2020 Fiscal Year Research-status Report
ネコの歩行における小脳による歩容適応メカニズムの四足ロボットを用いた構成論的理解
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19K12169
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
木村 浩 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (40192562)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | split-belt adaptation / early adaptation / constructive model / thalamic cat model / spinal cat model / CPG & phase transition / phasic stretch response / crossed ext. response |
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| Outline of Annual Research Achievements |
除脳(視床)ネコに3本のベルトからなるtreadmill上をwalk歩容で歩かせたとき，例えば左前脚のベルトの速度のみを速くしたsplit-beltにすると脊髄・小脳レベルでの歩容適応が行われる．本研究ではこの歩容適応のメカニズムを，従来行われてきた数理モデルではなく，脚負荷情報を中心とした歩容安定化と姿勢安定化の観点からの身体モデルを用いて説明し，四脚ロボット(小鉄)実験によりその妥当性を検証する．
昨年度では筆者らの脚制御器にFrigon(2017)の脊髄脚相遷移モデルを参考にして脚相遷移条件を導入した「脊髄ネコモデル」に，さらに小脳での歩幅学習機能を付加した「視床ネコモデル」を提案した．これを用いて小鉄のsplit-belt実験を行ったが，「早期脚間協調」において，速いベルト上の脚(fast-leg)と遅いベルト上の脚(slow-leg)の双方の遊脚期間・支持脚期間の変化が，視床ネコの結果と異なっていた．これは導入した「脊髄ネコモデル」に必要な機能が欠けていたためであり，再度，Frigonのモデルを詳細に検討し，センサ情報から中央パターン発生器(CPG)経由でfast-legとslow-legの遊脚期間を調整する「相動性伸張反応」と「交差性伸展反応」をそれぞれ追加した．
この新しく提案した「脊髄ネコモデル」を用い，Frigonの後２脚・脊髄ネコsplit-belt実験と同様にベルト速度比(高速/低速)を1.25～2.5まで6段階変えた実験を行い，fast-legとslow-legの遊脚期間・支持脚期間・ステップサイクル期間のすべてで，Frigonの実験結果と同様な増減が得られた．そして，その変化は視床ネコの「早期脚間協調」で見られる変化と一致した．すなわち，この「脊髄ネコモデル」は，視床ネコの「早期脚間協調」の構成論的モデルとして適切であることを示すことができた．
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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
従来研究として青井ら(2015)による二足歩行ロボットのsplit-belt適応の研究があるが，二足と四脚では「早期脚間協調」が生じるメカニズムが全く異なることが判明し，視床ネコと同様な「早期脚間協調」を生じさせるためには，さらなる「脊髄ネコモデル」の検討が必要となった．
そこで2020年度はFrigon(2017)らの脊髄脚相遷移モデルを詳細に検討し，センサ情報からCPG(Central Pattern Generator)経由でfast-legとslow-legの遊脚期間を調整する「相動性伸張反応」と「交差性伸展反応」を従来の「脊髄ネコモデル」に追加した．新しく提案した「脊髄ネコモデル」を四脚ロボットに用い，Frigon(2017)と同様に後２脚のsplit-belt歩行実験を行った結果，fast-legとslow-legの遊脚期間・支持脚期間・ステップサイクル期間のすべてで同様な増減が得られた．そして，その変化は視床ネコの「早期脚間協調」で見られる変化と一致した．すなわち，この「脊髄ネコモデル」は，視床ネコの「早期脚間協調」の構成論的モデルとして適切であることを示すことができた．
2021年度は現在，青井ら(2015)の研究を参考にしてfast-legとslow-legのCOST(Center Of the STance phase)とCOSS(Center Of the Single Support phase)に着目して，脊髄ネコと同様なCOSTとCOSSの位相差がsplit-belt歩行で生じることを示した．そして位相差が発生するメカニズムと位相差によって生じる問題点について，左右脚負荷の移動の観点から考察を行っている．
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は本研究課題の最終年度である．再びロボットの「四脚での」split-belt歩行実験を以下の計画で行う．
(1) 新たな「脊髄ネコモデル」を用いて視床ネコsplit-belt歩行の「早期脚間協調」と同様なfast-legとslow-legの遊脚期間・支持脚期間・ステップサイクル期間の増減が得られることを確認する．
(2) 新たな「脊髄ネコモデル」に，小脳での長期抑圧を参考にした歩幅(step distance)学習機能を付加した「視床ネコモデル」を構成し，split-belt歩行実験の「遅延脚間協調」において，COSTとCOSSの位相差が解消することを確認し，そのメカニズムについて，左右脚負荷の移動の観点から考察を行う．
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| Causes of Carryover |
研究の進展度に合わせて，逐次，四脚ロボットの改造を行う必要がある．今年度は改造は小規模であったため次年度使用額が生じたが，次年度は大規模な四脚ロボットの改造を予定している．
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