筋骨格系のバイオメカニクスと運動機能に関する研究

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リンク機構では、構造と機能が密接に関連しており、筋及び骨格による自由度制約が作業空間の運動機能及び中枢レベルの制御方策に大きな影響を与える。このため、まず以下の観点から、力学的構造と機能の関係を解析した。(1)筋骨格系の直・並列構造の関係をヤコビ行列により記述した。(2)作業、関節、筋空間における運動インピーダンスと表現とそれらの関係を明らかにした。(3)筋の粘弾性、付着位置、筋群の配置と作業空間(例えば、手先)の運動インピーダンス、力、変冷の関係をヤコビ行列を用いて記述した。(4)特に、作業空間から筋空間への変換は、冗長性のため、何らかの付加的な条件を与えない限り一意に定まらない。本年度は、作業空間の目標運動インピーダンスを実現しながら、同時に、冗長性を利用して関節インピーダンスの配分選択、関節レベルの安定性(インピーダンス行列の正定値性)等のサブ・タスクを満たす一般的な変換法を導出した。次に、拘束運動時の上肢インピーダンス解析するため、以下の実験を実施した。ロボット・アームの先端に6軸力センサを取り付ける。ロボット側にあらかじめインピーダンスを設定しておき、被験者にそのハンドを持たせ、直線、回転などの拘束運動制御を行わせる。運動中にロボット・アームを強制的に動かしたときに生じる手先反立から、ヒトが手先に設定しているインピーダンスを同定した。その結果、1)手先慣性行列が力学モデルから計算した手先の等価慣性と一致すること、2)手先スティフネス楕円体の方向はMussa-Lvaldiらの実験結果と一致するず、大きさはかなり小さいこと、3)手先粘性楕円体の方向が手先スティフネスと類似していることを明らかになった。