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国立大学法人 電気通信大学

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お知らせ

【ニュースリリース】アシスト中に「透明」になるリハビリテーション用ロボットの基盤技術を開発

2024年05月13日

ポイント

  • リハビリテーション用のロボットのためにアシスト中の機械的透明性を高める技術を開発
  • 独自構造の新開発の融合型ハイブリッドアクチュエータを搭載した駆動関節に特徴
  • 外乱に強い関節の正確かつ大きなトルク制御を実現
  • これまで難しかった中・重度の片麻痺患者に適応するリハビリテーションロボットの実現に期待

概要

仲田佳弘准教授(機械知能システム学専攻)と野田智之主幹研究員(国際電気通信基礎技術研究所脳情報通信総合研究所)らの研究グループは、リハビリテーションロボットの機械的な透明性をアシスト中に向上させる革新的な手法を提案しました。この研究グループは、肩関節リハビリテーションロボットのための関節駆動技術を開発し、ロボットの関節の機械的な透明性を検証する実験を行いました。この関節の駆動技術には、仲田と野田が独自に開発した融合型ハイブリッドリニアアクチュエータ(このアクチュエータ技術に関する論文は、Finalist of 2024 Best Transaction Paper Award for 2024 IEEE/ASME Transactions on Mechatronics受賞)を採用しており、外部から加えられた動きの外乱に強く精密なトルク制御が可能な駆動技術を実現しました。
この研究では、従来のアシストロボットでは難しかった、ロボットの関節のアシスト中の機械的な透明性を高める技術と、透明性を検証するベンチマーク試験を開発しました。具体的には、さまざまな速度で外部から動きの外乱が与えられた時の、ロボット関節のトルク制御性を詳細に評価し、アシスト中に高い機械的透明性を実現できることが検証されました。この駆動技術により、ロボットを装着したユーザは、ロボットにアシストされているにも関わらず、ロボットが持つ機械的特性に制約されることなく自然な動きを実現したリハビリテーションやトレーニングを受けられることが期待できます。
この成果は、ロボティクス領域のトップカンファレンスであるICRA2024(米国電気電子学会(IEEE)主催)に採択され口頭発表されます。また、同国際会議における学会併設展示において当該技術を搭載した肩関節リハビリテーションロボットが展示・デモ発表されます。

成果

実験結果から、駆動関節患者は想定された動きに対して高い追従性と正確なトルクの制御を示しました。患者の動きを想定したさまざまな速度の動きの外乱に対して、ロボットの駆動装置が迅速に応答し、適切なアシストトルクを提供可能なことが示されました。これにより、リハビリテーション中の自然な動作を、アシスト中にサポートする能力が実証されました。また、空気圧シリンダのみで制御される従来システムと比較して、ハイブリッド制御を用いたシステムは、外乱下でより正確なトルク制御が可能であることが確認されました。これにより、実施可能なリハビリテーションの幅と、患者のリハビリテーション中の快適性が向上する可能性があります。

今後の期待

この技術のさらなる発展により、より多様なシチュエーションにおけるリハビリテーションへの応用が期待されています。特に、さまざまな程度の障害を持つ患者に対してカスタマイズされたリハビリテーションプログラムの実現が見込まれます。さらに、この技術が他のリハビリテーション機器にも応用されることで、リハビリテーションの選択肢が拡がり、より多くの患者が恩恵を受けることが可能になります。将来的には、この外骨格ロボットの駆動技術が、患者の日常生活への復帰支援と生活の質の向上に大きく寄与することが期待されます。

図1

図1:アシストロボットにおける「透明性」コンセプト。(a)従来のロボット:ロボット固有の特性がユーザとの間に望ましくない相互作用力を発生させ、ユーザの自由な動作を制約する。(b)従来の透明性コンセプト:相互作用力を0に保ち、ユーザの自由な動作を可能とするが、アシスト力は発生させない。(c)提案されたアシスト中の透明性コンセプト:アシストのための相互作用力を発生させている最中に、ユーザの動作にロボットが追従しながらも、ロボット固有の特性を適切に打ち消し、理想の相互作用力を保ち続ける。このコンセプトは自身で腕を動かすことができず、常にアシスト力が必要となるような重・中度患者のリハビリテーションにおいて、自然なリハビリテーションを実現するために重要である。

図2

図2:開発した試験機。(a)肩関節機構の動作範囲。(b)試験機に搭載された融合型ハイブリッドアクチュエータの構造。図の一部は断面図である。(c)試験機の模式図。(d) 実験装置の写真。

図3

図3:試験機の透明性の評価実験結果。異なる角速度の動作外乱(Slow: 0.31 rad/s, Fast: 0.65 rad/s)に対して、試験機のトルクを目標値(0, 3, および6 N)に保つ能力を評価した。トルクの生成能力は、2つのシステムの制御方法(P-PとP-E)で比較した。P-P (Pneumatic base force - Pneumatic compensation force) 制御方法では、主な力を空気圧力で出力し、動摩擦も空気圧力で補償する。この制御手法は、従来のエアシリンダでも実施可能である。P-E (Pneumatic base force - Electromagnetic compensation force) 制御方法では、主な力を空気圧力で出力し、動摩擦を電磁力で補償する。この制御手法は、空電ハイブリッドアクチュエータでのみ可能である。(a)Slow条件における関節トルク。(b)Fast条件における関節トルク。(c)トルクの平均二条平方根誤差の比較。

(論文情報)
著者名:Takuma Shimoyama, Tomoyuki Noda, Tatsuya Teramae, Yoshihiro Nakata
論文名:Achieving Mechanical Transparency Using Fusion Hybrid Linear Actuator for Shoulder Flexion and Extension in Exoskeleton Robot
会議名:2024 IEEE International Conference on Robotics and Automation
公表日:2024年5月13日(月)
DOI:(新しいウィンドウが開きます)10.36227/techrxiv.171591369.97493239/v1

今回のニュースリリースの成果に使用されている融合型ハイブリッドリニアアクチュエータの論文(Y. Nakata and T. Noda, "Fusion Hybrid Linear Actuator: Concept and Disturbance Resistance Evaluation," in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 28, no. 4, pp. 2167-2177, Aug. 2023)は、Finalist of 2024 Best Transaction Paper Award for 2024 IEEE/ASME Transactions on Mechatronics受賞しました。

(国際会議とデモンストレーションが行われる学会併設展示会場)
名 称:第41回ロボット工学とオートメーションに関する国際会議
2024 IEEE International Conference on Robotics and Automation(略称は ICRA2024)
会 期:2024年5月13日(月)~5月17日(金)
会 場:パシフィコ横浜
展示ブース番号:IC-119(デモ展示期間:5月13日(月)~5月16日(木))

(外部資金情報)
本研究は、JSPS科研費、JP21H04911(アクチュエータ、能動関節、および評価装置の開発と実験)、およびJSTムーンショット型研究開発事業、JPMJMS2034(空気圧制御インタフェースの開発)の助成を受けたものです。

詳細はPDFでご確認ください。