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研究実績の概要

本研究では、上肢の一部を失われた身体障がい者が物体とのインタラクションなど日常生活における殆どの作業を行うことができ、外観上にも本物の手と同様な多自由度電動義手の開発を行っている。令和元年度には主に解剖学に基づいて指骨と関節を新しく設計し、３Dプリンターを用いて製作を行った。しかし、腱膜や靭帯などを弾力性や骨の上に糸を通すトンネルなどが不自然であるなどさまざまな問題点があった。令和2年度では光造形式３Dプリンターを購入したので材料をABS材からUVレジン材に変更した。これにより、指骨をより細かい部分までナチュラルかつ機能的な面を考慮して再設計が可能になった。さらに、手首のモデルの設計も行い、球関節を手根骨の内部に埋め込むように設計した。さらに、人間のように粘弾性制御を行うためには各関節に伸筋と屈筋のペアが必要である。複数の伸筋と屈筋を表す各モータを同時に制御するため、２０ｃｈモータコントローラーの設計・製作を行った。作られた２０ｃｈモータコントローラーは小型（31cmｘ16㎝ｘ3㎝）でパソコンとの情報伝達を担当するメインマイコン1個（STM32F103、ARM社）と5個のモータの制御を担当するサブマイコン（STM32F302f、ARM社）4個を用いて制御を行う。また、電源部と制御部は完全に電気的に分離して設計を行った。これまでの研究結果を研究室のホームページ（http://wrlab.t-kougei.ac.jp/）と東京工芸大学公式ブログであるKOGEI PEOPLE（https://blog.t-kougei.ac.jp/mc/）に公開している。さらに、前回、「A Design of Anthropomorphic Hand based on Human Finger Anatomy」タイトルで投稿した国際会議（CcS2020）ではExcellent Paper賞を獲得した。　

現在までの進捗状況

令和元年度には外観の装飾性が良い多自由度を持つ電動義手の製作が目標であった。その結果、母指に４自由度（MCP２、PIP、DIP）、その他の４指に各３自由度（MP、PIP、DIP）、合計１６自由度の電動義手が設計・製作を行った。さらに、表面筋電信号を用いて日常生活に重要な4種類の動作（握力把握、精密把持、側面把握、リラックス）に対して平均90.8％の動作識別率を見せた。その結果は国際論文誌に投稿中である。

現在では手首の手根骨や前腕の橈骨や尺骨の設計を行った。特に、手首関節は手根骨と橈骨の間を球関節の設計を行い、橈骨には球のボールを手根骨には受け皿を合併した設計を考案した。さらに、橈骨と尺骨には手首の2次元角度調節の伸筋・屈筋の4つのモータと指関節制御用の10個のモータ、総14個のモータが骨の中に入るような配置を行った。さらに、多チャンネルのモータドライブシステムが市販されなかったため２０ｃｈのDCモータコントローラー（MyoBoard ver. 01）を設計した。製作されたモータコントローラーはフィードバックなしでは20個のモータを同時に制御可能であり、エンコーダーのフィードバックがあれば12個のモータを同時に制御可能になる。現在はマイコンの制御関数をCプログラミングを行っている。

今後の研究の推進方策

　令和元年度では外観の装飾性が良い多自由度を持つ電動義手の製作し、日常生活に重要な4種類の限られたパターン動作を高い認識率で成功した。令和2年度では骨モデルの改善と共に手首と前腕部まで３D設計を行った。さらに、20chモータコントローラーを設計し、PCBボード製作を行った。

今後では自作したコントローラーのマイコン用の制御関数をプログラミングが主な作業になる。制御関数のライブラリが完成できれば表面筋電信号を入力した粘弾性制御を行う予定である。それと共に設計した通り小型アクチュエータを前腕部の橈骨と尺骨に埋めて人間と同程度のサイズを持つ多自由度義手の製作を目標とする。その結果を国際論文誌に投稿する予定である。

（概要）

本研究では、事故などで上肢の一部を失われた身体障がい者が物体とのインタラクションなど日常生活における殆どの作業を行うことができ、外観上にも本物の手と同様な多自由度電動義手の開発を目的とする。近年、申請者らはロボットハンドを製作し、筋肉の数式モデルを用いて粘弾性を制御することを提案している。このノウハウを応用し、①人腕の骨格モデルに基づいた電動義手を製作し、②機械学習をほとんど必要としない筋肉の数式モデルを用いて各アクチュエータの粘弾性を制御することで革新的な電動義手の基盤技術の構築を目指す。本研究によって身体障がい者向きの筋電電動義肢やリハビリなど臨床へ応用、そして、海底、宇宙環境で人間のように巧みに操作するロボットハンドへの応用も期待される。

(研究背景）

義肢の歴史は古く、紀元前950〜710年に製作された足の義指が世界最古の義肢である。中世時代でも鉄腕ゲッツの異名を持つゲッツ・ベルリヒンゲンの鋼鉄の義手が現存している。近代から現在までは二回の世界大戦と様々な戦争により手足を失う傷痍軍人が急増し、本物の肉体に近い外観再現を重視するエピテーゼ義肢の製作が発達されてきた。しかし、数千年の間、外装の材料を銅鉄からゴムやシリコンを用いることだけで、四肢切断者に重要な機能的な面では殆ど発展がなかった。

一方、５０年前から市販された電動義手も表面筋電位の閾値を用いたオン・オフ制御が多く、５本指を制御できる多自由度義手やロボットの研究は常用化されていない。その理由は機能的な面を重視する電動義手は人間の骨格系と異なるリンク構造を持っているのでシリコン皮膚を被せるだけでは皮膚の歪みが生じてしまい、患者が装着することを好まないからである。最近、３Dプリンターの普及により、子供用の電動義手が安く製作することが可能になった。しかし、成人が使うにはトルクが足りないことや外観上の問題が解決できない。そこで、我々は人間の骨格系に基づいて作られた骨ロボットなら拳を握っても骨の形状により皮膚の歪みがなくなり自然な動作が可能になると考えた。

予備実験のため日本人の標準骨格を用いて3倍大きいサイズを持つ指ロボットの製作を行った。その結果、トルクの伝達機構を指骨の関節に導入すれば日常生活に十分な力を発揮できる電動義手の製作が可能である事が分かった。現在は研究協力者と共にトルク伝達機構の設計や柔らかい表面筋電センサの製作など基礎研究を行っている。