理学療法ジャーナル51巻5号

2017年05月発行

特集 歩行の安全性

歩行の安全性にかかわる工学支援

著者： 秋山靖博¹ 山田陽滋¹

所属機関： ¹名古屋大学大学院工学研究科

ページ範囲：P.405 - P.413

はじめに

　工学分野における二足歩行研究は，主にヒューマノイドロボットと装着型ロボットを対象として行われてきた．ヒューマノイドロボットとはいわゆる人型のロボットであり，人間の場合と同様で，歩行がロボットの移動手段として用いられる．ヒューマノイドは，一般にこれを構成する各部の質量や寸法が既知であり，運動の動力学的な定式化が比較的容易である．一方，装着型ロボットでは，ロボット側はともかく装着者から取得・計測できる情報は限定される．

　加えて，装着型ロボットの機械的な運動制御の観点では，装着者の動作が入力として捉えられる．しかしながら，装着者の動きを外部から直接制御することはできないため，外乱として取り扱うことになる．これは，装着者の転倒要因となることから，装着者の動作を妨害しないようにロボットを制御しなくてはならず，ヒューマノイドであれば可能な動作も実現できないことが多い．

　以上のように，装着者と装着型ロボット，そしてヒューマノイドをそれぞれ機械システムとして捉える場合に，互いに異なるモデリングや制御の戦略が必要となるが，それらが規範とする指標のなかには，共通して利用可能なものも少なからずある．歩行動作の安定性は，その時点の姿勢および運動から力学的に求めることができるため，ヒューマノイドのみならず装着型ロボットや人間にも適用できる．また，人間の動作もまったく不規則ではなく，特に転倒回避のような，いわゆる反射的な動作ではいくつかのパターンの存在が明らかになっており，歩行動作モデルに対する転倒予測の可能性は高まっていると言える．

　本稿の主題は「歩行の安全性」である．安全とは，許容できないリスクがないことであり，本稿で取り上げるリスクは転倒リスクである．以下，本論ではまず，歩行の安定性を評価するための指標および転倒リスクの見積もりに関連づけられる歩行，転倒現象の計測，評価方法をそれぞれ紹介する．そして昨今，歩行支援や転倒の研究に新たな方向性をもたらしつつある，下肢を対象とした身体装着型ロボットについて概説し，これを装着した際の転倒研究にも言及する．

参考文献

1）Vukobratović M, et al：On the stability of anthropomorphic systems. Math biosci 15：1-37, 1972

2）Vukobratović, M, et al：Biped locomotion：dynamics, stability, control and application. Scientific Fundamentals of Robotics. 7. Springer Science & Business Media, Berlin, 2012

3）北村　仁，他：装着型ロボットの歩行補助における後方転倒予防のための一方策．電気学会論文誌C（電子・情報・システム部門誌） 131：2000-2008，2011

4）Hof AL, et al：The condition for dynamic stability. J Biomech 38：1-8, 2005

5）Espy DD, et al：Independent influence of gait speed and step length on stability and fall risk. Gait posture 32：378-382, 2010

6）Herr H, et al：Angular momentum in human walking. J Exp Biol 211：467-481, 2008

7）Dominic A, et al：Automatic body regulation for maintaining stability of a legged vehicle during rough-terrain locomotion. IEEE Int Conf Robot Autom 1：132-141, 1985

8）広瀬茂男，他：不整地における歩行機械の静的安定性評価基準．日本ロボット学会誌16：1076-1082，1998

9）Robinovitch SN, et al：Video capture of the circumstances of falls in elderly people residing in long-term care：an observational study. Lancet 381：47-54, 2013

10）Pijnappels M, et al：Changes in walking pattern caused by the possibility of a tripping reaction. Gait posture 14：11-18, 2001

11）Yang F, et al：Limits of recovery against slip-induced falls while walking. J Biomech 44：2607-2613, 2011

12）van der Zijden AM, et al：Can martial arts techniques reduce fall severity? An in vivo study of femoral loading configurations in sideways falls. J Biomech 45：1650-1655, 2012

13）Chou PH, et al：Effect of elbow flexion on upper extremity impact forces during a fall. Clin Biomech（Bristol Avon） 16：888-894, 2001

14）Feldman F, et al：Reducing hip fracture risk during sideways falls：evidence in young adults of the protective effects of impact to the hands and stepping. J Biomech 40：2612-2618, 2007

15）Sabick MB, et al：Active responses decrease impact forces at the hip and shoulder in falls to the side. J Biomech 32：993-998, 1999

16）Lo J, et al：Effect of upper and lower extremity control strategies on predicted injury risk during simulated forward falls：a study in healthy young adults. J Biomech Eng 130：041015, 2008

17）DeGoede KM, et al：Biomechanical factors affecting the peak hand reaction force during the bimanual arrest of a moving mass. J Biomech Eng 124：107-112, 2002

18）Frykman G：Fracture of the distal radius including sequelae-shoulder-hand finger syndrome, disturbance in the distal radio-ulnar joint and impairment of nerve function. A clinical and experimental study. Acta Orthop Scand Suppl 108：1-61, 1967

19）Gruber K, et al：A comparative study of impact dynamics：wobbling mass model versus rigid body models. J Biomech 31：439-444, 1998

20）Shiratori T, et al：Simulating balance recovery responses to trips based on biomechanical principles. Proceedings of the 2009 ACM SIGGRAPH/Eurographics Symposium on Computer Animation. ACM, 2009

21）長谷和徳：医療のためのディジタルヒューマン技術—4．リハビリ向けの歩行シミュレーション．情報処理46：1343-1348，2005

22）山本創太，他：歩行者転倒における大腿骨頸部骨折発生機序の生体力学的検討．日本機械学會論文集A編72：1799-1807，2006

23）Zhou X, et al：A dynamic model for simulating a trip and fall during gait. Med Eng Phys 24：121-127, 2002

24）Xu Jian-Xin, et al：Modelling human falling process based on a five-link bipedal robot. Control and Automation（ICCA）, 2010 8th IEEE International Conference on. IEEE, 2010

25）JIS B 8445：ロボット及びロボテックデバイス—生活支援ロボットの安全要求事項，2016

26）Hocoma：Relearning to walk From the Beginning. https://www.hocoma.com/solutions/lokomat/（2017年4月1日閲覧）

27）大和ハウス工業株式会社：ニュースリリース．http://www.daiwahouse.co.jp/release/20081006220554.html（2017年4月1日閲覧）

28）本田技研工業株式会社：Honda歩行アシスト．http://www.honda.co.jp/news/2012/c120729.html（2017年4月1日閲覧）

29）Wehner M, et al：A lightweight soft exosuit for gait assistance. Robotics and Automation（ICRA）, 2013 IEEE International Conference on. IEEE, 2013

30）Akiyama Y, et al：Analysis of recovering motion of human to prevent fall as induced by abnormality of a physical assistant robot. Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, Bali：1493-1498, 2014

31）Banala SK, et al：Robot assisted gait training with active leg exoskeleton（ALEX）. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 17：2-8, 2009

32）Ronsse R, et al：Human-robot synchrony：flexible assistance using adaptive oscillators. IEEE Trans Biomed Eng 58：1001-1012, 2011

33）伊藤宏司：歩行運動とリズム生成．日本ロボット学会誌11：320-325，1993

34）Suzuki K, et al：Intention-based walking support for paraplegia patients with Robot Suit HAL. Advanced Robotics 21：1441-1469, 2007

35）White SC, et al：Predicting muscle forces in gait from EMG signals and musculotendon kinematics. J Electromyogr Kinesiol 2：217-231, 1992

36）池俣吉人，他：受動歩行の脚運動に対する円弧足の力学的効果．日本ロボット学会誌27：661-668，2009

37）株式会社ナンブ：無動力の歩行支援機ACSIVE（アクシブ）．http://www.nambu-y.jp/acsive/（2017年4月1日閲覧）