柔軟体幹を介した前後非対称な腕振りで生じる床反力中心の左右移動が生み出す歩行機能
| Project/Area Number |
23K24929
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| Project/Area Number (Other) |
22H03673 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 61050:Intelligent robotics-related
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田熊 隆史 大阪工業大学, 工学部, 教授 (40437372)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大畑 光司 北陸大学, 医療保健学部, 教授 (30300320)
青井 伸也 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (60432366)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
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| Keywords | 脚ロボット / ヒト歩行 / 柔軟体幹 / 上体の運動 / 柔軟体幹機構 / 腕振り運動 / 体幹捻り / 床反力中心 / 二脚歩行 / ヒト上半身 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は二脚歩行において，能動的な腕振りと受動的な体幹の捻りが歩行の安定性に及ぼす影響について調査する．調査にあたり，最初は直立姿勢のモデルを対象に，数理モデルを用いて床反力中心の軌道を導出する．得られた運動について，ロボットを用いて数理モデルで予想した挙動が得られるかを確認する．同時にヒトの運動において数理モデルと同様の運動が得られるかを観察する．次の段階として，ロボットおよび物理シミュレーションで脚を前方に踏み出すことで，上半身の運動を調整することで歩行が可能になることを示す．またヒトの運動において腕振りにより床反力中心を適切に操作できるかを検証する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はヒト上半身の運動に着想を得て，能動的な腕振りと受動的な体幹の捻りが床反力中心を左右に揺動することを数理モデルおよびロボット・物理シミュレータを用いた実験により示し，ヒトの運動においてもそのような現象が発生するかを観察するものである．また床反力中心が左右に揺動することを用い，脚を前後に振り出すことで，上半身の運動により歩行を促進できることを示すものである．2023年度は昨年度の課題であった実ロボットの機体の改修とより精度の高い運動計測，物理シミュレータにおける上半身の運動を用いたその場足踏みおよび歩行の実現を目指した．また複数のヒトを対象にした幅広い範囲の腕振り周期における体幹関節軌道と床反力中心水平方向の軌道を計測した．機体の改修については昨年度問題であった，粘弾性可変の体幹関節機構の設計を見直した．その結果，数理モデルで一定値になると予想されていた床反力中心の前後方向の軌道について，ほぼ一定値になることが確認された．また物理シミュレータでは腕振りと体幹捻りにより床反力中心が右にあるときに右脚支持脚左脚遊脚とし，逆の場合左脚支持脚右脚遊脚とすることで，その場足踏みが可能であることを確認した．この運動は腕振りが前後対称でも非対称でも可能であったが，前後非対称に腕を振ると遊脚を地面に降ろしたあとも支持脚側に床反力中心があることが観察された．次に歩行を行ったところ，前後非対称に腕を振った場合床反力中心が支持脚もしくは支持多角形内に収まるのに対して，前後対称に腕を振った場合転倒することが確認された．これは前後非対称な腕振りと体幹捻りにより床反力中心がより支持脚側に移動し，転倒を防いでいると考えられる．ヒト対象の実験では複数の被験者から異なる周期での体幹関節軌道と床反力中心軌道のデータを計測し，普段の歩行周期を境に体幹関節軌道が逆相になる可能性があることを発見した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度の課題に挙げた体幹関節機構の問題が解決し，運動中の関節のガタツキが抑えられてより正確な運動が計測された．これに加え，スローカメラによる体幹関節の運動計測から関節にエンコーダを取り付けての運動計測に切り替えたため計測時間が大幅に短縮された．これにより腕振り周期などを細かく区切って計測できるようになり，数理モデルの検証に向けて多くの条件での計測が可能となった．物理シミュレータによる検証では昨年度の直立姿勢での計測から足踏み運動や歩行へと課題を発展させ，足踏み運動では前後対称な腕振りと非対称な腕振りとで床反力中心の水平方向の軌道が異なることを確認した．また歩行では前後非対称に腕を振ることによって脚を前方に踏み出すことで転倒しない歩行が可能であることが確認された．これらの成果については2024年度発表予定である．ヒト対象の測定では昨年度問題となった体幹関節軌道と床反力中心水平方向の軌道が逆相の関係にならない原因については引き続き調査が必要となったが，各被験者の自然な歩行周期を境に体幹関節の軌道が反転するという現象が見られ，腕振りの周期が上半身の運動，ひいては歩行の促進に影響を与える可能性があることを発見した．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度に向け，実ロボット，物理シミュレータ，ヒト対象計測それぞれで当初の目的の実現に向けて研究を進めていく．実ロボットでは腕振り周期や体幹関節の粘弾性などを細かく変更して，数理モデルで得られた知見の妥当性を検証する．物理シミュレータでは上半身と下半身の運動を協調させることで，これまでの二脚歩行とは異なる上半身の運動による床反力中心の操作により転倒しない歩行の実現を目指す．ヒト対象実験では2023年度に新たに分かった，自然な歩行周期を境にした体幹関節軌道の変異の原因を探り，身体障害者や高齢者の歩行を促進するための上半身の運動方法の指針を検討する．また数理モデルと異なり体幹関節軌道と床反力中心の水平方向の軌道が逆位相の関係にならない理由についても検証する．
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
