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計測自動制御学会東北支部 第165回研究集会（1996．12．13）
資料番号165一書

上肢位置決め制御動作の習熟過程●●●

AcqurlngPr批eSSOfPo＄itionlngMotioninaHumanUpperLink
O山本隆司，小林秀明，猪岡光
OTakashiYamamOtO，HideakiKobayashi，HikaruInooka

東北大学大学院情報科学研究科
GraduateSchoolofInfbmationSciences，TohokuUniverslty
キーワード：筋電位（electro−myOgram），インピーダンス（impedance）．習熟過程（acquiringprocess），上肢（humanupperLink），位置決め動作（positioningmotion）
連絡先：〒媚0−77 仙台市草葉区荒巻字音菓 東北大学 情報科学研究科 知能制御システム学研究妄
Llj本隆司，Tel．：（022）217−70ユLFax．：（022）217−7019．E−majl：yamamOtO＠control．is．tohoku，aC．jp1．緒言などに危害や損傷を与えることなく非常にフレキシプルな動作をすることができる．また，経験を従来の危険な作業を人間と隔離された空間で行積むこによって関節インピーダンスの調節法を学う産業用ロボットでは，軌道計画ヤ運動制御に関習し，同じもしくは同等の動作をより素早く，効して，高精度，高速性，作業能率などが重要な要率的に行うようになる事も，人間特有の特性とい素である．一方，開発が切望されている医療や福える．

祉といった人間と作業空間を共有するロボットで本研究では，前腕位置決め動作における肝関節は，その軌道計画や運動制御に関Lて，人間の心インピーダンスが，習熟過程でどうように変化L身に対し危害を加えない事に配慮する必要がある．ていくかを，筋電位情報用もとにした指擦を用いその実現の手段の一つとして，人間の動作特性をて分析を試みる．

ロボットに持たせることがあげられる．そのため，人間の動作特性に関する研究が様々な方面でなさZ．前腕肘関節の筋骨格系れている．1・H）

人間の動作特性を解析する上で，動作の軌道解

生体運動は．筋の発生する筋力をその動力源と析晒のみならず，勤特性を考慮する事は，非常にLている．筋は，収縮力のみを発生するアクチュ重要である．また，生体の運動は，筋の収縮運動エータであるため，関節を自由に駆動するには関を動力源にしており，筋運動に伴って発生する筋節毎に二つ以上の筋が必要で，関節の駆動力は各電位（elec甘かmy喝【肌：EMG）情報を用いて動作の筋の収縮力の踏和となる．従って同じ駆動力を発特性を評価する手法が提案されている．…）

生する場合においても，関節まわりの筋の収縮力

動作中に関節インピーダンスを変えられる9）こを変えることができる．つまり同じ加減速，静止とが，人間の動作における特徴の一つである．こ動作をする場合においても，関節のインピーダンの能力によって，人間は様々な対象，人間や道具スは可変であり，人間の動作にフレキシァル性を封亡は，それぞれ上腕二頭筋と上腕三頭筋の発生する収縮力を示す．馴ま，肘関節回りの回転角度であり，（＝式中のJ／dが慣性，（ ′＋〟ビ）たが弾性項，叫山．沖が粘性項である・（1）式に示すように，粘弾性は上腕二頭筋と上腕三頭筋の収縮力の和叫＝F）に比例する形で示される・（たと占は定数である．）前腕が静止している状態で，上腕二頭筋と上腕三頭筋が同じ収縮力を発生した場合，上腕の駆動トルクは0で，前腕は静止Lた状態を保つ．LかL，両筋の収縮力が大きい場合は肘関節
囲1上肢筋骨格系の粘弾性モデルの粘弾性は大きくなり（関節が固くなる），両筋の収縮力が小さい場合は肘関節の粘弾性は小さくなる（関節が柔らかくなる）．

3．実験
3．1 実験装置
実験装置を図4に示す．実験装置のアームに前腕を乗せ，バンドで前腕をアームに固定する．肩関節は体に対して900 になるようにし．上腕，前腕を同一水平面内に拘束する．この場合，アームに固定された前腕は，上腕二頭筋と上腕三頭筋の収縮力の差によってのみ駆動される．肘関節まわりの前腕の運動には，式（1）の運動方程式で示される双線形モデルを適用できる．肝関節角度は，アームにとりつけられたエンコーダにより測定される．筋の収縮力は，上腕二頭筋及び上腕三頭筋上の皮膚にとりつけた電極を用いて測定される表面筋電位（EMG）を用いて推定する．なお，測定される表面筋電位は，同一個人でも測定時に張り与えている．

具体例として，人間の上肢における前腕肘関節（囲1）を考える．前腕は，上腕二頭筋（BicepsBrachii〕と，上腕三頭筋CrricepsBrachii）の収縮力の差によって駆動される．筋は，その長さが長くなると張力が増加する弾性特性（固2）と，短縮速度に反比例して収縮力が減少するという粘性特性（園3）を持っており，次式に示される汲線形モデ
ルの運動方程式を用いてモデル化される．10）∂叫一叫→叫・岬＋珊＝
TRICEPSBRJLCHIFJilCEPSBR＾亡H工l

ここで，Jは前腕の慣性モーメントであり，以′と岡4 実験装置

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付けた電極の微妙な位置の遠いにより測定される値が異なるため，あらかじめキャリブレーション

昔i千丁 t曇v︳i■■・t■︑■．■を行う．また，式tl）で示される親疎形モデルの−十一・−・且▲・

粘弾性係数は，定数部分（烏，射を求めることができないないため．インピーダンス特性の解析は評価関数を用いて評価する．

3．2 実験方法

0l亡I

10

5コ〔11B曙mTt81hti汀ヒlTIME川国6 初宣・者の位置決め動作実験の結果

囲4に示されるOq の手先位置を，手先位置の原点とし，時計周り方向の回転角鹿を正とする．
被験者は，CRT表示（図5）に従って＋20〜−20q
も号の間でランダムに示きれる目標位置にすばやく−三毛︻■

ピュータは位置決め動作の完了と判断L，新たな‡璽⊥革■標位置近傍±0．lO に2秒間静止すると，コン竜■一．

プ運動）をするよう指示されてし1る．アームが目音旦．＞

アームを移動，静止させる位置決め動作（ステッ

目標位置を披験者に提示し．被験者は新たな位置決め動作を開始する．この動作を，最初の動作開始時から呂0秒間繰り返L行うものとする．
実験は，この実験装置を用いた作業の未経験者

48

1〇〈亡TIME佃

了つEl叩t‖封■i■Ⅳlと，作業を十分経験した熟達者の2人（いずれも書20代前半の男性）を被験者とし．それそれが紬秒4．1 美顔結果
実験により得られたデータの一部を，園6，図7に示す．図6は，実験装置での作業未経験者の100】勺

凸；亡与つ¶ME一旦）帥秒間の位置決め動作の1同日と8回目の手先位

国7 熟達者の位置決め動作実験の結果

T亡lb匹【t18仙血鷲一一丁．．一Lr﹂r

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r﹁■■■4．結果と考察

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間のステップ運動状の位置決め動作を続けて8匝Ⅰ置（角度），手先速度（角速度）．手先加速度（角加の収崩力を示したものである．新たに示された目速度）と上腕二頭筋と上腕三頭筋の収庸力である．

標位置が，現在の手先位置よりも図4に示す正の囲7は熟達者の場合である．

方向にあるため，上腕三頸筋が収縮Lて前腕を加作業未経験者の場合，紬秒間全体を通Lて上腕速Lているが，減速動作のために上腕二頭筋が強二頭軌 上腕三頭筋が非常に大きな収縮力を発生く収縮するような動作は行われない．つまり，減してることが分かる．両筋の収縮力が非常に大き速，静止動作は肝関節の粘弾性で行っていることい場合は，式（l）に示されるように，関節での粘が分かる．

弾性が非常に大きくなるため，前腕の駆動には非ここで，個々の位置決め動作を，手先適度（角速常に大きな収縮力が必要となるが，静止動作は容度）と手先加速度〔角加速度）のピークにより4つ易になる．一回目では，この被験者は上腕二頗筋の区間に分割する．新しい目標が示されてから手の制御でほとんどの動作を完了している．8回目

先加速度（角加速度）が最大になるまでを区間1，になると，正方向の動作時には，上腕三頭筋を収手先速度（角速度）が最大にまでを区間2，手先加縮し，負方向に動作する場合には上腕二頭筋を収速度（角加速度）が最小になるまでを区間3，静止縮するようになることが分かる．これは，上腕二動作完了までを区間4とする．

頭筋と上腕三頭筋の両方を同時に制御する未経験者にとって掴難であり．習熟することにより両筋の同時制御を行うようになっていくということが分かる．

4．3 評価指操の定義
一一連の位置決め動作を．以￣Fの3つの評価式を用いて評価する．

熟達者の場合，未経験者に比べて両筋の収縮活

肘関節周りの筋骨格系は，川式に示される汲線動は，80秒間全体を通じて非常に小さい．つまり形モデルで示され，粘弾性が，上腕二頭筋と上腕関節のインピーダンス（粘弾性）を小さくLたまま三頭筋の収縮力の和叫←山 ）に比例する可変粘弾で位置決め動作をしていることになる．関節の粘性を持つ・そこで，粘弾性に関する指標J．を以下弾性が非常に小さいため，前腕の加減速のためののように定義する．

筋の収縮力も少なくなっている．
Jl＝

J ＝（ ′tり十町り匝rニーJ．

4．2 位置決め動作の分割
囲8は．実験中のある時間に新たな目標が示さ（2）

肝関節での駆動トルクは，上腕二頭筋と上腕三頭筋の収縮力の差に比例Lた形，叫（り＋〟ど（巾dで示れてから，その目標位置への位置決め動作が完了される・従って，駆動トルクに関する指標J7を以するまでの，手先位置（角度）．手先速度し角速度），下のように定義する．
耕′l‖一町中

手先加速度（角加速度）と上腕二頭筋と上腕三頭筋
Jコ＝〔3）JニーJコ

また，上腕二頭崩と上腕三頭筋の両筋の同時活動は，関節のインピーダンスを高め，さらに前腕の加減速に必要な筋の収縮を増大させる．そこで，両筋の収縮力の和叫十再から，駆動力に比例する両筋の収縮力の差叫一項を差L引いた以下の以下の式で指標J5を，両筋の同時活動により増大した粘弾性によって浪費されるエネルギーに関する評価式とLて定義する．
l：二叫り）叫‖−ト′町町匝

JJ＝
1【1511TIMt三l6I

園8 位置決め動作の分割

Jl−rl（4）とからも，減速動作は主に粘弾性を利用Lておこなっていることが分かる．一方，未経験者の場合は加速をおこなう区間2に比較Lて，減速をおこ■＿lO

なう区間3での指標値は，場合によっては値が大rヰ（⊃きくなっている．このことから，未経験者の場合，
ひ減速動作では，粘弾性だけでなく，減速トルクをや︻寸．1利用Lているのではないかと考えられる．

バL−

指標圭は，両筋の同時括動により増大した粘弾性によって浪費されるエネルギーに関する指標である．未経験者では関節の粘弾性が非常に大きいため，結果的にエネルギー浪費も大きくなる．ま叫占︻た．関節の粘弾性に関する指標Jlや指標J2と比較

e︻﹃ふ空Lて，8回の経験を通Lて明らかな減少傾向は見られない．熟練者の場合には指棲値が非常に小さり．かな値を取っていることから，エネルギー浪費はよ寸．ひ

り経験を積まなければ減少できないのではないかと考えられる．
図9 各指榛の変化

4．4 評価指極を用いた解析

5．括青

前節で定義した評価式を，各区間の位置決め動作ごとに計算し，呂0秒間で完了した動作で平均し本研究では，肝関節インピーダンスが前腕位置たLた結果を図9に示す．（熟達者の区間3での指決め動作の習熟過程でどのように変化するかを，極値は，計算不能であったためプロットされてい筋電位情報用もとにした指標を用いて分析を試みない．）た．そして，本研究で用いた実験装置での作業未指標Jlは，粘弾性に関する指標である・未経験経験者と，作業に熟達Lた2人の被験者の動作者は，熟達者に比べ関節での粘弾性が非常に大きデータを比較L．指標を用いた分析により以下のい．また，習熟Lていく過程で徐々に粘弾性を減ようなことが確認された．

少させていくこと分かる．前腕が加減速される区熟達者の位置決め動作に比べると，未経験者の間1〜3で指標借が大きくなってVlるが，これは動作では関節の粘弾性が非常に大きく，前腕駆動加減速に伴う筋の収縮のためであると考えられる．に必要な駆動トルクも大きい．そのため，エネル駆動トルクに関する指標が，指標J2である．未ギー消費が非常に大きくなる．また，習熟過程の経験者は，関節の粘弾性を非常に大きい状態で動早い段階で粘弾性を減少させていき，それに伴っ作を行うため，大きな駆動トルクを必要とする．て駆動トルクも減少きせていくが，効率的な作業また．習熟過程で粘弾性を減少させていくにつれの習熟にはより多くの経験が必要と思われる．て，駆動トルクも減少していくことが分かる．区現時点の問題点は，以下の2点である．関節角間別に見ると，手先加速度（角加速度）のピークか度はエンコーダを用いて測定しており，実験途中ら手先速度（角速度）のピークまでの区間2で，最での被験者の姿勢変化（身を乗り出すなど）にも大きな駆動トルクを，熟達者の場合は，次いでよって実際の関節角と，測定値とに誤差が生じて動作開始時から手先加速度（角加速度）のピークまいることが予想される．また，筋電位情報に収縮での区間2で，大きな指標値を取っている．減速力に対してのキャリブレーションは行っているが，をする区間3では，指標値が小さくなっているこ

オフセットに対するキャリブレーションは行っていない．このため，指標での評価の正確性に疑問が残る．以上の点を改善L，より長時間での習熟過程について，データを収集する必要がある．

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大学院工学研究科機械工学専攻修士学文位論文（1993）【7】小林秀明：生体信号を用いた操作機の操作性評価に関する研究，東北大学大学院工学研究科機械工学専攻修士草丈位論文（柑94）【畠】小林ら：位置決め動作におけるインピーダンス特性の実験的考察，人間工学 第32巻 特別号，
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