Gait assist robot to stabilize walking by rhythmic input to upper limb motion

• Project/Area Number: 16K12950
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Rehabilitation science/Welfare engineering
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Miyake Yoshihiro 東京工業大学, 情報理工学院, 教授 (20219752)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小川 健一朗 東京工業大学, 情報理工学院, 助教 (90612656)
• Research Collaborator: Seki Masatoshi 菊池製作所, ものづくりメカトロ研究所 ; Orimo Satoshi 関東中央病院, 神経内科, 部長 ; Wada Yoshiaki 日産玉川病院, 副院長
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2016: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 歩行アシスト / 介助ロボット / 歩行リズム / 肢間協調

Outline of Final Research Achievements

Conventional gait assist robots directly drive power to the lower limbs (leg motions), so problems with unnatural walking and falling have been pointed out. Therefore, in this research, we studied a new mechanism to indirectly stabilize the lower limbs (walking) through the input to the upper limb (arm swing), and firstly developed a safe gait assist robot with a low risk of falling based on it. Our method uses systemic stabilization of gait through control of upper limbs in CPG-mediated rhythmic synchronization between upper and lower limbs.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来の歩行アシストロボットはアクチュエータで下肢運動を直接駆動する方法が採用されてきた。しかし、歩行時に下肢を直接駆動するため歩行が不自然かつ不安定になり、しかも、トラブル発生時には転倒を誘発するため安全面に大きい課題が残されていた。そこで本研究は上肢運動リズムに介入することで、下肢運動リズムが自発的に同調し、歩行の全身体的な安定化を実現する新しい歩行アシスト技術を開発した。このように四肢の神経結合を考慮した歩行アシスト技術は本研究が世界で初めてである。

Research Products

• [Journal Article] Gait-assist wearable robot using interactive rhythmic stimulation to upper limbs (2019)
  • Author(s): Yap, M.S.R., Ogawa, K., Nagashima, T., Hirobe, Y., Seki, M., Nakayama, M., Ichiryu, K., Miyake, Y.
  • Journal Title: Frontiers in Robotics and AI Volume: 6 Pages: 1-11
  • DOI: 10.3389/frobt.2019.00025
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Self-organization of limb coordination and motion control in rhythmic walking assist (2018)
  • Author(s): 長島輝匡, 廣部祐樹, 関雅俊, 中山正之, 三宅美博
  • Journal Title: The Transactions of Human Interface Society Volume: 20 Issue: 1 Pages: 89-98
  • DOI: 10.11184/his.20.1_89
  • NAID: 130006401341
  • ISSN: 1344-7262, 2186-8271
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of interpersonal interaction on festinating gait in rehabilitation for Parkinson's disease, (2016)
  • Author(s): Uchitomi, H., Ogawa, K., Suzuki, K., Nishi, T., Orimo, S., Wada, Y., Miyake, Y.,
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: vol.11, issue 6 Pages: 1-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] A gait evaluation of patients with Parkinson’s disease with inertial measurement units (2019)
  • Author(s): Ono, Y., Ora, H., Hori, K., Hashiguchi, H., Mao Y., Sawada, H., Inaba, A., Orimo, S., Miyake, M.
  • Organizer: The 14th International Conference on Alzheimer's and Parkinson's Diseases (AD/PD2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] パーキンソン病診断サービスに向けた歩行時簡易身体バランス計測 (2019)
  • Author(s): 田中直登，緒方大樹, 毛 昱楓, 貴志孝之, 繁山稜, 大野優美, 織茂智之, 三宅美博
  • Organizer: 第7回サービス学会国内大会
• [Presentation] ウェアラブルロボットとの腕振りリズム同調を介したパーキンソン行患者の歩行支援 (2019)
  • Author(s): 繁山稜，緒方大樹, 貴志崇之, Mao Yufeng, 田中直登 ,関雅俊, 中山正之, 織茂智之, 三宅美博
  • Organizer: 第7回サービス学会国内大会
• [Presentation] 上肢リズムアシストロボットによるパーキンソン病患者の歩行改善 (2019)
  • Author(s): 貴志崇之, 緒方大樹, 繁山稜, 田中直登, 毛昱楓, 中山正之, 関雅俊, 織茂智之, 三宅美博
  • Organizer: 第31回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] Initial foot contact and final foot contact event detection from inertial measurement units mounted to the ankle (2019)
  • Author(s): 毛昱楓, 緒方大樹, 大良宏樹, 田中直登, 大野優美, 三宅美博
  • Organizer: 第31回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] Interpersonal synchrony of body movement and application to interactive robotics (2018)
  • Author(s): Miyake, Y.
  • Organizer: Essen University-Tokyo Inst. Tech. Joint Workshop on Gait Rehabilitation Robot
  • Invited
• [Presentation] 歩行軌道のパターン認識に基づくパーキンソン病の早期診断支援 (2018)
  • Author(s): 堀宏有，織茂智之，沢田裕之，稲葉彰，三宅美博
  • Organizer: 第30回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] 「間（ま）」を合わせる歩行支援ロボット「WALK-MATE」 (2018)
  • Author(s): 三宅美博
  • Organizer: 第22回高度技術・技能展:おおた工業フェア
  • Invited
• [Presentation] リズム歩行アシストにおける四肢の協調関係の自己組織化と運動制御, (2017)
  • Author(s): 長島輝匡, 廣部祐樹, 関 雅俊, 中山正之, 三宅美博,
  • Organizer: 第29回自律分散システム・シンポジウム
  • Place of Presentation: 調布クレストンホテル
  • Year and Date: 2017-01-30
• [Presentation] Gait evaluation of normal pressure hydrocephalus using inertial sensor (2017)
  • Author(s): Ono, Y., Ora, H., Kiko, Y., Hori, K., Hirobe, Y., Miyagi, A., Mitou, T., Higuma, M., Wada, Y., Miyake, Y.
  • Organizer: Proc. of the XXIII World Congress of Neurology (WCN2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Early detection of Parkinson’s disease based on gait trajectory analysis using wearable sensors (2017)
  • Author(s): Hori, K., Hirobe, Y., Orimo, S., Sawada, H., Inaba, A., Miyake.Y.
  • Organizer: Proc. of the XXIII World Congress of Neurology (WCN2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 慣性センサーを用いた正常圧水頭症(NPH)の歩行評価 (2017)
  • Author(s): 大野優美, 喜古 勇, 堀 宏有, 廣部祐樹, 宮城 敦, 御任明利, 日熊麻耶, 大良宏樹, 和田義明, 三宅美博
  • Organizer: ヒューマンインタフェースシンポジウム2017
• [Presentation] 人とロボットの共創インタフェースとしての歩行支援システム (2017)
  • Author(s): 三宅美博
  • Organizer: 第37回蔵前科学技術セミナー
  • Invited
• [Presentation] Rhythmic gait assist robot WALK-MATE and its application to Parkinson’s Disease, (2017)
  • Author(s): Miyake, Y.
  • Organizer: 2nd NRW-Fukushima Joint Symposium on Advances in Medicine
  • Invited
• [Presentation] Diagnosis support system of Parkinson's disease based on gait trajectory, (2016)
  • Author(s): Hori, K., Hirobe, Y., Orimo, S., Sawada, H., Inaba, A., Miyake, Y.,
  • Organizer: Proc. of the 16th International Conference on Biomedical Engineering (ICBME2016)
  • Place of Presentation: 国立シンガポール大学
  • Year and Date: 2016-12-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 上肢リズムアシストによる上下肢位相差と歩行周期の変化 (2016)
  • Author(s): 長島輝匡, 廣部祐樹, 関 雅俊, 中山正之, 三宅美博,
  • Organizer: ヒューマンインタフェースシンポジウム2016
  • Place of Presentation: 東京農工大学
  • Year and Date: 2016-09-06
• [Presentation] Development and evaluation of a gait-assist wearable robot using interactive motor rhythmic stimulation to upper and lower limbs, (2016)
  • Author(s): Yap, M.S.R., Matsui, H., Nagashima, T., Ogawa, K., Seki, M., Nakayama, M., Ichiryu, Ken., Miyake, Y.,
  • Organizer: Proc. of the 10th ICME International Conference on Complex Medical Engineering (CME2016)
  • Place of Presentation: 獨協医科大学
  • Year and Date: 2016-08-04
  • Int'l Joint Research