2013 Fiscal Year Research-status Report
新しい筋電位駆動モータを用いた介護用ロボットアームの開発に関する研究
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25420234
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Suzuka National College of Technology |
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Principal Investigator |
伊藤 明 鈴鹿工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (40259883)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田村 陽次郎 鈴鹿工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (20163701)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 骨格筋 / モデル / 表面筋電位 |
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| Research Abstract |
従来、ロボットは、主に工場などで産業用として利用されてきた。今後、少子高齢化が進む日本では、“老老介護”の支援など家庭で人間を対象とした需要が高まる。訓練を受けていない高齢者が操作できるためには、ヒトの動きにより近いコントロールシステムが不可欠である。
我々の研究グループは、従来困難であったヒトの運動を十分再現できる新しい筋肉モデルを論文・国際会議で既に報告している。弾性要素と収縮要素の直列接続で構成されるHill らによるモデルは、簡易的に筋肉の収縮動作を近似できるために広く用いられている。しかし従来のモデルでは、実際の骨格筋の応答性を十分に再現することができない。研究分担者の田村らは、並列接続された二つのMaxwell 要素からなる粘弾性的筋収縮モデルを提案し、従来までのバネを主体とした筋肉モデルとは異なり、ほとんどのヒト生体筋が示す非線形応答を統一的に再現できることを示してきた。
本研究では多チャンネルSEMG測定回路を製作し、それらの信号強度から各筋肉群の活動単位(Motor Unit)の活性化率を推定する方法の確立をめざす。この推定された活動電位（Action Potential)を新しい筋肉モデルの入力とし、ヒトの運動を再現する。最終的には、よりヒトの動きに近い介護補助用ロボットアームの実現を目指す。
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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
ヒト上腕二頭筋の随意収縮時の表面筋電位（ＳＥＭＧ）を、４チャンネルSEMG測定回路を試作し測定した。最大随意収縮の30％以下の収縮時の各運動単位の活動電位を分離するために、ノイズの低減化について検討を行った。
測定電圧をＡ／Ｄ変換しパソコンへデータを取り込むデータロガーを、本研究で新たに購入した高速電圧計を用いることで従来より高速（読み取り時間間隔１μｓ）で測定を行うように変更した。この測定データをパソコンへ取り込み後にスムージング処理をすることで信号に対する雑音比（Ｓ／Ｎ比）が大幅に改善した。
また、測定対象の表面筋電位信号は、繰り返し周波数が10～60Hz程度であり、これは商用電源（西日本 60Hz）のハムノイズと帯域が近く、大きなベースラインの変動を生じてしまいこれが測定の障害となっている。本研究の予算で購入した絶縁トランス電源は、入力と出力の電圧の大きさの比率は同じであるが、入力側と出力側がそれぞれ電気的に絶縁されておりハムノイズの混入の抑制が期待できる。購入した電源は電流容量が十分大きいため、測定に用いた回路とデータロガーとパソコンなどを全てこの絶縁トランス電源に接続が可能でありノイズが低下することを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
より一層のノイズ低減を図るために、二重差動増幅方式(double differential amplification)のＳＥＭＧ測定回路を作成する。現在は二つの電極の静的（DC成分）のノイズ（コモンモードノイズ）を一つの計装オペアンプで差動増幅しているが、今後は３つの測定電極からの信号を二つの差動増幅器（オペアンプ）で一旦増幅後、それらをさらに差動増幅する二重差動増幅することで、電極間に一次関数的に信号に重なっているノイズを除去する効果が大いに期待できる。
測定されたＥＭＧ波形から各活動単位の活動電位を推定するための、測定電極の間隔と多チャンネル測定端子対の空間配置の最適化を検討する。
本予算により購入する電子回路パターン作成ソフトウエアを用いてこの多チャンネル二重差動増幅器を用いて、上腕二頭筋とその拮抗筋である上腕三頭筋の表面EMGを測定し、実測値とシミュレーション値の比較検討を行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究初年度として、電子回路の試作のために電子部品をいくつか購入して実験を行っていたが、当初予定していた部品の納品予定時期が遅れたため発注ができず、一部次年度へ使用が繰り越されてしまった。
年度初めに、前年度予定していて購入できなかった物品の発注を行う予定である。また、できるだけ早めに物品発注ができるように今年度も実験計画を行う予定である。
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