接触作業における人間の随意制御特性の解析と運動リハビリテーションシステムへの応用

接触工作过程中人体自主控制特性分析及其在运动康复系统中的应用

• 批准号: 14750188
• 负责人: 田中 良幸
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Hiroshima University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14750188/
• 关键词: 随意運動制御メカニズム; 拘束運動; 運動リハビリテーション; 手先操作特性; ロボット; インピーダンス制御

本研究では,作業対象からの拘束を伴う手先運動に着目し,環境特性に対する人間の随意運動制御特性を実験的に解析するとともに,その特性を利用した新しい運動訓練支援システムの開発を試みた.本年度は,前年度に開発した仮想拘束運動解析装置を拡張して人間の運動特性を考慮した上肢運動訓練支援システムを構築するとともに,上肢運動解析支援ツールを利用して環境条件に応じて変化する人間の手先操作特性の実験的な計測・解析を行った.主な結果を以下に示す.1.上肢運動訓練支援システムの開発前年度に開発した仮想拘束運動解析装置に,運動リハビリテーションの作業例として仮想カーリングを実装した.訓練者は,目標となる領域へストーンが到達するように,視覚フィードバックを基にしてロボットのハンドルを操作する.このシステムは,(1)訓練者の手先運動(位置,速度,加速度,力)を計測処理する運動計測部,(2)2自由度リニアモータ装置の極座標系による可変インピーダンス制御を行うロボット制御部,(3)コンピュータグラフィックスによる仮想作業空間を訓練者に提示する視覚フィードバック部で構成した.そして,ストーンの重さや床の摩擦など環境ダイナミクスを変化させて健常者による基礎実験を行い,新たな運動リハビリテーションとして本システムの有用性を確認することができた.2.上肢多関節運動における手先操作特性の解析次に,前年度に開発した上肢運動解析支援ツールを用いて,上肢多関節運動における人間の手先操作特性の解析を行った.その結果,人間の手先操作能力は上肢姿勢に依存して大きく変化するとともに,人間は運動方向になるべく操作能力が高くなるように筋骨格系を調節する傾向を確認できた.この知見を応用すれば手先運動と上肢姿勢の双方をバランスよく同時に訓練できる可能性があり,より効果的な上肢運動リハビリテーションを実現するうえで重要なポイントを見出すことができた.

在本研究中，我们关注受工作对象约束的手部运动，实验分析了人类响应环境特征的自主运动控制的特征，并尝试开发一种利用这些特征的新的运动训练支持系统。这除了扩展已开发的虚拟约束运动分析装置构建考虑人体运动特性的上肢运动训练支持系统外，我们还利用上肢运动分析支持工具来研究随环境条件变化的人体手部控制特性. 进行实验测量和分析主要结果如下所示： 1.上肢运动训练支持系统的开发 虚拟冰壶作为前一年开发的虚拟约束运动分析装置的运动康复工作的例子，已经达到了“冰壶”的境界。机器人的手柄基于视觉反馈来操作以到达目标。该系统由（1）运动测量单元组成，用于测量和处理受训者的手部运动（位置、速度、加速度、力）；直线电机装置(3) 使用计算机图形学向受训者呈现虚拟工作空间的视觉反馈部分；以及 (3) 使用计算机图形学向受训者呈现虚拟工作空间的视觉反馈部分 我们进行了一项基本实验。能够证实该系统作为新型运动康复的实用性。2.上肢多关节运动中的手部操作特性分析接下来，我们对前一年开发的上肢运动分析支持工具进行了分析。利用该工具，我们分析了上肢多关节运动过程中人手的控制特性。结果表明，人手的控制能力随着上肢姿势的不同而变化很大，并且人手的控制能力变化幅度为可能的运动方向。通过应用这些知识，可以以均衡的方式同时训练手部动作和上肢姿势，我们希望发现实现更有效的上肢运动康复的重要要点。

项目成果

Yoshiyuki Tanaka: "Task Readiness Impedance in Human Arm Movements for Virtual Ball-Catching Task"Proceedings of the 29th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics. 478-483 (2003)

Yoshiyuki Tanaka：“虚拟接球任务中人体手臂运动的任务准备阻抗”IEEE 工业电子第 29 届年会论文集。

田中良幸: "仮想カーリングシステムを用いた人間の手先運動特性の解析"日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2003講演論文集. (発表予定). (2003)

Yoshiyuki Tanaka：“使用虚拟冰壶系统分析人类手部运动特性”2003 年日本机械工程师学会机器人和机电一体化会议论文集（待发表）。

Yusaku Takeda: "A Virtual Training Sports System for Measuring Human Hand Impedance"Proceedings of the 2003 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. 914-919 (2003)

Yusaku Takeda：“用于测量人手阻抗的虚拟训练运动系统”2003 年 IEEE/ASME 国际高级智能机电一体化会议论文集。

升本大介: "人間の上肢運動における手先操作特性の力学的解析"第11回計測自動制御学会中国支部学術講演会論文集. 58-59 (2002)

增本大辅：《人体上肢运动手控特性的动态分析》中国仪器仪表学会分会第十一届学术会议论文集58-59（2002）。

Yoshiyuki Tanaka: "Manipulability Analysis of Lower Extremities Based on Human Joint-Torque Characteristics"Proceedings of the 2nd International Symposium on Measurement, Analysis and Modeling of Human Functions. (発表予定). (2004)

Yoshiyuki Tanaka：“基于人体关节扭矩特性的下肢可操作性分析”第二届人类功能测量、分析和建模国际研讨会论文集（待发表）。