垣内田  翔子

Kaichida  Shoko
学科

機械電気工学科

職名

准教授

学位

博士(理学)

校務

機械電気工学科2年担任

クラブ顧問

アーチェリー部

メールアドレス

kaichida[at]tokuyama.ac.jp

専門分野

生体情報工学,運動制御,バイオメカニクス

研究テーマ

筋肉電位計、モーションキャプチャシステムなどの計測機器の発達によりヒトの運動メカニズムが明らかになってきました。これら計測機器により得られたデータを基に様々な研究が進められています。スポーツの分野では,これらの機器を使うことでアスリートのパフォーマンス向上に役立てる動きがあります。また、20世紀の前半に活躍したロシアの生理学者Bernsteinは熟練した鍛冶屋の運動解析を行い、腕の運動軌道は鎚を打ち下ろすたびに少しずつ異なるものの、鎚の先は正確に目的の場所に吸い込まれるように動いていることを発見しました。では、ヒトは注意を払うべき点とそうでない点をどのように使い分けるようになるのでしょうか?また、運動中に注意を払うべき点とそうでない点をどのように習得していくのでしょうか?様々な運動・スポーツで注意を払うべき点とそうでない点が分かれば身体の運動制御のコツが分かるのでは?本研究室では、実際に生体の運動の様子を計測し、生物が進化の過程で獲得した身体の構造が持つ秘密の解明と巧な運動制御のメカニズムを探ります。

リサーチマップURL

https://researchmap.jp/s_kai

教育ポリシー
教育活動の考え方

講義で扱う基本事項がどのように社会生活で活用されているか,また,活用できうるかについて思考を巡らせる授業構成を心がけています.

研究ポリシー

見えない脳の活動を動きという見える現象から理解したいと考えています.また,生物の身体は進化の長い過程を経てとても巧みに構成されています.この生物の持つ身体の持つ潜在機能を明らかにしていきたいと思っています.


授業科目
  • コンピュータ基礎(1年)
  • 工作実習(電子工作)(1年)
  • 工作実習(シーケンス制御)(2年)
  • 計測工学(5年)
  • 応用計測工学(専攻科1年)
  • 情報科学特論(専攻科1年)
教育上の能力に関する事項
教育方法の実践例
モーションキャプチャ・表面筋電位計を用いた運動計測実習 平成27年6月

計測対象を考慮した実験設計,複数機器を用いた同期計測を実習形式で行い,簡単な数値解析までを行う

大学での数学初年度教育の教材作成 平成22年4月

演習課題レポートから学生の理解度分析を行い、分析結果から演習課題を作成

作成した教科書・教材
可変抵抗を用いた光の三原色学習教材 平成27年8月

光の3原色と色の3原色の違い,LEDを用いた光の3原色体験実習を行った

e-learning(Moodle)システムを用いた数学・電気回路学習システム作成 平成20年4月

e-learningシステムを用いた、大学初年度数学教育に関する穴埋め、選択、記入形式など複数の形式の教材作成

学校の評価
平成27年度教育研究奨励賞受賞(鹿児島工業高等専門学校) 平成27年10月

研究継続のための外部資金獲得により受賞

 
実務経験 特記事項
山口大学・九州情報大学・長岡技術科学大学との共同研究・共同計測実験 平成27年4月

複数大学研究者と研究グループを立ち上げ,加齢による関節間シナジーの変化について共同研究を行っている

早稲田大学との共同計測実験 平成22年4月

早稲田大学スポーツ科学学術院 鳥居俊准教授と子どもの成長と関節間協調の関係について共同研究を行った

慶応義塾大学、藤田保健衛生大学との共同研究 平成20年4月

慶應義塾大学理工学部 荻原直道教授(前職:京都大学助京)とニホンザルの歩行に関する共同研究を行っている

その他
マレーシア工科大学にて歩行運動解析研究について講演 平成29年 3月

講演タイトル:An analytical stusy of leg joint synergy in bipedalism ~human and Japanese macaque~ 依頼:Advanced Telecommunication Technology Research Group, Faculty of Electrical Engineering, Universiti Teknologi Malaysia.

運動計測実験機材開発に関する相談 平成26年12月

アーチェリーやサッカーなどの運動解析を見据えた,計測実験設定や機材開発及びスポーツ指導者の要望による運動評価フィートバック機能を備えた機器開発を行っている

職務上の能力に関する事項
資格・免許
高等学校教諭第一種免許状(情報) 平成22年3月31日

高等学校教諭第一種免許状(理科) 平成22年3月31日

中学校教諭第一種免許状(理科) 平成22年3月31日

特許等
該当なし
 
実務経験 特記事項
少年選手によるアーチェリー運動計測 平成27年6月

小学生を対象としたアーチェリーシューティングの3次元軌道・表面筋電位・床反力同時計測を地域スポーツ少年団と協力して行い,指導者に対して生体計測についてレクチャーを行った.

その他
高専-長岡技科大共同研究助成(2017)筋協調機構(筋シナジー)の解明による加齢に抗した歩行運動の持続に向けて 平成29年4月

リハビリにも用いられる立位姿勢維持における筋シナジーの働きを明らかにし,共同研究により,上肢下肢を合わせた全身骨格系としての加齢に抗した歩行運動の持続に向けての方策の検討ならびに双方の研究に有益な解析・予測の検討を進める.

若手研究(B)(2017-2019)身体の力学的特性と姿勢が歩行中の関節間シナジーに及ぼす影響とその対策の検討 平成29年4月

生体運動には筋骨格系の条件が密接に関わっており,加齢による歩容の変化とその対策に関するメカニズムの解明のため,身体の力学的特性を考慮した歩行運動解析を行う.

研究スタート支援(2015-2016)関節間シナジーに着目した加齢による歩行運動の変容とその対策の検討 平成27年8月

高齢者のつまずき増加などの歩行運動の低下が関節間シナジーの変化に原因があるのか,それとも筋力の衰えなど関節間シナジーの変化以外の要因によるものなのかに着目し,研究を行った

著作、学術論文等
学術論文
Elucidation of posture control during bipedal walking (査読付) 9?? International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines (AMAM 2019) 9?? International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines (AMAM 2019) 2019年 09月

歩行中の下肢関節間シナジーにおける足関節の寄与 計測自動制御学会論文集 計測自動制御学会論文集 52巻 6号 pp.310‐316(J‐STAGE)~ 0453-4654 2016年

橋爪善光, 垣内田翔子, 西井淳

Control strategy of biped walking of humans that acquired through evolution: from the view point of variance control Proceedings of Second International Workshop on Skill Science (SKL2015) Proceedings of Second International Workshop on Skill Science (SKL2015) pp.42~ 2015年 11月

S.Kaichida, Y.Hashizume, N.Ogihara, J.Nishii

脚関節間シナジーの視点によるニホンザルとヒトの二足歩行制御戦略の比較 電子情報通信学会論文誌 D(Web) 電子情報通信学会論文誌 D(Web) J98-D巻 8号 pp.1171-1179 (WEB ONLY)~ 1881-0225 2015年 08月 01日

垣内田翔子, 橋爪善光, 荻原直道, 西井淳

関節間シナジーに着目した歩行のコツの発見 電子情報通信学会論文誌 D(Web) 電子情報通信学会論文誌 D(Web) J98-D巻 7号 pp.1108-1117 (WEB ONLY)~ 1881-0225 2015年 07月 01日

垣内田翔子, 橋爪善光, 西井淳

下肢の関節間シナジーに着目した高齢者歩行の解析 第 40 回日本臨床バイオメカニクス学会プログラム・抄録集, 第 40 回日本臨床バイオメカニクス学会プログラム・抄録集, pp.174~ 2013年 11月

橋爪善光, 武田湖太郎, 垣内田翔子, 宮本梓, 大高洋平, 中道清広, 渡邉泰伸, 片岡嗣和, 河野仁, 齋藤正史, 西井淳, 町田正文

Development of leg joint synergy during walking with growth Poster Abstract of Progress in Motor Control IX Poster Abstract of Progress in Motor Control IX 2013年 07月

S. Kaichida, Y. Hashizume, Y. Iida, S. Torii, J. Nishii

Constraint and exploitation of redundant degrees of freedom during walking ELSEVIER SCIENCE BV ROBOTICS AND AUTONOMOUS SYSTEMS ROBOTICS AND AUTONOMOUS SYSTEMS 60巻 5号 pp.679~684 0921-8890 2012年 05月

What kind of leg trajectories are selected during human walking? To address this question, we have analyzed leg trajectories from two points of view: constraint and exploitation of redundant degrees of freedom. First, we computed the optimal leg swing trajectories for forward and backward walking that minimize energy cost for the condition of having some stretch of elastic components at the beginning of the leg swing and found that the optimal trajectories explain the characteristics of measured trajectories. Second, we analyzed how and when leg joints cooperate to adjust the toe position relative to the hip poson during walking and found that joint coordination (i.e., joint synergy) is exploited at some control points during human walking, e.g., the toe height when it passes through its lowest position from the ground and the leg posture at the beginning of the double-support phase. These results suggest that the basic constraint in selecting a leg trajectory would be the minimization of energy cost: however, the joint trajectory is not strictly controlled over the entire trajectory and redundant degrees of freedom are exploited to adjust the foot position at some critical points that stabilizing walking. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved. Jun Nishii, Yoshimitsu Hashizume, Shoko Kaichida, Hiromichi Suenaga, Yoshiko Tanaka

子どもの歩行における関節間協調の解析 日本発育発達学会第9回大会記録集 日本発育発達学会第9回大会記録集 pp.258~261 2011年 12月

守田志穂, 垣内田翔子, 橋爪善光, 小林海, 飯田悠佳子, 鳥居俊, 西井淳

A comparative study of bipedal locomotion of humans and Japanese macaques from the viewpoint of leg joint synergy (査読付) Abstract of Progress in Motor Control VIII Abstract of Progress in Motor Control VIII pp.13~14 2011年 07月

S. Kaichida, Y. Hashizume, N. Ogihara, J. Nishii

ニホンザルの歩行における脚関節間シナジーの解析 電子情報通信学会技術研究報告 電子情報通信学会技術研究報告 110巻 461号 pp.217~222 2011年 03月

垣内田翔子, 橋爪善光, 荻原直道, 西井淳

An analysis of leg joint synergy during bipedal walking in Japanese macaques (査読付) IEEE 2011 ANNUAL INTERNATIONAL CONFERENCE OF THE IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY SOCIETY (EMBC) 2011 ANNUAL INTERNATIONAL CONFERENCE OF THE IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY SOCIETY (E 2011年

We analyzed bipedal locomotion of Japanese macaques from the view point of leg joint synergy by the UCM (Uncontrolled manifold) analysis in order to examine how and when hip, knee and ankle joints cooperate so as to suppress the variances of the toe position relative to the hip position. Our results showed that joint synergy is exploited at some moments during walking. For instance, the variance of the vertical toe position was suppressed by joint synergy when the tip of the finger passes its lowest position from the ground. Some characteristics of the synergy pattern of macaques have been also reported in human walking, on the other hand, some differences between humans and macaques were found. For instance, high degree of joint synergy that suppresses the variance of hip height was observed around the end of stance phase in human walking, but such synergy was weak in macaques. The results suggest that different control strategies are used in bipedal walking of macaques and humans. Shoko Kaichida, Yoshimitsu Hashizume, Naomichi Ogihara, Jun Nishii

An analysis of leg trajectories of human walking from the view point of joint coordination (査読付) Proc. of the 3rd International Symposium on Mobiligence Proc. of the 3rd International Symposium on Mobiligence pp.409~412 2009年 11月

S. Kaichida, Y. Hashizume, J. Nishii

ヒトの歩行における脚運動制御の考察 第24回生体・生理工学シンポジウム論文集 第24回生体・生理工学シンポジウム論文集 pp.287~290 2009年 09月

垣内田翔子, 橋爪善光, 西井淳

An analysis of joint coordination during human walking (査読付) Abstract of Progress in Motor Control 2009 Abstract of Progress in Motor Control 2009 2009年 07月

S. Kaichida, Y. Hashizume, J. Nishii

ニホンザルの二足歩行における脚軌道制御の考察 電子情報通信学会技術研究報告 電子情報通信学会技術研究報告 108巻 480号 pp.117~122 2009年 03月

垣内田翔子, 橋爪善光, 荻原直道, 西井淳

その他
二足歩行の脚関節間シナジーにおける身体性の寄与 (ニューロコンピューティング) 一般社団法人電子情報通信学会 電子情報通信学会技術研究報告 = IEICE technical report : 信学技報 電子情報通信学会技術研究報告 = IEICE technical report : 信学技報 113巻 382号 pp.49~54 0913-5685 2014年 01月 20日

生体は,冗長な自由度を備えた複数の関節を巧みに協調させ,多様な環境に適応した歩行運動を生成する.こうした適応的な運動は中枢神経系による制御によって生じると思われがちだが,身体の物理特性によって生成されている可能性もある.本研究は,ヒトの歩行における関節間シナジーが中枢神経系と身体性のどちらによって生じているかを明らかにするため,バネ足首を備えた股,膝,踝の3関節受動歩行ロボットにおける関節間シナジーを解析し,ヒトの場合と比較を行った.遊脚中の転倒を防ぐため,ロボットは遊脚中に踝関節が底背屈0°に達するところで踝関節を固定し,遊脚終了時に固定を解除する制御を行った.その結果,両者において,後期両脚支持期や遊脚中に振り出した足先が床に近づく瞬間に,足先の水平位置や高さを調節する関節間シナジーが観察された.すなわち,ヒトの歩行で観察される前者のシナジーは身体性によって,後者のシナジーは身体性に中枢神経系による踝関節角の変動抑制を組み合わせて生じたものであり,それぞれ重心の揺動や着地のばらつきの抑制,遊脚中のつまづきによる転倒防止に寄与していると考えられる. 豊田 誠治, 垣内田 翔子, 西井 淳

身体の力学的特性による歩行時の脚関節間シナジー 一般社団法人電子情報通信学会 電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング 電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング 112巻 168号 pp.109~114 0913-5685 2012年 07月 23日

ヒトの歩行における脚関節軌道は1歩毎に若干異なるが,転倒の防止に重要な時期では,関節間シナジーを働かせて足先位置のばらつきを抑えていることが近年の研究により示唆されている.では,このような関節間シナジーは中枢神経系と身体の力学的特性のどちらによって生じているのだろうか.本研究ではこの点を明らかにするため,受動歩行機における脚関節間シナジーを解析し,ヒトの場合と比較を行った.その結果,両者において,踝が地面から離れて持ち上がる時期や,遊脚中に足関節が膝関節の真下を通る時期に,足関節の水平位置や高さを調節する関節間シナジーが観察された.したがって,ヒトの歩行におけるこの時期の関節間シナジーは,身体の力学的特性による可能性が高い.これらの関節間シナジーは,重心の水平位置の揺動を抑えたり,足先の地面との接触によるつまずきを避けることに寄与していると考えられる.一方,立脚期後期にはヒトにのみ足関節の高さを調節する関節間シナジーが観察された.これは体勢の調節や転倒を防止するために,中枢神経の制御によって生じたシナジーである可能性が高い.以上の結果は,ヒトは身体の力学的特性から生まれる関節間シナジーを活用しながら,中枢神経系の制御を加えることで歩行の安定化を図っていることを示唆している. 豊田 誠治, 垣内田 翔子, 橋爪 善光, 西井 淳

Leg joint synergy emerged from the body dynamics during walking IEEE PROCEEDINGS 2012 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS (SMC) PROCEEDINGS 2012 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS (SMC) pp.484~489 1062-922X 2012年

Although leg joint trajectories during human walking show variance in each step it has been reported that the variance of the toe position is suppressed by joint synergy at some critical points to realize stable walking, e. g., at the moment when the toe passes through the nearest position from the ground during leg swing. Is such joint synergy generated by the central nervous system (CNS) or by the body dynamics given by the physical structure of our body? In this study, we analyzed the leg joint synergy in a passive walker by the Uncontrolled Manifold analysis, and compared the result with the synergy in human walking. The results show that in both of the passive walker and humans the joint synergy that suppresses the variance of the horizontal ankle position becomes large just after the take off of the ankle, and the joint synergy that suppresses the variance of the ankle height becomes large when the ankle passes just under the knee position. These results suggest that the above mentioned joint synergies observed in human walking might be due to the body dynamics. On the other hand, large joint synergy that suppresses the variance of the hip height at the end of the stance phase was observed only in human walking, which implies that this joint synergy is due to the CNS control. These results suggest that human utilizes joint synergy emerged from the body dynamics and the CNS adds control to form synergy at some critical points to adjust the foot position and stabilize walking. Seiji Toyota, Shoko Kaichida, Yoshimitsu Hashizume, Jun Nishii

An analysis of leg joint synergy during bipedal walking in Japanese macaques Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS 2011年 12月 26日

We analyzed bipedal locomotion of Japanese macaques from the view point of leg joint synergy by the UCM (Uncontrolled manifold) analysis in order to examine how and when hip, knee and ankle joints cooperate so as to suppress the variances of the toe position relative to the hip position. Our results showed that joint synergy is exploited at some moments during walking. For instance, the variance of the vertical toe position was suppressed by joint synergy when the tip of the finger passes its lowest position from the ground. Some characteristics of the synergy pattern of macaques have been also reported in human walking, on the other hand, some differences between humans and macaques were found. For instance, high degree of joint synergy that suppresses the variance of hip height was observed around the end of stance phase in human walking, but such synergy was weak in macaques. The results suggest that different control strategies are used in bipedal walking of macaques and humans. ? 2011 IEEE. Shoko Kaichida, Yoshimitsu Hashizume, Naomichi Ogihara, Jun Nishii

An analysis of leg joint synergy during bipedal walking in Japanese macaques. Conference proceedings : ... Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Conference 2011年 12月 01日

We analyzed bipedal locomotion of Japanese macaques from the view point of leg joint synergy by the UCM (Uncontrolled manifold) analysis in order to examine how and when hip, knee and ankle joints cooperate so as to suppress the variances of the toe position relative to the hip position. Our results showed that joint synergy is exploited at some moments during walking. For instance, the variance of the vertical toe position was suppressed by joint synergy when the tip of the finger passes its lowest position from the ground. Some characteristics of the synergy pattern of macaques have been also reported in human walking, on the other hand, some differences between humans and macaques were found. For instance, high degree of joint synergy that suppresses the variance of hip height was observed around the end of stance phase in human walking, but such synergy was weak in macaques. The results suggest that different control strategies are used in bipedal walking of macaques and humans. Shoko Kaichida, Yoshimitsu Hashizume, Naomichi Ogihara, Jun Nishii

後進歩行における脚関節間協調の解析 一般社団法人電子情報通信学会 電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング 電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング 111巻 157号 pp.97~102 0913-5685 2011年 07月 18日

本研究では,ヒトの後進歩行中のどの瞬間にどのような脚関節間協調(関節間シナジー)がみられるかを,股関節に対する足先位置に着目したUCM解析により調べた.その結果,体幹位置の調節をしやすい両脚支持期や,つまづきが生じ易い遊脚相中期から着地にかけて,股関節に対する足先位置を調節する関節間協調が働いていることが分かった.前進歩行の両脚支持期にも関節間協調は観察されるが,その協調の様子は後進歩行とは異なり,また,着地時には関節間協調はあまり働いておらず,代わりに脚姿勢の一歩毎のばらつきを抑えていることが報告されている.両脚支持期は体幹の姿勢の調節をする上で重要な時期であり,着地位置の調節は転倒やつまづきを防ぐために重要である.これらの時期に観察される関節間協調が異なるということは,後進歩行と前進歩行は異なる制御戦略で実現されていることを示唆する. 末長 宏康, 垣内田 翔子, 橋爪 善光, 西井 淳

ニホンザルの二足歩行における脚関節間シナジーの解析 電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング 2011年 02月 28日

生体は身体に備わった多くの関節を協調して動かすことで,外乱に柔軟に対応して目的の運動を実現している.本研究では,直立二足歩行に習熟したニホンザルの歩行中のどの瞬間にどのような脚関節間シナジーが働いているのかを股関節に対する足先位置および速度に注目したUCM解析によって調べた.その結果,立脚期等においては,股・膝・踝関節にシナジーが強く働き,股関節に対する足先位置及び速度の一歩毎のばらつきが抑えられていることがわかった.また,遊脚中の脚が接地する時,ニホンザルでは足先位置を調節する関節間シナジーが強く働くが,このような特徴はヒトでは報告されていない等,ニホンザルとヒトの二足歩行の特徴には相違点があることがわかった.すなわち,本結果はニホンザルとヒトの歩行の制御様式が異なることを示唆するものである. 垣内田 翔子, 橋爪 善光, 荻原 直道, 西井 淳

歩行における脚関節間シナジーの解析 電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング 2010年 03月 02日

生体は冗長な身体自由度を活用し,複数の関節を協調的に働かせることで様々な環境下において目的の運動を柔軟に実現している.本研究では,このような関節間シナジーがヒトの歩行運動においてどのように活用されているかを調べることを目的として,脚関節運動のUCM解析を行った.その結果,股,膝,踝による脚関節間シナジーは歩行周期ほぼ全体にわたって働いて足先の高さや足先速度の一歩毎のばらつきを抑えており,遊脚中期の足先が床に最も近付く瞬間には特に強く働いて足先の高さを調整していることがわかった.また,両脚支持期に入る際には,支持脚の脚関節間シナジーによって腰の位置・速度を調整しており,遊脚はその接地時の脚姿勢が一歩毎に変わらないように調整されていることがわかった.以上の結果は,衝撃を受ける接地時やつまづきが生じやすい時などにおいては冗長な自由度が巧みに活用されて歩行の安定化が図られていることを示唆する. 垣内田 翔子, 橋爪 善光, 西井 淳

ニホンザルの二足歩行における脚運動制御の考察 電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング 2009年 03月 04日

二足歩行に十分習熟したニホンザルを観察すると,その脚軌道はほぼ同じ軌道をとるが,ばらつきも存在する.本研究では,消費エネルギーを最小にする遊脚軌道を求めたところ実際の軌道とよく似た特徴を示すことがわかった.更に,関節角度のばらつきを解析したところ遊脚終期から接地にかけてばらつきは小さくなること,腰関節に対する足先の高さのばらつきを減らす関節間協調が強く生じていることが分かった.以上の結果は,ニホンザルの二足歩行も他の動物の生得的な運動で示唆されているように消費エネルギーに基づく最適化が行われており,また,接地等の歩行の安定化に重要な瞬間の姿勢については特に精密な制御を行なっていることを示唆する. 垣内田 翔子, 橋爪 善光, 荻原 直道, 西井 淳

共同研究

山口大学,九州情報大学,山口短期大学等

技術相談の内容

運動画像計測(モーションキャプチャ),生体運動計測,数値シミュレーション