2018 Fiscal Year Research-status Report
身体の機械力学的特性に基づく歩行開始および停止動作の制御メカニズムに関する研究
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17K13016
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
鈴木 康之 大阪大学, 基礎工学研究科, 講師 (30631874)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 神経-筋骨格モデル / 筋反射 / 運動制御 / 静止立位 / 歩行開始 / 歩行停止 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，ヒト二足運動の神経制御メカニズムを明らかにすることを目的として，歩行開始動作と歩行停止動作の数理モデルの構築および運動計測実験を行っている．二足歩行運動と立位姿勢の遷移過程であるこれらの動作の制御メカニズムを明らかにすることにより，歩行運動および立位姿勢維持の神経制御メカニズムの理解の深化も期待される．本年度は，ヒト静止立位姿勢の神経-筋骨格系モデルの構築，歩行開始動作の神経-筋骨格系モデルの構築を目指した歩行運動モデルの改良，および超低速条件下における歩行計測実験を行った．
ヒト静止立位姿勢の神経-筋骨格系モデルは，神経反射系を基盤とした既存の歩行モデルにVirtual Model Controlを付与することにより実装した．構築されたモデルの足-膝-股関節間の協調的ダイナミクスは，静止立位姿勢の計測実験時に見られる身体ダイナミクスの特徴の一部を再現した．また，安定した歩行開始動作および歩行停止動作を実現するためには，歩行中の遊脚を適切に制御できるメカニズムが必要である．既存の歩行モデルには，遊脚のダイナミクスを制御するメカニズムが十分に備わっていない．本年度は，歩行開始動作を実現可能な神経-筋骨格系モデルを構築する準備段階として，その遊脚の制御メカニズムを実装した．
立位姿勢と歩行運動はともに二足運動であり，同一の枠組みで議論されることがしばしばある．歩行開始動作および歩行停止動作は，超低速での歩行運動とみなされることもあり，超低速条件下での二足運動制御メカニズムを理解することは，上記運動の制御メカニズムを理解する上で重要な知見をもたらすことが期待される．本研究では，超低速条件下における歩行計測実験を行い，身体ダイナミクスを解析した．これにより，ある値を下回る速度で実施した歩行運動の制御メカニズムは通常歩行の制御メカニズムと大きく異なることが示唆された．
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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
本研究では，ヒト歩行開始動作および歩行停止動作の制御メカニズムを，神経-筋骨格系モデルの構築および数値シミュレーション，および運動計測実験から明らかにすることを目標としている．昨年度に行った，バネ-質点モデルの解析および数値シミュレーションを用いた歩行停止動作の解析により，歩行停止動作をよりロバストに実現するための本質を明らかにした．本年度は，モデルとしてより現実に近い神経-筋骨格モデルを採用し，ヒト歩行停止および歩行開始動作を実現可能な神経-筋骨格系モデル構築の第一段階として，ヒト静止立位姿勢の神経-筋骨格系モデルを構築した．その数値シミュレーション結果はヒト静止立位の計測実験で見られる身体ダイナミクスの特性の一部を再現できている．また，本年度は神経-筋骨格モデルの遊脚の制御メカニズムの実装を行った．ヒト歩行開始動作および歩行停止動作に適切なパラメータの探索が行われれば，構築した神経-筋骨格モデルが安定した歩行開始動作および歩行停止動作を実現できることが期待される．
また，本年度は超低速条件下での歩行運動計測実験を行った．これにより，ある閾値を下回る速度条件下では，通常の歩行運動制御メカニズムとは異なる制御メカニズムで運動が実施されていることが示唆された．計測された身体キネマティクスから推定される関節トルクおよび筋活動の様子をより詳細に解析することにより，速度に依存した制御メカニズムの変化が明らかになることが期待される．
以上のように，ヒト歩行開始動作および歩行停止動作を理解することを目的とした研究を推進する上で必要なモデルの構築，およびデータの収集が進んでいる．このため，「課題はおおむね順調に進展している」と言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では，ヒト二足運動の神経制御メカニズムを明らかにすることを目的とする．これまでの研究で，ヒト静止立位姿勢の神経-筋骨格モデルの構築，歩行運動の遊脚制御メカニズムの改良を行った．これらを組み合わせることにより，歩行開始動作および歩行停止動作を実現可能な神経-筋骨格モデルを構築する．先行研究において，ヒト静止立位姿勢の神経制御メカニズムとして，身体の機械力学的な特徴を巧みに利用した神経制御メカニズムが，柔軟かつ安定な静止立位姿勢維持の本質であることが明らかにされつつある．構築した歩行開始動作および歩行停止動作の神経-筋骨格モデルの数値シミュレーションおよび解析により，身体の機械力学的な特徴がこれらの遷移動作を円滑に行うために有効に利用されていることを明らかにする．
超低速条件下での歩行計測実験により，閾値を下回る速度条件下での歩行運動の制御メカニズムは通常の歩行運動制御メカニズムとは大きく異なることが明らかにされつつある．すでに得られている超低速条件下での歩行運動のキネマティクスから関節トルクを推定し，また筋活動度との相関解析を行うことにより，超低速条件下での運動制御メカニズムの本質的な理解を目指す．また，歩行開始動作および歩行停止動作において得られている知見と組み合わせることにより，これらの運動制御の本質が身体の機械力学的な特性の有効な利用であることを計測実験データからも明らかにする．
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| Causes of Carryover |
学術論文執筆する際に英文校正への提出が不要であり，その分の差額が発生した．
来年度，計画時よりも多くの会議へ参加して情報発信を行う．
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Research Products
(11 results)
