ロボット介護機器安全検証手法～
腰部負担評価のための介護作業
腰部部負担評価のための介護作業シミュレータ
負担介業シミュレータ
Development of A Safety Verification Method for Robot Care Equipments～A Care Work Simulator for Estimation of A Lumbar Burden

山田陽滋(名古屋大学)
YAMADA,, Yoji,
oj , Nagoya U
Universityve s ty
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BACKGROUND
 介護作業の現状
Nursing Care Robots

非装着型装着型

 腰痛の発症 離職率の増加

Demands for

安全検証手法の開発安全基準の確立(Safety) Verification .. 安全性を保証できるかどうか
Validation …. 機器が安全基準に照らして妥当かどうか

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TARGETS 移乗作業の際のリスク
介護士の立場でのハザード同定• 腰部への負荷• 共倒れ転倒
Fig.1 image of transferring

Simulator’s targets； 人間工学的不整合に起因する腰痛発症リスク(重篤度)の見積り
 介護シナリオの妥当性の確認
in use of a supporting equipment for care workwork.
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LOW BACK PAIN The National Institute for Occupational
pSafetyy and Health-米国において労働災害の予防を目的とした研究・勧告を行う研究機関

腰痛の発症基準
During lifting…

1. L5/S1間の椎間板に加わった負荷が支配的な要素.
2 腰痛発症に関しては圧縮方向に加わる力
2.
腰痛発症 関は 縮方向 加わる力が支配的.

L1
L2
L3L4L5S1

3. 定量的には腰部
定量的には腰部への負荷が3.4[kN]を超の負荷が3.4[kN]を超える負荷が加わると腰痛発症リスクが増大する.
( Revised NIOSH equation for the design and evaluation of manual lifting tasks. 1991)5RELATED STUDIESON THE LUMBAR BURDEN
先行研究
 力学モデルA biomechanical model of the lumbosacral joint during lifting activities．
（ ANDERSON, ;Charles K.1983）
Trunk muscle and lumbar ligament contributions to dynamic lifts with varying degreesof trunk flexion.
(POTVIN, J. R.; MCGILL, S. M.; NORMAN, R. W. 1991)

 実験
Mechanical stability of the in vivo lumbar spine: implications for injury and chronic
low back pain.
(CHOLEWICKI, Jacek; MCGILL, S. M.1996)

 統計的分析
Revised NIOSH equation for the design and evaluation of manual lifting tasks.
（ WATERS, Thomas R.1991）

Objective• 人-人-機械の複雑な系の3次元解析• 様々な姿勢の介護作業中の腰痛に関して評価する手法の開発
4

PROPOSED METHODS
Objective• 人-人-機械の複雑な系の3次元解析• 様々な姿勢の介護作業中の腰痛に関して評価する手法の開発
様々な姿勢 介護作業中の腰痛に関し 評価する手法の開発
MADYMO
乗員拘束装置の設計，最適化を行うためのソフトウェア
介護機器のモデリングも可能筋骨格モデル
逆動力学計算により，各関節に加わる筋力を推定

関節トルク，反力
対象部の有限要素モデルによる応力，ひずみ 基本構成マルチボディダイナミクス
有限要素解析

対象となる疾患の発症リスクの評価
Ex. 現在はメインター
ゲ トを腰痛としゲットを腰痛としているたるた
め関節反力による評価

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PROPOSED METHOD1
 MADYMO
強制変位を用いてモデルを駆動
接触力の算出点荷重への変換 Musculoskeletal model
点荷重

動作データ

関節反力・関節トルク筋力の推定

 MADYMO
筋力を用いてモデルを駆動

有限要素モデルでの応力・ひずみ

疾病の評価＆リスクアセスメント

7EXPERIMENTS 評価実験概要• 実験目的
シンプルな作業に提案する方法を適応することで，シミュレーション方法の基本動作の確認• 実験条件作業: 重量物の持ち上げ
対象物 重り (4.6kg重)対象物:(4 6k 重)
作業動作: 3パターン（右図）
試行数: 5 trials /motions

Leg pattern

Lumbar pattern

Shoulder pattern

実験参加者: 21歳の健常な男子学生1名• 計測量
参加者の各関節の3次元位置情報
床反力
End posture

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EXPERIMENT AND SIMULATIONS In lumbar pattern
RealMADYMOSIMMReal situation: 参加者の位置変位情報 force plate による床反力
重量物との接続は取手の保持
MADYMO: 各関節にmotion captureによる3次元位置から算出した関節角
重量物との接続はばねダンパでの接続
SIMM: motion captureによる位置情報と外力
重量物との接続は外力ベクトルにより入力

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Lumbar mLmoment [Nm]120
yaw moment100

roll moment
pitch moment8060
40200050-20

Normalized time [%]100Lummbar com
mpression force [N]SIMULATION RESULTS
2500

2000

1500

1000

500

0050

100

Normalized time [%]ヒュ マンモデル中の lumbar joint に加わったモヒューマンモデル中のに加わったモーメントを椎間板にメントを椎間板に加わったモーメントとして出力し，圧縮力に関してはモーメントと自重等の影響を考慮した換算を行った値を出力．
ピッチ方向のモーメントに関しては姿勢の変化による立ち上がりと物体
ピチ方向のメ トに関しては姿勢の変化による立ち上がりと物体の保持による立ち上がりを確認．
腰部圧縮力は今回の作業では主にピッチ方向のモーメントに依存
以上から，本解析手法の動作を確認した．
次に定量的な評価実験を実施する．
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Lumbar mLmoment [Nm]120
yaw moment

100roll moment
pitch moment

806040200050-20

Normalized time [%]100Lummbar com
mpression force [N]SIMULATION RESULTS
2500

2000

1500

1000

500

0050

100

Normalized time [%]ヒュ マンモデル中の lumbar joint に加わったモヒューマンモデル中のに加わったモーメントを椎間板にメントを椎間板に加わったモーメントとして出力し，圧縮力に関してはモーメントと自重等の影響を考慮した換算を行った値を出力．
ピッチ方向のモーメントに関しては姿勢の変化による立ち上がりと物体
ピチ方向のメ トに関しては姿勢の変化による立ち上がりと物体の保持による立ち上がりを確認．
腰部圧縮力は今回の作業では主にピッチ方向のモーメントに依存
以上から，本解析手法の動作を確認した．
次に定量的な評価実験を実施する．
10CARE ROBOT MODELING EXPERIMENTS
介護機器の模擬Lu
umbar com
mpression fforce [N]・ゴムを用いた介護機器を単純な形状にモデル化- ゴムの伸縮を用いて，姿勢変化に応じて動作を支援する力が変化- 実際の機器を参考に自然長と取り付け位置を決定

 剛性の変化により，剛性の変化により腰部圧縮力が減少．
 取り付け位置の調整により，取り付け位置の調整により腰部負担軽減効果の改善

Normalized time [%]11

PROPOSED METHODS
Objective• 人-人-機械の複雑な系の3次元解析• 様々な姿勢の介護作業中の腰痛に関して評価する手法の開発
様々な姿勢 介護作業中の腰痛に関し 評価する手法の開発
MADYMO
乗員拘束装置の設計，最適化を行うためのソフトウェア

関節トルク，反力
対象部の有限要素モデルによる応力，ひずみ

介護機器のモデリングも可能
 基本構成マルチボディダイナミクス
有限要素解析

MATLAB
逆動力学計算 より，各関節逆動力学計算により，各関節に加わるトルク，力を算出対象となる疾患の発症リスクの評価

feedback

Ex. 現在はメインター
ゲ トを腰痛としゲットを腰痛としているたるため関節反力による評価

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EXPERIMENT AND SIMULATIONS In lumbar pattern
RealMADYMO

Matlab-aided

Real situation: 参加者の位置変位情報 force plate による床反力
重量物との接続は取手の保持
MADYMO: 各関節にmotion captureによる3次元位置から算出した関節角
重量物との接続はばねダンパでの接続
Matlab-aided: motion captureによる位置情報と外力
重量物との接続は外力ベクトルにより入力

9トルク [NトN・m]

MATLAB-AIDED
2000

0-2000
0

2000

4000

6000

時間 [ms]－ HALなしモデルのL5ジョイントトルク－ HALありモデルのL5ジョイントトルク－ HALトルク

SUMMARY 目的人 人 機械の複雑な系の3次元解析
人-人-機械の複雑な系の3次元解析
 実施事項
腰部負担見積手法の提案した．
腰部負担見積手法の提案した評価実験を実施した．
介護機器の模擬を行った．
 結果
筋骨格
筋骨格モデルとの連携
連携関連研究との比較により，解析手法の妥当性を確認した．
介護機器の模擬により，機器の性能評価を行った．
 MATLABとの連携提示手法を用いた解析ツールのアウトラインができた．
動作生成は 通り成功した
動作生成は一通り成功した．
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FUTURE PLAN
MATLABとの連携については今後動作生成精度の向上を目指す．
-モデルスケーリングの改善，動作データ取得の改善
 複雑機能の介護機器のモデル化
腰部支援用HALCYBERDYNE社 Webページより引用

トルクト 腰部構造の有限要素化

角速度

 コンソーシアム内のcross-reference

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