The 28th Annual Conference of the Japanese Society for Artificial Intelligence, 2014
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CFRP
複合材料弾性体
用いた筋力支援
提案：立ち
動作
適応
的支援機器開発
た
個人
動作特性プ
ァ
ン
Fundamental Profiling of Muscular Kinetics and Coordination of the Back, Thighs and Calves of the
Human Body During Standing and Sitting Motions Toward a Framework for CFRP Based
Power-Assist Mechanics
香
佑也
*1
妻
広明
*1, *2
Yuya Katsuki Hiroaki Wagatsuma
*1
九
工業大学大学院生命体工学研究
Graduate School of Life Science and Systems Engineering, Kyushu Institute of Technology
*2
理
学研究所脳
学総合研究
ンタ
RIKEN BSI
In recent years, carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) is highlighted as a material of sporting equipments and tools. As artificial leg or prosthesis, the CFRP blade is used in adapted sports and helps for sharing joys and sorrows with normal and disable persons in the same game. In the present study, we explored a basement of personal profile for building of a framework for CFRP based power-assist mechanics. As a first step, bio-mechanics, force generation and muscular change observed in EMG (electromyograph) of the body were examined in tasks with standing and sitting motions. Our experimental results demonstrated that muscular kinetics and coordination of the back, thighs and calves differentiate depending on types of supports such as self-support by hand and an external fixed bar, which may offer a clue as to a framework for material-based power-assist mechanics.
1.
はじめに
近 ボッ 技術進歩 背景 ，福祉機器 開発 い
電動 活発 進 い [木俣 2002]．し し，電動 便
利さ た 一方 ，高価格 や専門家 ン ン
必要性，電源確保 問題 あ ，電動 限 多様 支
援技術発展 期待さ ．一方 ，競技用義足 使用さ 複
合材 炭素 繊維 素材[ 田 2008] ，素材 持 特 性 身 体
本来 力学特性 最大限 利用 いう点 ，
シ ョ ン 福 祉 機 器 開 発 へ 新 た 方 向 活 用 期 待 さ
， 々 そ 研究開発 組 た[曽根 2011] [Sone
2012]．身体 持 自律性 素 材 持 特性 十 利用 し，
立 ち 補 助 具 し 弾 性 体 応 力 発 生 最 適 タ ン
加え 適応的支援機器 開発 ，対象 立ち
動作解析 期待さ [香 2014]．本報告 ，個人 動
作 特 性 身体 動作 中 動 作変 力 発生 筋電 変 時 計
測 明 方 法 模 索 し ， そ 第 一 歩 し 立 ち
時 筋 電 計 測 行 い， 支 援 方 法 や 器 具 使 用 異
筋活動 時間的特性 い 解析した．
2.
方法
立 ち 動 作 注 目 し，筋 電 計 用 いた 立 ち
時 筋 活動状態 解析 行 た．ここ ，特 動作タ
ン 筋電計 用いた計測方法 結果 い 報告 ．
2.1 トイレ立ち上がり動作
本実験 ，簡易 幅 400mm×奥 行 540mm×高さ
400mm 使用した． 着 立ち 動作 い ，
動作補助 形態 異 3 条件 対象 した 図1 ．補助
し 自身 半身 力 み用い 場合 No-Assist(NA)(図
a)，手 膝 い 立ち By-Hand (BA)(図1b)，前方手
手 け 立 Fixed-Bar (FB)(図1c) あ ．
0[s] 1[s] 2[s] 3[s]
(a) No-Assist(NA)条件 補助 し
0[s] 1[s] 2[s] 3[s]
(b) By-Hand (BA)条件 手膝 補助
0[s] 1[s] 2[s] 3[s]
(c) Fixed-Bar (FB) 条件 固定具 支援
図 . 立ち 動作
2.2 筋電計による筋電位計測
本 研 究 ， 筋 活 動 状 態 計 測 た 筋 電 計 ， 株
式会社 カ ン 社製EMG タ Fm-104 使用した．仕
様 表1 示 ．筋電 計測部 ，立ち 動作
連 絡 先 ： 香 佑 也, 九 工 業 大 学 大 学 院 生 命 体 工 学 研 究 ( 妻
研)，〒808-0196 九 市若松区 −４，093-695-6159，
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立 維持 重要 役 割 果 たし い 考 え 大
腿 四 頭 筋 太 腿 表 ， 大 腿 二 頭 筋 太 腿 裏 ， 腿 頭 筋
脹 脛 ，脊柱起立筋 背中 設定した．
表1. 筋電計測機器仕様
信機 / 送信機 Medi-104MT / Medi-Re
EMG タ ン プ Km-104
筋電図チ ンネ 数 4
感 ×1000(1mv) ×10000(100μv)
周波数特性 750Hz/1000Hz
時定数 0.015sec/0.03sec
出力電 筋電図チ ンネ :±2.5V
電極チ ンネ :0～+1.5V
3.
計測実験
立ち 動作中 身体各部 筋力 い 健常者
対象 筋電 計測 行 た．実験協力者 け 課題 ，
立 状 態 着 状態 経 立 状 態 移 行 動作 あ ，
一 被験者 計測 3条件 各30回 行 た．
実験協力者へ 指示 ，ゆ く した動作 遂行 こ ，着
し 3 程 自 数え 立ち こ あ た．実
験 い ，疲労等 影響 避け た 各条件 5回試
行毎 別 条件 替え 手 順 した． そ 結果， 概 着
立ち 各動作 4〜5 程 観測さ た．
計測さ た筋電位変化 例を図 2に示す．筋電位 正負
方向 へ変位す が，そ 絶 対値を 取 各条件 30回 分 平
均した結果が図 3 あ ．平滑化 た に時間方向に移動
平均 0.1秒幅 した を赤線 示した．
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -0.5
0 0.5
筋電位：一試行 #0002
EMG [mV]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -0.5
0 0.5
EMG [mV]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -0.2
0 0.2
EMG [mV]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -0.2
0 0.2
EMG [mV]
time [s] M1
M2
M3
M4
筋電計計測部位
M1.太腿表 大腿四頭筋
M2.太腿裏 大腿二頭筋
M3.脹 脛 腿 頭筋
M4.背中 脊柱起立筋
NA条件計測 一例
図2. 動作中 肢・背中 筋電変化 例
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0
0.1
0.2 太腿表 大腿四頭筋
[mV]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0
0.05 0.1 [mV]
太腿裏 大腿二頭筋
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0
0.02 0.04 0.06 [mV]
脹 脛 腿頭筋
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0
0.02 0.04 0.06 [mV]
time [s]
背中 脊柱起立筋
M1
M2
M3
M4
M1
M2
M3
M4
(a) NA条件 (b)BA条件
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0
0.1
0.2 太腿表 大腿四頭筋
[mV]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0
0.02 0.04 0.06 [mV]
太腿裏 大腿二頭筋
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0
0.01 0.02 0.03 [mV]
脹脛 腿 頭筋
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0
0.02 0.04 0.06 [mV]
time [s]
背中脊柱起立筋
M1
M2
M3
M4
筋電計計測部位
M1.太腿表 大腿四頭筋
M2.太腿裏 大腿二頭筋
M3.脹 脛 腿 頭筋
M4.背中 脊柱起立筋
(c)FB条件
図3. 各3条件におけ 筋電位変化 平滑処理
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0
0.05 0.1 [mV]
太腿表大腿四頭筋
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0
0.02 0.04 0.06 [mV]
太腿裏大腿二頭筋
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0
0.02 0.04 [mV]
脹 脛下腿三頭筋
time [s]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0
0.02 0.04 [mV]
背中脊柱起立筋
：介助 し ：手膝の介助 ：固定具 る 介助
図4. 滑筋電 変 け 3条件 比較
滑筋電 変 け 3条件 比較 図4 示した．そ
結果，立ち 12 〜17 間 い ，特 大腿四
頭筋(太腿表) い 初動 2 顕著 違い 見 た． 補
助 し NA条件 筋電 見 こ ，最
筋 力 負 担 大 い タ ン 考 え ． 固 定 具 支 援
(FB) こ 区 間 筋 力 い こ ， こ 立 ち 初
動 数 タ ン 合わ 個人的差 含 力 補助
ば効果的 立ち 支援 得 推定さ ．
4.
結論
本研究 ，CFRP 複合材料等 用いた筋力支援 向けた
立ち 動作 力発 生 筋 力 特性 解 析した． ネや し
い た素材特性 力 一時的蓄積 開放 力補助 ，適
応的支援機器 し 展望 あ ，電動機器 う 一定 力
安定的 供給 こ いた ，そ タ ン 制御
不可欠 要件 ．個人 動作 種別 時間 特
性 明 し， 開発 調 整 応 用 う プ ァ ン
進 必要 あ ．
謝辞
本研究 果 ，JST-A-STEP (シ 顕 ) 認知運動協調
ション ン 得 た弾性体 用いた 動 作自
立支援機器 開発 支援 けた．
参考文献
[木 俣 2002] 木 俣 直 得: 福 祉 用 具 産 業 構 造 特 徴 ，
日本福祉大学研究紀要-現代 文化 第 107 号，日
本福祉大学福祉社会開発研究所, 2002．
[川 田 2008] 川 田 宏 之: 複 合 材 料 研 究 新 展 開 ，
MATERIALS and PROCESSING No.36，一般社団法人
日本機械学会, 2008．
[曽根 2011] 曽根雅史，我妻広明: ボット用人工筋肉
開 発 に 向 け た 瞬 発 性 を 持 つ Ｓ 字 機 構 検 討 ， 電 子 情
報通信学会技術研究報告 NC研究会
111(241)NC2011-57，電子情報通信学会, 2011．
[Sone 2012] M. Sone, H. Wagatsuma, K. Tachibana, K.
Sakamoto: Robotic rehabilitation tool supporting up and
down motions in the bathroom – analyses of the
catapult-assisted taking-off mechanism ， Proceedings of 9th
International Conference on Disability, Virtual Reality and
Associated Technologies，ICDVRAT, 2012．
[香月 2014] 香月佑也: 我妻広明:トイ 立 が におけ
筋 力 支 援 を 目 的 し た 弾 性 体 た わ み 応 力 計
測，電子情報通信学会技術研究報告NC研究会，電子
