回転動作のバランス制御機構の解明～床の滑りやすさに対応する関節運動の検討～

Research Project

Project/Area Number	22K11553
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 59020:Sports sciences-related
Research Institution	Tokyo Metropolitan University
Principal Investigator	井村祥子東京都立大学, 人間健康科学研究科, 助教 (30586699)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Keywords	回転運動 / コンピュータシミュレーション / クラシックバレエ / バランス / 動力学的分析 / 角運動量 / 摩擦係数 / シミュレーション / 回転動作 / 摩擦
Outline of Research at the Start	西洋舞踊や器械体操などに見られる回転動作では，体肢を大きく動かしながら床の滑り易さを察知し，狭い支持面でバランスを維持する．床との摩擦が小さいと身体の傾きが僅かでも転倒する．バランス制御における床の滑り易さは，摩擦を自由に調整できるコンピュータシミュレーションでの検討が有用である．本研究では摩擦の影響を考慮した回転動作のシミュレーションモデルを構築し，床の滑り易さに応じた関節力学の調整法を調べる．バレエの回転動作について全身の運動方程式をたて，床反力と摩擦による回転作用を模したアルゴリズムを作成し運動をシミュレーションする．摩擦係数の変化に応じた重心位置の調整について関節力学を調べて解明する．
Outline of Annual Research Achievements	23年度はピルエットの全身モデルの作成に注力した。ピルエットで３回転を行ったダンサーのモーションキャプチャーデータを参照し、全身を17セグメント（頭部・上胴・下胴、上腕・前腕・手、大腿・下腿・足・爪先）に分けモデル化した。床反力は、足部に貼付したマーカーの動きを参照し、それぞれの位置に粘弾性バネを仮定して入力した。年度上半期は足部を爪先部とそれ以外の部分に分けずにシミュレーションを行い、その成果を国際学会で発表した。下半期は足部を爪先部とそれ以外の部分に分け、床反力データの入力をさらに詳細にして検討した。上半期のモデルでは、床の滑りやすさと同義である動的・及び静的摩擦係数を変化させた場合に、下肢各関節角度をどのように変化させて３回転を成立させるかを検討した。その結果、摩擦係数が小さい滑りやすい床では回転前に主に屈伸運動が深い試行では3回転が成立していた。下半期のモデルでは、1.5回転までのピルエットは成功した。上半期のモデルに比べて爪先部のマーカー位置が足の後部と分離して動くため、床反力をより実験データに近づけることができた。しかし参照元の実験データ同様に３回転を行えるモデルは完成していない。 1.5回転までのピルエットは、試行時間中に実験データよりもバランスが崩れることはないが、バランスを保ったまま回転が止まってしまう。これは初期に獲得する角運動量が小さいことが原因であると考えられる。角運動量は床と足との摩擦力を利用して、回転前に全身に外力を作用させて獲得する。摩擦力は垂直抗力の大きさに依存しているため、摩擦力が小さくなる状況を改善する必要がある。摩擦係数を調整する以外に、床反力を実験データよりも少し大きめに設定するという工夫も試みる必要がある。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 上半期のモデルでは実験データに近い力学入力を果たせなかったため、モデルの改変を行った。このことにより、多くの時間を割いてきた粘弾性バネ係数を再び検討することになり、二倍の時間を必要としている。ただし、モデルを改変したことにより、床反力データ及びその圧力中心位置もより実験データに近づけることができた。このため、今後計画している関節運動動力学データの計算において実験データにより近い結果がでることが期待でき、結果的にはより良い成果につながると考えている。
Strategy for Future Research Activity	引き続き足部を爪先部と後足部に分けたモデルで展開していくが、床反力データを模すための粘弾性バネの想定位置を爪先部に一つ増やすことを考えている。理由は、実際の試行を改めて確認したところ、爪先立ち時に足部が底屈位にありながら外転位にあるため、他のスポーツでの足の使い方と異なり、爪先部の接地部位がかなり限局的になっていることが予想されるためである。このため、現在のデータで計算が間に合わないようであれば新たに実験を行い、モデルを完成させていく予定である。