計測自動制御学会東北支部 第 336 回研究集会 (2021.12.1)
資料番号 336-3小型外骨格型アシスト機構を用いた麻痺手補助システムの開発-機構の設計に必要なパラメータの取得Development of a support device for a paralyzed hand using
small size exoskeletal assist mechanism-Acquisition of parameters required for mechanism design○甲谷充 ∗ ，高橋隆行 ∗○ Mitsuru Kouya∗ Takayuki Takahashi∗∗∗

キーワード :

福島大学

Fukushima University

外骨格型アシスト機構 (exoskeletal assist mechanism)，確動カム (positive motion cam)
回転中心 (rotation center)，最小二乗法 (least squares method)

連絡先 :〒 960-1296

福島県福島市金谷川 1 福島大学 理工学群共生システム理工学類 高橋研究室

甲谷充，Tel/Fax:(024)548-5259，E-mail:kouya@rb.sss.fukushima-u.ac.jp

1.

緒言

筋組織のリハビリ効果があること，軽量な装置脳卒中や脊髄損傷などにより手指の機能を失ってしまった上肢麻痺者が多く存在する．そのため，上肢麻痺者の手指機能再建を目的とした補助システムの研究が行われている．補助システで大きな発生力が得られることがあげられる．
外骨格型アシスト機構のメリットは，精密な手指動作が可能であること，多自由度の制御が可能なことがあげられる．
しかし，これらの方法にはそれぞれ課題が存ムの方法として，主に，機能的電気刺激により筋の収縮を促し，手指を動作させる方法 1) と，在する．機能的電気刺激では，把持動作におい外骨格型アシスト機構により手指を動作させる
方法 2) がある．機能的電気刺激のメリットは，の筋が手掌部に存在し，それらの刺激を行うた

Actuator

Electrodeて重要な指の内外転運動や対立運動を行う多数
めの電極配置が困難で選択的制御が難しいことがあげられる．外骨格型アシスト機構では，十分なトルクを出力できるアクチュエータが多数必要となり，それに伴いシステム全体の小型・軽量化が困難であることがあげられる．

Fig. 1: Proposed assist mechanism

そこで，筆者らは，これらの課題を解決するために両手法を複合的に用いることで，小型・–1–

DIP関節

Ring

中節骨
PIP関節

Lcam

IP関節

MP関節

Rin中手骨

wer

MP関節
CM関節
第1中手骨
CM関節

有頭骨有鉤骨
豆状骨
三角骨

Fig. 3: Design of assist mechanism of index，ring
and little ﬁnger

小菱形骨
大菱形骨
舟状骨

月状骨

Fig. 2: Hand bones and joints

軽量かつ，手指の精密動作と十分な発生力を実現できる麻痺手補助システムを目指した開発を行っている 3) ．開発するシステムを Fig. 1 に示す．このシステムでは，前腕部の筋による手指動作を機能的電気刺激で補助し，表面電極の設置が難しい手掌部の筋による動作を外骨格型アシスト機構で補助する．より具体的に手の骨格

Fig. 4: Assist mechanism of index，ring and littleﬁnger(Fig. 2) を用いて説明すると，以下のようになる．本研究のシステムは，握りと摘み動作といっ2.

た手指運動の補助を想定しているため，機能的構

電気刺激で母指 MP 関節・IP 関節の屈曲運動，先行研究 4) において開発されたカムを用いた

母指以外の手指の屈曲・伸展運動，外骨格型アシスト機構で母指 CM 関節の屈曲・伸展，内外転運動，母指以外の手指の MP 関節の内外転運動の補助を行う．
渡辺ら 4) は確動カム (以下，カム) を用いた示
指，環指，小指の内外転運動の補助を行う外骨格型アシスト機構の開発を行った．しかし，開発されたカムの設計に必要な指の回転中心の計

示指，環指，小指の内外転補助機構の概略図をFig. 3 に示す．この機構は，示指を回転させるためのカム・フォロワ，環指，小指を回転させるためのカム・フォロワ，そして，これらのカムとフォロワを固定するためのプレートで構成されている．各指の内外転動作において，中指はほとんど動かず，示指は独立して動き，環指，小指は連動して動く．そのため，Fig. 4 のよう測方法に問題があった．
本稿では，指の回転中心の新たな計測方法と各指の内外転角度の導出について述べる．また計測したデータから，カムを用いた外骨格型アシスト機構を設計するためのカムの回転中心を決定し，カム機構を設計する．

先行研究の外骨格型アシスト機に中指はプレートに固定し，示指の内外転動作を 1 つのカム・フォロワで補助し，環指，小指の内外転動作を 1 つのカム・フォロワで補助する．Fig. 4 では，示指のカム・フォロワの回転を赤色，環指，小指のカム・フォロワの回転を緑色で示している．2 つのカムで各指の内外転動作の補助を行うことができるため，機構がシ–2–しかし，この方法では，指の回転中心を正しPIP joint markers

く計測できない．Fig. 6 を用いて詳しく説明す
MP joint markers

る．Fig. 6 の橙色は，最大内転時，最大内転時かMax add.
MiddleMax abd.

(1) MP and PIP
joint markers

ら最大外転時への動作途中，最大外転時の基節Rotation center

骨の様子を表している．また，PIP 関節と MP関節に貼り付けたマーカーの位置について，最(2) Rotation center

大内転時を緑色，動作途中を青色，最大外転時Fig. 5: Measurement of the rotation center ofﬁngers4)を黒色で示している．このとき，PIP 関節と MP関節に貼り付けたマーカーを通る 2 つの円は同The marker on the PIP joint

じ位置を中心としており，この位置を実際の回Proximal phalanx

転中心とする．しかし，各関節の 3 本の直線の交点がなす三角形の重心の位置は，実際の回転中心の位置と一致しない．したがって，先ほどCalculated rotation center

述べた方法では，回転中心が計測できない．

Actual rotation center

そこで，本研究では，実際の指の内外転動作をモーションキャプチャで計測し，最小二乗法による円の近似から，指の回転中心を求める方法を考えた．

The marker on the MP joint

Fig. 6: An example that cannot measure the rotation center of ﬁnger

3.

カムの設計に必要なパラメータの決定

ンプルかつ小型である．
先行研究 4) において，カムの設計に必要なカムを設計するために必要な示指，環指，小カムの輪郭曲線とカムの回転中心を求めるため指が内外転運動する際の回転中心と，各指の最に，示指，環指，小指の内外転角度と，各指の大内転角度と最大外転角度を実際の指の内外転

回転中心を実際の手の内外転動作から計測して動作からモーションキャプチャを用いて導出すいた．しかし，指の回転中心の計測方法に問題る方法を考えた．

があった．この研究での指の回転中心の計測方

3.1法を Fig. 5 に示す．
この研究では，Fig. 5(1) に示すように，各指の PIP 関節と MP 関節にマーカを貼りつけ，最大内転時 (Max adduction) ，最大内転時から最大外転時への動作途中 (Middle)，最大外転時 (Max abduction) の手の画像を撮影する．次計測には，光学式モーションキャプチャシス
テム (Mac3D System，Motion Analysis 社製)を用い，120[fps] で撮影した．このシステムは，計測対象に貼付した反射マーカーの 3 次元位置データをリアルタイムに取得することができる．に，Fig. 5(2) に示すように，グラフィックソフト(Adobe Photshop) で PIP 関節と MP 関節に貼り付けたマーカー間に直線を引く．そして，各画像で引いた直線の交点でつくられる三角形の重心を求め，これを各指の回転中心としていた．

マーカーの配置と指の回転方法

マーカーの配置について述べる．Fig. 7(1) に示指，Fig. 7(2) に環指，Fig. 7(3) に小指のマーカーの配置を示す．M1，4，7 は DIP 関節，M2，5，8 は PIP 関節，M3，6，9 は MP 関節に配置した．M10 は中指の MP 関節，M11 は中指の–3–

M3

M10806060

M54040M62020M10(1) Index ﬁnger

0-20

M11M11y[mm]M280

M4y[mm]M1(2) Ring ﬁnger

0-20-40

12-40

12-60

3Rotation center of DIP joint
Rotation center of PIP joint-60

3Rotation center of DIP joint
Rotation center of PIP joint-80-80-60-40-20020406080-80-80-60-40x[mm]-20020406080x[mm](1) subject A(2) subject B

M780M8M960M10DIP marker

40PIP marker
20y[mm]

M110-20(3) Little ﬁnger

MP marker
123Rotation center of DIP joint
Rotation center of PIP joint-40-60Fig. 7: Arrangement of ﬁnger markers-80-80-60-40-20020406080x[mm](3) subject C
Fig. 10: Rotation center of DIP and PIP joints(総)指伸筋腱
腱間結合

小指伸筋腱

M10考慮せずに計算を行った．計測は 20 代男性 3 名の被験者（平均 21.3 歳± 1 歳）の左手についてM11行った．

示指伸筋腱

Fig. 8: M10 and M11 markers are located on theextensor extensor digitorum tendon of themiddle ﬁnger

3.2

指の回転中心の計測

各指の回転中心の計測方法について述べる．
内転，外転を 3 回ずつ行い，回転動作中の各指の DIP，PIP 関節に配置したマーカーを通る円の中心を最小二乗法により求める．このときの円の中心を各関節での指の回転中心とする．計
Fig. 9: Measurement method of the ﬁnger motion

算では，内転から外転時の 100 フレームのデー
タと外転から内転時の 100 フレームのデータを総指伸筋腱の直線上で手と手首の間に配置した．

M10 と M11 のマーカーの配置を Fig. 8 に示す．

2 つずつ（2 往復分）用いる．この実験を被験者3 人に対して，3 回ずつ行う．

各指の回転中心と内外転角度を求めるため，座標系を内外転時に動かない M10 を原点，M10 とM11 の直線を y 軸と定義した．

Fig. 10(1)，(2)，(3) に被験者 3 人における各指の計測結果を示す．横軸が x[mm]，縦軸がy[mm]，各指の関節につけたマーカーの動作に

次に，指の回転方法について述べる．Fig. 9 のように，板の上に手をのせ，計測しないほうの手で指を持ち，被験者が自分で回転させる．これは，計測する手の平が板から離れないようにするためである．また，計測において，板の上ついて 1 回目を青色，2 回目を橙色，3 回目を灰色で示している．各指の DIP 関節での回転中心を緑色の点，PIP 関節での回転中心を赤色の点で示している．それぞれの回転中心の値は，3回の計測結果の平均値を用いている．に手を置き回転させるため，z 座標については–4–

Table 1: Rotation center of subject A

Finger

Maker(Joint)

x[mm]

y[mm]

Index

M1(DIP)
M2(PIP)
M4(DIP)
M5(PIP)
M7(DIP)
M8(PIP)

24.61
24.30
-20.03-19.37-36.26-34.64

6.10
9.77
0.78
-1.94
-15.10-19.51Ring
Little－ ＋Adduction angle
The marker on the PIP joint
Rotation center of the PIP joint
M10

M11

Table 2: Rotation center of subject B

Finger

Maker(Joint)

x[mm]

y[mm]

Index

M1(DIP)
M2(PIP)
M4(DIP)
M5(PIP)
M7(DIP)
M8(PIP)

22.38
21.42-19.96-18.42-34.71-32.75

15.65
14.60
6.15
-0.83
-16.18-18.98RingLittle

Abduction angle

Max adduction
Max abduction

Fig. 11: Maximum angles of ﬁngers in adduction
and abduction

3.3

指の内外転角度の計測

各指の最大内転角度と最大外転角度の計測方法について述べる．内転，外転を 3 回ずつ行い，最大内転時と最大外転時での各指の PIP 関節に

Table 3: Rotation center of subject C

Finger

Maker(Joint)

x[mm]

y[mm]

配置したマーカーと Table 1，2，3 で示した PIP

Index

M1(DIP)
M2(PIP)
M4(DIP)
M5(PIP)
M7(DIP)
M8(PIP)

23.40
23.66
-18.23-18.97-34.36-35.4611.74
14.729.51
7.52-12.18-10.87

関節の回転中心を結ぶ直線が，y 軸と成す角度

RingLittleの平均を求める．計算では，最大内転時と最大外転時のそれぞれ 100 フレームのデータを用いる．そのときの最大内転時の成す角度を最大内転角，最大外時に成す角度を最大外転角とし，y軸を基準に時計周りの角度を正とする．この実

Table 1 に被験者 A，Table 2 に被験者 B，Ta-験を被験者 3 人に対して，3 回ずつ行う．

ble 3 に被験者 C の結果を示す．Table 1，2，3

最大内転角と最大外転角を Fig. 11 に示す．最から，各指の DIP 関節と PIP 関節で計測された大内転時における各指の PIP 関節と MP 関節に回転中心の位置が異なることが確認できる．こ配置したマーカー間の直線を青色，最大外転時

れは，末節骨，中節骨，基節骨が接触する面やにおける各指の PIP 関節と MP 関節に配置した形状による影響だと考えられる．アシスト機構マーカー間の直線を赤色で示している．

では，PIP 関節付近で機構と指を固定し回転さTable 4 に被験者 A，Table 5 に被験者 B，Ta-せることを想定しているため，PIP 関節（M2，ble 6 に被験者 C の各指の最大内転角と最大外5，8）の回転中心を設計に用いることにする．

転角の結果を示す．それぞれの角度の値は，3 回また，3 人の被験者間での各指の回転中心のの計測結果の平均値を用いている．

最大値と最小値の差は，x 方向で約 2[mm]，y 方

Table 4，5，6 から，被験者によって各指の向で約 8[mm] である．y 方向に関しては中手骨最大内転角と最大外転角が異なることが確認でと基節骨が接触する面や形状が被験者ごとに異きる．これは，中手骨と基節骨が接触する面やなるため，差が大きくなったと考えられる．

形状や手指の筋や腱などの影響であると考えられる．

–5–Table 4: Maximum adduction and abduction angles of subject A
20Finger

Adduction[deg]Abduction[deg]M10Index
Ring
Little-13.21-2.72-12.9627.99-30.03-50.33

M11

FingerAdduction[deg]Abduction[deg]

Index
Ring
Little-6.99
0.12-9.79

30.73-35.59-51.72

a20t

Adduction[deg]Abduction[deg]

Index
Ring
Little-11.45
3.13-2.95

18.28-32.49-33.21

4.

M11t

Fig. 12: Exploration for the rotation center of theindex ﬁnger cam

Table 6: Maximum adduction and abduction angles of subject CFinger

1a1at

Table 5: Maximum adduction and abduction angles of subject B

20M1020a1M10tM111 M10M11Fig. 13: Exploration for the rotation center of thering and little ﬁngers cam

カムの回転中心の決定

指の内外転動作において，示指は独立して，環指と小指は連動して動くため，本研究では，示指の内外転動作を補助するカムと環指・小指の内外転動作を補助するカムを製作し，それらを用いて外骨格型アシスト機構を開発する．そのため，それぞれのカムの回転中心を決定する必Fig. 14: Mechanical model of the cam and follower 5)

要がある．
カムの回転中心の決定方法について述べる．

接する面にかかる荷重（面圧荷重）が小さくな

示指と環指，小指のカムの回転中心を決定する

るようにカムの回転中心を選ぶことにより，カにあたり，M10 と M11 の直線を一辺とする正方形を考え，各辺を等間隔に 19 分割して 20 ×ムを円滑に運動させるためである．
圧力角は，先行研究の方法 5) を用いて計算

20 の格子を組む．格子の交点は 400 点である．

する．カムとフォロワの概略図を Fig. 14 に示

示指の場合の格子を Fig. 12 に，環指，小指のす．フォロワが一定のトルク Tf で回転するとき場合を Fig. 13 に示す．なお，モーションキャプの必要なカムの回転トルクを Tc ．カムの回転中チャで計測した M10，11 間の長さは被験者 A は心を O，フォロワの回転中心を O′ ，カムとフォ68.2[mm]，被験者 B は 59.7[mm]，被験者 C はロワの接触点を P ，P におけるカム面との接線70.1[mm] であった．この格子の各交点にカムのを tt′ ，P におけるカム面との法線を nn′ ，tt′ と中心があったと仮定して，以下に述べる圧力角

OP とのなす角を β とした．ただし，フォロワが最小となるところを探索し，その位置をカムとカムの摩擦係数を µ，法線 nn′ とフォロワにの回転中心とする．これは，フォロワとカムがかかる力 Ff とのなす角を圧力角 α とする．

–6–121110

98

83.37

86.01

89.71

59.61

36.50 l

81.30

89.83

76.78

42.96

25.33 m

63.10

38.75

19.56

27.22

20.87 n

86.48

70.70

89.72

76.53

49.19 o

89.24

82.01

84.77

88.20

66.90 p

Table 7: Optimal rotation center of the ﬁnger cam[deg]
Fig. 15: Pressure angle of the cam for index ﬁnger
1615

14

13

1226.93

26.62

26.23

25.74

25.11e

21.63

20.78

19.7418.44

16.77

f

16.47

15.13

13.81

16.11

19.12

g

15.99

17.97

20.39

23.40

27.24

h21.12

23.51

26.38

29.89

34.22

d

SubjectIndex ﬁnger
cam

Ring and littleﬁngers cam

AB
C10-n
19-m
1-k

4-c
2-a
20-i
Subject A
Subject B
Subject C

a 20

1 20
M10

[deg]

1aFig. 16: Pressure angle of the cam for ring ﬁnger
20

1918

17

16

33.97

32.28

30.22

27.66

24.41

k

28.89

26.78

24.24

21.14

20.13

l

24.14

21.70

18.81

22.20

26.76

m

19.75

20.33

23.66

27.61

32.32

n

21.73

24.75

28.23

32.27

36.98jt
M11t

Fig. 19: Position of the rotation center for ﬁnger
cam[deg]
Fig. 17: Pressure angle of the cam for little ﬁnger
6543る．計算に使用する各指の回転中心は，3.2 節の Table 1，2，3 の値を用い，各指の最大内転

2

a

1.210

0.878

0.618

0.425

0.281

角，最大外転角は，3.3 節の Table 4，5，6 の値

b1.208

0.658

0.379

0.201

0.079

c1.164

0.261

0.044

0.091

0.178

を用いる．

d1.020

0.979

0.583

0.504

0.489

e1.034

1.113

1.047

0.874

0.786

被験者 A において，カムの圧力角が最小となる格子点ならびにその周囲の点の結果について[deg]Fig. 18: Sum of the normalized pressure angles ofthe ring and little ﬁnger cams

Fig. 15〜Fig. 17 に示す．それぞれ，示指，環指，小指の結果でありカムの圧力角の最小値は赤文字で示している．

計算に用いるパラメータについて述べる．まFig. 15 より，示指のカムの圧力角が最小となず，各指のフォロワのトルク Tf を 0.16[Nm] とる点は 10-n の位置である．Fig. 16 と Fig. 17 よする．この値は，リハビリテーションの際にセラピストが指にかけるトルクの値を参考にした 6) ．

り，環指と小指のカムの圧力角が最小となる点

フォロワとカムの摩擦係数 µ を 0.0015 とする．

転中心の位置を決定する必要がある．本研究でこれは，ローラフォロワとして使用することを考は，環指と小指それぞれで求められた圧力角にえているベアリングの摩擦係数の参考値である．

対して，最大値を 1，最小値を 0 とする正規化

そして，示指のフォロワの長さを 30[mm]，環指，を行い，その和が最小となる位置をカムの回転が一致していない．そのため，最適なカムの回小指のそれぞれのフォロワの長さを 20[mm] と中心とする．正規化した圧力角 α′ は，圧力角をする．これは，MP 関節とカムの回転中心の相対α，その最大値を αmax ，最小値を αmin とする的な位置を適切にするためである．また，それと，以下のように定義する．

ぞれのカムが 45[deg] 回転したとき，各指のフォα′ =ロワが最大内転角から最大外転角に達するとす–7–(α − αmin )(αmax − αmin )(1)

環指，小指のカムの圧力角をそれぞれ正規化し，Ring and little fingers cam
Plate

合算した結果を Fig. 18 に示す．Fig. 18 より，Little finger follower環指，小指のカムの圧力角が最適となる点は 4ｃの位置である．

Index finger cam

被験者 A と同様な計算を被験者 B，C に対しRing finger follower

Index finger followerて行った．被験者 3 人の各指のカムの回転中心をFig. 20: The designed cam mechanism

Table 7 に，その位置を Fig. 19 に示す．Fig. 19において，カムの回転中心の位置を被験者 A は青色，被験者 B は赤色，被験者 C は緑色で示している．

Fig. 19 から，カム被験者 A，B に対して被験者 C の環指，小指のカムの回転中心が大きく異なっている．これは，Table 1，2，3 より，環指，小指の PIP 関節の回転中心に大きな差があるためだと考えられる．

Fig. 21: Maximum adduction pose of the designed cam mechanism

測定した結果から，カムの設計に必要なパラメータには，個人差があることがわかった．そのため，その人に適したカム機構を製作する必要があると考える．以下では，被験者 A において，Fig. 19 の位置をカムの回転中心とし，カム機構の設計を行う．

5.

カム機構の設計

以上の検討を踏まえ，被験者 A 用に設計したFig. 22: Maximum abduction pose of the designed cam mechanism

カムについて述べる．
示指のカムは，示指の回転中心を x =24.3[mm]，y =9.8[mm]，最大内転角を-13.2[deg]，最大外転角を 28.0[deg]，カムの回転中心を 10-n とし，設計を行った．環指，小指のカムは，環指の回転中心を x =-19.4[mm]，y =-1.9[mm]，最大内転角を-2.7[deg]，最大外転角を-30.0[deg]，小指の回転中心を x =-34.6[mm]，y =-19.5[mm]，最大内転角を-13.0[deg]，最大外転角を-50.3[deg]，カムの回転中心を 4-c とし，設計を行った．設

プレートで構成されている．最大内転時の様子を Fig. 21 に，最大外転時の様子を Fig. 22 に示し，各指のフォロワに配置したマーカー間の直線が y 軸と成す角度を調べた．y 軸を基準に時計周りの角度を正とする．Fig. 21 と Fig. 22 から，最大内転角と最大外転角は，設計に用いた値と一致していることがわかる．今後，この機構の有用性について実験により検証する予定である．

計したカム機構を Fig. 20 に示す．この機構は，示指を回転させるためのカム・フォロワ，環指，小指を回転させるためのカム・フォロワ，そして，これらのカムとフォロワを固定するための–8–

6.

結言5) 渡辺悠雄，情野瑛，高橋隆行: 麻痺手補助シ

本稿では，先行研究の問題点であった指の回転中心を求める手法について検討を行い，最小二乗法を用いて回転中心を測定することを提案した．そして，実際の指の内外転動作から各指ステムの開発 -カムを用いた環指，小指の内外転動作補助機構の検討- ，日本機械学会 ロボティクス・メカトロニクス講演会，

2A2-E03，2020の回転中心と内外転角度を測定した．測定した

6) 鎌倉矩子，大村道子，石井晴美，三星文子，

結果から，被験者毎に指の回転中心，最大内外三浦頼子: 健常手の把持様式-分類の試み-，転角度が異なることがわかった．そのため，そ日本リハビリテーション医学会誌，Vol15，の人に適したカムを設計し，外骨格型アシスト

No.2，(1978)機構を製作する必要がある．
続いて，測定したパラメータを用いて，示指と環指・小指のカムの回転中心を決定し，被験者 A 用のカム機構を設計した．
今後の予定として，設計したカム機構を実際に製作し動作実験を行うほか，手への装着方法を考え，指の内外転動作の補助装置として完成させる．

参考文献
1) 坂本将史，高橋隆行: 小型外骨格型アシスト機構と機能的電気刺激を用いた麻痺手補助システムの開発，日本機械学会ロボティク
ス・メカトロニクス講演会，3P2-C04，2014

2) 川上丈弘，山野井祐介，加藤 龍: 麻痺手への簡易装着可能な手指運動支援装置の開発，
日本ロボット学会学術講演会，AC1E3-08，

20163) 佐々木久幸，Luis CANETE，高橋隆行: 小型外骨格型アシスト機構を用いた麻痺手補助システムの開発‐環指・小指の内外転動作支援‐，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会，20144) 渡辺悠雄，カニエテルイス，高橋隆行: 小型外骨格型アシスト機構を用いた麻痺手補助システムの開発 -示指，環指，小指の内外転動作補助機構の検討-，計測自動制御学会
東北支部

第 319 回研究集会，2018–9–