LIFE 2014 年 9 月 24 日-26 日 北海道GS10-1

バッテリー交換が不要で力覚を有する電動義手の開発
Development of electrical powered prosthetic hand with force sensing without external power supply○秋山慶太（高知工大院）

井上喜雄（高知工大）

芝田京子（高知工大）

米田圭佑（高知工大院）

Keita AKIYAMA, Kochi University of Technology
Yoshio INOUE, Kochi University of Technology
Kyoko SHIBATA, Kochi University of Technology
Keisuke YONEDA, Kochi University of Technology
Abstract: An electrical powered prosthetic hand with force sensing without external power supply that uses a master-slave
system using energy regeneration of the DC motor is proposed. Connecting two DC motors by one electric circuit, two motors
become to be a master and a slave, respectively. A prosthetic hand, the slave, is driven by electric the energy produced by of
the motion of the elbow. Reaction force of the slave is fed back to master without a force sensor because the two motor are in
one electrical circuit. The system is characterized by compact structure, bidirectional controllability, energy recycling, andforce feedback without a force sensor. By using smaller actuator coefficient of the slave motor than that of the master motor,
we developed a new control system of an electrical powered prosthetic hand without external power supply. The validity of thesystem is confirmed by the fundamental experiments.
Key Words: Master-Slave, Energy regeneration, Force sensing

1.

緒言
病気や事故などで腕を失ってしまった人のために電動義エネルギー回生型マスタースレーブの概要を図 1 に示す．

手や能動義手がある．現在の電動義手は，筋電位によりモータを制御する筋電義手が主流である．この義手は，使用するまでにかなりの学習が必要であり，また力覚を有していないので壊れやすいものの把持など人間のように繊細な動作を行うことはかなり難しいと考えられる．また，電源としてバッテリーが用いられているが，電力を消費してしまえば充電，もしくはバッテリー交換が必要となる．人間が身に付けて使用する電動義手では，バッテリー交換を行うことは望ましくない．一方，能動義手は身体の一部を動かすことでワイヤー

Fig.1 Model of proposed systemが引っ張られ手先の開閉を行う義手であり，電源こそ不要であるが，微妙な力覚を得ることや繊細な操作を行うにはかな

既報(1),(2)で提案したエネルギー回生型マスタースレーブシりの訓練が必要と思われる．そこで，簡単に操作ができ，バステムは，DC モータのエネルギー回生を用いたシステムでッテリー交換が不要で，柔軟なものの把持に有効な力覚を有ある．2 つの DC モータを電気的に接続することで，1 つのした電動義手を開発できれば，使用者の生活レベルを格段に電気回路を構成し，一方のモータがマスター，もう一方がス向上させることができると考えられる．

レーブとなる．マスターに対して操作（力学的エネルギー）

そこで，本研究では，両手先を失ってしまった人を対象とが加えられると，マスターは発電機として働き，加えられたし，能動義手のように身体の一部を活用する方法を用い，「簡

力学的エネルギーを電気エネルギーに変換し，スレーブへと単に操作可能」「バッテリー交換不要」「力覚を有した操作が供給する．それを受けたスレーブはアクチュエータとして働可能」という特徴を有する電動義手の開発を目指す．その実

き，電気エネルギーを力学的エネルギーへと再変換して動作現のために，著者らが開発した「エネルギー回生型マスターする．そのため，動力源を確保できる．また，2 つのモータスレーブシステム」(1),(2)を発展させることを考える．本報では 1 つの回路で接続されているため，共通の電流が流れる．

は，システムの概要・原理を示すとともに基礎実験により充加えて，モータのトルクは電流に比例することから，スレー電状況の確認を行う．

ブ側の反力をあたかも機構系で直接結合しているかのようにマスター側で感じることができるので，力センサを用いず2.

提案するエネルギー回生型マスタースレーブシステムに力覚を持った操作が可能となる．

2-1 システムの概要

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2-2 電動義手のモデル案

源と入力用モータを用い，マスターモータ，及びスレーブモ

本システムを用いた電動義手の概念を図 2 に示す．

ータを回転させて実験を行った．
図 4 に測定した電流波形を示す．この実験は，モータの回転速度 1000[rpm]，回路の切り替え周波数 40[kHz]，回路内のインダクタンス 2[mH]，バッテリー2.4[V]の条件で行った．
0.025

Common parts of master and slave
Behind a battery

Electric current[A]0.020

Fig.2 Application model
本システムを電動義手に用いる例として，健常な肘をマスターとして，反対側の義手の手先をスレーブとし，肘の屈曲エネルギーを回生して義手の手先を動かし，物の把持を行う．

0.015
0.010
0.005
0.000

その際，把持する物の感触を肘で感じながらの操作が可能と050-0.005なる．また，肘の屈曲のみで手先を動かすので，比較的簡単

100150200Time[μsec]に操作が可能だと考えられる．
Fig.4 Electric current to behind a battery
2-3 バッテリー交換不要の原理
図 4 の青い波形が 2 つのモータの共通部分，赤い波形がバ

図 3 に提案するバッテリー交換を不要にするためのシスッテリー直後の電流となっており，共通部分の電流値が低下

テムの回路図を表す．

し，バッテリー直後の電流値が上昇している部分が，バッテリー側へ回路を切り替えた時の電流である．2 つのモータの共通部分とバッテリー直後の電流値はともに正の値をとっているので充電できている．また，この時スレーブモータが高い精度でマスターモータに追従できていることが確認できたので，電動義手として本システムを用いることは有効だと考えられる．

Fig.3 Circuit with improvement method

本システムでは，スレーブのアクチュエータ係数をマスターより小さく設定しモータを組み合わせることにより，あたかも増速機が挿入されたような効果を持たせ，スレーブモー
タの速度をブレーキによりマスターモータの速度に落とす
際の，余分なエネルギーを回路に挿入した小型バッテリーEへ充電し，電力が不足した時はその充電した電力を使用することを考える．具体的には，両者の角変位，角速度をフィードバックして両者が同じ動きをするように PWM で制御し，ブレーキになる場合にはバッテリーへ充電する．速度が大きく力が小さい場合に充電し，力が大きく速度が遅い場合には放電し，トータルでバッテリーへの流入エネルギーが負にならないように設計する．
3.

4.

結言
バッテリー交換が不要で力覚を有し操作も容易な電動義手の開発を目指し，既報で提案したエネルギー回生型マスタースレーブシステムを拡張し，肘をマスターとして反対側の手先をスレーブとして動かす電動義手を提案した．また，バッテリー交換を不要にするために異なるアクチュエータ係数のモータを用いることを考え，基礎実験を行った結果，2つのモータの相対角変位，角速度をフィードバックすることにより，十分な精度でマスターモータに追従させながら充電できることを確認した．
参考文献(1) C.Li, Y.Inoue, T.Liu, K.Shibata, L.Sun ， Modeling andVerification

充電に関する基礎実験
実際にマスターで発生したエネルギーによるバッテリー

of a Bimanual-CoordinatedTraining System,

Advanced Robotics,Vol.25- 15(2011). Pp. 1969-1989.

への充電を確認するための基礎実験を行った．確認方法は，(2) C.Li, Y.Inoue, T.Liu, L.Sun,

図 3 に示したように回路内にバッテリーE を挿入し，2 つのcoordinated training supported by a new upper-limb rehabilitation

モータの共通部分とバッテリー直後の電流を測定し，値が正

robot: a near-infrared spectroscopy study,の値であれば充電できているとする．実験方法は，安定化電

Rehabilitation: Assistive Technology, Vol. 8, No. 1(2013) , pp.
38-48.

GS10-1-2

Validation of bimanual
Disability and