平成 25 年度 博士学位論文 スポーツの教示訓練を目的とした 腕部関節運動計測装置の開発 2014 年 3 月 宇都宮大学大学院 工学研究科 博士後期課程 システム創成工学専攻 北野 雄大 目次 目 次 第 1 章 序論 .......................................................................................................................... 1 1.1 本研究の背景............................................................................................................ 1 1.2 本研究の目的............................................................................................................ 3 1.3 本論文の構成............................................................................................................ 4 第 2 章 腕部関節の解剖学的知見と既存の関節動作計測手法 ............................................. 5 2.1 腕部関節に対する解剖学的知見 .............................................................................. 5 2.1.1 手関節に対する解剖学的知見 ........................................................................... 5 2.1.2 肘関節に対する解剖学的知見 ........................................................................... 9 2.1.3 肩甲骨関節に対する解剖学的知見 ................................................................. 10 2.2 関節運動計測手法の現状 ........................................................................................ 11 2.2.1 透過画像を用いた計測.....................................................................................11 2.2.2 三次元計測手法を用いた計測 ......................................................................... 12 2.2.3 侵襲式の計測手法を用いた計測 ..................................................................... 13 2.2.4 角度計を用いた計測 ....................................................................................... 14 2.2.5 本手法における計測手法 ................................................................................ 15 2.3 第 2 章のまとめ ...................................................................................................... 16 第 3 章 パラレルリンク式計測手法の提案......................................................................... 17 3.1 装着型パラレルリンク式計測機構 ......................................................................... 17 3.1.1 パラレルリンクモデルの各部名称 ................................................................. 17 3.2 インバースキネマティクス.................................................................................... 20 3.3 フォーワードキネマティクス ................................................................................ 20 3.4 本手法の特徴.......................................................................................................... 22 3.5 第 3 章のまとめ ...................................................................................................... 23 第 4 章 手関節運動の計測 .................................................................................................. 24 4.1 球関節モデルとの比較 ........................................................................................... 24 4.2 実験目的 ................................................................................................................. 27 4.3 実験装置 ................................................................................................................. 27 4.4 被験者 .................................................................................................................... 27 4.5 実験手順 ................................................................................................................. 27 4.6 実験結果 ................................................................................................................. 30 4.7 球関節モデルとの比較 ........................................................................................... 34 4.8 考察 ........................................................................................................................ 34 4.9 第 4 章のまとめ ...................................................................................................... 36 -i- 目次 第 5 章 肘関節運動の計測 .................................................................................................. 37 5.1 肘関節の位置姿勢の計測手法 ................................................................................ 37 5.2 実験目的 ................................................................................................................. 39 5.3 実験概要 ................................................................................................................. 39 5.4 被験者 .................................................................................................................... 41 5.5 実験手順 ................................................................................................................. 41 5.6 実験結果 ................................................................................................................. 43 5.7 考 5.8 第 5 章のまとめ ...................................................................................................... 49 察 .................................................................................................................... 47 第 6 章 肩甲骨運動の計測 .................................................................................................. 50 6.1 肩甲骨運動と計測手法 ........................................................................................... 50 6.2 4 自由度モデル....................................................................................................... 53 6.3 実験目的 ................................................................................................................. 56 6.4 実験装置 ................................................................................................................. 56 6.5 従来の計測手法で得られた肩甲骨の位置姿勢の変化 ........................................... 58 6.6 被験者 .................................................................................................................... 61 6.7 実験手順 ................................................................................................................. 61 6.8 実験結果 ................................................................................................................. 63 6.9 考察 ........................................................................................................................ 65 6.10 第 6 章まとめ ......................................................................................................... 71 第 7 章 教示訓練装置の提案 .............................................................................................. 72 7.1 装着型教示訓練装置の開発.................................................................................... 72 7.2 教示訓練装置の概要............................................................................................... 73 7.3 今後の課題 ............................................................................................................. 77 7.4 第 7 章のまとめ ...................................................................................................... 78 第 8 章 結論 ........................................................................................................................ 79 8.1 本研究の結論.......................................................................................................... 79 8.2 展望 ........................................................................................................................ 81 参考文献 ............................................................................................................................... 82 謝辞 ....................................................................................................................................... 90 付録 A ................................................................................................................................... 91 装着型パラレルリンク式計測機構の再現性の検証 .......................................................... 91 付録 B ................................................................................................................................... 93 本研究で利用した機器の仕様 ........................................................................................... 93 - ii - 1.1 本研究の背景 第1章 序論 1 第1章 1.1 本研究の背景 近年，労働人口の低下により，作業者ひとりひとりの作業効率の向上が求められ，訓 練者には熟練者の高度な技術を短期間で習得し，実行可能な状態になることが求められ る．高度な技術の習得にはそれ相応の訓練期間が必要となり，訓練期間の増加はコスト 増加に繋がるため，教育の効率化が求められている．また，労働人口の低下は伝統芸能 やスポーツにおける教示訓練者（トレーナ）の減少に繋がるため，技術習得者の減少に よる技術的な損失が懸念されている．その為，このような問題に対して，ロボットを用 いた教示訓練手法の開発が進められている[1]～[5]． 本研究では教示訓練を「目標動作を習得済みの熟練者が訓練者の動作を監視し，訓練 者の学習に適した訓練法を指示しながら行う訓練」と考える．ロボットを利用した教示 訓練手法では，本来は熟練者が行う「監視」と「指示」にロボットを用いる．教示訓練 の手法として，装着型ロボットを用いる手法[1][2]の他に画像を用いて視覚的に教示す る方法[3][5]，手先や足先をロボットによって直接的に教示する方法が検討されている [4]．また，上記の手法の他に鴻巣らのスキルアシスト[6]や太田らの手法[7]のように人 体が操作する物体にセンサを取り付けて，物体の動きを解析し，その動きを人体に教示 する手法の検討も行われている．これらの手法においても訓練者に目的とする運動を教 示することが可能である．しかし，これらの手法は手先，足先などのエンドエフェクタ の最終的な姿勢のみを教示するため，体幹からエンドエフェクタの間に存在する関節の 姿勢や動きを学習することができない．装着型ロボットを用いた訓練手法では体幹とエ ンドエフェクタの間にある骨格にそれぞれ装置が装着されるため，それぞれの関節に詳 細な運動を教示することが可能である． 人体の運動は熟練者の経験則により行われるため，スポーツのような複雑な運動にお ける関節の動きをそれぞれ理論的に説明することは難しく，「手取り足取り」といった 各関節の動きをそれぞれ指定する訓練手法が行われる．このような訓練を実現する方法 として，熟練者をマスタ，訓練者をスレイブと見立て，熟練者の動きを計測し，ロボッ トを用いて訓練者に教示する「マスタスレイブ方式」の訓練方法が行われている[1][8]． 人体の運動は各関節とそれに繋がる筋肉の運動をそれぞれ十分に理解して習得する必 -1- 1.1 本研究の背景 要があり，従来の手先の運動を教示する手法では教示訓練のように長期間の運用により 怪我や障害を引き起こす可能性がある．特に複雑な作業やスポーツのように人体の各関 節を効率的に動かす必要がある動作においてはこれらの手法では不十分である．マスタ スレイブ方式を利用して教示訓練を行うためには，熟練者の運動を詳細に計測し，運動 を教示する必要がある，その為には人体の運動をすべて計測可能である計測装置と人体 の運動を正しく教示することが出来る訓練装置が必要である． 工学分野において人体の腕部のモデルは肩関節の回転の 3 自由度，肘関節の回転の 1 自由度，手関節の回転の 3 自由度の合計 7 自由度であると考えることが一般的であり， 既存の教示訓練装置は人体の動作補助を目的とした装着型ロボットにおいても 7 自由 度の考え方が採用されている[8][9]．装着型ロボットは人体の動きに合わせてロボット が力を出すことで，歩行の補助[10][11]や単一関節のリハビリ[11]-[13]などの単一動作 を補助しており，補助に必要な関節のみ対応しており，複雑な作業やスポーツのような 運動の教示や計測に対応できない．解剖学的な解析から，人体の関節は純粋な回転関節 ではなく，関節角度の変化に伴い，回転中心の位置が変化するこが分かっている．また， 腕部の運動を説明するためには上記に 3 つの関節に加えて，肩甲骨の動きを計測する必 要があることも分かっている． 人体骨格の位置と姿勢を計測する手法としてデジタルヒューマン[15]や筋骨格モデ ル[16]-[20]のように，MR 画像や X 線写真などの透過画像から骨格の寸法や形状を得る 方法がある．しかし，透過画像の撮影は特定の限られた空間でしか行えず，スポーツの ように計測対象の位置が大きく動く場合に計測を行うことが出来ない．また，運動時の 動態などの連続的なデータを計測することが出来ない．モーションキャプチャのように 画像処理を利用しての計測方法も考えられるが，動画の撮影も透過画像の撮影と同じく， 撮影範囲や死角の問題から適した手法とはいえない．既存の手法では，人体が大きく動 く運動における関節の動態を，連続的且つ定量的に計測する用途に適さないなどの問題 が存在する．本研究では，人体骨格の位置と姿勢の変化を同時に計測する手法としてパ ラレルリンクを利用した装着型の計測機構を提案する． -2- 1.2 1.2 本研究の目的 本研究の目的 既存の訓練用装着型ロボットにおいては，関節の動きの計測にはエンコーダが利用さ れる[5][8]-[11]．ロボットのフレームを装着用装具により人体に固定し，フレームの微 調整を行うことで関節の回転軸とエンコーダの回転軸を合わせて回転の動きを計測す る．この手法は人体の関節が回転関節であると考えると最も直接的で有効な手法である と考えられるが，前節でも述べたとおり，人体の関節は単純な回転関節ではなく，関節 の回転に伴い，関節の回転中心が並進移動するため，既存の手法ではこのズレに対応す ることが出来ず，本来の運動を正しく計測することが出来ないなどの問題が存在する． そのため，訓練用装着型ロボットの計測機構には回転運動と並進運動を同時に計測する ことができる機構が望ましい． 本研究では訓練装着型ロボット開発の基礎研究として，装着型の計測機構の提案を行 う．本研究ではパラレルリンク機構を利用することで回転運動と並進運動を同時に計測 する手法の実現を目指す．本手法において計測装置のパラレルリンクは 6 つのリニアエ ンコーダとプラットホーム，エンドエフェクタにより構成され，リニアエンコーダの長 さ変化を計測することで，プラットホームとエンドエフェクタ間の回転運動と並進運動 を計測することが可能である．本研究ではこれらの手法を用いて腕部関節である手関節， 肘関節の計測を行い，本手法の有効性を検討する．また，肩甲骨関節の計測手法を提案 し，有効性を検討する．最後に，提案した計測手法を応用した手関節運動教示訓練装置 の開発を行い，本計測手法の教示訓練への利用について検討を行う． 本研究の目的を以下にまとめる． I. パラレルリンクを利用した回転運動と並進運動の同時計測手法の提案，およ び手関節，肘関節，肩甲骨関節の運動計測による本手法の有効性の検討 II. 提案する計測手法を利用した教示訓練装置の開発，および本手法の教示訓練 における有効性の検討 -3- 1.3 本論文の構成 1.3 本論文の構成 本論文の構成を以下に述べる． 第1章 本研究の背景及び目的について述べた． 第2章 本論文において対象となる人体構造の解剖学的知見について述べる．また，現在の 人体運動の計測手法についても述べる． 第3章 提案する計測手法について説明する．提案手法にて利用するパラレルリンク式計測 手法に用いるモデルについて説明し，モデルの位置姿勢の変化を求める数値解析法につ いて説明する． 第4章 提案する手法を利用した手関節運動計測実験について述べる．本手法における計測 結果を既存の装着型ロボットで採用されているモデルの動き，並びに手関節の解剖学的 知見と比較することにより，本手法の有効性を示す． 第5章 提案する手法を利用した肘関節運動計測実験について述べる．計測結果と解剖学的 知見との比較から本手法の有効性を示す． 第6章 提案する計測手法の応用として肩甲骨関節の計測に適した 4 自由度構造を提案し，4 自由度構造に対応した計測装置を用いた肩甲骨関節動作計測実験について述べる．計測 結果を静的な計測結果と比較し，有効性を示す． 第7章 本研究により提案した装着型パラレルリンク式計測機構を応用した装着型訓練装置 についての提案を行う． 第8章 本研究の結論について述べ，本論文のまとめを示す． -4- 2.1 腕部関節に対する解剖学的知見 第2章 腕部関節の解剖学的知見と既存の関節 動作計測手法 2 第2章 本章では，まず初めに，透過画像を用いた既存の研究から得られる腕部関節の解剖学 的知見を示す．さらに，既存の関節動作の計測手法について述べ，教示訓練を実現する 上で新たに必要とされる技術について示し，本研究により提案する手法の方針について 説明する． 2.1 腕部関節に対する解剖学的知見 腕部は図 2.1 に示すように片側で 8 種 32 個の骨により構成され，手関節から先の 指関節を除くと胸鎖関節，肩鎖関節，肩甲上腕関節，肘関節，手関節の 5 個の関節があ る[21]．胸骨，鎖骨，肩甲骨の繋がりを上肢体と呼び，本研究ではこれらの関節である 胸鎖関節，肩鎖関節をまとめて肩甲骨関節と表現している． 2.1.1 手関節に対する解剖学的知見 手関節は図 2.2 に示すように橈骨，尺骨，手根骨，中手骨により構成される．同じく 図 2.2 に手根骨の各部名称を示す．中手骨は靭帯により固められており，掌を構成して いる，前腕に存在する筋肉の出す力により掌が手根骨と供に橈骨と尺骨の作る曲面上を 動くことで掌屈・背屈，橈屈・尺屈動作運動が行われる[21]．これに尺骨曲面上を橈骨 がすべることで起こる掌の回内・回外運動を合わせて，本研究では手関節の回転の 3 自 由度と考える．一般的なロボットにおいても，手関節は同様の回転の 3 自由度として扱 われる．しかし，手関節を構成する手根骨は 8 個の異なる骨からなり，手関節の掌屈・ 背屈，橈屈・尺屈動作の際に手根骨内の位置関係が変化することが分かっている [21]-[23]．図 2.3 に掌屈・背屈，図 2.4 に橈屈・尺屈動作時の手根骨の位置変化につい て示す． -5- 2.1 腕部関節に対する解剖学的知見 図 2.1 腕部骨格． 図 2.2 手関節骨格． -6- 2.1 腕部関節に対する解剖学的知見 外転（橈屈）時 手根骨の近位列（図 2.3 右図 矢印 1）は近位内側に動くので，月状骨は尺骨頭の遠 位に部分的に位置し三角骨も月状骨から遠位へと引き離されるが，手根骨全体として有 頭骨骨頭を中心として回旋する．しかし，三角骨のこのズレは直ちに橈骨主根関節の内 側側副靭帯により，固定される．その後は外転が進むごとに大菱形骨と小菱形骨（矢印 2）は橈骨に近づくように近位に動き，舟状骨は横向きに姿勢を変えて沈み込む．さら に，月状骨がやや傾斜し，有頭骨が遠位へと移動する（矢印 3）．これらの運動の結果 として外転時に手根骨は前腕長軸に向かって伸び，内外方向に縮む． 内転（尺屈）時 手根骨は，全体として回転を開始し，今度は近位手根列が遠位外側に動く．一方月状 骨は橈骨の下を滑り，大菱形骨と小菱形骨（図 2.3 左図 矢印 1）が遠位に動いて，舟 状骨の入る必要な空間を確保する．舟状骨が船状大菱形靭帯によって遠位方向に引っ張 られるので，橈骨手根関節での伸展を生じながら，舟状骨は前方だけ立ち上がって，橈 骨の下の間隔を埋める．さらに，手根中央関節での屈曲が生じ，大菱形骨が舟状骨の下 を前方に滑る．舟状骨の遠位への降下（矢印 2）が橈骨手根関節の外側副側靭帯により 固定されるので，内転の進行により，有頭骨の頭は舟状骨の凹面下を滑り，月状骨は有 鈎骨に衝突するように有頭骨の頭の下を滑る．また，三角骨は，有鈎骨の傾斜面に沿っ て遠位方向に移動する．同時に三角骨が関節円板を介して尺頭骨（矢印 3）にぶつかる ように前方に上昇する（矢印 4）．これらの運動により内転時に手根骨は内外方向に伸 び，前腕長軸方向に縮む． 掌屈・背屈時 手関節の掌屈・背屈による運動は月状骨と有頭骨より形成される内側柱石，舟状骨と 大菱形骨，小菱形骨より作られる外側柱石の二つのかたまりから説明できる．内側柱石 は図 2.4 に示すように手甲から掌方向に掛けて非対称の凹型の形状をしており，有頭骨 と橈骨の遠位関節面との間の有効距離は手根の屈曲・伸展の程度により変化する． 伸展位では有頭骨頭部の近位の移動が橈骨の遠位関節面の後縁の遠位での移動によ り打ち消される．屈曲位での有頭骨の頭部の遠位の移動は，橈骨の遠位関節面の前縁の 近位の移動により打ち消され，有頭骨の頭部中心は中間位での位置に比べてズレが生じ る． -7- 2.1 腕部関節に対する解剖学的知見 図 2.3 橈屈・尺屈時の手根骨の動き． 図 2.4 屈曲・伸展時の手根骨の動き． -8- 2.1 腕部関節に対する解剖学的知見 2.1.2 肘関節に対する解剖学的知見 図 2.5 に肘関節の構造を示す．肘関節は上腕骨と橈骨，上腕骨と尺骨の間にそれぞれ 関節が存在し，二つの関節をまとめた関節となっている．尺骨と上腕骨の関節はボール ジョイント状になっており，回転の 3 自由度を持つ構造になっている．橈骨と上腕骨の 関節は上腕骨の上腕骨骨滑車と橈骨の肘頭からなる．上腕骨骨滑車は中心溝を持った滑 車の形をしており，骨滑車の溝に橈骨肘頭の内側の隆起が嵌まっている．骨滑車は上腕 骨の長軸に対して傾斜しており，この角度に伴い，前腕は上腕に対して傾斜し，この傾 斜を肘の外反角と呼ぶ．また，滑車の溝と肘頭の隆起はガイドとスライダに似た運動を するが，ガイドとスライダの形状は一致しておらず，隙間がある．その為，肘関節の屈 曲・伸展に合わせて，上腕骨に対して前腕が内外の方向に動く[21]．この内外方向の動 きを肘の斜走性と呼ぶ．肘の斜走性は個人差が大きいことが知られている[24]-[29]． 図 2.5 肘関節の骨格． -9- 2.1 腕部関節に対する解剖学的知見 2.1.3 肩甲骨関節に対する解剖学的知見 図 2.6 は右斜め上から見た人体の肩関節を簡単に表したものである．肩関節は上腕骨， 肩甲骨，鎖骨，胸骨，一部の肋骨からなり，肩甲骨と上腕骨の関節である肩甲上腕関節， 肩甲骨と鎖骨の関節である肩鎖関節，肩甲骨と鎖骨のもう一つの関節である第二肩関節 (肩峰下関節)，胸骨と鎖骨の関節である胸鎖関節，肩甲骨と肋骨の関節である肩甲胸郭 関節により構成される[21][30]．肩甲骨は，肋骨に対して上下の運動として挙上・下制 動作，前後の運動として前進・後退動作，肩甲骨の回転運動として上方回旋・下方回旋 動作と表現される．肩関節を動かす筋肉の中で鎖骨を能動的に動かす筋肉は存在しない． その為，胸鎖関節，第二関節，肩甲胸郭関節は受動関節であり，意識的に動かすことの できる関節は肩甲上腕関節と肩鎖関節のみである．肩甲骨は鎖骨を介して胸骨と繋がっ ている．その為，肩甲骨の各動作は胸骨を支点とした鎖骨の肩甲骨側端部の描く曲面に 沿って移動する．また，肩甲骨の肋骨側端部は皮膚により肋骨表面に拘束され，常に肋 骨の曲面構造に沿って移動する． 図 2.6 肩甲骨関節の骨格． - 10 - 2.2 2.2 関節運動計測手法の現状 関節運動計測手法の現状 現在，人体の関節の運動を計測する手法として X 線 CT や MRI のように透過画像を 用いた計測手法[25][30]-[41]，皮膚上に磁気マーカを取り付けてモーションキャプチャ や磁気追跡装置などの三次元計測手法を用いて計測する手法[17][26][42]-[49]，人体内 部にマーカを取り付けて計測する侵襲式の手法[29][50]，関節構造に対応したフレーム にロータリーエンコーダやゴニオメータなどの計測機器を取り付け直接計測する手法 [1][8][51]-[59]が存在する． 2.2.1 透過画像を用いた計測 人体関節の運動計測に透過画像を利用する研究として Park らの手法[25]，戸松らの 手法[30]などが検討されている．透過画像の撮影方法として X 線を用いた CT（コンピ ューター断層撮影法（Computed Tomography） ）や MRI（核磁気共鳴画像法（Magnetic Resonance Imaging） ）などが一般的に利用される[60]．CT を用いた透過画像の撮影は 撮影時間が短い反面，被験者に被曝などの負担が掛かるため，複数回の運用を行うこと は難しい．MRI は磁気を利用した撮影法であるため被曝は発生しないが，一枚のスラ イス画像を撮影するために数秒の撮影時間が必要となる．透過画像を用いた計測は透過 画像の撮影に専門の資格と知識が必要であることから運用には熟練が必要である．また， 透過画像の撮影は放射線や強磁場のように取り扱いの難しい現象を利用することから， 限られた空間でしか撮影できない点が問題となる． 透過画像は骨格などの内部構造や人体内部での運動を知ることが出来ることから，関 節運動を計測する手法として解剖学の分野において良く利用される．しかし，透過画像 の撮影は CT においては連続的な撮影は被曝の問題から難しく，MRI においては画像 の撮影に時間がかかることから，連続的な動作の計測に利用することが難しい． - 11 - 2.2 関節運動計測手法の現状 2.2.2 三次元計測手法を用いた計測 人体関節の運動計測に三次元計測手法を利用する研究としてモーションキャプチャ を利用する青木らの手法[17]，磁気追跡装置を用いる Stokdijk らの手法[26]などが検討 されている．モージョンキャプチャとは複数の CCD カメラ等を用いて，マーカの動き を撮影し，複数のカメラの画像からマーカの三次元的な位置の変化を計測する手法であ る．磁気追跡装置においても同様に，磁気マーカの動きを磁気追跡装置により計測し， 磁気マーカの三次元的な位置変化を計測する．どちらの手法も図 2.7 に示すように人体 上に複数のマーカを取り付け，マーカの三次元的な位置変化から関節の運動を計測する． これらの手法は関節の連続的な運動を計測することが可能であり，且つリアルタイム 計測の実現が容易である．その反面，撮影時の画像処理においては周辺の輝度や死角の 問題，磁気計測においては磁場の問題など，周辺環境が計測結果に大きく影響するため， 周辺環境の整えるための知識が必要となる．また，三次元計測手法は計測装置が据え置 き型であることが一般的であり，画像処理などの一定以上の距離が必要な計測手法は装 着型への応用は難しい． 図 2.7 三次元計測手法イメージ． - 12 - 2.2 関節運動計測手法の現状 2.2.3 侵襲式の計測手法を用いた計測 人体関節の運動計測に侵襲式の計測手法を利用する研究として Kumer らの手法[29]， McClure の手法[50]などが検討されている．Kumer らは人体の解剖を行い，骨格形状 を計測することで関節の動きを推測する手法を示した．McClure らは人体内部の骨格 に細いピンを刺し，磁気マーカを骨格に直接取り付け，磁気追跡装置により運動を計測 する手法について検討を行っている．計測の際の皮膚と骨格の間に存在する脂肪や筋肉 の動きによるズレが小さくなるため，人体運動を計測する手法としては最も精度が高く 有効と考えられる手法である．しかし，体内への磁気マーカを固定するピンの埋め込み は専門的な医療技術と資格が必要である．また，固定ピンの維持や取り付け位置の検討 にも同様に高い技術が必要である．さらに，不足の事態への対応や被験者の安全確保の ための用意も必要となり，その他の非侵襲な計測手法に比べ，最も運用が難しいと考え られる． - 13 - 2.2 関節運動計測手法の現状 2.2.4 角度計を用いた計測 人体関節の運動計測にロータリーエンコーダやゴニオメータのように角度計を利用 する研究として長谷川らの手法[1]，佐々木らの手法[8]などが検討されている．角度計 を用いた計測では関節の回転軸に合わせて角度計を取り付け，関節の回転運動を計測す る．このような手法では人体の動きを角度計に伝えるため，人体の運動に追従するフレ ームの作成が必要である．また，角度計の回転軸と利用者の関節の回転軸を一致させる ことが必要であるが，関節の回転軸は各個々人により個人差があり，それぞれ対応させ る必要がある．フレームと人体の運動の対応が不十分である場合に精度が低下する．し かし，人体の個人差にすべて対応することは容易ではない．また，フレームを人体に合 わせて調整する作業は利用者の熟練に依存するため，正確に一致できると想定すること は難しく，一般的には精度が低いと考えられる．その反面，周辺環境の整備が必要なく， また，計測システムが単純な構造で実現可能であることから，運用は容易であるとも考 えられる． 図 2.8 ロータリーエンコーダを用いた計測イメージ． - 14 - 2.2 関節運動計測手法の現状 2.2.5 本手法における計測手法 表 2.1 に現在行われている人体関節動作の計測手法の特徴をまとめた表を示す．本研 究は教示訓練装置への応用を前提としているため，訓練装置の運用は一般的なトレーナ や技能習得者を想定しており，運用に専門知識が求められる浸襲式の計測手法は適当で はない．透過画像を用いる手法は被験者への被曝があること，計測範囲が限定され，広 い空間で動き回る運動への対応が難しいことから適当ではない．画像処理を用いる手法， 磁気追跡装置を用いる手法などの三次元計測手法は周辺環境への配慮が必要であるこ とからトレーナ単体での運用は難しい．エンコーダを用いた計測手法は三次元計測の実 現が難しい反面，被験者への侵襲がなく，広域での計測に対応でき，周辺環境への依存 もないため，トレーナのように知識のないものでも運用が容易であると考えられる．そ こで，本研究では工学的な知識のない一般的なトレーナでも運用が容易なエンコーダを 用いて，三次元データの取得が可能な計測手法の提案を行う． 表 2.1 人体関節運動計測手法の特徴． 侵襲が ない 人体内部 三次元 広域での 周辺環境 の動作計 計測が 動作計測 に依存し 測が可能 可能 が可能 ない 手法例 透過画像 × ○ ○ × × X 線 CT，MRI など 三次元計測 ○ × ○ ○ × モーションキャプチ 侵襲式 × ○ ○ × × 生体内へのマーカの 角度計 ○ × × ○ ○ ロータリーエンコー - 15 - ャ，磁気追跡装置など 埋没など ダ，ゴニオメータなど 2.3 第 2 章のまとめ 2.3 第 2 章のまとめ 本章では関節運動の計測に姿勢と位置の 6 自由度計測が必要であることを説明する ため，人体腕部の関節構造について述べた．また，従来の関節運動計測手法について述 べ，教示訓練に利用する上での必要となる性質について述べた．人体の関節は位置と姿 勢の 6 自由度を持っているため，関節運動の計測には一関節に対して，6 自由度の計測 が必要である．従来の関節運動の計測手法の中で 6 自由度計測が可能な計測手法は存在 するが，それらの手法は周辺環境の影響を受けやすいこと，計測範囲が限られることか ら一般的なトレーナのみでの使用が難しい．本研究では工学的な知識のない一般的なト レーナでも運用が容易なエンコーダを用いて，三次元データの取得が可能な計測手法の 提案を目指すことを述べた． - 16 - 0 第3章 パラレルリンク式計測手法の提案 3 第3章 本章では本論文で提案する装着型パラレルリンク式計測手法について説明する．まず 初めに，本手法における位置姿勢の計測手法について説明し，本手法の特徴について説 明する． 3.1 装着型パラレルリンク式計測機構 パラレルリンクを用いた手関節の動作計測手法について説明する．図 3.1 は本研究で 用いるパラレルリンクのモデル図である．モデルはエンドエフェクタ，プラットホーム， スライダ，3 自由度の対偶を持つボールジョイントで構成される．プラットホームとエ ンドエフェクタを装具により人体の骨格に固定し，スライダ部の長さ変化をリニアエン コーダにより計測することで，プラットホームとエンドエフェクタを取り付けた二つの 骨格間の位置の 3 自由度，姿勢の 3 自由度の関係を計測する． 3.1.1 パラレルリンクモデルの各部名称 パラレルリンクの各点を図 3.1 のようにおき，各定数と変数を図 3.2 のようにとる． スライドの長さを図 3.2 に示すように L1 ， L2 ， L3 ， L4 ， L5 ， L6 と表す．プラット ホーム A1 A2 A3 A4 A5 A6 に固定した座標系を 0 ，エンドエフェクタ C1C2C3C4C5C6 に固定した 座標系を p とする． エンドエフェクタの基準点 O p の，座標系 0 における座標を， 0 Op O 0 0 px O py 0 O pz T (1) とし，座標系 p の x 軸周りの回転角 roll ， y 軸周りの回転角 pitch ， z 軸周りの回転角 yaw を用いて，掌装具の位置・姿勢を， - 17 - 3.1 装着型パラレルリンク式計測機構 Q 0 O px 0 O py 0 O pz roll pitch yaw T (2) と表す．掌装具と前腕装具の基準点 O 0 ， O p は図 3.1 におけるエンドエフェクタ，プ ラットホームの中心とする．エンドエフェクタ上の６点 C1 ～ C 6 の， p における座標を， p Ci C xi p p p C yi T C zi (i 1～6) (3) とし， 0 における座標を， 0 Ci C xi 0 0 0 C yi C zi T (4) とする．またプラットホーム上の 6 点 A1 ～ A6 の 0 における座標を， 0 Ai A 0 xi 0 Ayi 0 Azi T (5) とする．ここで p Ci と 0 Ai は設計時に定まる定数である．スライダの長さ L1 ，L2 ，L3 ， L4 ， L5 ， L6 はエンドエフェクタの位置・姿勢 Q により変化する． - 18 - 3.1 装着型パラレルリンク式計測機構 図 3.1 パラレルリンクモデル． 図 3.2 パラレルリンクモデルの定数と変数． - 19 - 3.2 インバースキネマティクス 3.2 インバースキネマティクス エンドエフェクタの位置・姿勢 Q で定まる回転変換行列 0T p および移動変換行列 0 S p に より， pCi から 0Ci を求められるので，各リンクを表すベクトル Li は 0Ci と 0 Ai より求めら れる． Li 0Ci 0Ai Lxi 3.3 Lyi Lzi (6) T フォーワードキネマティクス 次にフォーワードキネマティクスを示す．パラレルリンクにおいてフォーワードキネ マティクスとは各アクチュエータの長さからエンドエフェクタの位置・姿勢を求めるこ とであり，本研究ではニュートンラプソン法を利用する．エンドエフェクタが動いた後 の各リンクのベクトルを Ldi とすれば各々の変化量 ei は， (7) ei Ldi Li と表される．ベクトル Li Lxi Lyi Lzi (8) T の各成分の時間変化を L xi ， L yi ， L zi と表す．同様に座標 p Ci の時間変化を p Ci pC xi p C yi p C zi (9) とし，座標 0Ci の時間変化を 0 Ci 0C xi 0 C yi 0 C zi (10) とすると，これらは同様の変化を表しているので， L xi pC xi 0C xi ， L yi pC yi 0C yi ， L zi pC zi 0C zi (11) となり，これらの位置（ x ， y ， z ）に対する偏微分を求めると， Li L L i xi x Lxi Li Lyi Li L i y Lyi Li Li Li L zi z Lzi Li (12) と表される．次に回転変換行列 0T p の回転角（ roll ， pitch ， yaw ）に対する偏微分は - 20 - 3.3 0Tp yaw 0T p pitch 0T p roll フォーワードキネマティクス sin yaw cos yaw 0 cos yaw 0 cos pitch 0 sin pitch 1 0 sin yaw 0 0 1 0 0 cos roll 0 1 sin pitch 0 cos pitch 0 sin roll cos yaw sin yaw 0 sin yaw 0 sin pitch 0 cos pitch 1 0 cos yaw 0 0 1 0 0 cos roll 0 1 cos pitch 0 sin pitch 0 sin roll cos yaw sin yaw 0 sin yaw 0 cos pitch 0 sin pitch 1 0 cos yaw 0 0 1 0 0 sin roll 0 1 sin pitch 0 cos pitch 0 cos roll sin roll cos roll 0 0 sin roll cos roll (13) 0 cos roll sin roll となるので，これを用いて Li の回転角に対する偏微分は， 0 0 Lyi 0Tp p Li L Tp p L Tp p xi Cxi C yi zi Czi yaw Li yaw Li yaw Li yaw Li pitch 0 0 Lyi 0Tp p Lxi Tp p L Tp p C xi C yi zi C Li pitch Li pitch Li pitch (14) 0 0 Lyi 0Tp p Li L Tp p L Tp p xi Cxi C yi zi Czi roll Li roll Li roll Li roll と表され，これらの関係から L に対するヤコビアンは， i L1 x L2 x L3 x J L4 x L 5 x L6 x L1 y L2 y L3 y L4 y L5 y L6 y L1 z L2 z L3 z L4 z L5 z L6 z L1 yaw L2 yaw L3 yaw L4 yaw L5 yaw L6 yaw L1 pitch L2 pitch L3 pitch L4 pitch L5 pitch L6 pitch L1 roll L2 roll L3 roll L4 roll L5 roll L6 roll (15) と表される．エンドエフェクタの位置・姿勢の時間変化を， Q d と表すと， Li の時間 変化と逆ヤコビアンを用いて， Q d J 1 Li (16) と表され，上記の式の両辺を積分することでエンドエフェクタの位置・姿勢の変化を - 21 - 3.4 本手法の特徴 求めることができる． 求められた値は計算誤差を含んでいるため図 3.3 に示す手順で繰り返し計算を行い， 精度の向上を行う．ｓは微分演算子，K は比例定数， F Qd はインバースキネマティ クスの計算を示している． 図 3.3 繰り返し計算． 3.4 本手法の特徴 本研究では人体関節の運動を計測する手法として，リニアエンコーダを用いたパラレ ルリンク式の計測手法を提案する．本手法は 3.1 で説明したように，装具とリニアエン コーダのみで構成され，装具同士の位置・姿勢の関係から関節の運動を計測する直接計 測法である．本手法の特徴として，エンコーダを利用していることから「周辺環境に依 存しない」「非侵襲」であり，パラレルリンク構造を利用していることから「訓練装置 への応用が容易」である点が挙げられる． 第 2 章で論じたように，透過画像を用いる手法や画像処理を用いる計測手法では，計 測装置を利用する際に周辺環境の整備が必要となり，屋外で手軽に計測を行うことは難 しく，運用には専門の知識を身につける必要がある．本手法においては，手順は計測を 行いたい関節に合わせて装具を取り付けるのみであるため，運用が容易である．また， 本手法は装具を用いてエンコーダを固定するため，非侵襲な計測手法である．本計測手 法はリンクのスライダ部にリニアアクチュエータを取り付けることで，パラレルアクチ ュエータとしての運用が可能であり，教示訓練手法への応用が容易な点も特徴である． - 22 - 3.5 3.5 第 3 章のまとめ 第 3 章のまとめ 本章では本研究にて提案する関節運動計測手法について示した．前章にて示した 3 つ の性質を実現するため，本研究ではリニアエンコーダを利用した装着型パラレルリンク 式計測機構を提案した．リニアエンコーダによってパラレルリンクを形成することで， 一関節に対する 6 自由度計測が可能である．本研究にて利用するパラレルリンクのモデ ル図について示し，位置と姿勢の変化を求める手法について示した． - 23 - 4.1 球関節モデルとの比較 第4章 手関節運動の計測 4 第4章 本研究で提案する装着型パラレルリンク式計測機構を用いて，人体の手関節の運動計 測を行う．さらに，計測結果を従来の手関節モデルの運動と比較し，両者のズレを求め る． 4.1 球関節モデルとの比較 図 4.1 に示すように，手関節の運動の計測を試みた既存の多くの研究では手関節を回 転の 3 自由度を持つ球対偶と見なし，回転角をロータリーエンコーダ等により計測しよ うとしていた．本研究では図 4.2 に示すように手関節の回転中心がある程度の範囲内で 自由に動き回ると仮定する．さらに，球関節モデルの回転中心は橈骨遠位端，且つ前腕 の中心軸上にあると仮定する．掌装具の装着位置 Op から回転中心までの距離を L u ，前 腕装具の装着位置 O0 から回転中心までの距離を L h とする． 手関節の関節運動の計測では第 3 章にて説明したプラットホームとエンドエフェク タを前腕（尺骨と橈骨）と掌（中手骨）に取り付る．各エンコーダの長さ変化から，前 腕に対する掌の位置姿勢の変化を求め，手関節の動作として扱う． 球関節モデル（図 4.1）における長さ L x , L z は，橈・尺屈角 と掌方向の角度 h により 決まる．長さ L x , L z は，図 4.2 における計測結果から求まる長さ 0 Opx ， 0 Opz と対応して おり，長さ L x ， L z と位置 0 Opx ， 0 Opz を比較することで，実際の手関節の運動と球関節モ デルの運動の違いを検討することが出来る．長さ L z は角度 h により変化するため，実 験時の角度 roll を用いて球関節モデルの長さ L z を補正する．長さ L u ，L h は被験者により 個人差があるため，実験時に計測する．橈骨の遠位端は触診により確認する． - 24 - 4.1 図 4.1 従来のモデル. 図 4.2 本研究のモデル. - 25 - 球関節モデルとの比較 4.1 球関節モデルとの比較 図 4.3 装着装置概観. 図 4.4 装着型計測値のブロック図． - 26 - 4.2 4.2 実験目的 実験目的 本章では，開発した計測装置を用いて手関節の橈・尺屈動作を計測し，橈・尺屈動作 における，前腕に対する掌の位置と姿勢の変化を求める．橈屈は掌の外転運動，尺屈は 掌の内転運動を示す． 4.3 実験装置 図 4.3 に装置の装着時の様子を示す．実験装置は図 4.4 に示す構成となっている． Web カメラは運動の開始・終了位置と開始・終了時刻を記録し，計測結果の検討に利 用 す る． 実験 装置 のリニ ア エン コー ダに はマイ ク ロテ ック ・ラ ボラト リ ー社 製 MLS-12-600-250，カウンタには DACS 社製 DACS-1500-CNT，Web カメラには Logitech 社製 QuickCam® Pro 3000 を用いた．サンプリングタイムは数値解析の所要 時間を考慮し，100 msec とした． 4.4 被験者 本研究では手関節に故障経験のない，22～27 歳男性 12 名（平均±標準偏差（中央値） ： 年齢 23.1±1.4（23）歳，身長 169±8（172）cm）の右腕に対して実験を行った．実験 はヘルシンキ宣言に則って，事前に研究の目的と内容について十分に説明し，被験者の インフォームド・コンセントを得た上で実験を行った．実験は宇都宮大学のヒトを対象 とした研究に関する倫理審査委員会からの許可を受け，同意書の記入を含め，委員会の 指示を遵守して行った． 4.5 実験手順 計測装置を被験者に装着し，手関節の橈・尺屈動作の際のリニアエンコーダの長さの 変化を計測する．手関節の橈・尺屈動作とは図 4.1 に示すように掌を前腕に対して拇指 方向に曲げる動きと小指方向に曲げる動きである．純粋な動作を行うため，実験に際し ては被験者に予め説明し，動作の際に他方向の動作を随意的には行わないよう指示する． 実験装置の手掌部のフレームは，装具の構造から，長指の根元から手関節方向に掌の長 軸に沿って 50 mm の位置に固定される．前腕部のフレームは，手掌部のフレームから 肘方向に前腕の長軸に沿って 160mm の位置に装着する．図 4.3 のように掌を天井方向 に向け，中指の長軸が前腕の長軸に自然と平行する姿勢をそれぞれの姿勢が 0deg であ る姿勢とし，橈・尺屈動作を続けて 3 回行い，動作を記録する．3 回の橈・尺屈動作を 1 セットとして 3 セットの橈・尺屈動作を記録する．1 セットの橈・尺屈動作ごとに装 - 27 - 4.5 実験手順 置の位置関係を計測し，装着位置を確認する．装具の重量による被験者への負担を減ら すため，各セットの間に特に休憩はとらずに手早く実験を行う．前腕は水平面に平行に 構えるよう指示する．また，被験者には時計を見せ，橈・尺屈運動を出来る限り定速で 繰り返すよう指示する．Web カメラの映像から実際の動作とリニアエンコーダの長さ の変化との対応を確認し，動作の際の値を抜き出す．前章にて説明した反復計算を図 4.5 のフローチャートで示す手順で実行し，掌の位置・姿勢を求める．装置の形状から 反復計算に用いる定数は表 4.1 に示す値である．解析により求められた位置・姿勢の変 化から被験者全体で平均を求め，橈・尺屈角に対する位置・姿勢の変化を求めた． - 28 - 4.5 図 4.5 実験のフローチャート． 表 4.1 計測装置各部寸法． Point 0 A1 0 A2 0 A3 0 A4 0 A5 0 A6 Coordinate mm 81.5 26.5 0 81.5 26.5 0 37.5 62.5 0 37.5 62.5 0 81.5 26.5 0 81.5 26.5 0 - 29 - Point p p C1 C2 p C3 p C4 p C5 p C6 Coordinate mm 62.0 10.0 62.0 10.0 12.5 51.0 12.5 51.0 62.0 10.0 62.0 0 0 0 0 0 10.0 0 実験手順 4.6 実験結果 4.6 実験結果 図 4.6～4.9 は本実験における被験者 2 名(以後，被験者 A・被験者 B と呼ぶ)の橈・ 尺屈動作の際の掌の位置・姿勢の変化を示したグラフである．図はそれぞれが手の屈 曲・伸展角に対する掌の位置（図 4.6，4.8）と姿勢（図 4.7，4.9）を表している．さら に，被験者全体での掌の位置・姿勢の変化を平均した結果を図 4.10，4.11 に示す．図 4.6～4.11 は横軸を橈・尺屈角，縦軸を位置・姿勢の値とし，図 4.10，4.11 における個 人差によるエラーバーは平均による標準偏差を示している． 図 4.10，4.11 より角度 pitch と位置 0 O px が掌の橈・尺屈角の増加に伴い，単調に変化し ていることが分かる．角度 roll ， yaw と位置 0 Opy は橈・尺屈角に関わらずほぼ一定である ことが見て取れる．また，位置 0 Opz が橈・尺屈角の増加に伴い，20deg まで増加し，以 降は減少することが見て取れる． 図 4.6 と図 4.8 の比較から，位置 0 Opx の傾きが，2 名の被験者で異なることが見て取 れる． 0 Opy ， 0 Opz ， roll ， pitch ， yaw では大きな差が見られないことから，この違いは両 者の骨格の違いが原因であると考えられる．長さ Lu は被験者 A では 40.2 mm，被験者 B では 44.9 mm となり，被験者 B のほうが長い．両者において橈・尺屈角はほぼ同様 であるため，被験者 B の位置 0 Opx の変化が大きくなったと考えられる． - 30 - 4.6 図 4.6 掌の位置(被験者 A)． 図 4.7 掌の姿勢(被験者 A)． - 31 - 実験結果 4.6 実験結果 図 4.8 掌の位置(被験者 B)． 図 4.9 掌の姿勢(被験者 B)． - 32 - 4.6 図 4.10 掌の位置(被験者全体)． 図 4.11 掌の姿勢(被験者全体)． - 33 - 実験結果 4.7 球関節モデルとの比較 4.7 球関節モデルとの比較 本手法と比較を行うため，実験時に計測した被験者の Lh ，Lu の平均値（それぞれ 41.4 m，118.6mm）を用いて，球関節モデルでの橈・尺屈動作における掌の位置（ L x ， Lz ） を算出した．長さ Lz は計測した角度 roll を用いて補正を行った．図 4.12 に球関節モデ ルにおける Lx ， Lz と本手法により計測した 0 Opx ， 0 Opz を比較したグラフを示す． 4.8 考察 表 4.2 に球関節モデルと本手法における計測結果の差分を示す． x 軸方向の差分の絶 対値は橈・尺屈角の増加に伴い増加し，0deg 付近でと最大なり，以降は増加する．球 関節モデルにおける長さ Lx の変化は 2 次関数できるのに対し，本手法の計測における 長さ 0 O px はそれと交差するように変化する（図 4.12） ．手根骨は複数の球関節を組み合 わせた性質を持つことが解剖学的解析から知られており[22][23]，このような曲線的な 増減のある動きとなったと考えられる． z 軸方向の差分の絶対値は 40～50deg 付近で最大となり，0～10deg 付近で最小とな る（表 4.2，図 4.12） ．人体の手根骨は橈・尺屈角の増加に伴い， z 軸方向の寸法（掌 をまっすぐ伸ばしたときの手根骨の尺骨長軸方向の長さ）が増加することが解剖学的解 析から知られており[22][23]，本手法の計測結果はこれらの知見と一致している．以上 のことから本手法を用いて，手根骨の動態を含めた掌の位置姿勢の動きを捉えることが 可能であると考えられる．これは球関節モデルでは説明できない結果である． 計測結果と球関節モデルを比較すると，位置 0 Opx と長さ L x の間に最大 4.6mm，位置 0 O pz と長さ L z の間に最大 6.2mm 程度の差が存在する．球関節モデルを採用して教示訓 練装置を構築した場合，これらの差を考慮しないことになるので，故障や怪我の原因に なる恐れがある．その為，訓練装置の設計の際にはこれらの違いを配慮する必要がある． - 34 - 4.8 図 4.12 従来モデルと計測結果の比較． 表 4.2 従来モデルと計測結果の比較． Difference between measurement Angle of wrist adduction deｇ result and result of previous model mm X-axis direction Z-axis direction ( Lx O px ) ( Lz 0 O pz ) 50 3.3 -5.7 40 1.2 -6.2 (Max) 30 -1.2 -5.2 20 -3.4 -4.1 10 -4.3 -2.3 0 -4.6 (Min) -0.7 -10 -4.0 0.6 -20 -2.3 2.2 -30 1.0 4.6 0 - 35 - 考察 4.9 第 4 章のまとめ 4.9 第 4 章のまとめ 本章では装着型パラレルリンク機構を利用して実際の手関節の運動計測を行った．計 測は手関節の橈・尺屈運動に対して行った．従来の教示訓練装置において，人体の手関 節のモデルは回転の 3 自由度を持つ球関節として扱われている．本研究により得られた 計測結果と従来の球関節モデルでの橈・尺屈動作との比較を行い，差があることを示し た．この差は本手法のような高自由度計測手法においてのみ計測が可能であり，このこ とから本手法が有効であると示した． - 36 - 5.1 肘関節の位置姿勢の計測手法 第5章 肘関節運動の計測 5 第5章 5.1 肘関節の位置姿勢の計測手法 図 5.1 にパラレルリンクにおける座標系と人体の肘関節の対応を示す．パラレルリン クの各姿勢は肘関節では図 5.1 に示す角度と対応する． 前腕の外反角 c は上腕上の座標系に対する前腕の位置 0 Op と図 5.2 に示す定数から三 角関数を用いて， c arctan O px O 2py O pz L u 2 として求められる． 定数 Lu は上腕部装具から内側上顆までの距離を表している．装具の固定位置は被験 者により異なるため Lu は実験の際に計測する． - 37 - 5.1 肘関節の位置姿勢の計測手法 図 5.1 骨格と座標系の対応． 図 5.2 外反角モデル． - 38 - 5.2 実験目的 5.2 実験目的 本章では開発した計測装置を用いて肘関節の屈曲伸展動作を計測し，動作時の前腕の 外反角の変化を求める． 5.3 実験概要 図 5.3 に装置の装着時の様子を示す．実験装置は図 5.4 に示す構成となっている．肘 関節の屈曲伸展動作とは図 5.4 のように前腕を上腕に対して前後方向に動かす動作のこ とである．純粋な屈曲伸展動作を行うため，実験に際しては被験者に予め説明し，動作 の際に前腕の回内・回外動作を随意的には行わないよう指示する．Web カメラを用い て前腕部の屈曲・伸展角の変化を記録し，屈曲・伸展角に対する前腕の位置姿勢の変化 を計測する．実験装置のリニアエンコーダにはマイクロテック・ラボラトリー社製 MLS-12-600-250，カウンタには DACS 社製 DACS-1500-CNT，Web カメラには Logitech 社製 QuickCam® Pro 3000 を用いる． - 39 - 5.3 実験概要 図 5.3 装着型計測装置の概観． 図 5.4 装着型計測装置のブロック図． - 40 - 5.4 被験者 5.4 被験者 本研究では肘関節に故障経験のない，22～27 歳男性 12 名（平均±標準偏差（中央値） ： 年齢 23.1±1.4（23）歳，身長 169±8（172）cm）の右腕に対して実験を行った．実験 はヘルシンキ宣言に則って，実験に際に事前に研究の目的と内容について十分に説明し， 被験者のインフォームド・コンセントを得た上で実験を行った．実験は宇都宮大学のヒ トを対象とした研究に関する倫理審査委員会からの許可を受け，同意書の記入を含め， 委員会の指示を遵守して行った． 5.5 実験手順 計測装置を被験者に装着し，被験者の肘の屈曲伸展動作の際のリニアエンコーダの長 さの変化を計測する．上腕部を固定し，90deg までの屈曲と伸展をそれぞれ続けて 3 回 行い，動作を Web カメラにより記録する．屈曲・伸展動作 3 回で 1 セットとして 3 セ ットの屈曲・伸展動作を行う．被験者には時計を見せ，屈曲，伸展動作を一定に行うよ う指示する．屈曲伸展動作ごとに装置の位置を確認し，装着位置を確認する．Web カ メラの映像から屈曲伸展動作の開始時間と終了時間を記録し，動作の際のリニアエンコ ーダの長さの変化を求める．前章にて説明した反復計算を図 5.5 のフローチャートで示 す手順で実行し，前腕の位置姿勢を求める．装置の形状から反復計算に用いる定数は表 5.1 に示す値となる．3 セットの動作の位置姿勢の平均を求め，被験者の屈曲・伸展角 に対する位置姿勢とした． - 41 - 5.5 実験手順 図 5.5 実験のフローチャート． 表 5.1 計測装置各部寸法． Point 0 A1 0 A2 0 A3 0 A4 0 A5 0 A6 Coordinates mm 72 12.5 0 72 12.5 0 12.5 50 0 12.5 50 0 72 12.5 0 72 12.5 0 - 42 - Point p p C1 C2 p C3 p C4 p C5 p C6 Coordinates mm 72 26.5 0 72 26.5 0 37.5 60 0 37.5 60 0 81.5 26.5 0 81.5 26.5 0 5.6 実験結果 5.6 実験結果 図 5.6，5.7 は本実験において，ある被験者の屈曲伸展動作の際の前腕の位置姿勢の 変化を示したグラフである．図はそれぞれが肘の屈曲・伸展角に対する前腕の位置（図 5.6）と姿勢（図 5.7）を表している．計測ごとのバラツキは標準偏差を用いて表してい る． 同様の計測をすべての被験者に対して行い，図 5.8，5.9 に被験者全体における前腕 の位置（図 5.8）と姿勢（図 5.9）の変化の平均を示す．被験者によるバラツキは平均 と標準偏差のバーを用いて表している． 全被験者における外反角の平均値を求めた．求められた外反角の変化を図 5.10 示す． 図 5.10 は横軸を肘の屈曲・伸展角，縦軸を外反角とする．屈曲・伸展角 0deg（最大伸 展状態）における外反角は 10.33±6.06deg（平均±標準偏差）となり，X 線投影画像 を用いた計測手法[25]-[28]から得られた肘外偏角とよく一致しており，本計測手法は有 効であると言える． - 43 - 5.6 実験結果 図 5.6 前腕の位置 (代表者 1 名)． 図 5.7 前腕の姿勢 (代表者 1 名)． - 44 - 5.6 図 5.8 上腕に対する前腕の位置 (被験者全体)． 図 5.9 上腕に対する前腕の姿勢 (被験者全体)． - 45 - 実験結果 5.6 実験結果 図 5.10 前腕の姿勢 (被験者全体)． - 46 - 5.7 5.7 考 考 察 察 実験結果から前腕の外反角は最大伸展状態では 10.33±6.06deg であるが屈曲・伸展 角の増加に伴い徐々に低下し，屈曲・伸展角が 90deg まで増加すると-10.67±6.50deg まで低下している．人体の肘関節は第 2 章で示したように上腕骨と尺骨により構成され， 上腕骨と尺骨の接続部は上腕骨骨滑車と尺骨滑車切痕からなる．上腕骨骨滑車は図 5.11 に示すように，上腕骨の長軸に対して傾斜していることが知られており，Kumar らは 骨滑車の傾斜を解剖学的に計測することで肘外偏角を求めている[29]．骨滑車が図 5.11 に示すように円柱状であると考えると，外反角の変化は骨滑車の傾斜からも求めること ができる．図 5.12 に，Kumar らが求めた肘外偏角と骨滑車の傾斜から導出した外反角 の変化と，本手法で計測した外反角の変化を示す．両者の比較から，傾向の一致が見ら れる．特に，0～40deg において両者はよく一致している．しかし，50～90deg におい て両者の値に差があることが確認される．この差の原因としては肘の屈曲時の筋肉の隆 起の影響が考えられる．筋肉の隆起により装具の装着位置が変化し，外反角がやや大き く計算されたと考えられる．この問題に対応するためには筋肉の隆起に対応した装着機 構の検討が必要であるが，筋肉の隆起は個人差が大きく，現状の装着機構ではこの問題 を根本的に解決することは難しく，今後の課題とする． また，図 5.12 から外反角の変化が一定でないことが分かる．45deg 付近でもっとも 変化が大きくなり，逆に最大値と最小値付近で変化が小さくなる．医学的な解析から骨 滑車には自然な湾曲が存在すること[28]が知られており，計測結果と一致する． 図 5.10 のグラフから外反角の変化の標準偏差が大きいことが見て取れる．しかし， 図 5.6， 5.7 から単一の被験者における実験では標準偏差が小さくなっていることから， 図 5.10 の標準偏差は個人差が原因であると考えられる．X 線投影画像を用いた計測手 法[25]-[28]から得られた肘外偏角においても，個人差が大きいことが確認されており， 外反角の変化においても個人差が大きく影響することが予想される． 図 5.9 から被験者全体において角度 yaw が屈曲伸展角に対して一定であることが見て 取れる．角度 yaw は前腕長軸のねじりを表しており，この結果から前腕の回内・回外動 作が行われていないことが見て取れる．しかし，前腕の回内・回外動作の正確な計測を 行うためには皮膚の伸縮による影響を考慮する必要がある．これらの影響を評価するた めには，装置の運動と人体の運動を総体的に評価する技術が求められる．しかし，装置 の運動と人体の運動を完全に切り離して計測することは難しいため，皮膚の伸縮による 影響の評価は今後の課題とする． - 47 - 5.7 考 察 図 5.11 骨滑車の傾斜． 図 5.12 外偏角の変化の比較． - 48 - 5.8 第 5 章のまとめ 5.8 第 5 章のまとめ 本章では装着型パラレルリンク機構を利用して実際の肘関節の運動計測を行った．計 測は肘関節の屈曲伸展動作に対して行った．人体の肘関節は従来の教示訓練手法におい て，回転の 1 自由度として扱われるが，解剖学的な知見から，屈曲伸展時の内外方向の 回転と回転軸の移動が報告されている．これらの変化は個人差が大きく，教示訓練の際 に予め計測する必要がある．実験から本手法を用いて肘関節の内外方向の運動と回転軸 の移動を計測することが可能であることを示し，計測結果と従来の解剖学的知見を比較 することで本手法の有効性を示した． - 49 - 6.1 肩甲骨運動と計測手法 第6章 肩甲骨運動の計測 6 第6章 6.1 肩甲骨運動と計測手法 肩甲骨関節の運動は，第 2 章で説明したように肩甲骨，鎖骨，胸骨の間にあるそれぞ れの関節の動きにより行われる．これらの骨格のほとんどは人体の内部で動作するため， 手関節や肘関節のように，装具を骨格の運動と一致させることが難しい．そこで本研究 では，第 3 章にて説明した，パラレルリンクモデルを応用した 4 自由度モデルを開発し た．計測にはパラレルリンク機構を利用した計測装置を用いる．4 自由度モデルは肩甲 骨の自由度を再現するために，肩周辺の骨格，関節構造，筋肉配置を機械的なリンク， 対偶，スライダを用いて表している．4 自由度モデルの構造を再現し，各リンクを装具 により人体に固定することで，肩甲骨の動作に追従する計測装置を作ることが可能であ る．4 自由度モデルの各スライダは肩甲骨を前後左右に動かすための筋肉を表している が，実際の筋配置と直接には対応していない．エンコーダの配置には人体の筋配置を模 倣すること[61]が考えられるが，人体の筋配置は筋肉が引張力しか出せないという性質 から非常に複雑であり，筋配置を模倣するとリニアエンコーダの干渉や冗長性の問題な どにより，実際に機構としての実現することが難しくなる．その為，肩甲骨の自由度を 再現でき，且つ実際の機構としての利用が容易な配置として 4 自由度モデルを考えた． 4 自由度モデルでは肩甲骨の位置・姿勢を求めるために，鎖骨と上腕骨，肋骨の位置関 係を計算に利用する．図 6.1 に 4 自由度モデルの構造とモデルと人体の肩との対応を示 す．4 自由度モデルにおけるスライダ部の長さを計測することで，反復計算を用いて肩 甲骨の位置・姿勢を求めることが可能である． 図 6.2 に計測装置のイメージを示す．装置は上腕部と体幹部に装具を用いて固定する． 上腕部の装具は肩甲骨肩峰部を覆う構造とし，体幹部と上腕部の両装具間に 4 自由度モ デルを再現したパラレルリンクを構成する．体幹部装具は胸郭を覆う構造のフレームを ベルトにより固定する．上腕部装具は肩峰部内部にメラニンスポンジを取り付けること で装着性を向上させている．また，鎖骨と肋骨に相当するリンクは装着者の体格に合わ せて長さを調整することが可能である．皮膚の伸縮による計測の誤差を防ぐため装置本 体は体幹と上腕の骨格に装具を用いて固定する．ただし，上腕部の装具は上腕部と肩甲 - 50 - 6.1 肩甲骨運動と計測手法 骨部の間に自由に動く関節を設け，腕部の動きを妨げない構造とする．この計測装置は リニアエンコーダと装着用の装具のみで構成されるため非侵襲で，且つ単純な構造であ り，さらにパラレルリンク特有の高精度な計測が期待できる． - 51 - 6.1 肩甲骨運動と計測手法 図 6.1 4 自由度モデル． 図 6.2 装着イメージ． - 52 - 6.2 4 自由度モデル 6.2 4 自由度モデル 肩甲骨の位置姿勢を求める反復計算について説明する．図 6.3，6.4 は本研究で開発 した 4 自由度モデルである．パラレルリンク機構におけるエンドエフェクタは人体の肩 甲骨に対応する．肩甲骨は x ， y ， z 方向の平行移動と role，pitch，yaw 周りの 回転 の合計６自由度を持つ． 4 自由度モデルの各関節は図 6.3 のように対応し，4 自由度モデルの各定数と変数を 図 6.4 のようにとる．体（プラットホーム） A1 A2 A3 A4 に固定した座標系を 0 ，肩甲骨の 中心点 O p を原点とし，肩甲骨（エンドエフェクタ） C1C2C3C4 に固定した座標系を p と する． 上図に示すようにプラットホーム上の 4 点 A1 ， A2 ， A4 ， A5 とエンドエフェクタ上の ４点 C1 ， C2 ， C4 ， C5 を両端に 3 自由度の対偶を持つスライダにより接続し，プラット ホーム上の 2 点 A 3 ， A 6 とエンドエフェクタ上の 2 点 C3 ， C6 を両端に 3 自由度の対偶 を持つ固定長のリンクにより接続している．エンドエファクタの中心 O p の，座標系 0 における座標を， 0 Op O 0 0 px 0 O py O pz T と座標系 p の x 軸周りの回転角 roll ，y 軸周りの回転角 pitch ，z 軸周りの回転角 yaw を 用いて，エンドエファクタの位置・姿勢を， Q O 0 0 px 0 O py O pz roll pitch yaw T と 表 す ． エ ン ド エ フ ァ ク タ 上 の ６ 点 C1 ~ C6 の 0 に お け る 座 標 を ， p Ci C p p xi C yi p C zi T (i 1～6) とし， 0 における座標を， 0 Ci 0C xi 0 C yi 0 C zi T とする．またプラットホーム上の 6 点 A1 ~ A6 の 0 における座標を， p Ai A p xi p Ayi p Azi T - 53 - 6.2 4 自由度モデル とする．ここで p Ci と 0 Ai は設計時に定まる定数である．また，2 本のリンクの長さ L3 ， L6 は定数であり，4 本のスライダの長さ L1 ， L2 ，L4 ， L5 はエンドエファクタの位置・ 姿勢 Q により決まる． - 54 - 6.2 図 6.3 4 自由度モデルと人体の対応． 図 6.4 4 自由度モデルの変数． - 55 - 4 自由度モデル 6.3 実験目的 6.3 実験目的 4 自由度モデルはスライダ部の長さの変化を計測することで肩甲骨の位置・姿勢の変 化を求めることが可能である．本研究では 4 自由度モデルのパラレルリンクを模し，且 つスライダ部の長さの変化をリニアエンコーダにより計測する装着型計測装置を開発 した．開発した計測装置を用いて人体の上肢挙上動作を計測し，過去の研究における上 肢挙上動作の際の肩甲骨の位置・姿勢の計測結果と比較し，本計測装置の有効性を評価 する． 6.4 実験装置 計測には図 6.5 に示す装着型の計測装置を用いる．実験装置は図 6.6 に示す構成とな っており，装着者の上肢挙上動作の際の各リニアエンコーダの長さの変化を計測するこ とが可能である．上肢挙上動作とは図 6.6 のように腕部を鉛直下向きの状態から鉛直上 向きに動かす動作のことである．Web カメラを用いて上肢挙上動作を記録し，腕部の 上肢挙上角の変化を記録する．実験装置のリニアエンコーダにはマイクロテック・ラボ ラトリー社製 MLS-12-600E-250，カウンタには DACS 社製 DACS-1500-CNT，Web カメラには Logitech 社製 QuickCam® Pro 3000 を用いる．エンコーダの最小分解能は 0.1mm であり，計測時のサンプリングタイムは 0.1sec とする．現状の装置では 0～ 130deg の上肢挙上動作の計測が可能である． - 56 - 6.4 図 6.5 開発した計測装置の概観． 図 6.6 計測装置のシステム． - 57 - 実験装置 6.5 従来の計測手法で得られた肩甲骨の位置姿勢の変化 6.5 従来の計測手法で得られた肩甲骨の位置姿勢の変化 開発した計測装置を用いて人体の肩甲骨の動きを計測し，過去の研究において実測さ れた計測値と比較する．ここでは X 線投影画像を用いた計測と画像処理を利用した計 測から求められた肩甲骨の動き[30][62][63]を比較対象として用いる．これらの研究で は上肢挙上動作の際の肩周辺の骨格の位置・姿勢を X 線投影画像とマーカの画像計測 から計測し，肩甲骨の動きを求めている．単体で肩甲骨の位置と姿勢の変化を示してい る研究は存在しないため複数の研究結果を統合して利用する． 過去の計測では肩甲骨の動きを図 6.7 に示す 5 つの角度で表現しており，これらの角 度を 4 自由度モデルに対応させると図 6.8 のようになる．これらはそれぞれ鎖骨の挙上 下制動作（ 1 ），鎖骨の前転後転動作（ 2 ）肩甲骨の上方下方回旋動作（ 3 ），肩甲骨 の前転後転動作（ 4 ） ，肩甲骨の挙上下制動作（ 5 ）と対応している．これらの 5 つの 変数は独立しておらず，「肩甲上腕リズム」と呼ばれる相互関係があること知られてい る．複数の研究による計測結果であるが， 「十分な数の被験者の平均値であること」 「上 肢挙上動作を計測していること」「基準としている計測点（肩甲骨関節下結節と肩甲骨 下角先端）が共通していること」から統合が可能な計測結果であると判断した．図 6.7 は姿勢の一例として 1 ， 2 が 90deg であり且つ角度 3 ， 4 ， 5 が 0deg の際の装置の 姿勢を示している．この姿勢の際に肩甲骨と対応するフレームが矢状面と平行になる． 肩甲骨の位置・姿勢の変化は戸松ら[30]が 1 と 2 ，信原ら[62]が 3 ，近藤ら[63]が 4 と 5 の計測をそれぞれ行っている．図 6.9 は過去の研究により求められた上肢挙上動作の際 の位置・姿勢の変化をモデルに対応させ，角度 1 ～ 5 を用いて表したグラフである．グ ラフは横軸を上肢挙上角の角度，縦軸を i の角度 rfi としている（これを以後，参照値 と呼ぶ）． - 58 - 6.5 従来の計測手法で得られた肩甲骨の位置姿勢の変化 図 6.7 人体と各姿勢の対応． 図 6.8 4 自由度モデルと各姿勢の対応． - 59 - 6.5 従来の計測手法で得られた肩甲骨の位置姿勢の変化 図 6.9 従来計測手法による肩甲骨の動き． - 60 - 6.6 被験者 6.6 被験者 本研究では肩関節に故障経験のない，22～26 歳男性 8 名（平均±標準偏差（中央値） ： 年齢 23.5±1.7（23）歳，身長 173±3（173）cm）の右肩に対して実験を行った．実 験に際し，事前に研究の目的と内容について十分に説明し，理解を得た上で実験を行っ た． 6.7 実験手順 計測装置を被験者に装着し，被験者の上肢挙上動作の際のリニアエンコーダの長さの 変化を計測する．脊柱の協同・代償運動を避けるため，被験者には両腕を同時に動かす よう指示する．上肢挙上動作は挙上・下制を 3 回行い，動作を Web カメラにより記録 する．Web カメラの映像から上肢挙上動作の開始時間と終了時間を記録し，動作の際 のリニアエンコーダの長さを求める．前章にて説明した反復計算を図 6.10 のフローチ ャートで示す手順で実行し，肩甲骨の位置・姿勢を求める．装置の形状から反復計算に 用いる定数は表 6.1 に示す値となる．被験者により異なる定数 L3 ， L6 はそれぞれ計測 時に図り，計算に用いる． - 61 - 6.7 実験手順 図 6.10 計測装置のフローチャート． 表 6.1 実験に用いる定数． Point 0 A1 0 A2 Coordinates mm 130 7 0 0 A3 0 A4 0 A5 130 7 0 0 150 0 130 7 0 130 7 0 0 A6 90 150 0 Point p B1 p B2 p B3 p B4 p B5 p B6 - 62 - Coordinates mm 100 115 19.85 100 115 19.85 0 115 0 100 115 19.85 100 115 19.85 0 115 0 6.8 実験結果 6.8 実験結果 実際に装着装置を被験者に装着し被験者の肩の動きの計測を行った．反復計算に用い る定数 L3 は今回の被験者に対しては 120mm， L6 は 115mm と 126mm の 2 種類であ った．図 6.11 は，本実験において計測した上肢挙上動作の際の角度変化の被験者 8 名 の平均値を示したグラフである．被験者の体格差により動作開始位置は大きく異なるた め，動作開始の位置は静的な計測と同様の位置とする．図 6.9 に示した参照値と図 6.11 を比較すると傾向が一致していることが見て取れる． 図 6.12 はそれぞれの角度における上肢挙上動作の際の動作範囲を比べたグラフであ る．角度 2 ， 4 ， 5 における動作範囲は参照値と近い値を示している．しかし，角度 1 ， 3 における動作範囲は参照値の 6 割程度となっている． - 63 - 6.8 実験結果 図 6.11 肩甲骨の姿勢の変化の計測結果． 図 6.12 従来研究と本研究の最大可動域の比較． - 64 - 6.9 6.9 考察 考察 図 6.9 と図 6.11 のグラフから本手法を用いて肩の動きを計測することが可能である と分かる．表 6.2 は参照値の動作範囲と実験値の動作範囲及び実験値と参照値の差分を 示している．角度 2 ， 4 ， 5 の動作範囲の差分は±2deg 以下であり，差分は参照値の 最大動作範囲と比べ小さな値となる．また，動的計測手法の中で本手法と角度の対応し ているものを一例として参照値と比較すると，井上らの手法[64]による角度 4 の動作範 囲の誤差は約 8deg となる．このことからも本手法が有効であると分かる．角度 2 ， 4 ， 5 は肩甲骨の前後方向の動きに関わる角度であり，実験結果から本手法が前後方向の肩 の動きの計測に適していることが分かる． しかし，角度 1 と 3 の動作範囲が参照値に比べ小さいことが問題点として挙げられる． この問題は計測装置と人体の間に挟む緩衝材が原因であると考えられる．図 6.5 の外観 からも見られるように計測装置と被験者の間には装置の固定と人体の保護を目的とし た緩衝材が取り付けられている．特に上下方向は装置の重量が掛かるため緩衝材を厚く する必要があり，厚さ 20mm のメラニンスポンジが使われている．構造からスポンジ が完全に潰れた場合に 1 は約 10deg， 3 は約 15deg の誤差が生じると予想され，この 誤差が参照値と実験値の差に繋がったと思われる．緩衝材には人体に負担を掛けない程 度の柔軟性と誤差が生じない程度の硬さが必要になる．しかし，二つの特性を両立する ことは現段階では難しく，今後の検討が必要であると考えられる． 表 6.3 は実験値と参照値の各姿勢における誤差の最大・最小と平均誤差を表している． 表 6.3 から角度 1 ， 2 ， 3 の平均誤差が大きく，角度 4 ， 5 の平均誤差が小さいこと わかる．図 6.13.～6.17 は実験値と参照値を比較したグラフである．グラフのプロット には平均値と供に標準偏差を示している．グラフでは混乱を避けるため，参照値の角度 変化を角度 rf 1 ～ rf 5 として表している． グラフと表から角度 1 ， 3 は動作開始位置から徐々に誤差が増加し，結果として平均 誤差が大きくなっていることが分かる．上肢挙上動作は腕を上方に動かす動作であるた め，上肢挙上角の上昇に伴い，肩は計測装置により大きな力を加えることになる．その 為，上肢挙上角の上昇に伴う誤差の増加は上記の考察と一致する． しかし，角度 2 の平均誤差が大きくなるのは上肢挙上角が 20~110deg における低下 の増加が原因である．これらの姿勢における誤差の増加は小さいながら角度 4 ， 5 に も見られる．これは実験値が連続的な動作の際の各姿勢を計測した値であり，参照値が 静止状態の際の各姿勢計測した値であることが原因であると考えられる．人体は静止状 態と運動状態では筋肉の使い方も姿勢も異なる．その為，このような誤差が生じたので はないかと考えられる．動作の静止する上肢挙上角=120deg の付近では誤差が小さくな っていることからも同様の考察が得られる．しかし，本手法と同様に動作時の肩甲骨の 動きを計測した手法は少なく現段階での比較は難しい．その為，この問題については今 - 65 - 6.9 考察 後の課題とする． 人体は上肢挙上動作の際に上肢挙上角に比例して鎖骨の挙上下制動作と肩甲骨の上 方下方回旋動作が起こることが知られている．この関係は「肩甲上腕リズム」として知 られている．図 6.13，6.15 の角度変化に注目すると角度 1 ， 3 と上肢挙上角の間に比 例関係があることが見て取れる．また，図 6.14，6.16 においても同様の比例関係が見 られ，肩甲骨の姿勢の関係には一定の関係性があることが確認できる．しかし，関係性 を考察するためには比較対象が少なく厳密性が不足している．その為，関係性の考察は 今後の課題とする． - 66 - 6.9 表 6.2 従来研究と本手法との最大可動域の差． Variable Range of Motion deg Difference Reference Experiment deg 1 21.5 12.3 -9.2 2 18.1 19.9 +1.8 3 25.0 15.3 -9.7 4 18.2 16.9 -1.3 5 2.4 2.8 +0.4 表 6.3 従来手法と本手法との差． Error of Each Posture Average Error deg (Standard Deviation) Variable Maximum Minimum deg 1 0.0 -10.3 5.3 (±4.4) 2 0.1 -5.6 3.1 (±2.1) 3 2.2 -9.7 3.6 (±2.8) 4 0.3 -3.7 1.4 (±1.4) 5 0.0 -2.8 1.4 (±0.9) - 67 - 考察 6.9 考察 図 6.13 姿勢 1 の比較． 図 6.14 姿勢 2 の比較． - 68 - 6.9 図 6.15 姿勢 3 の比較． 図 6.16 姿勢 4 の比較． - 69 - 考察 6.9 考察 図 6.17 姿勢 5 の比較． - 70 - 6.10 第 6 章まとめ 6.10 第 6 章まとめ 本章では装着型パラレルリンク機構を利用して実際の肩甲骨の運動計測を行った．計 測は上肢挙上動作の際の肩甲骨の運動に対して行った．人体の肩甲骨は人体内部で動く ため，透過画像を用いた計測が一般的であるが，本研究では肩甲骨の動きを模したフレ ーム構造を用いることで肩甲骨の運動に追従するパラレルリンク式の計測装置を開発 した．本手法の計測結果を従来の透過画像を用いた計測結果と比較を行い，本手法の有 効性を示した． - 71 - 7.1 装着型教示訓練装置の開発 第7章 教示訓練装置の提案 7 第7章 7.1 装着型教示訓練装置の開発 本章では，本研究で開発した計測手法を用いた装着型訓練装置について示す．人体に 対して教示訓練を行う際，手先の動きだけでなく，各関節の動きをすべて教示するこが 望ましい．装着型ロボットとして Tadakuma らの手法[65]や Krebs らの手法[66]など の開発が進められているが，既存の装着型ロボット[66]-[73]は人体の関節の動きに比 べ，，関節の自由動が低いため，すべての関節運動を教示することができない．本研究 では人体の関節の自由度をすべて教示することが可能な教示訓練装置の開発を目指し， 基礎研究として人体の腕部の関節運動のより詳細な計測が可能な計測手法を開発した． 本章では，本研究により開発した装着型パラレルリンク式計測装置を発展させた装着型 手関節運動教示訓練装置の提案を行う． - 72 - 7.2 7.2 教示訓練装置の概要 教示訓練装置の概要 本研究では腕部関節の教示訓練の実現を目指し，その基礎研究として手関節運動の教 示訓練装置の開発を行う．図 7.1 に開発する訓練装置のイメージを示す．教示訓練には 熟練者の運動を計測する計測装置と訓練者に教示訓練を行う教示訓練装置を用る．計測 装置から得られた計測結果を，訓練装置に与えることで訓練を実現する． 訓練装置には第 4 章にて説明した手関節運動計測機構を用いる．図 7.2 に本研究にて 提案するシャフトモータを利用した手関節教示訓練装置のイメージ図を，図 7.3 に実際 に製作した訓練装置の概観を示す．図 7.4，7.5 は訓練装置を人体に装着した際の概観 である．訓練装置は図 7.6 に示す構成となっている．シャフトモータニアには NPM（日 本パルスモータ）社製の S080Q-200 を用い，リニアエンコーダにはマイクロテック・ ラボラトリー社製 MLS-12-600E-250 を用い，ドライバとして Panasonic 社製 MINAS A5L，カウンタとして NPM（日本パルスモータ）社製 MNET-M321-MIA を用いる． - 73 - 7.2 教示訓練装置の概要 図 7.1 教示訓練装置の運用イメージ． 図 7.2 訓練装置イメージ． - 74 - 7.2 図 7.3 訓練装置の概観． 図 7.4 訓練装置の装着時の概観． - 75 - 教示訓練装置の概要 7.2 教示訓練装置の概要 図 7.5 訓練装置の装着時の概観（回内動作） ． 図 7.6 訓練装置の構成． - 76 - 7.3 7.3 今後の課題 今後の課題 本論文において，訓練装置に関しては装置構造の提案のみに留める．訓練装置開発に は以下のような課題が存在する． 装具装着機構の検討 装着型の訓練装置を用いた教示訓練において，計測結果を訓練者に正確に教示するた めには，訓練装置を人体に固定するための装着機構の検討が必要である．第 4 章～第 6 章における計測機構においても少なからず装着機構が原因であると考えられるズレが 確認されていることからも装着機構の検討が必要である． 訓練用データ作成手法の検討 計測結果を訓練者に教示するためには，計測結果を訓練者の体格や関節構造に対応し た訓練用データに置き換える必要がある．関節構造などの個人差に対応することが可能 な訓練用データの作成方法の検討が必要である． 訓練効果の評価手法の検討 本手法が既存の教示訓練手法と比較し，有効であることを定量的な計測から評価する 必要がある．本手法ではスポーツのような複雑な運動の教示訓練を目指しているが，ス ポーツのように複雑な運動における訓練の効果を定量的に示すことは難しく，評価方法 の検討が必要である． - 77 - 7.4 第 7 章のまとめ 7.4 第 7 章のまとめ 本章では装着型パラレルリンク機構を利用した装着型手関節運動訓練装置の提案を 行った．また，今後の課題となる装着機構や訓練用データ，評価方法の検討の必要性に ついての考察を示した． - 78 - 8.1 本研究の結論 第8章 結論 8 第8章 8.1 本研究の結論 本研究はスポーツなど運動の教示訓練を行う装着型訓練装置の開発を目的とした研 究である．その基礎研究として人体の関節運動の計測が可能な計測手法を開発し，さら に，計測手法を利用した教示訓練装置の開発を行った．人体の関節運動を計測する為に は，関節を構成する骨格同士の姿勢の 3 自由度と位置の 3 自由度の関係を計測する必要 があり，本研究ではパラレルリンクを利用した装着型の関節運動計測手法を提案した． さらに，提案した計測手法を用いて，実際に手関節運動の計測，肘関節運動の計測を行 った．また，提案手法の応用として，肩甲骨運動計測手法を提案し，実際に被験者に対 して計測実験を行った．実験により得られた計測結果と解剖学的な計測手法により得ら れた計測結果の比較を行い，本手法が有効であることを示した．最後に提案した計測手 法を利用した手関節運動教示訓練装置の開発を行い，計測手法の教示訓練への応用を検 討した．以下に各章についてまとめ，本論文の結論とする． 第 2 章では関節運動の計測に姿勢と位置の 6 自由度計測が必要であることを説明する ため，人体腕部の関節構造について述べた．また，従来の関節運動計測手法について述 べ，教示訓練に利用する上での必要となる性質について述べた．人体の関節は位置と姿 勢の 6 自由度を持っているため，関節運動の計測には一関節に対して，6 自由度の計測 が必要である．従来の関節運動の計測手法の中で 6 自由度計測が可能な計測手法は存在 するが，それらの手法は周辺環境の影響を受けやすいこと，計測範囲が限られることか ら一般的なトレーナのみでの使用が難しい．本研究では工学的な知識のない一般的なト レーナでも運用が容易なエンコーダを用いて，三次元データの取得が可能な計測手法の 提案を目指すことを述べた． 第 3 章では本研究にて提案する関節運動計測手法について示した．前章にて示した 3 つの性質を実現するため，本研究ではリニアエンコーダを利用した装着型パラレルリン ク式計測機構を提案した．リニアエンコーダによってパラレルリンクを形成することで， 一関節に対する 6 自由度計測が可能である．本研究にて利用するパラレルリンクのモデ - 79 - 8.1 本研究の結論 ル図について示し，位置と姿勢の変化を求める手法について示した． 第 4 章では装着型パラレルリンク機構を利用して実際の手関節の運動計測を行った． 計測は手関節の橈・尺屈運動に対して行った．従来の教示訓練装置において，人体の手 関節のモデルは回転の 3 自由度を持つ球関節として扱われている．本研究により得られ た計測結果と従来の球関節モデルでの橈・尺屈動作との比較を行い，差があることを示 した．この差は本手法のような高自由度計測手法においてのみ計測が可能であり，この ことから本手法が有効であると示した． 第 5 章では装着型パラレルリンク機構を利用して実際の肘関節の運動計測を行った． 計測は肘関節の屈曲伸展動作に対して行った．人体の肘関節は従来の教示訓練手法にお いて，回転の 1 自由度として扱われるが，解剖学的な知見から，屈曲伸展時の内外方向 の回転と回転軸の移動が報告されている．これらの変化は個人差が大きく，教示訓練の 際に予め計測する必要がある．実験から本手法を用いて肘関節の内外方向の運動と回転 軸の移動を計測することが可能であることを示し，計測結果と従来の解剖学的知見を比 較することで本手法の有効性を示した． 第 6 章では装着型パラレルリンク機構を利用して実際の肩甲骨の運動計測を行った． 計測は上肢挙上動作の際の肩甲骨の運動に対して行った．人体の肩甲骨は人体内部で動 くため，透過画像を用いた計測が一般的であるが，本研究では肩甲骨の動きを模したフ レーム構造を用いることで肩甲骨の運動に追従するパラレルリンク式の計測装置を開 発した．本手法の計測結果を従来の透過画像を用いた計測結果と比較を行い，本手法の 有効性を示した． 第 7 章では装着型パラレルリンク機構を利用した装着型手関節運動訓練装置の提案 を行った．また，今後の課題となる装着機構や訓練用データ，評価方法の検討の必要性 についての考察を示した． - 80 - 8.2 8.2 展望 展望 本研究の今後の展望について述べる．本研究において人体の一関節の運動計測と訓練 を実現した．本手法を利用した人体の全身運動の教示訓練装置としての発展が期待され る．また，本手法は人体の補助やリハビリを対象として高自由度補助装置としての利用 も考られる． 教示訓練への利用 人体は 206 個の骨と 600 個の筋肉により構成され，その運動は複雑である．特にス ポーツ選手や伝統芸能を学ぶものはそれらの動きを細かく制御し，より良い結果を生み 出すために訓練を行っている．しかし，これらの訓練は，熟練者の経験則や簡単な物理 学に沿って進められ，怪我や故障に繋がる可能性がある．本研究の利用した教示訓練装 置は熟練者の動きを詳細に計測することが可能であるため，計測を行った段階で動作の 評価を行うことが可能であり，怪我や故障のリスクを減らすことが可能である．さらに， 訓練者の動きと熟練者の動きの比較による効率的な訓練方法の提案なども可能である． 補助装置としての利用 本研究により提案した計測手法と訓練手法は装着型ロボットとしての利用を前提と しているため，人体の補助やリハビリへの応用も可能と考えられる．既存の装着型ロボ ットに比べ，一関節に対しての自由度が高いため，より正確な関節運動の再現が可能で ある．第 4 章の計測結果らも分かるように，人体の関節構造は機械的なモデルとは一致 せず，このズレが利用者への負担となる可能性がある．本手法を利用することにより， 訓練者の負担を軽減した補助装置の開発が可能である． - 81 - 参考文献 参考文献 参考文献 [1] 長谷川 泰久，副島 英明，山海 嘉之，上林 清孝， “装着型ピアノ演奏教示装置の 研究・開発 ～手首・手指駆動機構の設計・製作～”，日本機械学会ロボティクス メカトロニクス講演会 2012，（CD-ROM） 1P1-Q10. 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[73] 吉田隆，“パーソナル・ヘルスケア：ユビキタス，ウェアラブル医療実現に向け たエレクトロニクス研究最前線”，エヌ・ティー・エヌ，pp.101-108，2013. - 89 - 謝辞 謝辞 謝辞 本研究の過程において，終始親身且つ真摯に御指導と御鞭撻を賜り，本論文をまとめ るに際して，多大な御助言と励ましを頂いた，宇都宮大学大学院 横田和隆教授に心か らの感謝を申し上げます．長い研究生活の中で研究，進路問わず，相談に応じて頂けた 事，深く感謝しております． 本論文の審査過程において副指導教員を担当して頂き，また，本論文をまとめるに当 たって，数々の御教示を賜りました宇都宮大学大学院 酒井直隆教授，宇都宮大学大学 院 尾崎功一教授に感謝を申し上げます． 本論文をまとめるにあたり，多くの御助言を賜りました宇都宮大学大学院 高山善匡教 授，嶋脇聡准教授，宇都宮大学ものづくり創成工学センター 渡邊信一准教授に感謝を 申し上げます． 副専門分野指導教員を担当して頂き，サービスロボットに関する法律を御教授賜りま した宇都宮大学 松岡猛名誉教授，人体の音声認識に関する知識を御教授賜りました宇 都宮大学大学院 長谷川光司教授に感謝を申し上げます． 本研究を進める中で博士後期課程の先輩として，公私に渡り力強い励ましと御助言を 賜りました FAIRUL AZNI JAFAR 氏，横塚将志氏，SAM ANN RAHOK 氏，大澤茂治 氏に感謝申し上げます．また，本研究を供に進めて頂いた髙木康大氏，佐々木匠氏，中 山恵介氏，中澤智貴氏に感謝申し上げます． 最後に，4 年間の研究生活の中で供に考え，供に学び，供に笑ったロボティクスメカ トロニクス研究室と近隣研究室の皆様と長い学生生活を暖かく支援して頂いた父，母， 兄，妹，祖父，祖母，友人にこの場を借りて深く感謝を申し上げます． 本当にありがとうございました． - 90 - 付録 A 装着型パラレルリンク式計測機構の再現性の検証 計測装置の精度を評価するため，図 A に示すように，回転の 1 軸を持つフレームに 計測装置を取り付け，動作計測を行い計測手法の再現性の検証を行った．回転関節を 0deg から 90deg まで曲げる運動を 10 回行い，にそれぞれの自由度における真値と計 測結果の差の平均値とそれらの標準偏差を求めた（表 A）．表 A から，本手法では位置 計測において 2mm 未満，角度計測において 1deg 未満の標準偏差を持った計測が可能 であると分かる． - 91 - 図 A 基礎実験イメージ． 表 A 装置の計測誤差の平均と標準偏差． Variable Average Standard value deviation O px 0.69 mm 1.01 mm O py 0.20 mm 1.50 mm O pz -0.20 mm 0.71 mm roll -0.67 deg 0.98 deg pitch 0.28 deg 0.51 deg yaw 0.18 deg 0.21 deg - 92 - 付録 B 本研究で利用した機器の仕様 本研究の計測装置にはマイクロテック・ラボラトリー社製 MLS-12-600-250，カウン タには DACS 社製 DACS-1500-CNT を用いる． それぞれのカタログ上の仕様を表 B.1， B.2 に示す．また，表 B.3 に訓練装置に用いるシャフトモータである NPM（日本パル スモータ）社製の S080Q-200 のカタログ仕様を示す．訓練装置に用いるリニアエンコ ーダ MLS-12-600E-250 は出力がラインドライバに変更されているのみであるので省 略する． Table B.1 リニアエンコーダ（MLS-12-600-250）のスペック． 出力 測定範囲 250 mm 電源電圧 DC5～12 V ±10％ 消費電流 40mA以下（無負荷時） 検出方式 ストローク速度 インクリメンタル 250 mm/sec ワイヤー引張力 0.39～0.78 N 出力パルス数 〔最小分解能〕 0.1 mm 出力相 A、B層 出力形態 矩形波 シンク電流：20 mA以下 残留電圧：0.5 V以下（10 mA時） 出力容量 最高応答周波数（応答パルス数） 50 kHz 使用周囲温度 /湿度 0～50 ℃ RH95%max 結露しないこと 保存周囲温度 -20～80 ℃ 耐震動 耐久55 Hz 複振幅1.5 mm X、Y、Z方向各2時間 耐衝撃 耐久500 m/s2 （約50 G） X、Y、Z方向 外径φ3（4芯）ビニール線 絶縁シールドケーブル 60 g ケーブル 質量 - 93 - 表 B.2 カウンタ（DACS-1500-CNT）のスペック． カウンタ個数 3個 カウンタビット長 各32bit 動作モード 入力最高周波数 エンコーダ信号A/B相入力モード UP/DOWNカウントモード パルス周期および幅計測モード(1カウンタのみ) エンコーダ信号A/B相入力モード 500KHz その他の機能 UP/DOWNカウントモード 1MHz 基準クロック出力 最終カウント値指定可能 分周パルス出力機能あり 基準クロック出力 1MHz 周波数計測ゲート信号用 0.5Hz テスト用A/B相信号出力 1KHz 各出力の周波数確度 ±0.01%(0～50℃ ±100ppm) 表 B.3 シャフトモータ（S080Q-200）のスペック． シャフト径 標準ストローク 最大ストローク 支持部長 / 可動範囲 定格推力 定格電流 加速推力 加速電流 推力定数 逆起電力定数 モータ定数 可動子 長さ 可動子 断面 可動子 重量 可動子 取付ピッチ 可動子 穴径 ギャップ - 94 - 8 mm 25 ～ 200 mm 200 mm 10 / ～230 mm 3.5 N 0.84 A 14 N 3.4 A 4.17 N/Amps 1.4 V/(m/sec) 1.39 N/A 70 mm 20±0.3 mm 0.08 kg 64 mm 9 0.5
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