日本ロボット学会誌 Vol. 28660

No. 6, pp.660〜665, 2010

展 望

二関節筋—進化史に裏付けられた出力・制御機能特性—
Bi-articular Muscle—Unique Control Properties Supported by Biological Evolutionary Evidences—

熊Minayori Kumamoto∗1. は じ め本 水∗∗∗

京都大学名誉教授

Professor Emeritus of Kyoto University

づいて，将来展望について，その一端を概説する．本稿のに

詳細解説は文献 [1] [2] にあり特別なもの以外は個々の引用

人間環境下で役立つロボットの実現のために，生体の筋を省略した．

骨格系の有用性を明らかにする特集と承っている．現在

2. 四肢先端出力特性について

HONDA の ASIMO に代表される人型ロボット，あるいは装着型ロボットスーツの開発が盛んであるがいづれも人

2. 1 筋電図動作学的解析

間特性を現していないことに気づかれての本特集の企画で二関節筋力学体系の理論体系は，もちろん人体四肢の運あろう．まずは企画関係者の慧眼に敬意を表しておきたい．

動に関与する拮抗二関節筋の活動様相に基づいて構築され現行の人型ロボットや装着型ロボットスーツと人間とのるべきである．図 1 に示すように上肢を水平位並びに矢状違いは単純明快，彼らは関節ごとにモータが配置されてい面に保ち，手根関節部に力検知器を装着し等尺的最大努力るが，人間の関節にはモータは着いていない．関節をまたぐで全方位，360◦ の方向に力を発揮させた．この間，肩関節筋肉によって動いているがその筋肉の中に一つの関節だけと肘関節にまたがる一対の拮抗二関節筋（上腕二頭筋：Bloでなく，隣り合った二つの関節にまたがり，両方の関節を同と上腕三頭筋長頭：Tlo のペア）並びに両端の関節の拮抗時に動かす二関節筋というものがある．二関節筋といって一関節筋群（肩関節では三角筋前部：Da と同後部：Ds のも特別な筋ではない．“二の腕の力こぶ”，身近な筋でこれペアおよび大胸筋鎖骨部：Pc と大円筋：Tm のペア，肘関が二関節筋で上腕二頭筋という．反対側に二関節筋の上腕節では上腕三頭筋外側頭：Tla と上腕筋：Br のペア）（図三頭筋が拮抗して存在する．下肢には大腿部の後ろ側全面1）から表面電極誘導法によって筋電図を記録した．8 名のを占めるハムストリングスと前面中央にある大腿直筋が二被験者について，それぞれ上肢を伸展させた姿勢，屈曲さ関節筋で拮抗して存在する．ともに身近な強大な筋である．

せた姿勢とその中間の 3 種の姿勢について試技を行わせた．

この二関節筋の存在は古くから知られていたが（C. Galen

すべての筋電図を比較検討した結果，ほとんど同様な放（131〜201AD）），今まで身体運動の力学的解析に際して二電様相を呈していた．そこで筋放電の積分値を求め百分率関節筋を計算に取り込むことはほとんどなされていなかっ表示をしてすべての記録を重複描記したものが図 2 である．

た．それはキネシオロジーあるいはバイオメカニクスが導この図から，各拮抗筋ペアはそれぞれ特定の出力方向領入された 1950 年〜1960 年代にかけて，機械工学，すなわ域で放電活動を交代し，拮抗二関節筋，肘関節拮抗一関節ち関節トルク力学体系をそのまま適用して始められたこと筋，肩関節拮抗一関節筋と放電活動を交代する領域が順次に由来する．機械工学力学体系には 2 関節同時駆動の概念はまったくない．
そこでまず，人間や動物の四肢に本来普遍的に存在する拮抗二関節筋が四肢リンク機構の系先端出力特性および制御機能特性にどのように貢献しているか解説し，現行のロボットリンク機構との差違を明らかにする．さらに人間や動物が運動制御に二関節筋を装備した進化史的必然性に基原稿受付 2010 年 5 月 13 日
キ ー ワ ー ド：Bi-articular Muscle, Coordination Control
Model, Antagonistic Pair Muscle Control, Output Force
Characteristics, Control Properties∗ 〒 606–8501 京都市左京区吉田本町∗ Sakyo–ku, Kyoto–shi, Kyoto

JRSJ Vol. 28 No. 6—2—

図 1 筋電図上肢被験筋と実験姿勢（被験筋の符号は本文中）

July, 2010

二関節筋661

図 4 基本モデルの系先端に最大出力を発揮させるための各筋出力レベルの理論的計算結果

図 2 百分率表示積分筋電図

図 3 実効筋概念導入による上肢基本モデル

図 5 拮抗二関節筋を含む 3 対拮抗筋装備空気圧制御ゴム人工筋アームロボット

変わり，2 巡して全方位をカバーしていることが分かる．1
対の拮抗二関節筋と 2 対の拮抗一関節筋群が見事に協調しを装備したアームロボットを製作した（図 5）．

た活動様相を呈していた．

図 5 のロボットの各筋を図 4 に示すパターンで駆動した

2. 2 機械的リンクモデルによる理論的解析
人体四肢の第 2 関節（肘および膝関節）が蝶番関節であり，上肢下肢ともに制御に関与する二関節筋が第 1 リンクと第 2 リンクが作る二次元平面内に局在するという解剖学

ときのロボット系先端に発揮される力をプロットした出力的特徴に基づいて，実効筋概念を導入して構築した拮抗二とを実証している．

分布が図 6 である．
すなわち 3 対の拮抗筋の存在が 360◦ の方向へわたって出力方向を制御しており，かつ出力分布が 6 角形を示すこ

関節筋装備上肢基本筋骨格モデルが図 3 である．

系先端出力分布が何故 6 角形となるのか，理論的にも詳

この図 3 の系先端 W において最大出力を発揮させるた述してあるが [2]，視覚的に示したのが図 7 である．

めの各筋の出力レベルを理論的に計算してグラフにプロッ

ここで注意すべきは，従来の関節トルクに基づいた力学トしたものが図 4 である．明らかに図 2 の筋電図パターン

教科書は，例えば図 7 左パネルの筋 f2 が収縮するときにに似ており，それぞれの拮抗筋は特定の角度領域で活動レ

は，関節 E の周りにトルクを発生させるので，系先端 Wベルを交代しながら出力方向制御に貢献し，3 対で全方位では前腕軸に直角に力を発揮すると述べてある．関節 S ををカバーしていると考えられる．

完全に固定した機械的リンク機構ではいざ知らず，人体で2. 3 ロボット工学的解析は肩関節 S を完全固定することはできない．肩関節 S，肘さらにロボット工学的に確認実験を行うために，空気圧

関節 E がともにフリーなリンク機構では肘関節周りの 1 関

制御ゴム人工筋を使い，拮抗二関節筋を含む 3 対の拮抗筋

節筋 f2 および e2 は手根関節 W と肩関節 S を結ぶ方向に

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熊 本 水662

出力し，肩関節周りの 1 関節筋 f1 および e1 は前腕に沿っ3. 四肢先端制御機能特性についてた方向に，拮抗二関節筋 f3 および e3 は上腕に平行な方向

3. 1 剛性制御（姿勢制御）に出力する（図 7 左パネル）．したがって任意の出力方向に対して，影響する各筋の出力和を幾何学的に求めると図 7

拮抗二関節筋の存在は，従来から当然の如く考えられて右パネルに示すように 6 角形の出力分布図が得られる．

いた個々の関節の独立した関節剛性に代わって，四肢 2 関拮抗二関節筋の存在を無視し関節トルクで計算した場合には系先端出力分布は 4 角形となり生体本来の出力特性を節リンク機構の系全体の剛性制御を考えるべきことを示唆するものである．

現すことはできない．理論的実験的に実証確認した結果が

図 9 に示す結果は拮抗二関節筋の存在が機構的に外部擾

大島らの論文 [3] である．図 8 に示す歩行着床時の動作解析

乱に対して，四肢先端からの感覚情報のフィードバックなに当たっても床反力は脚本来の 6 角形の出力分布特性（パしでも安定した姿勢制御を可能としていることを示唆する

ネル A）によって補償されているはずで，関節トルク（パものである．拮抗二関節筋がかかわる卓越した出力特性おネル B）では生体本来の特性は解析できない．

よび制御機能特性は脊髄レベルにおける機能的特性を示しているもので，脊髄反射による姿勢制御以前に，拮抗二関節筋を備えた機構そのものがバランス機能に貢献していることを示す．これは神経による情報伝達・処理時間の致命的遅延を補うものと考えられる．
これをさらに上位中枢による制御がいかにかかわってくるのか見極めること，これらのことも今後臨床応用を考える上で重要となろう．
工学的には拮抗二関節筋を含む 3 対の拮抗筋の存在は系先端剛性の楕円を自由に制御できることを示すものである．

3. 2 軌道制御（力と変位の関係）
工学的には Contact task と呼ばれるもので，本来拮抗二関節筋を持っているヒトや動物はまったく問題にならないが，関節ごとにモータが配置されているだけで 2 関節同時駆動の概念のないロボット工学の領域では最も深刻な問題の一つである．
図 6 アームロボット系先端出力分布

理論的並びに実験的解析の結果を図 10 に示す．要するに，リンク機構系先端に外力が加えられたとき，拮抗二関

図 7 各実効筋の系先端出力方向と 6 角形出力分布

図 8 下肢着床時の問題点について

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図 9 拮抗二関節筋の有無が系先端剛性に及ぼす影響—4—July, 2010

二関節筋

（A ）

663

（B）

図 10 2 関節リンク機構系先端へ加えられた外力と先端軌跡の理論的，実験的解析結果（ A）：拮抗 1 関節筋とともに拮抗 2 関節筋が装備された
モデル（B）：拮抗 1 関節筋のみで拮抗 2 関節筋を欠くモデル

節筋が装備された機構では負荷の方向と変位の方向は一致して問題ないが，拮抗二関節筋のない機構では一致せず，ずれてしまう．系先端の位置の情報を常に追ってフィードバッ
ク制御が欠かせないことになる．図 8C に示すように，関節にモータを装備しただけのロボットスーツのようなものを装着したとき，着床の床反力の方向に変位は一致せず滑る力が働くことになる．また出力分布も違えば患者が違和

図 11 拮抗筋の活動レベル交代を再現する脊髄レベル神経回路
網
Ei：促進性介在ニューロン
Ii：抑制性介在ニューロン
α1-4：α 運動ニューロン
上部スイッチボード：出力方向を指す上位中枢からの指令を具象化したもの

感を訴えるのは当然であろう．しかし 6 角形の出力分布の特異性に基づくヒトの卓越した適応能力が少々の欠陥理論にも対応してしまうことは後述する．

4. 出力特性を再現する神経回路網
図 2 に示す筋活動様相は，脊髄における α 運動ニューロンの活動様相そのものである．そこで図 2 において各拮抗筋ペアの活動レベルが特定の出力方向領域で一方が漸増的に変化するとき，他の拮抗筋は漸減的に変化することに着目し，かつ活動レベルの交代は少なくとも 4 個の筋束を仮定すれば理解しやすいことから図 11 に示す脊髄レベル神経回路網を提案した．この回路は出力方向 a と b の間で活動レベルを交代しているので，拮抗二関節筋に対する回路を示している．
神経情報は電気情報にほかならない．したがって神経回路網は電気回路で簡単に再現可能で，図 11 の神経回路網は，簡単なポテンショメーターを使った図 12 の最下段パネルに示す回路で示される．図 11 に示すスイッチボード
は，このような装置が脊髄にあるというのではなく，出力
図 12 出力方向制御器

方向を示す上位中枢からの指令を具象化したものである．
図 11 のスイッチボードの部分を 60◦ ずつ位相をずらせて（図 12 上段および中段パネル）3 個を一つにまとめると，出力方向を指示する単一の入力信号で 3 対 6 筋の拮抗筋群の活動レベルの制御が可能となる．

日本ロボット学会誌 28 巻 6 号

我々はこれを協調制御モデル（Coordination ControlModel）と呼ぶことにしているが，沖電気工業（株）はすでにBiCCOM（Bi-articular actuator provided Coordination—5—

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Control Model）OKI-ARM を製作し，単一入力信号による任意の方向への出力や系先端出力分布が 6 角形を示すことなどを実証している [1]．

いであろう．

1 関節（肩関節あるいは股関節）と第 2 関節（肘関節ある5. 2 融通無碍の出力特性
図 15 はある 6 角形の出力分布を構成する（fi+ei: i=1,2, 3）の組み合わせは無限に存在することを示している．3
対 6 個の実効筋の一つを決めてやらなければ解は求まらな

いは膝関節）は独立に制御されているのではないという事

いが，反面，ある一つの筋が疲弊しても他の筋の出力の調実である．

整で全体の出力特性には影響は出ないことも示している．

ここで強調しておきたいのは人体四肢リンク機構では第出力特性の違う装着型パワースーツのような装具を押し

5. 関節トルクに代わる筋力評価法

つけられても違和感があるのはしばらくのことで，順応で5. 1 実効筋力計測評価法（FEMS Program）きる根拠をも示す．しかし一時的に順応したあと，人体に人体四肢の出力特性として拮抗二関節筋を含む実効筋のどのような影響が出るか，寡聞にして聞いていない．

出力を計測，評価することが求められる．それを計測評価

6. 二関節筋獲得の進化史的背景できるシステムは図 7 右パネルに示されている出力分布の形状特性に可能性を見出すことができる．すなわちこの 6

現世の 2 足歩行，4 足歩行を行う陸上動物は，哺乳類を角形の出力分布の幾何学的合力計算の過程から次のことがはじめ鳥類，爬虫類から両生類に至るまで，ほとんどすべ明らかとなった．まず，辺 AB と辺 DE は平行で，その長て拮抗二関節筋を備えている．したがって二関節筋は進化さは拮抗二関節筋の出力和（Ff3+Fe3）に等しい．次に辺史上原始魚類が四肢を得て水中から陸上に上がることに成BC と辺 EF は平行で，その長さは肘関節拮抗一関節筋の出力和（Ff2+Fe2）に等しく，さらに辺 CD と辺 FA は平行で，その長さは肩関節拮抗一関節筋の出力和（Ff1+Fe1）

功し，原始両生類へと進化した時点で獲得したと考えるのに等しい．したがってこれらの性質を利用して，被験者の筋制御回路の位相をずらせた 3 個の制御回路があれば，原負担を軽減するためできるだけ少ない計測点で評価する方始両生類の貧弱な中枢でも四肢の円滑な制御は可能である．

法として提案されたものが図 13 に示す 4 点計測法である．

ここで制御の基本と予想される拮抗筋制御の淵源を辿るが自然であろう（図 16）．しかもその拮抗二関節筋は両端の関節の 2 対の拮抗一関節筋群とともに，図 11 に示す拮抗

詳細は参考文献 [1] を参照していただくとして現在，竹井機と約 5 億 7 千万年前，カンブリア紀の始めに現れて，今な器（株）および（株）計算力学研究センターの協力を得てお世界中の温帯，亜熱帯の砂質海底に生息している原索動試作器の改良とデータ収集が進められているところである．

物のナメクジウオに辿り着く．ナメクジウオは繊維性脊索

実効筋力計測例の一部を紹介したものが図 14 である．6角形の形状に差違が見られるのは個人的出力特性と見てよの両側に配置された筋で S 字状波動運動で遊泳している．
その筋は現世高等動物の横紋筋とほとんど変わらぬ構造を示し，神経索には神経回路網を構成するに足る介在ニューロンを持っている．そこで堂埜（2005）は形状記憶合金を使って 7 対の拮抗筋配置を持つナメクジウオモデルを作り，
図 11 と等価な拮抗筋制御回路を時間差制御することで S字状波動運動再現の可能性を見出し [1]，辻（2009）は電動モータによってベルト駆動モデルを作り S 字状波動遊泳運動再現に成功した [4]．ここに時間差で使用した拮抗筋制御回路を，そのまま位相差で組んで BiCCOM OKI ARM が図 13 実効筋力評価 4 点計測法

図 14JRSJ Vol. 28 No. 6

図 15 融通無碍の出力特性

実効筋力計測例—6—July, 2010

二関節筋665を探り始めている．ロボット工学領域についての展望の一端を述べる．
（1）マン—マシーンインターフェース，マスタースレイ
ブシステムでは人体側と機械側の出力特性，制御機能特性を一致させることが基本的に重要である．拮抗二関節筋装備協調制御モデルの適用が解決の鍵となる．
（2）3 対 6 個のアクチュエータで駆動されるシステムは一つのアクチュエータの故障や欠落でもシステム全体の出力特性は維持できる．極限作業ロボットなどへの適用が考えられる．
（3）現在のシミュレーション工学はモーションキャプチャーベースでこれは関節トルク力学体系にほかならない．これでは人体の出力特性などの解析，再現はできない．実効筋駆動シミュレーションモデルの開発，FEMS Program による動作解析の実用化を進展中である [6]．
参献[ 1 ] 熊本水 編著：ヒューマノイド工学．東京電機大学出版局，2006．
[ 2 ] 熊本水 編著：二関節筋．医学書院，2008.
[ 3 ] 大島徹ら：“一関節筋と二関節筋の協調による四肢の力出力分布特性—一関節トルクによる力出力分布との相違—”，精密工学会誌，vol.73,no.4, pp.492–497, 2007.
[ 4 ] 俊明ら：“ナメクジウオ型ロボットによる拮抗 3 関節筋機構の模擬とその実験的検証”，精密工学会生体機構制御・応用技術専門委員会
16 回例会抄録集，pp.32–35, 2009.
[ 5 ] http://www.isab2010.com/[ 6 ] http://air-dawn.net/

図 16 二関節筋獲得の進化史的背景制御できることを来たる国際シンポジウムにおいて実証，披露する予定である [5]．これによって生体運動制御の基本原理解明の有力な手がかりを得ると同時に，生体の出力特性，制御機能特性を有するロボット機構の確固たる根拠を得ることができよう．

7. まとめと将来展望

熊本水 （Minayori Kumamoto）
1960 年京都大学講師，医学博士，教授を経て1990 年退官，同大学名誉教授．同年富山県立大学工学部教授，1992 年二関節筋国際シンポジウム組織委員長（Rome，Italy），2002 年
株式会社計算力学研究センター顧問，2004 年

生体四肢リンク機構にとって拮抗二関節筋を計算座標に取り込むことは避けられぬ命題であり，パラダイムシフトを余儀なくさせられる．生体力学，生体工学の最も基礎にかかわるだけに，その影響する領域は極めて広範にわたりかつ深刻である．特に患者と直接かかわるリハビリテーショ

考 文（社）精密工学会生体機構制御・応用技術専門委員会委員長．

ン領域，整形外科領域では次第に理解が進み臨床応用の道

日本ロボット学会誌 28 巻 6 号—7—2010 年 7 月