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四足動物の2種類のギャロップ歩容の異なる力学構造を生み出す原理の解明

研究課題

研究課題/領域番号 21K14104
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分20010:機械力学およびメカトロニクス関連
研究機関名古屋工業大学

研究代表者

上村 知也  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80881789)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 交付 (2021年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
キーワード四足動物 / ギャロップ歩容 / シンプルモデル / 体幹柔軟性
研究開始時の研究の概要

四足動物が高速走行で用いるギャロップ歩容は,左右の脚の運びが逆位相から外れるのが特徴で,脚が地面につく順番によってチーターなどが行うロータリーと,ウマなどが行うトランスバースに分類される.本研究では,ピッチ方向とロール方向にそれぞれ2つの回転自由度を持つシンプルなモデルの周期解を解析的に求め,ギャロップ歩容の非対称性と2種類の歩容が生成されるメカニズムを明らかにする.さらに,動物の計測結果と比較し,動物種によって2種類のギャロップを選択的に用いる理由を明らかにする.

研究実績の概要

四足動物が高速域で用いるギャロップは,左右の脚の運びが逆位相から外れるのが特徴で,脚が地面につく順番によってチーターなどが行うロータリーと,ウマなどが行うトランスバースに分類される.また,チーターの走行では体幹を曲げる飛翔期と伸ばす飛翔期の2種類が存在するのに対して,ウマでは体幹を曲げる飛翔機しか持たない.本研究では,ピッチ方向とロール方向にそれぞれ2つの回転自由度を持つシンプルなモデルの周期解を解析的に求め,ギャロップ歩容の非対称性と2種類の歩容が生成されるメカニズムを明らかにする.
まず,ピッチ方向の体幹運動が異なる力学原理を明らかにするため,ピッチ方向に体幹柔軟性を持つ解析モデルを矢状面内に構築し,周期解が得られるための条件を導出した.その結果,チーターのように体幹を曲げる飛翔期と伸ばす飛翔期を持つための条件が,体幹の床反力を受ける位置と,床反力の向きで表されることが明らかになった.この結果については第39回日本ロボット学会学術講演会と国際会議Asian Control Conference 2022で報告した.
次に,ロール方向の体幹運動によって異なる脚の接地順を持つ歩容が生まれる力学原理を探るため,ロール方向に体幹柔軟性を持つモデルを構築した.このモデルは前後よりも左右のダイナミクスが重要な役割を持つと考え,横断面上で構築した.このモデルについて数値計算によって周期解を探索した結果,ロータリーギャロップに相当する脚の接地順を持つ解とトランスバースに相当する接地順を持つ解が得られ,それぞれの解が得られる状態量の空間が異なることが明らかになった.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

今年度は同時に受給していた科研費スタート支援の研究課題と並行して研究を進めるため,主にピッチ方向の体幹柔軟性の影響について研究を進めた.ロール方向の柔軟性についてはモデルが完成し結果が一部得られているが,脚の接地順が走行にどのような影響を与えているかを明らかにしていくことは今後の課題となる.

今後の研究の推進方策

今後は主にロール方向の柔軟性がギャロップ歩容に及ぼす影響について調査を進める.これによって,2種類のギャロップにおいて脚の接地順が異なるメカニズムが力学的に明らかになる.接地順は走行速度や安定性に影響を与えることが動物の観測から予想されている.
また,ピッチ方向の柔軟性については,モデル解析の結果にもとづいて実際に4脚ロボットを構築し,効率よく走行できるようになるか検証を行う予定である.

報告書

(1件)
  • 2021 実施状況報告書

研究成果

(3件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Three Characteristics of Cheetah Galloping Improve Running Performance Through Spinal Movement: A Modeling Study2022

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Kamimura, Kaho Sato, Shinya Aoi, Yasuo Higurashi, Naomi Wada, Kazuo Tsuchiya, Akihito Sano, and Fumitoshi Matsuno
    • 雑誌名

      Frontiers in Bioengineering and Biotechnology

      巻: 10

    • DOI

      10.3389/fbioe.2022.825638

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Dynamical condition to involve two types of flights in cheetah galloping using a simple model2022

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Kamimura, Shinya Aoi, Yasuo Higurashi, Naomi Wada, Kazuo Tsuchiya, Fumitoshi Matsuno
    • 学会等名
      The 13th Asian Control Conference (ASCC 2022)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 接地期を衝突で近似したシンプルモデルを用いたチーターの高速走行の動力学解析2021

    • 著者名/発表者名
      上村知也, 青井伸也, 日暮泰男, 和田直己,土屋和雄,松野文俊
    • 学会等名
      第39回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2022-12-28  

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