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本研究成果のポイント
- 独自の筋シナジー理论注1に基づく动作识别法とインピーダンスモデル注2に基づくバイオミメティック制御法注3により、高精度かつ滑らかな动作を実现可能な筋电义手制御法を开発しました。
- 各指の独立した単一动作のみをシステムに机械学习させるだけで、学习を行なっていない多様な组み合わせ动作の制御に世界で初めて成功しました。
- 3顿プリンタ製パーツ、制御用マイクロコンピュータを採用することで、安価かつコンパクトな高机能筋电义手を実现しました。
概要
広岛大学大学院工学研究科の辻敏夫教授、同博士課程後期2年の古居彬氏（日本学術振興会特別研究員）らを中心とする研究チームは、兵庫県立福祉のまちづくり研究所および近畿義肢製作所との共同研究により、独自の筋シナジー理论とバイオミメティック制御に基づく3Dプリンタ製高機能筋電義手の開発に成功しました。
筋電義手は、筋が収縮する際に発生する筋電位信号を用いて操作する電動義手であり、事故や病気で上肢を失った患者に対して処方されます。筋電義手の制御では、計測した筋電位信号から使用者が意図した動作や力の入れ具合を推定し、それらの情報に基づいて電動義手の各モータを制御します。そのため、人間の手に匹敵するような筋電義手を実現するためには、使用者の動作意図の高精度な推定と、推定された動作に基づく自然で滑らかな操作性の2つを同時に実現する必要があります。本研究の筋電義手は、独自に開発した筋シナジー理論に基づく动作识别法とインピーダンスモデルに基づくバイオミメティック制御を導入することで、これらの課題を解決しました。この方法は、各指の独立した単一動作のみをシステムに機械学習させるだけで、学習を行なっていない多様な組み合わせ動作を制御可能という世界で初めての技術的な特徴を有しています。また、このアルゴリズムはマイクロコンピュータ上に実装されており、義手を動かすために必要な機能が小型回路上で完結しています。さらに、義手本体のパーツは3Dプリンタを用いて印刷されており、高度な機能を備えている義手にもかかわらず、製造コストの削減およびメンテナンス性の向上にも成功しました。
本研究成果は、科学誌「Science Robotics online」に掲載されました。
2019年6月26日、本件について、広岛大学东広岛キャンパスにおいて记者説明会を开催しました。
用语解説
(注１) 筋シナジー理论：
人间が身体运动を行う际、个々の筋単位の制御で运动を実现しているのではなく、复数の筋の协调パターンである筋シナジーと呼ばれる少数の机能単位を组み合わせることで実现しているという仮説。
(注２) インピーダンスモデル：
力と运动の関係性を表す刚性、粘性、惯性といった机械インピーダンスを用いて、生体の身体运动特性をモデル化したもの。
(注3) バイオミメティック制御：
生体の有する机能や特性を机械システムに组み込むことで、生体を模倣するように人工物の制御を行う方法。生体模倣制御とも呼ばれる。
図: 開発した筋電義手のシステム全体像
本システムは、3顿プリンタ製の义手本体、マイクロコンピュータを中心とした小型制御回路、そして筋电计测用电极から构成される（左図）。上肢切断患者を対象とした実験を行うにあたり、専用の実験システムも构筑した（右図）。
论文情报
- 掲載雑誌: Science Robotics
- 論文題目: A myoelectric prosthetic hand with muscle synergy-based motion determination and impedance model-based biomimetic control
- 著者: 古居 彬1、江藤 慎太郎1、中垣 光裕1、島田 恭平1、中村 豪2、増田 章人3、陳 隆明2、辻 敏夫1
1. 広岛大学大学院工学研究科
2. 兵庫県立福祉のまちづくり研究所
3.近畿义肢製作所 - DOI: 10.1126/scirobotics.aaw6339
【お问い合わせ先】
広岛大学大学院工学研究科
教授 辻 敏夫
