千葉大学人間生活工学研究室修論概要（2006） 空間内における 手先運動制御の評価 キーワード ： 作業空間、 上肢の運動制御、 追従タ スク 人間生活工学教育研究分野： 吉村 昌子 ■背景 およ び VAS 法によ る 主観評価（ 制御の「 位置制御し やすさ 」「 時 作業空間や製品を 設計する 際、 ユーザの姿勢や制御動作、 ま 間制御し やすさ 」、 姿勢の「 運動し やすさ 」「 維持し やすさ 」） で た そ れによ っ て 生ま れる 筋負担や不快感な ど を 考慮する こ と は あ っ た。 最も 重要な 過程のひと つで あ る 。 近年では、 コ ン ピ ュ ータ 支援 評価に用いる データ は各試行（ 位置 18 カ 所 タ ス ク ３ 方向） のヒ ュ ーマ ン ・ モデルが、 作業姿勢、 運動範囲や、 運動負荷、 で、 往復移動６ 往復中の３ 、 ４ 往復（ 開始後 3.33-6.67 s） から 発揮ト ルク な ど を 予測する のに有用であ る 。 し か し 既存の モデ と っ た 。 測定シ ス テ ム から 得ら れた データ から 以下の評価指標 ルで は、 例え ばそ の 予測さ れた 姿勢での機械操縦で高精度の方 を 運動制御精度と し て算出し た。 向はど ち ら か 、 そ の 姿勢で の動作が ど の程度快適な のかと いっ ・ 位置エラ ー： 追従点のタ ス ク 方向軸から の距離 た よ う な 評価な ど は、 でき な かっ た り 、 人体への 専門的な 知識 ・ 時間エラ ー： 追従点と タ ーゲッ ト のピ ーク 点での時間差 が必要であ っ た り する 。 運動制御精度の高い位置や方向な ど の ・ 総合エラ ー： 追従点と タ ーゲッ ト の２ 点間の距離 予測が可能と な れば、 ヒ ュ ーマ ン ・ モデルの有用性はよ り 高く ・ 傾き エラ ー： 追従点軌跡の回帰直線の傾き なる だろ う 。 各評価項目において、運動位置： 角度（ 矢状面から 0 ・ 45 ・ ま た 、 作業のなかでも綿密で正確な操作が要求される場合， 90 人間は手先を使う。手先の運動制御については様々な観点から 方向（ X・ Y・ Z） の４ 要因分散分析と 多重比較検定（ Tukey） を 研究されているが 1) 6) 、運動制御の精度については報告されて ）、 高さ （ 高・ 中・ 低）、 距離（ 近い・ 遠い）、 およ びタ ス ク 行っ た。 いない。 ■結果 ■研究の目的 本研究では、手先における上肢の運動制御精度を評価するた めの測定システムを構築し、空間内の任意点における運動制御 精度を評価することを目的とした。また、運動制御精度と運動 ・ 追従軌跡 得られた手先位置データを各平面図上にプロットした例を図 ２に示す。 制御時の腕姿勢、筋活動、主観評価との関係を研究した。 X-Z X-Y Y-Z ■研究の方法 被験者は健常大学生８ 名（ 男性３ 名、 女性５ 名、 22.4 1.2 歳） X 方向 で、 全員右手利き であ っ た。 被験者は椅子に深く 座り 楽な 姿勢を と っ た 。 磁気セ ン サ （ ３ SPACE FASTRAK、 POLHEMUS） を 利き 腕の手関節背面に貼付 し 、 こ れを 手先位置と し て 記録し た 。 本研究の空間座標系は被 験者中心の直交座標系と し 、 X 軸は身体の横軸、 Y 軸は矢状軸、 Z 軸は縦軸に平行と し た。 記録さ れる 手先位置は X-Y、 Y-Z、 Z- Y 方向 X 各々の平面投影図を ディ ス プ レ イ 上に表示し た 。 被験者は３ つの 投影図内を 動く タ ーゲ ッ ト を 追従する タ ス ク を 行っ た 。 タ ーゲッ ト の移動は X 軸上、 Y 軸上、 Z 軸上の 3 種類で、 単純な 一次元の往復移動（ 10 秒／6 往復（ 周期： 1.66 s）、 振幅： 50 mm の sin 波） であ っ た。 被験者はシス テム に十分慣れる ま で自由に 練習し た。 ３ 方向のタ ス ク を 行う 運動位置は 18 カ 所で（ 図 1）、 Z 方向 距離は被験者ご と に 上肢長で標準化さ れた 。 運動位置はラ ン ダ ム に与え ら れた。 測定項目は手先（ 手関節背面） の三次元位置データ 、 筋電図 図２ ． 追従軌跡の例 （ 大胸筋、 僧帽筋、 三角筋前・ 後部、 上腕二頭筋、 上腕三頭筋）、 ・ 位置エ ラ ー 矢状面から 90 の位置で大き く （ p<0.01）、 高い位置は低い位 置よ り 大き く （ p=0.019）、 肩か ら 遠い ほう が 近い 位置よ り 大き か っ た （ p=0.047 ） 。 タ ス ク 方 向で は Z 軸 方 向 で 大き か っ た （ p<0.01）。 ・ 時間エ ラ ー 「 高さ 」 に 主効果の傾向が みら れた が （ p=0.053）、 有意差は なかっ た。 図１ ． 運動位置 千葉大学人間生活工学研究室修論概要（2006） ・ 総合エ ラ ー 最大力を 発揮する 方向 6)には異方性があ り 、 こ れら は筋剛性や関 位置エラ ーと ほぼ同様の結果と なっ た（ 図３ ）。 節剛性、 腕姿勢に依存する と 報告さ れて い る 。 運動制御精度も こ れら と 同様に、 腕の生機構学的な 影響を 受け た た め異方性が ・ 傾き エ ラ ー 「 角度」 と タ ス ク 方向、「 距離」 と タ ス ク 方向に交互作用がみ ら れた（ p=0.022、 0.0271）。 矢状面から 0 およ び 45 の位置で みら れたと 考え ら れる 。 ・ 制御精度と 主観評価の関係 は X 軸方向でエラ ーは小さ いが（ p=0.042 およ び p<0.01）、 90 制御精度と 主観評価はと も に 運動位置によ る 影響を 受け 、 類 の位置では Y 軸方向が小さ い傾向であ っ た （ p=0.078）。 近い位 似し た 結果と な っ た 。 し か し 、 制御精度は運動方向の影響を 強 置では X 軸＜Y 軸＜Z 軸の順で小さ かっ た（ p<0.01） が、 遠い位 く 受け た にも 関わら ず、 主観評価で は運動方向に よ る 差は全く 置ではタ ス ク 方向に差はなかっ た。 ま た 、 Z 軸方向のみ「 距離」 みら れな かっ た 。 本研究の 結果では、 主観評価は制御精度の良 によ る 差はなかっ た。 い『 位置』 は予測でき る が、『 方向』 は予測でき な いと 示唆さ れ た。 ・ 筋活動 矢状面から 0 、 45 、 90 の順で、 大胸筋は小さ く なり 、 三 角筋後部は大き く な っ た （ p<0.01）。 全筋で高い位置は低い位置 よ り 大き く （ p<0.05）、 大胸筋と 上腕二頭筋以外の筋で遠い位置 は近い位置よ り 大き く なっ た（ p<0.05）。 ・ 主観評価 全項目に共通し て 、 矢状面から 90 ■ま と め 本研究の結果から 、 制御精度は運動位置や運動方向の影響を 強く 受け 、 運動位置が前方、 低い位置、 近い位置、 およ び運動 方向が水平方向のと き 制御精度は良いこ と が明ら かにな っ た 。 ま た 、 制御精度は腕姿勢や筋活動、 主観評価と 関係し て い る と の点が悪く 、 低い点よ り 示唆さ れた が 、 そ れぞれ単独では制御精度を 十分に説明で き な も 高い点、 近い点よ り も 遠い点のほう が悪かっ た （ p<0.05）。 タ いと 結論し た。 ス ク 方向には有意差はなかっ た。 運動制御精度は、 機械操作や精密作業の重要な フ ァ ク タ であ る 。 今後、 運動速度や習得レ ベル等によ る 制御精度評価も 進展 ■考察 し 、 さ ら に実用的に データ ベース 化さ れる こ と は作業空間等の デザイ ン にと っ て非常に意義があ る だろ う 。 ・ 制御精度と 運動位置の関係 全体的に肩の側方、 高い 位置、 遠い 位置で 制御精度は良かっ た 。 精度の悪かっ た 側方で は、 肩の 外旋角度の限界に近い 姿勢 と な る 。 低い 位置で は、 肩屈曲角度の限界に近い 姿勢と な り 、 ま た 腕の重さ によ り 筋負担が増大し て いた 。 遠い 位置では、 肩 屈曲や肘伸展の限界に近い 姿勢と な り 、 腕の重心が体幹か ら 遠 く なる こ と によ り 一部の筋負担が増大し ていた。 関節可動域限界で は運動が困難にな り 、 制御精度が悪く な っ たと 考え ら れた。 ま た、 筋負担の増大も 制御運動の妨げと なり 、 制御精度を 低下さ せる 一因と 示唆さ れた 。 さ ら に 、 制御精度が 良か っ た 前方、 低い 、 近い 位置は、 タ ス ク 中注視する ディ ス プ レ イ 周辺の視野内で あ っ た 。 被験者は自身の手先運動の視覚的 情報を 得な が ら 制御し て い た 可能性も あ り 、 そ の た め制御精度 が上がっ たのかも し れない。 ■参考文系 1) Jung, E.S., Choe, J（ 1996） Human reach posture prediction based on psychophysical discomfort， International Journal of Industrial Ergonomics, 18, 173-109 2) Yang, N., Zhang, M., Huang, C., Jin, D.（ 2002） Motion quality evaluation of upper limb, Medical Engineering & Physics, 24, 115120 3) Beers, R.J. van, Sitting, A.C., Denier van der Gon, J.J.（ 1998） The precision of proprioceptive position sense, Experimental Brain Research, 122, 367-377 4) Milner, T.E.（ 2002） Contribution of geometry and joint stiffness to mechanical stability of the human arm, Experimental Brain Research, 143, 515-519 ・ 制御精度と 運動方向の関係 5) Toffin, D., McIntyre, J., Droulez, J., Kemeny, A., Berthoz, A. 全体的には X 軸＜Y 軸＜Z 軸の順で制御精度は良かっ た。 Z 軸 方向は、 重力によ り 運動中の負荷が 一定で はな か っ た た め 、 一 貫し て 精度が 悪く な っ た と 考え ら れる 。 ま た 、 同じ 腕姿勢でも 手先の運動特性には異方性が存在する 。 例え ば、 外的負荷に対 （ 2003） Perception and Reproduction of force direction in the horizontal plane, Journal of Neurophysiol, 90, 3040-3053 6) 吉村昌子： 平面上での上肢の力発揮方向に関する 研究， 平成 16 年度千葉大学工学部デザイ ン 工学科卒業論文 し て腕姿勢を 維持する 能力 4)、知覚し た力方向を 再現する 能力 4)、 ＊＊p<0.01 ＊p<0.05 図３ ． 総合エ ラ ーの比較（ 角度、 高さ 、 距離、 タ スク 方向）
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