Fundamental Research on Performance of a Lower Limb Attached Artificial Bi-articular Muscle on the Body Part Where No Innate Muscle Exists

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K12481
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 上杉 繁 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80350461)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 川上 泰雄 早稲田大学, スポーツ科学学術院, 教授 (60234027)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 二関節筋 / ウェアラブルロボット / 足先出力 / 人工筋 / 力伝達 / 姿勢維持 / 三対六筋 / 有蹄類

Outline of Annual Research Achievements

高負荷作業を支援する身体装着型ロボットの多くは，各関節それぞれにアクチュエータを配置してトルクを付与するという，一関節を跨ぐ筋の機能に基づいた設計となっている．一方で実際の身体動作は，こうした一関節筋と2つの関節を跨って作用する二関節筋との協調制御により実行されており，特に二関節筋の配置構造により力の伝達方向調整や外力に対する姿勢維持などの機能が実現する．本研究ではこの二関節筋の機能に着目し，有蹄類には存在するが人には存在していない，腓腹筋と拮抗関係にある脛前面の部位への人工筋の装着による足先出力への影響を調査し，動作支援の新たな方法を検討した．
平成29年度においては，膝・足関節を跨ぐように装着する人工筋により力を付与した際の，足先で発揮する力，ならびに外部から力を加えた際の足先位置の変化のしにくさを調べる実験システムの構築と，それらの調査に取り組んだ．実験システムは平成28年度に開発した構造を基に，実験を実施する際のユーザビリティを考慮して構築した．人工筋アクチュエータは新たな機構として，ギヤドモータの動力を直線運動に変換するボールねじを2本平行に配置して連動させることで小型化し，実験中の関節角度の変更に伴う人工筋の位置調整の労力を軽減した．また，足先の力の大きさと方向の計測には6軸力覚センサ，足先位置の変位の計測にはモーションキャプチャ，周辺部位の筋活動の計測には筋電センサを用いた．各計測・制御の信号はアナログ入出力ボード介して同期させ，PCを介して人工筋の張力制御を行った．人工筋の付与張力と膝・足関節角度を段階的に変更した条件で体験し，それぞれの足先発揮力と足先位置の変位を計測した．その結果，関節角度のセンサや足先への力センサを利用することなく，人工筋の装着者が自身の関節角度を変化させるだけで，発揮したい足先の力や姿勢維持の剛性を調節できるような操作方法を見出した．