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人工知能は筋の冗長性問題をどう解くか?

Research Project

Project/Area Number 19K11324
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 59010:Rehabilitation science-related
Research InstitutionOita University

Principal Investigator

福永 道彦  大分大学, 理工学部, 准教授 (90581710)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords筋骨格系 / 筋冗長性問題 / 拮抗筋の同時収縮 / 繊細な出力制御 / 筋発揮戦略 / 筋冗長性 / 拮抗筋 / バイオメカニクス / 人工ニューラルネットワーク / 膝運動解析
Outline of Research at the Start

本研究では,下肢の筋骨格系をモデル化し,動作中の筋力をニューラルネットワークによって最適化することで,冗長設計された筋における筋力発揮戦略を検討する.まずは二次元,連結リンクによる単純モデルにペダル漕ぎなどの単純な動作を行わせて知見を得る.しかる後に,三次元化,膝関節運動モデルの適用によってモデルを現実に近づけ,歩行などの複雑な動作を行わせる.三次元の動作に対して,膝関節の不安定性を考慮して,動作中の筋発揮戦略,特に拮抗筋や二関節筋の使い方について検討する.

Outline of Annual Research Achievements

実験の対象として,試行錯誤の末,下腿を固定したうえで,足関節の底屈・背屈動作に対する前脛骨筋とヒラメ筋を扱うことにした.これは,これまでの実験において,複数の関節にまたがる動作では影響する筋の本数が多く,それらによって補償されることで測定対象筋のみを発揮力と関連づけることが難しかったことから,関係する関節と筋を絞ったことによる.また,被験者に与える課題についても,足関節の姿勢をリアルタイムで測定し,その情報をフィードバックしながら目標とする姿勢を与えるものとした.これは,体節を固定した実験では,多関節まわりの筋の影響を避けられなかったためである.測定中に関節角度が変わることは,筋発揮と発揮力の関係が変わることを危惧させるが,この点は計算である程度の調整が可能であると考えた.この実験によって,足関節の動作開始時,動作中,動作終了時の姿勢制御における拮抗筋の発揮度や,個人差の影響に関する情報を得ることができた.その結果,どのような動作や姿勢の調整を要する場合に拮抗筋が同時発揮するかについての知見が得られた.次の計画は,この実験結果をシミュレーションで再現することである.そのため,足関節を距腿関節と距骨下関節の複合間接として,周囲の軟組織を含めた力学モデルを作成している.これと並行して,不整地の歩行や楽器の演奏など,発揮力の緻密な調節が必要と考えられる具体的な動作においても測定実験を行いつつあり,仮説を裏付けるかどうか確認している.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

実験に用いる動作課題の策定に試行錯誤を必要とし,当初計画より遅れていたものの,この点に目途が立って研究が進んでいる.また,当初の計画に沿い.実験結果を数学モデルで再現しつつある.

Strategy for Future Research Activity

得られた成果を公表して本研究課題をまとめる.また,次の段階として,現実的,具体的な動作を対象として,拮抗筋発揮が慣れや技術の向上によってどのように変化するかを調べる.

Report

(5 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2024 2023 2022 2020 2019

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] How do the antagonistic muscles contract during modulating the output force?2023

    • Author(s)
      Fukunaga Michihiko、Fujioka Ryoga、Kawasaki Yuta
    • Journal Title

      Physical Ergonomics and Human Factors

      Volume: 103 Pages: 109-114

    • DOI

      10.54941/ahfe1003041

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] How the Artificial Neural Network Solves the Muscle Redundancy Problem During Pedaling Motion?2020

    • Author(s)
      Michihiko Fukunaga
    • Journal Title

      Advances in Intelligent Systems and Computing

      Volume: 1026 Pages: 315-320

    • DOI

      10.1007/978-3-030-51064-0_40

    • ISBN
      9783030510633, 9783030510640
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The Effect of the Weakened or Contracted Muscles to the Optimal Design of an Ergometer Crank2020

    • Author(s)
      Michihiko Fukunaga, Yusuke Takemoto, Keita Okawa
    • Journal Title

      Proc. the 5th International Conference on Design Engineering and Science

      Volume: 5 Pages: 133-138

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 距腿関 節と距骨下関節を含む足関節モデルの作成2024

    • Author(s)
      中口慎也,福永道彦
    • Organizer
      日本機械学会 九州支部九州学生会第55回学生員卒業研究発表講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 力調整の時の下肢の拮抗筋の働き2023

    • Author(s)
      藤岡遼河,飯田拓輝,福永道彦
    • Organizer
      第 44 回バイオメカニズム学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] ペダル操作時の足関節周りの拮抗筋の働き2023

    • Author(s)
      藤岡遼河,福永道彦
    • Organizer
      日本機械学会九州学生会第54回学生員卒業研究発表講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 静的な課題で拮抗筋がどのように働くかの検討2022

    • Author(s)
      福永道彦,藤岡遼河,川崎雄太
    • Organizer
      日本機械学会年次大会2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 筋力の減少で自転車の設計がどう変わるかのシミュレーション2022

    • Author(s)
      福永道彦
    • Organizer
      日本福祉工学会第26回学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 平地歩行動作を対象としたニューラルネットワークによる 筋発揮力の最適化2020

    • Author(s)
      竹元 優介,大川 圭太,福永 道彦
    • Organizer
      日本機械学会2020年度年次大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] ニューラルネットワークを用いたペダル漕ぎ動作における下肢筋力の最適化2020

    • Author(s)
      大川 圭太, 竹本 優介, 福永 道彦
    • Organizer
      日本機械学会2020年度年次大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] ペダリング動作中の下肢筋力を人工ニューラルネットワークで求める試み2020

    • Author(s)
      福永 道彦,大川 圭太, 竹本 優介
    • Organizer
      生体医工学シンポジウム2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 上腕筋発揮率の人工ニューラルネットワークによる最適化2020

    • Author(s)
      大川 圭太, 竹本 優介, 福永 道彦
    • Organizer
      第41回バイオメカニズム学術講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] The effect of muscle modeling to the optimal design of a bicycle pedal2019

    • Author(s)
      Michihiko Fukunaga, Hisato Okubo, Yusuke Takemoto
    • Organizer
      International Conference on Design and Concurrent Engineering 2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The Trial to Solve the Muscle Redundancy Problem by Neural Network during Two-dimensional Pedaling Motion2019

    • Author(s)
      Michihiko Fukunaga, Hisato Okubo, Yusuke Takemoto
    • Organizer
      The 10th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2024-12-25  

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