2016 Fiscal Year Annual Research Report
ADL維持回復のための人の内外複合モデルと力制御型生活支援機器（ITR）の開発
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15H02235
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
村上 俊之 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (00255598)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
満倉 靖恵 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (60314845)
野崎 貴裕 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (20734479)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 福祉機器システム / 生体信号処理 / パワーエレクトロニクス / IMUセンサ / 立ち上がり動作 / 階段乗降動作 / 力制御 / 動作安定性解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度では，平成27年度に引き続き日常生活動作の身体運動モデルに対して，身体内的状態モデル構築のための状態計測システムの構築と計測データに基づいた解析を行った．基本的には，加速度センサ情報に基づいた人の動作状態解析（歩行，小走，階段の乗降等）によるモデル化を中心に研究を遂行した．また，歩行動作時の安定性向上のためのITR（知的突っ張り棒）を用いたモード分解型の動作支援制御アルゴリズムの構築を行った．
平成28年度に開発したITRの機構では，主に起立，着座支援のみに用いられる突っ張り棒型手すりの上下端に車輪を付加することで歩行支援も可能としている． ITRは突っ張り棒型手すりの下端に2つ，上端に1 つの駆動輪を付加することで床と天井に突っ張りながらの移動を可能にした支援機器であり，ピッチ角方向に受動関節を持つことによってITP の所望の傾きを実現することができ，さらに傾斜や段差環境下での利用が可能となっている．また，垂直方向への伸縮機構としてボールねじを取り付けることにより，ITR の傾きに応じた長さ調節による持続的な床と天井との突っ張りや，突っ張り力の調節による安定性向上，さらに長さを短くすることによる未利用時の小型化などの実現が可能となる．
加速度センサ情報を用いた動作解析では，歩行ロボットの解析で利用されてきたZMP（Zero Moment Point）およびCOG（Center of Gravity）について，加速度情報と身体の簡易モデルから算出するアルゴリズムを構築し，ZMPについては提案アルゴリズムによる計算値と足底に設置した力センサによる実測値との比較を行い，アルゴリズムの妥当性についての評価も行った．
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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
現状ではITRのプロトタイプの製作を終了し，その制御アルゴリズムの構築と実験的検証も行えている．ITRでは突っ張り棒型手すりの下端に2 つ，上端に1 つの駆動輪を付加することで床と天井に突っ張りながらの移動を可能としている．下車輪を二輪機構にすることの利点として，足元の省スペース化により利用者がより身体をITR に近づけることができ，掴まりながら歩行する際により安心かつ安定した動作を行えることが挙げられる．さらに，二輪機構にすることでピッチ角方向に受動関節を持つことになり，ITR の所望の傾きの実現や，傾斜や段差環境下での利用が可能となる．一方で，受動関節を持つことによってITR のピッチ角方向への安定性が損なわれる欠点も有することになる．そこで床と天井を突っ張ることによる安定性向上を実現するために，伸縮機構としてボールねじを付加している．ボールねじを使用することで，ITR の傾きに応じた長さ調節による持続的な床と天井との突っ張り，天井への突っ張り力の調節，さらに長さを短くすることによる未利用時の小型化の実現が可能となっている．こうした機構上の工夫を反映した実機製作については計画通りの研究遂行が行えている．
動作システム制御に関しては，Inertial Measurement Unit (IMU)を利用した人の動作検出と制御は実験的に検証が行えているが，人の状態測定を網羅したものとはなっていない．特に，研究目標の一つとしている身体の運動状態モデルおよび内的状態モデルにつ
いて，その構造化による確定的モデル（人の内外複合モデル）の提示は行えておらず，その進捗状況は芳しくない．ただ，歩行動作をはじめとする動作解析による動作の分類と安定性評価についてはある程度の進捗が見られ，来年度において，さらなる進展を目指している．上記より，「おおむね順調に進展している」と評価している．
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| Strategy for Future Research Activity |
動作システム制御について，平成２８年度では主に歩行動作時の使い心地と安定性の2 点を考慮したアルゴリズムを構築している．特に，使い心地に関しては，人とITR の協調動作を実現するために，Inertial Measurement Unit (IMU) を人の片足に1 つ取り付けて足動作をリアルタイムに測定及び推定し，杖利用時と同様に利用者の足とITR が同期して動作するように車輪の走行制御を行っている．本年度は，このアルゴリズムをさらに発展させ，人の動作状態を複数のIMUを利用して測定し，またITRをもう一台製作し，人の状態測定に基づいた複数のITRの制御アルゴリズムを構築する．また，使い心地を悪化させる要素であるITR の過度な加速度変動を抑制するために，平成２８年度において確立した仮想インピーダンスモデルに基づく指令値生成を導入する．一方で，安定性に関しては，引き続きボールねじの力制御により人が加える外力に応じた突っ張り力を生成し，ITR と床や天井との接地点の滑りを防ぎ，ITR の転倒を防止する制御を適用する．さらに，圧力中心を示すZero-Moment Point (ZMP) と重心を示すCenter of Gravity (COG) による人とITR を含むシステム全体の安定性指標に基づき，人からの外力に応じた複数のITR の姿勢制御および相対位置制御を適用することで，転倒危険性のさらなる低減を目指す．使い心地と安定性の制御に関しては，それらの干渉を防ぐため，モード変換に基づいた制御アルゴリズムを基本とする．
最終的には内的状態モデル（カメラ情報に基づいた人の動作解析と生体信号を用いた人の状態変化）と身体の運動状態モデルを融合したITRの制御アルゴリズムを検討する．
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Research Products
(9 results)
