。目的達成のため A. 接触部位/接触力算出の基本原理の確立、B. 解が一意に求まらない場合の対応を行ったのちC. 3リンクマニピュレータによる把持操り作業の実現を実施し、本手法の有用性を確認する。
    本研究では基礎部において力情報を取得するという本手法の有用性を新たに開発する油圧駆動マニピュレータに実装したのち、把持操り作業を伴う実タスクを対象とした実証実験を実施し、その実用性を明らかにする。本研究期間ではこれまでに培ってきたロボットアームの制御技術と油圧駆動建設重機の制御技術とを基盤として、新たに提案する接触部位および接触力の測定手法を統合し、高減速駆動マニピュレータならびに油圧駆動マニピュレータの柔軟な力制御を実現する。本研究目的を確実に達成するため、本研究では四年間の研究期間を三つの小期間に分割するとともに各期間に小目的を設定し研究を遂行する。
    本年度は研究計画第一期 (2020年4月~2022年3月)に該当し、「A. 接触部位/接触力算出の基本原理の確立」に取り組んだ。外部の負荷力がマニピュレータに印加されると、基礎部に搭載された多軸力センサではx、y、z軸の各軸方向の力および各軸まわりのモーメントが観測される。各軸方向の力とモーメントとの比率より、接触部位の算出が可能となるが、マニピュレータの自重ならびにダイナミクスが力応答値に悪影響を及ぼすことが予想される。そのため本研究計画第一期ではそれらの影響を測定し検証するとともに、接触部位の算出精度向上手法を検討した。本アプローチは、特定の姿勢において、接触点の候補が複数存在してしまう点が問題となる。しかし、今年度の研究の結果、2通りの解決策を提案し、その有用性を確認することに成功した。一つ目の解決策は、関節トルクの利用である。減速比が高いマニピュレータの場合、トルクを正確に推定することは困難であるが、おおよその値を検出することで接触しているリンクを特定することが可能となる。二つ目の解決策は関節角度の変動を利用する手法である。関節角度の変動が接触点の候補に与える影響を評価することで接触点を特性することが可能となる。
    2020年度後期から2021年度前期までの期間で開発予定であった外力印加装置の開発が概ね完了しているため。
    人間は力触覚によって力加減を調節し柔軟に作業をこなしている。しかし、高減速比の機構を伴う従来の産業用マニピュレータや、油圧駆動の建設重機等では力触覚が感じられないため、力加減を調節できず、接触対象物を破壊する危険がある。本研究ではマニピュレータの基礎部に多自由度力センサを設置する手法により、堅牢かつ小型、安価な力情報の検出を可能とし、高減速駆動/油圧駆動マニピュレータによる柔軟な力制御動作を実現する。目的達成のため A. 接触部位/接触力算出の基本原理の確立、B. 解が一意に求まらない場合の対応を行ったのちC. 3リンクマニピュレータによる把持操り作業の実現を実施し、本手法の有用性を確認する。2021年度前期には外力を印加するための装置の開発を完了し、2021年度後期には自重及び動力学的影響の補償に取り組む。

  • Development of a foot-mounted compact interface realizing motion substitution and haptic replacement

    2016.04
    -
    2020.03

    MEXT,JSPS, Grant-in-Aid for Scientific Research, Nozaki Takahiro, Grant-in-Aid for Young Scientists (A), Principal investigator

     View Summary

    Human beings utilize the tactile sensation to adjust the force applied to a target object and perform tasks adaptively. However, when using an existing motion support devices such as a prosthetic hand, users cannot feel the tactile sensation. Therefore, there is a risk of damaging the contact object. In this research, we developed a foot interface equipped with a small actuator and succeeded in substituting the tactile sensation of the artificial hand with the foot, which is a healthy body part. As a result, it becomes possible to realize motions that are powerful, delicate, and highly adaptable to the environment. This makes it possible to support the physical functions lost due to accidents or diseases.

 

Courses Taught 【 Display / hide

  • SEMINAR IN SYSTEM DESIGN ENGINEERING

    2022

  • POWER ELECTRONICS

    2022

  • LABORATORIES IN SYSTEM DESIGN ENGINEERING 2)

    2022

  • LABORATORIES IN SCIENCE AND TECHNOLOGY

    2022

  • INDEPENDENT STUDY ON INTEGRATED DESIGN ENGINEERING

    2022

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