学習による故障診断と電気刺激による力覚提示を用いたH2Hの遠隔リハビリの開発
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21K04115
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21040:Control and system engineering-related
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| Research Institution | Ishikawa National College of Technology |
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Principal Investigator |
河合 康典 石川工業高等専門学校, 電気工学科, 教授 (90413765)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三好 孝典 長岡技術科学大学, 技術経営研究科, 教授 (10345952)
越野 亮 石川工業高等専門学校, 電子情報工学科, 教授 (90369968)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 電気刺激 / 遠隔制御 / 力覚 / 遠隔リハビリテーション / 学習による故障診断 |
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| Outline of Research at the Start |
はじめに，理学療法士の肘関節を用いて，力覚提示と患者に与えたい力の推定を行う。次に，筋肉疲労やサイバー攻撃に対して，機械学習を用いた故障診断システムを構築する。次に，能動義足と外骨格を製作して，HMI(Human Machine Interface)であるパドル，能動義足，外骨格を用いたHMI2H(HMI to Human)の3つとH2H(Human to Human)の合計4つで比較検証を行う。最後に，長岡技術科学大学-石川工業高等専門学校（以下、石川高専と略す）間，フロリダ大学-石川高専間での制御実験を通して，H2H とHMI2Hの比較検証と故障診断システムを検証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，電気刺激を用いたバイラテラル遠隔リハビリテーションにおいて，患者だけでなく理学療法士も電気刺激を用いて力覚提示を行うH2H (Human to Human)のシステム構築を目指す。今年度は下記の2つの課題について考える。
はじめに，課題②の機械学習を用いたオンライン故障診断による安全性保証システムの構築について考える。学習データは理学療法士が患者に加える力に相当する電気刺激，患者の膝関節角度と角速度，膝関節の数式モデルから得られる疲労に相当する入力外乱である。これまでは，ガウス過程回帰を用いて入力外乱の平均と分散から故障診断を行っているが，今年度は教師あり学習として決定木とK近傍法を用いて，疲労の判別を行う。そして，決定木からは故障判別を行う際に入力外乱が最も重要な要素であることが確認できる。また，K近傍法ではK=3において疲労と非疲労の判別をすることができることを確認する。
課題③の比較検証用の能動義足と外骨格の製作について考える。はじめに能動義足として膝関節用の外骨格装置を製作する。外骨格装置はモータ，膝関節角度を観測するエンコーダ，ウォームギア，バネから構成される。膝関節角度を目標値として，モータをPI制御することで膝関節の動作を補助することができる。実験において膝関節の動きに合わせてモータが動作することを確認する。次に，理学療法士に取り付ける肘関節用の外骨格装置を製作中である。コントローラの設計以外は製作を完了している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
現在までの進捗状況について，課題ごとに下記に示す。
はじめに，課題①の理学療法士の肘関節を用いた力覚提示と患者に与えたい力の推定については，肘関節に対して電気刺激で力覚提示するシステムの制御性能を改善が必要である。また，表面筋電位計と肘関節角度などを用いて，オブザーバによる理学療法士が患者に与えたい力の推定機構の構築が課題である。
次に，課題②の機械学習を用いたオンライン故障診断による安全性保証システムの構築については，K平均法を用いてオンラインで行う故障診断するシステムを構築することが課題である。
次に，課題③の比較検証用の能動義足と外骨格の製作については，肘関節用の外骨格装置のコントローラ設計を行い，実験を行うことが課題である。
上記の課題①～課題③が終わっていないため，課題④の実験による検証が遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策について，課題ごとに下記に示す。
はじめに，課題①の理学療法士の肘関節を用いた力覚提示と患者に与えたい力の推定については，オブザーバによる理学療法士が患者に与えたい力の推定機構の構築のため，肘関節の数式モデルの導出と非線形オブザーバの設計を行う。
次に，課題②の機械学習を用いたオンライン故障診断による安全性保証システムの構築については，K平均法を用いてオンラインで行う故障診断するシステムを構築する。
次に，課題③の比較検証用の能動義足と外骨格の製作については，製作している肘関節用の外骨格装置の製作を行う。
最後に，課題④の実験による検証については，ネットワーク実験用の環境を整える。
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
