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研究テーマ
IT・IoT・AI・ロボティクス
学科の分類
工学部電気電子システム工学科

腕振り運動の科学 腕振りと体幹のひねりによる歩行補助

工学部

電気電子システム工学科

ロボティクス研究室

田熊隆史 教授

ヒトが歩行時に腕振りや体幹捻りを無意識に行う理由は，当たり前のように見えてまだ解明していない問題の一つです．この問題を解決することでヒト，特に高齢者の運動能力の向上だけでなく，ロボットの新しい運動生成方法の提案など，様々な発展が期待できます．本研究ではヒトの上半身を簡単なモデルで表し，腕の前後方向の振りと，それに応じて回転する体幹の捻りが足裏にかかる力にどのような影響を与えるか調べています．調査の結果，腕は前後対象で無く非対称に振ると良いこと，体幹は柔軟性をもって捻ると良いこと，柔らかさを変えることで二足歩行が促進できることが分かってきました．また二脚歩行ロボットを試作し，歩行が可能であることも分かりました．

はじめに

二本足で立つ我々ヒトの歩行は，四本足の動物に比べ大変不安定なものとなります．皆さんも小さい頃（今も？）ホウキを逆さまにして手のひらの上で立たせる遊びをしたことがあると思いますが，ホウキを立たせたままにすることは結構難しいです．更に先端部分が重くなったらどうなるか･･･すぐに倒れてしまいます．ヒトの歩行はまさにその状態で，脚の上に重い体幹や腕などがあり，従来歩行の制御を難しくさせる要因のひとつとなっていました．

このような身体構造である我々の歩行を観察すると，上半身で面白い動きをしていることが分かります．腕はまっすぐでも良いにも関わらずブラブラ振っていますし，体幹もわずかに捻っているようです．このような運動は当たり前のように思えますが，運動のメカニズムはまだはっきり分かっていません．本研究は，ヒトが不安定な身体構造でありながら無意識に歩ける理由はここにあるのではないか？と考え，腕の振りと体幹の捻りの組み合わせが歩行に及ぼす影響を調べることにしました．

調査にあたって，人の上半身を右図のような単純なモデルとしました．このモデルでは体幹を捻る関節（体幹関節）がバネとダンパで支えられています．また腕振りおもりが前後に移動するとしています．また歩行の安定性として，足裏にかかる力の重心である床反力中心(CoP)の位置を算出しました．CoPは，たとえば前傾姿勢になって足先側に力が大きく加わるとき，その位置は前方になります．このCoPが自身を支える足裏（支持脚足裏）のなかにあるとき，歩行は転倒しないことが知られています．このCoPが腕振りと体幹捻りによりどのような軌道になるかを解析的に求めました．

 

 

モデルを用いた解析と実機による検証

　解析にあたり，直立の姿勢でのCoPの軌道を算出しました．算出した結果，いくつか面白い現象が発生していることが分かりました．ひとつは腕振りと体幹の捻りを組み合わせると，CoPは左右にのみ移動する（前後に移動しない）ことです．これより，腕の振り方と体幹の柔らかさを調整することで歩行中に地面と接触している側の足にCoPを移動させることが可能であることが分かりました．もう一つの面白い現象は，前後の腕振りを「非対称」にすることでCoPが左右に移動することです．つまり，肩を中心に前方および後方に同じ距離だけ腕（質量）を移動させるのではなく，前方もしくは後方にずれたところを中心に腕を動かすことでCoPが移動することです．

 

解析で得られた結果を検証するため，実機を試作しました．ロボットはヒトの筋肉を模した空気圧人工筋により駆動します．また体幹部には椎骨と椎間板を模した材料で構成し，椎間板には粘弾性を有するゴムを用いました．腕の筋肉に空気を給排気することで腕振りが可能です．直立の姿勢で腕を振って足裏にかかる力からCoPを測定したところ，下図のように左右方向にCoPが移動することが分かりました．そこで脚を駆動する筋肉に空気を給排気して，腕振りに合わせて脚を前後させてみると，右の動画と図のように，わずかですが歩行が可能であることを確認しました．これにより，腕振りと体幹の捻りが歩行運動を促進させている可能性が示されました．

おわりに

本研究では「腕振り」「体幹捻り」という無意識な運動の中に潜むダイナミクスを明らかにして，歩行の補助になり得ることを解析と実機により証明しました．ヒトは歩行に限らず様々な運動を全身を使って行っていると言われています．ヒトが無意識に行っている所作が運動に大きな影響を与えている可能性があり，それを明らかにすることは運動の理解にとどまりません．難しい運動を簡単にさせる「コツ」の発見や，老化により運動が難しくなっても運動が促せる要素になり得ると考えます．これからもこのような運動のメカニズムの解明にあたっていきたいと思います．

研究者INFO: 工学部 電気電子システム工学科 ロボティクス研究室 田熊隆史 教授

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