歩行運動の生成と制御に関する実験・理論的研究

步行运动产生与控制的实验与理论研究

• 批准号: 09268224
• 负责人: 佐藤 俊輔
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09268224/
• 关键词: 歩行運動; CPG; 摂動; 位相遷移曲線; 歩行モデル

柔軟な安定性をもつ歩行運動の生成制御メカニズムを力学系の枠組で捉え歩行運動の制御機構を明らかにすることが本研究の目的である.摂動によりCPGの周期ダイナミクスが乱され,それが小脳からCPGへの周期的な制御信号により,再びある種の周期性を回復する過程は,周期的制御信号を受ける非線形振動子系でモデル化される.そのために,次の4つのレベルで研究を進めている:(1)外乱に対する歩行運動の計測とその応答の解析.(2)神経系による歩行運動パターン生成機構のモデル化.(3)神経系・筋骨格系・外部環境の相互作用のモデル化.(4)高次中枢による神経-骨格系の制御機構のモデル化.ここでは,(1)と(3)についてのみ報告する.(1)は比較的計測の簡単なヒトを用いて行っている.トッレッドミル上を一定速度・一定リズムで歩行する被験者の左右両肢の6関節角の時間変化を計測した.一脚の下腿にヒモを取り付け,歩行サイクルの様々なタイミング(位相)で被験者の後方から張力摂動を加えた.振動によって歩行リズムがどの程度変位したかが分かる.さらに,最終的に位相シフトの大きさが確定するまでの過渡的状態において左右肢の各関節サイクルの相対位相が摂動の位相に依存してどのように変化するかを解析した.このような摂動の位相に依存した応答に力学系の観点から解釈を与えた.(3)ここでは,剛体リンクモデルによってヒトの二足歩行のモデル化を行なった.各関節間に単関節筋を仮定し,その関節トルクによって剛体が運動するものとした.また,モデルは,大きな粘性を伴う硬い非線形バネからなる床反力のモデルを通じて床と相互作用するものとした.(1)で得られた計測データをモデルに入力し,摂動のない場合,および摂動を加えたときの各関節にかかるトルクを推定した.また,フィードバック制御を用いて自律歩行のモデルを構築し,(1)で示された摂動に対する歩行リズムのリセットを制御に採り入れ,その影響を定量的に調べた.

本研究的目的是通过了解来自 CPG 的周期性控制信号的柔性稳定性步行运动的生成控制机制来阐明步行运动的控制机制。根据这个问题，使用接收周期性控制信号的非线性振荡器系统对恢复某种周期性的过程进行建模。为此，我们正在以下四个层面进行研究：（1）步行运动的扰动测量和(2) 神回应的分析。横向系统产生行走运动模式的机制的建模（3）神经系统、肌肉骨骼系统和外部环境之间的相互作用的建模（4）神经骨骼系统的控制机制的建模。现在，我只报告（1）和（3）。这是利用相对容易测量的人类来完成的。我们测量了受试者在跑步机上以恒定速度和节奏行走的左右肢的六个关节角度的时间变化。一条腿的小腿，在步态周期的不同时间（阶段）。从受试者背后施加张力扰动，可以看出步行节奏因振动而偏移了多少。此外，在瞬态状态下测量了左右肢各关节的相对周期，直到相位的大小。最终确定的相位取决于扰动的相位。我们从动力系统的角度分析了此类扰动的相位相关响应如何变化。 (3) 在这里，我们使用刚性连接模型来模拟人类双足运动，并且假设每个关节之间有一个关节肌肉。假设刚体由于关节扭矩而移动。该模型还假设通过由大粘度硬非线性弹簧组成的地面反作用力模型与地板相互作用。将（1）中获得的测量数据输入到模型且无扰动，以及施加扰动时施加到每个关节的扭矩。我们还使用反馈控制构建了自主步行模型，并将响应于扰动的步行节奏的重置（如（1）所示）纳入控制中，我们定量研究了这一点。这个效果。

项目成果

野村泰伸, 佐伯泰広, 佐藤俊輔: "心臓不整脈の力学系モデル" 第12回生体生理工学シンポジウム報告集. 137-140 (1997)

Yasunobu Nomura、Yasuhiro Saeki、Shunsuke Sato：“心律失常的动力系统模型”第12届生物生理工程研讨会报告137-140（1997）。

小林誠, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 佐藤俊輔: "二足歩行運動の動的安定性" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-48. 63-70 (1997)

Makoto Kobayashi、Yasunobu Nomura、Khashayar Pakdaman、Shunsuke Sato：“双足运动的动态稳定性”IEICE 技术报告，ME 和生物控制论 MBE97-48 (1997)。

M.Stiber, J.F.Vibert, E.Boussard, K.Pakdaman, J.P.Segundo, T.Nomura, S.Sato, S.Doi: "Complex responses of living neurons to pacemaker inhibition : a comparison of dynamical models" BioSystems. 40. 177-188 (1997)

M.Stiber、J.F.Vibert、E.Boussard、K.Pakdaman、J.P.Segundo、T.Nomura、S.Sato、S.Doi：“活神经元对起搏器抑制的复杂反应：动力学模型的比较”BioSystems。

濱口幸子, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 佐藤俊輔: "1次元興奮性ケーブルの興奮波伝導特性" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-47. 55-62 (1997)

Sachiko Hamaguchi、Yasunobu Nomura、Khashayar Pakdaman、Shunsuke Sato：“一维兴奋性电缆的兴奋波传导特性”IEICE 技术报告，ME 和生物控制论 MBE97-47 (1997)。

前田義信, Khashayar Pakdaman, 野村泰伸, 土居伸二, 佐藤俊輔: "神経細胞の簡約化に対する考察" 第12回生体生理工学シンポジウム報告集. 81-84 (1997)

Yoshinobu Maeda、Khashayar Pakdaman、Yasunobu Nomura、Shinji Doi、Shunsuke Sato：“关于神经元简化的考虑”第 12 届生物生理工程研讨会论文集 81-84 (1997)。