冗長性を有する筋・骨格系のフィードバックFES制御に関する基礎研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12780634
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 渡邉 高志 東北大学, 情報シナジーセンター, 助教授 (90250696)
• Keywords: 機能的電気刺激 / FES / フィードバック制御 / 不良設定問題 / 冗長性 / 一般化逆行列 / PID制御

Research Abstract

機能的電気刺激(FES)による筋・骨格系の制御においては,電気刺激時の筋・骨格系の入出力関係(刺激強度-関節角度特性)に冗長性があり,刺激強度の決定が不良設定問題になることが多い.本研究では,そのような系のフィードバック制御を実現するための検討を行い,今年度は以下の成果を得た.
1.手関節の2自由度運動に加え,前腕の回内外,肘関節の屈曲・伸展を計測可能にするために,磁気式の3次元位置角度センサを用いて計測システムを構築した.この計測システムを用いてフィードバック制御を行うために,パルスモジュレータを製作し,プログラムの改良を行った.健常被験者での表面電気刺激による制御実験で,これまでの電気角度計を用いたシステムと同様の制御結果が得られることを確認し,フィードバック制御システムの拡張に成功した.
2.改良したシステムを用いて,片麻痺患者1名で,健常被験者で行ってきた実験と同様に,手関節2自由度運動の表面電極による4筋刺激によるフィードバック制御実験を行った.電気刺激に対する筋の応答が不適切であることや表面電極ゆえの問題が生じたが,本研究で提案してきた手法により,簡単なパラメータ調整だけでフィードバックFES制御を実現できることを確認した.
3.健常被験者で,肘関節の角度が異なる条件で手関節の制御実験を行い,姿勢変化により制御能力に差が現れることを確認した.制御対象に2関節筋を含む場合には,制御器のパラメータを変更する必要があることが示唆された.また,制御中の刺激振幅値に応じてPID制御器のパラメータを変化させる方が,より適切な制御を行える可能性があることも確認された.

Research Products

• [Publications] 渡辺高志, 他: "閉ループFES制御での刺激強度決定における不良設定問題解決法の実験的検討"医用電子と生体工学. 39(特). 382 (2001)
• [Publications] T.Watanabe, et al.: "A Method for Solving ill-posed Problem in Multichannel Closed-loop FES Control"Proceedings of the 6th Annual Conference of International FES Society. 306-308 (2001)
• [Publications] 渡辺高志, 他: "高齢者の自立のための機能的電気刺激(FES)"計測と制御. 40(5). 373-378 (2001)
• [Publications] 黒沢健至, 他: "3次元位置・角度センサを用いた閉ループFESシステムの構築"第16回生体・生理工学シンポジウム論文集. 369-372 (2001)
• [Publications] 松平哲郎, 他: "多関節・多自由度運動再建のための閉ループFES制御に関する基礎的検討"第35回日本エム・イー学会東北支部大会論文集. 22 (2001)
• [Publications] 渡辺高志, 他: "機能的電気刺激による手関節2自由度運動の多チャネルPID制御法"電子情報通信学会論文誌. J85-D-II(2). 319-328 (2002)
• [Publications] 黒沢健至, 他: "多チャネル閉ループFESシステムによる姿勢保持制御中の外乱補償に関する検討"医用電子と生体工学. 40(特)(印刷中). (2002)
• [Publications] T.Watanabe, et al.: "Wrist Joint Control by Multichannel Closed-loop FES System : System Construction and First Clinical Test"Proceedings of the 7th Annual Conference of International FES Society. (発表予定). (2002)