| 研究課題/領域番号 |
20K11906
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| 研究機関 | 前橋工科大学 |
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研究代表者 |
王 鋒 前橋工科大学, 工学部, 教授 (80323046)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | ヒューマンインタフェース / 能動義手 / 触覚センサ / 運動意思識別 / 機械学習 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、前腕切断者の生活の質QoLを向上するために、全腕切断者に装着する能動義手を制御するための新たなヒューマンーマシンインタフェースを開発するものである。令和３年度に、以下の研究内容を実施した。
（１）従来の研究知見をもとに、センシングシステムの改良をさらに行なった。具体的には、まずセンサのダウンサイジングを行なって、従来サイズの4分の１のサイズで同感度のセンサを確実に実現した。また、新たな積層型のセンサ構造を検討して試作し、実験を行なった。さらにシステムの小型化を目指し、小型の周辺回路を作成し、マイクロプロセッサを利用してリアルタイム的なシステムの構築している。
（２）引き続き健常者に対してデータ収集実験を行なった。緊急事態宣言やまん延防止特別措置の実施によって、大人数の被験者を動員したデータ取得実験はできなかったが、研究グループメンバーに対して、従来の手の「開き」、「握り」、「回内」、「回外」、「屈折」、「進展」の6つの動作に加え、「握りから開き」、「握りから回内」などの連続動作および「握りながら回内」、「開きながら回外」などの複合動作を行うときに前腕部においてテンション、形状等の変化に関連するデータを収集し、最適な装着部位の模索を行なった。
（３）運動意志識別アルゴリズムをさらに研究した。上記研究グループメンバーに対して小規模のデータを基づき研究を進行してきた。今までの単独動作の識別に加え、「握りから開き」、「握りから回内」などの連続動作の識別、および「握りながら回内」、「開きながら回外」のような複合動作の識別の機械学習を行なった。その結果、一部の連続動作と複合動作に対して8割、9割以上の高い正解率で識別できたが、一部の連続動作と複合動作の識別正解率は低く、正確な識別はできなかったことが確認し、実用レベルに至るまでさらなる研究が必要であることがわかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
新型コロナウイルス感染症Covid-19のまん延、緊急事態宣言やまん延防止等重点措置の発令の影響で、当初予定の研究調査等の研究旅行は中止になった。また、研究期間の２年度にも大学キャンパスの立ち入り制限等が一時実施され、当初予定した多人数の被験者からデータ取得実験の実施を中止せざるを得ない状況になった。そのため、多人数において最適的なセンサ装着部位の模索ができなかった。また大量データに基づき動作識別の機械学習アルゴリズムの研究進捗が遅れ、汎用性の検証実験の実行はできなかった。
しかしながら、研究開発のハードウェアの部分、センサおよび周辺回路の改良と小型化は予定通りに進行されている。具体的にセンサの小型化と同時に、積層型のセンサも試作し、検証実験を行なった。センサ周辺シグナルコンディショニング回路を構築し、小型化に進んだ。
運動意志識別器の改良については、大量データに基づき機械学習は出来ないものの、小規模データを利用して、運動意志識別のアルゴリズムの研究を進行している。また、今までの単独動作の識別に加え、「握りから開き」、「握りから回内」などの連続動作と「握りながら回内」、「開きながら回外」のような複合動作の識別を検討した。２枚のセンサを撓側手根屈筋と長撓側手根伸筋に装着した場合、多くの連続動作において8割以上の識別率で動作の識別ができており、「回内から回外」、「回外から回内」の２種類の連続動作の識別正解率は著しく低く、正確な識別ができなかった。複合動作においても一部の動作の識別はほとんどできていないものの、一部の動作の識別は9割以上の正解率に至った。現在被験者人数を増やし、研究進行している。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は以下のような研究内容を行う予定である：
（１）センサハードウェアのさらなる改良：実用化に向け、センサ本体の構造、基材などの最適化を模索し、センサの高感度小型化をさらに研究していく。センサ周辺シグナルコンディショニング回路の小型ファームウェア化を行う。
（２）運動意志識別器の改良：より多くの被験者を動員し、センサの最適な装着位置と装着方法を検討しながら、より大量な基礎データを収集して機械学習に応用する。また、その際に今までの単一動作の識別に有効である積層自己符号化器S A Eとサポートベクターマシンのほかに、複合動作および連続動作の識別により有効な識別手法を検討し、より高い識別精度の運動意志識別器のアルゴリズムを構築し、センサの装着部位、装着方法等と統合して、識別率の向上を目指す。さらにそのアルゴリズムのリアルタイム化とマイコン実現化を進める。
（３）さらに独立成分分析I C A手法を用いて、前腕表面のテンション・形状と深部に存在する個々の筋の動きとの関係を分析し、センサの最適的な装着部位を研究しながら、個々の指の動作識別にチャレンジする。
（４）より多くの被験者に対してシステムの汎用性の検証実験を行う。また、実験の結果に基づき上記（１）から（３）の内容を繰り返し、システムのハードウェアとソフトウェアの両面において改良改善を行う。また、研究の進行状況に応じて、義肢装具士の協力の元に、前腕切断者の被験者に対して装着検証実験を行う予定である。以上の実験を繰り返しシステムの改良改善を行い、義手使用者の意思通り自由自在に能動義手を動作されるヒューマンーマシン・インタフェースである本能動義手制御のための触覚センシングシステムを完成させる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウイルス感染症Covic-19の蔓延のため、当初予定の国内、海外研究調査および成果発表等の研究旅行は全部実行出来なくキャンセルせざるを得ない、予定の旅費分は一部物品購入に使い、一部は実施出来ず、残っている状況になった。
本年度では、国内に開催するの会議ができるようになっているから、これからこの会議に積極的に参加し、研究調査、成果発表等を努む予定である。
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| 備考 |
令和４年３月１日、３月２日の２日間にわたりオンライン開催された第１２回一般社団法人電気学会東京支部 栃木・群馬支所合同研究発表会において、研究チームメンバーの学生の「能動義手の動作識別性能向上に関する研究」を題とする研究発表が優秀発表賞を受賞しました。
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