Robotic therapy after stroke: novel interventions based on muscle synergies and dynamic primitives

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K14198
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 平井 宏明 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (60388147)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: リハビリテーション / 脳神経疾患 / 知能機械 / 人間機械システム

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，脳卒中のリハビリテーションを「身体協調に基づく中枢神経系の機能回復」と捉え，患者の身体協調の再獲得と保持を促進するロボット訓練法の開発を行う。新運動理論の下，「筋シナジー抽出/予測/支援技術」より診断される身体協調に基づくインピーダンスと平衡点の調整訓練が運動の再学習を促進し，運動改善に効果的であることを臨床試験より検証する。具体的には、以下の３つの小課題を克服することにより、課題の達成を目指す。
（１）診断 ― 異常な筋シナジーの定量評価
（２）治療 ― 正常な筋シナジーの再獲得を促進する運動介入プロトコルの開発
（３）効果 ― 臨床試験による運動介入効果のエビデンスの獲得
本年度は、離散運動と周期運動の異なる運動プリミティブに対して、筋シナジー、平衡点及び剛性の観点から運動解析を行うとともに、個別の運動プリミティブを訓練するロボットシステムを開発した。また、健常者および脳卒中患者への適用を図り、提案システムの有効性を検証した。一連の成果と関連技術は、学術論文１件、学会発表１２件（国外４件、国内８件）にまとめられている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Massachusetts Institute of Technology(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Massachusetts Institute of Technology
• [Journal Article] 部分体重免荷装置, 左右分離型トレッドミル, 機能的電気刺激を用いた歩行への介入－新しい歩行訓練環境の提案と介入効果の基礎的検証 (2018)
  • Author(s): 片岡夏美, 平井宏明, Taya Hamilton, 吉川史哲, 黒岩晃, 長川祐磨, 渡邉英知, 二ノ丸雄大, 佐伯友里, 植村充典, 宮崎文夫, 中田裕士, 西知紀, 成冨博章, Hermano Igo Krebs
  • Journal Title: 計測自動制御学会論文集 Volume: 54(4) Pages: 412-420
  • DOI: 10.9746/sicetr.54.412
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Efficacy of a knee orthosis that uses an elastic element (2017)
  • Author(s): I. Kamada, M. Uemura, H. Hirai, and F. Miyazaki
  • Organizer: 39th Annual Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. (EMBC2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of partial body-weight support and functional electrical stimulation on gait characteristics during treadmill exercise: pros and cons of saddle-seat-type body weight support (2017)
  • Author(s): N. Kataoka, H. Hirai, T. Hamilton, F. Yoshikawa, A. Kuroiwa, Y. Nagakawa, E. Watanabe, Y. Ninomaru, Y. Saeki, M. Uemura, F. Miyazaki, H. Nakata, T. Nishi, H. Naritomi, and H. I. Krebs
  • Organizer: 15th IEEE Int. Conf. Rehabilitation Robotics (ICORR2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MIT-Skywalker: evaluating comfort of bicycle/saddle seat (2017)
  • Author(s): R. S. Gonçalves, T. Hamilton, A. R. Daher, H. Hirai, and H. I. Krebs
  • Organizer: 15th IEEE Int. Conf. Rehabilitation Robotics (ICORR2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploiting Invariant Structure for Controlling Multiple Muscles in Anthropomorphic Legs: Equilibrium-point-based Control Approach to Constrained Motion (2017)
  • Author(s): E. Watanabe, H. Hirai, Y. Ninomaru, N. Kataoka, Y. Saeki, M. Uemura, F. Miyazaki, and H. I. Krebs
  • Organizer: Progress in Motor Control XI
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 足首周りの角運動量に基づく脚ロボットバランス制御の実験的検討 (2017)
  • Author(s): 八木聡明, 植村充典, 平井宏明, 宮崎文夫
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス 講演会2017
• [Presentation] 可変剛性機構を用いたロボット膝装具の開発と実験的評価 (2017)
  • Author(s): 鈴木健司, 寺田祐基, 植村充典, 平井宏明, 宮崎文夫
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス 講演会2017
• [Presentation] サドル支持型部分体重免荷装置, 左右分離型トレッドミル, 機能的電気刺激を用いた歩行への介入とその効果 (2017)
  • Author(s): 片岡夏美, 平井宏明, Taya Hamilton, 吉川史哲, 黒岩晃, 長川祐磨, 渡邉英知, 二ノ丸雄大, 佐伯友里, 植村充典, 宮崎文夫, 中田裕士, 西知紀, 成冨博章, Hermano Igo Krebs
  • Organizer: 第35回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2017)
• [Presentation] 卓球ロボットのためのヒトのラケットの動きを考慮した打撃点予測 (2017)
  • Author(s): 池口誠人, 真鍋仁, 武内将洋, 植村充典, 平井宏明, 宮崎文夫
  • Organizer: 第35回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2017)
• [Presentation] ヒトのドライブスイング移植による卓球ロボットの返球飛距離制御 (2017)
  • Author(s): 真鍋仁, 池口誠人, 武内将洋, 植村充典, 平井宏明, 宮崎文夫
  • Organizer: 第35回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2017)
• [Presentation] 部分体重免荷、左右分離型トレッドミル、機能的電気刺激を用いた歩行への介入と効果 －サドル支持型体重免荷の利点と限界－ (2017)
  • Author(s): 小笹航平, 藤原諒, 林伸樹、片岡夏美, 平井宏明, 吉川史哲, 黒岩晃, 長川祐磨, 渡邉英知, 二ノ丸雄大, 佐伯友里, 植村充典, 宮崎文夫, 中田裕士, 西知紀, 成冨博章, Taya Hamilton, Hermano Igo Krebs
  • Organizer: 第11回Motor Control 研究会
• [Presentation] ヒト上肢の運動生成に関する再考－タスク空間の座標系を符号化する筋協調と仮想軌道の解析－ (2017)
  • Author(s): 二ノ丸雄大，平井宏明，佐伯友里，渡邉英知，片岡夏美，植村充典，宮崎文夫，Hermano Igo Krebs
  • Organizer: 第18回システムインテグレーション部門講演会 (SI2017)
• [Presentation] サドル支持型体重免荷トレッドミルと能動式柔軟足関節装具を用いた歩行への介入 (2017)
  • Author(s): 佐伯友里, 平井宏明, 二ノ丸雄大, 片岡夏美, 渡邉英知, 植村充典, 宮崎文夫, Hermano Igo Krebs
  • Organizer: 第18回システムインテグレーション部門講演会 (SI2017)
• [Remarks] 大阪大学 基礎工学研究科 宮崎研究室
  • URL: http://robotics.me.es.osaka-u.ac.jp