肩甲骨運動と計測手法

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第 6 章

肩甲骨運動の計測

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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

6.1 肩甲骨運動と計測手法

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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．

6.1 肩甲骨運動と計測手法

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図 6.1 4自由度モデル．

図 6.2 装着イメージ．

6.2 4 自由度モデル

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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）A₁A₂A₃A₄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A₃，A₆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 py 0 px

0Op O O O

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，





0 py

0Opx O O

Q   

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 ，

 

 C C C i

C_i ^p _xi ^p _yi ^p _zi ^T

p

とし，₀における座標を，





i C C C

C ^{0 0 0}

0 

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，





yi p xi p i

pA  A A A

6.2 4自由度モデル

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とする．ここで^pC_iと⁰A_i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．

6.2 4 自由度モデル

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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．