近年, 高齢化に伴う要介護・要支援者の増加が大きな問題となっており, 未然に防止することが重要となっている. 我々は要介護となる要因の一つである運動器障害に着目し, 人間が行う基本的な動作である歩行や走行を対象として, 体幹と骨盤の回旋運動から歩行を支援する回旋運動補助システムを開発しており, 日常的な運動を促し運動機会を増加させることで運動器障害の予防を目指す. 回旋運動補助では体幹と骨盤の間に相対的な回旋運動を与えることで歩行・走行時の運動を効率の良い動作へ改善する. 歩行・走行といったダイナミックな動作に対して補助を与え動作を改善するにあたり, 人間の現在行っている動作に合わせた補助を行う必要がある. そこで, 本研究では人間の歩行・走行動作に適応した回旋運動補助を与えることで歩行・走行を支援するシステムを構築する.我々が提案する回旋運動補助では制御系に拡張型周期入力制御を導入することにより,人間の動作周期に合わせた補助を適用可能としており, 運動周期の変化に応じて適切な補助力を与えられる. また, 制御パラメータの変更により補助力を運動に対して先行もしくは遅延する形で与えるよう調整が行えるため, 運動の促進もしくは抑制が可能である.本研究では, 上記装置を利用して回旋運動補助を実施するにあたり, Spinal Engine 理論にて提唱されている人間の上半身と下半身のエネルギフローに着目し, 歩行・走行運動中に発生するエネルギロスを, 装置による運動への介入にて一部補填することで, 運動規模を維持するために人間が投入していたエネルギ分を代替, 人間にとって負担が少なくなるよう補助を提供するシステムの実現を目的とする.まず, 回旋運動補助装置の設計・開発を行った. 歩行中に人間の体幹と骨盤の間で発生している運動を計測した結果, 回旋運動の他に前後屈, 側屈動作が行われており, これらの運動が制限された際には歩行の運動規模は縮小され, 負担が大きくなっていたため, 装置により運動に介入する際にはこれらの運動が制限されないよう, フレキシブルな構造とした. この装置に拡張型周期入力制御を導入, 脚の動きから歩行・走行動作を把握し, その動作に応じた補助を与える.次に, 回旋補助による効果検証のため歩行および走行実験を実施した. 実際に装置を装着し, 歩行または走行動作中に回旋補助力を与え, その際の運動の変化および表面筋電位を計測した結果, 歩行運動において高齢者歩容の改善効果および大腿筋, 大臀筋の負担低減効果を確認した. また, 力学モデルによる解析により歩行中のエネルギ損失を約1 割軽減し, エネルギ的に損失が少ない動作に変化したことを確認した.さらに, 走行動作への補助実験において, 回旋補助により上半身と下半身のエネルギフローの改善についてシミュレーションにて検証した. 今後, 回旋補助による走行動作の変化を表現するため, 走行運動の生成による検証が容易となるよう, 単純なモデルにて走行を表現する. 我々は, 質量とバネにて構成された1 リンクモデルで走行を表現するSLIP モデルをベースに, 回旋動作を表現できる拡張SLIP モデルを作成した. 作成したモデルよるシミュレーションにより, 走行中の上半身と下半身における角運動量を比較した結果, 回旋補助により角運動量差が約6.1%低減されることを確認した. また, 上半身と下半身の間で発生しているエネルギフローから, 理想的な走行を維持するための外部から投入すべき必要トルクを算出し, 開発した回旋補助装置の制御系が出力する補助トルクと比較したところ, 補助率は約5.6%となり, 回旋補助により低減された角運動量差の量と同程度であることを確認した. これより, 開発したシステムにより走行運動の改善が行えることが示唆されたほか, 拡張SLIP モデルを用いたエネルギフロー改善のための制御系設計手法の構築可能性を示した.
In recent years, the increase in the number of people requiring nursing care and support accompanying aging has become a major problem, and it is important to prevent it in advance. We focus on musculoskeletal disorders, one of the factors that require nursing care, and support the walking movement from the trunk and pelvic rotation to support the walking and running, which are the basic actions performed by humans. We are developing a system that aims to prevent musculoskeletal disorders by promoting daily exercise and increasing exercise opportunities. Trunk and pelvic rotation assist is improve the motion during walking and running to efficient motion by giving a relative rotational motion between the trunk and pelvis. In order to improve efficiency by providing assistance for dynamic motion such as walking and running, it is necessary to provide assistance that matches the current motion of human beings. In this study, we develop a system that assists walking and running by providing rotational motion assistance adapted to human walking and running motion. In our proposed rotational motion assist system, by introducing a periodic input control to the control system, it is possible to apply assist that matches the human motion cycle, and to provide an appropriate assist force according to changes in the motion cycle. Therefore, it is possible to give assistance to humans while reducing the restriction of motion by the device. In addition, the assistance can proceed or delay the motion by adjusting a control parameter, so that the motion can be controlled to promote or suppress the exercise. In this study, we focus on the energy flow of the upper and lower body of the human body proposed in the Spinal Engine Theory to assist in the rotational motion using the device, and to reduce the energy loss that occurs during walking and running motion. The aim is to realize a system that provides assistance to reduce the burden on humans by substituting part of the energy that was input by humans to maintain the scale of movement, by partially compensating for movements with devices. First, we designed and developed the trunk and pelvic rotation assist device. As a result of measuring the movements occurring between the human trunk and pelvis during walking, anteroposterior bending and lateral bending movements were performed in addition to the rotation movements. When these movements were restricted, the scale of walking was reduced and the burden increased. For that reason, a flexible structure was adopted so that these motions were not restricted when intervening in the exercise by the device. This system introduces periodic input control, measures walking and running motion from leg motion, and gives assistance corresponding to the walking and running motion. Next, walking and running experiments were performed to verify the effect of the trunk and pelvic rotation assist. With the device actually worn, a rotation assisting force was applied during walking or running, and changes in movement and surface-EMG were measured. As a result, it was confirmed that the elderly gait was improved and reduced the burden on the thigh muscles and gluteal muscles. In addition, it was confirmed by analysis using a dynamic model that energy loss during walking was reduced by about 10%, and the operation changed to a low energy loss motion. Moreover, in the experiment for assisting running motion, the improvement of energy flow in the upper body and lower body with rotation assist was verified by simulation. In the future, in order to express the change of the running motion due to the rotation assist, we will express the running with a simple model so that the verification by generating the running motion is easy. We have developed an extended SLIP model that can express the rotational motion based on the SLIP model that represents running by one-link model composed of mass and spring. By comparing the angular momentum between the upper body and lower body during running by simulation using the created model, it was confirmed that the angular momentum difference was reduced by about 6.1% by the rotation assist. Also, based on the energy flow generated between the upper and lower body, the required torque to be applied from the outside to maintain ideal running is calculated, and the assistive torque output by the control system of the developed rotation assist device is calculated. As a result of comparison, the assist rate was about 5.6%, confirming that it was about the same as the amount of angular momentum difference reduced by the rotation assist. This suggests that the running system can be improved by the developed system and that the control system design method for energy flow improvement using the extended SLIP model can be constructed.
(主査) 准教授 田中 孝之, 教授 金子 俊一, 教授 近野 敦
情報科学研究科（システム情報科学専攻）