特集「創発する多脚ロボットの歩容」・展望記事

「ロコモーション・パターン創発研究の現状と今後の展望」

日本ロボット学会誌, 第41巻3号, pp.217-222, 2023

・要旨 「歩容(gait)とは本来は時空間パターンを意味するので，歩容創発においてはリズム(時間パターン)と脚間位相差(空間パターン) 両者の自律生成・遷移を同時に扱うべきである． そもそもロコモーション・パターン創発で，時間と空間を分けることに意味は無い．運動のダイナミクスは脚負荷に顕著に現れるので， 環境との相互作用を議論するならば脚負荷(接触力)をしっかり見るべきである．」

・三言 「ネコ研究の歴史は 素晴らしい，そして，面白い．ロボティクスが，ロコモーション原理の解明を通して生物学に貢献することで， サイエンスの一翼を担って欲しい．若い研究者の今後の活躍に期待します．」

・記事内で引用した研究の動画と文献

• 視床ネコのトレッドミル上・歩容遷移 by T.G. Brown (1939)： 動画(.mp4 24M)

• T.G. Brown: ``Decerebrate Cat Movie (1939),'' The basal ganglia and brainstem locomotor control, at 16min. 35sec., E. Garcia-Rill eds., 1989.
• 文献
• A. Lundberg and C.G. Phillips: ``T. Graham Brown's film on locomotion in the decerebrate cat,'' J. Physiol., vol.231, no.2, pp.90--91, 1973.
• D.G. Stuart and H. Hultborn: ``Thomas Graham Brown (1882-1965), Anders Lundberg (1920-), and the neural control of stepping,'' Brain Res. Review, vol.59, no.1, pp.74--95, 2008.

• 脊髄ネコのトレッドミル上・後二脚・歩容遷移 by S. Grillner (1980)： 動画(.mp4)

• S. Grillner: ``Spinal Cat Movie (1980),'' The basal ganglia and brainstem locomotor control, at 1min. 31sec., E. Garcia-Rill eds., 1989.
• ベルト速度の上昇により胴体ピッチ運動が発生し(22sec)，歩行か ら左右 逆位相・走行への歩容遷移が発現(24〜27sec.)， そして，さらなるベルト速度の上昇により胴体ピッチ運動の振幅が増大し(28sec.〜)，gallop相当の歩容を経て，左 右同位 相・走行(bound相当)への歩容遷移が発現した(46sec.)
• 文献
• H. Forssberg, S. Grillner and J. Halbertsma: ``The locomotion of the low spinal cat. I. Coordination within a hindlimb,'' Acta Physiol. Scand., vol.108, pp.269--281, 1980. [DOI:10.1111/j.1748-1716.1980.tb06533.x]
• H. Forssberg, S. Grillner, J. Halbertsma and S. Rossignol: ``The locomotion of the low spinal cat. II. Interlimb coordination,'' Acta Physiol. Scand., vol.108, pp.283--295, 1980. [doi:10.1111/j.1748-1716.1980.tb06534.x]

• 脊髄ネコモデルを用いたトレッドミル上・後二脚・歩行-走行・歩容遷移シミュレーション

• ベルト速度を0.14(m/s)から0.30(m/s)に増加：左右逆位相走行遷 移 実 時間(.mp4)，ス ロー(.mp4)
  • 遷移後に，胴体ロール運動・振幅が少し小さくなり，胴体ピッチ・振動が発生し たことに注目
• ベルト速度を0.14(m/s)から0.42(m/s)に増加：左右同位相走行遷 移 実 時間(.mp4)，ス ロー(.mp4)
  • 遷移後に，リズム生成主体が，胴体ロール運動から胴 体ピッチ運動に完全に遷移したことに注目
  • スロー動画を観ると，ベルト速度増加による脚負荷パターン変化のため，次のステップで直ちに同位相着地に遷移していることが分かる． ベルト速度0.39(m/s)の場合にはしばらく着地時・位相差が残り，腰伸展の効果により8ステップ目に同位相着地となる： スロー(.mp4)．
  • 同位相への歩容遷移については，今後，他の論文にて詳細を発表予定
• ベルト速度を0.14(m/s)から0.3(m/s),0.42(m/s),0.6(m/s)と段階的に増加： 段階的遷移 実時間(.mp4)
  • 0.14(m/s)：逆位相歩行，0.3(m/s)：逆位相走行，0.42(m/s)：同位相走行，0.6(m/s)：同位相走行
• ベルト速度を0.14(m/s)から0.3(m/s),0.42(m/s)と増加，その後，0.3(m/s),0.14(m/s)と減少：可逆性 実 時間 (.mp4)
  • 0.14(m/s)：歩行，0.3(m/s)：逆位相走行，0.42(m/s)：同位相走行，0.3(m/s)；逆位相走 行，0.14(m/s)：歩行
  • 自律歩容遷移を謳うならば可逆性を示す必要がある．現在は両方向の遷移は可逆 ではあるが遷移過程は非対称，この非対称性がヒステリシスの原因かどうかは現在考慮中．．．
• 動画の説明
• 後二脚モデルは「小鉄」の物理量を参考に して作成．
• 上記「脊髄ネコのトレッドミル上ロコモーション」を模擬するために，力学モデルを胴体上部で拘束．
• 前後&上下方向・並進：スプリング-ダンパで拘束，鉛直(Yaw)軸周りの回転：完全拘束．
• それ以外の3自由度(左右方向並進，ROLL&PITCH軸周り回転)はすべて自由(拘束なし)．
• トレッドミル上歩行：トレッドミルはWEBOTSのTrackを用いてベルト速度を指定．
• 最初はベルト速度：0.14(m/s)，ある時刻にベルト速度を増加した．
• 各動画の運動中に，ベルト速度以外のパラメータはすべて同一．同位相・走行の各動画では，ベルト速度以外のパラメータはすべて同一．従って，自律歩容遷移が発現したと言える．
• 左右逆位相の歩行・走行では，リズム生成器間ネットワークによる左右脚間協調は無く， 脚負荷情報のみで左右脚間協調は行われる．
• 左右逆位相から同位相への歩容遷移の詳細については，今後，論文にて詳細を発表予定．

• Orlovsky教科書：第10，11章の和 訳 by 木村
• G.N. Orlovsky, T.G. Deliagina and S. Grillner: Neural control of locomotion. Oxford Univ. Press NY, 1999.

• 歩容遷移の創発例：柴犬 (1987，根津神社にて)
• 散歩する人の歩く速さに合わせて歩容が遷移します，「上位指令主導型」か「感覚フィードバック主導型」か不明．
• 非創発型歩容遷移：四足ロボット Collie-2(1987，三浦・下山研にて)
• ロール運動の折り返し点で歩容をtrotからpaceに切り替えています，ただそれだけ．