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2012 年度 実績報告書

歩行における高度踏破性及び頑健性を実現するための筋骨格・神経機構の構成論的解明

研究課題

研究課題/領域番号 23360111
研究機関京都大学

研究代表者

青井 伸也  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60432366)

研究分担者 中陦 克己  近畿大学, 医学部, 講師 (60270485)
柳原 大  東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (90252725)
土屋 和雄  同志社大学, 理工学部, 教授 (70227429)
舩戸 徹郎  電気通信大学, 情報理工学研究科, 助教 (40512869)
冨田 望  同志社大学, 理工学部, 特別研究員 (00375156)
研究期間 (年度) 2011-04-01 – 2014-03-31
キーワード歩行 / 踏破性 / 頑健性 / 筋骨格・神経機構 / ヒト / サル / ラット / シミュレーション
研究概要

昨年度に引き続き,脳・身体・環境の相互作用から生成される歩行の高度踏破性及び頑健性を実現するための筋骨格・神経機構の解明を目指して,ヒト・サル・ラットを対象に運動計測データに基づいて運動機能を明らかにする解析的研究と,神経筋骨格モデルに基づくシミュレーションやロボットを用いて機能的役割を明らかにする構成論的研究を行った.
ヒトの運動解析では,左右分離型トレッドミルを用いて,環境の変化に対する適応的運動調整機構を調べた.特に左右ベルトの速度差に応じた脚間位相差やデューティー比の変化について調べ,後述する2脚ロボットの実験結果と比較した.
サルの運動解析では,トレッドミル上で4足と2足歩行を交互に行うサルの大脳皮質・一次運動野から単一神経細胞活動を記録し,体幹・四肢からも筋活動を同時に記録した.その結果,歩行中のサルの一次運動野は肢運動の礎となる脊髄神経回路網の律動的活動をオンラインで一歩毎に修飾し,移動に伴う重心の脚間授受を円滑に行うことに寄与することが示唆された.
ラットの運動解析では,障害物跨ぎ越し歩行における前肢及び後肢の主要な筋群から筋電図活動を記録解析した.またこの障害物跨ぎ越し歩行において,マウスを対象にして身体性作業記憶を調べるための実験パラダイムを新たに構築した.
構成論的研究に関しては,昨年度までに構築してきた神経筋骨格モデルに基づくシミュレーションだけでなく,これまで明らかにされた知見に基づいて2脚ロボットの制御系を設計し,頑健で適応的な歩行を実現した.特に,運動学シナジーに基づく運動計画によって4足から2足歩行へ歩容を連続的に遷移させることを可能にし,運動調整に寄与する位相リセットを用いて安定でロバストな歩容遷移が実現できることを明らかにした.更に,左右分離型トレッドミル上での歩行実験を行い,位相リセットを用いることでヒトと同様の適応機能が生じることを確認した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

振動台やトレッドミルを用いたヒトの外乱負荷時の歩行の運動解析や,サル2足歩行時の大脳皮質運動領野からの神経細胞活動の記録や体幹・四肢の筋活動の記録,小脳皮質を一部破壊したラットの障害物跨ぎ越し歩行の運動解析,解剖学データ・神経生理学的知見に基づく神経筋骨格モデルによる歩行シミュレーションやロボットを用いた機能的役割の検証など,当初予定していた研究計画が予定通り遂行されており,研究代表者と研究分担者の間で頻繁にミーティングを行い生工連携研究が着実に進められているため.

今後の研究の推進方策

本年度までと同様に,ヒト・サル・ラットの歩行の運動計測と解析,神経筋骨格モデルに基づく動力学シミュレーションやロボット実験を行い,これまで通り頻繁に研究ミーティングを実施して,生工連携による研究を推進していく.

  • 研究成果

    (42件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (15件) (うち査読あり 15件) 学会発表 (26件) (うち招待講演 6件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Adaptive splitbelt treadmill walking of a biped robot using nonlinear oscillators with phase resetting2013

    • 著者名/発表者名
      S. Fujiki, S. Aoi, T. Yamashita, T. Funato, N. Tomita, K. Senda, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      Auton. Robot

      巻: 35(1) ページ: 15-26

    • DOI

      10.1007/s10514-013-9331-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A stability-based mechanism for hysteresis in the walk-trot transition in quadruped locomotion2013

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi, D. Katayama, S. Fujiki, N. Tomita, T. Funato, T. Yamashita, K. Senda, K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      J. R. Soc. Interface

      巻: 10(81) ページ: 20120908

    • DOI

      10.1098/rsif.2012.0908

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Instability-based mechanism for body undulations in centipede locomotion2013

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi, Y. Egi, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 87(1) ページ: 012717

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.87.012717

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Qualitative comparison between rats and humans in quadrupedal and bipedal locomotion2013

    • 著者名/発表者名
      T. Hosoido, F. Mori, K. Kiyoto, T. Takagi, Y. Sano, M. Goto, K. Nakajima, and N. Wada
    • 雑誌名

      J. Behav. Brain Sci

      巻: 3 ページ: 137-149

    • DOI

      10.4236/jbbs.2013.31013

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Contributions of phase resetting and interlimb coordination to the adaptive control of hindlimb obstacle avoidance during locomotion in rats: a simulation study2013

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi, T. Kondo, N. Hayashi, D. Yanagihara, S. Aoki, H. Yamaura, N. Ogihara, T. Funato, N. Tomita, K. Senda, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      Biological Cybernetics

      巻: 107 ページ: 201-216

    • DOI

      10.1007/s00422-013-0546-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The contribution of kinematic synergy on feedback control of human walking2013

    • 著者名/発表者名
      T. Funato, S. Aoi, N. Tomita, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      Proceedings of the 6th International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines

      巻: - ページ: 35-36

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Functional roles of phase resetting in the gait transition of a biped robot from quadrupedal to bipedal locomotion2012

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi, Y. Egi, R. Sugimoto, T. Yamashita, S. Fujiki, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      IEEE Trans. Robot

      巻: 28(6) ページ: 1244-1259

    • DOI

      10.1109/TRO.2012.2205489

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Characteristics of leading forelimb movements for obstacle avoidance during locomotion in rats2012

    • 著者名/発表者名
      S. Aoki, Y. Sato, and D. Yanagihara
    • 雑誌名

      Neurosci. Res

      巻: 74 ページ: 129-137

    • DOI

      10.1016/j.neures.2012.07.007

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Characteristics of gait ataxia in δ2 glutamate receptor mutant mice, ho15J2012

    • 著者名/発表者名
      E. Takeuchi, Y. Sato, E. Miura, H. Yamaura, M. Yuzaki, and D. Yanagihara
    • 雑誌名

      PLoS One

      巻: 7 ページ: e47553

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0047553

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improving adaptive walking of a biped robot on a splitbelt treadmill by controlling the interlimb coordination2012

    • 著者名/発表者名
      S. Fujiki, S. Aoi, K. Senda, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Biomim

      ページ: 396-401

    • DOI

      10.1109/ROBIO.2012.6490999

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cusp catastrophe embedded in gait transition of a quadruped robot driven by nonlinear oscillators with phase resetting2012

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi, D. Katayama, S. Fujiki, T. Kohda, K. Senda, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Biomim

      ページ: 384-389

    • DOI

      10.1109/ROBIO.2012.6490997

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A system model that focuses on kinematic synergy for understanding human control structure2012

    • 著者名/発表者名
      T. Funato, S. Aoi, N. Tomita, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Biomim

      ページ: 378-383

    • DOI

      10.1109/ROBIO.2012.6490996

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hindlimb obstacle avoidance during rat locomotion based on a neuromusculoskeletal model2012

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi, N. Hayashi, T. Kondo, D. Yanagihara, S. Aoki, H. Yamaura, N. Ogihara, T. Funato, N. Tomita, K. Senda, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      Proc. the 4th IEEE RAS/EMBS Int. Conf. Biomed. Robot. Biomech

      ページ: 1046-1051

    • DOI

      10.1109/BioRob.2012.6290884

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Emergence of hysteresis in gait transition of a hexapod robot driven by nonlinear oscillators with phase resetting2012

    • 著者名/発表者名
      S. Fujiki, S. Aoi, T. Kohda, K. Senda, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      Proc. the 4th IEEE RAS/EMBS Int. Conf. Biomed. Robot. Biomech

      ページ: 1638-1643

    • DOI

      10.1109/BioRob.2012.6290733

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of rhythm adjustment mechanism of human locomotion against horizontal perturbation2012

    • 著者名/発表者名
      T. Funato, Y. Yamamoto, S. Aoi, N. Tomita, and K. Tsuchiya
    • 雑誌名

      Proc. the 4th IEEE RAS/EMBS Int. Conf. Biomed. Robot. Biomech

      ページ: 1359-1364

    • DOI

      10.1109/BioRob.2012.6290935

    • 査読あり
  • [学会発表] トレッドミル上の歩行運動に関連したサル一次運動野の皮質脊髄路細胞活動およびその他の神経細胞活動2013

    • 著者名/発表者名
      中陦克己, 森大志, 村田哲, 稲瀬正彦
    • 学会等名
      第90回日本生理学会大会
    • 発表場所
      東京・タワーホール船堀
    • 年月日
      20130327-20130329
  • [学会発表] 姿勢・歩行制御における小脳の役割:種々の小脳変性モデル動物での小脳失調から、ヒトにおける認知・予測等の高次脳機能への寄与2013

    • 著者名/発表者名
      柳原大
    • 学会等名
      大山リハビリテーション病院第8回脳生理講演会
    • 発表場所
      鳥取県西伯郡
    • 年月日
      20130317-20130317
    • 招待講演
  • [学会発表] The contribution of kinematic synergy on feedback control of human walking2013

    • 著者名/発表者名
      T. Funato, S. Aoi, N. Tomita, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      the 6th International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines
    • 発表場所
      Darmstadt, Germany
    • 年月日
      20130312-20130312
  • [学会発表] 非線形PID制御によるヒト直立姿勢動揺モデルの解析2013

    • 著者名/発表者名
      橋詰幸治, 舩戸徹郎, 青井伸也, 冨田望, 土屋和雄
    • 学会等名
      第25回自律分散システム・シンポジウム
    • 発表場所
      仙台市・東北大学 片平さくらホール
    • 年月日
      20130125-20130125
  • [学会発表] 左右分離型トレッドミルにおける肢間協調制御を用いた2脚ロボットの適応的歩行生成2013

    • 著者名/発表者名
      藤木聡一朗, 青井伸也, 泉田啓, 土屋和雄
    • 学会等名
      第25回自律分散システム・シンポジウム
    • 発表場所
      仙台市・東北大学 片平さくらホール
    • 年月日
      20130125-20130125
  • [学会発表] 歩行および姿勢の適応制御における小脳の役割2013

    • 著者名/発表者名
      柳原大
    • 学会等名
      新潟リハビリテーション大学スキルアップセミナー
    • 発表場所
      新潟県村上市
    • 年月日
      2013-03-10
    • 招待講演
  • [学会発表] ヒト歩容遷移時におけるEMG解析2012

    • 著者名/発表者名
      勝部晃將, 冨田望, 舩戸徹郎, 青井伸也, 土屋和雄
    • 学会等名
      第13回システムインテグレーション部門講演会
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      20121219-20121219
  • [学会発表] バネ付き床を用いたヒトの走行運動の調整機構の解析2012

    • 著者名/発表者名
      藤原直, 舩戸徹郎, 冨田望, 青井伸也, 土屋和雄
    • 学会等名
      第13回システムインテグレーション部門講演会
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      20121219-20121219
  • [学会発表] WSTA法を用いたヒトの歩行運動の位相応答曲線の導出2012

    • 著者名/発表者名
      山本雄基, 舩戸徹郎, 青井伸也, 冨田望, 土屋和雄
    • 学会等名
      第13回システムインテグレーション部門講演会
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      20121219-20121219
  • [学会発表] A system model that focuses on kinematic synergy for understanding human control structure2012

    • 著者名/発表者名
      T. Funato, S. Aoi, N. Tomita, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics
    • 発表場所
      Guangzhou, China
    • 年月日
      20121211-20121211
  • [学会発表] Cusp catastrophe embedded in gait transition of a quadruped robot driven by nonlinear oscillators with phase resetting2012

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi, D. Katayama, S. Fujiki, T. Kohda, K. Senda, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics
    • 発表場所
      Guangzhou, China
    • 年月日
      20121211-20121211
  • [学会発表] Improving adaptive walking of a biped robot on a splitbelt treadmill by controlling the interlimb coordination2012

    • 著者名/発表者名
      S. Fujiki, S. Aoi, K. Senda, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics
    • 発表場所
      Guangzhou, China
    • 年月日
      20121211-20121211
  • [学会発表] ヒトの直立姿勢動揺の非線形PID制御モデルの提案,2012

    • 著者名/発表者名
      橋詰幸治, 舩戸徹郎, 青井伸也, 冨田望, 土屋和雄
    • 学会等名
      計測自動制御学会 システム・情報部門 学術講演会
    • 発表場所
      名古屋市・ウィルあいち 愛知県女性総合センター
    • 年月日
      20121122-20121122
  • [学会発表] 運動学シナジーに基づくヒト歩行制御系の力学解析2012

    • 著者名/発表者名
      舩戸徹郎, 青井伸也, 冨田望, 土屋和雄
    • 学会等名
      第30回日本ロボット学会学術講演会
    • 発表場所
      札幌コンベンションセンター
    • 年月日
      20120918-20120918
  • [学会発表] 左右分離型トレッドミルにおける非線形振動子を用いた2脚ロボットの適応的歩行生成2012

    • 著者名/発表者名
      藤木聡一朗, 青井伸也, 舩戸徹郎, 冨田望, 土屋和雄
    • 学会等名
      第18回創発システムシンポジウム
    • 発表場所
      同志社びわこリトリートセンター
    • 年月日
      20120901-20120901
  • [学会発表] 予測的姿勢調節における小脳の役割-脊髄小脳変性症3型マウスモデルを用いた研究-2012

    • 著者名/発表者名
      山浦洋, 平井宏和, 柳原大
    • 学会等名
      第18回創発システムシンポジウム
    • 発表場所
      同志社びわこリトリートセンター
    • 年月日
      20120901-20120901
  • [学会発表] 生物に学ぶ適応的自律移動メカニズム2012

    • 著者名/発表者名
      青井伸也
    • 学会等名
      日本航空宇宙学会 関西支部 第437回航空懇談会
    • 発表場所
      京都大学
    • 年月日
      20120713-20120713
    • 招待講演
  • [学会発表] Emergence of hysteresis in gait transition of a hexapod robot driven by nonlinear oscillators with phase resetting2012

    • 著者名/発表者名
      S. Fujiki, S. Aoi, T. Kohda, K. Senda, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      the 4th IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics
    • 発表場所
      Rome, Italy
    • 年月日
      20120627-20120627
  • [学会発表] Analysis of rhythm adjustment mechanism of human locomotion against horizontal perturbation2012

    • 著者名/発表者名
      T. Funato, Y. Yamamoto, S. Aoi, N. Tomita, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      the 4th IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics
    • 発表場所
      Rome, Italy
    • 年月日
      20120627-20120627
  • [学会発表] Hindlimb obstacle avoidance during rat locomotion based on a neuromusculoskeletal model2012

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi, N. Hayashi, T. Kondo, D. Yanagihara, S. Aoki, H. Yamaura, N. Ogihara, T. Funato, N. Tomita, K. Senda, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      the 4th IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics
    • 発表場所
      Rome, Italy
    • 年月日
      20120626-20120626
  • [学会発表] システム工学から見た歩行CPGの機能とモデル化2012

    • 著者名/発表者名
      青井伸也
    • 学会等名
      第6回Motor Control研究会
    • 発表場所
      岡崎市・岡崎コンファレンスセンター
    • 年月日
      20120622-20120622
    • 招待講演
  • [学会発表] 運動学シナジーに基づくヒトの歩行制御機構の力学解析2012

    • 著者名/発表者名
      舩戸徹郎, 青井伸也, 冨田望, 土屋和雄
    • 学会等名
      第6回Motor Control研究会
    • 発表場所
      岡崎市・岡崎コンファレンスセンター
    • 年月日
      20120622-20120622
  • [学会発表] ヒト歩容遷移運動時のキネマティクスデータ解析2012

    • 著者名/発表者名
      冨田望, 上江洲佑典, 勝部晃將, 舩戸徹郎, 青井伸也, 土屋和雄
    • 学会等名
      第6回Motor Control研究会
    • 発表場所
      岡崎市・岡崎コンファレンスセンター
    • 年月日
      20120622-20120622
  • [学会発表] 小脳機能:姿勢と歩行の制御と学習における役割2012

    • 著者名/発表者名
      柳原大
    • 学会等名
      青雲会病院リハビリテーション部研修会
    • 発表場所
      鹿児島県姶良市
    • 年月日
      20120610-20120610
    • 招待講演
  • [学会発表] ヒトの直立姿勢時の積分補償付き間欠制御モデルの提案2012

    • 著者名/発表者名
      橋詰幸治, 舩戸徹郎, 冨田望, 土屋和雄
    • 学会等名
      ロボティクス・メカトロニクス講演会2012
    • 発表場所
      アクトシティ浜松
    • 年月日
      20120529-20120529
  • [学会発表] ヒト歩行運動に内在する低次元構造とシステムモデル2012

    • 著者名/発表者名
      青井伸也
    • 学会等名
      第18回創発システム・シンポジウム
    • 発表場所
      同志社びわこリトリートセンター
    • 年月日
      2012-09-02
    • 招待講演
  • [図書] 第6章 歩行・走行と大脳皮質, 歩行と走行の脳・神経科学 -その基礎から臨床まで-,編) 大築立志, 鈴木三央, 柳原大2013

    • 著者名/発表者名
      森大志, 中陦克己
    • 総ページ数
      248
    • 出版者
      市村出版, 東京

URL: 

公開日: 2014-07-24  

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