立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

生体組織の変形情報に基づく意図した関節の動作量推定手法の構築
Estimation of the intended joint angle using deformation of the biological tissue
2161006

研究代表者

大阪大学
機能創成専攻生体工学領域

准教授

小林

共同研究者

早稲田大学

講藤枝

高等研究所

師洋
俊宣

関節の動作量推定手法の構築を目的とする。特[研 究 の 目 的]に，本研究では，筋肉の収縮状態を推定可能な
近年，超高齢化により，人の機能を支援する生体組織の変形情報を計測するための生体適合装着型ロボットへの期待が高まっている。装着型センサの開発，生体組織の変形情報に基づく型ロボットは操作者の生体信号に基づき操作さ関節動作量推定アルゴリズムの構築に取り組んれるため，生体信号からより精確に動作意図をだ。

抽出することで，操作者の動作意図に調和し身[研究の内容，成果］体の一部として操作可能な人間調和型ロボットが必要とされている。装着型ロボットは人が生本研究において開発する生体適合型センサは，来持つ機能を支援し増幅する，もしくは事故などにより失った身体機能を補填することを目的

生体組織表面形状に対し高密着性・追従性を有としているため，高齢者や障害者の支援のみなする導電性高分子を使用し，動作時に皮膚表面らず健常者のアシストを目指し多く研究開発がに生じるひずみを特定するものである。また，行われている。

動作量推定アルゴリズムは，関節動作に応じた装着者の意図通りに装着型ロボットを操作す

皮膚表面形状変化を計測することにより事前にるためには，操作のための入力信号の一つであ推定アルゴリズムのパラメータを決定し，関節る生体信号から動作意図を精確に抽出する必要動作量の推定を行うものである。

がある。従来広く使用されている生体信号である表面筋電位などの電気信号に対し，解析方法

1．生体適合型センサの工夫による情報抽出により高精度の動作パ

共同研究者らはこれまでに生体組織変形情報ターン識別が実現されているが，いずれも電気(ひずみ) を計測可能な導電性超薄膜の開発を的なノイズを多く含むため，筋肉の連続的な収行ってきた。膜厚数十〜数百 [nm] に対し巨縮状態変化の推定が困難である。

大なサイズアスペクト比 (>10 6) を有する高本研究では，操作者が意図通りに動作量を操分子超薄膜 (以下，ナノシート) は高い柔軟性作可能な装着型ロボット実現を目指し，人の皮と生体組織に対する密着性を示す。そこで，ナ膚表面に密着可能な生体適合型センサを用い，ノシートの表面にインクジェット印刷にて電子機械的な生体組織の変形情報に基づく意図した回路を描画することで，皮膚の微細な凹凸構造― 1 ―立石科学技術振興財団に追従しながら，運動時の皮膚の微小変形を初期ひずみの区間では，弾性変形を示す線形関

シートの変形による抵抗値の変化として計測が係が得られ，2〜5% の区間で塑性変形を示した。

可能になる。Polystyrene-block-polybutadiene-

次に，作製した生体適合型ひずみセンサを前

block-polystyrene (SBS) からなるナノシート

腕皮膚表面に貼付し，実際に関節動作を行って(膜厚：321 [nm]) をロール・ツー・ロール方いる際に皮膚表面上に生じるひずみを計測した式によるグラビア印刷法にて PET フィルム上(図 3(a))。手関節角度を水平にした 0[°] の状に製膜した。次に，インクジェットプリンタ

態と 60[°] まで伸展した状態の 2 条件で抵抗(DMP-2831，Fujifilm) にて導電性高分子 poly-値を計測した結果，水平状態に対し手関節を伸styrene (3, 4-ethylenedioxythiophene) : poly

展した際に抵抗値が大きくなった (図 3(b))。

(styrenesulfonate) (PEDOT : PSS) (Heraeus,

したがって，手関節を 60[°] まで伸展した場

Clevios

P Jet 700) を SBS ナノシートの表面合の皮膚表面に生じるひずみは 2 % 以内であに印刷し，センサとなる配線 (幅 1[mm]，長ることがわかった。同時に，開発した生体適合さ 5[cm]，配線抵抗 1.08[kΩ/cm]) を作製し型ひずみセンサを用いて皮膚表面に生じるひずた (図 1)。こ の PEDOT : PSS 配 線 の 両 端 1みを計測可能であることを示した。

TM[cm] に Au ナノインク (コロイダル・インク，ドライキュア Au-J 0410B) を重ね刷りすることで，測定用導線に接続した。作製したナノシート型ひずみセンサに関して，1 軸性ひずみに対する材料力学特性 (応力−ひずみ曲線) およびセンサ部の抵抗値の変化を評価した。引張試験機を用いて 1 軸性ひずみを与えた際の応力ひずみ線図を図 2 に示す。ひずみが 2 % 以内の
図2

図1

生体適合型センサ作製手順

図3― 2 ―

1 軸性ひずみに対する応力ひずみ線図

手関節伸展動作に対する皮膚表面上の生体適合型ひずみセンサの抵抗値変化

Tateisi Science and Technology Foundation

図5

皮膚表面の筋隆起を用いた動力義手関節角度の制御研究により，それぞれのセンサを皮膚表面上に配置する位置によって計測・推定精度が異なる
図 4 筋隆起位置情報を用いた関節動作量推定アルゴリズムという課題が明らかになった。したがって，超音波画像や MRI などの医用画像に基づき，解剖学的にセンサの設置位置を検討することで，2．関節動作量推定アルゴリズム
皮膚表面の筋隆起位置情報に基づく関節角度関節角度の制御精度向上を目指す。これらの技推定手法を構築し，実際に電動義手関節角度を術を用いることにより，電動義手を始めとする制御するアルゴリズムを開発した (図 4)。

装着型ロボットの分野において，操作者の動作対象とする動作は，同様に手関節を 0[°] から 60[°] まで屈曲・伸展する動作とした。筋

意図に調和し身体の一部として操作可能な人間調和型ロボットシステムの完成を目指す。

隆起位置の計測には市販の接触センサ (ショッカクキューブ，Touchence) を 3 個使用した筋［成果の発表，論文等］

隆起計側デバイスを作製し使用した。デバイス
から計測される皮膚表面上 48 点における皮膚の隆起と手関節角度を同時に計測し，計測した

1．論文[1] Yuma Tetsu, Kento Yamagishi, Akira Kato, Yuya
Matsumoto,両者の値に対し線形重回帰分析を用いることで手関節角度推定式を算出した (図 5(a))。事前に算出した角度推定式のパラメータを使用し，計測した筋隆起位置情報に対しリアルタイムの電動義手の角度制御を実現した (図 5(b))。

MarikoTsukune,

YoKobayashi,

Masakatsu G. Fujie, Shinji Takeoka, Toshinori Fujie :“Ultrathin Epidermal Strain Sensor Based on an
Elastomer Nanosheet with an Inkjet-printed Conductive Polymer”, Applied Physics Express (inpress)[2] 鉄祐磨，山岸健人，加藤陽，小林洋，菅野重樹，
武岡真司，藤枝俊宣：“皮膚の微細な変形の測定に向けた超薄膜ひずみセンサの開発”，第 64 回応用物

[今後の研究の方向，課題］

理学会春季学術講演会 (2017)[3]

Akira Kato, Yuya Matsumoto, Yo Kobayashi,

今後は，開発した生体適合型ひずみセンサとMasakatsu G. Fujie, Shigeki Sugano : “Joint Angle

筋隆起計測デバイスを併用することで，複合動Estimation using the Distribution of the Muscle

作を行った際の多自由度の動作量推定を可能とするアルゴリズムとして改良を行う。また，本― 3 ―Bulge on the Forearm Skin Surface of an Upper
Limb Amputee”, IEEE International Conference on
System, Man, and Cybernetics (SMC 2016), pp.

立石科学技術振興財団

001490-001495(2016)[4]

討論会 (2016)

Akira Kato, Yuya Matsumoto, Yo Kobayashi,[6] 加藤陽，松本侑也，小林洋，藤江正克，菅野重Shigeki Sugano, Masakatsu G. Fujie : “Wrist Joint

樹：”筋隆起形状変化に基づく手関節角度推定に対Angle Estimation by Means of Muscle Bulge based

する角度変化幅の影響”，日本機械学会ロボティク

on Deformation of the Forearm Skin Surface”,
World

Automation

Congress(WAC),

pp. 1-6(2016)[5]

ス・メカトロニクス講演会 2016 (2016)
2．特許出願[1]

藤江正克，小林洋，加藤陽，松本侑也，築根まり

鉄祐磨，山岸健人，加藤陽，小林洋，藤江正克，子，武岡真司，藤枝俊宣，山岸健人，鉄佑磨：“ロ武岡真司，藤枝俊宣：“皮膚表面形状変化の計測に

ボ ッ ト 制 御 装 置”
，学 校 法 人 早 稲 田 大 学，特 願

向けた超薄膜ひずみセンサの開発”，第 65 回高分子

2015-234149，2015 年 11 月 30 日

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