平成11年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

人の腕の運動機能特性把握と産業への応用
後藤和弘
機械電子部

Understa皿d通gtbeH五ma皿ÅでmCも．ぴaCte由sticsandits如phcationtoIn血．s七ごyKazuhi∫OGOTOH
Mechanics＆ElectTOnicsDivisionの医用応用などに役立つと考えられている．たとえば，

1．はじめに

通常，人が機械を操作する場合には，人が機械の使い

辻ら9）は人の手先インピーダンス調節能力を訓練するト方を習得することが当然のように思われている．そしてレーニング法を提案し，リハビリテーションその機械や道具をいかにうまくつかいこなせるかが職人能性について検討している．

への応用可と呼ばれる条件でもあった．このことを異なる側面から

これらの研究では，肘や足関節などの単関節運動，ま見ると，機械のもつ特性を人がどれだけ把握し，それにたは水平面や垂直面内での多関節運動について解析され応じて自らの身体の運動特性を調節できるか，であるとているが，多関節運動に関する解析はその困難さからあいえる．一般的に熟練者は必要最小限の力で作業を行う

まり報告されていない10二＼そこで本研究では，3次元のことができ，不要な操作は行わないことからも身体の運運動領域での多関節運動における手先インピーダンスの動特性を巧みに調節できていると考えられる．

解析手法について検討するとともに，リハビリ分野等産

将来的な高齢化社会を考えると，作業現場や医療福祉業への応用について考察する，現場におけるロボットや自動機械による支援は今後需要が高まっていくと予想され，人とロボットが協調して作2．方法業を行うようになると考えられる．そして，このような2．1手先インピーダンスの計測

場面では人が機械の特性にあわせるのではなく，機械が手先インピーダンスとは，筋の活動度によって変化す

人の運動特性iこ応じて自らの動きを調節できることが要

る筋の粘弾性特性を手先における仮想的なバネやダンパ，求される．

質量として表す．筋の活動度が高ければ腕は堅くなり，人と協調するロボットについては，以前から多くの研低ければ柔らかくなる。人はこのような特性を積極的に究が行われている．たとえば】Kosugeら1：は人とロボッ利用し，道具などの物体や周囲環境との相互作用を伴うトが協調して物体を運ぶなどの相互作用を伴なうメカニ作業を巧みに実現していると考えられる．

カルシステムを提案している．医療福祉分野では，藤江2、手先インピーダンスの計測については，Ⅳhssa−Ⅰvaldl

は，人を「さりげなく」支援するという考え方のもとでら11）が姿勢維持中の被験者の手先に振幅1cm程度の微歩行介助システムなどを開発している．また，榊らはリ小変位を与え，ニのときに手先に発生する力を計測する

ハビリテーションにおける訓練機器としてj 関節癒着防ことで，インピーーダンスの静的な成分であるバネ要素を止ヤ関節軟骨の治癒促進の目的で使用される関節可動域推定している．また，Dolanら12二＼Tsu、jiら∈ノはバネ要訓練装置を開発しているい5、素である弾性だけでなく，粘性，慣性についても同時に一方，機械が人の特性に応じて自らの動きを調節する計測を行い，それらの特性について詳細に調べている、には，人の運動制御特性を知る必要がある．人の姿勢やこれらはいずれモ）碗の姿勢を維持した状態での計測であ運動制御に関しては機械的インピーダンスの計測が報告

るが，Gomiら7ノは2関節での平面内の運動中の手先インされていてト腕や手先，指，肘関節，足関節など，さまざまな部位について研究が行われている．TsuJiら6はピーダンスを計測し，姿勢を維持した状態（静止時）よりも小さくなることを示した．

手先位置干上肢の姿勢などによって手先インピーダンス

これら手先インピーダンス特性に関する研究では，手特性が変化することを示している．GomiらT、は2関節で先に微小な変位を与え，そのときに発生する手先力とのの平面内の運動中の手先インピーダンスを計測し，他の対応を求めることで特性を計測している．そこで研究者の結果と比較している．下肢についてfま，佐藤らぎ＼

究においても同様の手法を用いることにする．

が直立姿勢における足関節の粘弾性！伸張反射ユ 姿勢削

2．2手先インピーダンスのモデル化㈲系乃機能分担について検討している．このような運動

人がある姿勢を維持している場合に外部から強制的に計濃」運動制御機構に関ナる研究成果は1tコポット制御

手先を変位させた場合，姿勢によって決定される手先イなどニウニ学応用ばかりでなく．動力義手やリハビリなとンピーダンスによって手先に反力が発生すると考えられ
−13】

，本研

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る．このときの手先動特性はインピーダンスモデルを用があるので！本研究のように短時間のあいだに微小な変いて以下のように表オことができる6：．

位を与える用途には適している．また，手先の移動方向による動特性の差が無く，等方性の特長をもつことから3．W似ズ作ノ十β作ノズ砂十∬作ノげ砂一考似ノニ・勒（1）

次元領域での移動にも適しているといえる、PLMの手先

ここでト斬りは手先の位置ベクトル∫鞘ノは手先カベクトには）6軸カセンサ（株式会社ニッタ製）を取りつけ5ル，〟㈲β似g作ノは手先インピーダンスの成分行列で，変位時の手先力を計測する．Fig．2に外観鼠を示す．

それぞれ手先の慣性（質量），粘性（ダンパ要素），弾性（バネ要素）をあらわす．変位を与える微小時間のあ3．システムの評価実験

いだにはこれらは変化しないと仮定すると，（1）式は次の3，1実験方法ように近似表現できる．

従来の研究で〜ま，」恍子方弼ナβ瑚ノ十抑ノ＝一郎Yり

手先インピーダンスの計測結果を比較すると，特性狩傾向は似ているものの、数値的にはか（2）なり異なった値となっている．この原因は微小変位の与鞘ノ′嘩ノは，それぞれ微小変位を与える直前からの手え方や推定に用いるデータの時間区間など，実験条件や先位置と発生力の変化分を表し，実験によりこれらを計計測条件の違いにあると考えられ，それぞれの結果を直測すれば手先インピーダンスを推定できる．

接に比較することはできなかった．このためTsujiら己：は2．3計測システム

バネ（バネ定数）や重り（質量）など既知の物理量につ開発した計測システムの構成をFig．1に示す．本研究

いて予備実験を行い，開発した計測方法を検証している．

でのシステムは，手先を変位させるためのパラレルリン

そこで， システムを評価するための予備実験としてカクマニピュレータ（以下，PLMと表す），手先力を計測

センサと環境とじ′〕あいだに機械バネを取りつけ，PLMのする6軸カセンサ，制御計測用の計算機で構成される．

手先を変位させた場合の発生力を計測した．

このPLMは3つの腕（リンク）で1つの手先を支持する

バネ定数の異なる4種類のバネを用意し，これらにつ機構になっており、それぞれのリンクを各々1つのモーいて，①振幅が1（〕mm程度の手先変位を与え，定常状態タで琴区勤し，全体として3自由度を有する．すなわち，の測定値から静的な特性を計測した．また〕②振幅4Il11n3次元領域内での並進移動のみが可能である．PLMは一程度の手先変位を与え，動的な変化におけるシステムの般的に可動領域は狭いものの，高剛性があり，高速な移性能を評価した．なお，これらの振幅については他の研動が可能，高精度な位置決めが可能であるといった特長

究者の事例を参考に設定した，3．2実験結果

Fig．3に手先発生力の計測結果の一例を示す．PLMのD−7 r−−D︹︶∧∪Fl巨1計測システムの構成﹀︵もさ︻︹壊≠6軸カセンサ︹︶

二 「＝￣＿… くL肌山

20 ■．．，．．」⊥m▲一，㌧≠】 」 ♪
≡時間（secニ（alバイアス除去前〇3ーー﹁﹇L﹁︹も空︹卜⁚試‖什

仕155時 芦笥（s虐C（b）バイアス除去後
FFg．3 手先力しつ計測例

Fユ昌2 計測システムの外観−14−2（）Z5平成＝年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

手先をⅩ軸負方向に10mm変位させ，しばらく静止させた後に元の位置に戻し，このときに機械バネによる発生力をカセンサで計測した．カセンサにはPLMを変位させる前からある程度のバイアスカがかかっているが，インピーダンス特性を計測するには手先を変位させた場合に0．3おける微小変化分を必要とするので，変位前のバイアス成分を除去しなければならない．Flg．3（a）はバイアス分を時間（sec）

F≧g．5手先位置の計測例除去する軋Flg．3（b）は／（イアス分を除去した後の手先発生力をそれぞれあらわしている．図から，手先変位後の使用した変位パターンでは，目標手先位置までの立ち上力の変化分が得られていることが分かる．

がり時間は200nlS程度であった．今回の評価実験から，

本システムのPLMでは4IlllTlの目標位置に対しおよそ4種類の機械バネについて同様の測定を行った結果を
Flg．4に示す．手先発生力の定常部分から機械バネのバネ100msでの変位が可能であることを確認できた．この結定数を求めると，それぞれ283，148，300，30（N／m）と果より，手先インピーダンスを計測するのに十分な動作なり，あらかじめ測定していた値とほぼ一致した結果が性能を有すると考えられる．

得られた．

4．産業への応用可能性について

Flg．5にはPLMの手先を変位させた後，すぐに元の位置に戻した場合の手先位置の計測結果を示している．本

インピーダンスの概念は，ロボットの制御には既に取研究では微小変位を印加する短時間のあいだには手先イり入れられていて，玉子を割らずに柔らかく握ることのンピーダンスが変化しないと仮定しているため，変位のできるロボットハンドやリハビリ目的の下肢訓練装置

印加方法が推定結果に与える影響は大きい．Tsujiらら）が3∴4）などにインピーダンス制御が用いられている．

3 〇0

一方，人の運動機能特性を機械的なインピーダンスとの多くは単関節連動や，ある平面内に限定された多関節08︵ち卓下械≠2して計測する研究はこれまでにも報告されているが，そ運動など簡単な運動であった．しかし，最近になって人0のインピーダンス特性を実際に応用しようとする研究が■一一￣■−■■一■■ヽ 、、￣ヽ●u￣ヽ、■．一口ー5†815282ち報告されてきた．川村らはは合気道の力学解析として，

0

時 間（sec）（a）ハネ1

相手の胴体に効果的に力を与えるためには自分の身体全う問題点を提示し基礎実験を行った。辻ら1ヰノは手先イン

1 C

二︑ご．止．1∧Uー0体の機械的インピーダンスをどこまで増加できるかとい
ピーダンス・トレーニング装置のプロトタイプを開発し，〇スポーツートレーーニングへの応用可能性について紹介す」ニ

ニこ

時間〔5卓○：るとともに，プロ野球選手など熟練者の運動中のインピーダンスを計測し、そのインピーダンスを目標として訓（b）バネ2練することで，高度な技能が必要な作業を効率良く実現
こぎ告トポ≠

できる可能性があることを提案している．また，山田ら
潮は生産現場における自動車組立て作業について，作業者が身体のもつ機械インピーダンスを巧みに調整するこO C5〕とで作業を実現していると考え，この調整の仕方こそが−〇〕5

ヨ守 閻（seこ）スキル であるとしている．そして「スキルアシスト」（c）バネ3と名づけた作業支援機器によって，加齢した作業者のイ− 〇 ・／

こぎし︹ト︑汽叶

ンピーダンス調整能力の不足分を補うように制御することを試みている．

二 −このようなスポーツや生産現場の作業などは空間内で卜‥、．．‥．‖．．．、．い．．＿．＿．‥＿，．、

ー○ 〇弓 り】

身体を動かすため1本研究で示したように多関節運動に

時 閻、Sラ⊂、〈d）バネ4

おける空間的なインピーダンス特性の計測結果を適用でF童g．4機械バネによる手先刀きる可能性があると考える．また，本間ら1引が開発した

−15−

0i4

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ワイヤ型上肢動作補助装置のように身体を外部から動か装置TE乱i，日東機械学会第11回バイオエンジニアリ

す力が作用する場合についても，あらかじめその部位のング講演会講演論文集，326−327，1999
6）Tsuji，T・，Morasso，P・G・，Goto，K、，and‡to，K∴

インピーダンス特性を把握できれば，身体に無理な力を与えることなく外部から動かすことができ，安全に操作

Human hancl impedance characteristics duringできる．

maintainedposture，BiologicalCybernetics，Vol．72，

以上のように，スポーツ分野，工場等の生産現場，福475−485，1995

7）Gomi，王1∫ Kolke，Y．，Kawato，M∴ Human hand祉分野等，人との接触を伴ない，相互作用的な力を必要

Stiffness during dlSCrete POint−tO−POlnt multi−jOlntとする場面への応用可能性がある．

movementリ Proceedings of the Annual
InternationalConference oftheIEEE Engineering

5．まとめ

lnれ4e血cineandBiolog）7Soclety，1628ロ1629，1992

本研究では，人の腕の運動機能特性を計測することを

8）佐藤，藤田：直立姿勢維持における足関節粘弾性と伸目標として，3次元の運動領域での多関節運動における手先インピーダンス計測システムの開発を試みた．そし張反射の機能分担，計測自動制御学会論文集，Vol．35、て， システムの評価実験として物理的な機械バネについNo．5、600−605．1999

9）辻，神字，加藤，金子，川村：インピーダンス凸トレて計測を行い，実際に人の手先インピーダンス特性を計

ーニング：人間は手先インピーダンスを訓練により調測できる可能性があることを確認した．

節できるのか？，計測自動制御学会論文集，Vol．35．

また，人の運動制御特性に関する従来の研究を調査し，産業への応用可能性について検討した．

No．10．1300−1ミう06，1999

10）川村：ソフトメカニカルスーツの研究概念，日本ロ

今後は，実際に人の手先インピーダンスを計測し，具ボット学会誌，Vol、17，No．65799−802．1999

体的な実用化についても検討していきたいと考えている．

近年，「人にやさしい」をキーワードとする研究や製

11）丸王ussa−Ⅰval血F・A・，Hogan，N．，Bizz土，E∴Neural，品開発が様々な分野で普及しているが，技術者の立場か

mechanicalandgeometricalfactorssubsen7ingarm

らは技術シーズありきでの開発になり】実際に使用する

POSturelnbulllanS．，JournalofNeurosclenCe．Vol．5ざと使い勝手が良くないなどの問題が判明することも少な

No．10、2732−2743，1985

12）Dolan，J・M‥ Friedman，M．B．，Nagurka，：ML∴くないのではないだろうか．さまざまな分野において「人にやさしいロボテイクス」が叫ばれる状況であるが，こDynamic andloadedimpedance componentslnthe

れを実現するには，人の特性を把握して機器を柔軟に制maintenance of human arm posture．，IEEE御する必要性があるとともに，なによりも現場の声を十Transaction on System，Man and Cybernetics、分に聞くことが重要ではないかと感じる．

Ⅴ01．23．No．乱698＿709．1993

13）川札 伊坂．隠 下中，三宅：合気道の力学解析第2戟身体姿勢と手先保持力の関係，第17回目本ロボ参考文献1）Kosuge．K‥FujlsalVa，Y・fFukuda，T．：Control ofット学会学術講演会予稿集，Ⅴ01．1、17−18、1999

mechanicalsystem with man−maChineinteraction．． 14）辻，島崎，金子，川村：インピーダンス。トレーニ

Proc oftheIEEE／RSJInternationalConference on

ングとそのスポーツ応札 第17匡ほ木口ポット学会

IntelllgentRobotsand凱▼StemS．Vol．1、87−92．1992

学術講演会予稿集，Vol．1，1ト12、1999

2）藤江：2ユ世紀の長寿社会を支援するロボット

15）山軋 佐藤，鴻巣，森園，梅谷：スキルアシストのGerontechnology S〉−nlpOSium2000講演予稿集J48−

提案第1報：作業過程のフェーズにむとづく可変イン49．2000

ピーダンス制描こ，第17［司日本ロボット学会学術講演会予稿集，＼701−1、43ト432、1999

3）榊，近藤，永乳 松熊，坂本，堀内：多自由度・力制
御の可能な下肢用リハビリ装置，ロボット学会学術講16）本軋 新井：パラレルメカニズムを用いた上肢動作

演会論文集，1039−1040．1995

補助機構）日太コポット学会誌，Vol．1．う．No．1．90＿96．

4）同島，田中，長谷川，内乱 木村，富臥 堀札 近隠

1997

榊：関節可動域訓練装置：柔らかさを与える機構の検瓢 総合リハビリテーション，Vol．26，No．4，363−369，
19985）岡乱 榊，平田，堀札 冨軋 間島：下肢用運動療法−16−