2017 Fiscal Year Research-status Report
Encouraging standing assistance with human model on muscle cooperation and minimum assistance algorithm
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16K01580
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
中後 大輔 関西学院大学, 理工学部, 准教授 (90401322)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 起立支援 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，昨年度実施予定であった筋肉協同発揮現象に基づく起立能力モデルの確立と筋力テストによる特性推定法の開発を行った．以下に研究概要を示す．
Ａ）起立能力モデル論の構築
A-2) 筋肉協同発揮現象に基づく起立能力モデルの確立と体系化：昨年度見いだしたA-1)の関係性，および，起立動作時に計測する高齢者の各部の筋電信号を解析して得られる筋肉協同発揮現象を考慮して，起立能力モデル論を確立した．具体的には，昨年度A-1)課題にて取得した代表的な筋電波形データから，シナジー解析を用いて筋肉の協同発揮現象を抽出し，起立動作を複数の基本動作に分割した．既に構築している身体力学的な状態を模倣する人間モデルでは各筋肉の働きを忠実に再現できなかったため，新たにバイオメカニクスシミュレータOpenSimを用いて3次元の人間モデルを作成し，見いだした基本動作毎にA-1)にて抽出した高齢者の生体情報と理学療法士の支援方策を入力として与え，各基本動作を再現することで，その基本動作を身体力学的に成立させるために必要な能力，より具体的には動作を実行するため必要な各部位の筋力駆動特性（強度，可動域，反応速度）を明らかにした．
Ｂ）筋力駆動特性推定法の開発
B-2) 筋力テストによる特性推定法の開発：従来，理学療法士は高齢者の起立を誘導しながら，その反応に応じて高齢者の身体能力を推定することがわかっている．このことを捉え，A)で得た起立能力モデルより，特定の筋力駆動特性を示す動作パターンを複数用意し，これに基づき使用高齢者の動作を誘導する筋力テスト方法を検討した．さらに，その結果を基に，各テスト動作における高齢者の反応，より具体的には各動作への適合度合いから，その高齢者個人の各部位の筋力駆動特性を推定する手法を開発した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究は，以下の理由のため遅れが生じた．
本研究では，「A-2) 筋肉協同発揮現象に基づく起立能力モデルの確立と体系化」にて，申請者が既に構築している身体力学的な状態を模倣する人間モデル（機構解析ソフトウェアWorking Modelをベースに，膝関節の筋肉の動きを模擬する二関節筋モデルを実装したもの）を使用する予定であった．しかし，本人間モデルでは模擬する筋肉を解析対象の筋肉のみと仮定して設計したため，扱う筋肉の数が限られ，その結果，各筋肉の働きを忠実に再現できない問題が生じた．そこで，国際的に評価が高いバイオメカニクスソフトウェア OpenSimを用い，人間モデル3DGait-Model2392をベースに，日本人の筋肉特性を実装した人間モデルを新たに構築したため，研究に遅れが生じた．しかし，本モデルは主な人間の筋肉の動作を全て模擬することができるため，研究で想定していない筋肉の影響を測ることもでき、シミュレーションの精度が向上すると考えられる．
さらに，「B-2) 筋力テストによる特性推定法の開発」では，患者像を症状別に想定してある程度のパターンを準備する手順を想定していた．しかし，以下の二つの理由でこの研究アプローチは有効では無かった．一点目は，専門職が定義する症状は，その原因をもとに定義されており，その結果としての現在の症状を定義しているわけでは無いと言うことである．そのため，現在の身体状況の指標として用いるには無理があった．二点目は，人間の動作は毎回一定では無く，身体力学的な条件が許される範囲でぶれることがあるということである．そのため本研究では，症状別アプローチでは無く，身体力学的な条件が満たされる範囲（安定余裕範囲）で動作を想定するアプローチに変更したため，遅れが生じた．
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は，以下の方針に従って研究を遂行する予定である．
Ｃ）能動的起立支援法の開発
C-1) 身体能力に応じた起立動作設計：本年度実施したB-2）から得られた筋肉駆動特性をA)で開発した起立能力モデルに入力することで，身体能力に応じた複数の起立動作パターンを得る．得られる起立動作パターンは筋肉駆動力の観点から多数あるため，この中から，人の動作は滑らかな動きの連続であるという神経生理学的知見に基づく選択を行うという，高齢者個人の規範起立動作の設計法を見出す．なお，本年度明らかになった（遅れの原因ともなった），身体力学的な条件を満たす範囲で人間の動作にはぶれがあると言う点についても考慮する予定である．
C-2) 能動的起立支援法の確立と体系化：C-1）で設計した規範起立動作パターンを目標軌道として人間機械フィードバック系を構成する．さらに，目標軌道に対して身体力学的に姿勢の安定が保たれる安定余裕範囲を求め，この範囲内で介入最小原理に基づき，支援力が最小となる力入力方向とタイミングを選定する．これにより，高齢者の自発的な動作を優先する能動的起立支援法を見いだす．具体的には，支援を受ける高齢者と起立支援装置を，協調して起立動作を行う系として捉え，C-1)にて設計した規範起立動作を目標軌道とする人間機械フィードバック系を構成する．同時に，目標軌道に対して身体力学的に姿勢の安定が保たれる安定余裕範囲を求め，この範囲内で姿勢が目標値から逸脱することを許容する．さらに，この範囲内で介入最小原理に基づき支援力が最小となる力入力方向とタイミングを身体力学的に明らかにし，能動的な起立支援方法を開発する．
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| Causes of Carryover |
（理由）現在までの進捗状況にて説明したとおり，「A-2) 筋肉協同発揮現象に基づく起立能力モデルの確立と体系化」と「B-2) 筋力テストによる特性推定法の開発」に遅れが生じたためである．
（使用計画）来年度実施する「C-1) 身体能力に応じた起立動作設計」にてこれらの問題点に対処する予定であり，その中で使用予定である．
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| Remarks |
20th International Conference on Climbing and Walking Robots にて CLAWAR2017 Highly Commended Paper of the Industrial Robot Innovation Award 受賞
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