JPH1094524A

JPH1094524A - 筋骨格系の機械インピーダンス計測方法及び装置

Info

Publication number: JPH1094524A
Application number: JP8253620A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Gomi; 裕章五味; Mitsuo Kawahito; 光男川人
Original assignee: ATR NINGEN JOHO TSUSHIN KENKYU; Nippon Telegraph and Telephone Corp; ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR NINGEN JOHO TSUSHIN KENKYU; Nippon Telegraph and Telephone Corp; ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 1998-04-14

Abstract

(57)【要約】【課題】運動や作業中の多関節の筋骨格系において、力
学的構造に依存する係数、および筋の力学的状態によっ
て変化する関節周りの粘性・弾性などの機械インピーダ
ンス係数を計測することができる筋骨格系の機械インピ
ーダンス計測方法及び装置を提供する。【解決手段】摂動手段１が筋骨格系Ｏに摂動を与え、位
置計測手段２にて筋骨格系Ｏの位置を計測し、摂動によ
り与えた外力を外力計測手段３にて計測する。そして、
摂動変化分抽出モジュール４は計測された筋骨格系Ｏの
位置と与えた外力から、摂動により変化した筋骨格系Ｏ
の位置と外力の変化量を抽出し、係数推定モジュール５
は計測した筋骨格系Ｏの位置と与えた外力、及び抽出さ
れた各変化量を基に、筋骨格系らの力学的構造に依存す
る係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性係
数を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スポーツ計測、作
業計測、運動計測などにおいて、運動中あるいは作業
中、人間の腕や足など筋骨格系の関節の粘性・スティフ
ネスなどの機械インピーダンスを定量的に計測する筋骨
格系の機械インピーダンス計測方法及びそれを実施する
ための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】環境・作業の変化に応じて人間がどのよ
うに筋骨格系の特性を調節するのかを調査研究すること
は、ロボットの設計や人間と機械とのインターフェース
設計において重要である。従来より、人間の関節ダイナ
ミクスを同定する研究は、肘、親指、足首、および手先
などについて様々な視点から多く行われている。それら
の多くの研究では、姿勢保持中あるいは外力を変化させ
ている間に摂動を与え、２次の線形モデル（あるいはそ
の一部）を利用してそのパラメータを推定する手法を用
いている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、人間の腕の
作業方向に対する力の発生の効率や、姿勢に応じてどの
程度柔らかさ・堅さを実現できるかを調べる研究では、
腕を対象にして手先位置での慣性・粘性・弾性といった
機械インピーダンスの計測実験を行っている。しかし、
従来の機械インピーダンスの計測方法は、摂動以外の要
因によって手先等の位置・力が計測中変化しないことを
前提としている。

【０００４】よって、姿勢が変化しない状態における機
械インピーダンス係数の推定は可能であるが、運動中な
ど動的姿勢や力の変化がある場合には、それらの手法を
用いて筋骨格系の機械インピーダンス係数である関節の
粘性や弾性を推定することが困難であった。

【０００５】例えば、多関節運動中では、加速度に比例
する慣性係数も、姿勢変化に応じて変化するので、各イ
ンピーダンス係数を精度よく計測することが困難であっ
た。また、筋電図計測などで、筋の活動状態を計測する
方法では、力学的な定量化が不可能であった。

【０００６】ここにおいて本発明の解決すべき主要な目
的は、次の通りである。本発明の第１の目的は、運動や
作業中の多関節の筋骨格系において、力学的構造に依存
する係数、および筋の力学的状態によって変化する関節
周りの粘性・弾性などの機械インピーダンス係数を計測
することができる筋骨格系の機械インピーダンス計測方
法及びこれを実施するための装置を提供せんとするもの
である。

【０００７】本発明の第２の目的は、スポーツ医学にお
ける筋制御トレーニング装置や四肢運動のリハビリテー
ション装置に利用することができ、力学情報を用いるマ
ンマシンインターフェース装置などに応用することがで
きる筋骨格系の機械インピーダンス計測方法及びこれを
実施するための装置を提供せんとするものである。

【０００８】本発明のその他の目的は、明細書、図面、
特に特許請求の範囲の各請求項の記載から自ずと明らか
となろう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、筋骨格系の機
械インピーダンスを計測するに当たり、摂動手段にて筋
骨格系に摂動を与え、前記筋骨格系の位置および摂動に
より前記筋骨格系に与えた外力を計測し、計測された前
記筋骨格系の位置と前記筋骨格系に与えた外力から、摂
動により変化した前記筋骨格系の位置と外力の変化量を
抽出し、計測した前記筋骨格系の位置および外力と抽出
された各変化量とを基に、筋骨格系の力学的構造に依存
する係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性
係数を算出する。よって、運動や作業中の多関節の筋骨
格系において、力学的構造に依存する係数、および筋の
力学的状態によって変化する関節周りの粘性・弾性など
の機械インピーダンス係数を計測することができる。さ
らに具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発
明が次に列挙するそれぞれの新規な特徴的構成手法また
は手段を採用することにより、前記目的を達成する。

【００１０】すなわち、本発明方法の第１の特徴は、筋
骨格系の機械インピーダンスを計測するに当たり、摂動
手段にて筋骨格系に摂動を与える第１ステップと、前記
筋骨格系の位置および摂動により前記筋骨格系に与えた
外力を計測する第２ステップと、計測された前記筋骨格
系の位置と前記筋骨格系に与えた外力から、摂動により
変化した前記筋骨格系の位置と外力の変化量を抽出する
第３ステップと、前記第２ステップにて計測した前記筋
骨格系の位置および外力と前記第３ステップにて抽出さ
れた各変化量を基に、当該筋骨格系の力学的構造に依存
する係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性
係数を算出する第４ステップと、からなる筋骨格系の機
械インピーダンス計測方法の構成採用にある。

【００１１】本発明方法の第２の特徴は、運動中の腕の
機械インピーダンスを計測するに当たり、被験者の腕の
運動を水平面内に制限し、かつ抗重力のための保持力の
発生を防いで、当該被験者の手先に摂動を与える第１ス
テップと、前記被験者の手先の位置および当該手先に与
えた外力を計測する第２ステップと、計測された前記手
先の位置と当該手先に与えた外力から、摂動により変化
した前記被験者の手先の位置および当該手先に与えた外
力の変化量を抽出する第３ステップと、前記第２ステッ
プにて計測した前記被験者の手先の位置および当該手先
に与えた外力と前記第３ステップにて抽出された各変化
量を基に、被験者の腕の力学的構造に依存する係数およ
び筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性係数を算出す
る第４ステップと、からなる筋骨格系の機械インピーダ
ンス計測方法の構成採用にある。

【００１２】本発明方法の第３の特徴は、前記本発明方
法の第２の特徴における前記第１ステップが、その前段
に、被験者の手先を所定の位置Ｓに置き、合図とともに
腕を動かして所定の位置Ｅで止める試行を繰り返し行
い、当該被験者による動作を一様にする前作業を有して
なる筋骨格系の機械インピーダンス計測方法の構成採用
にある。

【００１３】本発明方法の第４の特徴は、前記本発明方
法の第２又は第３の特徴における前記第２ステップの手
先の位置計測及び外力計測が、予め求めた肩の位置と前
腕・上腕の長さを使って座標変換して当該腕の関節角度
及び関節トルクに換算することにより行ってなる筋骨格
系の機械インピーダンス計測方法の構成採用にある。

【００１４】本発明方法の第５の特徴は、前記本発明方
法の第２、第３又は第４の特徴における前記第３ステッ
プの変化量の抽出が、各試行において計測された肩・肘
関節の外力ベクトル、関節角ベクトル、その角速度ベク
トル、角加速度ベクトルから摂動によるそれぞれの変化
分を取り出してなる筋骨格系の機械インピーダンス計測
方法の構成採用にある。

【００１５】本発明方法の第６の特徴は、前記本発明方
法の第５の特徴における前記第３ステップの変化量の抽
出が、前記各試行ごとのばらつきを除去するため、摂動
毎にデータをアンサンブル平均してなる筋骨格系の機械
インピーダンス測定方法の構成採用にある。

【００１６】本発明方法の第７の特徴は、前記本発明方
法の第２、第３、第４、第５又は第６の特徴における前
記第４ステップの関節粘性・関節弾性係数の算出が、水
平面内で動作する２関節の腕の機械インピーダンス係数
であるスティフネス行列と粘性行列を腕の力学構造モデ
ルを用いて成立した関係式を変形して実行してなる筋骨
格系の機械インピーダンス計測方法の構成採用にある。

【００１７】本発明方法の第８の特徴は、前記本発明方
法の第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴にお
ける前記摂動手段が、ベースプレート平面上に設けら
れ、かつ平行四辺形状に連結構成された４つのリンク
と、根元固定回転側の２つの前記リンクの固結部を駆動
するトルクモータと、先端可動自由側の２つの前記リン
クの枢結部に設けられ、かつ前記ベースプレート平面上
の移動を非接触とし、鉛直方向の力とモーメント力を支
持するグリッパと、からなる筋骨格系の機械インピーダ
ンス計測方法の構成採用にある。

【００１８】本発明方法の第９の特徴は、前記本発明方
法の第４、第５、第６、第７又は第８の特徴における前
記第２ステップでの手先の位置計測が、前記トルクモー
タに位置センサを取付け、当該位置センサにて検出され
るモータ回転角を座標変換した計測値を利用してなる筋
骨格系の機械インピーダンス計測方法の構成採用にあ
る。

【００１９】本発明方法の第１０の特徴は、前記本発明
方法の第４、第５、第６、第７、第８又は第９の特徴に
おける前記第２ステップでの手先に加わった外力計測
が、前記リンクの先端側で前記グリッパと共に回転する
位置に力センサを取付け、当該力センサにて外力の大き
さを検出するとともに、当該グリッパの回転角をエンコ
ーダにて検出することにより作業座標系における力の方
向を検知してなる筋骨格系の機械インピーダンス計測方
法の構成採用にある。

【００２０】本発明方法の第１１の特徴は、前記本発明
方法の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第
８、第９又は第１０の特徴における前記第１ステップの
摂動が、ランダムな順序で与えられる微小摂動である筋
骨格系の機械インピーダンス計測方法の構成採用にあ
る。

【００２１】本発明方法の第１２の特徴は、前記本発明
方法の第１又は第２の特徴における前記第３ステップと
前記第４ステップが、コンピュータにて実現してなる筋
骨格系の機械インピーダンス計測方法の構成採用にあ
る。

【００２２】本発明方法の第１３の特徴は、前記本発明
方法の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第
８、第９、第１０、第１１又は第１２の特徴における前
記筋骨格系の機械インピーダンス計測が、当該筋骨格系
のトレーニング又はリハビリテーションの効果確認に用
いてなる筋骨格系の機械インピーダンス計測方法の構成
採用にある。

【００２３】本発明装置の第１の特徴は、筋骨格系に摂
動を与える摂動手段と、前記筋骨格系の位置を計測する
位置計測手段と、摂動により前記筋骨格系に与えた外力
を計測する外力計測手段と、計測された前記筋骨格系の
位置と前記筋骨格系に与えた外力から、摂動により変化
した前記筋骨格系の位置の変化量と外力の変化量を抽出
する摂動変化分抽出モジュールと、前記位置計測手段に
て計測した前記筋骨格系の位置、前記外力計測手段にて
計測した前記筋骨格系に与えた外力、及び前記摂動変化
分抽出モジュールにて抽出された各変化量を基に、前記
筋骨格系の力学的構造に依存する係数および筋の状態に
依存する関節粘性・関節弾性係数を算出する係数推定モ
ジュールと、からなる筋骨格系の機械インピーダンス計
測装置の構成採用にある。

【００２４】本発明装置の第２の特徴は、被験者の腕の
運動を水平面内に制限し、かつ抗重力のための保持力の
発生を防いで、当該被験者の手先に摂動を与える摂動手
段と、前記被験者の手先の位置を計測する位置計測手段
と、前記被験者の手先に与えた外力を計測する外力計測
手段と、計測された前記手先の位置と当該手先に与えた
外力から、摂動により変化した前記被験者の手先の位置
および当該手先に与えた外力の変化量を抽出する摂動変
化分抽出モジュールと、前記位置計測手段にて計測した
前記被験者の手先の位置、前記外力計測手段にて計測し
た前記被験者の手先に与えた外力、及び前記摂動変化分
抽出モジュールにて抽出された各変化量を基に、前記被
験者の腕の力学的構造に依存する係数および筋の状態に
依存する関節粘性・関節弾性係数を算出する係数推定モ
ジュールと、からなる筋骨格系の機械インピーダンス計
測装置の構成採用にある。

【００２５】本発明装置の第３の特徴は、前記本発明装
置の第２の特徴における前記摂動手段が、ベースプレー
ト平面上に設けられ、かつ平行四辺形状に連結構成され
た４つのリンクと、根元固定回転側の２つの前記リンク
の固結部を駆動するトルクモータと、先端可動自由側の
２つの前記リンクの枢結部に設けられ、かつ前記ベース
プレート平面上の移動を非接触とし、鉛直方向の力とモ
ーメント力を支持するグリッパと、からなる筋骨格系の
機械インピーダンス計測装置の構成採用にある。

【００２６】本発明装置の第４の特徴は、前記本発明装
置の第３の特徴における前記位置計測手段が、前記トル
クモータに取付けられ、当該トルクモータの回転角を検
出し、当該検出値を座標変換して出力する位置センサか
らなる筋骨格系の機械インピーダンス計測装置の構成採
用にある。

【００２７】本発明装置の第５の特徴は、前記本発明装
置の第３又は第４の特徴における前記外力計測手段が、
前記グリッパと共に回転する位置に取付けられ、かつ外
力の大きさを検出する力センサと、前記グリッパの回転
角を検出して作業座標系における力の方向を検知するエ
ンコーダと、からなる筋骨格系の機械インピーダンス計
測装置の構成採用にある。

【００２８】本発明装置の第６の特徴は、前記本発明装
置の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における前
記摂動変化分抽出モジュールと係数推定モジュールが、
コンピュータにて実現されてなる筋骨格系の機械インピ
ーダンス計測装置の構成採用にある。

【００２９】本発明装置の第７の特徴は、前記本発明装
置の第１、第２、第３、第４、第５又は第６の特徴にお
ける前記筋骨格系の機械インピーダンス計測装置が、当
該筋骨格系のトレーニング又はリハビリテーションの効
果確認に用いる筋制御トレーニング装置又は四肢運動の
リハビリテーション装置の内部に組み込まれてなる筋骨
格系の機械インピーダンス計測装置の構成採用にある。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の実施の形態を、その装置例及び方法例に基づいて説
明する。

【００３１】（装置例）図１は本発明に係る装置例の筋
骨格系の機械インピーダンス計測装置αの構成を示す。
同図に示す通り、本装置例の筋骨格系の機械インピーダ
ンス計測装置αは、摂動手段１、位置計測手段２、外力
計測手段３、摂動変化分抽出モジュール４、及び係数推
定モジュール５からなる。

【００３２】摂動手段１は、ランダムな順序で被験者Ｐ
の筋骨格系Ｏに微小摂動を与える。摂動手段１として
は、例えば、図２に示すマニピュランダムＰＦＭ１０を
使用する。マニピュランダムＰＦＭ１０は、従来のマニ
ピュランダムに見られた問題、すなわち（１）剛性、
（２）動作速度、（３）ダイナミックス補償、（４）腕
支持方法を解決し、さらに広範囲の環境ダイナミクスを
実現できるように開発されたものである。

【００３３】マニピュランダムＰＦＭ１０は、テーブル
（ベースプレート）１１の平面上に設けられ、かつ平面
パンタグラフ様の平行四辺形状に固結１２ａ′、枢結部
１２ｂ′、１２ｃ′、１２ｄ′にて連結構成された４つ
のリンク１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、テーブル
１１の下に配置され、かつ根元固定回転側の２つのリン
ク１２ａ、１２ｂ固結部１２ａ′を駆動するトルクモー
タ１３と、先端可動自由側の２つのリンク１２ｃ、１２
ｄの枢結部１２ｄ′の前腕支持用プレート１８上に設け
られ、かつテーブル１１平面上の移動を非接触とし、鉛
直方向の力とモーメント力を支持するグリッパ１４とか
らなる。

【００３４】位置計測手段２は、被験者Ｐの筋骨格系Ｏ
の位置（例えば、腕であれば、上腕と前腕の位置等）を
計測する。位置計測手段２としては、図２に示すマニピ
ュランダムＰＦＭ１０のトルクモータ１３に取付けた位
置センサ（図を省略した）にて構成する。位置センサ
は、検出されたモータ回転角を座標変換して位置計測値
を出力する。なお、腕の関節角度、および手先に加わっ
た力を関節トルクに換算した値は、予め求めた肩の位置
と前腕・上腕の長さを使って座標変換をすることにより
求められる。

【００３５】外力計測手段３は、被験者Ｐの筋骨格系Ｏ
に与えられた外力を計測する。外力計測手段３として
は、図２に示すマニピュランダムＰＦＭ１０のグリッパ
１４と共に回転する位置に取付けた力センサ（図を省略
した）と、グリッパ１４の回転角を検出するエンコーダ
とにて構成する。力センサは、外力の大きさを示す信号
を出力し、エンコーダはグリッパ１４の回転角から作業
座標系における力の方向を示す検知信号を出力する。

【００３６】摂動変化分抽出モジュール４は、摂動によ
り変化した被験者Ｐの筋骨格系Ｏの位置や外力の成分だ
けを抽出する。係数推定モジュール５は、位置計測手段
２、外力計測手段３及び摂動変化分抽出モジュール４か
らの出力信号を用いて筋骨格系の機械インピーダンスを
算出する。なお、摂動変化分抽出モジュール４及び係数
推定モジュール５は、コンピュータ２０にて実現する。

【００３７】（方法例）次に、前記装置例の筋骨格系の
機械インピーダンス計測装置αを使用した計測方法の方
法例について説明する。本方法例では、運動中の被験者
Ｐの腕の機械インピーダンスを計測することとする。

【００３８】先ず、被験者Ｐは、マニピュランダムＰＦ
Ｍ１０のテーブル１１の前に置かれた椅子１５に座り、
肩をストラップ１６にて椅子１５の背に固定するととも
に、右前腕を各被験者Ｐに合せて形成した熱可塑性プラ
スチック１７にて覆い、前腕支持用プレート１８に固定
する。このとき、被験者Ｐはグリッパ１４を握る。

【００３９】続いて、被験者Ｐは、図２に示すように、
手先を位置Ｓに置き、ブザーの合図とともに腕を動か
し、位置Ｅで止める試行を繰り返し行う。被験者Ｐによ
る毎回の動作が一様になった後、マニピュランダムＰＦ
Ｍ１０のトルクモータ１４は試行の特定の時点で、様々
な方向に微小摂動を加える（ステップＳ１）。かかる摂
動を加えた試行は必要回数繰り返し行われる。このと
き、位置計測手段２は被験者Ｐの手先の位置等を計測
し、外力計測手段３は被験者Ｐの手先に与えられた外力
を計測する（ステップＳ２）。

【００４０】次に、摂動変化分抽出モジュール４が計測
された手先の位置と当該手先に与えた外力から、摂動に
より変化した被験者Ｐの手先の位置および当該手先に与
えた外力の変化量を抽出する（ステップＳ３）。そし
て、係数推定モジュール５が被験者Ｐの手先の位置およ
び当該手先に与えた外力と抽出された変化量とを基に、
被験者Ｐの腕の力学的構造に依存する係数および筋の状
態に依存する関節粘性・関節弾性係数を算出する（ステ
ップＳ４）。

【００４１】具体的には、以下に示すように、水平面内
を運動する腕の機械インピーダンスを計測する。

【外１】

【００４２】

【外２】

【数１】

【００４３】

【外３】

【数２】

【００４４】さらに、試行ごとのばらつきを除去するた
め、摂動毎にデータをアンサンブルル平均する。以上の
手順により関節角度ベクトルの摂動による変化成分のデ
ータが得られる。

【外４】

【００４５】図３の(a) と(b) は抽出された肩と肘関節
の角度の摂動による変化成分の一例、(c) と(d) は肩と
肘関節の角速度の摂動による変化成分の一例、図４の
(e) と(f) は抽出された肩と肘関節の角加速度の摂動に
よる変化成分の一例、(g) と(h) は抽出された肩と肘関
節の外力トルクの摂動による変化成分の一例である。本
例では、摂動は８つの別々のパターンで運動後半に与え
られ、各摂動パターンに対する応答がそれぞれのグラフ
に重ね書きされている。

【００４６】係数推定モジュール５では、以下のように
（４）の関係式を変形して係数を算出する。水平面内で
動作する２関節の腕の機械インピーダンス係数であるス
ティフネス行列Ｒと粘性行列Ｄは、腕の力学構造モデル
を用いると、次式の関係が成立する。

【００４７】

【数３】

【００４８】ここで、Ｉは慣性行列、Ｈは遠心力・コリ
オリ力などの非線形干渉力ベクトルである。

【外５】

【００４９】

【数４】

【００５０】Ｄ₁₁、Ｒ₁₁は肩関節の要素、Ｄ₂₂、Ｒ₂₂は
肘関節の要素、Ｄ₁₂、Ｄ₂₁、Ｒ₁₂、Ｒ₂₁は２関節に連動
した要素である。

【００５１】さて次に、式（４）を次式のように変形す
る。

【数５】

【００５２】

【外６】

【数６】

【００５３】式（６）中のＮは、式（５）に含まれる腕
の構造と筋の状態に依存した係数ベクトルであり、次式
で表される。

【数７】

【００５４】

【外７】

【数８】

【００５５】

【外８】ここで、上記（８）中の腕の力学構造に依存した係数Ｚ
i は、式（９）に示される通り、腕の位置・速度・加速
度や筋の状態に依存しないため、各被験者ごとに一定と
みなせる。

【外９】

【００５６】図５は、以上に説明した方法で推定され
た、図２のＳ−＞Ｅへの運動中における９つの時点での
腕の関節スティフネス係数Ｒ₁₁、Ｒ₁₂、Ｒ₂₁、Ｒ₂₂であ
る。なお、図５中太線で示した区間が運動をしている時
間である。図５の１［ｓ］が運動開始時点で、２［ｓ］
が運動終了時点である。摂動は、１回の試行において、
９つの時点の内のランダムな１時点に、８つのパターン
の１つのパターンをランダムな順序で与えた。

【００５７】１つの時点における摂動パターンを全て使
い、その時点でのスティフネスを上記手法で推定した。
この例ではｔ_est＝０．２８［ｓ］とした。図５に示さ
れるように、運動開始から全てのスティフネス係数は上
昇し、運動中間で下がり、また上昇している。特に肩関
節スティフネス（Ｒ₁₁）は、肘・２関節スティフネスと
比べて大きく上昇している。また、運動終了とともにス
ティフネスは下がる傾向にある。

【００５８】図６に各計測時点における関節スティフネ
スから求められた手先スティフネス楕円体３０を示す。
なお、図６中の太い線は運動開始時の腕３１の姿勢と、
運動終了時の腕３１の姿勢を表し、矢印は運動の方向を
示す。手先スティフネス楕円体３０は、関節スティフネ
ス行列から座標変換により手先スティフネス行列に変換
された後、単位変位を全方向に掛けることにより求めら
れ、手先における反力の大きさと方向を示す。運動の開
始と共に手先スティフネス楕円体３０は大きくなり、運
動の終了とともに手先スティフネス楕円３０が小さくな
っており、運動中手先スティフネスがどのように変化す
るかを知ることができる。

【００５９】以上説明したように本発明の装置例及び方
法例によれば、力学的構造に依存する係数を求めること
ができるため、個人ごとの筋骨格系の力学的特性を知る
ことができる。また、力学的構造に依存した係数は、姿
勢に依らないため、予め推定した力学的構造に依存した
係数を用いることにより、推定パラメータを減少させる
ことができ、ロバストな係数推定を可能とする。

【００６０】以上本発明の代表的な装置例及び方法例に
ついて説明したが、本発明は必ずしも当該装置例の手段
及び当該方法例の手法だけに限定されるものではない。
本発明の目的を達成し、後述する効果を有する範囲内に
おいて適宜変更して実施することができるものである。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、筋骨格系
に摂動を与え、当該筋骨格系の位置および摂動により与
えた外力を計測し、計測された位置と外力から、摂動に
より変化した前記筋骨格系の位置と外力の変化量を抽出
し、計測した前記筋骨格系の位置および外力と抽出され
た各変化量とを基に、筋骨格系の力学的構造に依存する
係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性係数
を算出するという手順で計測を行う。よって、運動中の
多関節の筋骨格系の機械インピーダンスの計測におい
て、力学的構造に依存する係数、および筋の力学的状態
によって変化する関節周りの粘性・弾性などの機械イン
ピーダンス係数を計測することができるという効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る装置例の筋骨格系の機械インピー
ダンス計測装置αの構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の装置例のマニピュランダムＰＦＭ１０
の構成を示す説明図である。

【図３】(a) は抽出された肩関節の角度の摂動による変
化成分の一例を示し、(b) は抽出された肘関節の角度の
摂動による変化成分の一例を示し、(c) は抽出された肩
関節の角速度の摂動による変化成分の一例を示し、(d)
は抽出された肘関節の角速度の摂動による変化成分の一
例を示すグラフである。

【図４】(e) は抽出された肩関節の角加速度の摂動によ
る変化成分の一例を示し、(f)は抽出された肘関節の角
加速度の摂動による変化成分の一例を示し、(g) は抽出
された肩関節の外力トルクの摂動による変化成分の一例
を示し、(h) は抽出された肘関節の外力トルクの摂動に
よる変化成分の一例を示すグラフである。

【図５】運動中の腕の関節スティフネスの時間変化を示
すグラフである。

【図６】各測定時点における運動中の腕の関節スティフ
ネスを、座標変換により手先スティフネスに変換して得
られた手先スティフネス楕円体を示した図である。

【符号の説明】

α…筋骨格系の機械インピーダンス計測装置Ｐ…被験者Ｏ…筋骨格系１…摂動手段２…位置計測手段３…外力計測手段４…摂動変換分抽出モジュール５…係数推定モジュール１０…マニピュランダムＰＦＭ１１…テーブル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ…リンク１２ａ´…固結部１２ｂ´、１２ｃ´、１２ｄ´…枢結部１３…トルクモータ１４…グリッパ１５…椅子１６…ストラップ１７…熱可塑性プラスチック１８…前腕支持用プレート２０…コンピュータ３０…手先スティフネス楕円３１…腕

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川人光男京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５番地株式会社エイ・ティ・アール人間情報通信研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筋骨格系の機械インピーダンスを計測する
に当たり、摂動手段にて筋骨格系に摂動を与える第１ステップと、前記筋骨格系の位置および摂動により前記筋骨格系に与
えた外力を計測する第２ステップと、計測された前記筋骨格系の位置と前記筋骨格系に与えた
外力から、摂動により変化した前記筋骨格系の位置と外
力の変化量を抽出する第３ステップと、前記第２ステップにて計測した前記筋骨格系の位置およ
び外力と前記第３ステップにて抽出された各変化量を基
に、当該筋骨格系の力学的構造に依存する係数および筋
の状態に依存する関節粘性・関節弾性係数を算出する第
４ステップと、からなる、ことを特徴とする筋骨格系の機械インピーダンス計測方
法。
【請求項２】運動中の腕の機械インピーダンスを計測す
るに当たり、被験者の腕の運動を水平面内に制限し、かつ抗重力のた
めの保持力の発生を防いで、当該被験者の手先に摂動を
与える第１ステップと、前記被験者の手先の位置および当該手先に与えた外力を
計測する第２ステップと、計測された前記手先の位置と当該手先に与えた外力か
ら、摂動により変化した前記被験者の手先の位置および
当該手先に与えた外力の変化量を抽出する第３ステップ
と、前記第２ステップにて計測した前記被験者の手先の位置
および当該手先に与えた外力と前記第３ステップにて抽
出された各変化量を基に、被験者の腕の力学的構造に依
存する係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾
性係数を算出する第４ステップと、からなる、ことを特徴とする筋骨格系の機械インピーダンス計測方
法。
【請求項３】前記第１ステップは、その前段に、被験者の手先を所定の位置Ｓに置き、合図
とともに腕を動かして所定の位置Ｅで止める試行を繰り
返し行い、当該被験者による動作を一様にする前作業を
有する、ことを特徴とする請求項２に記載の筋骨格系の機械イン
ピーダンス計測方法。
【請求項４】前記第２ステップの手先の位置計測及び外
力計測は、予め求めた肩の位置と前腕・上腕の長さを使って座標変
換して当該腕の関節角度及び関節トルクに換算すること
により行う、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の筋骨格系の機
械インピーダンス計測方法。
【請求項５】前記第３ステップの変化量の抽出は、各試行において計測された肩・肘関節の外力ベクトル、
関節角ベクトル、その角速度ベクトル、角加速度ベクト
ルから摂動によるそれぞれの変化分を取り出す、ことを特徴とする請求項２、３又は４に記載の筋骨格系
の機械インピーダンス計測方法。
【請求項６】前記第３ステップの変化量の抽出は、前記各試行ごとのばらつきを除去するため、摂動毎にデ
ータをアンサンブル平均する、ことを特徴とする請求項５に記載の筋骨格系の機械イン
ピーダンス測定方法。
【請求項７】前記第４ステップの関節粘性・関節弾性係
数の算出は、水平面内で動作する２関節の腕の機械インピーダンス係
数であるスティフネス行列と粘性行列を腕の力学構造モ
デルを用いて成立した関係式を変形して実行する、ことを特徴とする請求項２、３、４、５又は６に記載の
筋骨格系の機械インピーダンス計測方法。
【請求項８】前記摂動手段は、ベースプレート平面上に設けられ、かつ平行四辺形状に
連結構成された４つのリンクと、根元固定回転側の２つの前記リンクの固結部を駆動する
トルクモータと、先端可動自由側の２つの前記リンクの枢結部に設けら
れ、かつ前記ベースプレート平面上の移動を非接触と
し、鉛直方向の力とモーメント力を支持するグリッパ
と、からなる、ことを特徴とする請求項２、３、４、５、６又は７に記
載の筋骨格系の機械インピーダンス計測方法。
【請求項９】前記第２ステップでの手先の位置計測は、前記トルクモータに位置センサを取付け、当該位置セン
サにて検出されるモータ回転角を座標変換した計測値を
利用する、ことを特徴とする請求項４、５、６、７又は８に記載の
筋骨格系の機械インピーダンス計測方法。
【請求項１０】前記第２ステップでの手先に加わった外
力計測は、リンクの先端側で前記グリッパと共に回転する位置に力
センサを取付け、当該力センサにて外力の大きさを検出
するとともに、当該グリッパの回転角をエンコーダにて
検出することにより作業座標系における力の方向を検知
する、ことを特徴とする請求項４、５、６、７、８又は９に記
載の筋骨格系の機械インピーダンス計測方法。
【請求項１１】前記第１ステップの摂動は、ランダムな順序で与えられる微小摂動である、ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、
８、９又は１０に記載の筋骨格系の機械インピーダンス
計測方法。
【請求項１２】前記第３ステップと前記第４ステップ
は、コンピュータにて実現する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の筋骨格系の機
械インピーダンス計測方法。
【請求項１３】前記筋骨格系の機械インピーダンス計測
は、当該筋骨格系のトレーニング又はリハビリテーションの
効果確認に用いる、ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、
８、９、１０、１１又は１２に記載の筋骨格系の機械イ
ンピーダンス計測方法。
【請求項１４】筋骨格系に摂動を与える摂動手段と、前記筋骨格系の位置を計測する位置計測手段と、摂動により前記筋骨格系に与えた外力を計測する外力計
測手段と、計測された前記筋骨格系の位置と前記筋骨格系に与えた
外力から、摂動により変化した前記筋骨格系の位置の変
化量と外力の変化量を抽出する摂動変化分抽出モジュー
ルと、前記位置計測手段にて計測した前記筋骨格系の位置、前
記外力計測手段にて計測した前記筋骨格系に与えた外
力、及び前記摂動変化分抽出モジュールにて抽出された
各変化量を基に、前記筋骨格系の力学的構造に依存する
係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性係数
を算出する係数推定モジュールと、からなる、ことを特徴とする筋骨格系の機械インピーダンス計測装
置。
【請求項１５】被験者の腕の運動を水平面内に制限し、
かつ抗重力のための保持力の発生を防いで、当該被験者
の手先に摂動を与える摂動手段と、前記被験者の手先の位置を計測する位置計測手段と、前記被験者の手先に与えた外力を計測する外力計測手段
と、計測された前記手先の位置と当該手先に与えた外力か
ら、摂動により変化した前記被験者の手先の位置および
当該手先に与えた外力の変化量を抽出する摂動変化分抽
出モジュールと、前記位置計測手段にて計測した前記被験者の手先の位
置、前記外力計測手段にて計測した前記被験者の手先に
与えた外力、及び前記摂動変化分抽出モジュールにて抽
出された各変化量を基に、前記被験者の腕の力学的構造
に依存する係数および筋の状態に依存する関節粘性・関
節弾性係数を算出する係数推定モジュールと、からな
る、ことを特徴とする筋骨格系の機械インピーダンス計測装
置。
【請求項１６】前記摂動手段は、ベースプレート平面上に設けられ、かつ平行四辺形状に
連結構成された４つのリンクと、根元固定回転側の２つの前記リンクの固結部を駆動する
トルクモータと、先端可動自動側の２つの前記リンクの枢結部に設けら
れ、かつ前記ベースプレート平面上の移動を非接触と
し、鉛直方向の力とモーメント力を支持するグリッパ
と、からなる、ことを特徴とする請求項１５に記載の筋骨格系の機械イ
ンピーダンス計測装置。
【請求項１７】前記位置計測手段は、前記トルクモータに取付けられ、当該トルクモータの回
転角を検出し、当該検出値を座標変換して出力する位置
センサからなる、ことを特徴とする請求項１６に記載の筋骨格系の機械イ
ンピーダンス計測装置。
【請求項１８】前記外力計測手段は、前記グリッパと共に回転する位置に取付けられ、かつ外
力の大きさを検出する力センサと、前記グリッパの回転
角を検出して作業座標系における力の方向を検知するエ
ンコーダと、からなることを特徴とする請求項１６又は
１７に記載の筋骨格系の機械インピーダンス計測装置。
【請求項１９】前記摂動変化分抽出モジュールと係数推
定モジュールは、コンピュータにて実現する、ことを特徴とする請求項１４、１５、１６、１７又は１
８に記載の筋骨格系の機械インピーダンス計測装置。
【請求項２０】前記筋骨格系の機械インピーダンス計測
装置は、当該筋骨格系のトレーニング又はリハビリテーションの
効果確認に用いる筋制御トレーニング装置又は四肢運動
のリハビリテーション装置の内部に組み込まれてなる、ことを特徴とする請求項１４、１５、１６、１７、１８
又は１９に記載の筋骨格系の機械インピーダンス計測装
置。