手の把握姿勢生成における運動規範モデルの解明とその形状デザインへの応用

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H03526
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 多田 充徳 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 研究チーム長 (70392628)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 遠藤 維 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 主任研究員 (40599073) ; 尾形 正泰 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 研究員 (60783818) ; 荻原 直道 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70324605)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 手 / 把握姿勢 / 姿勢生成 / 筋活動最小化

Outline of Annual Research Achievements

医用画像に対してセグメンテーションを行い，皮膚表面形状と骨格形状を抽出した．第2から第3中手骨と8個の手根骨は互いに運動しないものと仮定し，1つのリンクとしてモデル化することで手モデルを構築した．一方，第1中手骨と14個の指骨については，互いに回転運動をする独立したリンクとしてモデル化した．
関節を解剖学的に正しく決定するために，骨の3次元形状に基づき関節の位置と軸を決定した．具体的には，医用画像から抽出した関節面形状を球面（第2から第5指のMCP関節），円柱側面（母指のIP関節とMCP関節，第2から第5指のDIP関節とPIP関節），そして鞍形状（母指のCMC関節）として近似することで，関節中心と軸を決定した．
皮膚の表面形状についてはスキニングを用いた骨格アニメーション技術により，骨格（リンク構造）の姿勢変化に追従して変形するようモデル化した．
同様に医用画像に対してセグメンテーションを行い，手の運動に関係する筋のうち，手首の運動を制御する筋を除いた37筋を抽出した．ただし，手首付近で分岐する深指屈筋，浅指屈筋，そして総指伸筋については指ごとに異なる筋とみなした．ワイヤ要素を用いて全ての筋の走行をトレースすることで筋構造をモデル化した．また，腱鞘などによる筋の拘束については，骨に対して固定されたワイヤの経由点として表現した．これにより，骨格の姿勢変化に伴うモーメントアームの変化をコンピュータモデルから推定できるようにした．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和3年度の目標は医用画像からの手モデルの構築であった．当初計画通り，骨格構造，筋構造，そして表面形状を再現した手モデルが構築できている．このため，「おおむね順調に進展している」と判断した．

Strategy for Future Research Activity

令和4年度までに手モデルの構築が完了した．令和5年度以降は，これを与えられた物体形状に対する把握姿勢の生成に活用する．具体的には，指先を物体表面に拘束した状態で，把握に伴う筋活動が最小になるような姿勢を探索することで，筋活動の最小化という運動規範に基づく姿勢生成を実現する．