長崎大学工学部研究報告第1 9 号 昭 和5 7 年 8 月
二脚モデルの歩行に及ぼす関節ばねの影響
曇 武 友 一 市 ・ 御 手 洗 忠 、 本 今 井 康 文 事
I n f l u e n c e o f J o i n t S p r i n g s o n t h e L o c o m o t i o n o f a B i p e d a l M o d e l
by
Tomokazu MAT AKE , T a d a s h i MIT ARAI , Y a s u f u m i IMAI
( M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g )
A b s t r a c t
I n f l u e n c e o f t h e j o i n t s p r i n g s and t h e i n i t i a l c o n d i t i o n s on t h e l o c o m o t i o n o f t h e b i p e d a l model h a s b e e n i n v e s t i g a t e d . The b i p e d a l model , a s p r o p o s e d b e f o r e , h a s e i g h t r i g i d l i n k s r e p r 飴 e n t i n g u p p e r a n d l o w e r l e g s , f e e t , t h e w a i s t , and t h e u p p e r body , which a r e j o i n t e d e a c h o t h e r by p i n s t o g e t h e r w i t h t o r s i o n a l s p r i n g s . As r e p o r t e d p r e v i o u s l y , i n t h e monopedal p e r i o d , a J i m i t t e d r a n g e o f s p r i n g c o n s t a n t s a r e a v a i l a b l e f o r t h e model t o move c o n t l n u o u s l y a J i ke human w a l k i n g . However , i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e s e same v a l u e s o f s p r i n g c o n s t a n t s a r e n o t a p p r o p r i a t e f o r t h e b i p e d a l p e r i o d . C o n t i n u o u s movement from monopedal t o b i p e d a l p e r i o d i s o n l y p o s s i b l e by e m p l o y i n g t h e d i f f e r e n t s p r i n g c o n s t a n t s f o r d i f f e r e n t p e r i o d . S u c c e s s f u l c o m b i n a t i o n o f s p r i n g c o n s t a n t s and i n i t i a l a n g u l a r v e l o c i t i e s o f a l l J i nks f o r a c o m p l e t e o n e . s t e p movement i s o b t a i n e d a f t e r t h e t r i a l and e r r o r m e t h o d . Under t h i s c o n d i t i o n , t h e s t e p f o r c e o f t h e model v a r i e s showing two p e a k s a s i n t h e c a s e o f human w a l k i n g a l t h o u g h t h e s e c o n d peak , which may b e r e l a t e d t o t h e a c c e l a r a t i o n t o t h e n e x t s t e p , r e m a i n s q u i t 疋 l o w .
1 . 緒 曾
ヒトの歩行を形態的に分ければ,両脚立脚期と片脚 立脚期に大別することができる.二脚歩行モデルを用 いて,ヒトの歩行のシュミレーションを考える場合で も同様である.歩行モデルの計算"では,さらに形態を 細分し,その区間内での運動方程式の数値解を求める 方法を用いた.前報 2 1 では,片脚立脚期におけるこれら の運動方程式の解が,連続した歩行状態を表わすため
昭和5 7 年 5 月 6日受理 .機械工学科
の必要な条件を調査した.この結果によれば,ヒトの 歩行のように連続した動きをするためには,歩行を開 始させるときの初期条件(リンクの初期角速度)を一 定にすれば,歩行モデルの両側の膝(ひざ)および股 (こ)関節(以下 K j o i n t および H j o i n t という)の ばね定数は,ある狭い範囲内でしか成立しないことが 明らかになった.
確かに,この歩行モデルのように多自由度系の運動
2 真 武 友 一 ・ 御 手 洗 忠 ・ 今 井 康 文
を,次々に連続して行わせることは難しいことである.
狭い範囲ではあるが,ある関節ばね定数と初期条件の もとでは,片脚立脚期におけるモデルの歩行は可能に なり,歩行の形態,踏力線図を得ることができ,ヒ卜 の歩行状態のものと比較することができた.
本研究では,前報と同様に歩行モデルの両脚立脚期 における,連続歩行可能な関節ばね定数および初期条 件を求めること,さらに初期条件のみで,片脚立脚期 と両脚立脚期とを連続的に一歩の運動として成立し得 る可能性について調査,検討した結果を報告する.
2 . 歩行モデル
本論文で用いる歩行モデルは,前報
2)と同様に一般 化された二脚歩行モデル1)である.この歩行モデルの各 リンクは質量をもち,各関節は回転ばね継手になって いる. F i g . 1 は前報に用いた一般化されたモデルの見 取図で,本論文に必要なリンクの角度および関節番号 のばね定数を示した.添字の数字は前脚が奇数で,後 脚が偶数であり, リンクの寸法およびばね定数の取扱 い,次の区間への移行条件などすべて前報
2)と同一で,
本論文に不必要な記号等は省略した.
ド Case3 ~ Case4
一般化された歩行モデルの歩行は. 5 区域の形態に 区分されている1)この区分に従えば,片脚立脚期は,
Case5‑1‑2 の区間に相当し,両脚立脚期は Case3‑4 の区間である.これを模式図で示したのが F i g . 2 であ る.
( 3 mass
。 o s p r i n g j o i n t
F i g . 1 G e n e r a l v i e w o f t h e b i p e d a l mode l .
│Cas e 5 . L C a s e I . 1 . Case 2J
一ーーー一一一ー診
F i g . 2 P o s t u r e s o f l o c o m o t i o n .
3 . ぱね定数および初期角速度の設定
片脚立脚期における歩行運動の際は,前報
2)の結果に よれば立脚側及び遊脚側,すなわち左右の H j o i n t の ばね定数 k( 単位はすべて N ・ m/rad) を等しくした場 合 ( k
13=k
14).足関節(以下 F j o i n t という)のぱね定 数 を わ = 5 O . k
b=100 に設定すれば,片脚立脚による 歩行可能な範囲は. K j o i n t のばね定数で 1 0 7 0 孟ん三五 1 1 6 5 . 0 ~五 klO 三五 75. H j o i n t のばね定数では 1 7 5 孟 k
13=
k 1 4 話 2 3 0 の範囲にある.
本研究でも,片脚立脚期の場合と同一条件および同 様の計算方法により,このモデルの雨脚立脚期および
一歩行程において,歩行可能な関節ばね定数の範囲を 求めてみよう.
両脚立脚期は Case3‑4 ( F i g . 2 参照)であるから,
ぱね定数を片脚立脚期の場合と同一にして. C a s e 3 の 初期条件(リンクの初期角速度)を求める計算を開始 したが,両脚立脚期の歩行が可能な初期角速度(添字
。を付ける.単位はすべて r a d / s e c ) は ,
‑6.0 五 三 β 。話一 5 . 0 0 . 7 話 Y O 壬 1 . 3
-7.0~五布。孟 ‑6.0
である. ( β . Y .甲はリンクの角速度で. F i g . 1 を参照
二脚モデルの歩行に及ぼす関節ばねの影響 3
のこと) Table 1 にこの範囲にある角速度を用いた計 算結果を 2 つ例示した.
T a b l e 1 Two r e s u l t s o f a n g u l a r v e l o c i t i e s i n b i p e d a l p e r i o d a n d i n i t i a l a n g 山 rv e l o c i t i e s o f C a s e 5 ( r a d l 舵)
e X . l
e X . 2
3 7 I n i t i a l a n g u l a r v e l o c i t i e s ‑ 5 . 0 1 . 0 A t t h e e n d o f C a s e 3 1 . 8 2 ‑ 2 . 5 4 A t t h e e n d o f C a s e 4 0 . 1 9 ‑ 4
目m
l n i t i a l a n g u l a r v e l o c i t i e s ‑ 5 . 5 1 . 0 A t t h e e n d o f C a s e 3 ‑ 1 . 9 5 ‑2
目9 0 A t t h e e n d o f C a s e 4 ‑ 0 . 5 7 ‑ 4 . 0 6 l n i t i a l a n g u l a r
‑ 2 . 0 ‑ 1 . 5 1 v e l o c i t i e s o f C a s e 5 2 )
ム ー ー ー ー ー
S l X ' i n g c o n は a n t so f j o i n t s ( N ・ m / r a d ) わ = 5 0 , k
b= 1 0 0 , 1 1 . = 1 1 0 0 , k
13= 九= 2 0 0
q
‑ 6 . 0
‑ 6 . 3 0
‑ 4 . 8 7
‑ 6 . 5
‑ 6 . 6 7
‑ 5 . 5 0
‑ 2 . 8 0
また,この表には片脚立脚期 (Case5‑1‑2) の計算 に用いた初期角速度も記入したが,これを見るとわか るように,この 2 つの例とも Case4 の終値と Case5 の初期値は全く違った債となっている.
特に大腿(たい)リンクの角速度ふは,前報告 2 ) では C a s e 5 の初期値としてふ =3.5 を与えている.これは 後脚を前に振り出すために必要である.しかるに,
C a s e 4 の終了時には脚が伸び切っているので, ~o= 布。
であるが, Table 1 で Case4 の終値はふ与一 5 . 0 と なった.これは前報告勺こおける Case5 の初期角速度 とは符号が逆である.したがって,ばね定数だけを変 化させて Case4 と Case5 を円滑に移行させることは 難しい.
次に,歩行モデルが両脚立脚から片脚立脚に移って,
一歩を完全に移動し得るかを検討してみよう.前報幻の ばね定数を用いて C a s e3 → Case 4 の移行は可能であ るが,上述のようにふの問題でこのままでは, Case 5 への移行は不可能である.したがって, Case3 → Case 4 → C a s e 5 → Case 1 → Case 2 の連続した歩行が可 能となるためには,片脚立脚期あるいは両脚立脚期の 単独歩行の初期条件では意味がなく,改めて全行程の 連続歩行が可能な条件を求める必要がある.
このため,新たに初期条件 β0 ,加 0 ,布。および関節ば ね定数 k f , k
b, k . , k l O , k
13= k 1 4 の種々の組合せを考え て,これまでの計算結果を考慮しながら,試行錯誤に よる膨大な計算から Case 3 → Case 4 → Case 5 → C a s e 1 → C a s e 2 の連続歩行する初期条件等の組合せ
を得ることができた.その組合せを Table2 に示す.
また,計算結果を Basography で示したのが F i g . 3 ( T a b l e 2 No.4) である.
Table 2 Combination o f i n i t i a l a n g u l a r v e l o c i . t i e s and s p r i n g c o n s t a n t s o f j o i n t s ( a n g u l a r v e l o c i t y : rad/sec , s p r i n g c o n . s t a n t : N ' m j r a d )
N u F 。 1 1 ‑ 3 . 5 2 ‑ 3 . 5 3 1 ‑ 3 . 5 4 ‑ 3 . 5 5 ‑ 3 . 5 6 ‑ 3 . 5 7 1 ‑ 3 . 5 8 ‑3
目6 9 ‑ 3 . 6 1 0 ‑ 3 . 6
z
Y o 。 布 わ k b ι k i O k l 3
0 . 5 ‑ 4 . 0 3 5 8 5 3 5 0 1 0 0 3 0 0 . 5 ‑ 4 . 0 3 5 8 5 3 5 0 7 0 0 3 0 0 . 5 ‑ 4 . 0 3 5 8 5 3 5 0 8 0 0 3 0 0 . 5 ‑ 4 . 0 3 5 8 5 3 5 0 1 0 0 7 0 0 . 2 6 ‑ 3 . 0 2 0 4 0 3 5 0 1 0 0 1 5 0 0 . 2 6 ‑ 3 . 0 2 0 4 0 3 5 0 1 0 0 2 0 0 0 . 8 ‑ 2 . 5 2 0 5 5 3 5 0 1 5 0 1 7 0 0 . 5 ‑ 3 . 0 2 0 4 0 3 5 0 1 0 0 . 3 0 0 0 . 5 ‑ 3 . 0 2 0 4 0 3 5 0 1 5 0 3 0 0 0 . 5 ‑ 3 . 0 2 0 4 0 3 5 0 2 0 0 3 0 0
Case
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