計測自動制御学会東北支部 第 346 回研究集会 (2023.12.20)
資料番号 346-3

空気圧ゴム人工筋肉を用いた農業用内骨格型アシストスーツの補助効果試験
Assist Eﬀectiveness Evaluation Test of Endoskeletal-TypeAgricultural Assist Suit with Pneumatic Rubber ArtiﬁcialMuscle○三土手志苑 ∗ ，戸森央貴 ∗ ，伊藤拓未 ∗○ Sion Mitode∗ ，Hiroki Tomori∗ ，Takumi Ito∗∗∗山形大学

Yamagata University

キーワード : スマート農業 (smart agriculture) 内骨格型アシストスーツ (endoskeleton assist suit)
McKibben 型人工筋肉 (McKibben type artiﬁcial muscle) 筋電位計測 (myoelectric potential measurement)

連絡先 : 〒 992-8510 山形県米沢市城南 4-3-16 山形大学 工学部 機械システム工学科 戸森研究室戸森央貴，Tel.: (0238)26-3217，E-mail: tomori@yz.yamagata-u.ac.jp

1.

緒言の 84%が施設園芸に関わっていること 6) , 実際

現在, 日本の農業では基幹的従事者の減少と高齢化が加速し, 問題となっている. 基幹的農業従事者数は平成 15 年度では 225.6 万人, 令和

2 年度では 136.3 万人と 60 ％まで減少しており
1) , 高齢化率も平成 15 年では 53.9%, 令和 2 年度

では 69.6%と上昇している. 体力的に厳しくなり離農することが一番に挙げられたり 2) , 新規就農者の第一の悩みも「労働がきついこと」である 3) , これらの問題はおもに身体の負担が原因であり, 実際に農業を営む従事者は, 具体的に「膝」, 「腰」, 「腕」, 「背中」に負担を感じている 4) , この現状を受けて, 我々は農業従事者を補助し, 農作業による特定箇所の負担を軽減することで, 従事者減少問題を改善したいと考えた. 現在の 1 経営体当たりの農地面積は 1.8[ha]であり日本の農地が小さいこと 5) , . 新規就農者には農地分散化が課題に挙げられており, 1 経営者が多くの飛び地を所有している場合があること 7) などの理由から大型の農業機械やロボットの導入は困難である. そのため身体に装着してサポートできる方が適していると考え, 我々は直接農業従事者を補助する農業用アシストスーツの開発を進めている.

また, このアシストスーツにアクチュエータを配置する際, 内骨格型と外骨格型の配置がある. 内骨格型アシストスーツは装具を比較的安価かつ軽量, 小型にすることができ, 回転軸や配置ルートを人体と共有するため, 付け心地がよいといった特徴もある. また, 高剛性材料を必要としないためアシストは配置のずれ等で人体の動きを阻害することがない. 対して外骨格型アシストスーツは高剛性材料に直接アクチュエータのパワーを伝達させるため, 高効率で大きな出力を期待出来る.

–1–しかし, 内骨格型と対局に装具が大型化, 高重量となってしまう点や新たに回転軸や配置ルートを設定したことによって, 人体の動きを阻害してしまうといった欠点が存在する 8) .

実際のアユーザーとなる農業従事者からのアシストスーツに対する要望や不満.
Requests and dissatisfaction regarding assist
suits from agricultural workers who are users

Table 1:

シストスーツでは着脱や, 電源 OFF の時に移動体の動きとの一体感が困難であったり 9) , 膝か腰のどちらかしかサ着る/脱ぐのが簡単

ポートしなかったり 10) , そもそも動力がなく, 素もっと軽く材の特性をアシストに利用したりしている 11) .

服のような着心地
防水性

これらは農業の作業内容と相性がよくなかった装着姿が恥ずかしいり, 実際に農業従事者からアシストスーツに対管理が面倒して Table.1 のような要望な不満がある 4) . こ収納が簡単であることの現状, 要望や不満を踏まえて, この理想に近い作業に合わない内骨格型のアシストスーツを採用した. 我々は身体に装着してサポートするに当たって, 農作

2.

業の邪魔をせず安全であり, ある程度環境に耐農業用内骨格型人工筋肉アシス
トスーツ

えられる軽量で高出力なアクチュエータが必要となる. 軽量で高出力密度, バックドライバビリ

2.1

採用した人工筋肉

ティや防水, 防塵能力が優れ, 摺動部が無く直接農業用アシストスーツを開発するにあたっ

身体に配置ができる空気圧ゴム人工筋肉を選択て、アクチュエータとして人工筋肉を採用した.

した.

人工筋肉は生体に存在する筋肉を模したソフ

また, 今回我々は実証試験の前に筋電位を測トアクチュエータであり, 様々な電気で人工筋肉定する筋肉の再検討と姿勢の詳細な決定, 筋電を動かす電気駆動高分子アクチュエータや 12) ,位計測システムの改良を行っている. その結果,形状記憶合金を用いた人工筋肉アクチュエータ

筋電位測定システムの無線化と複数チャンネル13) 等がある. 私たちはそのなかでも McKibbenでの計測に成功した. また筋電位データ処理の型空気圧ゴム人工筋肉を採用した. この人工筋操作性, 利便性が向上し, 試験の試行回数を増や肉は Fig.1 のようにゴムチューブに編み込み繊せるとともに解析が効率が上昇した. 現在我々維を被せ両端を固定することによって, 収縮方向は筋電位計測によって, 製作したアシストスーを制御するという性質を持っている. 同じ空気

ツの補助効果を確かめるための実証試験を行っ

圧ゴム人工筋肉であるワルシャワ型と比較と比ている. 本報告においては, 被験者 7 人のうち 4較して収縮量は劣ってしまうが, 径の膨張が小さ人まで試験が完了しており, そのうち 1 人の中く, 比較的簡単に身体に直接張り巡らせることが腰動作を解析している.

出来, 製作難易度も低い. 我々はこの McKibben

本実験は山形大学工学部倫理審査委員会の倫理審査を受けている.

型人工筋肉の編み込み繊維の全長を増やした状態遷移式 McKibben 型空気圧ゴム人工筋肉を開発した. Fig.2 のように圧縮空気を印加していな
いときは弾性力によってサポートし, 圧縮空気を印加した際は空気によってアクティブに補助を行う. この人工筋肉は軽量で高出力であること, 高いバックドライバビリティを備えている–2–

こと, 高い柔軟性や防水, 防塵性能を有している
こと, 機能を停止しても難なく動くことが出来ることなど多くの利点を持っている.

Fig. 3 製作したアシストスーツの外観. Appearance of
the assist suit

3.
Fig. 1 McKibben 型人工筋肉の動作. Operation of McKibben type artiﬁcial muscle

アシストスーツ補助効果評価試
験概要

3.1

筋電位計測概要

我々は農業用内骨格型人工筋肉アシストスーツの補助効果を確かめるため補助効果評価試験を行った. この評価試験では補助効果を確かめるために筋電位を計測する. 筋肉の使用がどれだけ減少したかを見ることによって, アシスト効果を測る. また, 被験者は 7 人であり, 装具のサイズの関係上身長は 160[cm] から 175[cm], 平Fig. 2 状態遷移式 McKibben 型人工筋肉の動作. Operation of Mode-sift McKiben type artiﬁcial muscle

均年齢は 22.4 歳である.
筋電位を計測する際の動作は実際の農作業の動作を想定している. 1 つ目の動作は直立姿勢

2.2

農業用内骨格型人工筋肉アシストスーツの構成・外観を 30 秒維持するものである. 2 つ目の動作は直立状態で体重の 20%の錘を持ってもらい, 30 秒間維持するものである. 3 つ目の動作は錘を床

我々は農作業として収穫物の運搬や低木の作から持ち上げ, 直後に降ろす作業である. ４つ物や水平棚に対する作業など, 人間の立ち上が目の動作は中腰動作で簡単なゲームを 60 秒間しりや中腰の姿勢維持などを補助するために, 人てもらうものである. これらの動作はアシスト

工筋肉の貼り方は人間の立ち上がりで使用するスーツを着てもらいアシストするパターン, ア筋肉の↑に配置することで姿勢を補助する. 上

シストスーツを着てもらいそのまま作業をする

半身は姿勢維持を行う脊柱起立筋をモデルに設パターン, アシストスーツを着ない状態で作業計した. 下半身はスクワットで用いる筋肉を経をするパターンの 3 パターンで各動作を 2 回づ由する筋構造である Fig.3 のような身体に人工つ行った. この動作を行う間, 筋電位や動作を記

筋肉を張り巡らせる身体周りに沿う 2 関節筋構録する.

造を新たに開発した. この筋構造をつなぎに装Fig.3, Fig.4 は筋電位計測試験の構成である.

着し, 高剛性な材料を極力排除している. このSENIAM(Surface EMG for Non-Invasive As-構造でアシストスーツ使用者の腰と膝をサポー

sessment of Muscle) の推奨する通りに各筋肉トする. また, この人工筋肉を配置するに当たっに電極を貼り, 筋電位センサーである Advancerて, つなぎにバンドで縫い付け固定した.

–3–

Technologies 製 MyoWare Muscle Sensor (AT04-001) に接続する. Muscle Senser には同社の Cable Shield, Senser Cable を取り付けている. Muscle sensor の出力ケーブルを株式会社スポーツセンシング製 DSP ワイヤレスアナログ
電圧データロガー (SS-8L-SM0050) に接続する.
データロガーの情報を PC に送受信する必要があるため, データ送受信装置は同社製データ送受信装置 (SS-WSD015-0A) を使用している. さらに, 動作を記録するため OptiTrack V120 Trioを PC に接続し, MOTIVE を用いて株式会社スポーツセンシング製計測アプリケーション (SS-WSD115-0A) と同期させ, 被験者の運動動作記録と筋電位測定を同時に開始できるように設定した.

計測する筋肉について

3.2

当アシストスーツは農作業中の床から物を持ち上げる動作を補助する. この動作はスクワッ
トのしゃがみから立ち上がる動作と同じである.
スクワットに用いる筋肉は, 大殿筋, 半模様筋,半腱様筋, 大腿二頭筋, 大腿四頭筋, 腓腹筋, ヒラメ筋と腰を支える脊柱起立筋である 14) . 大腿二頭筋を計測した際にクロストークが発生しており, 正確に測ることが出来なかったため, その原因の周辺の筋肉である半模様筋, 半腱様筋は除外している 15) . さらに, 筋電位センサーの電極を体表に貼り付ける都合上, 身体深部に存在する筋肉は, 計測が難しいため, 表層の筋肉である大腿四頭筋, 腓腹筋, 脊柱起立筋を選択した.
この 3 本の筋肉はさらに細かい筋肉に分かれているので詳細を検討する.
大腿四頭筋はそれぞれ大腿直筋, 外側広筋, 中間広筋, 内側広筋の 4 本に分かれる. 先述の通り, 表層の筋肉を選ぶため中間広筋は除外する.
この研究の前に当研究室で研究していた内山らによれば, 外側広筋, 内側広筋より大腿直筋の方がデータが明確に取れたので大腿直筋を選択す

Fig. 4 筋電位計測試験の構成. Conﬁgration of myoelectric potential measurement examination

る 15) .
腓腹筋はそれぞれ腓腹筋外側頭と腓腹筋内側頭に分かれる. 外側頭より内側頭のほうが筋厚が有意に厚く, 筋厚は生理的断面積に比例する
ことから, 筋力は内側頭の方が大きい 16) . また,股関節回旋角度によって筋活動の大小が変わる
17) .

股関節内旋位では外側頭が有利であり, 外旋位では内側頭が有利である. 我々が実施する持ち上げ動作は股関節外旋位であるため, 以上から腓腹筋内側頭を選択した.
脊柱起立筋はそれぞれ腸肋筋, 最長筋, 棘筋の3 つに分かれている. これら 3 本は傍脊柱筋とFig. 5 筋電位計測試験の構成の写真. Conﬁgration photograph of myoelectric potential measurement examination

して紹介されており 18) , SENIAM の示す筋電位電極設置位置も同一のものであった. さらに,運動機能も同一であったため, 特別に分けず, 脊柱起立筋として扱い選択する.
よって, 最終的に選択した筋肉は大腿直筋, 腓–4–腹筋内側頭, 脊柱起立筋である. これらの筋肉示す. 脊柱起立筋, 大腿直筋, 腓腹筋内側頭の全の測定は全て右足で行う.てにおいて特に筋電位に変化は見られなかった.

3.3

筋電位計測システムについて

筋電位のデータは計測された原形波をデータ処理して, 随意最大筋肉の電位からどれくらい筋肉を使っているかを示す%MVC を出力する必要がある. 今回製作した筋電位測定システムをFig.6 に示す. 株式会社スポーツセンシング製計測アプリケーション (SS-WSD115-0A) で計測を行い, EXCEL を介して株式会社スポーツセンシ
ング製ワイヤレス筋電センサ― Viewer でフィルタリング, RMS 処理, %MVC 出力まで行っ

Fig. 7 中腰姿勢での脊柱起立筋の筋電位. Myoelectric potential of erector spinae muscle in mid-hip postureている. 従来のシステムでは途中で EXCEL 出力を 4 回行う必要があるが. 今回のシステムはEXCEL 出力 1 回のみで%MVC まで出力できる
上に, ソフトの UI の設定とボタンで自動で処理を行うため. 操作が簡単になった.

Fig. 8 中腰姿勢での大腿直筋の筋電位. Myoelectric potential of the rectus femoris muscle in mid-hippostureFig. 6 現在の筋電位計測システム. Current myopotential
measurement system

3.5
3.4

考察

全ての筋肉の筋電位グラフでは筋電位に違い結果は出ていないことから、中腰姿勢ではこれらの現在被験者 7 人中、5 人試験が完了しており、また解析の途中であるため、今回は解析の終了

筋肉の使用に明確な差が出ていなかったと考えられる.

している被験者 1 人の中腰姿勢のみの報告する.

中腰姿勢で筋肉の使用に差が出ていない理由

この中腰姿勢で得られた EMG を 50[Hz] からとしていくつかの原因が挙げられる. 一つ目は200[Hz] までの 1 次バンドパスフィルタ―にか身長・空気の印加圧力の変化になどによってアけ, RMS 処理を行ったグラフを出力する. それシスト力の低下を招いた恐れがあることである.

ぞれ脊柱起立筋のグラフを Fig.7, 大腿直筋のグ

今回つなぎに配置ルートに沿うように人工筋肉

ラフを Fig.8, 腓腹筋内側頭のグラフを Fig.9 にアシストスーツをバンドで固定していたので, 身–5–

たい. その後はアシストスーツの開発要件を再整理して材料選定等行っていきたい.

参考文献
1) 農林水産省: 農業を担う人材の育成・確保に向けて (2021)
2) 農林水産省: 食料・農林水産業・農山漁村に関する意向調査 (2003)
Fig. 9 中腰姿勢での腓腹筋内側頭の筋電位. Myoelectric
potential of the medial head of the gastrocnemius muscle in mid-hip posture長によってバンドの位置がずれ, 配置ルートが変化していることが多々見られた. さらに試験の動作を行う前に空気を印加した時に圧迫によって痛くないように空気圧を調整しているため, アシスト力に個人差があることがある. 二つ目は製作したアシストスーツが中腰姿勢ではあまり効果を発揮しない恐れがあることである. 三つ目は内骨格型アシストスーツに対して筋電位計測は補助効果評価試験として適してない恐れがあることである. 外骨格型アシストスーツでは完全に身体をアシストスーツにゆだね, 短時間に大きいアシスト力を発揮するため筋電位に差が出やすいが, 内骨格型アシストスーツでは通常通り身体を動かした際にサポートするという面が強く, 長時間アシストすることで疲労, 負担を軽減するという運用をしているため, 筋電位に違いが出にくいと考えている.

4.

3) 農林水産省: 食料・農業・農村の動向 特集 2
輝きを増す女性農業者 (1991)
4) 田中正浩, 原田泰弘, 梅野覚, 菊池豊:アシスト
スーツの農業利用に関するアンケート調査，農作業研究, 57-1, 21/29 (2002)
5) 農林水産省: 農業構造動態調査 確報 令和 3 年
農業構造動態調査結果 (2021)
6) 農林水産省: 施設園芸をめぐる情勢 (2016)7) 農林水産省: 担い手への農地の利用集積の現状と課題 (2007)8) K. Uchiyama, T. Ito, H. Tomori: Development of Endoskeleton Type Knee Joint Assist Orthosis Using McKibben Type Artiﬁcial
Muscle, Journal of Robotics and Mechatronics, 34-2, 390/401 (2022)
9) Guardian
XO,
https://www.sarcos.com/products/guardianxo-powered-exoskeleton/,(AccessedonNovember, 2023)
10) ダ イ ヤ 工 業 株 式 会 社,
https://www.daiyak.co.jp/product/detail/?id=889,(Accessed on June, 2023)
11) ア ル ケ リ ス 株 式 会 社, 工 場 向 け ア ル ケ リス,
https://www.archelis.com/productindustrial/, (Accessed on November, 2023)
12) 安積 欣志 : 人工筋肉へのソフトマテリアルの応用，日本ロボット学会誌, 31-5，448/451, (2013)13) H. Izawa, Y. Sekiguchi, Y. Shiota: The artiﬁcial muscle from shape memory alloy, Journalof Life Support Engineering, 17, 124 (2005)

結言

今回は改良した農業用内骨格型アシストスーツの効果を確かめるために, 筋電位計測を用いて補助効果評価試験を行った. その際, 筋電位計測システムやデータ処理を改良し, さらに測定する筋肉を定めた. その結果では筋電位のグラフにあまり差は見られなかった.
この試験が終わり次第, 試験やその手法の見直しや圧縮空気の印加方法や検定手法を模索し–6–

14) Clem W. Thompson, R. T. Floyd, 翻訳者 中村千秋, 竹内真希: 身体運動の機能解剖 改訂版, 155/233 株式会社医道の日本社出版 (1997)
15) K. Uchiyama, T. Ito, H. Tomori: Development of Endoskeleton Type Knee Joint Assist Orthosis Using McKibben Type Artiﬁcial
Muscle, Journal of Robotics and Mechatronics, 34-2，390/401 (2022)16) 吉村孝之, 種田智成, 西沢喬, 尾崎康二, 山田勝也, 池戸康代, 植木努, 曽田直樹: 腓腹筋内側頭と外側頭の形態学的特性と機能的特性の違いについて, 第 28 回東海北陸理学療法学術大会, 63(2012)17) 額賀翔太, 宮川良博, 杉岡辰哉, 森拓也, 井上純爾, 川原勲: 股関節回旋角度の違いが腓腹筋内側・外側頭における筋活動に与える影響, 近畿理学療法学術大会, 35 (2016)18) 勝平純司, 田中惣治, 井川達也, 中谷知生, 加藤浩: 臨床にいかす表面筋電図, 第 1 版 24/31 株
式会社医学書院出版 (2020)19) M. Yoshizaki, H. Takeshita, M. Ohsawa andY. Saki: A frequency domain hypothesis forhuman postural control characteristics, IEEE
Eng. in Med. and Biol. Magazine, 11-4, 60/63(1992)
20) 笠間 健，朝比奈 敏之，吉田 崇，辻岡 三郎: 脳波を用いた 3 次元運動計測システム，計測自動制御学会論文集，19-12，997/1003 (1983)–7–