2022 Fiscal Year Research-status Report

学習による故障診断と電気刺激による力覚提示を用いたH2Hの遠隔リハビリの開発

Research Project

Project/Area Number	21K04115
Research Institution	Ishikawa National College of Technology
Principal Investigator	河合康典石川工業高等専門学校, 電気工学科, 教授 (90413765)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	三好孝典長岡技術科学大学, 技術経営研究科, 教授 (10345952) 越野亮石川工業高等専門学校, 電子情報工学科, 教授 (90369968)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	電気刺激 / 遠隔制御 / 力覚
Outline of Annual Research Achievements	本研究は，電気刺激を用いたバイラテラル遠隔リハビリテーションにおいて，患者だけでなく理学療法士も電気刺激を用いて力覚提示を行うH2H (Human to Human)のシステム構築を目指す。今年度は下記の2つの課題について考える。はじめに，課題②の機械学習を用いたオンライン故障診断による安全性保証システムの構築について考える。学習データは理学療法士が患者に加える力に相当する電気刺激，患者の膝関節角度と角速度，膝関節の数式モデルから得られる疲労に相当する入力外乱である。これまでは，ガウス過程回帰を用いて入力外乱の平均と分散から故障診断を行っているが，今年度は教師あり学習として決定木とK近傍法を用いて，疲労の判別を行う。そして，決定木からは故障判別を行う際に入力外乱が最も重要な要素であることが確認できる。また，K近傍法ではK=3において疲労と非疲労の判別をすることができることを確認する。課題③の比較検証用の能動義足と外骨格の製作について考える。はじめに能動義足として膝関節用の外骨格装置を製作する。外骨格装置はモータ，膝関節角度を観測するエンコーダ，ウォームギア，バネから構成される。膝関節角度を目標値として，モータをPI制御することで膝関節の動作を補助することができる。実験において膝関節の動きに合わせてモータが動作することを確認する。次に，理学療法士に取り付ける肘関節用の外骨格装置を製作中である。コントローラの設計以外は製作を完了している。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 現在までの進捗状況について，課題ごとに下記に示す。はじめに，課題①の理学療法士の肘関節を用いた力覚提示と患者に与えたい力の推定については，肘関節に対して電気刺激で力覚提示するシステムの制御性能を改善が必要である。また，表面筋電位計と肘関節角度などを用いて，オブザーバによる理学療法士が患者に与えたい力の推定機構の構築が課題である。次に，課題②の機械学習を用いたオンライン故障診断による安全性保証システムの構築については，K平均法を用いてオンラインで行う故障診断するシステムを構築することが課題である。次に，課題③の比較検証用の能動義足と外骨格の製作については，肘関節用の外骨格装置のコントローラ設計を行い，実験を行うことが課題である。上記の課題①～課題③が終わっていないため，課題④の実験による検証が遅れている。
Strategy for Future Research Activity	今後の研究の推進方策について，課題ごとに下記に示す。はじめに，課題①の理学療法士の肘関節を用いた力覚提示と患者に与えたい力の推定については，オブザーバによる理学療法士が患者に与えたい力の推定機構の構築のため，肘関節の数式モデルの導出と非線形オブザーバの設計を行う。次に，課題②の機械学習を用いたオンライン故障診断による安全性保証システムの構築については，K平均法を用いてオンラインで行う故障診断するシステムを構築する。次に，課題③の比較検証用の能動義足と外骨格の製作については，製作している肘関節用の外骨格装置の製作を行う。最後に，課題④の実験による検証については，ネットワーク実験用の環境を整える。
Causes of Carryover	今年度に購入予定の電気刺激装置が予算を超えたために購入できなかったため，次年度は，代替装置を考えて購入予定である。