講義資料 - システム環境情報学研究室

2011/11/15
2030年エレクトロニクスの旅
Human-centered Mechatronics
～人間を中心としたメカトロニクス ～
北海道大学大学院情報科学研究科
システム制御情報学研究室
金子 俊一
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講義内容
１．人間を中心としたメカトロニクス
２．スマートスーツ＆スマートスーツライト
３．大地震被災地の復興支援への使用
デモンストレーション
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Human-centered Mechatoronics （HCM）
Electronics
電子工学
Mechanics
機械工学
・Mechatronics
機械工学と電子工学の融合分野
「ロボティクス」の基礎
Mechatronics
・Human-centered
mechatronics
Human System
「人間」システム
メカトロニクス設計
の際に，それを扱う「人間」までも
含めたシステムを考えることで，
より使いやすく，安全なものづくりを行う．
人間を中心としたメカトロニクス
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Human-centered
Mechatronics
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HCMの研究事例紹介
パワーアシスト
ヒューマンインタフェース
スマートスーツ
VAI(バイブレーション
アラートインタフェース)
パワーアシストコック
ヒューマンインタフェース学会誌論文賞
バイオメカニカルデザイン
http://www.ssc-lab.com腕上げ作業用スマートスーツ
M-HI(マルチポータル
ヒューマンインタフェース)
講義内容
１．人間を中心としたメカトロニクス
２．スマートスーツ＆スマートスーツライト
３．大地震被災地の復興支援への使用
デモンストレーション
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スマートスーツ
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北海道発の軽労化技術
スマートスーツ
UDスコップ
※ 日本学術振興会科学技術研究費（2006-2007）による成果、
北海道開発局調査事業、デサントスポーツ科学などによる助成。
※ 消防庁長官賞、JSME北海道支部研究技術賞など受賞
スマートスーツ・ライト
※ NEDO福祉用具実用化開発推進事業（2009〜2010）に採択され、
現在、介護・福祉用モデルを開発中。
※ 北海道福祉のまちづくり賞受賞
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除雪作業における上半身の過度な
前屈や側屈方向負荷のアンバラン
スを低減することを目的に、S字状
に大きく屈曲する柄形状を有する
スコップです。 筋負担，疲労を軽減
する効果があります。
※ グッドデザイン賞受賞
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スマートスーツのコンセプト：「軽労化」
農作業補助
除雪作業補助
栗山町 金丸農園(2007.7)
札幌市内 (2010.1)
介護作業補助
札幌市内病院
(2010.6-7)
建設作業補助
茨城県内現場
(2010.1-2)
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北海道発の軽労化技術：スマートスーツ
スマートスーツ
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セミアクティブアシスト機構
腰関節の運動に関わる
サポーター着用時の
bend sensor
筋のモデル
補助力のモデル
τwFs
主動筋
（補助対象筋）
Fm1
Fm 2

A/D
拮抗筋
CPU
rubber
DIO
wire
d
motor
制御基板
ワイヤ
muscle
rubber
wire
motor unit
motor driver
 w  d ( Fs  Fm1  Fm 2 )
Fs  K ( s  d )
K： 弾性材バネ定数
ｓ： ワイヤ巻き取り量＝制御量
弾性材（補助力源） ＋ モータ（補助力調整機構） ＝
セミアクティブアシスト機構
基本的にはパッシブなアシスト機構（＝サポータ）
補助力を調整するためのアクティブな機構
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DCサーボモータ
ウォームホイル機構
動作に適切な補助力を弾性材
が発揮するよう伸長量を制御
消防庁長官賞（奨励賞），
JSME北海道支部技術賞など受賞
従来のパワーアシスト装置との違い
メリット
従来のアシスト装置
対象
動作
fh
筋発揮力を
直接計測
f  fh  fs
 (1  k ) f h
アシスト装置
補助率：k
・高価で大きなセンサが必要
・ノイズ等で精密測定困難
スマートスーツの場合
fh
対象
動作
力の計測は不要
Mh
安価で小型の
センサで計測可能
筋発揮力の推定
f h*  Gh (M h )
正確な増力比
の設定が容易
 (1  k ) f h  e
補助率
k
モーション・ベースト・アシスト法（MBA）
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f s  kf h
f  fh  fs
アシスト装置
人間の運動
を計測
デメリット
f s  kf h*
 kf h  e
（e：推定誤差）
MBA推定器をしっかりと
作りこまなければ推定誤差増大
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モーション・ベースト・アシスト技術（MBA）
筋骨格モデルに基づいた動作に最適な制御系の設計
Step 1: 補助対象作業調査
Step 3: 筋発揮力の算出
動作中の補助対象筋の筋発揮力 Fm を筋骨格
シミュレータ SIMM*1 により算出
Fm G SIMM (M h )
GSIMM: dynamics function of SIMM
Step 4: 動作-筋発揮力モデル


動作（関節角・角速度）と筋発揮力との関係を
モデル化
筋発揮力 Fm を次式 Fs で近似 4
Fs  f (θ, θ )  k p ' θ  k d ' θ
: joint angle vector
kp’, kd’ : constant coefficient
3
2
1
0
0
*1: SIMM is produced by Musculo Graphics Inc.
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actual mesurement
estimate
muscle force[N]
Step 2: 3次元動作計測
モーションキャプチャシステムに
より補助対象動作 Mh を計測
1
2
time[sec]
3
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スマートスーツの効果
最新版スマートスーツ
・腰にある２つの小型モータで 大腿経由で肩を支える
・独立のモータで左右非対称な運動も補助
肩
補助対象筋
背中

ひねり動作時の筋活動量を評価
左右非対称な運動の補助
補助対象筋では10%の筋活動量減尐
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腰
筋負担軽減率
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酪農場での実フィールド試験

2011/10/17
北海道十勝清水町 の酪農家
さんにスマートスーツとスマート
スーツ・ライトを着用してもらった．
脊柱起立筋
スマートスーツにより
筋活動量が10%以上減尐
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腰部
（腰方形筋）
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北海道発の軽労化技術：スマートスーツ・ライト
スマートスーツ・ライト
※ NEDO福祉用具実用化開発推進事業（2009〜
2010）に採択され、介護・福祉用モデルを開発。
※ 北海道福祉のまちづくり賞受賞
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スマートスーツ・ライト



モータの無いパッシブ型筋力補助スーツ
ゴムベルトの弾性力が補助力
手動で弾性材の長さを調整
Elastic
Assistmaterial
force
Belt
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モーション・ベースト・アシスト法に基づく設計
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設計事例：介護動作
介護労働の負担
（埼玉県内の介護老人保健施設で撮影）
要介護者の増加[1]
 有資格者の14%が腰痛等の
体調不良により離職[2]

要介護認定者数の推移[1]
介護用スマートスーツ・ライトによる 軽労化
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[1] 厚生労働省: 介護保険事業状況報告（年報） (2010) ,
[2] 厚生労働省 : 介護福祉士等現況把握調査 (2010)
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補助対象動作の解析
1.体位変換
2.抱き起こし
3.移乗
（北海道大学 保健科学研究院 山中正紀教授の指導の下で介護動作計測を実施）
負担の解析
①僧帽筋
②脊柱起立筋
③ハムストリング
④大腿四頭筋
⑤腓腹筋
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腰部の筋負担軽減のためのMBA設計
MVC：最大随意収縮 （MaximumVoluntaryContraction）
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設計したスーツの効果検証実験
脊柱起立筋の負担軽減を確認

バーベルの持ち上げ
動作周期:4 sec
– バーベル:30.5 kg
– 台:550 mm
–
Subject A
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Subject B
Subject C
IEMG：積分筋電図 （Integrated electromyography）
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介護用スマートスーツ・ライト臨床試験
H21-22年度NEDO福祉用具実用化開発推進事業
介護作業時に着用し，アンケート調査．



病院（札幌市内，内科・リハビリテーション科）
被験者：介護職 20名 （女性19名，男性1名）
腰部負担の減尐効果（5段階評価）
90%の被験者に腰部負担軽減効果
勤務前後の疲労感増加量（感覚量）を単位時間あたりで比較
非着用時
着用時
疲労感減少率[%]
4.2
2.7
65.0
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疲労感の増加が65%抑えられた
講義内容
１．人間を中心としたメカトロニクス
２．スマートスーツ＆スマートスーツライト
３．大地震被災地の復興支援への使用
デモンストレーション
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スマートスーツ・ライトを被災地へ
提供先：日環エンジニアリング（株） （宮城県大崎市）
- 震災直後より生活復旧ボランティア
- ボランティア（社員）の肉体疲労が問題化
提供品：スマートスーツ・ライト試作品4着
提供期間：2011年4月20日～現在
現地調査（2011年4月24-25日）
調査内容：
- 生活復旧作業の現状
- スマートスーツ・ライトの効果
場所：宮城県石巻市被災者住居
（日環エンジニアリング
復旧作業ボランティア先）
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宮城県石巻市大街道地区
2011/4/24撮影
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現地調査(使用者感想)
使用者（日環エンジニアリング）の感想：
- 随分と腰が楽になる，
翌日の疲れ（痛み）が軽くなる
- 長期に継続して使用したい
調査結果：
- 被災地活動向けへの対応
→ 作業服一体化モデルを緊急開発中
- 早期大量投入への対応
NEDOによる被災地調査（2011年5月2 - 4日）も
行われ，災害ボランティアセンターにて
スマートスーツ・ライトを試用
瓦礫撤去作業でスマートスーツ・ライトを活用するボランティア（NEDO撮影）
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石巻で感じたこと（田中准教授）
復興の前に，まず復旧を！
 スピード感のある復旧を！
 確実性のある復旧を！

瓦礫除去作業を手伝う田中准教授
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