2017 Fiscal Year Research-status Report
脳卒中のリハビリを目指した粘弾性の予測と制御ができるパワーアシストと臨床応用
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16K01572
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| Research Institution | Tokyo Polytechnic University |
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Principal Investigator |
辛 徳 東京工芸大学, 工学部, 准教授 (00431982)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 人口筋肉 / 空気圧ゴム / リニアモータ / パワーアシスト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
成人の筋肉骨格系は約206個の骨と約600本の骨格筋によって構成されている。我々は日常生活の様々な作業に対して，筋肉を収縮させることによって関節を回転させ、手先や対象物体を作業空間内で操作を行う。このように、物体とのインタラクションが可能なパワーアシストを製作するためには筋電信号の情報と軌道情報を同時に予測する必要がある。
本研究の目的は皮質脳波から念じた運動に関する各関節の運動情報（特に、関節角度）と力学情報（特に、関節の弾性）を同時に予測する手法を提案し、それを用いてパワーアシストの粘弾性を制御する新たなリハビリテーションの基盤技術の構築することである。平成２８年度では大阪大学病院から３種類の重さに関する患者データについてz-score法を用いた特徴抽出法と変分ベイズ法を用いた線形回帰手法（sparse linear regression）を用いて筋電信号を予測するデコーディング手法を提案した。
平成２９年度では提案手法で予測した筋電信号を用いて制御するパワーアシストを開発するため主に人口筋肉の開発を行なった。従来の空気圧人口筋肉では軽量で柔軟性があり、人間の筋特性と同様の特性を持っていることでパワーアシストや医療・リハビリテーションシステムに使われた。しかし、空気圧人口筋肉は入出力の非線形性や負荷等の他の環境の影響を受けやすいので制御が難しい問題点がある。また，柔軟性に起因して振動が生じやすいため，物体とのインタラクションするパワーアシストの操作性の観点から十分な検討が必要である. そこで、我々はゴムの空気圧とリニアモータを組み合わせた新たなる人工筋肉を提案し、筋張力の特性評価を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
物体とのインタラクションが可能なパワーアシストを製作するためには筋電信号の情報と軌道情報を同時に予測する必要がある。既存に市販の空気圧人口筋肉ではトルク-長さの特生が非線形であり、反応速度が遅い短点がある。また、市販品の人口筋肉は種類が少ないためパワーアシストのサイズに合わせることが難しい。さらに、筋電信号から得られた関節のトルクや平衡位置や関節のスティフネス（硬さ）を生かした新たな人口筋肉が必要になった。そこで、我々は筋電信号から得られたスティフネスを用いて空気圧ゴムの制御を、平衡位置を用いて長さを制御する新たな人口筋肉を提案した。提案した人工筋肉は空気圧ゴムとリニアモータが直列で構成されている。まず、空気圧ゴム部は従来のMcKibben型を採用し、ゴムチューブに網目状のスリーブを覆った構造になっている。人腕の関節は骨や屈筋と伸筋のペアの筋肉で構成されており、伸筋・屈筋の同時活性化によって腕の硬さを変化させる。この人腕のように、屈筋部・伸筋部のゴムチューブに同じ空気圧で同時に活性化すると印加する空気圧の量によってパワーアシストの硬さを調節することができる。同量の空気圧による同時活性化ではパワーアシストは動かない状態になるのでリニアモータを用いて人工筋肉の長さを操作すればパワーアシストの等長性運動と等尺性運動が再現可能になる。現在は色々な種類のゴムの特性を調べてアメゴムとナイロンスリーブの組合と小型リニアモータを持つ人口筋肉を開発し、特性を調べている。そして、柔らかいアクティブ筋電センサもプロトタイプが完成できた。最初に建てられた研究計画よりやや遅れているがパワーアシストの適用が順調に発展しているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度の研究方策は、これまで試行錯誤して開発した人口筋肉を用いてパワーアシストの製作を行う予定である。さらに、得られた筋肉骨格系の数式モデルを使ってパワーアシストの制御についた研究も行う予定である。駆体的にはSolidWorks設計ソフトと64ビット設計パソコンを用いて３D設計を行なって3DプリンターとFPRPによりパワーアシストのプロトタイプの製作を行う。パワーアシストのプロトタイプの製作が完了したら、有効性を確認するためオンラインシミュレーションを行う。必要に応じて３D設計を見直しCNCを用いて金属のパーツを含む本機を製作する予定である。
一方、患者の皮質脳波は治療の目的で１週間しか入れられない状況であり、運動野と運動前野まで電極を入れる必要があるので、患者のケースがかなり少ないため、今後は皮質脳波から予測した筋電信号ではなく、皮膚の上に貼る電極から計測した筋電信号を用いて筋肉の数式モデルを用いてパワーアシストに適用する。そのため、柔軟性を持つアクティブ筋電センサの開発を完了し、実験を加速する共にその研究成果を国内外に発表する予定である。また研究成果を国内外で発表するための出張旅費と会議参加費及び論文別刷り代を主な経費として計上している。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由として人口筋肉に対するノウハウがなかったので試行錯誤により開発が遅れてしまい研究発表の成果が少なかったのでその分の経費が計上されなかったからである。平成30年度は国内外の研究発表で次年度使用額を使う予定である。
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Research Products
(1 results)
