2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Cybernic Finger to Supplement Finger Motor Function and Sensory Function for Hand Paralysis
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21J20414
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
吉川 弾 筑波大学, 理工情報生命学術院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 手指麻痺 / 把持支援 / 感覚フィードバック / 外骨格 / パワーグローブ / 腱駆動 / ワイヤ駆動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度ではサイバニックフィンガーの実現に向けて，前年度までに開発した手指動作支援システムから得られる把持力情報及び手指の姿勢情報を感覚が残存する部位に提示する装着型感覚情報提示システムの研究開発を行なった．また，前腕部に位置する手指を動作させる筋肉の生体電位信号を計測し，手指動作支援システムを動作させる動作意思推定アルゴリズムを研究開発した．
片麻痺患者を想定し，麻痺腕とは反対側の感覚が残存する前腕部に装着するバンド形状の感覚情報提示システムを開発した．バンド周囲に沿って巻かれたワイヤをアクチュエータによって牽引することでバンドを締め付け，麻痺手の把持力を前腕への締め付け力として提示する．また，手指動作支援システムによって麻痺手の動作支援を行う際，牽引したワイヤの長さから手指の姿勢を推定し，バンド部に設置された振動子の振動によって手指の姿勢情報を前腕に提示する．動作意思推定アルゴリズムに関して，手指麻痺者はその生体電位信号がスパイク状かつまばらであることが予想されるため，信号のピーク値を保持しスパイク状信号の重なりあった連続的な信号へと補完を行うアルゴリズムを研究開発した．
感覚情報提示システムの締め付け及び振動刺激を同時に提示した際に把持力及び指の姿勢の識別が可能かどうかを確認する．上肢の運動機能および感覚機能が低下していない成人5名の試験協力者に対して実証試験を行なった．アイマスク及びヘッドフォンを装着し，視覚と聴覚の情報がない状態の試験協力者の前腕に本システムを装着し，3種類の把持力と3種類の指の姿勢の組み合わせである9種類の刺激を提示した．試験の結果より，基礎試験によって，本システムが，把持力及び指の姿勢を同時に高い識別率で識別可能であることを明らかにした．以上のことから提案するシステムの把持力と指の姿勢といった複数の感覚情報の知覚補助の実現可能性を確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度では，動作意思に基づく動作補助・指の腹を阻害しない把持力計測・感覚情報の提示を行う装着型サイバニックフィンガーのうち，感覚情報の提示システム及び動作意思推定アルゴリズムの研究開発を本年度の目標とした．
感覚情報提示システムに関して，手指動作支援システムから得られる把持力情報及び手指姿勢情報を前腕部に提示するバンド型システムを開発した．前腕部へのバンドの締め付け，振動によって2種類の感覚情報の提示を実現した．実証試験より，3種類の把持力と3種類の指の姿勢の組み合わせである9種類の刺激把を同時に比較的高い識別率で識別可能であることを確認した．本システムの複数種の感覚情報の知覚補助に対する実現可能性を示したため，計画通りに進捗が生まれたと言える．
動作意思推定アルゴリズムに関して，手指麻痺者はその生体電位信号がスパイク状かつまばらであることが予想されるため，信号のピーク値を保持しスパイク状信号の重なりあった連続的な信号へと補完を行うアルゴリズムを研究開発した．これにより手指動作支援システムの屈曲・伸展支援のフェーズ判別及び信号強度に応じた支援力の決定を行う．これにより前年度までに開発した手指動作支援システム，本年度開発した感覚情報提示システム，，動作意思推定アルゴリズムを統合し，実際の手指麻痺者に装着型サイバニックフィンガーを適用する準備が整ったことから計画通りの進捗が生まれたと言える．
サイバニックフィンガーの実現のうち，感覚情報の提示システム及び動作意思推定アルゴリズムを実現した．感覚情報の提示システムに関して日常生活に問題のない試験協力者複数人に対してシステムを適用しその実現可能性を確認した．さらに動作意思推定アルゴリズと手指動作支援システム，感覚情報提示システムの統合が完了したため，本研究の進捗は概ね順調と言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度では，前年度までに開発してきた，手指動作支援ユニット，感覚残存部位に把持力情報及び手指の姿勢情報を提示する感覚フィードバックユニット，手指麻痺者の前腕生体電位信号を用いた手指動作支援ユニットの制御アルゴリズムの各要素技術を統合した装着型サイバニックフィンガーを実際の手指麻痺者に適用する．数名の手指麻痺者による実証試験を通じて動作補助及び感覚フィードバックによる日用品の把持動作支援に対する本システムの実現可能性を証明する．把持機能評価として，母指の内転や外転の動作も含めた手指の動作補助を行うことで形状の異なる日用品に対して把持が可能になるかどうかを検証する．また，感覚フィードバックの有無が把持力調整能力に与える影響についての評価を行う．機能を統合したシステムを実際の手指麻痺者へ適用することで，手動作補助及び感覚フィードバックによる日用品の把持動作支援に対する本システムの適用可能性を確認する．
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