理学療法士の思考

群馬の理学療法士です。仕事、勉強、投資、趣味などなどいろいろな情報発信をしていきます。

ASIMOの姿勢制御(床反力制御と目標ZMP制御:運動のなりたちとは)

こんばんは。最近新患がいっぱい入り、自分が入っていない人が多く、情報のみで患者さんを把握していますが、やはり実際に臨床に入らないとかなりわかりにくいです。よくわからず、申し送りも十分かけていないし、いっぱいいっぱい感が否めませんが、明日から新年度になります。祝日のため、22日から新体制が本格的にスタートになります。この大変な時期ですので、業務の漏れがないようにしっかり予定、計画をしっかりしていきたいと思っています。

 

 

でも、勉強は続けてやらないとです。試験がありますので。

本日は、ホンダが開発したASIMOの制御についてです。運動生成全般においてCOPとZMPが一致していれば運動は安定しているといえるので、理解しておくことが望ましいと思います。

というかZMPって何?というところから説明していきます。

ZMPとはゼロモーメントポイントというもので、慣性力と重力の合力が路面と交わる点になります。慣性力とは加速度と反対方向に働く力です。したの絵(私が書いたのでへたくそです笑)では、緑が合力でありその延長上にある紫の点がZMPであり、COPと一致しています。つまり、下の絵は、安定した正常な歩行時を表しています。

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次にASIMOが転倒しそうになった時にそれを立て直すための方法があるので紹介していきます。

下の絵の左側は、前足部で石を踏んでしまい、バランスを崩した場合です。意思を踏んだことでCOPがつま先に移動することでZMPとCOPが不一致になります。この場合、転倒モードになります。ベクトルの関係から後方へ転倒します。

右の絵になると、足関節の背屈により重心位置を後方へ移動させることにより、再びCOPとZMPを一致させるようにして再び安定化を図ることができます。

また、絵にはありませんが、前方へ体が傾いた際に、倒れないように、つま先で踏ん張ることがあると思います。これも、同様の姿勢制御方法であり、こういった、倒れそうになった時に足の裏で踏ん張って倒れないようにする姿勢制御を床反力制御といいます。

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そして、次に下の左側の絵について。先ほどのように前方へ倒れそうになった場合で、それが、支持基底面の範囲から出てしまう場合は、床反力制御では限界があります。左の絵は大きく前方にバランスを崩した場合を書いてあります。左の絵では、COPよりZMPが前にあり、前方へ倒れていきます。右の絵では、その倒れる際に通常の歩行パターンよりも早く、前方へ加速することで、加速度と逆向きの力である後方へ向かうちからである慣性力を高めることで、慣性力と重力の合力と床の接点であるZMPを大きく後方へ移動させることができます。そうすることにより、後方へ倒れる力(復元力)を発生させることで姿勢が前方へ倒れそうだったのを後方へ戻すように働かせることができるわけです。こういった制御は、目標ZMP制御と呼ばれています。f:id:ne9a188c77lot2:20180320224321p:plain

 

さらに、目標ZMPが働くと、上体を前方へ加速させる(目標位置修正)ことにより、いつもと同じ位置に足を出したのでは、上体に対して足が取り残されてしまうため、それを防ぐために着地位置をさらに前方へずらすように大きく踏み出します。これが、目標ZMP制御による状態の前法加速に対して起こる、着地位置修正です。

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以上で、ASIMOの姿勢制御になります。人間はこれらの制御をより複雑に行い、バランスを保ちます。こういったASIMOの歩行は力学的エネルギーが保存されない非効率的な歩行ですが、こういった制御ができることで歩行が可能です。ASIMOもすごいですが、人間はもっとすごいなと思います。