２脚ロボットを用いたヒト左右分離型トレッドミル歩行における適応機序の構成論的理解

• Project/Area Number: 14J02718
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Intelligent mechanics/Mechanical systems
• Research Institution: The University of Tokyo (2015); Kyoto University (2014)
• Principal Investigator: 藤木 聡一朗 東京大学, 総合文化研究科, 助教
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥2,270,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2015: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2014: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 歩行 / ヒト / 左右分離型トレッドミル / ロボット / 小脳

Outline of Annual Research Achievements

左右分離型トレッドミルは左右の脚に対して異なる速度でベルトを動かすことで左右非対称な歩行環境を作り出し，これによって歩行における適応機能を調べることができる．ヒトの左右分離型トレッドミル歩行では，特徴的な即時的な適応と緩やかな適応の２つのタイムスケールの異なる適応が見られることが知られており，特に緩やかな適応には小脳の寄与が先行研究により示唆されている．このヒトの左右分離型トレッドミル歩行における適応メカニズムの理解に向けて，本研究では生理学的知見に基づく神経制御モデルの提案を行い，構成論的観点からこれを実装した２脚ロボットを用いた歩行実験による検証を行った．
小脳が大きく寄与しているとされている身体運動・感覚の予測と実際に得られる感覚との間の誤差情報に基づいた運動指令の調整機能に着目し，左右分離型トレッドミルが作り出す左右ベルト間の速度差によって乱された歩行中の左右脚の接地タイミングに対して，その接地タイミングの設計値と実際の値との誤差に関する評価関数を構築し，その評価関数に基づいて左右の脚運動のリズムを変更する機能をロボットの制御系に導入した．ロボットによる歩行実験を行った結果，デューティー比（歩行1周期に対する立脚期の割合）や，左右脚の相対位相，及び，床反力の圧力中心軌跡などの歩行の特徴量にヒトの即時的な適応と緩やかな適応と同様の傾向が見受けられた．特に今回提案した誤差情報に基づく運動のリズム調整によって，ロボットに緩やかな適応が生じていることが確認された．この結果から，本提案モデルがヒトに内在する制御構造を説明することができると示唆される．更に，この制御モデルの妥当性を生理学的側面から詳細に調べるために、ラットを用いた左右分離型トレッドミルの歩行実験にも着手し，計測から妥当な結果も出始めているところである．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Adaptation mechanism of interlimb coordination in human split-belt treadmill walking through learning of foot contact timing: a robotics study. (2015)
  • Author(s): Soichiro Fujiki, Shinya Aoi, Tetsuro Funato, Nozomi Tomita, Kei Senda, and Kazuo Tsuchiya.
  • Journal Title: Journal of the Royal Society Interface Volume: 12 Issue: 110 Pages: 0542-0542
  • DOI: 10.1098/rsif.2015.0542
  • NAID: 120005690134
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ラットの神経筋骨格モデルに基づく左右分離型トレッドミル歩行における長期適応の生成 (2016)
  • Author(s): 藤木聡一朗，青井伸也，舩戸徹郎，柳原大，土屋和雄
  • Organizer: 第28回自律分散システムシンポジウム
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス学士会館（広島県 東広島市）
  • Year and Date: 2016-01-21
• [Presentation] Investigation of adaptive split-belt treadmill walking by the hindlimbs of rats (2015)
  • Author(s): S. Fujiki, S. Aoi, D. Yanagihara, T. Funato, Y. Sato, K. Senda, K. Tsuchiya
  • Organizer: International conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • Place of Presentation: Milano Conference Center (Milan, Italy)
  • Year and Date: 2015-08-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigating adaptation in hindlimb split-belt treadmill walking by rats using kinematic measurement and a neuromusculoskeletal model (2015)
  • Author(s): S. Aoi, S. Fujiki, D. Yanagihara, T. Funato, Y. Sato, N. Tomita, N. Ogihara, K. Senda, K. Tsuchiya
  • Organizer: 2015 ISPGR World Congress
  • Place of Presentation: Melia Sevilla Hotel (Seville, Spain)
  • Year and Date: 2015-06-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ラット後肢スプリットベルト・トレッドミル歩行の計測と解析 (2015)
  • Author(s): 藤木聡一朗，青井伸也，柳原大，舩戸徹郎，佐藤陽太， 泉田啓， 土屋和雄
  • Organizer: 第27回自律分散システム・シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京理科大学 神楽坂キャンパス 森戸記念館 （東京都 新宿区）
  • Year and Date: 2015-01-23
• [Presentation] Hindlimb splitbelt treadmill walking of a rat based on a neuromusculoskeletal model (2014)
  • Author(s): S.Fujiki, S.Aoi, D.Yanagihara, T.Funato, N.Tomita, N.Ogihara, K.Senda, K.Tsuchiya
  • Organizer: 2014 5th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics
  • Place of Presentation: Anhembi Convention Center (São Paulo, Brazil)
  • Year and Date: 2014-08-15
• [Presentation] ラット後肢左右分離型トレッドミル歩行の 計測と神経筋骨格モデル (2014)
  • Author(s): 藤木聡一朗，青井伸也，柳原大，舩戸徹郎，冨田望，荻原直道，泉田啓，土屋和雄
  • Organizer: 第8回Motor Control研究会
  • Place of Presentation: 筑波大学 大学会館・総合交流会館 （茨城県 つくば市）
  • Year and Date: 2014-08-07 – 2014-08-09
• [Presentation] Generation of adaptive splitbelt treadmill walking of a biped robot using learning of intralimb and interlimb coordinations (2014)
  • Author(s): S.Fujiki, S.Aoi, K.Senda, K.Tsuchiya
  • Organizer: 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automations
  • Place of Presentation: Hong Kong Convention and Exhibition Centre (Hong Kong, China)
  • Year and Date: 2014-06-03