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

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23360111
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 知能機械学・機械システム
• 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, 大学院・総合文化研究科, 准教授 (90252725) ; 土屋 和雄 京都大学, 工学研究科, 名誉教授 (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 京都大学, 理学研究科, 特定研究員 (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 / ロボット / シミュレーション

研究概要

脳・身体・環境の相互作用から生み出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，ヒト・サル・ラットを対象に，計測データから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．その結果，ヒト運動解析では，位相応答曲線を同定して位相調整機構を明らかにし，サル運動解析では，４足・２足歩行での一次・補足運動野の寄与，ラット運動解析では，障害物跨ぎ越し歩行での小脳皮質の寄与を明らかにした．構成論的研究では，ラット神経筋骨格モデルや２脚ロボットを用いて，高度踏破性・頑健性に寄与する神経制御系の役割を検証した．

研究成果

• [雑誌論文] Simple legged robots that reveal biomechanical and neuromechanical functions in locomotion dynamics (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi
  • 雑誌名: J. Robot. Mechatron 巻: 26(1) ページ: 98-99
  • URL: http://www.fujipress.jp/finder/xslt.php?mode=present&inputfile=ROBOT002600010013.xml
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hysteresis in the metachronal-tripod gait transition of insects : A modeling study (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Fujiki, S. Aoi, T. Funato, N. Tomita, K. Senda, and K. Tsuchiya
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 巻: 88(1) ページ: 012717
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.88.012717
  • 査読あり
• [雑誌論文] 運動学シナジーに基づくヒトの歩行制御構造の構成論的理解 (2013)
  • 著者名/発表者名: 舩戸徹郎, 青井伸也, 冨田望, 土屋和雄
  • 雑誌名: 日本ロボット学会誌 巻: 31(8) ページ: 739-746
  • DOI: 10.7210/jrsj.31.739
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adaptive splitbelt treadmill walking of a biped robot using nonlinear oscillators with phase resetting (2013)
  • 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] Contributions of phase resetting and interlimb coordination to the adaptive control of hindlimb obstacle avoidance during locomotion in rats : a simulation study (2013)
  • 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: Biol. Cybern 巻: 107(2) ページ: 201-216
  • DOI: 10.1007/s00422-013-0546-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] A stability-based mechanism for hysteresis in the walk-trot transition in quadruped locomotion (2013)
  • 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 locomotion (2013)
  • 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] Lesion in the lateral cerebellum specifically produces overshooting of the toe trajectory in leading forelimb during obstacle avoidance in the rat (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Aoki, Y. Sato, and D. Yanagihara
  • 雑誌名: J. Neurophysiol 巻: 110(7) ページ: 1511-1524
  • DOI: 10.1152/jn.01048
  • 査読あり
• [雑誌論文] Postural dysfunction in a transgenic mouse model of spinocerebellar ataxia type 3 (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Yamaura, H. Hirai, and D. Yanagihara
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 243 ページ: 126-135
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2013.03.044
  • 査読あり
• [雑誌論文] Qualitative comparison between rats and humans in quadrupedal and bipedal locomotion (2013)
  • 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] Estimating the phase response curve of human walking using WSTA method (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Funato, Y. Yamamoto, S. Aoi, N. Tomita, T. Imai, T. Aoyagi, and K. Tsuchiya
  • 雑誌名: Proc. SICE Annu. Conf. 2013 ページ: 1298-1299
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neuromusculoskeletal model of human running based on muscle synergy (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi, T. Funato, N. Tomita, and K. Tsuchiya
  • 雑誌名: Proc. 5th Int. Symp. Measurement, Analysis and Modelling of Human Functions ページ: 6-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental validation of nonlinear PID control model for human sway during standing (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Funato, K. Hashizume, S. Aoi, N. Tomita, and K. Tsuchiya
  • 雑誌名: Proc. 5th Int. Symp. Measurement, Analysis and Modelling of Human Functions ページ: 10-13
  • 査読あり
• [雑誌論文] The contribution of kinematic synergy on feedback control of human walking (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Funato, S. Aoi, N. Tomita, and K. Tsuchiya
  • 雑誌名: Proc. the 6th Int. Symp. Adaptive Motion of Animals and Machines 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 locomotion (2012)
  • 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] Sensory regulation of stance-to-swing transition in generation of adaptive human walking : a simulation study (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi, N. Ogihara, T. Funato, and K. Tsuchiya
  • 雑誌名: Robot. Auton. Syst 巻: 60(5) ページ: 685-691
  • DOI: 10.1016/j.robot.2011.12.005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characteristics of leading forelimb movements for obstacle avoidance during locomotion in rats (2012)
  • 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, ho15J (2012)
  • 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 coordination (2012)
  • 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 resetting (2012)
  • 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 structure (2012)
  • 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 model (2012)
  • 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 resetting (2012)
  • 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 perturbation (2012)
  • 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
• [雑誌論文] Hysteresis in the gait transition of a quadruped investigated using simple body mechanical and oscillator network models (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi, T. Yamashita, and K. Tsuchiya
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 巻: 83(6) ページ: 061909
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.83.061909
  • 査読あり
• [雑誌論文] Forward dynamic simulation of bipedal walking in the Japanese macaque : Investigation of causal relationships among limb kinematics, speed, and energetics of bipedal locomotion in a non-human primate (2011)
  • 著者名/発表者名: N. Ogihara, S. Aoi, Y. Sugimoto, K. Tsuchiya, and M. Nakatsukasa
  • 雑誌名: Am. J. Phys. Anthropol 巻: 145(4) ページ: 568-580
  • DOI: 10.1002/ajpa.21537
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hoffman reflex in a rat bipedal walking model (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Hosoido, M. Goto, Y. Sano, F.Mori, K. Nakajima, F. Morita, N. Wada
  • 雑誌名: Neurosci. Lett 巻: 505 ページ: 263-267
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2011.10.035
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generation of adaptive splitbelt treadmill walking by a biped robotusing nonlinear oscillators with phase resetting (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi, S. Fujiki, T. Yamashita,T. Kohda, K. Senda, and K. Tsuchiya
  • 雑誌名: Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robot. Syst ページ: 2274-2279
  • DOI: 10.1109/IROS.2011.6094583
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental verification of hysteresis in gait transition of a quadruped robot driven by nonlinear oscillators with phase resetting (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi, S. Fujiki, D. Katayama,T. Yamashita, T. Kohda, K. Senda, and K. Tsuchiya
  • 雑誌名: Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robot. Syst ページ: 2280-2285
  • DOI: 10.1109/IROS.2011.6094480
  • 査読あり
• [雑誌論文] Human gait control suggested by the evaluation of the fluctuation of synergy (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Funato, S. Aoi, N. Tomita, K.Tsuchiya
  • 雑誌名: Proc. IEEE/SICE Int. Symp. Syst. Integr ページ: 267-272
  • DOI: 10.1109/SII.2011.6147458
  • 査読あり
• [雑誌論文] Axon diameters and conduction velocities in the macaque pyramidal tract
  • 著者名/発表者名: L. Firmin, P. Field, M. Maier, A. Kraskov, P. Kirkwood, K. Nakajima, R. Lemon, and M. Glickstein
  • 雑誌名: J. Neurophysiol 巻: (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] ニホンザルの二足歩行と一次運動野 : 重力との戦いの足跡
  • 著者名/発表者名: 中陦克己
  • 雑誌名: バイオメカニズム学会誌 巻: (in press)
• [雑誌論文] Effect of inactivation of the intermediate cerebellum on overground locomotion in the rat : a comparative study of the anterior and posterior lobes
  • 著者名/発表者名: S. Aoki, Y. Sato, and D. Yanagihara
  • 雑誌名: Neurosci. Lett 巻: (in press)
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2014.05.027
  • 査読あり
• [学会発表] Locomotion dynamics and control in humans and animals (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi
  • 学会等名: RIMS Conference / The 6th CREST-SBM International Conference
  • 発表場所: Kyoto University, Japan
  • 年月日: 2014-03-10
  • 招待講演
• [学会発表] Contribution of primary motor cortex to the control of locomotion in Japanese monkeys (2013)
  • 著者名/発表者名: 中陦克己
  • 学会等名: Professor Roger Lemon 退官記念シンポジウム
  • 発表場所: ロンドン・神経学研究所
  • 年月日: 20131205-06
  • 招待講演
• [学会発表] 生物の適応的歩行制御機構の構成論的理解 (2013)
  • 著者名/発表者名: 青井伸也
  • 学会等名: H25年度第5回ブレインウェア研究会
  • 発表場所: 東北大学電気通信研究所
  • 年月日: 2013-12-24
  • 招待講演
• [学会発表] 生物の歩行適応機能の構成論的理解 (2013)
  • 著者名/発表者名: 青井伸也
  • 学会等名: 第5回Beyond Robotics
  • 発表場所: 大阪大学 吹田キャンパス
  • 年月日: 2013-12-07
  • 招待講演
• [学会発表] Role of the cerebellum in adaptive control of posture and locomotion (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Yanagihara
  • 学会等名: Luncheon Seminar in 2nd Joint World Congress of ISPGR and Gait & Mental Function
  • 発表場所: Akita, Japan
  • 年月日: 2013-06-26
  • 招待講演
• [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: 2013-03-17
  • 招待講演
• [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] システムバイオメカニクス (2013)
  • 著者名/発表者名: 土屋和雄
  • 学会等名: 同志社大学先端バイオメカニクス研究センター2013年度研究成果発表会
  • 発表場所: 同志社大学 京田辺キャンパス
  • 年月日: 2013-03-07
  • 招待講演
• [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
• [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: 2012-07-13
  • 招待講演
• [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: 2012-06-22
  • 招待講演
• [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: 2012-06-10
  • 招待講演
• [学会発表] 霊長類の歩行運動における大脳の役割 (2012)
  • 著者名/発表者名: 中陦克己
  • 学会等名: 身体性情報学研究会シンポジウム
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2012-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] トレッドミル歩行に関連したサル一次運動野の神経細胞活動 (2012)
  • 著者名/発表者名: 中陦克己
  • 学会等名: 京都大学霊長類研究所共同利用研究会
  • 発表場所: 犬山
  • 年月日: 2012-03-10
  • 招待講演
• [図書] "Low-dimensional structures embedded in human locomotion : Data analysis and modeling", Self-organization : Theories and Methods, W.J. Zhang (Ed.) (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi
  • 総ページ数: 155-170
  • 出版者: Nova Science Publishers
• [図書] "Gait transition control of a biped robot from quadrupedal to bipedal locomotion based on central pattern generator, phase resetting, and kinematic synergy", Engineering Creative Design in Robotics and Mechatronics, M.K. Habib and J.P. Davim (Eds.) (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi
  • 総ページ数: 11-24
  • 出版者: IGI Global
• [図書] "Biologically inspired CPG-based locomotion control system of a biped robot using nonlinear oscillators with phase resetting", Interdisciplinary Mechatronics : Engineering Science and Research Development, M.K. Habib and J.P. Davim (Eds.) (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi
  • 総ページ数: 37-68
  • 出版者: Wiley-ISTE
• [図書] "歩行・走行と大脳皮質", ヒトの動きの神経科学シリーズ ・ II歩行と走行の脳 ・ 神経科学 -その基礎から臨床まで- (大築立志, 鈴木三央, 柳原大 編) (2013)
  • 著者名/発表者名: 森大志, 中陦克己
  • 総ページ数: 83-99
  • 出版者: 市村出版
• [図書] "歩行制御のシステム論的理解", ヒトの動きの神経科学シリーズ ・ II歩行と走行の脳 ・ 神経科学 -その基礎から臨床まで- (大築立志, 鈴木三央, 柳原大 編) (2013)
  • 著者名/発表者名: 青井伸也
  • 総ページ数: 100-112
  • 出版者: 市村出版
• [図書] "Adaptive walking of a biped robot using nonlinear oscillators with phase resetting", Advances in Robotics - Modeling, Control and Applications, C. Ciufudean and L. Garcí a (Eds.) (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Aoi
  • 総ページ数: 1-18
  • 出版者: iConcept Press
• [図書] ヒトの動きの神経科学シリーズ・II 歩行と走行の脳・神経科学 -その基礎から臨床まで- (大築立志, 鈴木三央, 柳原大 編) (2013)
  • 著者名/発表者名: 柳原大
  • 出版者: 市村出版