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．

左右分开的跑步机通过左右腿以不同的速度移动皮带，创造了一个不对称的步行环境，这使得研究步行中的适应性功能成为可能。众所周知，人类左右分开的跑步机行走表现出两种不同的适应时间尺度：典型的立即适应和渐进适应，特别是，研究表明，小脑的贡献先于渐进适应。为了了解人类左右分离跑步机行走的适应机制，本研究提出了一种基于生理知识的神经控制模型，并利用双足机器人从结构角度实现了该模型，并通过实验进行了验证。我们专注于基于预测的身体运动和感觉与实际获得的感觉之间的误差信息的运动命令的调整功能，据说小脑对此做出了主要贡献，我们构建了一个关于设计值之间的误差的评估函数。我们在机器人控制系统中引入了改变机器人节奏的功能。通过机器人行走实验，我们发现人类行走的占空比（站立相位与一个行走周期的比率）、左右腿的相对相位、重心轨迹等人类行走特征地面反作用力的压力与人类的适应和逐渐适应的趋势相似。特别是，根据这次提出的误差信息进行了运动节奏调整，确认了机器人逐渐适应。这些结果表明，所提出的模型可以解释人类固有的控制结构。此外，为了从生理角度详细检验该控制模型的有效性，我们已经开始使用左右分离的跑步机对大鼠进行行走实验，并且我们开始看到有效的测量结果。

项目成果

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Hindlimb splitbelt treadmill walking of a rat based on　a neuromusculoskeletal model

基于神经肌肉骨骼模型的大鼠后肢分带式跑步机行走

DOI：
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
0
作者：
S.Fujiki; S.Aoi; D.Yanagihara; T.Funato; N.Tomita; N.Ogihara; K.Senda; K.Tsuchiya
通讯作者：
K.Tsuchiya

Adaptation mechanism of interlimb coordination in human split-belt treadmill walking through learning of foot contact timing: a robotics study.

通过学习足部接触时间来实现人体分带式跑步机行走肢体间协调的适应机制：一项机器人研究。

DOI：
10.1098/rsif.2015.0542
发表时间：
2015
期刊：
影响因子：
3.9
作者：
Soichiro Fujiki; Shinya Aoi; Tetsuro Funato; Nozomi Tomita; Kei Senda;Kazuo Tsuchiya.
通讯作者：
Kazuo Tsuchiya.

Investigating adaptation in hindlimb split-belt treadmill walking by rats using kinematic measurement and a neuromusculoskeletal model

使用运动学测量和神经肌肉骨骼模型研究大鼠后肢分带式跑步机行走的适应性