東京工業大学

機能システム学分野　武田・菅原研究室

人間－機械システムの運動学的、動力学的モデル化と設計手法

(1) ダイナミックペアに基づく人間–支援装置系の解析・設計手法

　高齢者や障碍者の生き生きとした自立生活，積極的な社会参加を支援するために普及が期待される，パワーアシストスーツのような装着形動作支援装置（以下，支援装置と呼ぶ）は，いわゆる機械装置としての機能・性能と，価格，質量，信頼性，着脱と操作の容易性や外観の意匠性などを考慮して開発が進められています．しかし，これらを長期間にわたって愛用される，使用者の喜び／満足／興奮を喚起する真のデライト製品とするためには，支援装置が運動中も常に使用者の身体にフィットし，その動作を阻害せずに意思通りに動くことによって，使用者と一体となって効果的に支援動作を実現することが不可欠です．そのためには実際の使用状況下で生じ得る負荷に伴う使用者の皮膚・筋骨格系と装置との運動学および力学的な相互作用を考慮した新たな運動学・力学解析に基づく実用的なモデル化・設計手法の構築が必要です．具体的には，

(1) 身体側と装置側双方の部位からなる支援装置の取付部の力学的特性
(2) 運動に伴って生じ得る身体側の関節の軸の位置・方向の変化
(3) 身体側の関節の可動範囲，剛性，駆動力
(4) 支援装置の取付位置誤差と対偶のガタ・弾性，使用者の特性のばらつき

など，さまざまな要因を考慮して人間－支援装置系の設計を可能とする手法が必要です．本研究室では，使用者が快適に使用でき，かつ効率的な支援動作を実現する支援装置の開発を効率的に行えるようにするために，上記の(1)～(4)を設計の初期段階から統一的に扱うことを可能とするモデル化，解析・設計手法の開発を目指しています．すなわち，剛体リンクとこれらの理想的な拘束（相対運動）を実現する対偶（キネマティックペア）によって人間や装置をモデル化する旧来の機構学から脱却し，支援装置と人体の結合部などの挙動をもモデル化して人間－支援装置系を統一的に扱った解析・設計手法の開発を目標としています．本研究では，このモデルをダイナミックペアと呼びます．

本研究では，設計の初期段階から使用者と支援装置を一体化して扱うためにダイナミックペアを提案して新たな解析・設計手法の構築を目指します．これにより，従来の機構学的アプローチでは表現できなかった結合部の動力学特性を可視化した人間－支援装置系の最適機構設計を可能とします．

文献

  • 武田 行生, 菅原 雄介, 松浦 大輔, 松田 聡一郎, 鈴木 智行, 北川 雅隆, LIU Ying-Chi：ダイナミックペアに基づく装着形動作支援装置のモデル化と運動力学解析，日本機械学会2019年度年次大会講演論文集，2019年9月．

(2) 高齢者の安定な移動を支援する支持物(杖，手すりなど)の評価，設計

　人体，手すり・杖などの支持物に加え，人体と支持物の結合部も含めて1つの運動力学系と捉えたモデル化方法，および転倒回避特性の評価指標などについて研究を行っています．これにより，高齢者のためのアクチュエータを使わない歩行支援法の確立を目指しています．

文献

  • Soichiro Matsuda and Yukio Takeda: Strategy for Application of Support Object for Fall Prevention in the Elderly Based on Balance Recovery Characteristics, MDPI Journal, Machines 2020, 8(4), 60; doi:10.3390/machines8040060, Oct 07, 2020 online.
  • 松田聡一郎，武田行生：ダイナミックペアを適用したモデルに基づく高齢者の歩行時の転倒防止に着目した前方杖先位置の評価法の提案，日本機械学会論文集，Vol.86, No.885, 2020, DOI: 10.1299/transjsme.20-00063.
  • 松田 聡一郎, 松浦 大輔, 菅原 雄介, 武田 行生：バランス復帰特性に基づく高齢者の安定歩行支援のための住環境評価法（単一の支持物が存在する環境下における安定性評価），日本機械学会論文集，83巻，854号, 2017.

(3) リハビリテーション機器，動作支援機器の人体への装着特性を考慮したモデル化，運動力学解析と設計

安全，快適かつ簡便な関節リハビリテーション機器，動作支援機器の開発支援のために，これらの機器の使用者への装着時の誤差および人体装着部の柔らかさの影響を理論的に解析するためのモデル化および設計指標の開発を行っています．

文献

  • 劉 穎奇 (Ying-Chi LIU)，武田行生(Yukio TAKEDA), 安全性と快適さを考慮した手首・前腕用装着型リハビリロボットの設計，試作，実験 (Design, Prototyping and Experiment of a Wrist-forearm Rehabilitation Robot with Improved Safety and Comfort), 第4回日本再生医療とリハビリテーション学会学術大会　講演概要集，2022.9.24, 九州大学医学部百年講堂．2022.
  • Lei Cao, Ying-Chi Liu, Yusuke Sugahara, Vincenzo Parenti Castelli and Yukio Takeda, Design and analysis of arc-motion based hand exoskeleton for finger rehabilitation, 第40回日本ロボット学会学術講演会（2022年9月5日〜8日）予稿集，RSJ2022AC3J1-06
  • GIOVANNI COLUCCI, ANDREA BOTTA, MATTIA VERUTTI, CARMEN VISCONTE, GIUSEPPE QUAGLIA, YING-CHI LIU, YUKIO TAKEDA, A PRELIMINARY SYNTHESIS OF A LIGHT AND COMPACT WEARABLE CABLE-DRIVEN PARALLEL ROBOT FOR WRIST JOINT REHABILITATION, The 5th Jc-IFToMM International Symposium (in conjunction with The 28th Jc-IFToMM Symposium on Mechanism and Machine Theory), Kyoto, Japan, July 16, 2022, pp. 57-64, https://doi.org/10.57272/jciftomm.5.0_57
  • Liu, YC., Botta, A., Quaglia, G., Takeda, Y. (2022). Preliminary Mechanical Design of a Wearable Parallel-Serial Hybrid Robot for Wrist and Forearm Rehabilitation with Consideration of Joint Misalignment Compensation. In: Kecskeméthy, A., Parenti-Castelli, V. (eds) ROMANSY 24 – Robot Design, Dynamics and Control. ROMANSY 2022. CISM International Centre for Mechanical Sciences, vol 606. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-06409-8_5
  • Ying-Chi Liu, Kosuke Irube and Yukio Takeda, Kineto-Static Analysis and Design Optimization of a 3-DOF Wrist Rehabilitation Parallel Robot with Consideration of the Effect of the Human Limb, Machines 2021, 9, 323. https://doi.org/10.3390/machines9120323, Published: 28 November 2021
  • Woo-hyeok Choi, Yukio Takeda. 2021. “Geometric Design and Prototyping of a (2-RRU)-URR Parallel Mechanism for Thumb Rehabilitation Therapy” Machines 9, no. 3: 50. https://doi.org/10.3390/machines9030050
  • Ying-Chi Liu and Yukio Takeda, Kineto-static Analysis of a Compact Wrist Rehabilitation Robot Including the Effect of Human Soft Tissue to Compensate for Joint Misalignment, In: Venture G., Solis J., Takeda Y., Konno A. (eds) ROMANSY 23 – Robot Design, Dynamics and Control. ROMANSY 2020. CISM International Centre for Mechanical Sciences (Courses and Lectures), vol 601. Springer, Cham, pp 321-329. https://doi.org/10.1007/978-3-030-58380-4_39
  • Woo-hyeok Choi and Yukio Takeda, Static Analysis and Actuator Selection of (2-RRU) -URR Parallel Mechanism for Thumb Rehabilitation, In: Niola V., Gasparetto A. (eds) Advances in Italian Mechanism Science. IFToMM ITALY 2020. Mechanisms and Machine Science, vol 91. Springer, Cham, pp 608-616. https://doi.org/10.1007/978-3-030-55807-9_68
  • Andrea Petinari, Yukio Takeda, and Vincenzo Parenti-Castelli, A New Rehabilitation Device for Finger Extension Movement, In: Niola V., Gasparetto A. (eds) Advances in Italian Mechanism Science. IFToMM ITALY 2020. Mechanisms and Machine Science, vol 91. Springer, Cham, pp 644-651. https://doi.org/10.1007/978-3-030-55807-9_72
  • Woo-hyeok Choi and Yukio Takeda, Displacement Analysis and Design of a (2 -RRU) -URR Parallel Mechanism Performing 2R1T Output Motion for Thumb Rehabilitation, MDPI Journal of Robotics, 2020, 9, 67; doi:10.3390/robotics9030067
  • Ying-Chi Liu and Yukio Takeda: Kineto-Static Analysis of a Wrist Rehabilitation Robot with Compliance and Passive Joints for Joint Misalignment Compensation, MDPI Journal of Machines, 2020, 8, 23; doi:10.3390/machines8020023.