2017 Fiscal Year Annual Research Report

Quantification of uncomfortable feeling in operation of power assist device and development of method to reduce discomfort based on it

Research Project

Project/Area Number	16H02881
Research Institution	Mie University
Principal Investigator	池浦良淳三重大学, 工学研究科, 教授 (20232168)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	早川聡一郎三重大学, 工学研究科, 准教授 (50288552)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2020-03-31
Keywords	ユーザーインターフェース / マンマシンインターフェース / パワーアシスト / 違和感
Outline of Annual Research Achievements	パワーアシスト装置は現状の高齢社会に必需となるが，操作者が運搬物体を「重い」と視覚的に感じているにもかかわらず，アシスト装置により必要以上に「軽く」操作できてしまうと，結果的に予想外の急激な危険操作をする可能性が高い．これにより，操作に違和感や恐怖感を抱き，事故につながるなど，緊急に解決しなければならない問題である．この問題は操作者が事前に感じる視覚的重量感と操作中の体性感覚的重量感が大きく異なることが原因と考えられる．そこで，本研究の目的は，皮下組織を変形させることにより，パワーアシスト操作時の体制感覚的重量感を変化させ，先の問題を解決し，実用的で安全安心なパワーアシスト装置を開発することである．体性感覚的重量感を制御するには，人間の重量知覚特性を把握し，それを基に制御手法を考案しなければならない．そこで，平成29年度は，当初の皮下組織変形制御を行う前に，視覚的重量感と体性感覚的重量感が異なる場合の人間の物体の操作挙動を調査した．操作挙動としては，把持力及び物体の運動について計測を行った．そのため，応答性能の高いボイスコイルモータを用いた鉛直1自由度パワーアシストシステムを製作し，さらに，把持力を計測できる力センサーを歪みゲージにより製作を行った．そして，被験者に知られることなく物体の質量を制御により変化させた場合の人間の把持力及び物体の操作挙動を調べた結果，視覚的重量感（予想した重量感）と体性感覚的重量感が異なる場合でも，操作開始は予想した重量感での操作挙動となった．また，把持力により人間の予想した重量感の予測が可能であり，これにより，当初の目的の1つである違和感の評価が可能となることが示唆された．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 当初，利用予定であったシャフトモータは，高性能である反面，大きな制御力が必要なパワーアシストシステムでは，シャフト部に配置される永久磁石は非常に強力なものとなり，その磁界は，人体への影響が非常に大きく，その影響を考慮したシステムの設計及び製作は困難であった．そこで平成29年度では，ベルトとプーリーを利用した高性能なパワーアシストシステムを構築し，体性感覚的重量知覚特性の制御を試みる予定とした．しかしながら，シャフトモータを用いる場合は，比較的構造が簡潔となるが，ベルトとプーリーによる機構は複雑となり，また，高性能化を目指すために，機構部の摩擦を極力抑える設計をしたため，設計に多くの時間を費やすこととなった．そして，設計は完成したものの，製作を年度内に完了することができなかった．そこで，平成29年度は，目的の1つである違和感の評価に焦点を当て，装置の製作，実験を行った．その結果，把持力の大きさや変化によって，違和感の評価が可能であることが見出され，大きな目標の1つは達成されるとみている．しかしながら，持ち上げる物体は1kg程度と軽量であったため，10kg程度を持ち上げる高出力パワーアシスト装置を早急に製作し，同様の挙動となるか確かめる必要がある．
Strategy for Future Research Activity	平成29年度に設計を行ったタイミングベルトおよびプーリーを利用したパワーアシスト装置については，早急に製作を行い，10kg程度を持ち上げる実験を行う．当該装置には力ベースのインピーダンス制御を適用し，物体の実慣性，実重力に対して，制御により，慣性，重力を任意に変更できるようにする．また，平行して皮下組織変形を直接操作できる機構部を試作し，人間の重量知覚特性が変化するか調べる．重量知覚特性の検証方法は平成28年度と同様に以下を考えている．まず，パワーアシストの物体と同じ形状，大きさの物体を用意する．パワーアシストされた物体とこの物体を区別するため，前者をアシスト物体，後者を非拘束物体と呼ぶことにする．主な実験手順は次のようである．（１）アシスト物体の運動制御部インピーダンスパラメータの慣性，重力を1kgの質量の同特性と同じにする．また，非拘束物体は1kgの質量と同じにする．（２）皮下組織変形特性を変形制御を加えない状態とする．（３）アシスト物体と非拘束物体を持ち上げて，感じる重量を比較する．（４）それぞれの感じる重量が異なる場合，アシスト物体の慣性，重力パラメータを変化させる．（５）アシスト物体と非拘束物体の重量感が同じなるまで（３）と（４）を繰り返し，同じになった時の重量を，アシスト物体の体性感覚的重量とする．（６）皮下組織変形特性を変化させて，（３）～（５）を実施する．以上より，平成29年度で得られた結果と比較し，重量物を運搬する実用的な場合においても，把持力により，違和感の評価が可能かについて検討する．また，アシスト物体の体性感覚的重量が皮下組織変形特性によって変化するかを調べる．