プロジェクト報告書 Project Report

提出日 (Date) 2017/01/18

身体拡張インタフェース 〜ASHURA〜

Body augmentation myoelectric interface - ASHURA b1014239 古谷望 Nozomu Kotani
1 背景
もし片方の腕を失ったとする。我々の生活は片腕を失う前と比べて大きく変化することは想像に難くない。つまり我々の生活は我々の身体の構造に強く依存していp-figure2.png

る。では逆に阿修羅のように腕が 6 本あったならば我々の生活はどのように変化するだろうか。
我々のプロジェクトでは現状の生活をよりよくするために、情報機器を身体に装着することで身体を拡張することを目指した。新たに身体に取り付けられる機器が

図2

試装着用筋電義手

我々の新たな身体となるためには、それらの機器が意のままに直感的に動作する必要がある。そこで我々は身体を動かそうとする際に筋肉から発生する電気信号、つま1.1

筋電 MIDI コントローラ

り筋電位から装着者の意図を読み取り機器を制御するこ腕が 3 本あったなら楽器の演奏はどのように変化するとで、装着者が直感的に機器を制御することができるのだろうか。腕が 2 本の場合と比較すると演奏の幅が大きではないかと考えた。

く広がることは明らかである。例えば、鍵盤楽器であれ

我々はこの筋電位を用いた具体的応用例を考察した。

ば同時に弾くことのできる音の数が増加しその組み合わするとまず腕を想定する一方で、人間の身体にとらわせも増える。打楽器であれば組み合わせが増えるだけでれることなく仮想的な腕を想定する必要があると考えなくより早いリズムを刻むこともできるようになるだろた。そのためにプロジェクト内で二つのグループに分かう。電子楽器には演奏中に音を変化させるコントローラれ、「リアルタイムパフォーマンス用を制御するものがあり、両手で鍵盤を弾きながら音を変筋電 MIDI コントローラ」(図１) と「試装着用筋電義手」(図２) を開発化させることができるようになるだろう。
我々はこの演奏中にコントローラを制御する電子楽器した。に着目した。演奏中に音を変化させるためにコントローラを制御する必要があるが、これが腕である必要はない。そこで我々は身体から発生する電気信号でコントローラを制御するシステムを開発した。電子楽器にシンセサイザを使用した。
シンセサイザ奏者は演奏中にコンソール上に並ぶツ

p-figure1.jpg

マミ（コントローラ）を操作して音色や音程を変化させることがある。しかし、両手で鍵盤を弾きながらコントローラを操作することはできない。そこで、咬筋から計測した筋電位信号によってシンセサイザを制御することで、新しい腕が増えたかのように身体を拡張し、演奏表

図1

筋電 MIDI コントローラ

現の可能性を広げることを試みた。

2.2
1.2 試装着用筋電義手

試装着用筋電義手

筋電義手は高価であるため欠損者が購入前に自分が使義手とは怪我や疾患により上肢及び手腕を切断した患いこなせるのか試すことが困難である。筋電義手を入手者に装着する代替物である。義手は外見の復元を目的とするための還付金を国から受給できるが、そのためにはする装飾用義手、特定の作業の動作を行うための機能を筋電義手を装着し訓練を行ったうえで筋電義手を使いこ復元した作業用義手、残された身体の動作により上肢及なせるという医学的評価を受ける必要がある。しかし、び手腕の機能を復元した能動義手の三つに分類される。

訓練にかかる費用は受給対象外である。そのため購入をハーネス等を用い身体の機械的な動きを利用して動作を希望する者は医学的評価が得られなかった場合、筋電義制御する一般的な能動義手に対し筋電位を用いて動作制手を購入した費用を負担しなければならない。このリス御を行う能動義手のことを筋電義手とよぶ。筋電義手はクがあるため筋電義手の普及は進んでいない。

装着者の意思に沿って動作することから、一般的な能動我々は現状を改善するために、試装着用として筋電義義手に比べより忠実な身体機能の復元が可能とされて手を開発することを目的とした。試装着用筋電義手を製いる。

作するために、株式会社馬場義肢製作所と前腕欠損者に2 課題の設定と到達目標協力をしていただき、前腕欠損者が実際に装着して実験を行うことで試装着用筋電義手に必要な要素を抽出

本プロジェクトでは、筋電位を計測し利用することでする。

装着者が直感的に制御することが可能なインタフェースの開発を到達目標とした。二つのグループに共通する具体的な課題は以下の通りである。

• 筋電計測回路の作製• 筋電センサの作製• Arduino を用いた筋電位の処理・モータの制御それぞれのグループの到達目標を以下に記述した。

3 成果
2 つのグループに分かれ筋電位を利用した直感的なインタフェースを開発した。そのうえで各グループに共通する成果物は以下の通りである。

• 筋電計測回路筋電 MIDI コントローラに使用した筋電計測回路 (図３) は次の 5 つの回路で構成されている。外部のノイズを除去するための差動増幅回

2.1 筋電 MIDI コントローラ
キーボード奏者は、シンセサイザの演奏中に、コンソール上に並ぶツマミ（以下コントローラ）によって音色や音程を変更することがある。しかし、両手で鍵盤を路、身体の揺れによるノイズを除去するハイパスフィルタ、交流成分を直流に変化させるダイオード、複雑な信号を滑らかにする積分回路、整流された信号を増幅するメインアンプである。

弾きながら同時にコントローラを操作することは不可能である。このため、両手でのシンセサイザの演奏中にコントローラを操作するには、両手の内どちらかの片手を鍵盤から離さなければならない。このことが演奏表現上の制約となっている。この問題は、シンセサイザの演奏

p-figure3.png

時に両手の内のどちらか片手を離すことなくコントロー
ラの操作をすることができれば解決可能である。そこ
で、我々はシンセサイザの演奏時に直接必要のない部位である咬筋を利用し、片手でコントローラの操作を行うことなく、意のままにシンセサイザのコントローラの制図3

筋電計測回路御することを到達目標とした。

• 筋電センサ筋電センサ内部で高インピーダンスを電気的に生成し、皮膚と電極面の接触抵抗によって生じるノイズを防ぐことが可能なアクティブ電極を作• 積み木をつかみ特定の場所へ移動させる実験製した。

能動義手では、一つ目の積み木を掴んで台の上へと• Arduino を用いた筋電位の処理・モータ制御入力移動させる時に、積み木を落としてしまっており、された値に応じて出力値を変化するプログラムを苦労している様子が伺えた。しかし、それ以降は順Arduino 上に記述しモータを制御した。Arduino

調に積み木を移動させることができていた。一方筋を用いることで外部電源を接続するだけで動作する

電義手では、どの積み木も落とすことなくスムーズことが可能である。に移動させることができていた。

さらに各グループにおいて得られた成果を以下に記述• エビ結びをしたロープをほどき、そのロープで箱を縛る実験した。

能動義手では、ロープを強くつかむことができ、ロープを引っ張ることもできていた。一方筋電義手

3.1 筋電 MIDI コントローラ

では、モーターや部品の都合上、ロープを強くつか筋電位信号を用いたリアルタイムパフォーマンス用むことができず、ロープを引っ張るときに苦労して筋電 MIDI コントローラ（以下、筋電 MIDI コントローいる様子が伺えた。

ラと略す。）を開発した。この筋電 MIDI コントローラ
は、表面筋電センサおよび筋電計測回路により微弱な筋評価実験後、被験者から、部品の軽量化をして欲しい、電位信号を Arduino で読み取れる電圧まで増幅し、そモーターをもっと強くして欲しいなどのコメントを頂れを MIDI 信号としてシンセサイザに出力するものだ。

いた。

この MIDI 信号によってシンセサイザの音を変化させることが可能になっている。筋電 MIDI コントローラ

4 考察・評価に実装されているエフェクトのコントロール機能は次の本プロジェクトで作製したインタフェースは筋電位を4 種である。ピッチベンド、ビブラート、アンプ エンベ利用しているため直感的な制御が可能である。そのためローブ・ジェネレータ リリースタイム、カットオフで当初の到達目標に到達したといえる。それぞれのグルーある。また、入出力インタフェースの 1 種としてコント

プにおける成果物の考察を以下に記述した。

ロールする機能の切り替え用ツマミとペダルを取り付けた。ツマミは回したに応じ対応した機能が呼び出され、

4.1

筋電 MIDI コントローラ

ペダルは一度踏むと機能が一つずつ変わるロータリー式

このグループの目的は仮想的な腕を開発することであとなっている。これらはどちらも同じように操作が可能

り、応用例としてシンセサイザのコントローラを制御すで、最後に操作した方の機能が呼び出される。

るインタフェースの開発であった。その為に我々は筋電MIDI コントローラを開発した。これは上記の通り筋電3.2 試装着用筋電義手

位を用いてシンセサイザの音を変化させることが可能で

我々はプロトタイプの作製、被験者に適応した筋電義ある。この筋電 MIDI コントローラの制御が直感的か手の製作、評価実験を通し、試装着可能な筋電義手の開を考察する。まず、音の変化の仕方は 2 種類のモードを発を行った。

実装しその人に合うような設定が可能となっている。このため使用者が自身で設定を行えば直感的な制御が可能• ペットボトルをつかみ、中身をコップに注ぐ実験
能動義手では、能動義手の特性上、ペットボトルを掴むときに正常な掴み方ができていなかった。そのため、掴んだペットボトルを傾ける際に、上体を不であるといえる。また、この筋電 MIDI コントローラを利用することで両手で鍵盤を演奏しながらコントローラを制御することができるため、シンセサイザの演奏の幅は広がったといえる。

自然な形で動かす必要があった。一方筋電義手では、正常な掴み方ができておりペットボトルの中身をコップに移す動作が自然であった。

4.2

試装着用筋電義手

評価実験の結果、課題が二つ挙げられた。まず 1 つ

は、実際の重量よりもかなり重く感じるという点であ入の際のリスクやハードルが下がり、筋電義手のさらなる。これは部品が先端部分に集中し、重心が偏ってしる普及へと繋がっていけばこの上ない喜びである。そのまっていることが原因と考えられる。この課題の解決にために、今後もさらなる改良が続けられていくことを期は部品自体の軽量化や部品配置の工夫が必要である。も待する。

う 1 つは、物の形状によっては持てない場合や滑ってしまう場合があるという点である。これは指 (特に小指)の把持力が弱いことが原因と考えられる。この課題を解決するには指先の塗装の強度を向上させるか、モータのトルクをより強くする必要がある。これらの改善によって、より市販品に近いものに改良することができると考えている。

5 今後の課題・展望
本プロジェクトで開発したインタフェースはどちらも装着に時間がかかるという課題が残っている。また、装着時に使用者による設定が必要であり、使用者の疲労や使用時間などの状態の変化に対応することはできていな
い。今後、使用していく過程で使用者の状態を取得し、状態の変化に応じて設定も少しずつ変わっていくシステ
ムを開発することを目指す。さらに、本プロジェクトで開発したような身体を拡張するインタフェースを多数開発することで、我々の生活を変化させるような身体の構造の変化を実現することができるだろう。

5.1 筋電 MIDI コントローラ
我々は、もし腕が 3 本あったらならどのように演奏の幅が広がるかを考察することを目的とし、仮想的な腕として筋電 MIDI コントローラの開発に取り組んできた。
その結果、両手で鍵盤を演奏しながらコントローラを制御することに成功した。実際に筋電 MIDI コントロー
ラがリアルタイムパフォーマンスで使用されれば、演奏表現の幅が広がりリアルタイムパフォーマンスの有力なインタフェースになり得ると考えられる。さらに今後このようなインタフェースの開発が進むことで、音楽だけでなく我々の生活も変化していくことを期待する。

5.2 試装着用筋電義手
我々は、筋電義手に興味を持つ人がその装着感や使用感を気軽に体験できるようにすることを目的とし、試装着に特化した筋電義手の開発に取り組んできた。この試
装着用筋電義手が活用されることによって、筋電義手購