２脚ロボットを用いたヒト左右分離型トレッドミル歩行における適応機序の構成論的理解

双足机器人对人类左右分离跑步机行走自适应机制的建设性理解

基本信息

批准号：
14J02718
负责人：
藤木聡一朗
金额：
$ 1.45万
依托单位：
The University of Tokyo (2015)Kyoto University (2014)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J02718/
关键词：
歩行ヒト左右分離型トレッドミルロボット小脳

项目摘要

左右分離型トレッドミルは左右の脚に対して異なる速度でベルトを動かすことで左右非対称な歩行環境を作り出し，これによって歩行における適応機能を調べることができる．ヒトの左右分離型トレッドミル歩行では，特徴的な即時的な適応と緩やかな適応の２つのタイムスケールの異なる適応が見られることが知られており，特に緩やかな適応には小脳の寄与が先行研究により示唆されている．このヒトの左右分離型トレッドミル歩行における適応メカニズムの理解に向けて，本研究では生理学的知見に基づく神経制御モデルの提案を行い，構成論的観点からこれを実装した２脚ロボットを用いた歩行実験による検証を行った．小脳が大きく寄与しているとされている身体運動・感覚の予測と実際に得られる感覚との間の誤差情報に基づいた運動指令の調整機能に着目し，左右分離型トレッドミルが作り出す左右ベルト間の速度差によって乱された歩行中の左右脚の接地タイミングに対して，その接地タイミングの設計値と実際の値との誤差に関する評価関数を構築し，その評価関数に基づいて左右の脚運動のリズムを変更する機能をロボットの制御系に導入した．ロボットによる歩行実験を行った結果，デューティー比（歩行1周期に対する立脚期の割合）や，左右脚の相対位相，及び，床反力の圧力中心軌跡などの歩行の特徴量にヒトの即時的な適応と緩やかな適応と同様の傾向が見受けられた．特に今回提案した誤差情報に基づく運動のリズム調整によって，ロボットに緩やかな適応が生じていることが確認された．この結果から，本提案モデルがヒトに内在する制御構造を説明することができると示唆される．更に，この制御モデルの妥当性を生理学的側面から詳細に調べるために、ラットを用いた左右分離型トレッドミルの歩行実験にも着手し，計測から妥当な結果も出始めているところである．

左右跑步机以不同的速度相对于左右腿移动皮带，以创建一个不对称的步行环境，这使您可以检查步行的适应性功能。众所周知，人类在人类跑步机行走，独特的直接和温和适应中具有不同的时间尺度适应，并且先前的研究表明，小脑特别有助于逐步适应。为了了解人类流行跑步机的自适应机制，这项研究提出了一种基于生理知识的神经控制模型，并使用步行实验使用两足机器人进行了验证，该机器人从本构的角度实现了这一点。关注基于错误信息调整电机命令的功能，在预测身体运动和感觉之间，据说这是对小脑的主要贡献，以及实际感觉，我们为接地时机的设计价值与在步行过程中的左右距离之间的实际距离之间的实际范围和左右距离之间的实际价值之间的误差构建了一个评估功能，这是左和右路之间的距离，这是在步行范围内的距离，而左路的距离和右右则相差，这是在步行范围内的距离，这是左右的距离，这是在步行中的范围和右手之间的差异，这是右边的距离，这是在步行中的范围和右手的距离之间的差异。跑步机，并引入了一个函数，以根据评估函数来改变左和右腿运动的节奏。由于使用机器人步行实验，我们发现了与人类的立即和逐步适应的趋势，例如占空比（姿势阶段与一个步行循环的比率），左和右腿的相对相以及地板反应力的压力中心轨迹。特别是，已经证实，基于提出的错误信息的运动节奏调整导致机器人的温和适应。这些结果表明，该提出的模型可以解释人类固有的调节结构。此外，为了从生理角度研究该控制模型的有效性，我们还开始使用大鼠在左右跑步机上进行步行实验，并且从测量结果中开始出现合理的结果。