2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒト四肢の運動特性を考慮した
機器の設計に関する提案
大阪電気通信大学
医療福祉工学部医療福祉工学科
藤川智彦
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒト四肢の運動特性を考慮した
機器の設計に関する提案
発表内容：
・ヒトが使い易い？ ヒトに適したもの？という定義？
・ヒト四肢の運動特性って？
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
経験に基づいたデータで評価される．または，それに
基づいたルールを利用する．
バリアフリーやユバーサルデザイン，
さらに，フレンドリーデザイン
ルール：シャンプーのケース側面には凹凸を付ける．
道の段差を無くし，スロープを設置する．
ヒトの通行が多い所は自動ドアを設置する．
経験： テーブルの高さ70cm
ドアノブの高さ85-90cm
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
経験に基づいたデータで評価される．または，それに
基づいたルールを利用する．
人間工学
多くの計測・測定の結果
バリアフリーやユバーサルデザイン，
統計的処理
さらに，フレンドリーデザイン
ルール：シャンプーのケース側面には凹凸を付ける．
道の段差を無くし，スロープを設置する．
ヒトの通行が多い所は自動ドアを設置する．
経験： テーブルの高さ70cm
ドアノブの高さ85-90cm
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
経験に基づいたデータで評価される．または，それに
基づいたルールを利用する．
ヒトの適応性・順応性
バリアフリーやユバーサルデザイン，
思い込みによる疑問の欠如
さらに，フレンドリーデザイン
ルール：シャンプーのケース側面には凹凸を付ける．
道の段差を無くし，スロープを設置する．
ヒトの通行が多い所は自動ドアを設置する．
経験： テーブルの高さ70cm
ドアノブの高さ85-90cm
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
人間工学
多くの計測・測定の結果
統計的処理
ヒトの適応性・順応性
思い込みによる疑問の欠如
・主観的な判断が伴う
・理論的な背景が薄い
・ヒトの機能が不明
・当初のものに適応する
・変更より改良を選ぶ
？
ヒトが使い易い（適した）ものを創造すること
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
ヒトの運動特性
理論的な背景
本当に使い易いもの
・理論的な背景に沿う
・ヒトの機能の解明
・当初のものに準じない
ヒトの運動特性に適したもの
生体機構制御研究会の参加企業の取り組み
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
ヒトの運動機能を考慮した機器開発の例
上肢による操作
HONDA未来型4ドアサルーン「AC-X」
東京モーターショー2011
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
ヒトの運動機能を考慮した機器開発の例
上肢による操作
・従来のハンドル操作はステアリング機構の運動に連
動するのに最も単純な機構
・ヒト上肢の運動を考えるとTLSが良い．
HONDA AC-X
TLS: Twin-Lever Steering
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
ヒトの運動機能を考慮した機器開発の例
上肢による操作
・筋活動が少なく，疲労が小さい．
・ハンドルを回さないので，体幹の保持が容易である．
・タイヤとハンドルの角度が直結できる．
HONDA AC-X
TLS: Twin-Lever Steering
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
ヒトの運動機能を考慮した機器開発の例
下肢の機構
岡村製作所「Leopard」
下肢の運動機構
沖電気工業
「ロボットレッ
グ」
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
ヒトの運動機能を考慮した機器開発の例
下肢の機構
岡村製作所「Leopard」
・座面が安定する機構，座
面＝水平ではない．
・ヒト下肢の機能を考えると
体を反力で鉛直方向で支
えると良い．
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
ヒトの運動機能を考慮した機器開発の例
下肢の機構
岡村製作所「Leopard」
・迎え入れるスタイルから
包み込むスタイル
・座った状態から立ち上が
る動作に入ると座面が持ち
上がるため，立ち上がりを
助ける役割をする．
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトが使い易い（適した）もの
ヒトの運動機能を考慮したものづくり
特徴
手法
相違
ヒトの四肢の機構特性
・駆動源である筋の特性
・四肢の機構である筋配列
モータの特性とモータの配置が異なる
・筋と筋配列の基本モデルが機械と異なる．
理論は機械工学（ロボット工学）と同じ
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
骨格筋
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
筋（骨格筋）
遅筋と速筋がある
重量に対する出力比が大きい
発生力：40-100N/cm2
密度：1.1g/cm3
非常に小さいサイズでも機能する
筋原繊維：直径1-2μm
粘性と弾性を調節できる
HUMAN
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
筋肉の収縮
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
筋の収縮メカニズム
神経から筋繊維内部へ電気的
興奮の伝播
全筋(筋束)
↓
筋小包体
筋繊維
50-100μm
筋小包体がカルシウムイオン
を放出し，ミオシンとアクチ
ン親和性が向上
↓
筋原繊維
ミオシンがATPの加水分解に
ミオシンフェラメント よる生化学エネルギにより，
アクチンを滑り込ませる
筋原繊維
1-2μm
筋収縮滑走説 Z膜
Z膜
アクチンフェラメント
ミオシンフェラメント
アクチンフェラメント
アデノシン三リン酸(ATP)は
アデノシンという物質に３つ
のリン酸基が結合しており，
ATP分解酵素の働きによって
リン酸基がはずされて分解さ
れていく．ひとつのリン酸基
がはずれる毎に約8kcal/mol
のエネルギになる．
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
遅筋と速筋
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
速筋と遅筋
速筋を鍛えるには高負荷低回数のトレーニングが効果的．
遅筋を鍛えるには低負荷高回数のトレーニングが効果的．
ジョギングなどの有酸素運動が効果的．
活動している
筋繊維の割合
全力疾走
100
50
0
ジョギング
歩行
速筋が主に活動する
遅筋が主に活動する
50
運動強度
100
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
粘弾性
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
筋の粘弾性
筋の運動システム
収縮力
収縮要素
弾性要素
粘性要素
変位
筋肉の構成で得られるフィードバック系
筋力 = 収縮力ー粘性抵抗ー弾性抵抗
モータの運動システム
変位
速度
モータ
積分
速度センサ
位置センサ
ヒトが考案した数値制御のフィードバック系
指令電圧
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
粘弾性
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
筋の粘弾性
筋の運動システム
収縮力
収縮要素
弾性要素
粘性要素
変位
筋肉の構成で得られるフィードバック系
筋力 = 収縮力ー粘性抵抗ー弾性抵抗
筋の駆動源の再現
×：重量に対する出力比が大きい
△：非常に小さいサイズでも機能する
△：粘性と弾性を調節できる
駆動源の違い＝運動機能の違い？
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
筋配列
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒト四肢の筋配列(メカニズム）
ヒト上肢のメカニズム
二関節筋
一関節筋
陸上の動物は二関
節筋と一関節筋を
持っている
拮抗筋ペア(対となる伸筋と屈筋のペア)
ロボットアームのメカニズム
一関節駆動源(モータ)
二関節筋はロボッ
トにとって冗長な
存在
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
筋配列
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒト四肢の筋配列(メカニズム）
三角筋前部
上腕二頭筋長頭
三角筋後部
上腕筋
上腕三頭筋長頭
上腕三頭筋外側頭
腸骨筋
大腿直筋
大殿筋
外側広筋
ハムストリング
三対６筋
大腿二頭筋短頭
腓腹筋
拮抗筋が存在しない二関節筋
ヒラメ筋
前頸骨筋
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
三対６筋
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒト四肢の筋配列(メカニズム）
三角筋前部
上腕二頭筋長頭
三角筋後部
上腕筋
上腕三頭筋長頭
上腕三頭筋外側頭
三対６筋
ヒトの運動解析にはロボット
工学が用いられる．
ヒト上肢のモデル化
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
三対６筋
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒト四肢の筋配列(メカニズム）
機能的特性
T1
T2
筋の特性
一関節筋
各関節の一関節筋と二つの関節に同
時に関与する二関節筋の存在
二関節筋
関節の特性
T1 T2
二関節筋が存在するため，
各関節が独立でない
リンク先端の特性 各関節の一関節筋が二関節筋により，関節特性をリンクさ
せられ，四肢先端の機能を各関節に協調的に影響を与える．
力/剛性/運動等
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
二対４筋
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ロボットの駆動配列
機能的特性
T1
T2
関節の特性
T1 T2
関節の特性＝モータの特性
リンク先端の特性 各関節のモータが独立しているため，それぞれのモータによ
りリンク特性を決定できる．
力/剛性/運動等
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
二関節筋の必要性は？
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ロボット工学的な解析
力：X,Y
変位:X,Y
駆動要素：２
関節の特性＝モータの特性
駆動要素：３
力：X,Y
変位:X,Y
関節の特性≠筋の特性
二関節筋が無い方が計算がしやすい．
冗長な存在であるため考慮しない．
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
３要素の必要性
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ロボット工学的な解析
３要素の必要性
リンクモデル先端において力を出した方向に動くとは限らない
力
変位
力
剛性(粘弾性)
変位
剛性をバネで表すと，力の方向に変位しないことがわかりやすい
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
３要素の必要性
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ロボット工学的な解析
三対６筋の機能
３要素の必要性
リンクモデル先端において力を出した方向に動くとは限らない
力
剛性(粘弾性)
変位
弾性楕円
出力方向
変位方向
バネ1
バネ2
変位方向＝出力方向
変位方向≠出力方向
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
３要素の必要性
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ロボット工学的な解析
三対６筋の機能
３要素の必要性
楕円は３要素により構成される．長軸，短軸，傾きの３つ．
短軸
傾き
弾性楕円
力方向と変位方向を一致させる
のは３要素が必要である．
長軸
ヒトは二関節筋を含めた３要素の構成である
三対６筋が存在するため，ヒトは物を支持した状態
でも，発生する力の方向を変えることができる．二
関節筋が無いと剛性と力を独立して制御できない．
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
接触負荷
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ロボット工学的な解析
三対６筋の機能
接触負荷に対しても有効
三対6筋が存在するリンク内では
負荷によるリンク先端の変位方向と発生する力方向の関係が一致する
三対６筋
負荷
負荷を支持できる
移動方向と反力方
向が一致する
負荷
負荷を支えること
ができない
変位方向
反力方向
変位方向
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
三対6筋の弾性楕円
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ロボット工学的な解析
三対６筋の機能
リンク先端における弾性楕円
リンク要素がすべて等しい場合
弾性楕円
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
三対６筋の出力分布
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ロボット工学的な解析
三対６筋の機能
リンク先端における出力分布
リンク要素がすべて等しい場合
出力分布
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
変位と反力が一致する理由
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ロボット工学的な解析
三対６筋の機能
反力と変位方向が一致する理由
リンク要素がすべて等しい場合
反力方向
変位方向
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
二対4筋の弾性と出力
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ロボット工学的な解析
二対４筋の機能
反力と変位方向が一致しない理由
リンク要素がすべて等しい場合
反力方向
変位方向
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
接触負荷
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
三対６筋の機能
接触負荷の特性
第2関節(肘関節)の一関節筋の要素のみ変化させた場合
反力方向
変位方向
反力方向
変位方向
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
F2e2の役割
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
三対６筋の機能
接触負荷の特性
第2関節(肘関節)の一関節筋の機能
Basic Model
Y
s
r3=2k
k2=2k
k1=2k
基本モデル
[N]
2r
発生する力の大きさ F
r2=2r
先端の変位量 s [mm]
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
リンク全体が伸びる
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
三対６筋の機能
筋収縮と運動の関係
筋収縮レベルの変化にともなうリンク先端の変位
リンク全体が伸びる場合
出力方向
40%
0%
80%
変位方向
20%
60%
100%
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
リンク全体が縮む
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
三対６筋の機能
筋収縮と運動の関係
筋収縮レベルの変化にともなうリンク先端の変位
出力方向
80%
40%
変位方向
100%
20%
60%
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
三対6筋の機能まとめ
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
三対６筋の機能
リンク先端の出力方向と移
動方向が一致する軸
反力
微小の筋力でリンク先端の大
きな変位が得られる範囲
負荷
大きな負荷がリンク先端に
生じた場合でも微小な変位
で対応できる範囲
ヒトの運動は機構特性で制限されている
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
ヒト四肢の三対６筋の機能
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒト四肢の機能
三対６筋
三対６筋
手の位置制御
踵の位置制御
三対６筋
棒先の位置制御
腓腹筋
拮抗筋が存在しない二関節筋
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
腓腹筋の機能
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
腓腹筋の機能
回転しながら上昇する
真っ直ぐ上昇する
腓腹筋
動力源
出力
腓腹筋なし
出力
腓腹筋あり
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
腓腹筋の機能
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒト下肢の機能の再現
真っ直ぐ上昇する
動力源
腓腹筋
床反力
大阪電気通信大学 研究連携推進センター
ヒトの歩行形態
2016.6.29(Wed) 第６回関西ものづくり技術シーズ発表会
ヒトに適したものづくりに応用
1. 体幹と手首または踵を結ぶ方向のみが安定した運動
となる．疲労も少なく，保持も容易である．
2. 下肢は下腿部後面の二関節筋である腓腹筋の機能が
大きく関与するため，安定した体幹保持には足趾を
利用しない方が良い．
3. 大きな力に対するには四肢全体を伸ばす，四肢先端
に大きな速度を与えるには四肢全体を屈曲させる．
中間地点は肘および膝が90°となる姿勢となる．
作業に適した四肢の評価が可能である
大阪電気通信大学 研究連携推進センター

3位 3位